DE4212486C2

DE4212486C2 - Verfahren zum Vorbehandeln von Bauteilen oder Werkstücken aus Stahl und zum anschließenden Emaillieren

Info

Publication number: DE4212486C2
Application number: DE19924212486
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing Lind
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2012-04-15
Also published as: DE4212486A1

Description

Stahlbleche zur Herstellung von Bauteilen und Werkstücken, die mit einer Emailbeschichtung versehen werden sollen, werden im Walzwerk bedarfsweise zur Erzielung einer verbesserten Festigkeit oder Emaillierbarkeit geglüht und zur Vermeidung einer Korrosion mit einem Schutzöl versehen und an den Bearbeiter (Emaillierer) geliefert (vgl. Mitt. d. Ver. dtsch. Emailfachleute 1991, 37-43 und DD-PS 1871). Sie können je nach Verwendungszweck verschieden dick und in Abhängigkeit von der Bearbeitungsmethode von unterschiedlicher Beschaffenheit sein. Das zu emaillierende Bauteil oder Werkstück bedarf vor dem Emaillieren einer Vorbehandlung, um das Korrosionsschutzöl und andere Befettungsrückstände sowie anhaftende Verunreinigungen zu entfernen und um hierdurch insbesondere eine Benetzung des wäßrigen Emailschlickers sicherzustellen. Bei der in der Praxis üblichen chemischen Vorbehandlung werden die zu emaillierenden Bauteile oder Werkstücke einem Beizverfahren unterworfen, um ein blankes Blech zu erhalten. Die Beizverfahren sind in Abhängigkeit von der Stahlblechbeschaffenheit unterschiedlich und bedürfen der Einhaltung genau vorgeschriebener Behandlungsparameter. Insbesondere die Behandlung vor dem Emaillieren verlangt eine genau einzuhaltende Behandlung in Entfettungs-, Spül-, Beiz-, Nickel- und Passivierungsbäder. Damit keine Oxydation in Form grober Rostteile entsteht, müssen die blanken Bauteile bzw. Werkstücke unmittelbar nach der Vorbehandlung emailliert werden. Grundlage dieser Vorbehandlungsmethode ist, daß nach dem Entfetten durch einen Beizvorgang eine weitere Oberflächenbehandlung stattfindet, durch welche Oxydationsteile entfernt und blanke Oberflächen geschaffen werden sollen. Die vorbekannten Behandlungszeiten sind nachteiligerweise sehr aufwendig und erfordern eine relativ lange Behandlungszeit von mehr als einer Stunde. Außerdem belasten die Vorbehandlungsbäder die Umwelt und bedürfen einer Entsorgung.

Zur Entfernung des Korrosionsschutzöls oder -fetts ist aus der GB-PS 6 44 581 bekannt, die Werkstücke zunächst in oxidierender Atmosphäre auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreicht, das Öl bzw. Fett zu verbrennen und anschließend die Werkstücke in reduzierender Atmosphäre auf eine Temperatur zu erhitzen, durch welche die gebildeten Oxide zerstört werden. Bei diesem aufwendigen zweistufigen Verfahren wird beim oxidierenden Glühen zwar das Öl bzw. Fett abgebrannt, wobei es jedoch, wie auch beim anschließenden reduzierenden Glühen, zu einer unerwünschten Veränderung der Werkstoffeigenschaften kommen kann. Auch besteht das Problem, daß der gebildete Zunder beim reduzierenden Glühen nicht ausreichend zerstört wird und zusätzlich die übliche chemische Vorbehandlung vorgenommen werden muß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechendes Verfahren zum Vorbehandeln von Bauteilen oder Werkstücken aus Stahl und zum anschließenden Emaillieren derart weiterzuentwickeln, daß neben einer Verkürzung der Vorbehandlungszeit das Emaillieren erheblich verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Verfahren wird zu nächst in bekannter Weise das am Bauteil bzw. Werkstück anhaftende Korrosionsschutzöl und Befettungsmittel abgedampft. Der wesentliche Vorteil ist aber darin zu sehen, daß auf der zu emaillierenden Oberfläche eine Eisenoxidschicht gebildet wird, die je nach Temperatur- und Behandlungszeit aus unterschiedlichen Eisenoxidmodifikationen bestehen kann. Diese Oxidoberfläche weist eine, von der Rauhheit der Feinblechoberfläche unabhängige, die Emaillierung fördernde Oberflächenstruktur auf. Bei der Erfindung wird, entgegen den vorbekannten Vorbehandlungen, eine gezielte Oxydation durch Glühen in bestimmten Temperaturbereichen und bestimmten Glühzeiten vorgenommen, wobei diese erfindungsgemäße Behandlung nicht zu einem für das Emaillieren gefährlichen Rosten führt, sondern oxidierende Bestandteile bildet, die für eine wesentlich verbesserte Haftung des unmittelbar auf die Oxidschicht aufgebrachten Emailschlickers und anschließenden aufgebrannten Emails Sorge tragen. Die durch die thermische Vorbehandlung entstandene Oxidschicht auf der zu emaillierenden Oberfläche gewährleistet bei der Beschichtung mit dem wäßrigen Emailschlicker eine gute Benetzung. Da die Eisenoxidschicht vor dem Auftragen des Emails gebildet wird, wird eine nachteilige Eisenoxidbildung infolge verschiedener Emailfrittenkomponenten vermieden. Nach dem Trocknen des Emailschlickers beeinflußt die Eisenoxidschicht während des Brennprozesses beim Emaillieren die Benetzungsfähigkeit des flüssigen Emails aufgrund eines geringeren Benetzungswinkels positiv. Der Benetzungswinkel des flüssigen Emails auf einer blanken Stahloberfläche beträgt 55°, während dieser auf einer gesättigten Eisenoxidschicht nur ca. 2° beträgt. Da beim Brennprozeß eine anders strukturierte Oxidschicht vorliegt, wird das Fließverhalten des flüssigen Emails beeinflußt. Es entstehen daher glatte Emailoberflächen. Die Eisenoxidschicht wird dann während des Brennvorganges zum Emaillieren vom flüssigen Email vollständig aufgelöst. Mit der erfindungsgemäßen thermischen Vorbehandlung kann somit gezielt eine für die Emailhaftung wichtige Haftoxidschicht an der Grenzfläche der zu behandelnden Oberfläche und Email erzeugt werden. Diese thermische Vorbehandlung beeinflußt daher, anders als die bekannte chemische Vorbehandlung, auch den Brennprozeß.

Die erfindungsgemäße Behandlung ist in vorteilhafter Weise an die verschiedenen Emailtypen und verwendeten Stahlbleche anpaßbar. Je nach der Stahlblechsorte und der Dicke des Stahlblechs kann die Glühtemperatur und die Glühzeit ange paßt werden. Bei dünnen Blechen ist entsprechend eine kür zere Behandlungszeit vorzusehen, während die Glühtemperatur im wesentlichen von der Stahlsorte abhängt. Das Emaillieren von unterschiedlichen Stählen hat gezeigt, daß neben Eisen auch andere Bestandteile der Oberfläche oxidiert werden. Durch den freien Zutritt von Sauerstoff beim Glühen ist auch mit einer Reduzierung des Kohlenstoffs auf der Oberfläche und in oberflächennahen Bereichen zu CO₂ zu rechnen. Auch bei Titan-legierten Stählen (IF-Stählen) kommt es durch diese thermische Behandlung zu einer haftungsfördernden Oxid schichtausbildung beim Emaillieren. Wird eine Behand lungstemperatur gewählt, die über dem Erweichungsbereich des Emails liegt, ist von einer anderen Oxidzusammensetzung auf der Substratoberfläche auszugehen. Während bei der herkömm lichen Emaillierung die Oxidschichtbildung mit beginnender Verflüssigung des Emails bei ca. 450 bis 550°C endet, zei gen sich bei einer erfindungsgemäßen Vorbehandlung auf der zu emaillierenden Oberfläche in Abhängigkeit von der Tempe ratur und Glühzeit Oxidschichten von gelber bis grauer Fär bung. Je nach Oxidationstemperatur können dabei Wüstit (FeO), Magnetit (Fe₃O₄) und Hämatit (Fe₂O₃) entstehen. Die se Oxidzusammensetzung ist bei der herkömmlichen Emaillie rung nicht zu erreichen.

Vorzugsweise liegt die Behandlungstemperatur zwischen 400°C und 600°C und die Behandlungsdauer beträgt zwischen 1 und 5 Minuten.

Versuche haben im Bereich der vorgenannten Parameter eine besonders gute Emailhaftung bestätigt. Dies wird anhand der 3 folgenden Beispiele aufgezeigt:

Beispiel 1

1 mm dicke, planebene Stahlfeinbleche aus EK-Material (Stahlblech für konventionelles Emaillieren) wurden bei Temperaturen zwischen 300°C und 800°C ohne weitere Behand lung zwischen 1 und 8 Minuten in einer normalen Ofenatmos phäre geglüht. Anschließend wurden die Proben mit einem Emailschlicker beschichtet und bei 820°C gebrannt. Alle Probestücke hatten nach dem Brennen eine fehlerfreie und glatte Emailoberfläche. Fischschuppen oder andere Emailfeh ler konnten auch nach einer Auslagerung der Proben (24 Stunden bei 100°C) nicht nachgewiesen werden.

In der Tabelle 1 sind die verwendeten Glühtemperaturen, Glühzeiten eingetragen. Die Emailhaftungskennzahl, die nach dem Fallhammertest (9,81 J) ermittelt wurde, ist in der letzten Spalte angegeben. Hierbei bedeutet Emailhaftungs kennzahl 1 ein sehr gutes Haftvermögen und die Kennzahl 5 keine Haftung.

Tabelle 1

Die Versuche zeigen, daß bei einem 1 mm dicken Stahlblech (EK-Material) gute Ergebnisse ab 400°C mit einer Glühzeit von 5-8 min erzielt wird. Für diesen Werkstoff liegt die obere geeignete Glühtemperatur bei 600°C. Bei diesen Proben zeigte sich, daß in dem Temperaturbereich von 450-600°C eine Glühzeit von 1 min ausreicht.

Beispiel 2

Soll ED-Material (Stahlblech für direktes Emaillieren) er findungsgemäß vorbehandelt und mit Grundemail emailliert werden, so ist zur Erreichung einer guten Emailhaftung eine höhere Brenntemperatur von beispielsweise 850°C erforder lich. Bei den in Tabelle 2 wiedergegebenen Versuchen wurden 1 mm dicke ebene Feinblechproben aus ED-Material zwischen 300 und 800°C auf eine Glühzeit zwischen 1 und 5 min in nor maler Ofenatmosphäre geglüht. Das Brennen erfolgte bei 850°C. Bei allen Proben ergab sich eine fehlerfreie und glatte Emailoberfläche. Emailfehler konnten nicht nachge wiesen werden.

Tabelle 2

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß die Emailliereigenschaf ten von Proben, die im Bereich von 400 bis 600°C vorbehan delt wurden, eine gute Emailhaftung aufwiesen.

Beispiel 3

Auch das Emaillieren von IF-Stahloberflächen (Ti-legiert) ist mit einer erfindungsgemäßen thermischen Vorbehandlung ohne weitere Vorbehandlungsgänge durchzuführen. Die IF-Stahloberfläche wurde bei 600, 700 und 800°C auf die Dauer von 1-3 min voroxidiert. Das Einbrennen der Emaillierung erfolgte mit einem speziellen Email, wie es auch für Werkstücke bzw. Bau teile verwendet wird, die vorher auf übliche Weise durch Beizen usw. chemisch vorbehandelt wurden. Bei einer Brenn temperatur von 850°C wurde eine gute Emailhaftung festge stellt. Die emaillierten Proben zeigten insbesondere bei einer Glühtemperatur von 700°C auf die Dauer von 1-3 min gute Emailhaftungskennwerte von 1-2. Fischschuppen und sonstige Emailfehler waren auch nach der Auslagerung der Proben (24 Stunden bei 100°C) auf der ca. 120 µm dicken Emailschicht nicht sichtbar.

Gleichgute Ergebnisse werden auch erzielt, wenn dickere Stahlbleche bis etwa 5 mm erfindungsgemäß vorbehandelt wer den. Je dicker das Stahlblech, desto länger ist die Glüh zeit zu wählen. Sorge zu tragen ist weiterhin dafür, daß die beim Glühen gebildete Oxidschicht während des Brennpro zesses von dem flüssigen Email aufgelöst werden kann, um die bezweckte Emailhaftung sicherzustellen. Weiterhin ist davon auszugehen, daß bei entkohlten Stahlblechsorten eine verbesserte Emailhaftung durch eine Erhöhung der Brenntem peratur von 820°C auf 850°C erzielt wird.

Claims

1. Verfahren zum Vorbehandeln von Bauteilen oder Werkstücken aus Stahl durch Wärmebehandlung unter Normalatmosphäre in einem Glüh- oder Brennofen und zum anschließenden Emaillieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile oder Werkstücke durch die Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der Werkstoffsorte bei einer Temperatur zwischen 300°C und 820°C auf die Dauer von 1-15 min mit einer Oxidschicht versehen werden, auf welche der aufzubrennende Emailschlicker aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungstemperatur zwischen 400°C und 600°C liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsdauer zwischen 1 und 5 min be trägt.