DE4434425A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Antihaftbeschichtung sowie mit einer solchen versehene Gegenstände - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung einer Antihaftbeschichtung sowie mit einer solchen versehene Gegenstände

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Antihaftbeschichtung auf der Oberfläche eines verhältnismäßig weichen Metallsubstrats, z. B. einem Substrat aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Magnesium oder einer Magnesiumle­ gierung und/oder Kupfer oder einer Kupferlegierung, bei wel­ chem man die Metalloberfläche aufrauht sowie mit einer ein- oder mehrlagigen Hartstoffschicht, wie einer Hartanodi­ sationsschicht oder einer thermischen Spritzschicht, und dann mit einer ein- oder mehrlagigen Antihaftschicht, z. B. aus einem Fluorkohlenstoffharz, wie Polytetrafluoräthylen (PTFE), Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-Kopolymer (FEP) oder Tetrafluoräthylen-Äthylen-Kopolymer (ETFE), versieht, ins­ besondere zum Zwecke der Pfanneninnenbeschichtung.
Aus der DE-AS 15 46 934 ist ein Verfahren zur Bildung einer Polytetrafluoräthylen-Schutzschicht auf gereinigten und ano­ disch oxidierten Aluminiumgegenständen bekannt, bei welchem nach der Reinigung der Metalloberfläche eine starke Ätzzwi­ schenbehandlung in Salzsäure und eine anodische Oxidation nach dem Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahren vorgenommen wird, um sowohl die flächige Abriebfestigkeit als auch die Kratzfestigkeit und damit die Lebensdauer der Polytetrafluor­ äthylenschicht zu erhöhen. Die Ätzbehandlung erzeugt in der Leichtmetalloberfläche hinterschnittene Höhlungen, deren Wandungen durch die Anodisierung mit einer Eloxalschicht von hoher Härte überzogen werden. Die Eloxalschicht ist ihrer­ seits porös und saugfähig und nimmt die Schutzschicht aus Polytetrafluoräthylen gut auf. Mit der anodischen Oxidation erhält die an sich weiche Oberfläche der hinterschnittenen Höhlungen eine Härte, die der aufgetragenen Schutzschicht ihre Abrieb- und Kratzfestigkeit gibt.
Aus der EP-OS 0 424 072 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kochgeschirrs aus Aluminium mit einer Antihaftschicht für die Berührung mit dem Kochgut bekannt, bei welchem ein Aluminiumsubstrat wenigstens im Oberflächenbereich der auf­ zubringenden Antihaftschicht aufgerauht und dann anodisiert )wird. Die Antihaftschicht wird dann unmittelbar auf die ano­ disierte Oberfläche aufgebracht, wobei zur Verbesserung der Abriebfestigkeit und Kratzfestigkeit die Anodisationsschicht mittels Hartanodisation erzeugt und die Hartanodisations­ schicht mit einer Stärke zwischen 15 und 50 µm erzeugt wird. Die Antihaftschicht kann Polytetrafluoräthylen (PTFE) sein. Die Oberflächenrauheit wird mittels Ätzen oder Sandstrahlen lediglich zur Haftungsverbesserung erzeugt.
Aus der EP-OS 0 594 374 ist ein Verfahren zum Bilden einer dem Kochgut zugewandten Fläche eines Kochgefäßes mit einem Aluminiumsubstrat offenbart, bei welchem das Aluminiumsub­ strat zunächst hartanodisiert, dann eine Materialschicht vorzugsweise aus Keramik, Aluminiumoxid oder rostfreiem Stahl aufgespritzt und anschließend eine Antihaftschicht aufge­ bracht wird, wobei die Spritzschicht in Form halbkugelförmi­ ger Partikel ausgebildet ist, wodurch der Verankerungseffekt für die Antihaftschicht verbessert werden soll.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei welchem eine hohe Qualität der Antihaftschicht durch Funktionstrennung hin­ sichtlich Abriebfestigkeit und Kratzfestigkeit erreicht wird. Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Oberflächenrauheit der Metalloberfläche und/oder der Hart­ stoffschicht folgende Kenngrößen erfüllt:
Ra zwischen 8 und 30 µm und/oder
Rz zwischen 40 und 180 µm und/oder
Ry zwischen 50 und 250 µm und/oder
Pc (1,3) zwischen 20 und 45 1/cm und/oder
tp [10%] zwischen 1 und 3% und/oder
tp [20%] zwischen 1 und 10%.
Bei Ra, Ry, Pc und tp handelt es sich um die in DIN 4762 und 4768 (für die Ermittlung im Tastschnittverfahren) definierten Größen für den arithmetischen Mittenrauhwert (Ra), die Zehn­ punkthöhe (Rz), die maximale Profilhöhe (Ry), die Spitzenzahl (Pc) und den Profiltraganteil (tp) (gleichbedeutend mit dem Materialanteil Mr) Dabei ist Ra der arithmetische Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen innerhalb einer Bezugsstrecke, Rz der Mittelwert der Absolutwerte der Höhen der fünf höchsten Profilkuppen und der Absolutwerte der Tie­ fen der fünf tiefsten Profiltäler innerhalb einer Bezugs­ strecke, Ry der Abstand zwischen der Linie der Profilkuppen (obere Berührungslinie) und der Linie der Profiltäler (untere Berührungslinie) innerhalb einer Bezugsstrecke, Pc die (von vielen Herstellern verwendete) Kenngröße für Anzahl der Pro­ filmerkmale pro cm, die das eingestellte obere Schnittniveau überschreiten und nachfolgend das untere unterschreiten, und tp das in % angegebene Verhältnis der tragenden Länge des Profils zur Bezugsstrecke in einem bestimmten Schnittniveau. Der Klammerausdruck hinter Pc gibt in um die durch unteres und oberes Schnittniveau bestimmte Bandbreite an.
Schichten, die sowohl verschleißbeständig als auch antihaf­ tend sind, können derart ausgelegt sein, daß zwei unter­ schiedliche Schichten übereinander bzw. nebeneinander unter­ schiedliche Funktionen ausüben. Dieses Prinzip der Funk­ tionstrennung wird erfindungsgemäß in optimaler Weise einge­ setzt, indem auf ein relativ weiches (metallisches) Substrat mit (nach Rauhtiefe und Traganteil) gezielt hergestellter Rauheit eine Hartstoffschicht (ein- oder mehrlagig) an- bzw. aufgebracht wird. Auf diese Hartstoffschicht wird dann eine Antihaftschicht (ein- oder mehrlagig) vorzugsweise aus einem Fluorkohlenstoffharz aufgetragen, welches sich insbesondere in die Vertiefungen der Hartstoffschicht legt. Die frei lie­ gende Oberfläche der Antihaftschicht kann dabei die Ober­ flächenrauhigkeit der Hartstoffschicht mehr oder weniger ausgleichen, d. h. z. B. auch eben sein. Bei Verschleißbean­ spruchung der Beschichtung übernehmen die Hartstoffspitzen die Funktion der Kraftübertragung, während der Großteil der Fläche (90 bis 99%) die Antihaftwirkung übernimmt. Durch gezielte Oberflächenrauheit unter Einhaltung der angegebenen Kenngrößen für das Metallsubstrat bzw. die Hartstoffschicht können der Antihaftbeschichtung optimale Eigenschaften hin­ sichtlich Abriebfestigkeit, Kratzfestigkeit und Antihaft­ wirkung gegeben werden. Von besonderer Bedeutung ist hierbei offenbar der relativ kleine aber nicht zu geringe Traganteil der Oberfläche, so daß eine geringstmögliche Beschädigung der Antihaftschicht bei nicht zu großen Flächen zwischen zwei Spitzen der aufgerauhten Oberfläche erreicht wird. Wenn die Hartstoffschicht durch Hartanodisation od. dgl. Konversion der Metalloberfläche bzw. einer thermischen Spritzschicht gebildet wird, hat die Oberflächenrauheit der Hartstoff­ schicht aufgrund des Aufrauhens der Metalloberfläche vorzugs­ weise folgende Kenngrößen:
Ra zwischen 8 und 15 µm (Hartanodisationsschicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 10 und 25 µm (thermische Spritzschicht) und/oder
Rz zwischen 40 und 80 µm (Hartanodisations­ schicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 40 und 120 µm (thermische Spritzschicht) und/oder
Ry zwischen 50 und 120 µm (Hartanodisations­ schicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 50 und 150 µm (thermische Spritzschicht) und/oder
Pc (1,3) zwischen 25 und 40 1/cm (Hartanodisationssch­ icht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 20 und 45 1/cm (thermische Spritzschicht) und/oder
tp [10%] zwischen 1 und 2 (Hartanodisationsschicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 1 und 3 (thermische Spritzschicht) und/oder
tp [20%] zwischen 2 und 8 (Hartanodisationsschicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 1 und 10 (thermische Spritzschicht).
Die angestrebte definierte Rauhtiefe der Metalloberfläche kann auf einfache Weise durch Strahlen, z. B. Injektions­ strahlen, Druckstrahlen oder Schleuderradstrahlen, insbeson­ dere mit Al₂O₃ (Korund) od. dgl. anorganischem (keramischem) Strahlgut, wie Mischkorund, Edelkorund, SiC, CB₄ und dergl. erzielt werden.
Hierzu kann eine geeignete Körnung ausgewählt werden, welche gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung mindestens K30 (50 bis 700 µm), vorzugsweise mit einer Körnung zwischen K24 (595 bis 841 µm) und K20 (841 bis 1190 µm) oder größer beträgt.
Auf die Oberfläche definierter Rauhtiefe des Substrats können Dickschicht-Hartstoffschichten mit einer Dicke < 10 µm, vor­ zugsweise zwischen 30 und 100 µm, aufgebracht werden.
Dabei kann die Anodisationsschicht bspw. Eloxal oder eine Hartanodisationsschicht sein. Es ist aber auch möglich die Hartstoffschicht als thermische Spritzschicht (durch Flamm­ spritzen, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammssprit­ zen, Detonationsspritzen und dgl.) aufzubringen. Auch son­ stige Konversionsschichten sind möglich.
Für die Herstellung eines Kochgeschirrs wird bspw. zunächst das Metallsubstrat geformt, dann zur Erzielung der gewünsch­ ten Rauheit gestrahlt, die gestrahlte Oberfläche eventuell chemisch gereinigt bzw. gebeizt, dann die Hartstoffschicht erzeugt bzw. aufgetragen, und danach die Antihaftschicht bspw. aus Polytetraflouräthylen (PTFE) oder dgl. Antihaft­ systeme aufgetragen sowie abschließend eingebrannt bzw. ges­ intert.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Antihaft­ beschichtung eignet sich nicht nur vorzüglich als Pfannenin­ nenbeschichtung, sondern auch für sonstige Haushaltsgeräte, wie Bügeleisen, Kuchen- und Auflaufformen, sowie für Maschi­ nenelemente, bei denen es auf Antihaftwirkung und Verschleiß­ festigkeit ankommt, wie bei Walzen, Spritz- oder Gießformen und dgl.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Antihaftbeschichtung auf der Oberfläche eines verhältnismäßig weichen Metallsubstrats, z. B. einem Substrat aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung und/oder Kupferlegierung, bei welchem man die Metalloberfläche aufrauht sowie mit einer ein- oder mehrlagigen Hartstoffschicht, wie einer Hartanodisations­ schicht, und dann mit einer ein- oder mehrlagigen Anti­ haftschicht, z. B. aus einem Fluorkohlenstoffharz, wie Polyte­ trafluoräthylen (PTFE), Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen- Kopolymer (FEP) oder Tetrafluoräthylen-Äthylen-Kopolymer (ETFE), versieht, insbesondere zum Zweck der Pfanneninnen­ beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrau­ heit der Metalloberfläche und/oder der Hartstoffschicht fol­ gende Kenngrößen erfüllt:
Ra zwischen 8 und 30 µm und/oder
Rz zwischen 40 und 180 µm und/oder
Ry zwischen 50 und 250 µm und/oder
Pc (1,3) zwischen 20 und 45 1/cm und/oder
tp [10%] zwischen 1 und 3% und/oder
tp [20%] zwischen 1 und 10%.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht durch Hartanodisation od. dgl. Konver­ sion der Metalloberfläche gebildet wird und die Oberflächen­ rauheit der Hartstoffschicht aufgrund des Aufrauhens der Metalloberfläche folgende Kenngrößen erfüllt:
Ra zwischen 8 und 15 µm (Hartanodisationsschicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 10 und 25 µm (thermische Spritzschicht) und/oder
Rz zwischen 40 und 80 µm (Hartanodisations­ schicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 40 und 120 µm (thermische Spritzschicht) und/oder
Ry zwischen 50 und 120 µm (Hartanodisations­ schicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 50 und 150 µm (thermische Spritzschicht) und/oder
Pc (1,3) zwischen 25 und 40 1/cm (Hartanodisations­ schicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 20 und 45 1/cm (thermische Spritzschicht) und/oder
tp [10%] zwischen 1 und 2 (Hartanodisationsschicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 1 und 3 (thermische Spritzschicht) und/oder
tp [20%] zwischen 1 und 8 (Hartanodisationsschicht und sonstige Konversionsschicht) bzw. 1 und 10 (thermische Spritzschicht).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Erzeugung der Oberflächenrauheit der Metallober­ fläche durch Strahlen, z. B. Injektionsstrahlen, Druckstrahlen oder Schleuderradstrahlen, insbesondere mit Al₂O₃ (Korund) od. dgl. anorganischem (keramischem) oder metallischem bzw. hart­ metallischem Strahlgut erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Strahlen der Metalloberfläche Strahlgut mit einer Körnung von mindestens K30 (50 bis 700 µm), vorzugsweise mit einer Körnung zwischen K24 (595 bis 841 µm) und K20 (841 bis 1190 µm) oder größer verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht mit einer Dicke < 10 µm, vorzugsweise zwischen 30 und 100 µm, erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht als Anodisations­ schicht, vorzugsweise Hartanodisationsschicht, als thermische Spritzschicht, z. B. durch Flammspritzen, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen und/oder Detonationssprit­ zen, oder als sonstige Konversionsschicht erzeugt wird.
7. Gegenstand, z. B. Haushaltsgerät, Maschinenelement, Spritz- oder Gießform, mit wenigstens einem eine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellte Antihaftbeschichtung auf­ weisenden Flächenbereich.
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