DE69515553T2

DE69515553T2 - Bornitrid-Silikat-Dichtungsmittel

Info

Publication number: DE69515553T2
Application number: DE69515553T
Authority: DE
Inventors: Anthony John Starvos
Original assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-05-26
Filing date: 1995-05-25
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2015-05-26
Also published as: CN1116228A; DE69515553D1; EP0684323A1; JPH07316539A; CN1071782C; CA2150165C; US5869144A; EP0684323B1; CA2150165A1; JP3009341B2; KR100248788B1; KR950031998A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bornitrid-Silikat-Dichtmittel mit einer ausgezeichneten Widerstandsfähigkeit gegenüber schmelzflüssigem Metall und insbesondere schmelzflüssigem Zink, wobei das Dichtmittel vorzugsweise auf eine Komponente aufgetragen wird, die in einer Schmelzzink-Metallisierungsanlage mit dem schmelzflüssigen Zink in Kontakt kommt oder in ihm eingetaucht wird.

Hintergrund der Erfindung

Schmelzflüssiges Zink greift Metalle wie z. B. Stahl und ähnliches an und dringt aufgrund seiner geringen Oberflächenspannung und Viskosität leicht in kleine Löcher oder Spalten ein, deren Größe im Mikrometerbereich liegt. Es sind einige Schutzverfahren vorgeschlagen worden oder im Einsatz, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber schmelzflüssigem Zink zu verbessern, wie z. B. speziell entwickelte Stahlsorten, wie in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. S56-112117 offenbart, oder das Auftragen eines thermisch aufgespritzten WC-Co-Überzugs, wie in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 111-225761 offenbart. Allerdings sind diese Ansätze gegenüber einem schmelzflüssigen Zinkangriff nicht ausreichend widerstandsfähig.
In FR-A-2 289 456 ist eine Schmiermittelzusammensetzung offenbart, die eine wässrige Dispersion von 6 bis 18 Gew.-% Bornitrid, 9 bis 26 Gew.-% eines wasserlöslichen Silikatbindemittels und eine Reihe weiterer Zusätze aufweist. Nach dem Auftragen der Zusammensetzung auf einen zu schmierenden Gegenstand wird das Wasser entfernt, beispielsweise durch ein Erwärmen des behandelten Gegenstandes.
Gemäß EP-A-0 426 485 werden Zusammensetzungen durch Hinzufügen von Wasser zu unlöslichen Materialien hergestellt, so dass sie auf eine Substratoberfläche "aufgestrichen" werden können. Ein Erwärmen verdampft anschließend das Wasser und hinterlässt die "aufgestrichenen" Feststoffe, die in keiner Weise mit dem Wasser in Interaktion getreten sind. Die Zusammensetzung kann als Teilchenpulver Bornitrid in einer Menge von 20 bis 99 Gew.-% basierend auf dem Gewicht der Feststoffkomponenten und Ton, dispergiert in Wasser, aufweisen.
JP-A-58-16 762 schlägt eine Schmiermittellösung für Gussformen für Stanggießmaschinen vor. Die Lösung kann 10 bis 40 Gew.-% Lithiumsilikat, 5 bis 50% Wasser und 10 bis 50% Graphit, Fluorkohlenstoff, Bornitrid, Calciumfluorid usw. aufweisen. Nach dem Auftragen der Lösung auf die Innenflächen der Gussformen wird die Lösung getrocknet.
Gegenüber schmelzflüssigem Zink beständige Stahlsorten bestehen im wesentlichen aus Legierungen auf Eisenbasis und verfügen nicht über eine genügend hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber einem schmelzflüssigen Zinkangriff. Die Kosten für diese Legierungen fallen viel höher als für normalen Baustahl aus. Überzüge wie z. B. selbstfließende Legierungen und WC-Co werden als thermisch aufgespritzte Überzüge verwendet, um Substrate vor einem Angriff durch schmelzflüssiges Zink zu schützen, aber aufgrund der Permeation von schmelzflüssigem Zink durch untereinander verbundene poröse Stellen auf und dem selektiven Angriff auf den Metallbindemitteln ist bislang keine ausreichend hohe Widerstandsfähigkeit bewerkstelligt worden.
Einige Dichtmittel, die einen Schutz für in Zinktiegeln auf Galvanisierungsanlagen verwendete Walzen bieten, weisen die Tendenz auf, während des Betriebs Oxide, Krätze und ähnliches auf der Oberfläche solcher Walzen anzusammeln. Der Aufbau dieser Oxide, der Krätze und von ähnlichem könnte den über die Bandwalzen laufenden Bandstahl anreißen, was zu Stahlprodukten mit schlechter Qualität führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Versiegeln einer Außenfläche von Gegenständen wie z. B. Walzen, die in Kontakt mit einem schmelzflüssigen Metall kommen oder in das Metall eingetaucht werden sollen, um eine Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Angriff von schmelzflüssigem Metall bereitzustellen und um den Angriff und Aufbau von Oxiden, Krätze und ähnlichem auf der Oberfläche von derartigen Gegenständen zu minimieren. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "Krätze" auf eine intermetallische Legierung oder eine Verbindung davon, er ist jedoch nicht auf Aluminium, Zink, Eisen und Kombinationen davon beschränkt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Bornitrid-Silikat- Dichtmittels, das einfach aufzutragen und kosteneffizient herzustellen ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das in Anspruch 1 beanspruchte Verfahren bewerkstelligt. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 8 definiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Versiegelungsmaterial mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Angriff von schmelzflüssigem Metall wie z. B. schmelzflüssigem Zink und mit einer Antibenetzbarkeit, wodurch es zum Beschichten struktureller Materialien wie z. B. Walzen, die in schmelzflüssigem Zink, Aluminium, oder in Zink-Aluminium-Legierungen verwendet werden oder mit diesen Stoffen in Kontakt kommen sollen, ideal geeignet ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Versiegelungsmaterial mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber einem schmelzflüssigen Zinkangriff und mit einer Antibenetzbarkeit, wodurch es für strukturelle Materialien oder thermisch aufgespritzte Überzüge, die mit schmelzflüssigen Metallen verwendet werden oder mit ihnen in Kontakt kommen sollen, ideal geeignet ist.
Ein geeignetes Dichtmittel dieser Erfindung, das eine ausgezeichnete Haltbarkeit in einem schmelzflüssigen Zinkbad ergibt, wird durch ein die folgenden Schritte aufweisendes Verfahren ausgebildet:
(a) Herstellen einer Bornitrid und Silicid enthaltenden Wasserlösung;
(b) Auftragen der Lösung auf die Oberfläche eines zu versiegelnden Gegenstandes; und
(c) Erwärmen des beschichteten Gegenstandes in einem geeigneten Temperaturbereich, um das Wasser im wesentlichen von dem Überzug zu beseitigen.
Dementsprechend besteht die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Dichtmittels mit einer ausgezeichneten Widerstandsfähigkeit gegenüber schmelzflüssigem Metall und spezifisch gegenüber schmelzflüssigem Zink, und die zweite Aufgabe in der Bereitstellung eines Dichtmittels, das den Aufbau von Oxiden, Krätze und ähnlichem minimiert, wenn es in Kontakt mit einem schmelzflüssigen Metall wie z. B. Zink verwendet wird. Das Dichtmittel weist eine wässrige Lösung aus Bornitrid und Silikat auf, die mittels Aufstreichen, Aufspritzen wie z. B. thermischen Aufspritzen oder unter Verwendung jeder anderen konventionellen Technik auf die Oberfläche eines Gegenstandes aufgetragen werden kann. Vorzugsweise könnte die wässrige Dichtmittellösung 9 bis 15 Gew.-% Bornitrid- Feststoffe, 13 bis 24 Gew.-% Silikatfeststoffe und als Rest Wasser enthalten, und am bevorzugtesten von 10,5 bis 13,5 Gew.-% Bornitrid-Feststoffe, von 17 bis 20% Silikatfeststoffe und als Rest Wasser. Nach dem Auftragen der wässrigen Lösung auf einen Gegenstand wird er getrocknet, um im wesentlichen das gesamte Wasser zu entfernen. Vorzugsweise sollte das Wasser in dem Überzug auf 10% oder weniger des in der wässrigen Lösung verwendeten Wassers und bevorzugter auf 5% oder weniger des in der wässrigen Lösung verwendeten Wassers reduziert werden. Um die Wasserreduzierung sicherzustellen, könnte das beschichtete Nitrid über einen Zeitraum auf über 100ºC (212ºF) erwärmt werden, um das Wasser in dem Überzug auf 5% oder weniger zu reduzieren. Im allgemeinen wäre ein Zeitraum von 1 bis 10 Stunden ausreichend, wobei eine Zeitdauer von 4 bis 8 Stunden bevorzugt ist. Ebenfalls bevorzugt ist, den beschichteten Gegenstand über 100ºC (212ºF) zu erwärmen, da Wasser in Lösung unter einer Temperatur von 100ºC (212ºF) nicht effektiv verdampft werden kann Übermäßiges Restwasser kann zu Sprüngen in der Dichtmittellage führen, wenn diese schnell auf die annähernd 470ºC betragende Temperatur des schmelzflüssigen Zinks erwärmt wird.
Vorzugsweise weisen Silikate zur Verwendung in dieser Erfindung die allgemeine Formel auf:
M&sub2;O· xSiO&sub2; · yH&sub2;O
wobei M ein Alkalimetall ist,
x die Anzahl der Mole von SiO&sub2; mit einem Bereich von 1,6 bis 4 ist, und
y die Anzahl der Mole von H&sub2;O mit einem Wert von mindestens 1 ist. Vorzugsweise wäre M ein aus der aus Natrium, Kalium und Lithium bestehenden Gruppe ausgewähltes Element.
Geeignete Silikatlösungen bestünden aus 26,5 Gew.-% SiO&sub2;, 10,6 Gew.-% Na&sub2;O, Rest Wasser; 20,8 Gew.-% K&sub2;O, 8,3 Gew.-% SiO&sub2;, Rest Wasser; und 28,7 Gew.-% SiO&sub2;. 8,9 Gew.-% Na&sub2;O, Rest Wasser. Ebenfalls liegt es im Rahmen dieser Erfindung, zwei verschiedene M&sub2;O-Komponenten wie z. B. ein Gemisch aus Na&sub2;O und K&sub2;O zu verwenden.
Ist das Dichtmittel auf einem Substrat abgeschieden und das Wasser im wesentlichen entfernt, könnte es 15 bis 70 Gew.-% Bornitrid und 30 bis 85 Gew.-% Silikat, vorzugsweise 31 bis 56 Gew.-% Bornitrid und 44 bis 69 Gew.-% Silikat, und am bevorzugtesten 41,5 bis 47,5 Gew.-% Bornitrid und 52,5 bis 58,5 Gew.-% Silikat enthalten. Das Bornitrid-Silikat-Dichtmittel dieser Erfindung widersetzt sich einem Aufbau von Oxid und Krätze, die im allgemeinen an einem Gegenstand anhaften, wenn ein Kontakt mit einem schmelzflüssigen Metall wie z. B. schmelzflüssigem Zink vorliegt. Die Menge von Bornitrid sollte ausreichend hoch sein, um eine nicht haftende Oberfläche bereitzustellen, während das Silikat zum Beibehalten des Bornitrids auf der Oberfläche eines Gegenstandes wie z. B. einer Walze verwendet wird, wodurch die Walze vor einem Eindringen von schmelzflüssigem Metall wie z. B. schmelzflüssigem Zink versiegelt wird. Zur Verbesserung des Eindringen des Dichtmittels in die Poren auf der Oberfläche des Gegenstandes wie z. B. einer Walze kann ein geeignetes Benetzungsmittel wie z. B. verschiedene Stearate, Phosphate oder gängige Haushaltsdetergentien hinzugefügt werden. Vorzugsweise wäre eine Menge von etwa 2 Gew.-% oder weniger für die meisten Anwendungen ausreichend. Das zu verwendende Bornitrid kann hochrein oder mit Ton, Alumiumoxid, Siliziumoxid und Kohlenstoff vermischt sein, und somit kann billiges kommerzielles Bornitrid in dieser Erfindung verwendet werden. Im allgemeinen sind Walzen, die zusammen mit schmelzflüssigem Zink verwendet werden sollen, mit einer Schutzlage wie z. B. Wolframkarbidkobalt, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Molybdänborid beschichtet. Das Dichtmittel dieser Erfindung kann über dem Überzug abgeschieden werden, um ein Eindringen von schmelzflüssigem Zink zu dem Substrat der Walze zu vermeiden und um ebenfalls einen Aufbau von Oxiden und/oder Krätze auf der Oberfläche der beschichteten Walze von dem schmelzflüssigen Zink zu minimieren.

Beispiel 1

Von einer Schmelzschichtungsanlage, die 55% Al-Zn beschichteten Bandstahl produziert, ist berichtet worden, dass ein Versagen der Topfwalze aufgrund des Aufbaus von Krätze und/oder Oxiden nur alle 4 bis 5 Tage auftritt. Ein Versagen bezieht sich auf Ablagerungen auf der beschichteten Walze, die ein Einbeulen oder eine andere Beschädigung des Stahlbleches oder eines anderen Materials, das mit der Walze in Kontakt kommt, bewirkt.
Es wurde ein Test durchgeführt, in dem eine 316L-Topfwalze aus rostfreiem Stahl durch ein Detonationskanonenverfahren mit 5 bis 7 mil an Wolframkarbidkobalt beschichtet wurde. Der Überzug wurde durch zweimaliges Auftragen einer Natrium-Silikat-Lösung versiegelt, die Bornitrid enthielt und die die folgende Zusammensetzung aufwies.
40 Gew.-% BN-"Anstrich" (mehr als 30% BN, weniger als 4% Ton und mehr als 66% H&sub2;O)
10 Gew.-% H&sub2;O
50 Gew./% Natrium-Silikat-Lösung (Verhältnis SiO&sub2;/Na&sub2;O von 2,5).
Nach dem zweiten Auftragen des Dichtmittels auf der Walze wurde die Walze 6 Stunden lang bei einer Temperatur von etwas über 100ºC (212º F) gebacken.
Die Walze arbeitete auf einer Schmelzzink-Beschichtungsanlage 18 Tage lang erfolgreich, während zu erwarten ist, dass eine unbeschichtete Walze nur 4 Tage lang arbeitet. Nach dem Entfernen von dem schmelzflüssigen 55% Al-Zn-Bad konnte ein Krätzeaufbau über 3/4 der Walzenfläche festgestellt werden. Anschließend wurde diese Walze in verdünntem H&sub2;SO&sub4;-(ebenfalls könnte HCl verwendet werden) abgebeizt, um den Aufbau ohne eine Beschädigung des Überzugs zu entfernen, und dann wurde die beschichtete Walze wieder an ihren Betriebsort verbracht.

Beispiel 2

Alle drei Walzen einer Überzugsausrüstung einer Galvanisierungsanlage von nominell reinem Zink (eine gerillte Tauchwalze und zwei glatten Stabilisierungswalzen) wurden wie im Beispiel 1 beschrieben beschichtet und versiegelt. Nach neun Betriebstagen wurde die Überzugsausrüstung während des Abschaltens der Anlage zu Routinewartungsarbeiten zwecks Inspektion entfernt. Es ergab sich, dass das Zink einfach von den Walzenflächen durch Abwischen entfernt werden konnte, und anschließend wurde die Walze wieder an ihren Betriebsort verbracht. Nach einem ähnlichen Betrieb wären die Walzenflächen von unversiegelten Walzen vollständig mit Zink bedeckt, das ohne eine mechanische Anordnung oder durch Abbeizen nicht mehr entfernt werden könnte.
Es versteht sich, dass bezüglich der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Modifizierungen und Veränderungen erfolgen können, ohne den in den Ansprüchen ausgedrückten Erfindungsrahmen zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Versiegeln einer porösen Außenfläche eines Gegenstandes gegen einen Angriff durch schmelzflüssiges Zink, wobei im Zuge des Verfahrens:

(a) ein Bornitrid-Silikat enthaltendes Dichtmittel hergestellt wird, indem Bornitrid in einer wäßrigen Silikatlösung zubereitet wird, die 6 bis 18 Gew.-% Bornitrid-Feststoffe und 9 bis 26% Silikat-Feststoffe, Rest Wasser, enthält;

(b) die Lösung auf die poröse Außenfläche des Gegenstandes aufgebracht wird; und

(c) der beschichtete Gegenstand aus Schritt (b) für eine Zeitdauer erwärmt wird, um das Wasser in dem Dichtmittelüberzug im wesentlichen zu beseitigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt (c) der beschichtete Gegenstand auf eine Temperatur von 100ºC (212ºF) oder mehr erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt (a) die Bornitrid-Feststoffe in einer Menge von 9 bis 15 Gew.-% anwesend sind, die Silikat-Feststoffe in einer Menge von 13 bis 24 Gew.-% anwesend sind, und das Wasser den Rest ausmacht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Silikat die Formel:

M&sub2;O · xSiO&sub2; · yH&sub2;O

hat, wobei M ein Alkalimetall ist,

x die Anzahl der Mole von SiO&sub2; ist und im Bereich von 1,6 bis 4 liegt, und

y die Anzahl der Mole von H&sub2;O ist und einen Wert von mindestens 1 hat.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei M aus der aus Natrium. Kalium und Lithium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt (a) das Bornitrid hochreines Bornitrid ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt (a) das Bornitrid handelsübliches Bornitrid ist, welches Beimischungen von mindestens einem Material enthält, welches aus der aus Ton, Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Kohlenstoff bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Benetzungsmittel, welches aus der aus Stearaten, Phosphaten und Detergienten bestehenden Gruppe ausgewählt ist, der Dichtmittellösung zugegeben wird.