CH634960A5 - Tubular heating body for domestic appliances, and a method for its production - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrheizkörper für Haushaltgeräte, insbesondere für Geschirrspülmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrheizkörpers.

Es sind Rohrheizkörper bekannt, die aus Chromnickelstahl bestehen und dementsprechend eine hellglänzende, metallisch blanke Oberfläche besitzen. Bei Haushaltsmaschinen, wie Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen oder dgl, bei denen der Rohrheizkörper in einem agressiven Wasser, insbesondere in einem kochsalzhaltigen Wasser, betrieben wird, neigen die Rohrheizkörper zu Spannungsrisskorrosion. Der Chromnickelstahlmantel schützt also den Rohrheizkörper gegen Rostbildung und andere Korrosionsschäden, jedoch nicht gegen Spannungsrisskorrosion. Hierunter ist zu verstehen, dass an Stellen, an denen im Rohrheizkörpermantel innere Spannungen vorliegen, ein Riss auftreten kann, insbesondere, wenn die Oberfläche des Mantelrohres beispielsweise durch eine mitgewa-5 schene Nähnadel verletzt wird.

Es ist nun bekannt, dass das Problem der Spannungsrisskorrosion gelöst werden kann, wenn eine Nickelschicht in der Dicke von 5-20 n. auf die Oberfläche des Mantelrohres aufgebracht wird. Die Nickelschicht wird in einem Glühprozess bei 10 900-1200° unter Schutzgas teilweise in den Chromnickelstahlmantel eindiffundiert. Der Rohrheizkörper besitzt dann also eine metallisch blanke Oberfläche.

Es gibt nun Haushaltsgeräte, bei denen der Rohrheizkörper ständig in Wasser betrieben wird, z. B. Wassererhitzer oder 15 Waschmaschinen. Bei diesen Geräten bleibt die Nickelschicht metallisch blank und oxidiert nicht, da die Rohrheizkörperoberfläche keine Temperaturen annehmen kann, bei denen ein Oxi-dationsprozess auftreten würde. Bei anderen Haushaltsgeräten wird jedoch der Rohrheizkörper in Luft betrieben oder - wie 20 bei Geschirrspülmaschinen - während des Spülvorganges in Wasser, jedoch nach dem Spülvorgang zum Trocknen des Geschirrs in Luft. Bei diesen Geräten erreicht der Rohrheizkörper Oberflächentemperaturen von 400-600 °C. Die Nickeloberfläche wird daher oxidiert, und zwar um so stärker, je 25 höher die Temperatur ist.

Die Oberflächentemperatur des Rohrheizkörpers ist jedoch über seine Länge hinweg unterschiedlich, und zwar bedingt durch eine herstellungsmässig nicht zu vermeidende unterschiedliche Heizleitung der Heizwendel je Längeneinheit 30 und durch unterschiedliche Wärmeabstrahlung der Manteloberfläche nach der Montage des Rohrheizkörpers im Gerät. So ist beispielsweise die Temperatur an den Krümmungsstellen des Rohrheizkörpers im allgemeinen am niedrigsten. Durch diese Temperaturunterschiede ergeben sich auch unterschied-35 liehe Oxidationsformen der Nickelschicht, was optisch in Form von unterschiedlichen Anlauffarben wahrgenommen werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine derartig unkontrollierte Oxidaton der Nickelschicht zu vermeiden. 40 Es soll ein Rohrheizkörper vorgeschlagen werden, der ausserordentlich widerstandsfähig gegen Spannungsrisskorrosion ist.

Die bereits beim Probelauf des Haushaltgerätes, z. B. der Geschirrspülmaschine, im Herstellerwerk auftretende unkontrollierte Oxidation der Nickelschicht des Rohrheizkörpers 45 führt zu einem fleckigen Aussehen. Da bei Geschirrspülmaschinen der Rohrheizkörper im allgemeinen sichtbar ist, wird der Verkauf eines fabrikneuen Gerätes durch die unschöne Oberfläche des Rohrheizkörpers, welche eine Vorbenutzung vermuten lässt, erschwert.

so Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass eine Nickelschicht einer bestimmten Stärke auf einem Chromnik-kelstahlrohr eine Oxidschicht bilden kann, die über die gesamte Länge homogen ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im 55 kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Rohrheizkörper nach Anspruch 1 lässt sich erfindungsgemäss nach dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 angegebenen Verfahren herstellen.

Die dunkelgrüne Farbe der Nickeloxidschicht lässt sich 60 nach Anspruch 4 erzielen, indem die Nickelschicht beim Auftragen mehr als 20 (im beträgt und das Glühen im Gegensatz zu den bekannten Verfahren nicht unter Schutzgas, sondern unter einem oxidierenden Medium erfolgt. Als oxidierendes Medium kann beispielsweise Luft verwendet werden und die Tempera-65 tur beim Glühen sollte vorzugsweise zwischen 900 und 1200 °C liegen. Beim Glühen diffundiert ein Grossteil der Nickelschicht in das Mantelrohr, so dass dann selbstverständlich die Dicke der Nickeloxidschicht wesentlich geringer ist als die Dicke der

aufgetragenen Nickelschicht.

Zu Anspruch 8 ist zu bemerken, dass ein Glühen der Rohrheizkörper in einer oxidierenden Atmosphäre bisher vermieden wurde, da die Anschlussbolzen oxidierten - es sei denn, man stellte diese aus rostfreiem Material her, wodurch jedoch Mehrkosten entstanden. Da jedoch das Glühen in oxidierender Atmosphäre bei dem Verfahren gemäss der Erfindung Voraussetzung ist, stellen die Merkmale des Anspruchs 8 eine elegante Lösung dar, die Anschlussbolzen vor Oxidation zu schützen.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Anspruch 9, kann das noch leere Mantelrohr mit der aufgetragenen Nickelschicht vorerst unter Schutzgas geglüht werden, wobei sich eine metallisch blanke Oberfläche ergibt. Ohne diesen Glühprozess würde beim Verdichten - auch Reduzieren genannt - des mit der Heizwendel und dem Isoliermaterial gefüllten und gebogenen Rohrheizkörpers die spröde Nickelschicht vom Grundmaterial abplatzen. Das erfindungsgemässe Glühen in der oxidierenden Atmosphäre ist dann ein zweiter Glühprozess. Ein oxidierendes Glühen vor dem Füllen des Rohrheizkörpers wäre nicht vorteilhaft, weil die Oxidschicht beim Füllen und Reduzieren verkratzt werden könnte.

Es wurde nun festgestellt, dass die Rohrheizkörper gemäss der Erfindung äusserst beständig gegen Spannungsrisskorro-sion sind. Zur Prüfung auf Spannungsrisskorrosion wurden U-förmig gebogene Rohrheizkörper verspannt und in 42%iger MgCh bei 145° geprüft. Der Verlauf der Rissbildung wurde nach der Erkennbarkeit der Risse mit unterschiedlicher Ver-grösserung beurteilt. Bei dem Rohrheizkörper mit grüner Oxidschicht waren unter 6facher Vergrösserung nach 122 Stunden die ersten Risse zu erkennen. Zum Vergleich wurde ein Rohrheizkörper mit einem nicht vernickelten Mantelrohr aus Chromnickelmolybdänstahl geprüft; dieser zeigte unter 6facher Vegrösserung die ersten Spannungsrisse nach vier Stunden. Nach acht Stunden trat bereits der Bruch ein.

Zur Prüfung der Rostbildung wurden erfindungsgemäss hergestellte Rohrheizkörper anhand eines Wechseltauchversuches in Seewasser geprüft. Dabei konnte nach vier Wochen praktisch kein Rostansatz festgestellt werden. Auch eine Erhöhung der Konzentration des Prüfmittels ergab innerhalb von weiteren zwei Wochen keine Verrostung.

Die Versuche zeigen also, dass man gemäss der Erfindung mit relativ niedrig legierten Chrom-Nickel-Legierungen des Types 18/8, d. h. 18% Chrom und 8% Nickel auskommen kann, ohne dass Nachteile gegenüber höher legierten und wesentlich teuereren Stählen, z. B. Chromnickelstahl 25/20, auftreten wür-den.

Die der Erfindung zugrundeliegende Überlegung kann nun dazu ausgenützt werden, die Stärke der Nickelschicht zu kontrollieren, ohne dass hierzu zeitraubende und kostspielige Untersuchungen erforderlich wären. Solange in der Serienfertigung die gleichmässig dunkelgrüne Nickeloxidationsschicht erzielt wird, ist gewährleistet, dass die Stärke der Nickelschicht über 20 jx beträgt. Unter 20 (x tritt schlagartig ein Umschlg in die graue bis braunschwarze Oxidationsschicht auf. Eine physikalische Erklärung für den auftretenden Effekt konnte nicht gefunden werden. Eine Untersuchung der Röntgenfeinstruktur der oxidierten Oberflächen ergab neben dem Untergrund von Nickel bei beiden oxidierten Proben nur Nickeloxid. Nach dem Schrifttum existiert sowohl bei höheren als auch bei niedrigeren Temperaturen sowohl ein grünes als auch ein schwarzes Nickeloxid.

Die beiliegende Zeichnung dient der weiteren Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Rohrheizkörpers;

Fig. 2 einen Schnitt in vergrössertem Massstab durch den Rohrheizkörper der Fig. 1 in Richtung der Pfeile I-I;

Fig. 3 und 4 Schliffbilder durch die äusserste Schicht des Rohrheizkörpermantels.

634960

Der in Fig. 1 dargestellte W-förmig gebogene Rohrheizkörper besitzt ein Mantelrohr 1 aus einem Chromnickelstahl, und zwar in der bevorzugten Ausführungsform aus einem Stahl des Types 18/8, d. h. mit 18% Chrom und 8% Nickel. An den Enden sind Anschlussbolzen 2 vorgesehen, die, wie später noch erläutert wird, als unlegierte Stahlbolzen gegebenfalls vernickelt ausgeführt sind. Auf den Rohrheizkörpermantel 1 wird eine Nickelschicht in einer Dicke von mehr als 20 jx, vorzugsweise von 20-30 |x, aufgetragen. Der fertiggestellte Rohrheizkörper wird bei 900-1200° an Luft oder an oxidierender Atmosphäre geglüht, wobei sich eine dunkelgrüne, gleichmässige, gut aussehende Oxidschicht an der Oberfläche ergibt. Bei diesem Glühprozess diffundiert ein Teil der Nickelschicht in den Rohrheizkörpermantel ein.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 besteht also die äusserste Schicht des Rohrheizkörpermantels aus einer gleichmässigen Nickeloxidschicht 3 und aus einer Übergangsschicht 4, die in die Ausgangslegierung 5, also im allgemeinen eine Chromnik-kellegierung des Typs 18/8 übergeht.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Schliffbild des Endproduktes nach dem Glühen wurde als Ausgangsmaterial ein Rohrheizkörper verwendet, auf den eine Nickelschicht in einer Dicke von etwa 30 (i aufgetragen war.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform hatte die vor dem Glühen aufgetragene Nickelschicht eine Dicke von etwas unter 15 n.

Auf dem Schliffbild gemäss Fig. 3 ist nun zu erkennen, dass die Nickelschicht eine Stärke von etwa 20 |i und die Übergangsschicht 4 eine Stärke von etwa 5-6 |i besitzt. Die Nickeloxidschicht hat eine gleichmässige, schöne dunkelgrüne Farbe.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform hat die Oxidschicht 3 eine kleinere Stärke im Vergleich zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, nämlich eine Stärke von etwa 15 [i. Die Farbe der Oxidschicht ist grau bis schwarz, je nach Beleuchtung auch braunschwarz. Die unter der Oxidschicht liegende Nickelschicht zeigt unter dem dunklen Belag eine interkristallin verlaufende Oxidation, welche bis zur Grenze der Diffusionszone reicht, die in beiden Schliffen deutlich erkennbar ist.

Zu erwähnen ist noch, dass bei der in Fig. 3 dargestellten Probe der Glühprozess bei 1080 °C vorgenommen wurde und sich über 5 Minuten erstreckte.

Das Problem der Spannungsrisskorrosion und gegebenenfalls auch der Verrostung ist gerade bei Geschirrspülmaschinen sehr akut, weil es nicht zu verhindern ist, dass das Spülwasser Kochsalz enthält. Normaler, an sich rostfreier Chromnikkeistahl bildet ohne Vernickelung eine Oxidschicht, die rostet. Ausserdem ist eine derartige Ausführung gegen Spannungsrisskorrosion sehr empfindlich.

Der Diffusionsprozess verläuft in beiden Richtungen, d. h. einerseits diffundiert die Nickelschicht in den Chromnickelschichtmantel ein - andererseits diffundieren Bestandteile der Chromnickellegierungen in die Nickelschicht ein.

Die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion ist bei den beiden Ausführungsformen ausgezeichnet, vorausgesetzt, dass eine Nickelschicht überhaupt vorhanden ist. Ist diese nicht vorhanden, z. B. durch einen Fehler bei der Fertigung, oder ist sie zu schwach, z. B. nur 4-5 |i stark, dann rostet das Oxid, was jedoch erst nach längerer Benützungsdauer festzustellen ist. Der festgestellte Farbumschlag der Oxidschicht von grün auf dunkelgrau bzw. auf graubraun liefert nun fertigungsmässig eine einfache Kontrolle der Stärke der Nickelschicht. Die grüne Oxidschicht wird dementsprechend bevorzugt,da bei Erzielung derselben auch sichergestellt ist, dass die Nickelschicht beim Auftrag eine Stärke hat, die eine Spannungsrisskorrosion weitgehend ausschliesst. Wenn die Auftragsstärke der Nickelschicht auf andere Art und Weise kontrolliert wird oder wenn man aus anderen Gründen bei der Fertigung sicher

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

634960

4

ist, dass die Nickelschicht immer eine bestimmte Stärke haben dung der Nickeloxidschicht zwei unterschiedliche Abläufe festwird, dann kann zwecks Einsparung von Nickel auch mit dün- gestellt werden können, die bei einer Grundlegierung 18% neren Nickelschichten gearbeitet werden. Chrom und 8% Nickel ziemlich exakt bei 20 (i. Nickelauftrag

Oxidierende Glühprozesse bei fertiggestellten Rohrheiz- wechseln, und zwar in Formen entsprechend den Schliffbildern körpern wurden bisher vermieden, da Anschlussbolzen aus s gemäss Fig. 3 bzw. Fig. 4. Beide Formen der Oberfläche sind unlegiertem Stahl so stark verzundern, das ssie als Anschluss- jedoch äussserst stabil gegen Spannungsrisskorrosion. Welche bolzen nicht mehr geeignet sind. Verwendet man anstelle von Form bevorzugt wird, hängt einerseits von ästhetischen unlegierten Stahlbolzen solche aus rostfreiem Nickelstahl, so Gesichtspunkten ab - dunkelgraue/schwarze bzw. grüne Obermüssen auch diese zwecks nachträglicher Herstellung einer fläche - und andererseits von dem beabsichtigen Einsatzgebiet einwandfreien Punktschweissverbindung von der Oxidschicht io der Rohrheizkörper.

befreit werden. An sich ist es wirtschaftlicher, das leere und noch ungebo-

Um dieses Problem zu lösen, wird bevorzugt, dass das Man- gene Mantelrohr des Rohrheizkörpers zu vernickeln. Es muss telrohr 1 und die Anschlussbolzen 2 etwas länger ausgebildet jedoch anschliessend ein Glühverfahren unter Schutzgas werden. Es werden dann normale unlegierte Stahlbolzen ver- durchgeführt werden. Ohne diesen Glühprozess würde beim wendet, die gegebenenfalls vernickelt sein können. Der in hoch-15 Verdichten - auch Reduzieren genannt - des gefüllten und verdichtetem Magnesiumoxid liegende Teil des Anschlussbol- gebogenen Rohrheizkörpers die spröde Nickelschicht vom zens ist während des Glühprozesses vor Oxidation geschützt. Grundmaterial abplatzen. Der fertiggestellte Rohrheizkörper

Nach dem Glühen werden dann die überschlüssigen Längen wird dann ein zweites Mal unter oxidierender Atmosphäre zur des Mantelrohres 1 und des verzunderten Endes des Anschluss- Erzielung der Oxidschicht geglüht. Ein oxidierendes Glühen bolzens abgeschnitten, so dass die nicht verzunderten 20 vor dem Füllen des Rohrheizkörpers ist jedoch nicht vorteil-

Anschlussbolzen 2 freiliegen. haft, weil die Oxidschicht beim Füllen und Reduzieren ver-

Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass bei kratzt werden kann, so dass sich ein unschönes Ausehen des dem Zusammenwirken des Diffusionsvorganges mit der Bil- Endproduktes ergibt.

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

634960

1. Rohrheizkörper für Haushaltgeräte, insbesondere für Geschirrspülmaschinen, bei denen der Rohrheizkörper mindestens zeitweise in Luft betrieben wird, und der ein Mantelrohr (1) aus einem Chromnickelstahl mit einem Nickelgehalt von 8 bis 12% und einem Chromgehalt von 8 bis 25% besitzt, das mit einer Nickelschicht versehen ist, welche teilweise in den Chromnickelstahl eindiffundiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht als gleichmässige grün/graue/braunschwarze Oxidschicht ausgebildet ist.

2. Rohrheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (1) aus Chromnickelstahl mit 18% Chrom und 8% Nickel besteht.

2

PATENANSPRÜCHE

3. Verfahren zur Herstellung eines Rohrheizkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Mantelrohr (1) des Rohrheizkörpers eine Nickelschicht aufgetragen wird und dass der Rohrheizkörper in einer oxidierenden Atmosphäre geglüht wird, bis über seine Gesamtlänge eine homogene und gleichmässige Nickeloxidschicht (3) gebildet ist, die mit ihrem nicht oxidierten Nickelgrund teilweise in das Mantelrohr (1) eindiffundiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht mit einer Dicke von 20 bis 30 |o.m aufgetragen wird und dass beim Glühen eine dunkelgrüne Farbe der Nickeloxidschicht (3) erzielt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht mit einer Dicke von weniger als 20 (xm aufgetragen wird, dass beim Glühen eine grau bis braunschwarze Farbe der Nickeloxidschicht (3) erzielt wird, so dass die Oberfläche der Nickeloxidschicht (3) derjenigen eines nicht nickelbeschichteten Chromnickelstahlrohrheizkörpers ähnlich ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als oxidierende Atmophäre Luft verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühen bei einer Temperatur zwischen 900 und 1200 °C erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ahsprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Glüljen teilweise in Isoliermaterial eingebettete Anschlussbolzen (2) in das Mantelrohr (1) eingesetzt werden und dass nach dem Glühen die Enden des Mantelrohres (1) derart beschnitten werden, dass die Anschlussbolzen (2) freiliegen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (1) mit der aufgetragenen Nickelschicht vor dem Füllen mit Isoliermaterial und Heizwendel unter Schutzgas geglüht wird, wobei sich eine metallisch blanke Oberfläche ergibt und dass das Glühen in der oxidierenden Atmosphäre nach dem Füllen und Reduzieren erfolgt.