Hydraulikzylinder sowie dessen Herstellungsverfahren

Beschreibung

[0001] Die Erindung betrifft einen gattungsgemässen Eisen (Fe) aufweisenden Träger von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Teilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer elektrochemisch aufgebrachten Aussenschicht aus Chrom (Cr).

[0002] Bei solchen bekannten Bauteilen aus Stahl z.B. Kolbenstangen für Hydraulikzylinder, wird die Aussenschicht in einer Dicke von ca. 30 µm als mechanisch verschleissfeste Hartchromschicht (nicht hingegen dekorative Glanzchromschichten als Weichchrom von ca. 0,3 bis 0,9 µm wie z.B. in der JP-7278845, JP-8100273 offenbart) aufgebracht. Aufgrunddessen haben sich diese bekannten Mechanik-Bauteile bewährt und sind ausreichend korrosionsbeständig sowie abriebfest.

[0003] Allerdings weisen die solchermassen abgeschiedenen Chromschichten Zugeigenspannungen auf, durch die Risse in der Chromschicht entstehen können, wodurch der Schutz gegen Korrosion drastisch verringert wird.

[0004] Üblicherweise wird dieser bei den gattungsgemässen Hydraulikzylindern durch doppeltes Verchromen, oder bei gattungsfremden Bauteilen (DE-40 09 914-C2) durch vorheriges Vernickeln (JP10-251870) verstärkt.

[0005] Die relativ dicke Aussenschicht aus Chrom ist dabei nur mit einer grossen Menge an Chrom und demgemäss mit entsprechend hoher Energie elektochemisch aufzubringen, was sich in einem vergleichsweise hohen Preis niederschlägt, obgleich für diese bekannten Mechanik-Bauteile nach dem Salz-Sprüh-Test (SST) nur eine Standzeit von 96 h garantiert wird.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein billiger herstellbares Bauteil eines Hydraulikzylinders mit besserer Korrosionsfestigkeit bei gleichzeitig hoher Abriebfestigkeit bereitzustellen.

[0007] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemässen Bauteil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, erfindungsgemäss durch dessen kennzeichnende Merkmale, also dadurch gelöst, dass im Bereich der Lauffläche an den Träger eine elektrochemisch aufgebrachte Zwischenschicht aus Nickel-Phosphor (NiP) angrenzt und dass direkt über dieser Zwischenschicht die Aussenschicht angeordnet ist.

[0008] Das Teil bzw. Bauteil des Hydraulikzylinders nach der Erfindung hat überraschenderweise eine gegenüber dem gattungsgemässen Stand der Technik zehn Mal grössere Standzeit von über 900 h nach dem SST, obgleich es mit nur einer ca. 10 bis 12 µm dicken Aussenschicht aus Hartchrom auskommt. Obgleich der Wirkmechanismus nicht bekannt ist, lässt sich aus der hohen Standzeit auf eine absolut dichte Zwischenschicht von typischerweise etwa derselben Dicke wie die Aussenschicht sowie auf eine innigste atomare Verbindung dieser mit der Zwischeschicht aus NiP schliessen. Möglicherweise wirkt die Zwischenschicht aus NiP auch einebnend. Infolge der vergleichsweise dünnen Aussenschicht kann das erfindungsgemässe Bauteil entsprechend kostengünstig hergestellt werden, denn die Kosten für die Zwischenschicht schlagen nur gering zu Buche.

[0009] Es sind zwar gattungsfremde Giessformen mit einer Schicht aus NiP bekannt (JP-61249647-A). Diese bis zu 100 µm dicke Schicht weist aber einerseits darin als pulverförmige Partikel mit einer Grösse von bis zu 10µm dispergiertes Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf, das die einebnende Wirkung der Schicht verhindert und die Potentialverhälnisse stört, andererseits Bereiche auf, die nur über eine weiter Schicht mit dem Träger verbunden sind. Ausserdem ist die Aussenschicht aus Chrom mit einer Dicke grösser als 0,05 mm sehr aufwendig.

[0010] Es sind auch aussenstromlos, d.h. nicht elektrochemisch abgeschiedene Zwischenschichten als Verschleiss- und Korrosionsschutz, auch chemisch Nickel (cNi) genannt, bekannt (z.B. US-3,577,276); diese lassen sich jedoch wegen der schlechten atomaren Bindung zwischen cNi und dem elektrochemisch aufgebrachtem Hartchrom und der daraus resultierende schlechten Schichthaftung bei der Erfindung nicht als Zwischenschicht einsetzen, ganz abgesehen von weiteren Nachteilen wie geringe Abscheiderate, teure Badinstandhaltung, grosser Einfluss der Badqualität, denn Verunreinigungen im Bad werden mit abgeschieden und verschlechtern die Schichtqualität, aufwändige Vorbehandlung und hohe hohe Prozesstemperaturen. Es kommt erschwerend hinzu, dass die zu beschichtende Oberfläche ein positiveres elektrochemisches Potential als Nickel aufweisen muss.

[0011] Zur Herstellung der erfindungsgemässen Bauteile kommen nur ausschliesslich elektrochemisch abgeschiedene Zwischenschichten aus NiP in Betracht. Solche Beschichtungsverfahren für NiP-Legierungen wurden zuletzt in den 70-er Jahren beschrieben, haben sich Schichten aus NiP kommerziell zunächst jedoch nicht durchgesetzt. Erst heute sind Elektrolyte zur elektrochemischen Abscheidung von Schichten aus NiP bekannt (Galvanotechnik 4/2005; Seite 818 - 822; Eugen G. Leuze Verlag), der auch efindungsgemäss Einsatz finden kann.

[0012] Jedoch bereitet die Übereinanderanordnung zweier elektrochemisch abgeschiedener Schichten Probleme. So sind z.B. auch praktische Schwierigkeiten bei der elektrochemischen Hartverchromung von hochlegierten Stählen bekannt, die in den ungünstigen Potentialverhältnissen begründet liegen. Zur Erzielung einer atomaren Verbindung der Zwischenschicht mit der Aussenschicht aus Chrom, vorzugsweise Hartchromschicht muss erfahrungsgemäss diese ein höheres Potential als die zu verchromende Zwischenschicht aufweisen. Das ist z.B. bei der als Glanznickelbeschichtung mit einer dünnen Deckschicht aus Chrom (Weichverchromung) auf Ni z.B. bei Badarmaturen bekannten Uebereinanderordnungen aus elektrolytisch abgeschiedenem Nickel (Ni, nicht NiP) und elektrolytisch abgeschiedenem Chrom, nicht jedoch bei der Zwischenschicht nach der Erfindung aus NiP der Fall.

[0013] Die Erfindung betrifft auch ein bekanntes gattungsgemässes Verfahren zur Herstellung eines Eisen (Fe) als Träger aufweisenden (Bau-)Teils von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Teilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer Aussenschicht aus Chrom (Cr), wobei dieses kathodisch in einem Cr im Elektrolyten aufweisenden Verchromungsbad elektrochemisch abgeschieden wird.

[0014] Dieses gattungsgemässe Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs kennzeichnet sich erfindungsgemäss durch dessen kennzeichnende Merkmale, also dadurch aus, dass zunächst auf der das Eisen (Fe) aufweisende Träger elektrochemisch in einem ersten Bad mit einem Ni und P aufweisenden Elektrolyten eine Zwischenschicht aus NiP abgeschieden wird und dass das Bauteil anschliessend in das Verchromungsbad verbracht wird, in welchem es vorzugsweise kathodisch während eines ersten Zeitintervalls mit mit geringer ersten Stromdichte und in zumindest einem weiteren vorletzten Zeitintervall mit einer demgegenüber grösseren vorletzten Stromdichte mit dem sich abscheidenden Cr beschichtet wird.

[0015] Durch diese Massnahmen wird zunächst elektrochemisch die Zwischenschicht aus NiP erzeugt. Danach wird dann das Mechanik-Bauteil direkt -nass in nass- in das Verchromungsbad zur Vermeidung von aufwendig wieder zu beseitigender Passivschichten (DE-2854403-C2) überführt. Ueberraschenderweise wird es durch das Einwirken mit verschiedenen, vorzugsweise stufenweise ansteigenden Stromdichten in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitintervallen möglich, die Aussenschicht aus Chrom atomar mit der Zwischenschicht aus NiP innigst ohne eine weitere, zur Reduzierung des Potentials diendende, haftungsvermittelnde Zusatzschicht, zu verbinden, obwohl die Schicht als NiP ein höheres Potential als Chrom aufweist.

[0016] Es ist zwar das Beschichten einer Giesform als gattungsfremdes Verfahren mit einer elektrochemisch abgeschiedenen Zwischenschicht aus NiP bekannt (JP-54124831-A); diese ist aber relativ dick im Bereich von 30 µm, ganz abgesehen davon, dass die Aussenschicht im Bereich von 10 µm bis 0.5 mm bemessen sein soll.

[0017] Erfindungsgemäss ist es aber auch möglich, das Bauteil nach einer Lagerung also trocken in nass mit der Aussenschicht aus Chrom zu beschichten, wozu es zweckmässig ist, das Mechanik-Bauteil vor dem Verchromen vorzubehandeln.

[0018] So wird das Bauteil erfindungsgemäss nach dem nach dem Entfetten durchgeführten Spülen mit Wasser und vor dem Verbringen in das Verchromungsbad unter Anschliessen an die Anode zwecks (Re)Aktivierung für kurze Zeit einem gesonderten Bad ausgesetzt.

[0019] Insgesamt ist mit dem erfindungsgemässen Verfahren nicht nur eine billigere Herstellung des Mechanik-Bauteils möglich; es wird infolge der besseren Prozessstabilität auch einfacher und problemloser zu steuern werden.

[0020] Weitere zweckmässige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ansprüche

1. Einen Eisen (Fe) aufweisenden Träger von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Teilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer elektrochemisch aufgebrachten Aussenschicht aus Chrom (Cr), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Träger im Bereich der Lauffläche eine elektrochemisch aufgebrachte Zwischenschicht aus Nickel-Phosphor (NiP) angrenzend anliegt und dass direkt über dieser Zwischenschicht die Aussenschicht angeordnet ist.

2. Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Dicke von 5µm bis 30µm, vorzugsweise 7µm bis 20µm, bevorzugt 9µm bis 15µm und vorteilhafterweise 10µm bis 12µm aufweist.

3. Hydraulikzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschicht eine Dicke von 5µm bis 30µm, vorzugsweise 7µm bis 20µm, bevorzugt 9µm bis 15µm und vorteilhafterweise 10µm bis 12µm aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Eisen (Fe) als Träger aufweisenden Teils von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Teilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer Aussenschicht aus Chrom (Cr), wobei dieses kathodisch in einem Cr im Elektrolyten aufweisenden Verchromungsbad elektrochemisch abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst auf dem Träger elektrochemisch in einem ersten Bad mit einem Nickel (Ni) und Phosphor (P) aufweisenden Elektrolyten eine Zwischenschicht aus NiP kathodisch abgeschieden wird, dass das Teil anschliessend in das Verchromungsbad verbracht wird und dass das Bauteil entweder mit ständig ansteigender elektrischer Stromdichte oder während eines ersten Zeitintervalls mit geringer ersten Stromdichte und in zumindest einem weiteren vorletzten Zeitintervall mit einer demgegenüber grösseren vorletzten Stromdichte mit dem sich elektrochemisch abscheidenden Cr beschichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromdichte bei 5 A/dm² liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorletzte Stromdichte bei 20 A/dm² liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitintervall 300 s dauert.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vorletzte Zeitintervall 120 s dauert.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das sich an das vorletzte Zeitintervall anschliessende letzte Zeitintervall mit einer Stromdichte von 50 A/dm² bis zu der gewünschten abgeschiedenen Dicke der Aussenschicht aus Cr bemessen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem vorletzen Zeitintervall zwei sich anschliessende, weitere Zeitintervalle vorgesehen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei weiteren Zeitintervalle 180 bzw. 120 s lang bemessen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichten in den zwei weiteren Zeitintervallen mit 10 bzw. 15 A/dm² eingestellt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen entfettet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil das dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen bei Ultraschall entfettet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen unter Ultraschall in einer alkalischen Lösung entfettet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen unter Ultraschall in einer Na-Hydroxid-Lösung alkalisch entfettet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem alkalischen Entfetten als Kathode geschaltet kathodisch entfettet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das kathodische Entfetten in einer Na-Hydroxid-Lösung bei einer Stromdichte von ca. 12 A/dm² stattfindet.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das kathodische Entfetten in einer vorzugsweise zehnprozentigen Na-Hydroxid-Lösung bei einer Stromdichte von ca. 12 A/dm² für 180 s stattfindet.

20. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem kathodischen Entfetten mit Wasser gespült wird.

21. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Spülen mit Wasser und vor dem Verbringen in das Verchromungsbad unter Anschliessen an die Anode zwecks Aktivierung einem gesonderten Bad ausgesetzt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Bad einen schwachen Chromelektrolyten aufweist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dasss der schwache Chromelektrolyt 140 bis 190, vorzugsweise 150 bis 180 g/l Cr aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in dem gesonderten Bad einer Stromdichte von 20 A/dm² ausgesetzt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in dem gesonderten Bad einer Stromdichte von 20 A/dm² für ca 15 s ausgesetzt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Bad Sulfationen (SO₄^--) in einer Konzentration von 1 bis 2, vorzugsweise 1,6 % aufweist.

27. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderten Bad eine Temperatur von 50 bis 60, vorzugsweise 55°C aufweist.

28. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem gesonderten Bad dem Verchromungsbad ausgesetzt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verchromungsbad 250 bis 350, vorzugsweise 280 bis 320 g/l Cr aufweist.

30. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verchromungsbad Sulfationen (SO₄^--) in einer Konzentration von 1,5 bis 2,5 vorzugsweise 1,9 % aufweist.

31. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verchromungsbad eine Temperatur von 50 bis 70, vorzugsweise 55°C aufweist.

32. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ersten Bad eine Temperatur von 50 bis 74, vorzugsweise 55°C aufweist.