[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Oberflächenvergütung von metallischen
Werkstücken zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit eines solchen Werkstückes. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines
metallischen Werkstückes durch Beschichten desselben mit einem Material, welches bezüglich
des Werkstückes eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Ferner betrifft die
Erfindung ein Werkstück aus Metall, das mit einer korrosionsbeständigeren Schicht
beschichtet ist.
[0002] Metallische Werkstücke, die auf unterschiedliche Art und Weise hergestellt sein können,
etwa durch ein Guß- oder Schmiedeverfahren werden zur Erhöhung ihrer Korrosionsbeständigkeit
oberflächlich beschichtet. Dies trifft insbesondere für alle FE-Metalle zu, kann aber
auch bei NE-Metallen, wie etwa Aluminiumlegierungen gewünscht sein. Die Korrosionsbeständigkeit
eines solchen metallischen Werkstückes kann durch unterschiedliche Beschichtungen
erhöht werden, wobei sowohl chemische als auch physikalische Beschichtungsvorgänge
verwendet werden. Dabei kommen unter anderem Aufdampfungs- oder Zerstäubungsverfahren
ebenso zum Einsatz wie das Überziehen der Werkstücke aus in Gasen oder Flüssigkeiten
enthaltenden Bestandteilen. In vielen Fällen kann ein solcher Werkstoff auch galvanisch
beschichtet werden. Zum Durchführen eines solchen Beschichtungsprozesses ist es notwendig,
die metallischen Werkstücke vor der Beschichtung zu reinigen, um diese von vorangegangen
Bearbeitungsrückständen, etwa Zunder oder Schmiermittelrückstände zu befreien. In
Abhängigkeit von dem metallischen Werkstück und dem zur Herstellung des Werkstückes
verwendeten Verfahren werden für eine solche Reinigung unterschiedliche Verfahren
angewendet, die physikalischer Natur, etwa ein Reinigungsstrahlen oder chemischer
Natur, etwa ein Beizen sein können. Mitunter kommen auch kombinierte abrasive und
chemische Reinigungsverfahren zum Einsatz.
[0003] Insbesondere NE-Metalle, wie etwa Aluminiumguß- oder Schmiedestücke werden nach ihrer
Fertigung einem chemischen Reinigungsvorgang durch Beizen, der sich üblicherweise
an den abschließenden Schritt des Warmaushärtens anschließt, zum Entfernen von Herstellungsrückständen
unterworfen. Zu diesem Zweck werden die In-Line-gefertigten Werkstücke in Körbe umgepackt
und anschließend einem Beizbad zugeführt. Eine solche Handhabung hat zum einen fertigungstechnische
Nachteile zur Folge, da dieser letzte Schritt im allgemeinen nicht in eine In-Line-Fertigung
eingebunden ist. Zum anderen ist der Einsatz von Beizmitteln aus ökologischen Gründen
nicht unbedenklich, da als Rückstände aus diesen Bädern eine nicht unbeträchtliche
Menge an Schlämmen entsorgt werden muß. Auch wenn die beim Beizen entstehende Schlammenge
dadurch reduzierbar ist, daß in dem Reinigungsprozeß ein dem Beizen vorgeschaltetes
abrasives Reinigungsstrahlen vorgesehen sein kann, so kann etwa bei Werkstücken aus
Aluminiumlegierungen nicht auf ein anschließendes Beizen verzichtet werden, da auf
der Oberfläche des Werkstückes anhaftende Strahlmittelreste die Korrosionsbeständigkeit
eines solchen Werkstückes beeinträchtigen.
[0004] Ausgehend von dem oben diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher zum
einen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit
eines metallischen Werkstückes durch Beschichten desselben mit einem Material, welches
bezüglich des Werkstückes eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist, vorzuschlagen,
welches nicht nur ökologisch unbedenklich ist, sondern mit dem eine Beschichtung des
Werkstückes mit einem korrosionsbeständigeren Material mit einer geringeren Anzahl
an Verfahrensschritten ermöglicht ist.
[0005] Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück aus Metall, das mit
einer korrosionsbeständigeren Schicht beschichtet ist, bereitzustellen, welches mit
einer geringeren Zahl an Verfahrensschritten verglichen mit den vorbekannten Verfahren
herstellbar ist.
[0006] Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Beschichtung
des Werkstückes durch Strahlen der Oberfläche des Werkstückes mit einem Strahlmittel
unter Umstrukturierung oder Umformung der Oberfläche des Werkstückes oder von Teilen
davon erfolgt, wobei ein Materialabrieb an den Körnern des Strahlmittels entsteht,
welcher Abrieb eine höhere Korrosionsbeständigkeit als das Werkstück aufweist und
auf der Oberfläche des Werkstückes eine mit dem Gefüge verbundene Schicht ausbildet.
[0007] Letztere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Werkstück aus Metall, das mit einer
korrosionsbeständigeren Schicht beschichtet ist, gelöst, welches Werkstück sich dadurch
auszeichnet, daß die oberflächennahen Bereiche umgeformt und verdichtet sind und daß
die Oberfläche des Werkstückes von einer mit dieser durch eine Gefügeverbindung verbundenen
Deckschicht beschichtet ist.
[0008] Die erfindungsgemäße Beschichtung des Werkstückes erfolgt durch Strahlen der Werkstückoberfläche,
wobei die Prozeßparameter des Strahlvorganges (z.B.: Strahlmittelkörnung, Strahlmittelkornform,
Strahlmittelkornzusammensetzung, Strahlmitteldurchsatz, Strahldauer und Strahlintensität)
dergestalt aufeinander abgestimmt sind, daß zum einen bezüglich des zu beschichtenden
Werkstückes vorgesehen ist, daß durch das Strahlen eine Umstrukturierung der die Oberfläche
des Werkstückes bildenden Bereiche bzw. eine Umformung der Korngrenzen in diesen Bereichen
stattfindet. Zum anderen ist das Material der Strahlmittelkörner von einer solchen
Beschaffenheit, daß diese nur eine solche Abriebfestigkeit aufweisen, daß sich durch
Strahlen der Werkstückoberfläche auf der Oberfläche etwa gleichmäßig über diese verteilt
ein Abrieb von Strahlmittelkörnermaterial ansammelt. Dieser Abrieb geht gleichzeitig
mit seiner Anlagerung an der Werkstückoberfläche durch kontinuierliches Strahlen eine
physikalische Gefügeverbindung mit dem Werkstück ein. Nach Beendigung des Strahlprozesses
ist das Werkstück mit dem Abriebmaterial der Strahlmittelkörner beschichtet. Dieses
Verfahren kann daher als Auftragsstrahlen bezeichnet werden. Da erfindungsgemäß vorgesehen
ist, daß das Material der Strahlmittelkörner und somit auch der Abrieb derselben eine
höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist als das Material des Werkstückes, ist das
Werkstück nach Beendigung dieses Strahlprozesses mit einem korrosionsbeständigerem
Material beschichtet.
[0009] Die Verwendung eines Strahlvorganges, bei welchem eine gewisse Umstrukturierung der
die Oberfläche des Werkstückes bildenden Bereiche oder auch Teile davon zur Folge
hat, wobei derartige Umstrukturierungen zu einer Verfestigung der oberflächennahen
Bereiche des Werkstückes führen, erhöhen auch die Dauerstandsfestigkeit eines solchen
ggf. dynamisch beanspruchten Werkstückes. Durch dieses Strahlen, welches auch einem
Spannungsstrahlen gleich kommt, wird in das Werkstück eine oberflächige Druckspannung
eingebracht. Eine solche Verdichtung wirkt sich auch günstig auf die Korrosionsbeständigkeit
des Werkstückes aus.
[0010] Durch den erfindungsgemäßen Strahlvorgang ist nicht nur eine Reinigung der Werkstückoberfläche
sondern auch gleichzeitig eine Beschichtung derselben mit einem korrosionsbeständigerem
Material erfolgt. Daher ist für den gesamten Reinigungs- und Beschichtungsprozeß lediglich
ein einziger Verfahrensschritt, nämlich derjenige des erfindungsgemäßen Strahlens
notwendig, um ein mit einer korrosionsbeständigeren Schicht versehenes Werkstück herzustellen.
[0011] Ein auf dem Gebiet des Strahlens tätiger Fachmann ist gewohnt, für unterschiedlich
zu strahlende Werkstücke in Abhängigkeit von den gewünschten Anforderungen an das
Werkstück ein Reinigungs- oder Spannungsstrahlen mit ganz unterschiedlichen Strahlprozeßparametern
durchzuführen. Die Strahlprozeßparameter ermittelt ein solcher Fachmann üblicherweise
in Versuchsreihen. Entsprechend verfährt ein Fachmann auch bei dem Verfahren gemäß
der vorliegenden Erfindung, bei welchem er ohne weiteres durch eine Versuchsreihe
in Abhängigkeit von dem Material des Werkstückes und den übrigen an dieses gestellten
Anforderungen die notwendigen Parameter zum Durchführen des erfindungsgemäßen Strahlprozesses
ermittelt. Den Rahmen dieser Ausführungen würde es daher überschreiten, konkrete Angaben
zu den Strahlprozeßparametern für die Vielzahl möglicher Werkstück-Strahlmittelkonstellationen
zu machen.
[0012] Es hat sich gezeigt, daß bei einer Verwendung einer AlMgSi-Legierung aus der das
Werkstück hergestellt ist, ein Strahlmittel aus Aluminium oder aus einer AlMg-Legierung
als Strahlmittel geeignet ist, wobei die Härte der Strahlmittelkörner etwa die Hälfte
der Härte der Werkstücklegierung entspricht.
[0013] Zur Gewährleistung einer langlebigen höheren Korrosionsbeständigkeit des metallischen
Werkstückes sollten die Strahlmittelkörner in Abhängigkeit von ihrem Normalpotential
in Bezug auf das der Oberfläche des Werkstückes eigenen Normalpotential ausgesucht
sein, wobei die Normalpotentialdifferenz zwischen dem Material der Oberfläche des
Werkstückes und dem Material des Abriebs der Strahlmittelkörner möglichst gering ist.
Bei einer sehr hohen Normalpotentialdifferenz kann sich bei entsprechenden Umgebungsbedingungen
ein Potential zwischen den beiden Materialien ausbilden, wobei dasjenige Material
mit dem geringeren Normalpotential durch seine Eigenschaft als Opferanode beschädigt
werden kann.
[0014] Soll das Werkstück mit einer möglichst hohen Druckspannung versehen werden, ist es
zweckmäßig, kugelige Strahlmittelkörner - wie beim sogenannten Shot-peening - vorzusehen.
[0015] Das erfindungsgemäße Werkstück zeichnet sich, wie aus der Beschreibung des erfindungsgemäßen
Verfahren verdeutlicht, dadurch aus, daß der Reinigungs- und Beschichtungsvorgang
in einem einzigen Strahlprozeß ausgeführt worden ist. Zur Verbindung der Deckschicht
mit der verdichteten Schicht des Werkstückes ist eine Gefügeverbindung vorgesehen,
so daß auf einen Einsatz von zusätzlichen, eine Verbindung herbeiführenden Stoffen
verzichtet werden kann. Eine solche Gefügeverbindung stellt sich zweckmäßigerweise
als Kaltschweißung dar, so daß eine dauerhafte Verbindung zwischen der korrosionsbeständigeren
Deckschicht und dem Werkstück gegeben ist.
[0016] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich, soweit nicht bereits erwähnt, aus den
übrigen Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
unter Bezug auf die beigefügte Figur 1.
Figur 1 zeigt in einer Vergrößerung schematisiert einen Ausschnitt eines Querschnittes durch
die oberflächennahen Bereiche eines Werkstückes 1, welches durch einen Strahlprozeß
mit einer gegenüber dem Material des Werkstückes 1 korrosionsbeständigeren Schicht
2 beschichtet worden ist. Der oberflächennahe Bereich des Werkstückes 1, der durch
den Strahlvorgang umstrukturiert bzw. verfestig worden ist, ist in der Figur mit dem
Bezugszeichen 3 gekennzeichnet.
[0017] In einem ersten Beispiel wurde als Material des Werkstückes eine AlMgSi-Legierung
mit einer Brinellhärte (HB) von etwa 100 verwendet. Nach Durchlaufen einer üblichen
In-Line-Herstellung, die mit dem Schritt des Wärmeaushärtens beendet war, wurde das
Werkstück nach seiner Abkühlung dem erfindungsgemäßen Strahlprozeß unterworfen. Als
Strahlmittel wurden kugelige Strahlmittelkörner eingesetzt, die aus einer AlMg-Legierung
bestehen und eine Härte zwischen 50 und 70 HB aufgewiesen haben.
[0018] Bei der Gegenüberstellung der beiden Aluminiumlegierungen - des Werkstückes und des
Strahlmittels - wird deutlich, daß die Korrosionsbeständigkeit der als Strahlmittel
verwendeten AlMg-Legierung deutlich höher ist als diejenige, der für das Werkstück
verwendeten AlMgSi-Legierung. Aus der Beschaffenheit der beiden Legierungen wird ferner
deutlich, daß die für das Werkstück verwendete Legierung wesentlich einfacher be-
und verarbeitbar ist, als die für die Strahlmittelkörner vorgesehene Legierung. Daher
ist es zweckmäßig, für das Werkstück eine solche Legierung vorzusehen, die leicht
bearbeitbar ist, welches Werkstück dann durch den nachfolgend beschriebenen Strahlprozeß
zur Erzielung der gewünschten Korrosionsbeständigkeit beschichtet wird.
[0019] Das unbeschichtete Werkstück 1 wird in eine Strahlkammer eingesetzt und in dieser
mit dem oben genannten Strahlmittel gestrahlt. Dabei sind die Strahlprozeßparameter
so gewählt worden, daß der oberflächennahe Bereich 3 zur Verleihung einer Druckeigenspannung
umstrukturiert wird und daß beim Auftreffen der Strahlmittelkörner auf die Oberfläche
des Werkstückes 3 ein Strahlmittelkornabrieb entsteht, der auch durch die unmittelbar
nachfolgend auftreffenden Strahlmittelkörner eine Kaltschweißverbindung mit der Oberfläche
des Werkstückes eingeht. Die Dauer des Strahlprozesses richtet sich u.a. nach der
Abriebfestigkeit der Strahlmittelkörner, so daß der Strahlprozeß solange vorgesehen
ist, bis eine gleichmäßige Beschichtung des Werkstückes 1 durch den Strahlmittelkornabrieb
2 erfolgt ist.
[0020] Zur Überprüfung der höheren Korrosionsbeständigkeit eines auf diese Weise hergestellten
Werkstückes wurden entsprechend gestrahlte Bauteile (= Probe) einem Salzsprühtest
bis 400 Stunden unterzogen. In gleicher Weise wurden ungestrahlte und nur gebeizte
Bauteile (= Referenz) behandelt. Nach der Behandlung zeigten die Bauteile deutlich
unterschiedliche Korrosionsangriffe. Zur Auswertung wurde den Bauteilen an drei verschiedenen
Bereichen Schnittproben von ca. 30 mm Breite entnommen, die anschließend unter einem
Stereomikroskop ausgewertet worden sind. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist in der
nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:
|
A |
xmax (µm) |
xQ (µm) |
A |
xmax (µm) |
xQ (µm) |
A |
xmax (µm) |
xQ (µm) |
Referenz 1 |
10 |
60 |
50 |
10 |
120 |
72 |
<5 |
110 |
65 |
Probe 1 |
<5 |
20 |
20 |
<5 |
40 |
30 |
<5 |
30 |
28 |
[0021] Eine weitere Untersuchung wurde unter Verwendung einer AlMgSiCu-Legierung als Werkstück
durchgeführt, welche Legierung eine Brinellhärte von etwa 130 aufweist. Als Strahlmittel
wurde das bereits oben beschriebene Strahlmittel (AlMg-Legierung) verwendet. Das Ergebnis
dieser Untersuchung ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:
|
A |
xmax (µm) |
xQ (µm) |
A |
xmax (µm) |
xQ (µm) |
A |
xmax (µm) |
xQ (µm) |
Referenz 2 |
20 |
140 |
64 |
20 |
170 |
74 |
>20 |
100 |
53 |
Probe 2 |
<10 |
50 |
30 |
<5 |
70 |
32 |
5-10 |
40 |
34 |
[0022] Beiden Untersuchungen lag jeweils ein Referenzwerkstück zugrunde, welches aus demselben
Material besteht, aus dem auch die Werkstücke der beiden Proben hergestellt waren.
Die Referenzproben wurden zu ihrer Oberflächenreinigung gebeizt. Die verwendeten Aluminiumlegierungen
wurden zur Erhöhung ihrer Korrosionsbeständigkeiten nicht beschichtet. Die Ergebnisse
der durchgeführten Untersuchungen zeigen deutlich, daß die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren gestrahlten Werkstücke - hier Querlenker - bei einer Korrosionsbeständigkeitsprüfung
nicht nur eine erheblich geringere Anzahl an Angriffen pro Flächeneinheit [A] aufweisen,
sondern daß deren maximale Eingriffstiefen (Pittingtiefe [x
max]) ebenfalls deutlich verringert sind. Dies wird sowohl deutlich an der maximale Pittingtiefe
sowie an der durchschnittlichen Pittingtiefe [x
Q].
[0023] Weitere, hier nicht näher dargestellte Versuche haben gezeigt, daß zum erfindungsgemäßen
Beschichten einer AlMgSi- bzw. AlMgSiCu-Legierung auch Strahlmittelkörner aus reinem
Aluminium verwendet werden können, um sowohl eine ausreichende Umstrukturierung des
oberflächennahen Bereiches des Werkstückes als auch die gewünschte korrosionsbeständigere
Beschichtung hervorrufen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf eine
Vielzahl von NE-Legierungen und auch auf FE-Legierungen anwenden.
Zusammenstellung der Bezugszeichen
[0024]
- 1
- Werkstück
- 2
- Korrosionsbeständigere Beschichtung - Strahlmittelkörnerabrieb
- 3
- Umstrukturierter oberflächennaher Bereich des Werkstückes
1. Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines metallischen Werkstückes (1)
durch Beschichten desselben mit einem Material (2), welches bezüglich des Werkstückes
(1) eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (2) des Werkstückes (1) durch Strahlen der Oberfläche des Werkstückes
(1) mit einem Strahlmittel unter Umstrukturierung oder Umformung der Oberfläche des
Werkstückes oder von Teilen davon erfolgt, wobei ein Materialabrieb an den Körnern
des Strahlmittels entsteht, welcher Abrieb eine höhere Korrosionsbeständigkeit als
das Werkstück (1) aufweist und auf der Oberfläche des Werkstückes (1) eine mit dem
Gefüge (3) verbundene Schicht (2) ausbildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Verfahrens ein Strahlmittel verwendet wird, dessen einzelne
Strahlmittelkörner bezüglich ihrer Härte eine geringere Härte als das Werkstück (1)
aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstückes (1) mit einem Strahlmittel bestrahlt wird, wobei
die Normalpotentialdifferenz zwischen dem Material der Oberfläche des Werkstückes
(1) und demjenigen des Abriebs (2) der Strahlmittelkörner gering oder null ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstückes (1) mit kugeligen Strahlmittelkörnern bestrahlt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstück (1) eine AlMgSi-Legierung oder eine AlMgSiCu-Legierung und als
Strahlmittel Strahlmittelkörner aus Aluminium oder einer AlMg-Legierung eingesetzt
werden.
6. Werkstück aus Metall, das mit einer korrosionsbeständigeren Schicht beschichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächennahen Bereiche (3) umgeformt und verdichtet sind und daß die
Oberfläche des Werkstückes (1) von einer mit dieser durch eine Gefügeverbindung verbundenen
Deckschicht (2) beschichtet ist.
7. Werkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefügeverbindung zwischen der Werkstückoberfläche und der Deckschicht (2)
eine Kaltschweißung ist.