(19)
(11) EP 0 947 605 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
06.10.1999  Patentblatt  1999/40

(21) Anmeldenummer: 99100999.4

(22) Anmeldetag:  21.01.1999
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)6C23C 24/04
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL LT LV MK RO SI

(30) Priorität: 31.03.1998 DE 19814218

(71) Anmelder: FIRMA OTTO FUCHS
58540 Meinerzhagen (DE)

(72) Erfinder:
  • Fischer, Gernot Dr,-Ing.
    58540 Meinerzhagen (DE)
  • Menn, Hans Otto
    58566 Kierspe (DE)
  • Proske, Gerhard Dr.
    58540 Meinerzhagen (DE)

(74) Vertreter: Schröter & Haverkamp 
Patentanwälte Im Tückwinkel 22
58636 Iserlohn
58636 Iserlohn (DE)

   


(54) Verfahren zum Erhöhen der Korrisionsbeständigkeit eines metallischen Werkstücks sowie Werkstück


(57) Ein 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, zeichnet sich dadurch aus, 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.




Beschreibung


[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 [xmax]) ebenfalls deutlich verringert sind. Dies wird sowohl deutlich an der maximale Pittingtiefe sowie an der durchschnittlichen Pittingtiefe [xQ].

[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



Ansprüche

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.
 




Zeichnung







Recherchenbericht