DE19814218A1

DE19814218A1 - Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines metallischen Werkstückes sowie Werkstück

Info

Publication number: DE19814218A1
Application number: DE19814218A
Authority: DE
Inventors: Gernot Fischer; Hans Otto Mann; Gerhard Proske
Original assignee: FUCHS FA OTTO
Current assignee: FUCHS FA OTTO
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-14
Also published as: EP0947605B1; EP0947605A1; DE59902392D1; ES2182406T3; ATE222612T1

Abstract

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 erfolgt, durch welches Strahlen eine Umstrukturierung bzw. Umformung der die Oberfläche des Werkstückes bildenden Bereiche 3 oder Teile davon sowie ein Materialabrieb an den als Strahlmittel verwendeten Strahlmittelkörnern hervorgerufen wird, welche Strahlmittelkörner eine zur Bereitstellung einer ausreichenden Abriebmenge bei einer bestimmten Strahldauer geeignete Abriebfestigkeit aufweisen und welcher Abrieb der Strahlmittelkörner in bezug auf das gestrahlte Werkstück 1 eine höhere Korrosionsbeständigkeit zu eigen hat und welcher auf der Oberfläche des Werkstückes 1 befindliche Abrieb 2 der Strahlmittelkörner durch das Strahlen eine Gefügeverbindung mit dem Werkstück eingeht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Oberflächenvergütung von metallischen Werkstücken zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit ei nes solchen Werkstückes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfah ren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines metallischen Werk stückes durch Beschichten desselben mit einem Material, welches bezüg lich des Werkstückes eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Fer ner betrifft die Erfindung ein Werkstück aus Metall, das mit einer korrosionsbeständigeren Schicht beschichtet ist.

Metallische Werkstücke, die auf unterschiedliche Art und Weise herge stellt sein können, etwa durch ein Guß- oder Schmiedeverfahren werden zur Erhöhung ihrer Korrosionsbeständigkeit oberflächlich beschichtet. Dies trifft insbesondere für alle FE-Metalle kann aber auch bei NE-Metal len, wie etwa Aluminiumlegierungen gewünscht sein. Die Korrosionsbe ständigkeit eines solchen metallischen Werkstückes kann durch unter schiedliche 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 metalli schen 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.

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 Warm aushärtens anschließt, zum Entfernen von Herstellungsrückständen un terworfen. Zu diesem Zweck werden die In-Line-gefertigten Werkstücke in Körbe umgepackt und anschließend einem Beizbad zugeführt. Eine sol che Handhabung hat zum einen fertigungstechnische Nachteile zur Folge, da dieser letzte Schritt im allgemeinen nicht in eine In-Line-Fertigung ein gebunden ist. Zum anderen ist der Einsatz von Beizmitteln aus ökologi schen 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 redu zierbar 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 anhaf tende Strahlmittelreste die Korrosionsbeständigkeit eines solchen Werk stückes beeinträchtigen.

Ausgehend von dem oben diskutierten Stand der Technik liegt der Erfin dung 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 Verfahrensschriften ermöglicht ist.

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.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Beschichtung des Werkstückes durch Strahlen der Oberfläche des Werkstückes mit einem Strahlmittel erfolgt, durch welches Strahlen eine Umstrukturierung bzw. Umformung der die Oberfläche des Werkstückes bildenden Bereiche oder Teile davon sowie ein Materialabrieb an den als Strahlmittel verwendeten Strahlmittelkörnern hervorgerufen wird, welche Strahlmittelkörner eine zur Bereitstellung einer ausreichenden Ab riebmenge bei einer bestimmten Strahldauer geeignete Abriebfestigkeit aufweisen und welcher Abrieb der Strahlmittelkörner in Bezug auf das gestrahlte Werkstück eine höhere Korrosionsbeständigkeit zu eigen hat und welcher auf der Oberfläche des Werkstückes befindliche Abrieb der Strahlmittelkörner durch das Strahlen eine Gefügeverbindung mit dem Werkstück eingeht.

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, welche Deckschicht eine gegenüber der Korrosionsbeständigkeit des die Oberfläche des Werkstückes bildenden Materials erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Die erfindungsgemäße Beschichtung des Werkstückes erfolgt durch Strahlen der Werkstückoberfläche, wobei die Prozeßparameter des Strahlvorganges (z. B.: Strahlmittelkörnung, Strahlmittelkornform, Strahl mittelkornzusammensetzung, 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 Be reichen stattfindet. Zum anderen ist das Material der Strahlmittelkörner von einer solchen Beschaffenheit, daß diese nur eine solche Abriebfestig keit aufweisen, daß sich durch Strahlen der Werkstückoberfläche auf der Oberfläche etwa gleichmäßig über diese verteilt ein Abrieb von Strahlmit telkörnermaterial ansammelt. Dieser Abrieb geht gleichzeitig mit seiner Anlagerung an der Werkstückoberfläche durch kontinuierliches Strahlen eine physikalische Gefügeverbindung mit dem Werkstück ein. Nach Be endigung 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.

Die Verwendung eines Strahlvorganges, bei welchem eine gewisse Um strukturierung 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. dyna misch 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.

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 ein ziger Verfahrensschritt, nämlich derjenige des erfindungsgemäßen Strah lens notwendig, um ein mit einer korrosionsbeständigeren Schicht verse henes Werkstück herzustellen.

Ein auf dem Gebiet des Strahlens tätiger Fachmann ist gewohnt, für un terschiedlich zu strahlende Werkstücke in Abhängigkeit von den ge wünschten Anforderungen an das Werkstück ein Reinigungs- oder Span nungsstrahlen mit ganz unterschiedlichen Strahlprozeßparametern durch zuführen. Die Strahlprozeßparameter ermittelt ein solcher Fachmann übli cherweise 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.

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 ent spricht.

Zur Gewährleistung einer langlebigen höheren Korrosionsbeständigkeit des metallischen Werkstückes sollten die Strahlmittelkörner in Abhängig keit von ihrem Normalpotential in Bezug auf das der Oberfläche des Werkstückes eigenen Normalpotential ausgesucht sein, wobei die Nor malpotentialdifferenz zwischen dem Material der Oberfläche des Werk stückes 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 geringe ren Normalpotential durch seine Eigenschaft als Opferanode beschädigt werden kann.

Soll das Werkstück mit einer möglichst hohen Druckspannung versehen werden, ist es zweckmäßig, kugelige Strahlmittelkörner - wie beim soge nannten Shot-peening - vorzusehen.

Das erfindungsgemäße Werkstück zeichnet sich, wie aus der Beschrei bung des erfindungsgemäßen Verfahren verdeutlicht, dadurch aus, daß der Reinigungs- und Beschichtungsvorgang in einem einzigen Strahlpro zeß durchführbar 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 Ver bindung zwischen der korrosionsbeständigeren Deckschicht und dem Werkstück gegeben ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich, soweit nicht bereits erwähnt, aus den übrigen Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Be schreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beigefügte Fig. 1. Fig. 1 zeigt in einer Vergrößerung schematisiert einen Aus schnitt eines Querschnittes durch die oberflächennahen Bereiche eines Werkstückes 1, welches durch einen Strahlprozeß mit einer gegenüber dem Material des Werkstückes 1 korrosionsbeständigeren Schicht 2 be schichtet 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.

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 Ab kühlung dem erfindungsgemäßen Strahlprozeß unterworfen. Als Strahl mittel wurden kugelige Strahlmittelkörner eingesetzt, die aus einer AlMg- Legierung bestehen und eine Härte zwischen 50 und 70 HB aufgewiesen haben.

Bei der Gegenüberstellung der beiden Aluminiumlegierungen - des Werk stückes und des Strahlmittels - wird deutlich, daß die Korrosionsbestän digkeit 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 vor zusehen, die leicht bearbeitbar ist, welches Werkstück dann durch den nachfolgend beschriebenen Strahlprozeß zur Erzielung der gewünschten Korrosionsbeständigkeit beschichtet wird.

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 Kalt schweißverbindung 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 Strahlmit telkornabrieb 2 erfolgt ist.

Zur Überprüfung der höheren Korrosionsbeständigkeit eines auf diese Weise hergestellten Werkstückes wurden entsprechend gestrahlte Bauteile einem Salzsprühtest bis 400 Stunden unterzogen. In gleicher Weise wurden ungestrahlte und nur gebeizte Bauteile 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:

Eine weitere Untersuchung wurde unter Verwendung einer AlMgSiCu-Le gierung als Werkstück durchgeführt, die Legierung eine Brinellhärte von etwa 130 aufweist. Als Strahlmittel wurde das bereits oben beschriebene Strahlmittel (AlMg-Legierung) verwendet. Das Ergebnis dieser Un tersuchung ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:

Beiden Untersuchungen lag jeweils ein Referenzwerkstück zugrunde, welches aus demselben Material besteht, aus dem auch die Werkstücke der beiden Proben hergestellt waren. Die Referenzroben 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 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].

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 korrosionsbeständi gere Beschichtung hervorrufen zu können. Das erfindungsgemäße Ver fahren läßt sich auf eine Vielzahl von NE-Legierungen und auf FE-Legie rungen anwenden.

Bezugszeichenliste

1

Werkstück

2

Korrosionsbeständigere Beschichtung - Strahlmittelkörnerabrieb

3

Umstrukturierter oberflächennaher Bereich des Werkstückes

Claims

1. Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines metallischen Werkstückes (1) durch Beschichten desselben mit ei nem Material (2), welches bezüglich des Werkstückes (1) eine hö here Korrosionsbeständigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (2) des Werkstückes (1) durch Strahlen der Oberfläche des Werkstückes (1) mit einem Strahlmittel erfolgt, durch welches Strahlen eine Umstrukturierung bzw. Umformung der die Oberfläche des Werkstückes bildenden Bereiche (3) oder Teile davon sowie ein Materialabrieb an den als Strahlmittel ver wendeten Strahlmittelkörnern hervorgerufen wird, welche Strahl mittelkörner eine zur Bereitstellung einer ausreichenden Ab riebmenge bei einer bestimmten Strahldauer geeignete Abrieb festigkeit aufweisen und welcher Abrieb der Strahlmittelkörner in Bezug auf das gestrahlte Werkstück (1) eine höhere Korrosionsbe ständigkeit zu eigen haben und welcher auf der Oberfläche des Werkstückes (1) befindliche Abrieb (2) der Strahlmittelkörner durch das Strahlen eine Gefügeverbindung mit dem Werkstück eingeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Verfahrens ein Strahlmittel verwendet wird, des sen einzelne Strahlmittelkörner bezüglich ihrer Härte eine geringere Härte als das Werkstück (1) aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlmittelkörner in Abhängigkeit von ihrem Normalpotential in Bezug auf das der Oberfläche des Werkstückes (1) eigene Nor malpotential eingesetzt werden, wobei die Normalpotentialdifferenz zwischen dem Material der Oberfläche des Werkstückes (1) und demjenigen des Abriebs (2) der Strahlmittelkörner möglichst gering ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strahlmittelkörner des Strahlmittels kugelig sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß als Werkstück (1) eine AlMgSi-Legierung oder eine AlMgSiCu-Legierung und als Strahlmittel Strahlmittelkörner aus Aluminium oder einer AlMg-Legierung vorgesehen sind.

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, welche Deckschicht (2) eine gegenüber der Korrosionsbeständigkeit des die Oberfläche des Werkstückes (1) bildenden Materials erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist.

7. Werkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefügeverbindung zwischen der Werkstückoberfläche und der Deckschicht (2) eine Kaltschweißung ist.