DE102006010521A1 - Sputtering and anode process to coat lightweight automotive and/or aerospace magnesium components with pure aluminum or aluminum alloy - Google Patents

Abstract

A two-stage process protects lightweight automotive and/or aerospace magnesium components from corrosion and mechanical wear. In a first stage the magnesium is coated with pure aluminum or suitable alloy by cold gas sputtering. In the second stage the aluminum coating is oxidized by an anode process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleiß- und Korrosionsschutzbeschichtung von Oberflächen von Bauteilen aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen sowie Aluminiumlegierungen und Bauteile aus solchen Legierungen mit verschleiß- und korrosionsfester Beschichtung.The The invention relates to a process for wear and corrosion protection coating of surfaces of components of magnesium or magnesium alloys and aluminum alloys and Components of such alloys with wear and corrosion resistant coating.

Magnesium und Magnesiumlegierungen zeichnen sich durch eine besonders hohe Festigkeit im Verhältnis zu ihrem spezifischen Gewicht aus und sind daher als Leichtbauwerkstoff besonders attraktiv für eine Verwendung in der Fahrzeugtechnik und der Luftfahrt. Eingeschränkt wird der Einsatz dieser Werkstoffe jedoch durch eine relativ geringe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Auch für Aluminiumlegierungen wird oft eine erhöhte Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit gewünscht.magnesium and magnesium alloys are characterized by a particularly high Strength in proportion to their specific weight and are therefore as a lightweight material especially attractive for a use in automotive engineering and aviation. Restricted However, the use of these materials by a relatively small Wear- and corrosion resistance. Also for Aluminum alloys often have increased wear and corrosion resistance desired.

Der Verschleiß- und Korrosionsschutz von Bauteilen aus Magnesium und Magnesiumlegierungen sowie Aluminiumlegierungen kann durch eine Beschichtung verbessert werden, z.B. durch Verfahren des thermischen Spritzens. Bei der Beschichtung durch thermische Spritzverfahren besteht jedoch das Problem, dass das Gefüge des Magnesiums und der Magnesiumlegierung bzw. Aluminiumlegierung z.B. durch thermische Vorgänge wie Phasenumwandlungen verändert und dadurch die Festigkeit und andere vorteilhafte Eigenschaften des Magnesiums oder allgemein des Grundwerkstoffs beeinträchtigt werden. Ein weiteres Problem ist die Haftung der Schichten auf dem Magnesium bzw. deren Beeinträchtigung durch Oxidation der Oberfläche und/oder des zugefügten Spritzwerkstoffs, der die Beschichtung ergibt, beim thermischen Spritzprozess. Diese Probleme treten beim Kaltgasspritzen nicht auf, ein Verfahren, bei dem Spritzwerkstoff und Oberfläche nur einer geringen Erwärmung ausgesetzt sind und eine Oxidation praktisch nicht stattfindet. Bei diesem werden die Spritzpartikel in einem Trägergas auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, jedoch nicht geschmolzen. Im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren wird ein "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet, da es höchstens auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Materials der Spritzpartikel erwärmt wird. Durch plastische Verformung aufgrund der kinetischen Energie beim Aufprall der Spritzpartikel und daraus resultierender lokaler Wärmefreigabe kommt es zur Kohäsion und Haftung der Partikel auf dem Werkstück und zur Bildung einer Beschichtung. Insbesondere kommt es beim Kaltgasspritzen nicht zur Oxidation und/oder Phasenumwandlung des Trägerwerkstoffs oder eines merklichen Aufschmelzens des Trägerwerkstoffes und Bildung einer Mischung. Die Spritzpartikel werden als Pulver mit einer Partikelgröße von 1 μm bis 200 μm zugeführt. Die kinetische Energie erhalten die Spritzpartikel durch Beschleunigung im Trägergas auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit. Jedoch lassen sich relativ harte und dadurch besonders verschleißbeständige Materialien nicht gut durch Kaltgasspritzen verarbeiten.Of the Wear- and corrosion protection of components made of magnesium and magnesium alloys as well as aluminum alloys can be improved by a coating be, e.g. by thermal spraying. In the Coating by thermal spraying, however, has the problem that the structure of magnesium and magnesium alloy or aluminum alloy e.g. by thermal processes how phase transformations changed and thereby the strength and other advantageous properties of magnesium or of the base material in general. One Another problem is the adhesion of the layers on the magnesium or their impairment by Oxidation of the surface and / or the added Spray material, which gives the coating, the thermal Injection process. These problems do not occur during cold gas spraying on, a process where the spray material and surface only a slight warming are exposed and oxidation does not take place practically. In this case, the spray particles in a carrier gas to high speeds accelerated but not melted. Compared to the conventional spraying methods becomes a "cold" or a comparatively colder Gas is used as it is at most to temperatures below the melting point of the material Heated spray particles becomes. By plastic deformation due to the kinetic energy during Impact of the spray particles and resulting local heat release it comes to cohesion and adhesion of the particles to the workpiece and formation of a coating. In particular, the cold gas spraying does not cause oxidation and / or Phase transformation of the carrier material or a noticeable melting of the carrier material and formation a mixture. The spray particles are supplied as powders with a particle size of 1 .mu.m to 200 .mu.m. The kinetic energy obtained by the spray particles by acceleration in the carrier gas at speeds above the speed of sound. however can be relatively hard and thus particularly wear-resistant materials do not handle well by cold gas spraying.

Aluminium und Aluminiumlegierungen können demgegenüber durch Harteloxieren nicht nur gegen Korrosion geschützt werden, sondern auch in ihrer Verschleißbeständigkeit verbessert werden. Bei Kontakt mit der Luft bildet sich durch den Sauerstoff eine Oxidschicht, die ca. 0,01 μm dick ist. Anodisches Oxidieren, als Eloxieren bezeichnet, ermöglicht die Bildung von Oxidschichten, die 100 bis 1000fach dicker sind und als Schutzschicht dienen können. Durch das Verfahren selbst und Beimischungen können die Eigenschaften der entstehenden Schutzschicht, wie etwa deren Härte gesteuert werden. Die anodische Oxidation ist nur bei reinem Aluminium und einigen Aluminiumlegierungen, wie Al-Mg mit Magnesiumgehalten bis zu 5 % gut möglich. Die große Gruppe der siliziumhaltigen Aluminiumgusswerkstoffe gilt dagegen als nicht anodisch oxidierbar oder eloxierbar. Man nimmt an, dass die Ausbildung einer Oxidschicht durch die Ausscheidung von Silizium oder siliziumhaltigen intermetallischen Phasen wie AlSi, Mg₂Si u.a. behindert wird. Zur Bildung von AlFeSi-Phasen reichen schon die geringen Mengen an Eisen aus, die als Verunreinigung im Material vorhanden sind etwa z.B. bereits 0,08 %. So sind insbesondere die siliziumhaltigen, zum Gießen verwendeten Aluminiumwerkstoffe nach DIN-Norm 1725 mit den Legierungsbezeichnungen AlSi12, AlSi12(Cu), AlSi10Mg, AlSi10Mg(Cu), AlSi9Cu3, AlSi6Cu4, AlSi11, AlSi9Mg, und AlSi7Mg nicht für eine anodische Oxidation geeignet. Ebenfalls schlecht geeignet sind AlSi9MgCo, AlSi12CuMgNi und AlZn10Si8Mg. Aber auch Werkstoffe mit keinen oder nur geringen Siliziumanteilen wie AlCu4Ti und AlCu4TiMg eignen sich nur schlecht. Zusätzlich wird die anodische Oxidation von Aluminiumgusslegierungen erschwert, da diese in der Regel noch Poren aufweisen. Auch bei vielen Aluminiumknetwerkstoffen ist eine anodische Oxidation nicht gut möglich. Reines Magnesium und Magnesiumlegierungen sind nicht anodisch oxidierbar.In contrast, aluminum and aluminum alloys can not only be protected against corrosion by hard anodizing but can also be improved in their wear resistance. Upon contact with the air, the oxygen forms an oxide layer which is approximately 0.01 μm thick. Anodizing, called anodizing, allows the formation of oxide layers that are 100 to 1000 times thicker and can serve as a protective layer. By the method itself and admixtures, the properties of the resulting protective layer, such as its hardness can be controlled. Anodic oxidation is only possible with pure aluminum and some aluminum alloys, such as Al-Mg with magnesium contents up to 5%. By contrast, the large group of silicon-containing cast aluminum materials is considered to be non-anodically oxidizable or anodizable. It is believed that the formation of an oxide layer is hindered by the precipitation of silicon or silicon-containing intermetallic phases such as AlSi, Mg ₂ Si, and others. Already for the formation of AlFeSi phases, the small amounts of iron which are present as an impurity in the material are already sufficient, for example, already 0.08%. In particular, the silicon-containing aluminum materials used for casting according to DIN standard 1725 with the alloy designations AlSi12, AlSi12 (Cu), AlSi10Mg, AlSi10Mg (Cu), AlSi9Cu3, AlSi6Cu4, AlSi11, AlSi9Mg, and AlSi7Mg are not suitable for anodic oxidation. Also poorly suited are AlSi9MgCo, AlSi12CuMgNi and AlZn10Si8Mg. But also materials with no or only small amounts of silicon, such as AlCu4Ti and AlCu4TiMg, are only poorly suited. In addition, the anodic oxidation of aluminum casting alloys is made more difficult since they usually still have pores. Even with many Aluminiumknetwerkstoffen anodic oxidation is not well possible. Pure magnesium and magnesium alloys are not anodic oxidizable.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, Oberflächen von Bauteilen aus Magnesium und Magnesiumlegie rungen sowie Aluminiumlegierungen mit einer Verschleiß- und Korrosionsschutzbeschichtung zu versehen. Ebenfalls ist es Aufgabe der Erfindung, Bauteile aus solchen Legierungen zur Verfügung zu stellen, die eine Verschleiß- und Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen.Of the The present invention is based on the object, a method indicate with which it is possible is, surfaces of magnesium and magnesium alloy components and aluminum alloys with a wear and anti-corrosion coating. It is also the task of the invention, components of such alloys available make a wear and tear Have anti-corrosion coating.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einem ersten Schritt ein anodisch oxidierbarer Aluminiumwerkstoff auf die Oberfläche als Beschichtung aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt die Beschichtung aus Aluminiumwerkstoff anodisch oxidiert wird.The stated object is achieved by a method in which, in a first step, an anodically oxidizable aluminum material on the upper surface is applied as a coating and in a second step, the coating of aluminum material is anodized.

Dadurch können auch Werkstoffe aus reinem Magnesium und Magnesiumlegierungen sowie Aluminiumlegierungen mit einer Harteloxierung versehen werden, die für sich nicht auf diese Weise gegen Korrosion und Verschleiß geschützt werden können. Die Schicht des anodisch oxidierbaren Aluminiumwerkstoffs kann aus einer für diesen Zweck optimierten Legierung bestehen.Thereby can also materials made of pure magnesium and magnesium alloys as well as aluminum alloys be provided with a hard anodization, not for themselves in this way protected against corrosion and wear can. The layer of anodic oxidizable aluminum material may consist of one for consist of this purpose optimized alloy.

In vorteilhafter Ausführung des Verfahrens wird der Aluminiumwerkstoff mittels eines Kaltgasspritzverfahrens aufgebracht.In advantageous embodiment of the process is the aluminum material by means of a cold gas spraying process applied.

Die Beschichtung mit dem anodisch oxidierbaren Aluminiumwerkstoff kann durch thermisches Spritzen erfolgen. Wird dabei das Kaltgasspritzverfahren verwendet, so werden sowohl die Oxidation des Trägermaterials als auch eine Durchmischung des Trägermaterials aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen und der Beschichtung aus Aluminiumwerkstoff durch Aufschmelzen oder Festkörperdiffusion weitgehend vermieden. Die Oberfläche des Bauteils ist nach der Beschichtung optimal für die anodische Oxidation geeignet.The Coating with the anodic oxidizable aluminum material can done by thermal spraying. Is doing the cold gas spraying process used, both the oxidation of the support material and a Mixing of the carrier material made of magnesium or magnesium alloys and the coating Aluminum material largely avoided by melting or solid-state diffusion. The surface of the component is optimally suitable for anodic oxidation after coating.

In günstiger Ausführung ist die Schicht aus Aluminiumwerkstoff zwischen 30 μm und 3 mm dick ist, vorzugsweise zwischen 100 μm und 300 μm dick.In better execution is the layer of aluminum material between 30 microns and 3 mm is thick, preferably between 100 microns and 300 microns thick.

Diese Schichtdicken sind ausreichend, um die Harteloxierung durchzuführen und sind zugleich ausreichend fest mit dem Trägerwerkstoff verbunden.These Layer thicknesses are sufficient to perform the hard anodizing and are at the same time sufficiently firmly connected to the carrier material.

Vorteilhaft ist der Aluminiumwerkstoff reines Aluminium. Reines Aluminium besteht industriell aus 99,5 Prozent Aluminium. Möglich ist eine Steigerung bis auf 99,99 Prozent. Reines Aluminium lässt sich optimal anodisch oxidieren.Advantageous the aluminum material is pure aluminum. Pure aluminum exists industrially made of 99.5 percent aluminum. Possible is an increase up to 99.99 percent. Pure aluminum can be optimally oxidized anodically.

Vorteilhaft kann der anodisch oxidierbare Aluminiumwerkstoff ein verschleißfester und/oder korrosionsfester Aluminiumwerkstoff sein.Advantageous For example, the anodic oxidizable aluminum material may be more wear resistant and / or corrosion resistant aluminum material.

Somit wird der Korrosionsschutz und Verschleißschutz zusätzlich zu der Oxidschicht auch durch die Schicht des Aluminiumwerkstoffs bewirkt und im Fall, dass die Oxidschicht nicht stellenweise nicht richtig gebildet wurde oder zerstört wurde dennoch ein Schutz erreicht.Consequently The corrosion protection and wear protection in addition to the oxide layer is also by the layer of the aluminum material causes and in the event that the Oxide layer has not been formed in places or properly destroyed nevertheless a protection was achieved.

Die Schicht aus Aluminiumwerkstoff kann vor dem anodischen Oxidieren durch Schleifen, Polieren oder ein Oberflächenbearbeitungsverfahren geglättet oder mit einer Oberflächenstruktur versehen werden.The Layer of aluminum material may be before anodizing smoothed by grinding, polishing or a surface treatment method or with a surface structure be provided.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch Bauteile aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen sowie Aluminiumlegierungen gelöst, deren Oberfläche zumindest in Teilbereichen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschleiß- und korrosionsfest beschichtet wurde.The The object of the invention is also by components of magnesium or Magnesium alloys and aluminum alloys dissolved, the surface at least in some areas with the inventive method wear and corrosion resistant was coated.

Claims (11)

Verfahren zur verschleiß- und korrosionsfesten Beschichtung von Oberflächen von Bauteilen aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen oder Aluminiumlegierungen bei dem in einem ersten Schritt, ein Aluminiumwerkstoff auf die Oberfläche als Beschichtung aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff anodisch oxidierbar ist und in einem zweiten Schritt die Beschichtung aus Aluminiumwerkstoff anodisch oxidiert wird.A method for wear and corrosion-resistant coating of surfaces of components made of magnesium or magnesium alloys or aluminum alloys in which in a first step, an aluminum material is applied to the surface as a coating, characterized in that the aluminum material is anodic oxidizable and in a second step, the coating made of aluminum material is anodized. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff mittels eines Kaltgasspritzverfahrens aufgebracht wird.Method according to claim 1, characterized in that that the aluminum material by means of a cold gas spraying process is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Aluminiumwerkstoff zwischen 30 μm und 3 mm dick ist, vorzugsweise zwischen 100 μm und 300 μm dick ist.Method according to one of claims 1 or 2, characterized that the layer of aluminum material between 30 microns and 3 mm is thick, preferably between 100 microns and 300 microns thick. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff reines Aluminium ist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the aluminum material is pure aluminum. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der anodisch oxidierbare Aluminiumwerkstoff ein verschleißfester und/oder korrosionsfester Aluminiumwerkstoff ist.Method according to Claims 1 to 4, characterized that the anodic oxidizable aluminum material is a wear resistant and / or corrosion resistant aluminum material. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Aluminiumwerkstoff vor dem anodischen Oxidieren durch Schleifen, Polieren oder ein Oberflächenbearbeitungsverfahren geglättet oder mit einer Oberflächenstruktur versehen wird.Method according to Claims 1 to 5, characterized that the layer of aluminum material before anodizing smoothed by grinding, polishing or a surface treatment method or with a surface structure is provided. Bauteil aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung oder einer Aluminiumlegierung mit zumindest teilweiser verschleißfester Beschichtung und einer Beschichtung aus Aluminiumwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff anodisch oxidierbar ist und die verschleißfeste Beschichtung auf den Aluminiumwerkstoff anodisch oxidiert ist.Component made of magnesium or a magnesium alloy or an aluminum alloy with at least partially wear-resistant Coating and a coating of aluminum material, characterized that the aluminum material is anodic oxidizable and the wear-resistant coating is oxidized anodically on the aluminum material. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Aluminiumwerkstoff zwischen 30 μm und 3 mm dick ist, vorzugsweise zwischen 100 μm und 300 μm dick ist.Component according to claim 7, characterized that the layer of aluminum material between 30 microns and 3 mm is thick, preferably between 100 microns and 300 microns thick. Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff reines Aluminium ist.Component according to claim 7 or 8, characterized in that the aluminum material is pure Aluminum is. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoff mittels eines Kaltgasspritzverfahrens aufgebracht ist.Component according to one of claims 7 to 9, characterized that the aluminum material by means of a cold gas spraying process is applied. Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der anodisch oxidierbare Aluminiumwerkstoff ein verschleißfester und/oder korrosionsfester Aluminiumwerkstoff ist.Component according to one of claims 7 to 10, characterized that the anodic oxidizable aluminum material is a wear-resistant and / or corrosion resistant aluminum material.