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Die vorliegende Erfindung betrifft ein eisenhaltiges Metallbauteil mit einer legierten Brünierschicht gemäß Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Metallbauteils gemäß Patentanspruch 5.
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Es ist bekannt, auf eisenhaltigen Metallbauteilen Brünierungen aufzubringen, um einen Schutz der Metallbauteile vor verschiedenen Schäden, unter anderem vor Korrosion, zu erreichen. Dabei wird das Eisen der Oberfläche des Metallbauteils beispielsweise in ein oder mehrere oxidierende Bäder getaucht. Hierdurch entsteht eine fest mit dem Grundwerkstoff verbundene Konversionsschicht, die die Abmessungen des Metallbauteils im Wesentlichen nicht beeinflusst. Eine solche Brünierschicht hat jedoch den Nachteil, dass das Eisenoxid der Brünierschicht weicher als gehärteter Stahl ist und sich je nach Verwendung des Metallbauteils abnutzt.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Metallbauteil mit einer Schutzschicht bereitzustellen, die einen geringen Abnutzungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein eisenhaltiges Metallbauteil gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
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Allgemein können Beschichtungen durch Einlagern von zusätzlichen Stoffen günstig beeinflusst werden. Bislang war es für Brünierschichten, die Konversionsschichten sind und nur als direkte Reaktion der Brünierlösung mit der Oberfläche des Metallbauteils, bzw. dem Eisen des Metallbauteils, entstehen, nicht möglich, deren Verschleiß und Abnutzung zu reduzieren. Es wurde nun jedoch von dem Erfinder festgestellt, dass im Rahmen einer Brünierung eine Legierung der entstehenden Schicht möglich ist. Durch eine solche Legierung können der bei der Brünierung entstehenden Schicht weiteren Eigenschaften hinzugefügt werden.
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Es wird daher ein eisenhaltiges Metallbauteil mit einer auf das Metallbauteil mittels Brünierung aufgebrachten legierten Brünierschicht vorgeschlagen. Durch die legierte Brünierschicht wird erreicht, dass eine vollständig deckende Brünierschicht mit einem messbaren Gehalt an Legierungselementen entsteht. Durch diese legierte Brünierschicht, insbesondere durch die Wahl der zugegebenen Legierungselemente, kann erreicht werden, dass der Verschleiß der Schicht im Vergleich zu einer reinen Brünierschicht verbessert wird. Gleichzeitig werden aber die weiteren Eigenschaften einer Brünierschicht beibehalten, um zusätzliche Funktionen wie Korrosionsschutz, verbesserte Schmierstoffanhaftung, Wasserstoffbarriere, Schutz vor Öladditiven etc. möglichst lange bereitzustellen.
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Beispielsweise bei Lagerbauteilen kann die legierte Brünierschicht während eines Einlaufens des Metallbauteils, z.B. einem Wälzlagerring oder einem Wälzkörper, etwa 50 % ihrer Dicke verlieren, wodurch ein Glätten der Fertigungsrauheit des Metallbauteils erreicht wird. Danach wird durch die legierte Brünierschicht jedoch erreicht, dass die Schicht möglichst lange, insbesondere über die Lebensdauer des Metallbauteils, vorhanden bleibt, das heißt, sich nicht wie eine reine Brünierschicht vollständig abnutzt. Durch die legierte Brünierschicht wird somit der Verschleißwiderstand und/oder die Härte im Vergleich zu einer reinen Brünierschicht verbessert.
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Die legierte Brünierschicht weist Eisenoxid, das durch die Brünierung, d.h. durch eine Reaktion einer Brünierlösung mit dem Eisen des Metallbauteils, selbst entsteht, auf. Zusätzlich weist die legierte Brünierschicht additive Metalllegierungselemente auf. Da die Brünierschicht selbst einen hohen Gehalt an Sauerstoff durch das Eisenoxid hat, ist es bevorzugt, Metalllegierungselemente zu verwenden, die bezüglich Sauerstoff keine Reaktion zeigen oder zumindest reaktionsträge sind. Würden Legierungselemente verwendet, die bezüglich Sauerstoff reaktionsfreudig sind, kann dies zu einer Schädigung der Brünierschicht führen. Des Weiteren würden die Metalllegierungselemente in diesem Fall, wenn sie der Brünierlösung zugefügt werden, bereits mit dieser reagieren und in Konkurrenz zu dem Eisen des Metallbauteils treten.
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Daher ist es vorteilhaft, ein Metalllegierungselement zu verwenden, dass sich gar nicht oxidieren lässt oder ein bereits ausreagiertes Oxid ist. Auf diese Weise kann eine Reaktion der Metalllegierungselemente mit dem Sauerstoff des Eisenoxids der Brünierschicht und/oder mit dem Sauerstoff der Brünierlösung verhindert werden.
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Die Metalllegierungselemente können somit beispielsweise Metalloxid oder bezüglich Sauerstoff reaktionsträge Elemente sein. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Eisenoxidschicht (d.h. die Brünierschicht) mit einem anderen Metalloxid zu legieren. Beispielsweise kann als Metalllegierungselement Wolframoxid, vorzugsweise Wolframtrioxid, verwendet werden. Andere Legierungselemente sind ebenfalls möglich.
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Unter Legieren wird allgemein in der vorliegenden Beschreibung verstanden, dass der aus Eisenoxiden bestehenden Brünierschicht nichteisenoxidische Zusatzelemente oder Zusatzverbindungen, d.h. Metalllegierungselemente, hinzugefügt werden, um die technischen Schichteigenschaften zu beeinflussen. Diese Zusatzverbindungen können in der Schicht so feinverteilt eingebaut werden, dass im Rasterelektronenmikroskop unter 5000x Vergrößerung keine Agglomerate der Zusatzelemente erkennbar sind, die Schicht somit optisch und analytisch homogen wirkt, und in EDX ein Gehalt an Zusatzelementen in der gesamten Schicht nachweisbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils, wie es oben beschrieben ist, vorgeschlagen. Das Verfahren weist dabei das Ausbilden einer legierten Brünierschicht mittels Brünierung auf. Wie bereits erläutert, enthält die legierte Brünierschicht sowohl Eisenoxid aus der Brünierung als auch eingelagerte additive Metalllegierungselemente.
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Bei der legierten Brünierschicht handelt es sich nicht um eine Brünierschicht, auf der oben eine weitere Substanz angelagert wird, sondern vielmehr um eine Schicht, die sowohl eine Brünierschicht ist als auch Metalllegierungselemente enthält. Diese Schicht kann auf zwei unterschiedliche Arten hergestellt werden, wie im Folgenden erläutert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die legierte Brünierschicht durch Eintauchen des Metallbauteils in eine Brünierlösung ausgebildet, wobei die Brünierlösung Metalllegierungselemente enthält. Beispielsweise kann das Brünieren in einem ca. 150 °C heißen, stark alkalischen Bad (z.B. aus Natriumhydroxid und Nitrit/Nitrat) erfolgen. Die Brünierlösung kann als Bad zum Eintauchen des Metallbauteils, aber auch als Lösung zum Auftragen auf die Oberfläche des Metallbauteils bereitgestellt werden.
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Da das Brünierbad sich siedebedingt stark durchmischt und unlösliche Substanzen, d. h. die Metalllegierungselemente, zumindest teilweise in Schwebe hält, ist es möglich, die Metalllegierungselemente gleichzeitig mit der Erzeugung der Brünierschicht auf dem Metallbauteil anzulagern. Auf diese Weise entsteht eine vollständig deckende Brünierschicht mit einem messbaren Gehalt an Metalllegierungselementen.
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Brünierbäder können große Mengen an Schlamm erzeugen, der sich am Boden des Behälters absetzt und regelmäßig mit Schaufeln/Schabern manuell ausgetragen werden muss. Die zugegebenen Substanzen, d. h. die Metalllegierungselemente, geraten dabei in den Schlamm. Daher sollte während des Ausbildens der legierten Brünierschicht die Konzentration der Metalllegierungselemente in dem Brünierbad überwacht und eventuell erneut zugesetzt werden (z.B. falls die Konzentration unter einen definierten Schwellwert fällt).
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Gemäß einer anderen Ausführungsformen wird das Metallbauteil zunächst in eine Vortauchlösung eingetaucht, die Metalllegierungselemente enthält. Durch das Eintauchen in die Vortauchlösung werden die Metalllegierungselemente an einer Oberfläche des Metallbauteils abgelagert. Die Vortauchlösung kann heiß und alkalisch sein, beispielsweise eine Natronlauge, und enthält entweder die Metalllegierungselemente oder eine ihrer Vorstufen. Durch die Verwendung einer Vorstufe können insbesondere die Kosten verringert werden.
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Beispielsweise kann dies Wolframoxid oder Dinatriumwolframatdihydrat sein. Andere Legierungselemente sind ebenfalls möglich. Durch das Eintauchen in die Vortauchlösung bilden sich auf der Oberfläche des Metallbauteils Niederschläge der Metalllegierungselemente. Diese sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt und haften abspülfest.
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Um eine Brünierung des Metallbauteils zu ermöglichen, ist ein freier Zugang zum Eisen des Metallbauteils für die Schichtbildung erforderlich. Um dies sicherzustellen und die Anhaftungspunkte der Legierungselemente bei Bedarf zu steuern, können durch eine Aktivierung mit Keimzellen auf der Oberfläche des Metallbauteils beabstandete Punkte für die spätere Anhaftung der Metalllegierungselemente, festgesetzt werden. Diese Keimzellen können aus einer stark verdünnten Aktivierungslösung des Phosphatierens (in die das Metallbauteil noch vor dem Legierungsbad getaucht werden kann) Startpunkte für spätere Niederschläge setzen. Die Verwendung von solchen Keimzellen ist jedoch nur optional.
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Anschließend wird die legierte Brünierschicht durch Eintauchen des Metallbauteils in ein Brünierbad oder Auftragen der Brünierlösung auf das Metallbauteil ausgebildet. Genauer wird durch das Vortauchen die Metallbauteiloberfläche mit anhaftenden Metalllegierungselementen, beispielsweise in der Form von Kügelchen, versehen. Die Oberfläche wird dabei nicht mit den Kügelchen bedeckt, sondern sie sind statistisch, aber gleichmäßig verteilt. Zwischen den Kügelchen sind immer mehrere Kugeldurchmesser aus unbeschichteter Oberfläche frei. Im Brünierbad lösen sich diese Kügelchen langsam auf und die Metalllegierungselemente lagern sich gelöst in der Brünierschicht ab. Die entstehende Schicht enthält keine unregelmäßigen Strukturen, sondern ist homogen und enthält die gleichverteilten Metalllegierungselemente sowie das Eisenoxid.
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Um, wie oben erwähnt, die Brünierung des Metallbauteils zu ermöglichen, weist das Verfahren vor dem Ausbilden der legierten Brünierschicht ein Freilegen des Eisens des Metallbauteils auf. Beispielsweise kann das Metallbauteil nach Eintauchen in die Vortauchlösung abgespült werden, um überflüssige Metalllegierungselemente zu entfernen.
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Wie in Tests festgestellt wurde, wird bei Verwendung von Wolframat als Legierungselement die Reibung des Metallbauteils durch die Legierungselemente in einer solche legierte Brünierschicht nicht beeinflusst. Es zeigt sich jedoch ein signifikant erhöhter Verschleißwiderstand im Vergleich zu einer reinen Brünierschicht. Andere Legierungselemente können diese und/oder weitere positive Eigenschaften haben, wie beispielsweise eine Verbesserung der Schmierstoffanhaftung.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigt:
- 1: einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines Metallbauteils.
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt einen möglichen schematischen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines Metallbauteils 2 mit einer legierten Brünierschicht 14. Das Metallbauteil 2 ist hier beispielhaft als ein Wälzlagerring dargestellt, es kann jedoch auch jedes beliebige andere Metallbauteil mit einer solchen legierten Brünierschicht 10 versehen werden.
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Das Metallbauteil 2 wird zunächst in eine Vortauchlösung 4 eingetaucht. Die Vortauchlösung 4 kann eine heiße, alkalische Lösung sein, die Metalllegierungselemente enthält. Durch das Eintauchen des Metallbauteils 2 in die Vortauchlösung 4 werden die Metalllegierungselemente an der Oberfläche des Metallbauteils 2 angelagert, wie hier beispielhaft durch Kügelchen 6 dargestellt ist. Die angelagerten Metalllegierungselemente 6 haben einen gewissen Abstand zueinander, was beispielsweise durch eine Aktivierung von Keimzellen auf der Oberfläche des Metallbauteils 2 erreicht werden kann. Durch Aktivierung solcher Keimzellen wird erreicht, dass sich die Metalllegierungselemente 6 an diesen Keimzellen und nicht an anderen Punkten des Metallbauteils 2 anlagern.
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Nach dem Anlagern der Metalllegierungselemente 6 an der Oberfläche des Metallbauteils 2 wird das Metallbauteil 2 aus der Vortauchlösung 4 entfernt und in eine Brünierlösung 8 eingetaucht. Durch das Eintauchen in die Brünierlösung 8 lösen sich die angelagerten Metalllegierungselemente 10 langsam auf und bilden mit der in der Brünierlösung 8 entstehenden Brünierschicht 12 eine homogene legierte Brünierschicht 14.
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Anstelle von zwei Bädern 4, 8 kann auch nur ein Brünierbad 8 verwendet werden, wobei in diesem Fall dem Brünierbad 8 die Metalllegierungselemente zugesetzt werden.
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Durch diese legierte Brünierschicht 14 kann erreicht werden, dass die Eigenschaften einer Brünierschicht in Bezug auf Verschleißwiderstand und Abnutzungsgrad verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Metallbauteil
- 4
- Vortauchlösung
- 6
- Metalllegierungselemente
- 8
- Brünierlösung
- 10
- angelöste Metalllegierungselemente
- 12
- Brünierschicht
- 14
- legierte Brünierschicht
