DE10338570A1

DE10338570A1 - Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils

Info

Publication number: DE10338570A1
Application number: DE2003138570
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Barth; Marita Bauer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-23
Also published as: WO2005021819A3; DE10338570B4; WO2005021819A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils mit einer Korrosionsschutzschicht. Hierbei wird ein metallisches Formwerkzeug (7) mindestens teilweise mit einem konzentrierten Formtrennmittel (15) besprüht. Das Bauteil wird in dem metallischen Formwerkzeug (7) geformt. Während des Erstarrens des Bauteils brennt das konzentrierte Formtrennmittel in die Oberfläche des Bauteils ein und bildet somit die Korrosionsschutzschicht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Formtrennmittel (15) vor dem Aufsprühen auf das Formwerkzeug auf eine Temperatur zwischen 40 DEG C und 99 DEG C aufgeheizt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils mit einer Korrosionsschutzschicht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Realisierung von Leichtbaukonzepten mit dem Ziel der Kraftstoffeinsparung werden insbesondere im Automobilbereich zunehmend Leichtmetallbauteile, z. B. aus Aluminium oder Magnesium, eingesetzt. Die Bauteile werden in der Regel gegossen, geschmiedet, stranggepresst oder extrudiert.

Die genannten Metalle und ihre Legierung bilden eine Passivierungsschicht an der Oberfläche aus, die sie unter normalen klimatischen Bedingungen gut gegen Korrosion schützt. Unter Einfluss von korrosionsfördernden Medien, wie Wasser und Salz, werden diese Metalle jedoch in nicht vertretbarem Maße korrosiv angegriffen. Zahlreiche Maßnahmen zur Beschichtung von Leichtmetallen, insbesondere von Magnesium, wurden hiergegen entwickelt.

Die WO 01/92600 A1 beschreibt ein Verfahren, wobei ein hochkonzentriertes Formtrennmittel, das verschiedene organische Bestandteile, u. a. Wachse, umfasst, auf ein metallisches Formwerkzeug gesprüht werden, wobei sich das hochkonzentrier te Formtrennmittel bei einem Formgebungsprozess in die Oberfläche des abgebildeten Bauteils einbrennt.

Je nach Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Formgebungsmetalle, Magnesium-, Aluminium- oder Zinklegierungen, sind zum Teil jedoch hohe Wachskonzentrationen erforderlich, damit die gewünschte Korrosionsbeständigkeit erzielt werden kann. Derart hohe Wachskonzentrationen im Formtrennmittel führen jedoch teilweise zu einem schnellen Verstopfen von Sprühdüsen, durch die das Formtrennmittel auf das Formwerkzeug aufgebracht wird. Daneben erschweren hohe Wachsgehalte im Formtrennmittel ein gleichmäßiges Besprühen von Gießwerkzeugen oder Umformwerkzeugen an schwer zugänglichen Stellen. Die benötigte Menge an Formtrennmitteln wird so stark erhöht, was sich negativ auf die Kostenbilanz auswirkt.

Zudem kann es auf diese Art möglich sein, dass unerwünschte Wachsbelege im Werkzeug aufgetragen werden, die u. U. die Struktur des Bauteils und die Oberfläche des Bauteils negativ beeinträchtigen. Dies kann wiederum dazu führen, dass das Werkzeug häufiger als geplant ausgebaut und gereinigt werden muss, was die Produktionskosten erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom genannten Stand der Technik, eine gleichmäßigere Korrosionsbeschichtung der Bauteile zu erzielen und dabei gleichzeitig den Bedarf an Formtrennmitteln pro Bauteil zu senken.

Die Lösung der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung eines metallischen Bauteils mit einer Korrosionsschicht wird ein konzentriertes Formtrennmittel, das mindestens 0,3 % or ganische Formtrennmittelwirkstoffe enthält, auf ein metallisches Formwerkzeug gesprüht. Dabei ist die Oberfläche des metallischen Formwerkzeuges mindestens teilweise mit dem Formtrennmittel bedeckt. In dem Formwerkzeug wird ein Bauteil geformt. Dies kann beispielsweise durch einen Gießprozess oder durch einen Unformprozess erfolgen. Während des Formprozesses des Bauteils im Formwerkzeug wird das konzentrierte Formtrennmittel in eine Oberfläche des Bauteils eingebrannt. Das eingebrannte Formtrennmittel wirkt nach einem Verfestigen und einem Abkühlen des Bauteils teils als Korrosionsschutzschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass das Formtrennmittel vor dem Aufsprühen auf eine Temperatur zwischen 40°C und 99°C erhitzt wird. Durch das Vorwärmen des Formtrennmittels erniedrigt sich dessen Viskosität, wodurch eine gleichmäßigere Formtrennmittelverteilung gerade in schwer zugänglichen Werkzeugzonen erzielt werden kann. An diesen schwer zugänglichen Werkzeugzonen verbessert sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme der Korrosionsschutz durch das eingebrannte Wachs, was wiederum dazu führt, dass die Konzentration an Formtrennmittelwirkstoffen reduziert werden kann.

Erfindungsgemäß kann bereits bei einer Konzentration von 0,3 Formtrennmittelwirkstoffen im Formtrennmittel eine korrosionshemmende Wirkung durch eine Oberflächenschicht auf dem Bauteil nachgewiesen werden. Diese deutliche Erniedrigung der Formtrennmittelkonzentration gegenüber dem Stand der Technik, die auf die definierte Beheizung des Formtrennmittels zurückzuführen ist, führt zu einer erheblichen Kostenreduktion bei der Korrosionsbeschichtung des Bauteils. Weiterhin wird das Verstopfen von Sprühdüsen reduziert und die Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile verbessert.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird zum Aufsprühen des Formtrennmittels ein Sprühkopf angewendet und das Formtrennmittel wird beim Durchlaufen des Sprühkopfes auf die Temperatur zwischen 40°C und 99°C erhitzt. Somit wird das Formtrennmittel erst kurz vor dem Aufsprühen auf das Formwerkzeug erhitzt, was ein Zersetzen von organischen Bestandteilen bzw. der Emulgatoren in dem Trennmittel vermeidet. Ebenfalls werden durch diese Maßnahme Energiekosten eingespart, da nicht ein erwärmtes Formtrennmittel über weitere Strecken transportiert werden muss.

Das Beheizen des Sprühkopfes kann durch verschiedene Methoden erfolgen. Vorteilhafte Heizmethoden sind u. a. induktive Beheizungen, elektrische Beheizungen, beispielsweise durch Heizwendel, oder das Beheizen des Sprühkopfes durch Wärmetauschvorrichtungen. Wärmetauschvorrichtungen können beispielsweise durch gasförmige oder flüssige Wärmemittel ausgestaltet sein.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, dass das Formwerkzeug nach dem Entformen eines Bauteils und vor dem Besprühen mit dem Formtrennmittel mit vorgewärmtem Wasser, das ebenfalls in einem Temperaturbereich zwischen 40°C und 99°C aufgeheizt ist, besprüht wird. Diese Behandlung mit vorgewärmtem Wasser wirkt als Kühlung des Formwerkzeuges, das nach einem Formgebungsvorgang auf bis zu 500°C lokal aufgeheizt sein kann. Durch diese Kühlungsmaßnahme wird die Temperaturwechselbelastung des Formwerkzeuges reduziert. Durch die eingestellte Temperatur des vorgewärmten Wassers wird gleichzeitig vermieden, dass die Oberfläche des Formwerkzeuges unter eine Minimaltemperatur fällt, was beispielsweise bei längeren Zyklusunterbrechungen möglich wäre. Durch diese Maßnahme wird zudem vermieden, dass Bauteile auf Konturen des Form werkzeuges aufschrumpfen, was eine schlechte Entformung des Bauteils zur Folge hätte.

Das Formtrennmittel besteht üblicherweise aus einer Emulsion aus Wasser bzw. Öl und organischen Formtrennmittelwirkstoffen. Herkömmliches Formtrennmittel enthält im Produktionseinsatz bzw. nach entsprechender Wasserverdünnung weniger als 0,3% an organischen Formtrennmittelwirkstoffen. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass die korrosionshemmende Wirkung des Formtrennmittels dann einsetzt, wenn der Anteil an organischen Formtrennmittelwirkstoffen größer als 0,3 ist. Der anzustrebende Wirkstoffanteil im Formtrennmittel richtet sich nach der Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Bei der korrosionsanfälligen Mg-Legierung AS 21 HP ist ein Mindestwirkstoffanteil von 14 % bis 16 % zweckmäßig, während bei der korrosionsbeständigeren Mg-Legierung AS 31 HP ein Wirkstoffanteil größer 0,5 % schon ausreichend ist. Aus Gründen der besseren Verarbeitbarkeit des Formtrennmittels ist es andererseits zweckmäßig, dass der Anteil an organischen Formtrennmittelwirkstoffen 25 % nicht übersteigt. Es ist jedoch anzumerken, dass auch reine, unverdünnte Formtrennmittelwirkstoffe, die auf das Formwerkzeug aufgetragen werden, die erfindungsgemäße korrosionshemmende Wirkung auf dem Bauteil erzielen. Unverdünnte Formtrennmittelwirkstoffe lassen sich jedoch schlecht auf dem Formwerkzeug verteilen und versprühen.

Im Weiteren hat sich herausgestellt, dass je nach Al- bzw. Mg-Legierung insbesondere eine Konzentration von 0,5 bis 20 von organischen Formtrennmittelwirkstoffen vorteilhaft sind. Weiterhin vorteilhaft, ist eine Konzentration zwischen 5 und 15 % an organischen Formtrennmittelwirkstoffen. Die Konzentration an Formtrennmittelwirkstoffen ist einerseits von den Korrosionsbelastungen abhängig, denen das Material ausgesetzt ist, andererseits ist das Material selbst maßgebend für die angewandte Konzentration. Es wurde jedoch eine steigende Korrosionsbeständigkeit mit einer steigenden Konzentration an Formtrennmittelwirkstoff, ausgehend von einer Konzentration von 2 % bis hin zu reinem Formtrennmittelwirkstoff festgestellt.

Die organischen Formtrennmittelwirkstoffe umfassen in der Regel eine Mischung aus Polysiloxanen, Wachsen (Polyethylene, Paraffine, Olefine, Fettalkohole, natürliches Wachse, etc.) und z.T. Synthetikölen. Eine besonders gute erfindungsgemäße Wirkung hat sich herausgestellt, wenn die Formtrennmittelwirkstoffe zwischen 2 % und 50 % an Wachsen und/oder Polysiloxanen enthalten. Insbesondere ein Wachsanteil zwischen 6 und 35 % in dem Formtrennmittelwirkstoff ist besonders vorteilhaft.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden in den folgenden Figuren und Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 einen schematischen Aufbau zur Besprühung eines Formwerkzeuges mit Formtrennmitteln,

2 eine schematische Darstellung eines beheizten Sprühkopfes.

Beispiel 1
Zur Herstellung eines Gehäuseteils für ein PKW-Nebenaggregat aus der Magnesiumlegierung AS 21 HP wird ein entsprechendes Gießwerkzeug 7 (dargestellt ist eine Werkzeughälfte) mit einem konzentrierten Formtrennmittel 15, das zu 90 % aus Wasser und zu 14,9 % aus einem organischen Formtrennmittelwirkstoff besteht, flächendeckend besprüht. Zum Besprühen des Formwerkzeuges 7, insbesondere dessen Formhohlraum 9, wird ein Sprühkopf 2 eingesetzt, der eine Sprühdüse 4 umfasst, und durch eine nicht näher dargestellte Positioniervorrichtung 6, die beispielsweise in Form eines Roboterarmes ausgestaltet sein kann, bewegt. Der Sprühkopf 2 ist über eine Leitung 11 mit einem Behälter 13 verbunden, in dem das Formtrennmittel 15 aufbewahrt wird. Über die Leitung 11 wird das Formtrennmittel 15 unter Druck zum Sprühkopf 2 geführt. Im Sprühkopf 2 wird das Formtrennmittel 15 erhitzt und in den Formhohlraum 9 des Formwerkzeuges 7 gesprüht.
In 2 ist eine schematische Darstellung des Sprühkopfes 2 gegeben, wobei der Sprühkopf 2 eine Beheizung mit Heizwendel 17 umfasst, durch die das Formtrennmittel 15, das durch die Leitung 11 in den Sprühkopf 2 geführt wird, auf eine Temperatur von ca. 70°C erhitzt wird. Durch die Sprühdüse 4 des Sprühkopfs 2 tritt das Formtrennmittel 15 aus und wird, wie in 1 dargestellt, auch in den Formhohlraum 9 des Formwerkzeuges 7 gesprüht.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nach 1 wird die Oberfläche des Formhohlraumes 9 besonders gleichmäßig mit dem Formtrennmittel 15 beschichtet. Die Oberfläche des Formhohlraumes 9 weist üblicherweise bereits eine Temperatur von ca. 300°C auf. Nach einer Wartezeit von ca. 15 s ist das Wasser des Formtrennmittels größtenteils verdampft und der organische Formtrennmittelwirkstoff ist auf der Oberfläche fixiert. Anschließend wird der Formhohlraum 9 des Formwerkzeuges 7 mit einer geschmolzenen Magnesiumlegierung, die eine Temperatur von 700°C aufweist, unter Druck befüllt. Der Formtrennmittelwirkstoff, der auf der Oberfläche des Formhohlraums 9 fixiert ist, verhindert während der Befüllung eine Benetzung der Oberfläche durch die Magnesiumschmelze. In dieser Prozessphase findet nahezu keine Wechselwirkung zwischen der Schmelze und dem Formtrennmittel statt.
Nach dem vollständigen Befüllen erstarrt die Magnesiumschmelze zu einem Bauteil. Der Erstarrungsvorgang dauert ca. 15 s. In dieser Zeit bildet sich auf der Oberfläche des Formhohlraums 9 eine Gießhaut aus, die nach dem Entformen die Oberfläche des Bauteils bildet. Während des Erstarrens lösen sich Teile des fixierten Formtrennmittelwirkstoffes und brennen sich in die Gießhaut ein. Hierbei wird die chemische Struktur des Formtrennmittels nicht nachhaltig geschädigt. Zur Verhinderung einer Zersetzung des eingebrannten Formtrennmittelwirkstoffes während einer längeren Abkühlphase wird das Bauteil im Wasser abgeschreckt.
Der angewendete Formtrennmittelwirkstoff besteht im Wesentlichen aus Polysiloxanen, Wachs und Synthetikölen. Für das Einbrennen in die Oberfläche des Bauteils ist im Wesentlichen das Wachs verantwortlich. Das Wachs des Formtrennmittelwirkstoffes führt letztlich auch zu der erfindungsgemäßen korrosionshemmenden Wirkung und des Oberflächenschutzes. Der angewendete Formtrennmittelwirkstoff weist eine Wachskonzentration von 30 % auf.
In dem oben angegebenen Beispiel wird exemplarisch auf einen Druckgießprozess eingegangen. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auf alle Bauteilformgebungsprozesse anzuwenden, in dem ein Formtrennmittel benötigt wird. Hierbei seien alle herkömmlichen Gießverfahren genannt, in denen eine Dauergießform verwendet wird. Besonders vorteilhaft, ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch auf Schmiedeprozesse anzuwenden. Hierbei sei beispielweise auf Aluminiumschmiedeprozesse verwiesen. Die korrosionshemmende Wirkung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hervorgerufen wird, kommt ebenso vorteilhaft auf Aluminiumbauteilen zum Tragen. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Zinklegierungen angewendet werden.
Im oben angegebenen Beispiel wird das Formtrennmittel 15 im Sprühkopf 2 durch einen elektrischen Heizwendel erhitzt. Grundsätzlich sind jedoch alle Heizverfahren im Sprühkopf denkbar, die eine rasche Aufheizung des Formtrennmittels 15 während des Durchlaufes durch den Sprühkopf 2 gewährleisten. Als alternative Verfahren seien hierbei Wärmetauschverfahren, z. B. durch ein flüssiges Heizmedium oder ein induktives Heizverfahren durch eine Induktionsspule, genannt. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass es vorteilhaft ist, wenn die Erwärmung des Formtrennmittels 15 direkt im Sprühkopf 2, kurz vor dem Austreten des Formtrennmittels 15 aus der Sprühdüse 4, erfolgt. Somit wird das Formtrennmittel nur sehr kurze Zeit auf dieser erhöhten Temperatur gehalten, wodurch eine mögliche Zersetzung von verschiedenen Wirkstoffen des Formtrennmittelwirkstoffes verhindert wird.
Das Formtrennmittel besteht in der Regel aus Wasser und Formtrennmittelwirkstoff. In Einzelfällen kann es jedoch zweckmäßig sein, dass weitere funktionale Stoffe, als die die bereits genannt wurden, beispielsweise auch anorganische Stoffe, dem Formtrennmittel beigemischt werden.
Beispiel 2
Der Sprühkopf weist in einer anderen Ausgestaltungsform mehrere, hier nicht dargestellt Einzeldüsen auf, die separat beheizt werden können. Die Durchflussmenge der Einzeldüsen ist einzeln regulierbar, wobei durch gezieltes Steuern der Durchflussmenge der einzelnen Düsen die Temperatur des ausgesprühten Formtrennmittels sehr schnell geändert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass kältere Bereiche des Formwerkzeuges 7 mit heißerem Formtrennmittel besprüht werden können und umgekehrt. Hierdurch können Thermospannungen im Formwerkzeug reduziert werden.

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils mit einer Korrosionsschutzschicht, wobei • ein metallisches Formwerkzeug (7) mindestens teilweise mit konzentriertem Formtrennmittel (15) besprüht wird, • das mindestens 0,3% an organischen Formtrennmittelwirkstoffen enthält, • das Bauteil in dem metallischen Formwerkzeug (7) geformt wird, • das konzentrierte Formtrennmittel (15) während des Formprozesses des Bauteils in eine Oberfläche des Bauteils eingebrannt wird, • wodurch zumindest bereichsweise eine korrosionshemmende Oberflächenschicht auf dem Bauteil erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, • dass das Formtrennmittel (15) vor dem Aufsprühen auf eine Temperatur zwischen 40°C und 99°C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sprühkopf (2) zum Aufsprühen des Formtrennmittels (15) angewendet wird und das Formtrennmittel (15) beim Durchlaufen des Sprühkopfes (2) auf eine Temperatur zwischen 40°C und 99°C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Fortrennmittels 15 im Sprühkopf 2 induktiv erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Fortrennmittels 15 im Sprühkopf 2 durch elektrische Widerstandsbeheizung (17) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Fortrennmittels 15 im Sprühkopf 2 durch eine Wärmetauschvorrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug nach einer Bauteilentformung in einem Formhohlraum (9) mit einem flüssigen Kühlmedium gekühlt wird, bevor ein weiteres Besprühen mit dem Formtrennmittel (15) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Formtrennmittel (15) aus einer Emulsion aus Wasser und organischen Formtrennmittelwirkstoffen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Formtrennmittel (15) aus einer Emulsion aus Öl und organischen Formtrennmittelwirkstoffen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Formtrennmittel (15) zwischen 0,3 % und 25 % organische Formtrennmittelwirkstoffe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Formtrennmittel (15) zwischen 0,5 % und 20 % organische Formtrennmittelwirkstoffe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Formtrennmittel (15) zwischen 5 % und 15 % organische Formtrennmittelwirkstoffe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Formtrennmittel (15) zwischen 0,3 % und 14,9 % organische Formtrennmittelwirkstoffe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Formtrennmittelwirkstoffe Polysiloxane, Wachse und/oder Synthetiköle umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dass die organischen Formtrennmittelwirkstoffe zwischen 2 % und 50 % Wachse enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Formtrennmittelwirkstoffe zwischen 6 % und 35 % Wachse enthalten.