DE19548183C1 - Verfahren zum Aufbringen einer feuerhemmenden Schicht auf ein Magnesiumbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer feuerhemmenden Schicht auf ein Magnesium-Bauteil durch thermisches Spritzen eines Oxids. Unter Magnesium- Bauteilen sind dabei sowohl Bauteile aus reinem Magnesium wie aus Magnesium-Legierungen zu verstehen.

Magnesium-Legierungen sind wichtige Werkstoffe für die Fahrzeugtechnik, den Motorenbau, die Luft- und Raumfahrt­ technik und im sonstigen konstruktiven Leichtbau, wie in der Computerbranche, beim Motorsägen und Haushaltsgeräten. Ursache ist das geringe spezifische Gewicht von Magnesium- Legierungen bei sehr guten Festigkeitseigenschaften, wo­ durch eine deutliche Gewichtsreduktion der Magnesium- Bauteile, verglichen mit Aluminium und Stahl möglich ist. Die, verglichen mit Aluminium-Werkstoffen, deutlich bessere Gießbarkeit von Magnesium-Legierungen führt darüberhinaus zu einer Verringerung an Prozeßschritten und einer Steige­ rung der Produktivität, so daß aus Magnesium-Legierungen geometrisch komplex geformte, dünnwandige Bauteile in hohen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden können. Der Einsatz von Magnesium-Werkstoffen in der Fahrzeugtechnik eröffnet daher ein hohes Potential zur Kostensenkung, Treibstoffersparnis und Nutzlasterhöhung.

Allerdings sind dünnwandige Magnesium-Bauteile besonders in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Automobilbereich auf­ grund der möglichen Brandgefahr nur unter Einschränkungen verwendbar. Dünnwandige Magnesium-Bauteile, also beispiels­ weise Bauteile mit einer Wandstärke von 3 mm oder weniger können sich nämlich durch einen Brandherd an anderer Stelle entzünden. Problematisch beim Umgang mit Magnesium­ werkstoffen ist nämlich die Tatsache, daß sich Magnesium im geschmolzenen Zustand bei Sauerstoffzutritt entzünden kann. Der Schmelzpunkt von Magnesium beträgt ca. 650°C. Dickere Magnesium-Bauteile führen zwar genügend Wärme ab, so daß eine lokale Erschmelzung durch einen anderen Brandherd praktisch nicht eintritt. Jedoch ist bei geringer Wandstär­ ke ein lokales Aufschmelzen des Magnesium-Bauteils durch einen anderen Brandherd möglich und damit die Gefahr eines Magnesium-Brandes gegeben.

Es ist bekannt, Magnesium-Bauteile mit einem Brandschutzan­ strich zu versehen, um die Brandgefahr herabzusetzen. Der­ artige Brandschutzanstriche besitzen jedoch eine erhebliche Dicke von 2 mm und mehr, wodurch insbesondere bei dünnwan­ digen Magnesium-Bauteilen, die durch das Magnesium erzielte Gewichtreduktion des Bauteils zumindest teilweise wieder zunichte gemacht wird. Darüberhinaus sind Brandschutzan­ striche optisch wenig ansprechend, können auf der anderen Seite aber nicht mit herkömmlichen Lacken, wie Autolacken überstrichen werden.

Aus der DE-OS 38 36 614 ist es bekannt, thermisch belastete Magnesium-Bauteile durch thermisches Spritzen mit einer Diffusionssperre aus einem Metall, z. B. Titan, einer ein- oder mehrphasigen Schicht, z. B. aus Ni₃Al und einer Funkti­ onsschicht aus ZrO₂ mit Anteilen von Y₂O₃, MgO oder CaO zu beschichten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustel­ len, mit dem insbesondere auch dünnwandige Magnesium- Bauteile kostengünstig mit einer feuerhemmenden Beschich­ tung hoher Wirksamkeit ohne wesentliche Gewichtserhöhung versehen werden können.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Das heißt, erfindungsgemäß wird Aluminiumoxid (Al₂O₃), gleich welcher Modifikation, als Spritzwerkstoff einge­ setzt.

Im Gegensatz zu Aluminiumoxid weist reines Siliciumdioxid den Nachteil auf, daß es keinen definierten Schmelzpunkt aufweist und selbst bei relativ hohen Temperaturen in einen teigigen Zustand vorliegt, mit dem es nur schwer spritzbar ist.

Demgemäß wird erfindungsgemäß außer Aluminiumoxid ein Ge­ misch aus Siliciumoxid und wenigstens einem weiteren Metal­ loxid als Spritzwerkstoff verwendet, wobei der Gehalt des Siliciumoxids in dem Spritzwerkstoff wenigstens 20, vor­ zugsweise wenigstens 50 Gew.-% beträgt und das Gemisch ei­ nen Druckerweichungspunkt zwischen 400°C und 1000°C auf­ weist.

Die weiteren Metalloxide des Gemischs können Natriumoxid (Na₂O), Kaliumoxid (K₂O), Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO), Zinkoxid (ZnO), Bleioxid (PbO), Lithiumoxid (Li₂O), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Boroxid (B₂O₃) sein.

Zu diesen Oxidgemischen gehören insbesondere Gemische zur Herstellung von Email, also von Schmelzgemischen mit Sili­ katen sowie ggf. Boraten und Fluoriden als glasbildenden Elementen, insbesondere mit den übrigen vorstehend erwähn­ ten Metalloxiden, die einen Druckerweichungspunkt zwischen 400 und 1000°C, insbesondere zwischen 450 und 800°C aufwei­ sen. Den glasbildenden Stoff des Emails bildet vor allem SiO₂ oder Feldspat, der etwa 70 Gew.-% SiO₂ enthält. Weite­ re Glasbilder sind B₂O₃, Al₂O₃ und PbO sowie ggf. GeO₂ und BeF₂. Zur Verbesserung der Haftung kann Email geringe Zu­ sätze an Haftoxiden, beispielsweise Kobalt- oder Nickeloxid enthalten.

Vorzugsweise beträgt die Zusammensetzung des Emails, der erfindungsgemäß zum thermischen Spritzen verwendet wird, nach der Seger-Formel in Mol bei bleihaltigem Email:
0-0,7 Mol in Na₂O
0-0,3 Mol K₂O
0-0,6 Mol CaO
0-0,3 Mol MgO
0-0,7 Mol ZnO
0,2-1,5 Mol PbO
0-0,3 Mol Al₂O₃
0,2-3,0 Mol SiO₂
0-2,0 Mol B₂O₃
und bei bleifreiem Email
0-1,5 Mol in Na₂O
0-0,7 Mol K₂O
0-1,0 Mol CaO
0-0,6 Mol MgO
0-0,4 Mol ZnO
0-0,2 Mol Li₂O
0-0,8 Mol Al₂O₃
1,5-5,0 Mol SiO₂
0-3,0 Mol B₂O₃.

Der Druckerweichungspunkt des vorstehend angegeben bleihal­ tigen oder bleifreien Emails liegt zwischen 430 und 750°C. Die bleifreien Emailsorten werden aus gesundheitlichen und Umweltschutzgründen bevorzugt.

Wie Erschmelzungsversuche gezeigt haben, wird durch die thermisch aufgespritzte Schicht aus Aluminiumoxid oder Email (mit einer Schichtdicke von 30 bis 100 µm) die Ent­ zündungszeit eines Magnesium-Bauteil mit einer Schichtdicke von 1 mm um mindestens das vierfache hinausgezögert, so daß die Zeitspanne für Löschmaßnahmen im Falle eines Brandes wesentlich erweitert wird.

Weiterhin wird durch die erfindungsgemäß auf das Mg-Bauteil thermisch aufgespritzte Oxidschicht die Beständigkeit des Bauteils gegen Korrosion wesentlich erhöht. Auch bildet die thermisch aufgespritzte Oxidschicht einen hervorragenden Haftgrund für Lackierungen.

Die erfindungsgemäß aufgebrachte Aluminiumoxidschicht hat dabei den Vorteil, daß sie dem Magnesium-Bauteil zusätzlich Formstabilität verleiht, selbst bei Erweichung des Magnesi­ um-Werkstoffs.

Der Vorteil der erfindungsgemäß aufgebrachten Siliciumdi­ oxid-haltigen Schicht, insbesondere Emailschicht, ist darin zu sehen, daß diese Schicht mit steigender Temperatur weich wird und das Magnesium-Bauteil dicht umschließt. Sie kann daher der thermischen Ausdehnung des Magnesium-Bauteil fol­ gen. Rissen in der Schutzschicht wird damit vorgebeugt. Sollten dennoch Risse durch thermische Ausdehnung des Bau­ teils bei entsprechend hoher Erwärmung auftreten, erweicht die SiO₂- bzw. Email-Schicht, was zu einer Selbstabdichtung führt.

Die Dicke der erfindungsgemäß aufgebrachten feuerhemmenden Schutzschicht beträgt vorzugsweise 10 bis 300 µm, insbeson­ dere 30 bis 100 µm.

Bei einer Schichtdicke von weniger als 10 µm ist die feuer­ hemmende Schutzwirkung nicht mehr ausreichend, d. h. die Schutzschicht ist nicht mehr dicht genug, so daß eine offe­ ne Flamme auf den Magnesium-Grundwerkstoff durchschlagen kann. Außerdem wirkt die erfindungsgemäß aufgebrachte Oxid­ schicht wärmedämmend. Bei einer Schicht unterhalb von 10 µm ist dieser Wärmedämmeffekt nicht mehr gegeben.

Bei einer Schichtdicke von mehr als 300 µm leidet die Maß­ haltigkeit des Magnesium-Bauteils. Auch werden dann die Ko­ sten der Schutzschicht relativ groß. Darüberhinaus wird die Schutzschicht um so spröder je dicker sie ist, sie verliert also an Elastizität, so daß bei Verformung des Bauteils eher Risse gebildet werden können.

Magnesium-Werkstoffe sind durch ihre gute Gießbarkeit ins­ besondere zur Herstellung dünner, großer, eine komplexe Geometrie aufweisender Bauteile geeignet. Demgemäß ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum Aufbringen feu­ erhemmender Schicht auf dünne Magnesium-Bauteile mit einer Schichtdicke von 3 mm oder weniger bestimmt.

Für die erfindungsgemäß feuerfest gemachten dünnwandigen Magnesium-Bauteile bestehen die verschiedensten Anwendungs­ möglichkeiten, beispielsweise im Fahrzeugbau als Rahmen oder Rahmenteile von Sitzen, Türen usw.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können die verschie­ densten Magnesium-Werkstoffe feuerhemmend beschichtet wer­ den, beispielsweise AZ91 (9% Al, 1% Zn), AM50 (5% Al, 5% Mn), AM20 (2% Al, = 0,5 Mn) oder AE42 (4% Al, 2% seltende Erdmetalle als Cer-Mischmetall).

Da Magnesium-Werkstoffe einen relativ niedrigen Schmelz­ punkt aufweisen, wird das Bauteil beim thermischen Spritzen vorzugsweise gekühlt, beispielsweise mit Kohlendioxid, Luft oder Wasser.

Das thermische Spritzen kann durch Plasma- Lichtbogenspritzen oder Flamm-Spritzen erfolgen. Da die Spritzpartikel beim Plasma-Spritzen auf eine höhere Tempe­ ratur erwärmt werden als beim Flamm-Spritzen, entstehen beim Plasma-Spritzen dichtere Oxidschichten mit entsprechend ho­ her feuerhemmender Wirkung. Demgegenüber ist das Flamm- Spritzen kostengünstiger als das Plasma-Lichtbogenspritzen. Besonders dichte Oxidschichten werden erzielt, wenn die Oxidschicht durch Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen aufge­ bracht wird, bei dem die geschmolzenen Oxidteilchen mit ei­ ner Geschwindigkeit von 500 m/s und mehr auf das Bauteil auftreffen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Aufbringen einer feuerhemmenden Schicht auf ein Magnesium-Bauteil durch thermisches Spritzen eines Oxids, dadurch gekennzeichnet, daß zum thermi­ schen Spritzen Aluminiumoxid oder ein Gemisch aus we­ nigstens 20 Gew.-% Siliziumdioxid und wenigstens einem weiteren Metalloxid verwendet wird, welches einen Druckerweichungspunkt zwischen 400°C und 1000°C auf­ weist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Metalloxid Natriumoxid, Kaliumoxid, Kal­ ziumoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Bleioxid, Lithium­ oxid, Aluminiumoxid und/oder Boroxid ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gemisch aus Siliziumdioxid und wenigstens einem weiteren Metalloxid ein Email-Schmelzgemisch ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Oxidschicht mit einer Schichtdicke von 10 bis 300 µm aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Magnesium-Bauteil beim thermischen Spritzen gekühlt wird.