DE3816557A1 - Verfahren zur erzeugung von konversionsueberzuegen auf titan - Google Patents
Verfahren zur erzeugung von konversionsueberzuegen auf titanInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von
Konversionsüberzügen auf Oberflächen von Titan oder
Titanlegierungen mittels wäßriger Lösungen, die
Fluoridionen und ein oder mehrere Metallionen aus der
Gruppe Magnesium, Kalzium, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel,
Zink und Molybdän enthalten sowie eine pH-Wert oberhalb
1,5 aufweisen und dessen Anwendung zur Vorbereitung von
Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen für die
Kaltumformung.
Es ist bekannt, Werkstücke aus Titan oder Titanlegierungen
mit einem die Kaltumformung erleichternden Überzug aus
Titanfluoborat, Titanfluosilikat und dgl. zu versehen.
Jedoch sind diese Überzüge weich und dünn und darüber
hinaus wenig haftfest. Weiterhin ist es bekannt, auf Titan
oder Titanlegierungen Konversionsüberzüge mit Lösungen zu
erzeugen, die Fluoride von Mangan, Molybdän, Magnesium,
Kalzium, Eisen, Kobalt, Nickel und/oder Zink enthalten
(Japanische Patentpublikation 69-28 967). Obgleich mit
derartigen Lösungen, die üblicherweise bei einem pH-Wert
von 1,5 bis 4,5 und bei einer Temperatur von 40 bis 80°C
arbeiten, Konversionsschichten von höherer Qualität
erzeugt werden, ist die erhaltene Haftfähigkeit nicht hoch
genug, um eine befriedigende Kaltumformung bei z. B. hoher
Querschnittsverringerung und hoher
Umformungsgeschwindigkeit zu gewährleisten. Bei den mit
Schmiermitteln behandelten Werkstücken treten zudem häufig
Anfreßerscheinungen auf, die auf den mangelhaft haftenden
Basisüberzug zurückgehen und die an sich erwünschte
Vielfalt der Anwendungsmöglichkeit beschränken.
Schließlich ist es bekannt, den vorstehend definierten
Lösungen zur Erzeugung von Konversionsschichten zusätzlich
Chelatbildner, wasserlösliche, hochmolekulare organische
Verbindung und Tensid zuzusetzen (DE-A-36 27 249). Jedoch
sind auch die nach diesem Verfahren erzeugten
Konversionsschichten noch nicht von der gewünschten
Qualität.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen
von Konversionsüberzügen auf Titan oder Titanlegierungen
bereitzustellen, daß die bekannten, insbesondere
vorgenannten Nachteile nicht besitzt und die Erzeugung
fest haftender, insbesondere als
Schmiermittelträgerschicht geeigneter Konversionsüberzüge
gestattet.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs
genannten Art entsprechend der Erfindung derart
ausgestaltet wird, daß man die Oberflächen mit einer
Lösung in Kontakt bringt, die
- a) 5 bis 40 g/l Fluorid
- b) Nitrat in einem Gewichtsverhältnis von NO₃ : F wie 0,005 bis 0,2
- c) Sulfat in einem Gewichtsverhältnis von SO₄ : F wie 0,02 bis 0,5
- d) mindestens eines der Metallionen Magnesium, Kalzium, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zink oder Molybdän in einem Gewichtsverhältnis von Me : F wie 0,02 bis 0,5 sowie
- e) wenigstens eine Substanz aus der Gruppe der organischen Chelatbildner mit einer Konzentration von 0,1 bis 2 g/l, wasserlöslichen organischen Polymere mit einer Konzentration von 0,1 bis 10 g/l und Tenside mit einer Konzentration von 0,01 bis 3 g/l
enthält und einen pH-Wert von 1,5 bis 5,0 aufweist.
Das Fluorid wird üblicherweise in Form von
Fluorwasserstoff, Bifluorid oder Fluorid eingebracht.
Besonders geeignete Bifluoride oder Fluoride sind die des
Natriums, Kaliums oder Ammoniums. Insoweit ist die Wahl
der Einbringungsform beliebig.
Für den Fall, daß die Fluoridkonzentration unterhalb 5 g/l
liegt, ist die Ätzwirkung der Lösung auf Titan oder
Titanlegierung ungenügend und die Überzugsausbildung
gering. Im Falle, daß die Konzentration 40 g/l übersteigt,
wird die Ätzwirkung zu stark und die Überzugsausbildung
ebenfalls gering.
Das Nitrat wird über Salpetersäure oder deren Salze, z. B.
als Natrium-, Kalium- oder Ammonium-Nitrat eingetragen.
Die Bedeutung des Nitrates besteht in erster Linie darin,
den beim Beizangriff der Lösung auf die Titanoberfläche
gebildeten Wasserstoff zu oxidieren und dadurch eine
Versprödung des Titans oder der Titanlegierung durch
Absorption von Wasserstoff zu verhindern. Bei einer
Bemessung der Nitratkonzentration derart, daß das
Verhältnis von NO₃ : F von 0,005 unterschritten wird, ist
die Wirkung des Nitrates hinsichtlich der Oxidation des
Wasserstoffs unzureichend und eine Versprödung der
Titanoberfläche nicht mit Sicherheit ausgeschlossen. Im
Ergebnis würde die Haftung des Konversionsüberzuges
verringert. Auf der anderen Seite wird auch bei einem
Überschreiten des NO₃/F-Verhältnisses von 0,2 die
Überzugshaftung verringert. Allein bei Einhaltung des
NO₃/F-Verhältnisses von 0,005 bis 0,2, also bei
Abstimmung der Nitratkonzentration auf die tatsächlich
vorhandene Fluoridkonzentration, ist gewährleistet, daß
Konversionsüberzüge der erwünschten Qualität erhalten
werden.
Sulfat wird üblicherweise über Schwefelsäure oder Sulfat
bzw. Bisulfat von Natrium oder Ammonium in die Lösung
eingebracht. Das Sulfat dient insbesondere dazu, die
Wirkung der Metallionen in der Behandlungslösung zu
unterstützen. Wenn der Gehalt an Sulfat unterhalb des
SO₄/F-Verhältnisses von 0,02 liegt, ist die Löslichkeit
der Metallionen in der Lösung verringert und es besteht
eine gewisse Neigung zur Ausfällung der Metallionen. Dies
hat wiederum eine nachteilige Schichtausbildung zur Folge.
Im Gegensatz hierzu wird beim Überschreiten des
SO₄/F-Verhältnisses von 0,5 die Ätzwirkung auf das Titan
verstärkt und die Abscheidung von Titanverbindung wird
schwächer. Als Folge hiervon würden Überzüge mit geringer
Haftung und Grobkörnigkeit gebildet.
Die in der Lösung befindlichen Metallionen dienen
vermutlich der Keimbildung für die Abscheidung des
Konversionsüberzuges. Damit ein derartiger Effekt erreicht
wird, ist ein gewisser Mindestgehalt an Metallionen
erforderlich. Wird hingegen der Metallionengehalt zu hoch,
wird die Abscheidung von Titanverbindung, die den
Hauptbestandteil des Konversionsüberzuges bildet,
behindert. Da die Menge der abzuscheidenden
Titanverbindung von der Menge des Fluorids abhängt, das
wiederum das Ausmaß der Ätzung bestimmt, ist die Menge der
Metallionen in Relation zu der Menge von Fluoridionen
einzustellen. Das heißt, das Metallionen/F-Verhältnis muß
im Bereich von 0,02 bis 0,5 liegen. Sofern das Verhältnis
geringer als 0,02 ist, ist die Metallionenmenge in der
Lösung zu klein und verursacht keine Überzugsbildung hoher
Qualität. Wenn er hingegen 0,5 übersteigt, neigen die
Metallionen zur Ausfällung. Es ist dann unmöglich, feine
und ausreichende Mengen von abgeschiedenen Kristallkeimen
zu erhalten.
Als organischer Chelatbildner kommen insbesondere
organische Säuren, wie Gluconsäure, Zitronensäure,
Weinsäure, Bernsteinsäure, Tanninsäure,
Nitrilotriessigsäure, Apfelsäure, aber auch
Ethylendiamintetraessigsäure in Betracht.
Die Wirkung des organischen Chelatbildners beruht
vermutlich darin, die Effektivität der Metallionen zu
erhöhen und dadurch die Ausbildung des
Konversionsüberzuges zu verbessern. Die Konzentration des
Chelatbildners liegt im Bereich von 0,1 bis 2 g/l.
Innerhalb dieses Bereiches leistet er einen wesentlichen
Beitrag zur Verbesserung der Überzugsausbildung. Sofern
dessen Konzentration unter 0,1 g/l liegt, ist eine
verbessernde Wirkung praktisch nicht feststellbar, während
größere Mengen als 2 g/l keinen zusätzlichen Effekt
bewirken.
Bezüglich des wasserlöslichen organischen Polymers ist
eine Vielzahl von Verbindungen brauchbar. Jedoch sind
Polyvinylalkohol, Gelatine, Polyvinylpyrrolidon besonders
geeignet. Mit diesen Substanzen wird eine beträchtliche
Wirkung auf jeden Fall erzielt. Wie bei der Konzentration
des Chelatbildners ist auch bei der Konzentration des
organischen Polymers eine Abhängigkeit vom
Fluoridionengehalt praktisch nicht vorhanden.
Der Gehalt des organischen Polymers in der Überzugslösung
liegt im Bereich von 0,1 bis 10 g/l. Er begünstigt
ebenfalls die Ausbildung des Konversionsüberzuges. Sofern
der Gehalt unter 0,1 g/l ist, wird praktisch keine
Verbesserung erzielt, wo hingegen im Falle des
Überschreitens der Grenze von 10 g kein weiterer
verbessernder Effekt feststellbar ist. Im Gegenteil, es
tritt unter Umständen eine Beeinträchtigung der
Überzugsausbildung auf.
Hinsichtlich des Tensides sind sowohl solche von
anionischem, kationischem, amphotärem und nichtionischem
Charakter geeignet. Amphotäre und nichtionische Tenside
sind bevorzugt. Als nichtionische Tenside kommen
insbesondere Kondensate von
höheren Alkoholen des Typs
höheren Alkoholen des Typs
R-O-[CH₂-CH₂-O-] n -H
von höheren aliphatischen Säuren des Typs
R-CO-O-[-CH₂-CH₂-O-] n -H
von höheren aliphatischen Säureamiden des Typs
R-CO-NH-[-CH₂-CH₂-O-] n -H
von höheren Alkylaminen des Typs
und von Alkylphenolen des Typs
in Betracht. Hinsichtlich der amphotären Tenside sind
solche des Betaintyps, des Glycintyps, des Alanintyps usw.
geeignet. Dies sind sämtlich innerhalb des
erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbar. Die Konzentration
der Tenside in der Behandlungsflüssigkeit bewegt sich im
Bereich von 0,01 bis 3 g/l. Auch das Tensid begünstigt die
Ausbildung des Konversionsüberzuges. Bei Konzentrationen
unter 0,01 g/l ist noch kein Effekt erkennbar, wo hingegen
bei Konzentrationen oberhalb 3 g/l keine zusätzliche
Wirkung erzielbar ist. Statt dessen wirkt sich der höhere
Gehalt des Tensids in der Behandlungsfüssigkeit lediglich
nachteilig auf die Abwasserbehandlung aus.
Von den vorgenannten Zusätzen aus der Gruppe der
organischen Chelatbildner, der wasserlöslichen organischen
Polymere und der Tenside können eine oder mehrere Arten
vorgesehen sein, wobei dann die jeweiligen zulässigen
Konzentrationen zu beachten sind.
Der pH-Wert des innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens
einzusetzenden Behandlungslösung liegt im Bereich von 1,5
bis 5. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
bringt man die Oberflächen mit einer Lösung in Kontakt,
die einen pH-Wert von 2 bis 3,5 aufweist. Der pH-Wert wird
üblicherweise mit Alkalien, wie mit Ammoniak oder
Natronlauge bzw. mit Schwefelsäure oder
Fluorwasserstoffsäure eingestellt. Ein pH-Wert unterhalb
1,5 erhöht die Ätzwirkung der Lösung auf Titan oder
Titanlegierungen erheblich und führt zudem zu groben und
wenig haftenden Überzügen. Bei pH-Werten oberhalb 5
erfolgt praktisch keine Überzugsausbildung mehr.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
sieht vor, die Metalloberflächen mit der Lösung bei einer
Temperatur von 40 bis 80°C, vorzugsweise von 45 bis 55°C,
in Kontakt zu bringen und die Behandlungsdauer auf 3 bis
15 min. einzustellen. Wenn die Behandlungstemperatur
unterhalb 40°C liegt, sinkt die Reaktivität der Lösung ab,
während bei höheren Temperaturen als 80°C die Reaktivität
steigt und zu intensiv wird. Beide Fälle sind an sich
unerwünscht bei dem Bestreben, gut haftende Überzüge zu
erhalten.
Es ist zweckmäßig, die Werkstücke nach der Erzeugung des
Konversionsüberzuges gegebenenfalls mehrstufig mit Wasser
zu spülen und zu trocknen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Erzeugung von
Konversionsschichten für Zwecke, für die derartige
Überzüge üblicherweise aufgebracht werden. Von besonderer
Bedeutung ist allerdings die Anwendung des vorliegenden
Verfahrens zur Vorbereitung von Werkstücken aus Titan oder
Titanlegierung für die Kaltumformung. In diesen Fällen
wird im Anschluß an die Konversionsbehandlung ein
Schmiermittel aufgebracht. Besonders geeignete
Schmiermittel sind Molybdändisulfid, Metallseifen,
Preßöle, Wachse, Harze und dergleichen.
Der Vorzug der Erfindung besteht darin, daß einheitliche
und hervorragend haftende Überzüge erhalten werden, die
selbst bei höchsten Ansprüchen, nämlich bei der
Kaltumformung eine hohe Querschnittsreduktion zulassen.
Ein Abblättern des Konversionsüberzuges wird verhindert
und dadurch der Schmiermittelfilm auf der Oberfläche des
umzuformenden Werkstückes fixiert. Durch die Tatsache, daß
der Konversionsüberzug eine Vielzahl feinster Poren
aufweist, ist er als Schmiermittelträgerschicht besonders
geeignet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und
Vergleichsbeispiele näher und beispielsweise erläutert.
Walzdraht aus reinem Titan mit den Abmessungen 5,8 mm
Durchmesser und 5 m Länge wurde blank geglüht und dann
folgendem Arbeitsgang unterworfen:
- - Konversionsbehandlung mit Lösungen der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 bei 52±1°C durch 10 min. langes Tauchen
- - Wasserspülung
- - Heißwasserspülung
- - Schmiermittelbehandlung gemäß Tabelle 2
- - Drahtzug gemäß Tabelle 3
Walzdraht der in Beispiel 1 genannten Beschaffenheit wurde
blank geglüht und dann ohne eine Konversionsbehandlung dem
im Beispiel 1 genannten Verfahrensgang unterworfen.
Walzdraht der in Beispiel 1 genannten Beschaffenheit wurde
auf konventionelle Weise geglüht. Der mit Zunder versehene
Walzdraht wurde anschließend mit Schmiermittel gemäß
Beispiel 1 behandelt.
Der Drahtzug erfolgte unter den tabellierten Bedingungen
wiederholt und wurde abgebrochen sobald
Anfreßerscheinung auftraten.
Walzdraht aus reinem Titan mit den Abmessungen 10,8 mm
Durchmesser und 2 m Länge wurde poliert und danach der
Konversionsbehandlung gemäß Beispiel 1 unterworfen. In
Tabelle 4 sind die Art der Schmiermittelbehandlung und die
erzielten Ergebnisse angegeben.
Walzdraht der vorgenannten Beschaffenheit wurde poliert
und anschließend der in Tabelle 4 angegebenen
Schmiermittelbehandlung unterworfen (Vergleichsbeispiel 3).
Im Falle des Vergleichsbeispiels 4 wurden die Werkstücke
nach der Konversionsbehandlung gemäß Tabelle 1 mit
Schmiermittel entsprechend Tabelle 4 behandelt. Die
Werkstücke beider Vergleichsversuche wurden durch
Kaltstauchen umgeformt. In Tabelle 4 sind die
Schmiermittelbehandlung und die Umformungsergebnisse
zusammengestellt.
Walzdraht aus reinem Titan der Abmessungen 30 mm
Durchmesser und 1 m Länge wurde poliert und danach der
Konversionsbehandlung gemäß Beispiel 1 unterworfen.
Die Schmiermittelbehandlung geschah wie in Tabelle 5
dargestellt.
Walzdraht der vorgenannten Beschaffenheit wurde poliert
und der Konversionsbehandlung gemäß Tabelle 1 unterzogen.
Dann erfolgte eine Schmiermittelbehandlung wie in Tabelle 5
angegeben. Die einzelnen Werkstücke wurden unter jeweils
gleichen Bedingungen durch Kaltstauchen umgeformt. Die Art
der Schmiermittelbehandlung und die Resultate, die bei der
Umformung beobachtet wurden, sind in Tabelle 5
wiedergegeben.
Zylinder der Qualität Ti-3AL-2,5V mit einem Durchmesser
von 2,5 mm und 7 mm Höhe wurden durch Strahlen gereinigt
und danach der Konversionsbehandlung wie im Falle des
Beispiels 1 unterzogen. Schmiermittelbehandlung und
Schmierverhalten sind in Tabelle 6 angegeben.
Das vorgenannte, durch Strahlen gereinigte Material wurde
gemäß Tabelle 1 konversionsbehandelt und der
Schmiermittelbehandlung des Beispiels 2 unterworfen.
Anschließend erfolgte unter jeweils gleichen Bedingungen
die Kaltumformung durch Kaltfließpressen. Die Einzelheiten
sind in Tabelle 6 aufgeführt.
Claims (6)
1. Verfahren zur Erzeugung von Konservierungsüberzügen auf
Oberflächen von Titan oder Titanlegierungen mittels
wäßriger Lösungen, die Fluoridionen und ein oder
mehrere Metallionen aus der Gruppe Magnesium, Kalzium,
Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zink und Molybdän
enthalten, sowie einen pH-Wert oberhalb 1,5 aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberflächen mit
einer Lösung in Kontakt bringt, die
- a) 5 bis 40 g/l Fluorid
- b) Nitrat in einem Gewichtsverhältnis von NO₃ : F wie 0,005 bis 0,2
- c) Sulfat in einem Gewichtsverhältnis von SO₄ : F wie 0,02 bis 0,5
- d) mindestens eines der Metallionen Magnesium, Kalzium, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zink oder Molybdän in einem Gewichtsverhältnis von Me : F wie 0,02 bis 0,5 sowie
- e) wenigstens eine Substanz aus der Gruppe der organischen Chelatbildner mit einer Konzentration von 0,1 bis 2 g/l, wasserlöslichen organischen Polymere mit einer Konzentration von 0,1 bis 10 g/l und Tenside mit einer Konzentration von 0,01 bis 3 g/l
enthält und einen pH-Wert von 1,5 bis 5,0 aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man die Oberflächen mit einer Lösung in Kontakt
bringt, die einen pH-Wert von 2 bis 3,5 aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Oberflächen mit einer
Lösung einer Temperatur von 40 bis 80°C, vorzugsweise
45 bis 55°C, während einer Dauer von 3 bis 15 min. in
Kontakt bringt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Werkstücke nach der
Erzeugung des Konversionsüberzuges gegebenenfalls
mehrstufig mit Waser spült und trocknet.
5. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 4 zur Vorbereitung von Werkstücken aus
Titan oder Titanlegierungen für die Kaltumformung.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: COHAUSZ, W., DIPL.-ING. KNAUF, R., DIPL.-ING. COHA |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |