EP1290243B1 - Verfahren zur beschichtung eines metallischen bauteils - Google Patents

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EP1290243B1
EP1290243B1 EP01940517A EP01940517A EP1290243B1 EP 1290243 B1 EP1290243 B1 EP 1290243B1 EP 01940517 A EP01940517 A EP 01940517A EP 01940517 A EP01940517 A EP 01940517A EP 1290243 B1 EP1290243 B1 EP 1290243B1
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Marita Bauer
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/73—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process
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    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B21B27/06—Lubricating, cooling or heating rolls
    • B21B27/10—Lubricating, cooling or heating rolls externally

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a metallic component with a corrosion protection layer.
  • Fuel savings are especially in the automotive sector increasingly light metal components, eg. B. aluminum or Magnesium used.
  • the components are usually cast, forged, extruded or extruded
  • the metals mentioned and their alloys form one Passivation layer on the surface, taking it under normal climatic conditions protects well against corrosion. Under the influence of corrosion promoting media such as water and Salt, however, these metals are in unacceptable extent attacked corrosively.
  • DE 34 36 846 describes a method for die casting of Light metals, in which for better removal of the component a mold release agent is applied.
  • a mold release agent proposed that metal salts of based on aliphatic carboxylic acids and polyhydric alcohols.
  • the object of the invention is therefore, one opposite the prior art cheaper method for the To provide corrosion protection of light metal components.
  • Light metal components are usually metallic Mold tools using elevated temperatures produced.
  • the molds before the molding process with a mold release agent sprayed.
  • the mold release agent adheres to the surface of the Forming tool and supports the demolding of a molded Component, since the adhesion between the mold and the Component is reduced.
  • the shaping process Commonly used mold release agent is 98% to 99% of water containing between 1% and 2% of an organic Base material based on waxes.
  • the organic Base material of the mold release agent in a surface of the Component burns and significantly reduces corrosion. Under burning here is the emergence of a continuous surface layer during solidification understood the component. This is with the surface of the Component firmly connected and not washable. It has shown that depending on the nature of the basic material Mold release agent with a proportion of organic base material of more than 15% (hereinafter concentrated) Called mold release agent) already acts corrosion inhibiting. The corrosion-inhibiting properties increase with increasing concentration of the mold release agent organic raw material. The best corrosion protection is achieved by the undiluted raw material.
  • the process according to the invention can be used in all shaping processes be applied to light metals in which metallic permanent molds (which may be ceramic or hard metal layers or inserts may have) be used.
  • the molds must during the Forming a temperature of at least 80 ° C, preferably 150 ° C to 400 ° C have a burn-in on the component surface to ensure.
  • molding tools are for this z.
  • the temperature of the mold generally becomes during the molding process at a temperature kept between 150 ° C and 400 ° C. Will that be concentrated Mold release agent on the hot surface of the mold sprayed, so dry the organic materials at least partially on. This has a fixation of the base material to Result and leads to a uniform surface layer on the component surface.
  • the consideration of a Fixing time of up to 30 s is appropriate (claim 5).
  • Particularly suitable for coating by the inventive method are lightweight metal components Aluminum, magnesium, zinc or alloys of these metals (Claim 6).
  • Example 2 shows the use of the method according to the invention for coating a forged component.
  • a housing part for a car accessory from the magnesium alloy AS21 is a corresponding Continuous casting mold with a concentrated mold release agent, the 30% water and 70% organic matter based on glycerol ester, nationwide sprayed.
  • the coating of the component surface by the Mold release agent is continuously after quenching with connected to the surface and solidified, so this ensures permanent corrosion protection. That after the inventive method coated component, and an uncoated, otherwise identical component, was the so-called VDA (Verband Academicr Automobilindustrie) -change test subjected.
  • the VDA change test is taking off a defined series of corrosion tests according to DIN standards together.
  • the components are sprayed with salt for 24 h (according to DIN 50021 SS) and then at 90% relative Humidity a climate change test between 120 ° C and -40 ° C for 96 h (according to DIN 50017 KFW) exposed to and Conclusion under a defined climate at room temperature 48 h held.
  • the visual inspection of the components results in the following:
  • the uncoated component has a surface heavily encrusted with oxides. Fine surface structures are no longer recognizable.
  • the component coated in accordance with the invention remained virtually unchanged; minor surface defects can be recognized only on sharp edges, where the mold release agent was only able to burn into the surface to a lesser extent.
  • a mold release agent is sprayed 85% water and 15% wax Paraffins exists.
  • the mold release agent dries first on the forging tool, resulting in a local fixation of the mold release agent leads.
  • For optimal fixation is a waiting time of about 30 s inserted.
  • An aluminum semi-finished product made of the alloy AlMgSi1 is heated to approx. Preheated 370 ° C and in the forge to a Aluminum component formed in the form of a tension strut. While During the forming process a part of the wax constituent burns of the mold release agent into the surface of the aluminum component on. On the surface of the mold remains sufficient Wax back to ensure removal of the component.
  • Example 1 By coating the aluminum surface with According to the invention baked wax this is from corrosion protected.
  • the component is a corrosion test analogous to from Example 1 subjected. A comparison with one uncoated component of the same design shows the same Result as in Example 1.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils mit einer Korrosionsschutzschicht.
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 Legierungen 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 hingegen in nicht vertretbaren Maße korrosiv angegriffen.
Zahlreiche Maßnahmen zur Beschichtung von Leichtmetallen insbesondere von Magnesium wurden hiergegen entwickelt. Ein gebräuchliches Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes auf Leichtmetallen besteht in der elektrolytischen Beschichtung, wie sie z. B. in der EP 33 048 B1 beschrieben wird. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht hingegen in der aufwendigen und teueren nachträglichen Beschichtung der Bauteile.
Die DE 34 36 846 beschreibt ein Verfahren zum Druckgießen von Leichtmetallen, bei dem zum besseren Entformen des Bauteils ein Formtrennmittel angewendet wird. Zur Vermeidung eines Anhaften des Formtrennmittels an dem erzeugten Bauteil wird ein Formtrennmittel vorgeschlagen, dass Metallsalzen von aliphatischen Karbonsäuren und mehrwertigen Alkoholen basiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein gegenüber des Standes der Technik kostengünstigeres Verfahren für den Korrosionsschutz von Leichtmetallbauteilen bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe besteht aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Leichtmetallbauteile werden in der Regel in metallischen Formwerkzeugen unter Anwendung erhöhter Temperaturen hergestellt. Bei diesen Verfahren werden die Formwerkzeuge vor dem Formgebungsprozess mit einem Formtrennmittel besprüht. Das Formtrennmittel haftet an der Oberfläche des Formwerkzeuges und unterstützt das Entformen eines geformten Bauteils, da die Haftung zwischen dem Formwerkzeug und dem Bauteil herabgesetzt wird. Das im Formgebungsprozess üblicherweise verwendete Formtrennmittel besteht zu 98 % bis 99 % aus Wasser, das zwischen 1 % und 2 % eines organischen Grundstoffs auf der Basis von Wachsen enthält.
Erfindungsgemäß wurde bei der Verwendung von konzentrierten Formtrennmitteln festgestellt, dass sich der organische Grundstoff des Formtrennmittels in eine Oberfläche des Bauteils einbrennt und deutlich korrosionshemmend wirkt. Unter Einbrennen wird hierbei das Entstehen einer kontinuierlichen Oberflächenschicht während des Erstarrens des Bauteils verstanden. Diese ist mit der Oberfläche des Bauteils fest verbunden und nicht abwaschbar. Es hat sich gezeigt, dass je nach Art des Grundstoffes ein Formtrennmittel mit einem Anteil an organischem Grundstoff von mehr als 15 % (im Folgenden konzentriertes Formtrennmittel genannt) bereits korrosionshemmend wirkt. Die korrosionshemmenden Eigenschaften verstärken sich mit zunehmender Konzentration des Formtrennmittels an organischem Grundstoff. Der beste Korrosionsschutz wird durch den unverdünnten Grundstoff erzielt.
Zur Reduktion von Prozesskosten ist es möglich, dass das Formwerkzeug nur teilweise mit konzentriertem Formtrennmittel besprüht wird, wogegen die anderen Bereiche mit herkömmlichen, verdünnten Formtrennmittel behandelt werden. Dies führt natürlich lediglich zu einem partiellen Korrosionsschutz und kann dann angewendet werden, wenn nur bestimmte Bauteilbereiche korrosiven Medien ausgesetzt sind.
Es handelt sich demnach bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine in situ Beschichtung des Bauteils. Es wird zwar zur Herstellung des Bauteils eine geringfügig größere Menge an organischem Grundstoff für das Formtrennmittel benötigt, die Kosten für den Grundstoff sind jedoch vergleichsweise gering. Es muss in diesem Verfahren kein weiterer Beschichtungsprozess eingeführt werden und es werden keine weiteren Zusatzstoffe dem Prozess zugeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei allen Formgebungsverfahren für Leichtmetalle angewendet werden, bei denen metallische Dauerformwerkzeuge (die ggf. keramische oder hartmetallische Schichten oder Einsätze aufweisen können) eingesetzt werden. Die Formwerkzeuge müssen während des Formprozesses eine Temperatur von mindestens 80°C, bevorzugt 150°C bis 400°C aufweisen um ein Einbrennen auf der Bauteiloberfläche zu gewährleisten. Als Formwerkzeuge sind hierfür z. B. Dauergießformen, Presswerkzeuge, Schmiedewerkzeuge, Walzwerkzeuge, Zugwerkzeuge, Extrudierwerkzeuge oder Strangpresswerkzeuge geeignet. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Bauteilen, die durch Gießen in Dauergießformen oder durch Schmieden in Schmiedewerkzeugen dargestellt werden (Ansprüche 2 u. 3).
Die besten Ergebnis bezüglich des Korrosionsschutzes werden erzielt, wenn der organische Grundstoff auf der Basis von Wachsen besteht. Hierzu gehören Paraffine und gesättigte Fettsäuren aus Glycerinester. Diese Grundstoffe brennen sich besonders gut in die Gießhaut des Bauteils ein, ohne dass eine Zersetzung stattfindet.
Durch eine Zersetzung der Grundstoffe würde der Korrosionsschutz beeinträchtigt werden. Zur Vermeidung einer Zersetzung des organischen Grundstoffes auf der Bauteiloberfläche ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig, das Bauteil direkt nach der Formgebung in Wasser abzuschrecken (Anspruch 4).
Die Temperatur des Formwerkzeuges wird im Allgemeinen während des Formgebungsprozesses auf einer Temperatur zwischen 150° C und 400° C gehalten. Wird das konzentrierte Formtrennmittel auf die heiße Oberfläche des Formwerkzeuges gesprüht, so trocknen die organischen Grundstoffe zumindest teilweise an. Dies hat eine Fixierung des Grundstoffes zur Folge und führt zu einer gleichmäßigen Oberflächenschicht auf der Bauteiloberfläche. Die Berücksichtigung einer Fixierzeit von bis zu 30 s ist hierbei zweckmäßig (Anspruch 5).
Besonders geeignet zur Beschichtung durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Leichtmetallbauteilen aus Aluminium, Magnesium, Zink oder Legierungen dieser Metalle (Anspruch 6).
Die einzige Figur zeigt den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand eines Gießprozesses, der im Beispiel 1 näher beschrieben ist. Beispiel 2 beschreibt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschichtung eines geschmiedeten Bauteils.
Beispiel 1
Zur Herstellung eines Gehäuseteils für ein Pkw-Nebenaggregat aus der Magnesiumlegierung AS21 wird eine entsprechende Dauergießform mit einem konzentrierten Formtrennmittel, das zu 30 % aus Wasser und 70 % aus einem organischen Grundstoff auf der Basis von Glycerinester besteht, flächendeckend aufgesprüht.
Nach einer Wartezeit von ca. 15 s ist das Wasser des Formtrennmittels großenteils verdampft und der organische Grundstoff auf der Dauergießform, die auf ca. 250° C temperiert wird, fixiert. Anschließend wird die Dauergießform mit der geschmolzenen Magnesiumlegierung (Magnesiumschmelze), die eine Temperatur von 650° C aufweist, unter Druck befüllt. Das Formtrennmittel, das auf der Oberfläche der Dauergießform 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 der Dauergießform eine Gießhaut aus, die nach dem Entformen die Oberfläche des Bauteils bildet. Während des Erstarrens lösen sich Teile des fixierten Trennmittels und brennen sich in die Gießhaut ein. Hierbei wird die chemische Struktur des Formtrennmittels nicht nachhaltig geschädigt. Zur Verhinderung einer Zersetzung des eingebrannten Formtrennmittels während einer längeren Abkühlphase wird das Bauteil in Wasser abgeschreckt.
Die Beschichtung der Bauteiloberfläche durch das Formtrennmittel ist nach dem Abschrecken kontinuierlich mit der Oberfläche verbunden und verfestigt, so dass dieses einen dauerhaften Korrosionsschutz gewährleistet. Das nach dem erfindungsgemäße Verfahren beschichtete Bauteil, sowie ein unbeschichtetes, ansonsten identisches Bauteil, wurde dem sogenannten VDA(Verband Deutscher Automobilindustrie)-Wechseltest unterzogen. Der VDA-Wechseltest setzt sich aus einer definierten Reihe von Korrosionstests nach DIN-Normen zusammen. Hierbei werden die Bauteile 24 h mit Salz besprüht (nach DIN 50021 SS) und anschließend bei 90 % relativer Luftfeuchtigkeit einem Klimawechseltest zwischen 120° C und -40° C für 96 h (nach DIN 50017 KFW) ausgesetzt und zum Abschluss unter einem definiertem Klima bei Raumtemperatur 48 h gehalten.
Die Sichtprüfung der Bauteile ergibt folgendes:
Das unbeschichtete Bauteil weist eine stark durch Oxide verkrustete Oberfläche auf. Feine Oberflächenstrukturen sind nicht mehr zu erkennen. Das erfindungsgemäß beschichtete Bauteil hingegen blieb nahezu unverändert, geringfügige Oberflächendefekte sind lediglich an scharfen Kanten zu erkennen, dort wo das Formtrennmittel nur in geringerem Ausmaß in die Oberfläche einbrennen konnte.
Beispiel 2
Auf ein Schmiedewerkzeug, dass eine Oberflächentemperatur von 200°C aufweist, wird ein Formtrennmittel gesprüht, dass zu 85 % aus Wasser und zu 15 % aus Wachsen auf der Basis von Paraffinen besteht. Das Formtrennmittel trocknet zunächst auf dem Schmiedewerkzeug ein, was zu einer lokalen Fixierung des Formtrennmittels führt. Zur optimalen Fixierung wird eine Wartezeit von ca. 30 s eingelegt.
Ein Aluminiumhalbzeug aus der Legierung AlMgSi1 wird auf ca. 370°C vorgewärmt und in dem Schmiedewerkzeug zu einem Aluminiumbauteil in Form einer Zugstrebe umgeformt. Während des Umformprozesses brennt ein Teil des Wachsbestandteiles des Formtrennmittels in die Oberfläche des Aluminiumbauteils ein. Auf der Oberfläche des Formwerkzeuges bleibt genügend Wachs zurück um das Entformen des Bauteils zu gewährleisten.
Es folgt ein Lösungsglühen des Bauteils bei 550°C für 6 h an Luft. Durch diese Temperaturbehandlung erfolgte einer weiteres vertieftes Einbrennen des Wachses in die Oberfläche, wodurch die Wirkungsweise der Beschichtung noch verbessert werden konnte. Eine Zersetzung des Wachses konnte bei dieser Temperaturbehandlung nicht beobachtet werden.
Durch die Beschichtung der Aluminiumoberfläche mit erfindungsgemäß eingebrannten Wachs ist diese vor Korrosion geschützt. Das Bauteil wird einem Korrosionstest analog dem aus Beispiel 1 unterzogen. Ein Vergleich mit einem unbeschichteten Bauteil der selben Bauart zeigt das selbe Ergebnis wie in Beispiel 1.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Beschichtung eines Leichtmetallbauteils mit einer Korrosionsschutzschicht, wobei
    ein metallisches Formwerkzeug mindestens teilweise mit konzentriertem Formtrennmittel besprüht wird,
    das konzentrierte Formtrennmittel mindestens 15 % organische Grundstoffe auf der Basis von Wachsen aufweist,
    das Bauteil in dem metallischen Formwerkzeug geformt wird,
    wobei das Formgebungswerkzeug während der Formgebung eine Temperatur zwischen 150°C und 400°C aufweist,
    das konzentrierte Formtrennmittel während des Formprozesses des Bauteils in eine Oberfläche des Bauteils eingebrannt wird und
    hierdurch eine korrosionshemmende kontinuierliche Oberflächenschicht auf dem Bauteil gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Formwerkzeug eine Dauergießform, ein Schmiedewerkzeug, ein Presswerkzeug, ein Walzwerkzeug, ein Zugwerkzeug, ein Extrudierwerkzeug oder ein Strangpresswerkzeug verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Formgebungswerkzeug während der Formgebung eine Temperatur zwischen 150°C und 250°C aufweist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Leichtmetallbauteil direkt nach der Formgebung abgeschreckt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Formwerkzeug vor und während des Formgebungsvorgang beheizt wird und das Formtrennmittel auf dem Formwerkzeug mindestens teilweise antrocknet.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil aus Aluminium, Magnesium, Zink oder aus Legierungen dieser Metalle besteht.
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