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Die
Erfindung betrifft ein wälzbeanspruchtes Bauteil mit einer
Oberfläche, die wenigstens bereichsweise als eine Eisenoxidschicht
ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Oberflächenbehandlung von wälzbeanspruchten
Bauteilen.
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Aus
der
DE 23 29 576 ist
ein Verfahren zur Oberflächenverbesserung von Wälzkörpern
bzw. -kugeln und/oder Laufbahnen von homokinetischen Gelenken bzw.
Wälzlagern bekannt, bei dem die zu behandelten Gegenstände
in einem wässrigen Entfettungsbad mit einem pH-Wert von
7 bis 10 entfettet werden. Anschließend erfolgt eine Spülung
mit kaltem Leitungswasser und dann eine Behandlung 15 Minuten lang
bei einer Temperatur von 128°C bis 135°C in einer
gesättigten wässrigen Lösung einer Salzmischung
aus 80 bis 90 Gew.-% Natriumhydroxid, 5 bis 15 Gew.-% Natriumnitrit
und 3 bis 10 Gew.-% Natriumhydrogenphosphat.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, im Bereich der Oberfläche
eines wälzbeanspruchten Bauteils eine Eisenoxidschicht
derart auszubilden, dass das Bauteil gute tribologische Eigenschaften
aufweist, welche die Bedingungen in der Einlaufphase des Bauteiles
günstig gestalten und die chemische Widerstandsfähigkeit
sowie die Lebensdauer des Bauteiles verlängern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein walzbeanspruchtes Bauteil mit der Merkmalskombination
des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil weist eine Oberfläche
auf, die wenigstens bereichsweise als eine Eisenoxidschicht ausgebildet
ist, wobei die Eisenoxidschicht wenigstens 99 Gew.-% Eisenoxid in Form
einer Verbundstruktur mit der Summenformel Fe3O4 und maximal 0,5 Gew.-% freies Eisenoxid
der Summenformel Fe2O3,
das kein Bestandteil der Verbundstruktur ist, enthält und
flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
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Eine
derart ausgebildete Eisenoxidschicht besitzt eine sehr feine gleichmäßige
Struktur, ist sehr dicht und verfügt über eine
hohe Resistenz gegen mechanische und chemische Einwirkungen. Demgemäß weist
das Bauteil im Bereich der Eisenoxidschicht gute mechanische und
chemische Eigenschaften auf. Außerdem weist das Bauteil
im Bereich der Eisenoxidschicht eine niedrige Oberflächenenergie
und gute Benetzungseigenschaften gegenüber Schmiermitteln
auf.
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Insbesondere
weist das Bauteil einen geringen Verschleiß auf. Beispielsweise
ergibt ein Abriebtest mit einem weißen Baumwolltuch unter
hoher Kraft keinen Abrieb. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
das Bauteil im Bereich der Eisenoxidschicht gute tribologische Eigenschaften
aufweist. Insbesondere bewirkt die Eisenoxidschicht, dass der Temperaturanstieg,
der durch den mit einer Wälzbewegung in der Regel einhergehenden
Gleitanteil verursacht wird, gering ausfällt. Ebenso werden
Sekundärschäden der noch ungeglätteten
Oberflächen beim Einlaufen der Bauteile vermieden.
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Durch
die flüssigkeitsdichte Ausbildung der Eisenoxidschicht
ist das Bauteil vor der Einwirkung von Säuren und Laugen
sowie von Phosphor- und Schwefelverbindungen geschützt,
da Flüssigkeiten und die darin enthaltenen Stoffe nicht
bis zum Stahl unter der Eisenoxidschicht vordringen können.
Der Schutz vor einer Einwirkung von Phosphor- und Schwefelverbindungen
ist insbesondere beim Einsatz des Bau teils zusammen mit einem Schmiermittel von
Vorteil, da Schmiermittel mitunter Additive aufweisen, die Phosphor-
und Schwefelverbindungen enthalten.
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Die
Zusammensetzung der Eisenoxidschicht kann beispielsweise mittels
Mössbauerspektroskopie nachgewiesen werden. Die flüssigkeitsdichte
Ausbildung der Eisenoxidschicht kann mittels eines Kupfersulfat-Tests
nachgewiesen werden, bei dem nach einer einminütigen, in
der Regel sogar nach einer fünfminütigen, Einwirkung
einer 5%-Kupfersulfatlösung bei einer 10-fachen Vergrößerung
noch keine rot gefärbten Bereiche erkennbar sind.
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Die
Eisenoxidschicht kann insbesondere so ausgebildet sein, dass sie
kein freies Eisenoxid der Summenformel Fe2O3 enthält.
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Die
Verbundstruktur enthält vorzugsweise Eisenoxid der Summenformel
Fe2O3 und Eisenoxid der
Summenformel FeO in einem Stöchiometrieverhältnis
von 1:1.
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Das
Bauteil kann als ein Wälzlagerbauteil ausgebildet sein.
Insbesondere kann das Bauteil aus einem niedrig legierten Stahl
gefertigt sein. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Bauteil aus
einem durchhärtenden Stahl gefertigt ist. Besonders geeignet
ist ein Wälzlagerstahl, beispielsweise ein Stahl der Sorte
100Cr6.
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Die
Eisenoxidschicht weist vorzugsweise eine Dicke von maximal 1 μm,
insbesondere maximal 0,75 μm, auf. Eine derart dünne
Eisenoxidschicht hat den Vorteil, dass die Maßhaltigkeit
des Bauteils kaum beeinträchtigt wird.
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Die
Eisenoxidschicht kann fein polykristallin ausgebildet sein und eine
Vielzahl von Oxidationszellen aufweisen, wobei das arithmetische
Mittel der Erstreckung der einzelnen Oxidationszellen senkrecht zur
Oberfläche des Bauteils größer ist als
das arithmetische Mittel der Erstreckung der einzelnen Oxidationszellen
parallel zur Oberfläche des Bauteils. Auf diese Weise lässt
sich eine sehr gleichmäßige und geschlossene Oberflächenstruktur
ausbilden.
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Ebenso
ist es möglich, dass die Eisenoxidschicht makrostrukturell
amorph ausgebildet ist. Dies bewirkt ebenfalls eine geschlossene
Oberflächenstruktur. Die Unterscheidung zwischen amorph
und feinkristallin hängt von der Betrachtungsgrössenordnung
ab. Gegenüber beispielsweise einer Phosphatschicht vermittelt
die Brünierung einen amorphen Eindruck. Bei wesentlich
feinerer Betrachtung ist sie innerhalb ihrer Mikrostruktur jedoch
geordnet und daher im engsten Sinne nicht amorph. Die magnetischen
Eigenschaften des Werkstückes bleiben dennoch nahezu unverändert.
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Das
Bauteil kann einen vor Ausbildung der Eisenoxidschicht geschliffenen
oder gehonten Oberflächenbereich aufweisen, wobei nach
Ausbildung der Eisenoxidschicht innerhalb dieses Oberflächenbereichs
durch das Schleifen oder Honen verursachte Bearbeitungsspuren sichtbar
sein können. Dies sind Kratzer, welche durch Abrasivkörner
in der Feinbearbeitung verursacht wurden. Dabei ist es nicht erforderlich,
dass die Oberfläche vor der Beobachtung der Kratzer abgewischt
wird, da an der Oberfläche keine lockeren Beläge
anhaften. Insbesondere kann von der Bearbeitung des Schleifens oder
Honens wenigstens ein Kratzer pro 5 μm sichtbar sein. Dies
bedeutet, dass das Bauteil ein Oberflächenprofil aufweisen
kann, das bereits weitgehend vor der Ausbildung der Eisenoxidschicht
vorhanden ist und durch die Eisenoxidschicht nur geringfügig
verändert wird. Der Nachweis der Kratzer kann insbesondere
mittels eines Rasterelektronenmikroskops erfolgen.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung
von wälzbeanspruchten Bauteilen aus einem niedrig legierten Stahl.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Bauteile
in ein erstes Behandlungsbad eingetaucht, das eine Nitrit-Konzentration
von wenigstens 80 g/l aufweist und verbleiben für eine
erste Zeitspanne von maximal 5 Minuten im ersten Behandlungsbad.
Das erste Behandlungsbad wird für den überwiegenden
Teil der ersten Zeitspanne auf einer ersten Temperatur gehalten,
die zwischen 132°C und 137°C, vorzugsweise zwischen
132°C und 135°C, beträgt. Unmittelbar
nach Ablauf der ersten Zeitspan ne werden die Bauteile aus dem Behandlungsbad entnommen.
Der Mindestwert von 80 g/l für die Nitrit-Konzentration
bezieht sich ausschließlich auf das Nitrit selbst und enthält
nicht das in der Nitritverbindung vorhandene Metall. Unter Einbeziehung
des Metalls ergäbe sich beispielsweise für Natriumnitrit ein
Mindestwert von 120 g/l.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass
damit eine sehr hochwertige Eisenoxidschicht mit einer genau vorgegebenen
Zusammensetzung und genau definierten Eigenschaften erzeugt werden
kann. Die vergleichsweise hohe Konzentration des Oxidationsmittels
Nitrit in Verbindung mit der vergleichsweise niedrigen Badtemperatur
hat den Vorteil, dass eine große Zahl von Oxidationskeimen
ausgebildet wird. Dies stellt eine günstige Voraussetzung
für die Ausbildung einer sehr dichten Schicht ohne Lücken
dar. Insbesondere kann auf dieser Basis eine flüssigkeitsdichte
Schicht ausgebildet werden.
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Außerdem
führt die hohe Nitrit-Konzentration zu einer entsprechend
geringeren Hydroxidkonzentration und somit zu einer weniger aggressiven
und eher milden Einstellung des ersten Behandlungsbades. Infolge
der milden Einstellung des ersten Behandlungsbades wird die Oberfläche
der Bauteile kaum angegriffen, so dass die Oberflächentopographie
weitgehend erhalten bleibt. Dies ist insbesondere bei sehr maßhaltig
gefertigten Bauteilen und bei Bauteilen mit einem qualitativ hochwertigen
Oberflächenfinish von Vorteil. Weiterhin wird beim erfindungsgemäßen
Verfahren ein Hydrolysierungsüberschuss vermieden. Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass kein Korngrenzenangriff erfolgt.
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Bei
den Bauteilen kann es sich insbesondere um Wälzlagerbauteile
handeln. Diese weisen häufig Druckeigenspannungen auf,
so dass der Spannungsrisskorrosion beim Brünieren dieser
Werkstücke wenig Bedeutung zukommt.
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Die
Bauteile können vor dem Eintauchen in das erste Behandlungsbad
entfettet werden. Dadurch wird vermieden, dass sich Öl-
oder Fettreste negativ auf die er zielbare Qualität der
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildeten
Eisenoxidschicht auswirken. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass
die Bauteile vor dem Eintauchen in das erste Behandlungsbad auf
eine Anwärmtemperatur von wenigstens 80°C angewärmt
werden. Dies hat den Vorteil, dass ein unzulässig starkes
Absinken der ersten Temperatur des ersten Behandlungsbads vermieden
wird. Die Spülenfolge wird zur Vermeidung der Lochkorrosion
rasch durchlaufen. Vorzugsweise wird das erste Behandlungsbad für
den überwiegenden Teil der ersten Zeitspanne im Siedepunkt
betrieben.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass das erste Behandlungsbad Nitrit in Form
von Natriumnitrit aufweist. Im ersten Behandlungsbad kann außerdem eine
Nitrat-Konzentration eingestellt werden, die maximal einem Viertel
der Nitrit-Konzentration entspricht. Zudem können dem ersten
Behandlungsbad Phosphatpuffer zugesetzt werden.
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Für
die erste Zeitspanne wird ein Wert von vorzugsweise maximal 3 Minuten
gewählt. Diese vergleichsweise kurze Zeitspanne ist für
einen „Primarangriff" der Oberfläche der Bauteile
und für die Bildung der Oxidationskeime in der Regel ausreichend
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Bauteile nach der Entnahme aus dem
ersten Behandlungsbad in ein zweites Behandlungsbad eingetaucht
werden, für eine zweite Zeitspanne im zweiten Behandlungsbad
verbleiben und unmittelbar nach Ablauf der zweiten Zeitspanne aus
dem zweiten Behandlungsbad entnommen werden. Durch die Verteilung
der Behandlung auf zwei Bäder kann eine qualitativ hochwertige
Eisenoxidschicht mit genau vorgegebenen Parameter ausgebildet werden.
Unter Zugrundelegung der im ersten Behandlungsbad erzeugten engen
Verteilung von Oxidationskeimen auf der Oberfläche der
Bauteile kann das zweite Behandlungsbad im Hinblick auf das Schichtwachstum
optimiert werden. Hierzu kann eine Reihe von Maßnahmen
ergriffen werden:
Das zweite Behandlungsbad kann für
den überwiegenden Teil der zweiten Zeitspanne auf einer
zweiten Temperatur gehalten werden. Die zweite Zeitspanne kann größer
als die erste Zeitspanne gewählt werden. Insbesondere kann
die zweite Zeitspanne wenigstens doppelt so groß wie die
erste Zeitspanne gewählt werden. Beispielsweise kann für
die zweite Zeitspanne ein Wert von wenigstens 12 Minuten gewählt
werden. Durch die vergleichsweise lange zweite Zeitspanne verbleibt
ausreichend Zeit für ein gleichmäßiges
Schichtwachstum.
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Die
zweite Temperatur wird vorzugsweise höher als die erste
Temperatur eingestellt. Insbesondere wird die zweite Temperatur
um 3 K bis 5 K höher eingestellt als die erste Temperatur.
Der Temperaturunterschied ermöglicht eine verbesserte Haftfestigkeit.
Beispielsweise wird die zweite Temperatur auf einen Wert von maximal
140°C eingestellt. Ebenso ist es auch möglich,
dass die zweite Temperatur auf einen Wert von maximal 138°C
eingestellt wird.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass im zweiten Behandlungsbad eine höhere
Nitrit-Konzentration eingestellt wird als im ersten Behandlungsbad.
Beispielsweise kann im zweiten Behandlungsbad eine Nitrit-Konzentration
zwischen 140 g/l und 170 g/l eingestellt werden. Die hohe Konzentration des
Oxidationsmittels Nitrit wirkt sich positiv auf die Qualität
des Schichtwachstums aus. Da bereits durch die Behandlung im ersten
Behandlungsbad der Primärangriff der Oberfläche
erfolgte und nunmehr Oxidationskeime in großer Zahl vorhanden
sind, kann das zweite Behandlungsbad im Hinblick auf das Schichtwachstum
optimiert werden und der Aspekt der Bildung von Oxidationskeimen
unberücksichtigt bleiben. Demgemäß ist
eine mildere Badeinstellung mit einem höheren Anteil an
Oxidationsmittel und somit niedrigerem Anteil an Hydroxid möglich.
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Um
möglichst optimale Reaktionsbedingungen zu schaffen, können
die Bauteile während der Behandlung im ersten Behandlungsbad
und/oder während der Behandlung im zweiten Behandlungsbad
mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 20 cm/min bewegt werden.
Dadurch wird erreicht, dass die Oberfläche der Bauteile
fortwährend mit frischem Badmedium versorgt wird.
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Nach
der Entnahme der Bauteile aus dem zweiten Behandlungsbad und Spülen
der Bauteile kann ein Dewatering Fluid auf die Bauteile aufgebracht
werden. Dadurch wird ein verbesserter Korrosionsschutz erzielt.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass nach jedem der Brünierbäder
eine gekühlte Spüle zum Beenden der Oberflächenreaktion
angefahren wird, deren Temperatur unter 65°C, insbesondere
unter 50°C, gehalten wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
insgesamt eine Oberflächenbehandlung mit einer sehr geringen
Oxidationstiefe und einem geringen Oberflächenangriff.
Die milde Einstellung der Behandlungsbäder erfordert die
Absenkung des Hydroxidgehalts und somit eine Zunahme des Oxidationsmittelanteils,
was der intensiven Keimbildung und Ausbildung einer dichten Primärschicht
zuträglich ist. Allerdings beschleunigt ein erhöhter
Oxidationsmittelgehalt die Reaktionsgeschwindigkeit und fördert bei
längerer Einwirkzeit die Bildung dicker Schichten, die
sich von amorph bis feinkristallin nach amorph bis grobkörnig
wandeln, was ungünstig ist. Bei noch höherem Oxidationsmittelgehalt
wird trotz hoher Reaktionsgeschwindigkeit hingegen durch Passivierung der
Schichtdickenaufbau wieder herabgesetzt und auf dünne Werte
vergleichmäßigt. Daher muss der Oxidationsmittelgehalt
sehr hoch gewählt werden und der für eine gleichmäßige
Schicht ungünstigen Reaktionsgeschwindigkeitserhöhung
muss durch Absenkung der Radtemperatur auf möglichst niedrige
Werte begegnet werden, welche die Reaktion verlangsamen. Bei einem
Betrieb der Behandlungsbäder im Siedepunkt ist die Absenkung
der Radtemperatur gleichbedeutend mit einem Absenken der Konzentration,
was wiederum dem milden Angriff und der dünnen Schicht
zugute kommt. Die Entstehung einer Oxidschicht beginnt im Allgemeinen
für Wälzlagerstähle bei ca. 130°C,
so dass das erste und zweite Behandlungsbad wenigstens diese Temperatur
aufweisen sollten.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit
ein sehr hoher Oxidationsmittelanteil verwendet und die dabei sonst
auftretende hohe Reaktionsgeschwindigkeit, intensive Schichtbildung
und braune Überoxidation durch starke Überhöhung
des Oxidationsmittelanteiles und gleichzeitige Absenkung der Temperatur
und der Konzentration verhindert, so dass sich eine dünne
Schicht reines Fe3O4 in bester
tiefschwarzer Qualität bildet.
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Um
die unterschiedlichen Mechanismen bei erster Anoxidation und späterer
Durchoxidation optimal steuern zu können, wird der Prozess
auf zwei Behandlungsbäder aufgeteilt. Dadurch wird, bei
gegenüber dem ersten Behandlungsbad leicht erhöhter Temperatur
des zweiten Behandlungsbads, auch die Haftfestigkeit der Oxidschicht
erhöht.
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Im
Ergebnis wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
eine Eisenoxidschicht in einer Dicke ausgebildet, die üblicherweise
mit in der DIN-Norm 50938 näher spezifizierten
Einbadverfahren erzielt wird. Die Auslegung als Zweibadverfahren
ermöglicht jedoch die Erzielung einer besseren Schichtqualität
als bei einem Einbad-Verfahren.
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Die
Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren können
wälzbeanspruchte Bauteile aus einem niedrig legierten Stahl,
insbesondere aus einem Wälzlagerstahl, vor allem aus einem
durchhärtenden Wälzlagerstahl, behandelt werden.
Beispielsweise können die Bauteile aus einem Stahl mit
der Bezeichnung 100Cr6 hergestellt sein. Dieser Stahl enthält,
bezogen auf seine Masse, 0,93 bis 1,05% Kohlenstoff, 1,35 bis 1,60%
Chrom, 0,25 bis 0,45% Mangan, 0,15 bis 0,35% Silizium und bis zu
0,1% Molybdän. Der Phosphorgehalt beträgt maximal
0,025%, der Schwefelgehalt maximal 0,015%. Außerdem können herstellungsbedingt
noch kleine Mengen an weiteren Elementen enthalten sein.
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Unter
wälzbeanspruchten Bauteilen sind Bauteile zu verstehen,
die bei ihrem bestimmungsgemäßen Gebrauch einer
Wälzbeanspruchung ausgesetzt sind. Eine Wälzbeanspruchung
tritt auf, wenn ein Bauteil auf einer Unterlage abrollt, wobei ein
berührender Kontakt zwischen der Oberfläche des
Bauteils und der Unterlage ausgebildet ist. Wälzbeanspruchte
Bauteile können beispielsweise Lagerbauteile wie Lagerringe
oder Wälzkörper sein.
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Vor
der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Bauteile in ihren Endabmessungen hergestellt,
d. h. durch das erfindungsgemäße Verfahren wird
die Maßhaltigkeit der Bauteile nicht nennenswert beeinflusst.
Die geringe Volumenszunahme bei der Oxidation des Eisens steht bei sehr
dünnen Schichten nahezu im Gleichgewicht mit einer leichten
Anlösung der Oberfläche, so dass höchstens
submikrometrische Massunterschiede auftreten können. Weiterhin
wird vor der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei den Bauteilen eine gewünschte Oberflächentopographie ausgebildet.
Dies kann beispielsweise durch Schleifen oder Honen erfolgen. Die
Oberflächentopographie der Bauteile wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
lediglich in einem geringen Ausmaß verändert.
Bei der vorausgehenden Oberflächenbehandlung erzeugte Bearbeitungsspuren,
beispielsweise in Form von Kratzern, sind wenigsten zum überwiegenden
Teil auch noch im Anschluss an die Behandlung der Werkstücke
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorhanden.
Dies bedeutet, dass nach der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens quer zur Hauptbearbeitungsrichtung der vorausgehenden
Oberflächenbehandlung typischer Weise noch wenigstens ein
durch spanende Bearbeitung mit Abrasivkorn erzeugter Kratzer pro
5 um sichtbar ist. Die Kratzerdichte kann durch Betrachtung der Oberfläche
mit einem Rasterelektronenmikroskop ermittelt werden, wobei die
unmittelbar mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugte Eisenoxidschicht beobachtet wird, die zuvor nicht durch
Abwischen von etwaigen Belägen befreit wird. Die mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Eisenoxidschicht
zeigt bei unverschmutztem Bad keinen Abrieb, wenn das behandelte
Bauteil mit einem Lappen abgewischt wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird im Bereich
der Oberfläche der Bauteile eine Eisenoxidschicht ausgebildet.
Die Eisenoxidschicht kann vollflächig ausgebildet werden
oder sich lediglich über einen Teilbereich der Oberfläche
der Bauteile erstrecken und eine Dicke von bis zu 2,0 μm
aufweisen. Insbesondere werden jedoch dünnere Eisenoxidschichten
unterhalb von 0,75 oder sogar unterhalb von 0,65 μm ausgebildet.
Die Mindestdicke der Eisenoxidschicht beträgt ca. 0,4 μm.
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Die
Eisenoxidschicht weist eine Verbundstruktur mit einer Zusammensetzung
gemäß der Summenformel Fe3O4 auf. Fe3O4 besitzt eine inverse Spinellstruktur, wobei
die Sauerstoffionen in kubisch dichtester Packung vorliegen. Eine
Elementarzelle weist acht Formeleinheiten Fe3O4 auf. Demgemäß sind pro
Elementarzelle 56 Atome vorhan den und gemäß der
Struktur A8B16O32 bzw. Fe(III)[Fe(II)Fe(III)]O4 angeordnet. Fe(III)
bedeutet dabei dreiwertiges, Fe(II) zweiwertiges Eisen. In der Elementarzelle
sind 32 Positionen mit Sauerstoffionen besetzt. 16 Positionen sind
mit Eisenionen in einer tetraedrischen Sauerstoffumgebung und 8
Positionen mit Eisenionen in einer oktaedrischen Sauerstoffumgebung
besetzt.
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Die
Stöchiometrie des Fe3O4 ist
in der Eisenoxidschicht sehr genau eingehalten. Insbesondere weist
die Eisenoxidschicht kein freies Fe2O3 oder allenfalls Spuren von freiem Fe2O3 unterhalb von
0,5 Gew.-% auf. Als freies Fe2O3 wird
im Folgenden Fe2O3 bezeichnet,
das kein Bestandteil der Verbundstruktur mit der Summenformel Fe3O4 ist. In freien Fe2O3 ist das Eisen
stärker oxidiert als im Fe3O4. Auch sonstige Stoffe können allenfalls
in sehr geringen Mengen in der Eisenoxidschicht vorhanden sein, so
dass der Anteil der Fe3O4-Verbundstruktur
an der Eisenoxidschicht wenigstens 99 Gew.-% beträgt. Freies
FeO kann zwar im Prinzip in geringen Mengen in der Eisenoxidschicht
vorhanden sein, ist jedoch nicht stabil und daher allenfalls während
der Herstellung der Eisenoxidschicht zu beobachten. Als freies FeO
wird im Folgenden FeO bezeichnet, das kein Bestandteil der Verbundstruktur
mit der Summenformel Fe3O4 ist.
Im freien FeO ist das Eisen weniger stark oxidiert als im Fe3O4.
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Die
vorstehenden Angaben beziehen sich auf eine Betrachtung des Fe3O4 als ein einheitliches Eisenoxid,
bei dem das Eisen teils als Fe2+-Ionen, teils
als Fe3+-Ionen vorliegt.
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Mitunter
wird Fe3O4 auch
als ein Mischoxid aus FeO und Fe2O3 betrachtet, wobei die Anteile von FeO und
Fe2O3 durch die
Stöchiometrie des Fe3O4 vorgegeben
sind und demgemäß FeO und Fe2O3 gleich häufig vorkommen. Das Gewichtsverhältnis von
FeO zu Fe2O3 im
Fe3O4 kann unter
Berücksichtigung der Atommassen von Eisen und Sauerstoff
ermittelt werden. Bei der Betrachtung von Fe3O4 als Mischoxid bedeutet die Abwesenheit
von Fe2O3, dass über
den stöchiometrischen Anteil von Fe2O3 am Fe3O4 hinaus kein weiteres Fe2O3 in der Eisenoxidschicht vorhanden ist.
Ein Mindestanteil von 99 Gew.-% Fe3O4 bedeutet, das in wenigstens 99 Gew-% des
Eisenoxids die Anteile von FeO und Fe2O3 durch die Stöchiometrie des Fe3O4 vorgegeben sind.
Bezüglich der räumlichen Verteilung der einzelnen
Oxide ist aus energetischen Gründen davon auszugehen, dass
im Grenzbereich zum nicht oxidierten Stahl, d. h. im Bereich der
Innenseite der Eisenoxidschicht, überwiegend FeO anzutreffen
ist. Auf der Oberfläche, d. h. im Bereich der Außenseite der
Eisenoxidschicht, ist überwiegend Fe2O3 anzutreffen.
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Die
Eisenoxidschicht der vorstehend näher definierten Zusammensetzung
ist polykristallin oder amorph ausgebildet. Bei einer polykristallinen
Ausbildung weist die Eisenoxidschicht eine Vielzahl sehr kleiner
Oxidationszellen auf. Insbesondere können die Oxidationszellen
so ausgebildet sein, dass ihre Erstreckung senkrecht zur Oberfläche
der Bauteile größer ist als ihre Erstreckung parallel
zur Oberfläche der Bauteile. Da die Oxidationszellen nicht
notwendigerweise exakt gleich groß sind, gilt das Größenverhältnis
für die Erstreckungen senkrecht und parallel zur Schicht
nicht notwendigerweise für jede einzelne Oxidationszelle,
sondern lediglich im Mittel. Es ist daher zweckmäßig,
für die Ermittlung des Größenverhältnisses
keine Einzelwerte, sondern Mittelwerte heranzuziehen. Beispielsweise
eignet sich hierfür eine arithmetische Mittelwertbildung.
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Infolge
ihrer kleinen Abmessungen ist es möglich, dass die Oxidationszellen
innerhalb der Eisenoxidschicht nahezu lückenlos aneinandergrenzen,
so dass die Eisen oxidschicht sehr dicht ausgebildet ist. Insbesondere
ist die Eisenoxidschicht so dicht, dass Sie von Flüssigkeiten
nicht durchdrungen werden kann und somit eine Flüssigkeit,
welche die Eisenoxidschicht benetzt, den unterhalb der Eisenoxidschicht
vorhandenen Stahl nicht angreifen kann. Demgemäß liefert
ein Test, bei dem die Bauteile für 60 Sekunden in eine
5% Kupfersulfatlösung eingetaucht werden, keine bei einer
10-fachen Vergrößerung erkennbaren roten Stellen,
welche auf Lücken in der Eisenoxidschicht hindeuten. Auch
bei einer Einwirkzeit von fünf Minuten sind in der Regel
keine roten Stellen erkennbar Außerdem bleibt ein Essigsäuretest
gemäß DIN 50938 über
den gesamten dort angegeben Zeitraum und sogar ein Vielfaches darüber hinaus
ohne Angriff.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete
Eisenoxidschicht weist trotz der niedrigen Badtemperaturen, die
häufig zu grauschwarzen Farben tendieren können,
eine tiefschwarze Farbe auf und ist frei von braunen Bereichen,
die auf die Anwesenheit von Fe2O3 hinweisen. Insbesondere weist die Schwarzfärbung
auch keine Rot-/Braunanteile auf, die darauf hindeuten, dass freies
Fe2O3 in der Eisenoxidschicht
anteilig enthalten ist.
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Zur
Erzeugung der Eisenoxidschicht im Bereich der Oberfläche
der Bauteile werden die Bauteile zunächst entfettet. Dies
kann beispielsweise durch Eintauchen in ein alkalisches Entfettungsbad
erfolgen. Die Zusammensetzung des Entfettungsbads wird so gewählt,
dass es nicht zu einem Angriff der Oberfläche der Bauteile
und einer Mikroaufrauhung kommt. Aus diesem Grund wird insbesondere
ein hydroxidfreie Entfettungsbad eingesetzt. Auch auf eine Beize
sollte verzichtet werden. Typischerweise verweilen die Bauteile
für ca. 15 Minuten im Entfettungsbad, wobei die Temperatur
des Entfettungsbads zwischen 80°C und 90°C beträgt.
Insbesondere kann auch eine Entfettung mittels mehrerer hintereinander geschalteter
Entfettungsbäder aufsteigender Temperatur durchgeführt
werden, wobei bevorzugt zunächst ein demulgierendes Entfettungsbad
und danach ein emulgierendes Entfettungsbad durchlaufen wird. Dabei
beträgt die Temperatur des ersten Entfettungs bads beispielsweise
wenigstens 60°C und die Temperatur des zweiten Entfettungsbads
zwischen 80°C und 90°C beträgt. Durch
den Einsatz von Mikrofiltration, Ölabscheidung, Koaleszenzabscheidung und
Oberflächenflutung sowie Warenträgerbewegung und
Richtdüsen, einzeln oder in Kombination, lässt
sich eine sehr hohe Reinheit der Entfettungsbäder erzielen
und damit die Rückfettung der Bauteile auf sehr geringe
Werte reduzieren. Eine gründliche Entfettung ist erforderlich,
da die nachfolgende Behandlung der Bauteile unter sehr milden Bedingungen
erfolgt und daher bereits durch geringe Öl- oder Fettrückstände
gestört würde. Ein Beizen der Bauteile wird jedoch
nicht durchgeführt, da dies zu einer unerwünschten
Oberflächenveränderung führen würde.
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Während
der Entfettung werden die Bauteile auf eine Anwärmtemperatur
T0 von wenigstens 80°C erwärmt. Ebenso ist es
auch möglich, die Anwärmung teils während
der Entfettung und teils nach der Entfettung durchzuführen.
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Die
angewärmten Bauteile werden in ein erstes Behandlungsbad
eingetaucht und verweilen dort für eine erste Zeitspanne
t1. Das erste Behandlungsbad ist eine wässrige Lösung,
die als Inhaltsstoffe Hydroxid, Nitrit, Nitrat und mehrere Phosphatpuffer enthält.
Die Verwendung anderer Oxidationsmittel anstatt von Alkalinitrit
oder Alkalinitrat führt zu Sauerstoffübertragungen,
die nicht in der gewünschten Weise für optimale
Schichtbildung kontrollierbar sind, und ist für tribologische
Brünierungen nicht zielführend. Alkalihydroxid,
Alkalinitrit und Alkalinitrat können beispielsweise als
Natriumverbindungen oder Kaliumverbindungen vorliegen. Im Hinblick
auf Kosten- und Beschaffungssituation liegen die Inhaltsstoffe üblicherweise
in Form von Natriumverbindungen vor, weswegen im Folgenden die Zusammensetzungen
auf Basis der allgemeinüblichen Natriumverbindungen angegeben
werden.
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Die
Lösung kann durch Auflösen eines Salzes der Zusammensetzung
15 Gew.-% Natriumnitrit, 3 Gew.-% Natriumnitrat, 80 Gew.-% Natriumhydroxid und
2 Gew.-% Phosphatpuffer in demineralisiertem Wasser hergestellt
werden. Das erste Behandlungsbad wird bevorzugt im Siedepunkt betrieben
und weist eine erste Temperatur T1 auf, die zwischen 132°C
und 137°C, vorzugsweise zwischen 132°C und 135°C,
beträgt. Da der Siedepunkt einer wässrigen Lösung
konzentrationsabhängig ist, wird über eine Variation
der Konzentration der jeweils gewünschte Siedepunkt eingestellt.
Beispielsweise wird bei einem gewünschten Siedepunkt von
132°C im ersten Behandlungsbad eine Konzentration an Natriumhydroxid
von 474 g/l und an Natriumnitrit von 132 g/l eingestellt. Eine Konzentration
von 132 g/l an Natriumnitrit entspricht einer reinen Nitritkonzentration, d.
h. ohne den Natriumanteil, von 88 g/l. Bei einem gewünschten
Siedepunkt von 135°C bzw. 137°C wird im ersten
Behandlungsbad eine Konzentration an Natriumhydroxid von 506 g/l
bzw. 527 g/l und an Natriumnitrit von 138 g/l bzw. 142 g/l eingestellt.
Daneben sind jeweils Natriumnitrat und Phosphatpuffer in geringen
Konzentrationen in der wässrigen Lösung vorhanden,
wobei die Konzentration des Natriumnitrats maximal ein Viertel der
Konzentration des Natriumnitrits beträgt.
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Unmittelbar
nach dem Eintauchen der Bauteile kann die erste Temperatur T1 des
ersten Behandlungsbads vorübergehend unter die vorstehend genannten
Werte absinken, da die Bauteile vor dem Eintauchen in das erste
Behandlungsbad die Anwärmtemperatur T0 aufweisen, die in
der Regel niedriger ist als die erste Temperatur T1 des ersten Behandlungsbads.
Durch eine besonders schnellansprechende Beheizung des ersten Behandlungsbads wird
jedoch erreicht, dass der Temperatureinbruch im ersten Behandlungsbad
nur von kurzer Dauer ist und für den überwiegenden
Teil der ersten Zeitspanne t1 das vorstehend genannte Intervall
für die erste Temperatur T1 eingehalten wird. Abhängig
von den Möglichkeiten der Beheizung kann auch die Chargengröße
und damit die Gesamtmasse der eingetauchten Bauteile angepasst werden.
Die erste Zeitspanne t1 beträgt maximal 5 Minuten. Insbesondere
kann die erste Zeitspanne t1 auch maximal 3 Minuten betragen.
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Im
ersten Behandlungsbad strömt das Badmedium über
die Oberfläche der Bauteile. Dies wird neben der Siedebewegung
des Bades insbesondere dadurch erreicht, dass die Bauteile im ersten
Behandlungsbad mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 20 cm/min
bewegt werden.
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Im
ersten Behandlungsbad erfolgt ein „Primärangriff"
der Oberfläche der Bauteile durch Nitrit und Nitrat. Dabei
werden in kurzer Zeit extrem viele Oxidationskeime ausgebildet.
Ein Schichtwachstum erfolgt jedoch nicht. Eine dichte Belegung der
Oberfläche der Bauteile mit Oxidationskeimen ist Voraussetzung
dafür, dass sehr viele Oxidationszellen entstehen, die
relativ schnell miteinander in Berührung treten, so dass
eine sehr feinkristalline Eisenoxidschicht ausgebildet wird. Da
die Bildung von Oxidationskeimen durch eine hohe Oxidationsmittelkonzentration
begünstigt wird, empfiehlt sich für das erste Behandlungsbad
eine hohe Oxidationsmittelkonzentration. Allerdings sinkt mit steigender
Oxidationsmittelkonzentration zwangsweise die Hydroxidkonzentration,
so dass das erste Behandlungsbad immer milder wird und schließlich
die Oberfläche nicht mehr ausreichend angreift. Um eine
hohe Oxidationskeimdichte zu erzeugen ist somit eine hohe, allerdings auch
nicht zu hohe, Oxidationsmittelkonzentration erforderlich, so dass
noch eine ausreichend hohe Hydroxidkonzentration möglich
ist. Dadurch, dass die Hydroxidkonzentration nicht allzu hohe Werte
annimmt, und gleichzeitig Siedepunkt und Konzentration niedrig gehalten
werden, ist das Risiko eines unerwünschten Hydrolysierungsüberschusses
relativ gering. Durch den Zusatz von Alkalinitrat im ersten Behandlungsbad
kann der Oberflächenangriff auch dann noch erfolgen, wenn
das Alkalihydroxid in seiner niedrigen Konzentration hierfür
nicht mehr genügt. Konkrete Werte für die einzelnen
Konzentrationen können dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel
entnommen werden.
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Unmittelbar
nach Ablauf der ersten Zeitspanne t1 werden die Bauteile aus dem
ersten Behandlungsbad entnommen und kalt gespült, um die
Reaktion zu stoppen. Die kalte Spüle nach dem ersten wie auch
nach dem zweiten Behandlungsbad ist unverzichtbar und soll durch
Kühlmassnahmen unter 65°C, möglichst
sogar unter 50°C, gehalten werden. Die Bauteile weisen
nach dem ersten Brünierbad bei allgemeinüblichen
Verhältnissen von Werkstückmenge zu Badvolumen
noch keine Schwarzfärbung, sondern eine goldfarbene Irideszenz
auf.
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Nach
dem Spülen werden die Bauteile in ein zweites Behandlungsbad
eingetaucht und verweilen dort für eine zweite Zeitspanne
t2. Das zweite Behandlungsbad ist eine wässrige Lösung,
die als Inhaltsstoffe Hydroxid, Nitrit und einen Phosphatpuffer enthält.
Analog zum ersten Behandlungsbad handelt es sich dabei insbesondere
um Natriumverbindungen. Die Lösung kann durch Auflösen
eines Salzes der Zusammensetzung 27 Gew.-% Natriumnitrit, 65 Gew.-%
Natriumhydroxid, 4 Gew.-% Phosphatpuffer und 4 Gew.-% weitere Inhaltsstoffe
wie z. B. Entschäumer in demineralisiertem Wasser hergestellt werden.
Im Gegensatz zu dem Salz, das beim ersten Behandlungsbad verwendet
wird, enthält das Salz zum Ansetzen des zweiten Behandlungsbades
kein Natriumnitrat.
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Ebenso
wie das erste Behandlungsbad wird auch das zweite Behandlungsbad
bevorzugt im Siedepunkt betrieben und weist eine zweite Temperatur T2
auf, die höher als die erste Temperatur T1 des ersten Behandlungsbads
ist. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die zweite Temperatur
T2 zwischen 135°C und 140°C, insbesondere zwischen
135°C und 138°C, beträgt. Der jeweils
gewünschte Siedepunkt wird über die Konzentration
im zweiten Behandlungsbad eingestellt. Für einen Siedepunktbetrieb
bei einer zweiten Temperatur von 135°C werden im zweiten
Behandlungsbad eine Konzentration an Natriumhydroxid von 499 g/l
und an Natriumnitrit von 228 g/l eingestellt. Bei einem gewünschten
Siedepunkt von 138°C bzw. 140°C werden im zweiten
Behandlungsbad eine Konzentration an Natriumhydroxid von 525 g/l
bzw. 542 g/l und an Natriumnitrit von 239 g/l bzw. 247 g/l eingestellt.
Daneben sind jeweils Phosphatpuffer und sonstige Inhaltsstoffe in
geringen Konzentrationen in der wässrigen Lösung
vorhanden.
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Bei
einem Siedepunktbetrieb des zweiten Behandlungsbads zwischen 135°C
und 140°C beträgt die Konzentration an Natriumnitrit
in der Lösung somit zwischen 228 g/l und 247 g/l. Dies
bedeutet, dass im zweiten Behandlungsbad eine höhere Nitritkonzentration
vorgesehen ist als im ersten Behandlungsbad. Die Konzentration an
Natriumhydroxid beträgt zwischen 499 g/l und 542 g/l.
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In
entsprechender Weise wie beim ersten Behandlungsbad kann beim zweiten
Behandlungsbad unmittelbar nach dem Eintauchen der Bauteile die
zweite Temperatur T2 vorübergehend unter die vorstehend
genannten Werte absinken. Durch eine besonders schnellansprechende
Beheizung des zweiten Behandlungsbads und eventuell eine Begrenzung
der Chargengröße wird jedoch erreicht, dass für
den überwiegenden Teil der zweiten Zeitspanne t2 das vorstehend
genannte Intervall für die zweite Temperatur T2 eingehalten
wird. Die zweite Zeitspanne t2 beträgt wenigstens 12 Minuten
und ist deutlich größer als die erste Zeitspanne
t1.
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Ähnlich
wie beim ersten Behandlungsbad werden die Bauteile auch während
der zweiten Zeitspanne t2 im zweiten Behandlungsbad mit einer Geschwindigkeit
von wenigstens 20 cm/min bewegt.
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Im
zweiten Behandlungsbad kann die Hydroxidkonzentration niedriger
gewählt werden als im ersten Behandlungsbad, da auf der
Oberfläche der Bauteile bereits Oxidationskeime vorhanden
sind und der durch das Hydroxid geförderte Primärangriff
somit nicht mehr so wichtig ist. Dadurch ist es möglich
eine sehr hohe Konzentration an Nitrit einzustellen, welches als
Oxidationsmittel wirkt.
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Unmittelbar
nach Ablauf der zweiten Zeitspanne t2 werden die Bauteile aus dem
zweiten Behandlungsbad entnommen und kalt gespült, um die Reaktion
zu stoppen. Die kalte Spüle nach dem ersten wie auch nach
dem zweiten Behandlungsbad soll durch Kühlmassnahmen unter
65°C, möglichst sogar unter 50°C, gehalten
werden. Dann werden die Bauteile heiß gespült,
beispielsweise bei einer Temperatur von wenigstens 80°C.
Als Spülmedium kann jeweils demineralisiertes Wasser verwendet
werden. Nach dem Spülen weist die Oberfläche der
Bauteile eine tiefschwarze Eisenoxidschicht mit den eingangs beschriebenen
Eigenschaften auf.
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Als
ein letzter Behandlungsschritt erfolgt jetzt noch eine Konservierung
der Bauteile, beispielsweise durch Eintauchen in ein Konservierungsbad.
Das Konservierungsbad kann insbesondere ein Dewatering Fluid aufweisen.
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Mit
der Konservierung ist die Behandlung der Bauteile abgeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN-Norm 50938 [0033]
- - DIN 50938 [0044]