DE102008049790A1 - Hydraulikzylinder sowie dessen Herstellungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Einen Eisen (Fe) aufweisenden Träger von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Bauteilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer elektrochemisch aufgebrachten Aussenschicht aus Chrom (Cr) mit einer an dem Träger im Bereich der Lauffläche angrenzend anliegenden elektrochemisch aufgebrachten Zwischenschicht aus Nickel-Phosphor (NiP) und mit der direkt über dieser Zwischenschicht angeordneten Aussenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht einen Anteil von Phosphor (P) von grösser 6 Gewichtsprozent (nachfolgend Gew.%) und mit dem Rest Nickel (Ni) aufweist.
Description
- Die Erindung betrifft einen gattungsgemässen Eisen (Fe) aufweisenden Träger von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Mechanik-Bauteilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer elektrochemisch aufgebrachten Aussenschicht aus Chrom (Cr) mit einer an dem Träger im Bereich der Lauffläche angrenzend anliegenden elektrochemisch aufgebrachten Zwischenschicht aus Nickel-Phosphor (NiP) und mit der direkt über dieser Zwischenschicht angeordneten Aussenschicht.
- Bei Bauteilen aus Stahl z. B. Kolbenstangen für Hydraulikzylinder, wird die Aussenschicht in einer Dicke von ca. 20 bis 50 μm als mechanisch verschleissfeste Hartchromschicht bei mittleren Korrsionsschutzanforderungen (nicht hingegen gattungsfremde dekorative Glanzchromschichten von ca. 0,3 bis 0,9 μm wie z. B. in der
JP-7278845 JP-8100273 JP10-251870 - Allerdings weisen die solchermassen abgeschiedenen Chromschichten problematische Zugeigenspannungen auf, durch die Risse in der Chromschicht entstehen, wodurch der Schutz gegen Korrosion drastisch verringert wird. Üblicherweise wird dieser bei den gattungsgemässen Hydraulikzylindern durch doppeltes Verchromen, oder bei gattungsfremden Bauteilen (
DE-40 09 914-C2 ) verstärkt. - Die relativ dicke Aussenschicht aus Chrom ist dabei nur mit einer grossen Menge an Chrom und demgemäss mit entsprechend hoher Energie und langer Beschichtungszeit elektochemisch aufzubringen, was sich in einem vergleichsweise hohen Preis niederschlägt, obgleich für diese bekannten Mechanik-Bauteile nach dem neutralen Salz-Sprüh-Test (NSS) nur eine Standzeit von z. B. 96 h garantiert wird.
- Ein gattungsgemässes Bauteil gilt als bekannt (
EP-Anmeldung 08008397.5 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aufgrund einer möglichst dünnen Zwischen- sowie Chromschicht kostengünstig herstellbares Bauteil eines Hydraulikzylinders mit besserer Korrosionsfestigkeit bei gleichzeitig hoher Abriebfestigkeit bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemässen Bauteil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, erfindungsgemäss durch dessen kennzeichnende Merkmale, also dadurch gelöst, dass die Zwischenschicht einen Anteil von Phosphor (P) von grösser 6 Gewichtsprozent (nachfolgend Gew.%) und mit dem Rest Nickel (Ni) aufweist.
- Das Teil bzw. Bauteil des Hydraulikzylinders nach der Erfindung weist überraschenderweise eine gegenüber dem gattungsgemässen Stand der Technik erheblich grössere Standzeit nach dem NSS auf, die beispielsweise schon bis zu 600 h gemessen worden ist, wenn sie nur mindestens 6 Gew.% Phosphor bei einem restlichen Anteil von Nickel aufweist. Ausserdem hat sich weiterhin die mechanische Festigkeit der erfindungsgemässen Schichtenfolge als unerwartet hoch herausgestellt, so dass sich die Aussenschicht aus Chrom nicht von der Zwischenschicht aus NiP löst, selbst bei stark sowie dauerhaft Biegebeanspruchungen ausgesetzten Kolbenstangen. Diese Vorteile lassen sich gleichzeitig erzielen, obwohl das Bauteil mit nur einer ca. 10 bis 12 μm dicken Aussenschicht aus Hartchrom und einer etwa gleich dicken Zwischenschicht auskommt, und lassen sowohl auf eine absolut dichte Zwischenschicht als auch auf eine innigste atomare Verbindung dieser mit der Aussenschicht schliessen. Infolge der vergleichsweise dünnen Aussenschicht und der geringen Gesamtschichtdicke von Aussen- und Zwischenschicht kann das erfindungsgemässe Bauteil entsprechend kostengünstig hergestellt werden.
- Es sind zwar gattungsfremde Giessformen mit einem Kupfer aufweisenden Träger und mit einer elektrochemisch abgeschiedenen Schicht aus NiP bekannt (
JP-61249647-A - Es sind auch aussenstromlos, d. h. nicht elektrochemisch abgeschiedene Zwischenschichten als Verschleiss- und Korrosionsschutz, auch chemisch Nickel (cNi) genannt, bekannt (z. B.
US-3,577,276 ); diese lassen sich jedoch wegen der schlechten atomaren Bindung zwischen cNi und dem elektrochemisch aufgebrachtem Hartchrom und der daraus resultierende schlechten Schichthaftung bei der Erfindung nicht als Zwischenschicht einsetzen, ganz abgesehen von weiteren Nachteilen wie geringe Abscheiderate, teure Badinstandhaltung, grosser Einfluss der Badqualität, denn Verunreinigungen im Bad werden mit abgeschieden und verschlechtern die Schichtqualität, aufwändige Vorbehandlung und hohe Prozesstemperaturen. Es kommt erschwerend hinzu, dass die zu beschichtende Oberfläche ein positiveres elektrochemisches Potential als Nickel aufweisen muss. - Zur Herstellung der erfindungsgemässen Bauteile kommen nur ausschliesslich elektrochemisch abgeschiedene Zwischenschichten aus NiP in Betracht. Solche Beschichtungsverfahren für NiP-Legierungen wurden zuletzt in den 70-er Jahren beschrieben, haben sich Schichten aus NiP kommerziell zunächst jedoch nicht durchgesetzt. Erst heute sind Elektrolyte zur elektrochemischen Abscheidung von Schichten aus NiP bekannt (Galvanotechnik 4/2005; Seite 818–822; Eugen G. Leuze Verlag), welcher Elektrolyt auch erfindungsgemäss Einsatz finden kann.
- Jedoch bereitet die Übereinanderanordnung zweier elektrochemisch abgeschiedener Schichten Probleme. So sind z. B. auch praktische Schwierigkeiten bei der elektrochemischen Hartverchromung von hochlegierten Stählen bekannt, die in den ungünstigen Potentialverhältnissen begründet liegen. Zur Erzielung einer atomaren Verbindung der Zwischenschicht mit der Aussenschicht aus Chrom, vorzugsweise Hartchromschicht muss diese erfahrungsgemäss ein höheres Potential als die zu verchromende Zwischenschicht aufweisen. Das ist z. B. bei der als Glanznickelbeschichtung mit einer dünnen Deckschicht aus Chrom (Glanzverchromung) auf Ni z. B. bei Badarmaturen bekannten Uebereinanderordnungen aus elektrolytisch abgeschiedenem Nickel (Ni, nicht NiP) und elektrolytisch abgeschiedenem Chrom, nicht jedoch bei der Zwischenschicht nach der Erfindung aus NiP der Fall.
- Die Erfindung betrifft auch ein als bekannt geltendes gattungsgemässes Verfahren (
EP-Anmeldung 08008397.5 - Dieses gattungsgemässe Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs kennzeichnet sich erfindungsgemäss durch dessen kennzeichnende Merkmale, also dadurch aus, dass auf dem Träger in dem ersten Bad mit dem Nickel (Ni) und Phosphor (P) aufweisenden Elektrolyten eine Zwischenschicht aus NiP kathodisch elektrochemisch gesteuert so abgeschieden wird, dass die Zwischenschicht einen Anteil von Phosphor (P) von grösser 6 Gewichtsprozent (nachfolgend Gew.%) mit dem Rest als Nickel (Ni) aufweist.
- Durch diese Massnahmen wird zunächst elektrochemisch die Zwischenschicht aus NiP erzeugt. Danach wird dann das Mechanik-Bauteil direkt -nass in nass- in das Verchromungsbad zur Vermeidung von aufwendig wieder zu beseitigender Passivschichten (
DE-2854403-C2 ) überführt. Ueberraschenderweise wird es durch das Einwirken mit verschiedenen, vorzugsweise stufenweise ansteigenden Stromdichten in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitintervallen möglich, die Aussenschicht aus Chrom atomar mit der Zwischenschicht aus NiP innigst ohne eine weitere, zur Reduzierung des Potentials diendende, haftungsvermittelnde Zusatzschicht, zu verbinden, obwohl die Schicht aus NiP ein höheres Potential als Chrom aufweist. - Es ist zwar das Beschichten einer Giessform als gattungsfremdes Verfahren mit einer elektrochemisch abgeschiedenen Zwischenschicht aus NiP bekannt (
JP-54124831-A - Es ist von Vortteil für die Korrosionsbeständigkeit, wenn in der Zwischenschicht Phosphor (P) in einem Anteil von grösser 7 Gew.%, vorzugsweise grösser 9 Gew.% und bevorzugt von grösser 11 Gew.% gesteuert abgeschieden wird.
- Insgesamt ist mit dem erfindungsgemässen Verfahren nicht nur eine billigere Herstellung des Mechanik-Bauteils möglich; es wird infolge der besseren Prozessstabilität auch einfacher und problemloser zu steuern werden.
- Weitere zweckmässige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den restlichen Unteransprüchen gekennzeichnet.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - JP 7278845 [0002]
- - JP 8100273 [0002]
- - JP 10-251870 [0002]
- - DE 4009914 C2 [0003]
- - EP 08008397 [0005, 0013]
- - JP 61249647 A [0009]
- - US 3577276 [0010]
- - DE 2854403 C2 [0015]
- - JP 54124831 A [0016]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Galvanotechnik 4/2005; Seite 818–822; Eugen G. Leuze Verlag [0011]
Claims (40)
- Einen Eisen (Fe) aufweisenden Träger von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Bauteilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer elektrochemisch aufgebrachten Aussenschicht aus Chrom (Cr) mit einer an dem Träger im Bereich der Lauffläche angrenzend anliegenden elektrochemisch aufgebrachten Zwischenschicht aus Nickel-Phosphor (NiP) und mit der direkt über dieser Zwischenschicht angeordneten Aussenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht einen Anteil von Phosphor (P) von grösser 6 Gewichtsprozent (nachfolgend Gew.%) und mit dem Rest Nickel (Ni) aufweist.
- Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht Phosphor in einem Anteil von grösser 7 Gew.%, vorzugsweise grösser 9 Gew.% und bevorzugt von grösser 11 Gew.% aufweist.
- Hydraulikzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht Phosphor in einem Anteil von grösser 12 Gew.%, vorzugsweise grösser 13 Gew.% aufweist.
- Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger im Bereich der an ihn angrenzenden Zwischenschicht eine glatte Oberfläche aufweist.
- Hydraulikzylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit RZ des Trägers im Bereich der an ihn angrenzenden Zwischenschicht kleiner als 4 μm, bevorzugt kleiner als 2,5 μm und vorteilhafterweise kleiner als 1,5 μm ist.
- Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Dicke von 5 μm bis 30 μm, vorzugsweise 7 μm bis 20 μm, bevorzugt 9 μm bis 15 μm und vorteilhafterweise 10 μm bis 12 μm aufweist.
- Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschicht eine Dicke von 5 μm bis 30 μm, vorzugsweise 7 μm bis 20 μm, bevorzugt 9 μm bis 15 μm und vorteilhafterweise 10 μm bis 12 μm aufweist.
- Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Dicke von 5 μm bis 30 μm, vorzugsweise 7 μm bis 20 μm, bevorzugt 9 μm bis 15 μm und vorteilhafterweise 10 μm bis 12 μm aufweist.
- Hydraulikzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschicht eine Dicke von 5 μm bis 30 μm, vorzugsweise 7 μm bis 20 μm, bevorzugt 9 μm bis 15 μm und vorteilhafterweise 10 μm bis 12 μm aufweist.
- Verfahren zur Herstellung eines Eisen (Fe) als Träger aufweisenden Bauteils von relativ zueinander über eine Lauffläche bewegten Teilen eines Hydraulikzylinder, insbesondere Kolbenstange, mit einer Aussenschicht aus Chrom (Cr), wobei dieses kathodisch in einem Cr im Elektrolyten aufweisenden Verchromungsbad elektrochemisch abgeschieden wird, wobei zunächst auf dem Träger elektrochemisch in einem ersten Bad mit einem Nickel (Ni) und Phosphor (P) aufweisenden Elektrolyten eine Zwischenschicht aus NiP kathodisch abgeschieden wird, wobei das Bauteil anschliessend in das Verchromungsbad verbracht wird und entweder mit ständig ansteigender elektrischer Stromdichte oder während eines ersten Zeitintervalls mit geringer ersten Stromdichte und in zumindest einem weiteren vorletzten Zeitintervall mit einer demgegenüber grösseren vorletzten Stromdichte mit dem sich elektrochemisch abscheidenden Cr beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger in dem ersten Bad mit dem Nickel (Ni) und Phosphor (P) aufweisenden Elektrolyten eine Zwischenschicht aus NiP kathodisch elektrochemisch gesteuert so abgeschieden wird, dass die Zwischenschicht einen Anteil von Phosphor (P) von grösser 6 Gewichtsprozent (nachfolgend Gew.%) mit dem Rest als Nickel (Ni) aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenschicht Phosphor (P) in einem Anteil von grösser 7 Gew.%, vorzugsweise grösser 9 Gew.% und bevorzugt von grösser 11 Gew.% gesteuert abgeschieden wird.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenschicht Phosphor (P) in einem Anteil von grösser 12 Gew.%, vorzugsweise grösser 13 Gew.% gesteuert abgeschieden wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Träger im Bereich der an ihn angrenzenden Zwischenschicht bearbeitet ist und eine glatte Oberfläche aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromdichte bei 5 A/dm2 liegt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorletzte Stromdichte bei 20 A/dm2 liegt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitintervall 300 s dauert.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorletzte Zeitintervall 120 s dauert.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sich an das vorletzte Zeitintervall anschliessende letzte Zeitintervall mit einer Stromdichte von 50 A/dm2 bis zu der gewünschten abgeschiedenen Dicke der Aussenschicht aus Cr bemessen wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem vorletzen Zeitintervall zwei sich anschliessende, weitere Zeitintervalle vorgesehen werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei weiteren Zeitintervalle 180 bzw. 120 s lang bemessen werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichten in den zwei weiteren Zeitintervallen mit 10 bzw. 15 A/dm2 eingestellt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil nach dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen entfettet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil das dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen bei Ultraschall entfettet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil nach dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen unter Ultraschall in einer alkalischen Lösung entfettet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil nach dem Beschichten mit dem NiP und vor dem Hartverchromen unter Ultraschall in einer Na-Hydroxid-Lösung alkalisch entfettet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil nach dem alkalischen Entfetten als Kathode geschaltet kathodisch entfettet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kathodische Entfetten in einer Na-Hydroxid-Lösung bei einer Stromdichte von ca. 12 A/dm2 stattfindet.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kathodische Entfetten in einer vorzugsweise zehnprozentigen Na-Hydroxid-Lösung bei einer Stromdichte von ca. 12 A/dm2 für 180 s stattfindet.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil nach dem kathodischen Entfetten mit Wasser gespült wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil nach dem Spülen mit Wasser und vor dem Verbringen in das Verchromungsbad unter Anschliessen an die Anode zwecks Aktivierung einem gesonderten Bad ausgesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Bad einen schwachen Chromelektrolyten aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der schwache Chromelektrolyt 140 bis 190, vorzugsweise 150 bis 180 g/l Cr aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil in dem gesonderten Bad einer Stromdichte von 20 A/dm2 ausgesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil in dem gesonderten Bad einer Stromdichte von 20 A/dm2 für ca 15 s ausgesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Bad Sulfationen (SO4 --) in einer Konzentration von 1 bis 2, vorzugsweise 1,6% aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderten Bad eine Temperatur von 50 bis 60, vorzugsweise 55°C aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mechanik-Bauteil nach dem gesonderten Bad dem Verchromungsbad ausgesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verchromungsbad 250 bis 350, vorzugsweise 280 bis 320 g/l Cr aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verchromungsbad Sulfationen (SO4 --) in einer Konzentration von 1,5 bis 2,5 vorzugsweise 1,9% aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verchromungsbad eine Temperatur von 50 bis 60, vorzugsweise 55°C aufweist.
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