DE102010064222A1

DE102010064222A1 - Beschichtetes Metallsubstrat

Info

Publication number: DE102010064222A1
Application number: DE102010064222A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-06-28
Also published as: EP2468913A2; EP2468913A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallsubstrat mit einer Beschichtung auf Zinkbasis. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen beschichteten Metallsubstrats.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallsubstrat mit einer Beschichtung auf Zinkbasis. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen beschichteten Metallsubstrats.
Zinkbeschichtungen auf Metallsubstraten sind bereits seit Langem bekannt und werden zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen aus Eisen, insbesondere im Automobilbau, seit Langem erfolgreich verwendet. Hierbei werden die Legierungen in der Regel elektrolytisch auf den zu beschichtenden Substraten abgeschieden.
In der Praxis haben sich daneben Beschichtungsverfahren wie das Flammspritzverfahren oder das Lichtbogenspritzverfahren bewährt.
Beim Lichtbogenspritzen werden zwei drahtförmige, elektrisch leitende Spritzwerkstoffe kontinuierlich unter einem bestimmten Winkel aufeinander zugeführt. Zwischen den Spritzdrähten (Elektroden) brennt nach dem Zünden ein Lichtbogen mit einer Temperatur von ca. 4.000°C und schmilzt den Spritzwerkstoff ab. Ein starker Druckluftstrom zerstäubt das Schmelzgut und beschleunigt die Spritzpartikel auf die Werkstückoberfläche. Verfahrensbedingt können nur metallisch leitende, drahtförmige Werkstoffe verarbeitet werden. Hierbei werden insbesondere Zinkschichten auf Metallsubstraten aufgebracht.
Das Flammspritzen gehört zu den thermischen Beschichtungsverfahren. Mittels Flammspritzen können Pulver-, Draht-, etc. Zusatzwerkstoffe verarbeitet und auf Bauteiloberflächen aufgespritzt werden. Die Prozessenergie resultiert aus der Verbrennung eines Brenngas-Sauerstoff-Gemisches. In Abhängigkeit vom verwendeten Brenngas können Flammentemperaturen bis ca. 3.160°C erreicht werden. Verarbeitbare Materialien umfassen Metalle, Keramiken und Kunststoffe. Die Verarbeitung von Zink wird oftmals auch als ”Spritzverzinken” bezeichnet.
Gängige Beschichtungen zum Korrosionsschutz von Metallsubstraten umfassen in der Regel Zink oder ein Gemisch aus Zink und Aluminium, das beispielsweise durch eines der vorgenannten Verfahren auf das Metallsubstrat aufgebracht wird. Hierbei werden bereits gute Materialeigenschaften erzielt, d. h. insbesondere guter Korrosionsschutz im Vergleich zu den unbeschichteten Metallsubstraten. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass derartige Beschichtungen in Langzeitkorrosionstests keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit mit sich bringen und auch andere Eigenschaften, z. B. das Haftvermögen der Beschichtung auf dem Substrat, verbesserungsfähig sind.
Es liegt der vorliegenden Erfindung insofern die Aufgabe zu Grunde, eine neue Beschichtung für Metallsubstrate auf Zinkbasis bereitzustellen, die verbesserte Eigenschaften wie beispielsweise höhere Haftfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine verbesserte Beschichtung von Metallsubstraten auf Zinkbasis dadurch bereitgestellt, dass die Beschichtung weiterhin Silizium enthält.
Die Beschichtung kann neben Zink und Silizium weitere Elemente enthalten, beispielsweise Aluminium, Titan und/oder Zirkon. Es ist jedoch essenziell, dass Silizium in ausreichender Menge mit aufgenommen wird.
Der Massenanteil des Siliziums in der Beschichtung beträgt ca. 0,5–6% Masse%. Falls weniger als 0,5 Masse% enthalten sind, können die vorteilhaften Wirkungen wie beispielsweise höhere Haftfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit möglicherweise nicht erreicht werden. Bei einem zu hohen Massenanteil kann die Schutzwirkung der Beschichtung nachlassen.
Wie aus den beigefügten 1 bis 4 erkennbar ist, ergibt sich durch die Hinzufügung von Silizium eine einzigartige Molekularstruktur der Beschichtung, die für deutlich bessere Eigenschaften der Beschichtung sorgt, insbesondere für eine Verbesserung der Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Metallsubstrat sowie eine deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen weisen vorzugsweise eine Schichtdicke von 100–300 μm, beispielsweise ungefähr 190 μm auf. Es wird weiterhin bevorzugt, dass das Metallsubstrat aus Eisen oder einer Eisenlegierung besteht. Es ist jedoch auch denkbar, andere Metalle, wie beispielsweise Titan, Nickel, Kupfer etc. bzw. deren Legierungen mit der erfindungsgemäßen Beschichtung zu überziehen.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Metallsubstrat um einen Stahlgegenstand, beispielsweise ein Stahlblech.
Durch die Einbringung von Silizium in die Beschichtung des Metallsubstrates kann, wie in den beigefügten Beispielen verdeutlicht wird, die Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Substrat etwa um das Vierfache, und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit um ein Vielfaches erhöht werden. Die beschichteten Oberflächen weisen zudem geschlossene Poren auf und sind öl- und schmutzabweisend.
Die erfindungsgemäßen, beschichteten Metallsubstrate können durch gängige Verfahren hergestellt werden, indem ein Beschichtungsgemisch bereitgestellt wird, das wenigstens Zink und Silizium umfasst, und dieses Gemisch auf ein Metallsubstrat aufgebracht wird. Beispielsweise kann ein derartiges Beschichtungsgemisch durch Lichtbogenspritzverfahren kurz vor dem Aufbringen der Beschichtung auf das Metallsubstrat gebildet werden. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung besteht im Gasflammspritzverfahren, das oben ausgeführt wurde.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Metallteile durch Sandstrahlen vorbehandelt werden, da hierdurch die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat verbessert wird.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin durch Figuren und ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
In den Figuren zeigt:
1: ein mit Zink beschichtetes Metallsubstrat;
2: ein mit Zink und Aluminium beschichtetes Metallsubstrat;
3: ein erfindungsgemäßes, mit Zink und Silizium beschichtetes Metallsubstrat; und
4: ein erfindungsgemäßes, mit Zink, Aluminium und Silizium beschichtetes Metallsubstrat;
5: Schichtdicken nach Korrosionstest bei 1.440 Std. im Salzsprühtest und
6: Haftzugfestigkeit und Bruchkraft der beschichteten Substrate.
Das Element ”X” in den 3 und 4 symbolisiert ein Verbundsystem mit anorganischen und organischen Werkstoffkomponenten.
BEISPIELE
Das vorliegende Beispiel untersucht das Eigenschaftenprofil verschiedener zinkbeschichteter Stahlsubstrate. Die dem Stand der Technik entsprechenden Beschichtungen werden als ”Zn99,9” bezeichnet, die erfindungsgemäße Beschichtung als ”Zink Plus” (Zink + Silizium).
PRÜFGEGENSTAND

• Proben: Substrat, spritzbeschichtet
• Substratwerkstoff: Stahlblech (42 CrMo4)
• Beschichtungswerkstoff: Zink 99,9 und Zink Plus
• Beschichtungsverfahren: Drahtflammspritzen

DURCHGEFÜHRTE UNTERSUCHUNGEN

1. Korrosionstest nach DIN EN ISO 9227 NSS
2. Metallographische Untersuchung der Schichtdicken (soll 120–180 μm).
3. Haftzugversuche.

Stahlsubstrate wurden über Stabflammspritzen mit verschiedenen Zinkbeschichtungen (”Zn99,9” bzw. ”Zink plus”) beschichtet. Die beiden Proben weisen optisch einen guten Beschichtungszustand auf. Die Probe ”Zink plus” wirkt etwas dunkler als die Probe ”Zn 99,9”.
DURCHGEFÜHRTE UNTERSUCHUNGEN
– Korrosionsverhalten nach 1400 h Salzsprühtest
An den Proben wurde ein Korrosionstes nach DIN EN ISO 9227 NSS durchgeführt. Nach 1400 h im Salznebeltest erfolgte die optische Begutachtung der korrodierten Proben. Es wurde festgestellt, dass die Probe mit der ”Zink Plus” Beschichtung eine deutliche Verringerung der Ausbildung der Weißrostschicht gegenüber der Probe mit der Beschichtung ”Zn 99,9” aufweist.
– Metallographische Untersuchung der Schichtdicken
Im Anschluss an die oben aufgeführten Korrosionstests wurden die Schichtdicken anhand von Schliffbildern gemessen. Hierzu wurden Proben aus den korrodierten Proben entnommen, metallographisch aufbereitet und unter dem Lichtmikroskop vermessen. Die Zinkschicht nach dem 1400 h Korrosionstest fielen bei der Probe mit der Beschichtung ”Zn 99,9” deutlich dünner aus als bei der Probe mit der Beschichtung ”Zink Plus”. Die Schicht an der Probe ”Zink Plus” ist vorhanden und deutlich zu erkennen und die Konturen der Schicht sind scharf und eben. Die Schicht an der Probe ”Zn 99,9” ist kaum erkennbar bzw. nicht zuordenbar. Sie zeigt keine deutlichen Konturen, ist wellig und an einigen Stellen nicht vorhanden.
Das Diagramm von 5 zeigt die Schichtdicken der Substrate nach dem Korrosionstest, Referenzbeschichtung ”Zn 99,9” (links) und Beschichtung ”Zink Plus” (rechts).
– Haftzugversuche in Anlehnung an DIN EN 582
An den beschichteten Substraten wurden unmittelbar nach dem Beschichten Haftzugversuche in Anlehnung an DIN EN 582 durchgeführt. Es wurde festgestellt dass, die Beschichtung ”Zink Plus” eine deutlich bessere Haftung gegenüber der Referenzbeschichtung ”Zn 99,9” aufweist.
Das Diagramm von 6 zeigt die Ergebnisse der Haftzugversuche an der Referenzbeschichtung ”Zn 99,9” (links) und Beschichtung ”Zink plus” (rechts).
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Beschichtung „Zink Plus” gegenüber der Referenzbeschichtung „Zn 99,9” auf den Stahlsubstraten 42 CrMo4 bei den durchgeführten Untersuchungen wie Korrosionstest, Schichtdickenbestimmung sowie Haftzugfestigkeit ein besseres Eigenschaftsprofil zeigt. Weiterhin erfüllen auch die in dieser Zusammenfassung nicht explizit aufgeführten Eigenschaften wie ein verminderter Abrieb sowie ausreichende Öl- und Schmutzabweisung hohe Anforderungen.
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 Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 9227 NSS [0027]
DIN EN ISO 9227 NSS [0029]
DIN EN 582 [0032]

Claims

Metallsubstrat mit einer Beschichtung auf Zinkbasis, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung weiterhin Silizium enthält.
Metallsubstrat nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung weiterhin Aluminium, Titan und/oder Zirkon enthält.
Metallsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke von 100–300 μm aufweist.
Metallsubstrat nach Anspruch 3, wobei die Schichtdicke ungefähr 190 μm beträgt.
Metallsubstrat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metallsubstrat aus Eisen oder einer Eisenlegierung besteht.
Metallsubstrat nach Anspruch 5, wobei das Metallsubstrat aus Stahl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Metallsubstrats nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Beschichtungsgemisches, umfassend wenigstens Zink und Silizium; b) Aufbringen des Gemisches auf ein Metallsubstrat.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gemisch durch Lichtbogen-Spritzverfahren oder Gasflammspritzen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Metallsubstrat vor Aufbringen des Gemisches durch Sandstrahlen vorbehandelt wird.