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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Beschichten von Magnesium und insbesondere Verfahren zum Kaltsprühen und Wärmebehandeln von Magnesium.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt liefert auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation, die nicht notwendigerweise Stand der Technik darstellt.
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Magnesium und Magnesiumlegierungen weisen eine geringe Dichte, ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine hohe Steifigkeit auf, die sie zunehmend in verschiedenen Anwendungen verwendbar macht, wie beispielsweise in solchen für die Kraftfahrzeugindustrie und die Elektronikindustrie. Die Implementierung von Magnesium und Magnesiumlegierungen in verschiedenen Industriezweigen ist jedoch beschränkt, da die Materialien sehr empfindlich gegenüber Korrosion sind.
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Es wurden Schutzschichten verwendet, um die Korrosion zu verhindern, die Möglichkeiten zum Auftragen von Schutzschichten weisen jedoch Nachteile auf, welche die Verwendung von Magnesium und Magnesiumlegierungen verhindern. Beispielsweise haben sich verschiedene Beschichtungstechniken durchgesetzt, wie beispielsweise ein Kaltsprühen und eine Heißdiffusion. Das Kaltsprühen umfasst, dass Partikel bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Partikel auf ein Substrat gesprüht werden. Die kinetische Energie der kalt gesprühten Partikel bewirkt, dass sich die Partikel auf dem Substrat plastisch verformen. Die Kaltsprühtechniken weisen einen begrenzten Erfolg bei Magnesiumlegierungen auf. Ferner besitzen die Kaltsprühtechniken die Einschränkung einer unerwünschten Porosität der gesprühten Schicht, da die Schicht durch eine Anhäufung von Partikeln auf dem Substrat gebildet wird.
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Eine andere Beschichtungstechnik, die Heißdiffusion, wurde ebenso verwendet, bei welcher das Substrat in ein aufgeheiztes Pulver des Materials eingetaucht wird, das auf das Substrat aufgetragen werden soll. Die Heißdiffusion liefert eine gute Anhaftung der Beschichtung, die Mikrostruktur aufgetragenen Schutzschicht ist jedoch inkonsistent, was zu einer inkonsistenten Beschichtung und einem inkonsistenten Leistungsverhalten führt. Ferner erfordern die Heißdiffusionstechniken eine Verarbeitungstemperatur, die nahe an dem Schmelzpunkt des Substrats liegt, das beschichtet werden soll. Sollte die Wärme durch die Heißdiffusion ausreichend sein, um das Substrat zu verformen oder zu schmelzen, können die gewünschten Eigenschaften des Substrats auf unerwünschte Weise modifiziert werden oder verloren gehen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und stellt keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder aller ihrer Merkmale dar.
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Gemäß verschiedenen Aspekten sehen die vorliegenden Lehren Verfahren zum Beschichten eines Magnesiumsubstrats vor. Ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt wird auf einen Bereich des Magnesiumsubstrats kaltgesprüht. Ein korrosionsbeständiges Material wird über zumindest einen Abschnitt des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt kaltgesprüht, um ein beschichtetes Magnesiumsubstrat zu bilden. Das beschichtete Magnesiumsubstrat wird anschließend aufgeheizt.
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Gemäß noch anderen Aspekten sind Verfahren zum Anfertigen eines beschichteten Magnesiumsubstrats vorgesehen. Eine Barriereschicht wird aufgebaut, die ein plastisches verformtes Material mit niedrigem Schmelzpunkt oder Barrierematerial in zumindest einem Bereich des Magnesiumsubstrats umfasst. Es wird eine Überzugsschicht aufgebaut, die ein plastisch verformtes korrosionsbeständiges Metall, wie beispielsweise ein Aluminium- oder Zinkmaterial, über zumindest einem Bereich der Barriereschicht umfasst, um das beschichtete Magnesiumsubstrat zu bilden. Das beschichtete Magnesiumsubstrat wird zumindest bis zu einer Schmelztemperatur des Barrierematerials und/oder des Aluminium- oder Zinkmaterials aufgeheizt.
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Gemäß noch anderen Aspekten sind beschichtete Magnesiumsubstrate vorgesehen. Die beschichteten Magnesiumsubstrate umfassen ein Magnesiumsubstrat, ein kaltgesprühtes Material mit niedrigem Schmelzpunkt auf zumindest einem Abschnitt des Magnesiumsubstrats und ein kaltgesprühtes Schutzmaterial auf zumindest einem Abschnitt des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt.
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Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden. Die Beschreibung und die speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Darstellungszwecken gedacht und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Zwecken der Darstellung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Ausführungsformen, und sie sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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1 zeigt eine Teilansicht von beschichtetem Magnesium gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehren; und
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2A–2C zeigen verschiedene Anwendungen von Barrierematerialien gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehren.
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Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den verschiedenen Zeichnungsansichten entsprechende Teile an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben.
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Beispielhafte Ausführungsformen sind vorgesehen, sodass diese Offenbarung sorgfältig sein wird und Fachleuten den Umfang vollständig übermitteln wird. Es werden zahlreiche spezielle Details dargelegt, wie etwa Beispiele spezieller Komponenten, Einrichtungen und Verfahren, um für ein genaues Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu sorgen. Fachleute werden einsehen, dass spezielle Details nicht verwendet werden müssen, dass die beispielhaften Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert werden können und dass keine von diesen derart ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen werden wohlbekannte Prozesse, wohlbekannte Einrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich zu dem Zweck, spezielle beispielhafte Ausführungsformen zu beschreiben, und sie soll keine Einschränkung darstellen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen ”ein, eine” und ”der, die, das” derart vorgesehen sein, dass sie die Pluralformen ebenso umfassen, wenn der Zusammenhang nicht klar etwas anderes angibt. Die Ausdrücke ”umfasst”, ”umfassend”, ”einschließlich” und ”mit” sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten, sie schließen jedoch nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen von diesen aus. Die Verfahrensschritte, -prozesse und -vorgänge, die hierin beschrieben sind, sollen nicht derart ausgelegt werden, dass sie notwendigerweise ihre Ausführung in der speziellen Reihenfolge erfordern, die diskutiert oder dargestellt wird, wenn nicht eine Reihenfolge der Ausführung speziell angegeben ist. Es versteht sich auch, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
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Wenn ein Element oder eine Lage als ”auf”, ”in Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Lage bezeichnet wird, kann sich dieses bzw. diese direkt auf dem anderen Element oder der anderen Lage befinden, mit dem anderen Element oder der anderen Lage in Eingriff stehen, verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischen liegende Elemente oder Lagen vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegensatz dazu als ”direkt auf”, ”direkt in Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Lage bezeichnet wird, können keine dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Formulierungen, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf eine ähnliche Weise interpretiert werden (z. B. ”zwischen” gegenüber ”direkt zwischen”, ”benachbart” gegenüber ”direkt benachbart”, usw.). Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” eine beliebige oder alle Kombinationen eines oder mehrerer der dazugehörigen aufgelisteten Gegenstände.
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Obwohl die Ausdrücke erster, zweiter, dritter, usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Lagen und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Lagen und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt sein. Diese Ausdrücke können lediglich verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Lage oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, einer anderen Lage oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Ausdrücke wie beispielsweise ”erster”, ”zweiter” und andere numerische Ausdrücke implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, wenn sie hierin verwendet werden, wenn dies nicht klar durch den Zusammenhang angegeben wird. Daher könnte ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Lage oder ein erster Abschnitt, die nachstehend diskutiert werden, als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Lage oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
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Räumlich relative Ausdrücke, wie beispielsweise ”innerer”, ”äußerer”, ”unterhalb”, ”unter”, ”unterer”, ”oberhalb”, ”oberer” und dergleichen, können hierin zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements oder Merkmals mit einem anderen Element bzw. Elementen oder einem anderen Merkmal bzw. Merkmalen zu beschreiben, wie sie in den Figuren dargestellt sind. Räumlich relative Ausdrücke können dazu vorgesehen sein, unterschiedliche Ausrichtungen der Einrichtung bei der Verwendung oder bei Vorgängen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung zu umfassen. Wenn beispielsweise die Ausrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden Elemente, die als ”unter” oder ”unterhalb” anderer Elemente oder Merkmale beschrieben sind, anschließend ”oberhalb” der anderen Elemente oder Merkmale ausgerichtet sein. Daher kann der beispielhafte Ausdruck ”unter” sowohl eine Ausrichtung oberhalb als auch unterhalb umfassen. Die Einrichtung kann auf andere Weise ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder mit anderen Orientierungen), und die räumlich relativen Beschreibungselemente, die hierin verwendet werden, können dementsprechend interpretiert werden.
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”Ungefähr”, auf Werte angewendet, gibt an, dass die Berechnung oder der Messwert eine gewisse geringe Ungenauigkeit bezüglich des Werts zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit bezüglich des Werts; ungefähr oder auf vernünftige Weise nahe an dem Wert; nahezu). Wenn aus einem bestimmten Grund die Ungenauigkeit, die durch ”ungefähr” angegeben ist, in der Technik nicht auf andere Weise als mit dieser üblichen Bedeutung zu verstehen ist, dann gibt ”ungefähr”, wie es hierin verwendet wird, eine mögliche Schwankung von bis zu 5% des angegebenen Werts bzw. eine Varianz von 5% bezüglich üblicher Messverfahren an. Beispielsweise könnte eine Komponente mit ungefähr 10 Gew.-% zwischen 10 ± 0,5 Gew.-% variieren, was folglich von 9,5 bis 10,5 Gew.-% reicht.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein beispielhaftes beschichtetes Magnesium 10 vorgesehen. Das beschichtete Magnesium 10 umfasst ein Magnesium- oder Magnesiumlegierungssubstrat 12, eine Barriereschicht 14, einen Übergangsbereich 16 und eine Überzugsschicht 18. Die Barriereschicht 14 und die Überzugsschicht 18 liefern korrosionsbeständige Eigenschaften für das Magnesium. Gemäß verschiedenen Aspekten, und wie in der Beschreibung der Verfahren weiter ausführlich dargestellt ist, liefert das Kaltsprühen der Barriereschicht 14 und der Überzugsschicht 18 eine Struktur, die sich von beschichteten Magnesiummaterialien grundsätzlich unterscheidet, die unter Verwendung anderer Techniken angefertigt werden. Insbesondere wird die Verteilung der Materialien, welche die Barriereschicht 14 bilden, und der Materialien, welche die Überzugsschicht 18 bilden, im Vergleich zu anderen Auftragungstechniken verbessert. Außerdem ermöglicht das Kaltsprühen ferner, dass kombinierte Materialien aus der Barriereschicht 14 und der Überzugsschicht 18 bei einer niedrigeren Temperatur auf das Magnesiumsubstrat 12 aufgebracht werden. Indem ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt in der Barriereschicht 14 implementiert wird, ermöglicht die nachfolgende Wärmebehandlung eine Verteilung der Materialien, welche die Barriereschicht 14 bilden, und der Materialien, welche die Überzugsschicht 18 bilden, bei niedrigerer Temperatur. Insbesondere verhindert die verringerte Auftragungstemperatur für die Überzugsschicht 18 durch die Einbindung der dazwischenliegenden Barriereschicht 14 eine unerwünschte Veränderung des Barunterliegenden Magnesiumsubstrats 12, das gegenüber Wärme und Oxidation empfindlich ist. Ferner kann die Barriereschicht 14 mit der Oberfläche des Substrats 12 verschmelzen, wodurch ein gutes metallurgisches Anhaften an dem Substrat 12 gebildet wird. Dies ist auch ein zusätzliches Mittel, durch welches das darunterliegende Magnesiumsubstrat 12 geschützt wird. Die kombinierten Schichten 14 und 18 liefern ein besseres Haftvermögen, eine verringerte Porosität sowie eine verbesserte Lebensdauer und einen verbesserten Korrosionsschutz für das darunterliegende Substrat 12.
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Das Magnesiumsubstrat 12 ist aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung hergestellt. Das Magnesiumsubstrat 12 ist ”magnesiumbasiert”, oder mit anderen Worten besteht die Zusammensetzung hauptsächlich aus Magnesium mit im Allgemeinen mehr als 80 Gewichtsprozent an Magnesium. Wie vorstehend festgestellt wurde, ist Magnesium aufgrund seiner hohen Festigkeit und seines geringen Gewichts vorteilhaft. Die Empfindlichkeit von Magnesium gegenüber Korrosion und Wärme verhindert jedoch auf entmutigende Weise die Verwendung von Magnesium. Die Verfahren und die Vorrichtungen, die hierin ausführlich beschrieben sind, behandeln spezielle Probleme, die Magnesium und andere korrosionsempfindliche Materialien betreffen.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”Zusammensetzung” allgemein auf eine Substanz, welche zumindest die bevorzugten Metallelemente oder Metallverbindungen enthält, die aber auch zusätzliche Substanzen oder Verbindungen umfassen kann, einschließlich von Additiven und Verunreinigungen. Der Ausdruck ”Material” bezieht sich ebenso allgemein auf Materie, welche die bevorzugten Verbindungen oder die bevorzugte Zusammensetzung enthält.
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Das Magnesiumsubstrat 12 weist geeignete Abmessungen für die gewünschte Anwendung auf. Wenn das beschichtete Magnesium 10 beispielsweise als Teil einer tragbaren Elektronikeinrichtung verwendet werden soll, wird das Magnesiumsubstrat 12 im Allgemeinen die Dicke, Höhe und Breite, die für diese Verwendung erforderlich ist, und die Größenbeschränkungen der speziellen Einrichtung aufweisen. Im Gegensatz dazu würde ein größeres Magnesiumsubstrat 12 für ein Flächenelement für eine Fahrzeugkarosserie oder für ein Teil einer großen Maschine verwendet werden. Die Beschichtungen und Verfahren, die hierin ausführlich beschrieben sind, sind für eine Anwendung auf Magnesiumsubstrate mit unterschiedlichen Abmessungen geeignet.
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Unmittelbar benachbart zu dem Substrat 12 befindet sich die Barriereschicht 14. Die Barriereschicht 14 dient als eine Verbindungsschicht, um die Überzugsschicht 18 auf dem Substrat 12 zu sichern. Die Materialien, die für die Barriereschicht 14 verwendet werden, umfassen Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt. Wie hierin verwendet, weisen Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt einen Schmelzpunkt von gleich oder weniger als ungefähr 300 Grad Celsius auf, einschließlich aller Unterbereiche. Gemäß anderen Aspekten weist das Material mit niedrigem Schmelzpunkt einen Schmelzpunkt von größer als oder gleich ungefähr 50 Grad Celsius bis weniger als oder gleich ungefähr 200 Grad Celsius auf, einschließlich aller Unterbereiche. Der Schmelzpunkt ist im Allgemeinen geringer als der Schmelzpunkt des Materials der Überzugsschicht, wie hierin im Detail beschrieben wird. Beispielhafte Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt umfassen Antimon, Wismut, Cadmium, Blei, Zinn und Kombinationen oder Legierungen von diesen. Die Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt werden in Partikel- oder Pulverform geliefert, um die Auftragung durch Kaltsprühen zu erleichtern.
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Die Barriereschicht 14 weist eine Dicke von ungefähr einer Monolage bis zu einer Dicke von gleich oder weniger als 1 Millimeter auf, einschließlich aller Unterbereiche. Die Barriereschicht 14 umfasst ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt, das aufgrund der Kraft der Auftragung durch das Kaltsprühen auf dem Magnesiumsubstrat plastisch verformt wird. Die Barriereschicht 14 wird nicht auf dem Magnesiumsubstrat geschmolzen, wenn sie zuerst aufgetragen wird, sondern sie haftet unter Verwendung der kinetischen Kraft aufgrund der Sprühauftragung an dieser an.
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Zu 2A–2C übergehend, liegt die Barriereschicht 14 gemäß ausgewählten Aspekten in einer Vielzahl von nicht zusammenhängenden Formen oder als ein zusammenhängendes Element über dem Magnesiumsubstrat 12 vor. Diese nicht zusammenhängende Auftragung der Schicht 14 ist für den Fall vorgesehen, dass das Material mit niedrigem Schmelzpunkt in einigen Bereichen des Substrats 12 nicht zur Verwendung geeignet ist. Wie hierin verwendet, bezieht sich ”nicht zusammenhängend” auf das beabsichtigte Vorsehen von Bereichen mit unterschiedlicher Dicke oder Breite des Barrierenmaterials. Dies umfasst, dass das Barrierematerial benachbart zu freiliegendem Magnesium vorliegt. Wie in 2A gezeigt ist, besteht die Barriereschicht 14 aus einer Reihe von nicht zusammenhängenden Streifen 30. Die Streifen 30 sind durch Bänder 32 des freiliegenden Magnesiumsubstrats 12 separiert. Obgleich die Streifen 30 derart dargestellt sind, dass sie im Allgemeinen einheitlich bemessen und gleichmäßig beabstandet sind, versteht es sich, dass die Streifen 30 von unterschiedlicher Breite sein können und/oder dass sie ungleichmäßig beabstandet sein können.
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Zu 2B übergehend umfasst die Barriereschicht 14 eine Reihe von Punkten 40, die in einem nicht zusammenhängenden und ungleichmäßig beabstandeten Muster über das Magnesiumsubstrat 12 aufgetragen werden. Insbesondere decken die Punkte 40 das Magnesiumsubstrat 12 nicht ab, sondern sie sind derart begrenzt, dass sie nur über ungefähr ein Drittel des Magnesiumsubstrats 12 angeordnet sind. Gemäß noch anderen Aspekten kann der nicht zusammenhängende Bereich mehr als oder gleich 5% des Magnesiumsubstrats 12 oder weniger als oder gleich ungefähr 95% des Magnesiumsubstrats 12 abdecken, einschließlich aller Unterbereiche. Komplexere Formen als diejenigen, die dargestellt sind, oder Kombinationen verschiedener Muster oder Formen können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren auf einem einzigen Magnesiumsubstrat 12 verwendet werden.
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Als eine andere Alternative, und wie es in 2C gezeigt ist, ist die Barriereschicht 14 über die gesamte Oberfläche des Magnesiumsubstrats 12 zusammenhängend, das beschichtet werden soll. Gemäß noch anderen Aspekten wird eine zufällige Anordnung des Barrierematerials in Betracht gezogen.
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Gemäß verschiedenen Aspekten gibt es einen Übergang 16 zwischen der Barriereschicht 14 und der Überzugsschicht 18. Der Übergang 16 kann ein integraler Bestandteil der Barriereschicht 14 und/oder der Überzugsschicht 18 sein. Der Übergang 16 ist ein Bereich, in dem ein Konzentrationsgradient der Barrierematerialien und der Materialien der Überzugsschicht vorliegt. Insbesondere ist die Konzentration der Barrierematerialien unmittelbar benachbart zu der Barriereschicht 14 am höchsten, während die Konzentration der Materialien für die Überzugsschicht 18 unmittelbar benachbart zu der Überzugsschicht 18 am höchsten ist. Der Übergang 16 ermöglicht die Einbindung von Materialien der Überzugsschicht in die Barriereschicht 14, um die Materialien der Überzugsschicht auf dem Magnesiumsubstrat 12 zu sichern. Obgleich er als ein separates Element dargestellt ist, kann der Übergang 16 derart betrachtet werden, dass er als ein Teil entweder der Barriereschicht 14 und/oder der Überzugsschicht 18 gebildet ist. Das Ausmaß des Konzentrationsgradienten oder der Dicke des Übergangs 16 wird angesichts der Dicke jeder entsprechenden Schicht modifiziert, wie es in der Technik bekannt ist.
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Die Überzugsschicht 18 wird mit dem Magnesiumsubstrat 12 mittels der Barriereschicht 14 und des Übergangs 16 verbunden. Die Überzugsschicht 18 dient als eine Schutzschicht über der Barriereschicht 14, um sowohl die Barriereschicht 14 als auch das Magnesiumsubstrat 12 gegenüber Korrosion, Korrosion verursachenden Bedingungen und Rissen zu schützen. Die Überzugsschicht 18 weist eine Dicke von ungefähr einer Monolage bis zu einer Dicke von ungefähr 10 Millimetern auf, einschließlich aller Unterbereiche. Beispielsweise weist die Überzugsschicht 18 eine Dicke von ungefähr größer als oder gleich 100 Mikrometern bis weniger als oder gleich ungefähr 1 Millimeter auf, einschließlich aller Unterbereiche. Die Überzugsschicht 18 umfasst ein korrosionsbeständiges Material, das aufgrund der kinetischen Kraft der Auftragung durch das Kaltsprühen in zumindest einem Abschnitt des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt plastisch verformt wird, wie hierin nachstehend im Detail beschrieben ist.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”korrosionsbeständig” auf die Fähigkeit des Materials, dem Verschleiß standzuhalten, der dadurch verursacht wird, dass es der Umwelt ausgesetzt ist. Ein korrosionsbeständiges Material ist auch in der Lage, einem Testen durch Besprühen mit Salz oder Eintauchen in dieses standzuhalten. Ein beispielhafter Salzsprühtest ist in
ASTM B 117-07 mit dem Titel "Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus" als ein nicht einschränkendes Beispiel offenbart, das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingebunden ist.
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Beispielhafte Materialien für die Überzugsschicht 18 umfassen als nicht einschränkende Beispiele Aluminium und Aluminiumlegierungen. Gemäß noch anderen Aspekten umfassen die Materialen für die Überzugsschicht 18 Zink und Zinklegierungen. Im Allgemeinen weisen die Materialien für die Überzugsschicht 18 einen Schmelzpunkt auf, der höher als ein Schmelzpunkt der Barrierematerialien ist. Gemäß anderen Aspekten weisen die Materialien der Überzugsschicht denselben Schmelzpunkt wie das Barrierematerial auf.
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Wenn eine Zinklegierung oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird, kann die spezielle Legierung derart ausgewählt werden, dass sie einen Schmelzpunkt aufweist, der kleiner als der Schmelzpunkt des entsprechenden Magnesiums oder der entsprechenden Magnesiumlegierung ist, auf die es aufgetragen werden soll. Die Materialien zum Bilden der Überzugsschicht 18 werden gemäß verschiedenen Aspekten in Partikel- oder Pulverform geliefert, um die Auftragung der Materialien unter Verwendung des Kaltsprühens zu erleichtern.
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Die vorliegenden Lehren schaffen Verfahren zum Anfertigen von beschichtetem Magnesium 10. Gemäß verschiedenen Aspekten wird das Magnesiumsubstrat zur Vorbereitung der Beschichtung vorgereinigt, bevor das Barrierematerial oder das Schutzmaterial aufgetragen wird. Eine solche Reinigung dient typischerweise zum Entfernen beliebiger loser anhaftender Verunreinigungen, wie beispielsweise von Ölen, Fett, wachsförmigen Festkörpern, Partikeln (einschließlich von Metallpartikeln, Kohlenstoffpartikeln, Staub und Schmutz), Quarz, Zunder und Gemischen von diesen. Viele Verunreinigungen werden während der Herstellung des Metallmaterials hinzugefügt, und sie können sich auch während des Transports oder der Lagerung an der Oberfläche ansammeln. Daher ist die Vorreinigung in solchen Fällen nützlich, in denen das Substrat mit Verunreinigungen verschmutzt ist. Gemäß verschiedenen Aspekten umfasst die Vorreinigung eine mechanische Abtragung; eine Reinigung mit herkömmlichen alkalischen Reinigern, Tensiden oder Waschungen mit milder Säure; oder eine Ultraschallreinigung. Die Auswahl des geeigneten Reinigungsprozesses oder einer Sequenz von Reinigungsprozessen wird basierend sowohl auf der Natur der Verunreinigung als auch des Substrats ausgewählt. Metalloxide können durch Plasmaätzen oder durch Sputtering entfernt werden. Ein beliebiges Verfahren zum Entfernen von Oxiden, das einem Fachmann bekannt ist und dass die physikalischen Eigenschaften des Metalls nicht schädlich beeinflusst, liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
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Zuerst wird ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt auf einen Bereich des Magnesiumsubstrats 12 kaltgesprüht. Dieses Sprühen schafft die Barriereschicht 14, wie vorstehend detailliert beschrieben ist. Das Kaltsprühen wird ausgeführt, indem ein Pulver- oder Partikelmaterial des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt in die Zuführung einer Sprühpistole eingebracht wird. Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein standardmäßiger De-Laval-Typ einer Düse verwendet werden. Ein Arbeitsabstand für das Sprühen wird bei einer geeigneten Distanz für das Auftragen aufrecht erhalten, wie es in der Technik bekannt ist. Beispielsweise beträgt der Arbeitsabstand gemäß verschiedenen Aspekten ungefähr 10 bis ungefähr 50 Millimeter, einschließlich aller Unterbereiche. Die Sprühpistole wird anschließend eingeschaltet oder aktiviert, um die Partikel auf eine ausreichende Geschwindigkeit zu beschleunigen, um eine plastische Verformung der Partikel zum Bilden der Barriereschicht 14 zu bewirken. Ein Computerprogramm oder eine Software kann verwendet werden, um die Beschichtungen exakt zu reproduzieren oder um die Auftragung von Mustern zu vereinfachen.
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Insbesondere wird die Barriereschicht 14 allein unter Verwendung der kinetischen Kraft während dieses Teils des Prozesses auf das Magnesiumsubstrat 12 aufgebracht. Das Kaltsprühen wird durch ein reaktionsträges Treibgas unterstützt, um eine Oxidation des Magnesiumsubstrats 12 zu verhindern. Beispielhafte reaktionsträge Treibgase umfassen diejenigen, die in der Technik bekannt sind, wie beispielsweise Stickstoff- oder Argongas als nicht einschränkende Beispiele.
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Da Partikel oder Pulver unter Verwendung des Kaltsprühens aufgetragen werden, treten Zwischenräume oder Poren auf, die sich zwischen einigen der Partikel bilden. Beispielsweise gibt es bei der Auftragung der Barriereschicht 14, wie sie in 2C dargestellt ist, einige Poren in der Barriereschicht 14, obgleich die Barriereschicht 14 zusammenhängend über das Magnesiumsubstrat 12 vorliegt. Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehren tritt diese Porosität separat von dem nicht zusammenhängenden Element auf.
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Um die Barriereschicht 14 zu schaffen, wie sie in 2A und 2B dargestellt ist, werden die Bereiche, die nicht durch das Material mit dem niedrigen Schmelzpunkt bedeckt werden sollen, maskiert, um eine Auftragung des Materials auf solche Bereiche zu verhindern. Nach dem Sprühen wird die Maskierung entfernt, um das darunterliegende Magnesiumsubstrat 12 mit den diskreten Bereichen des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt freizulegen. Gemäß noch anderen Aspekten können die nicht zusammenhängenden Bereiche gebildet werden, indem die Sprühung selektiv aufgetragen wird. Um beispielsweise das Muster von 2A herzustellen, wird ein erster Streifen 30 auf das Magnesiumsubstrat 12 gesprüht. Die Strömung des Materials wird anschließend unterbrochen, bis die Sprühpistole bei einer zweiten Position beabstandet von dem ersten Streifen angeordnet ist (wodurch ein Band 32 freigelassen wird), und anschließend wird das Sprühen wieder aufgenommen, um den zweiten Streifen zu erzeugen. Dies wird wiederholt, um das gewünschte Muster oder eine zufällige Anordnung des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt zu schaffen.
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Das Maskieren ist auch verwendbar, um mehr als ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt als die Barriereschicht 14 einzubinden oder selektiv anzuordnen. Beispielsweise kann eine Reihe von Punkten durch Maskieren geformt werden, indem ein erstes Material mit niedrigem Schmelzpunkt aufgetragen wird, und eine Reihe von zufälligen Zickzack-Formen kann anschließend über oder benachbart zu den Punkten maskiert werden, um ein zweites Material mit niedrigem Schmelzpunkt aufzutragen. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von regelmäßigen, unregelmäßigen und/oder zufälligen Formen und/oder eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt kombiniert werden können, um die Barriereschicht 14 zu bilden.
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Die Dicke der Barriereschicht 14 wird gesteuert, indem die Menge der Zuführung in die Sprüheinrichtung moduliert wird oder indem das Sprühen wiederholt wird, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Gemäß noch anderen Aspekten wird die Dicke der Barriereschicht 14 über das Magnesiumsubstrat 12 variiert, indem ein Bereich mit einer größeren Sprühkonzentration ”aufgebaut wird”.
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Optional werden das Magnesiumsubstrat 12 und die Barriereschicht 14 nach dem Auftragen der Barriereschicht 14 und vor dem Auftragen der Überzugsschicht 18 einer Wärmebehandlung ausgesetzt. Gemäß verschiedenen Aspekten umfasst die Wärmebehandlung, dass die Barriereschicht 14 und das Magnesiumsubstrat 12 in einem Ofen oder mittels eines anderen Verfahrens aufgeheizt werden, um die Barriereschicht 14 und das Magnesiumsubstrat 12 auf eine Temperatur geringer als ungefähr 250 Grad Celsius aufzuheizen, einschließlich aller Unterbereiche. Diese Temperatur ist geeignet, um das Material mit niedrigem Schmelzpunkt zu schmelzen, während das Magnesiumsubstrat 12 nicht schmilzt und auch nicht aufgeweicht wird. Gemäß noch anderen Aspekten ist die Temperatur geeignet, um das Aufweichen des Magnesiumsubstrats 12 zu verhindern.
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Nach dem Auftragen der Barriereschicht 14 wird die Überzugsschicht 18 aufgetragen. Das Aluminium- oder Zinkmaterial wird über zumindest einen Abschnitt der Barriereschicht 14 kaltgesprüht, um das beschichtete Magnesiumsubstrat 10 zu bilden. Ein nicht zusammenhängendes Muster oder eine zufällige Ausrichtung der Überzugsschicht 18 wird unter Verwendung derselben Maskierungs- oder selektiven Sprühtechniken erreicht, wie sie vorstehend für die Barriereschicht 14 ausführlich beschrieben sind. Die Dicke der Überzugsschicht 18 wird gesteuert, indem die Menge der Zuführung in die Sprüheinrichtung moduliert wird oder indem das Sprühen wiederholt wird. Gemäß noch anderen Aspekten wird die Dicke der Überzugsschicht 18 variiert, indem ein Bereich mit einer größeren Sprühkonzentration benachbart zu einem Bereich ”aufgebaut wird”, der eine geringere Konzentration der Materialien der Überzugsschicht aufweist.
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Der Übergang 16 wird teilweise gebildet, wenn das Aluminium- oder Zinkmaterial über die Barriereschicht 14 kaltgesprüht wird. Das Aluminium- oder Zinkmaterial für die Überzugsschicht 18 gelangt in die Zwischenräume, die in der Barriereschicht 14 aufgrund dessen auftreten, das Material mit niedrigen Schmelzpunkt in Pulverform auf das Magnesiumsubstrat 12 aufgetragen und anschließend plastisch verformt wird. Gemäß verschiedenen Aspekten wird der Übergang 16 während der Kaltsprühung durch Verwendung eines dosierten Gemischs des Barrierematerials und des Materials der Überzugsschicht gebildet. Die relativ dosierten Mengen des Barrierematerials und des Materials der Überzugsschicht werden während des Auftragens durch Kaltsprühen allmählich verändert, um den Übergang 16 zu bilden.
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Das beschichtete Magnesium 10 wird anschließend auf eine Temperatur geringer als oder gleich 250 Grad Celsius aufgeheizt, um zu bewirken, dass das kaltgesprühte Material mit niedrigem Schmelzpunkt schmilzt und die Grenzschicht für das Magnesiumsubstrat 12 zu dem Aluminium- oder Zinkmaterial liefert. Dies unterstützt auch die Bildung des Übergangs 16. Das Aufheizen dient auch zum Aufweichen oder zum Schmelzen des korrosionsbeständigen Aluminium- oder Zinkmaterials und zum Schaffen des beschichteten Substrats. Das Aufheizen kann bis zu einer Temperatur erfolgen, die kleiner als der niedrigere von dem Schmelzpunkt des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt oder dem Schmelzpunkt des Materials der Überzugsschicht oder gleich diesem ist. Gemäß verschiedenen Aspekten erfolgt das Aufheizen bis zu einer Temperatur, die zwischen dem Schmelzpunkt des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt und dem Schmelzpunkt des Materials der Überzugsschicht liegt.
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Nachdem das beschichtete Magnesiumsubstrat 10 aufgeheizt ist, wird es in einem gesteuerten Prozess abgekühlt, wie beispielsweise durch eine Wärmebehandlungs-Aushärtung oder durch ein Glühen. Der gesteuerte Abkühlprozess modifiziert ferner die Mikrostruktur der Beschichtung. Gemäß anderen Aspekten wird das beschichtete Magnesiumsubstrat abgekühlt, indem es Luft ausgesetzt wird, indem es in Öl eingetaucht wird oder indem es in Wasser eingetaucht wird. Das Aussetzen oder Eintauchen ermöglicht eine schnelle Abkühlung zum Aushärten der Barriereschicht 14 und der Überzugsschicht 18, um das Magnesiumsubstrat 12 gegen Korrosion zu schützen.
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Gemäß noch anderen Aspekten sind Verfahren zum Anfertigen eines beschichteten Magnesiumsubstrats vorgesehen. Die Barriereschicht 14 wird unter Verwendung eines plastisch verformten Barrierematerials auf zumindest einem Bereich des Magnesiumsubstrats 12 aufgebaut. Die Überzugsschicht 18 wird unter Verwendung eines plastisch verformten Aluminium- oder Zinkmaterials über zumindest einem Bereich der Barriereschicht 14 aufgebaut, um das beschichtete Magnesiumsubstrat 10 zu bilden. Das beschichtete Magnesiumsubstrat 10 wird zumindest auf eine Schmelztemperatur des Barrierematerials und/oder des Aluminium- oder Zinkmaterials aufgeheizt.
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Das Aufbauen der Barriereschicht 14 umfasst, dass das Barrierematerial auf das Magnesiumsubstrat 12 kaltgesprüht wird. Die Barriereschicht 14 wird als eine zusammenhängende Schicht über das Magnesiumsubstrat 12 aufgetragen, wie es in 2C gezeigt ist, oder es wird die Barriereschicht als eine nicht zusammenhängende Schicht aufgetragen, die nicht eine gesamte Oberfläche des Magnesiumsubstrats 12 bedeckt, wie es in 2A und 2B gezeigt ist. Das Aufbauen der Überzugsschicht 18 umfasst, dass das Material der Überzugsschicht über die Barriereschicht 14 oder das Magnesiumsubstrat 12 oder direkt über das Magnesiumsubstrat 12 kaltgesprüht wird. Eine Anhäufung von Partikeln, die durch wiederholtes Kaltsprühen bewirkt wird, verursacht die erhöhte Dicke der Schicht.
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Gemäß verschiedenen Aspekten enthält der Bereich zwischen der Barriereschicht 14 und der Überzugsschicht 18 keinen Übergang 16. Gemäß anderen Aspekten ist der Übergang 16 zwischen der Barriereschicht 14 und der Überzugsschicht 18 vorgesehen. Wenn beispielsweise eine einzelne Sprühpistole oder eine einzelne Zufuhrleitung verwendet wird, würde das Aluminium- oder Zinkmaterial ohne irgendeine Reinigung in die Sprühpistole oder in die einzelne Zufuhrleitung eingefüllt werden, um das Aluminium oder Zink von dem Material mit niedrigem Schmelzpunkt abzusondern. Dies bewirkt, dass ein Wechsel in der Konzentration auftritt, die aus der Pistole gesprüht wird. Um eine abrupte Grenzfläche zu schaffen, die frei von einem Übergang ist oder einen minimalen Übergang aufweist, werden eine separate Sprühpistole und/oder Zufuhrleitung verwendet, oder es werden die Einrichtungen zwischen den Verwendungen geeignet gereinigt, um eine Mischverunreinigung zu verhindern.
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Wie vorstehend im Detail dargestellt wurde, wird durch das Aufheizen des Magnesiumsubstrats 12 mit der Barriereschicht 14 und der Überzugsschicht 18 auf diesem eine einheitliche Beschichtung erreicht. Das Aufheizen erfolgt bis zu einer Temperatur, bei der die Barriereschicht 14 und das Substrat 12 miteinander verschmelzen und bei der auch die Überzugsschicht 18 und die Barriere 14 aufgeweicht werden, so dass diese teilweise oder vollständig miteinander verschmelzen. Dies schafft die synergetischen Vorteile der Anhaftung für die Beschichtung, die im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungstechniken allein viel haltbarer ist.
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Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zu Zwecken der Darstellung und Beschreibung vorgesehen. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese Ausführungsform begrenzt, sondern sie sind austauschbar, wo dies anwendbar ist, und sie können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, sogar wenn diese nicht speziell oder geschrieben ist. Dieselbe kann auch auf viele Weisen abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sollen nicht als ein abweichen von der Offenbarung angesehen werden, und alle solche Modifikationen sollen innerhalb des Umfangs der Offenbarung umfasst sein.
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BEISPIELE
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Ein Magnesiumsubstrat wird mit einem Material mit niedriger Schmelztemperatur kaltgesprüht, das Zinnpulver enthält. Die metallurgisch mit dem Magnesiumsubstrat verbundene Schicht wird bei ungefähr 250 Grad Celsius gebildet, was äquivalent zu einer Aushärtungstemperatur ist. Das Magnesiumsubstrat wird anschließend mit einem Aluminiumpulver kaltgesprüht, um eine schützende Überzugsschicht zu schaffen. Das Beschichten des Magnesiumsubstrats mit dem Zinn vor dem Auftragen des Aluminiums verringert mittels des verringerten Schmelzpunkts der dazwischenliegenden Zinn-Barriereschicht die Temperatur, die für eine metallurgische Verbindung des Aluminiums mit dem Substrat erforderlich ist. Eine herkömmliche kaltgesprühte Aluminiumbeschichtung ohne das dazwischenliegende Material mit niedriger Schmelztemperatur bildet eine metallurgische Verbindungsschicht mit dem Magnesiumsubstrat bei ungefähr 400 Grad Celsius.
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Die verringerte Auftragungstemperatur für das Aluminium verhindert durch das Einbinden der zwischenliegenden Zinn-Barriereschicht eine Modifikation des darunterliegenden Magnesiumsubstrats, da Magnesium gegenüber Wärme und Oxidation empfindlich ist. Ferner verhindert die verringerte Auftragungstemperatur kleine Risse in dem formgegossenen Magnesium-Legierungssubstrat. Die Barriereschicht ist ein zusätzliches Mittel, durch das das darunterliegende Magnesiumsubstrat geschützt wird, indem die Porosität der Überzugsschicht begrenzt wird. Die Überzugsschicht oder Schutzschicht zeigt ein besseres Haftvermögen, eine verringerte Porosität und eine verbesserte Lebensdauer sowie einen verbesserten Korrosionsschutz für das darunterliegende Substrat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ASTM B 117-07 mit dem Titel ”Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus” [0033]
