DE102012216874A1

DE102012216874A1 - Korrosionsbeständiges Magnesiumerzeugnis und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102012216874A1
Application number: DE201210216874
Authority: DE
Inventors: Anil K. Sachdev; Jon T. Carter; Blair E. Carlson; Guangling Song
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: US20130078480A1; DE102012216874B4; US9096035B2; CN103009700B; CN103009700A

Abstract

Die Korrosionsbeständigkeit von geformten und gestalteten Magnesiumlegierungs-Blecherzeugnissen kann verbessert werden, indem auf das Erzeugnis eine im Wesentlichen riss- und porenfreie Schicht aus einem dehnbaren Metall zumindest an ausgewählten Oberflächen und geschnittenen oder abgescherten Rändern aufgetragen wird. Ein beispielhaftes dehnbares Metall kann Aluminium oder dessen Legierungen sein. Es werden zwei Verfahren zum Auftragen einer solchen Schicht aus einem dehnbaren Metall beschrieben. Ein Verfahren ist für ausgedehnte Flächen der Oberfläche des Magnesiumlegierungsblechs geeignet und wird vor dem Stanzen des Erzeugnisses angewendet, während ein zweites Verfahren, das für geschnittene oder abgescherte Ränder geeignet ist, zur Anwendung vorgesehen ist, nachdem das Erzeugnis vollständig gebildet ist. Es wird die Einbindung beider Verfahren in herkömmliche Prozesse zum Stanzen eines Blechmetalls beschrieben, um das korrosionsbeständige, geformte Magnesiumerzeugnis zu bilden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungserzeugnissen und insbesondere von Blechen und gestanzten Erzeugnissen aus Magnesiumlegierungen durch die Auftragung einer korrosionsbeständigen dehnbaren Metallbeschichtung zumindest auf die Oberfläche des Erzeugnisses und für Bleche und gestanzte Erzeugnisse ebenso auf den Rand des Erzeugnisses. Die dehnbare Metallbeschichtung wird mechanisch bearbeitet, um diese glatt und im Wesentlichen riss- und porenfrei zu machen, so dass sie als eine effektive Barrierebeschichtung dienen und den Zugang für einen Elektrolyt zu dem Magnesiumerzeugnis verhindern kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Magnesiumbasierte Legierungen, die mehr als 85 Gew.-% Magnesium enthalten, können für Kraftfahrzeuganwendungen in nützlich geformte Erzeugnisse geformt werden. Die niedrige Dichte solcher geformter Magnesiumerzeugnisse bietet die Möglichkeit für eine Massenverringerung eines Fahrzeugs und für eine signifikante Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs. Mg-Legierungen zeigen jedoch eine schlechte Korrosionsbeständigkeit, sowohl gegenüber einer allgemeinen Korrosion als auch gegenüber einer galvanischen Korrosion, wenn sie mit einem unähnlichen Metall in Kontakt gelangen. Eine solche schlechte Beständigkeit gegenüber Korrosion insbesondere gegenüber der galvanischen Korrosion, begrenzt ihre weitere Anwendung signifikant, beispielsweise als gestanzte Komponenten in Kraftfahrzeugkarosserien, die üblicherweise Stahl und Aluminium beinhalten.
In vielen Fällen kann die Korrosionsbeständigkeit eines Erzeugnisses durch die Auftragung einer oder mehrerer Barriereschichten verbessert werden, die dafür vorgesehen sind, einen Kontakt der korrosiven Umgebung mit dem Erzeugnis auszuschließen und dadurch eine bessere Langlebigkeit des Produkts in korrosiven Umgebungen sicherzustellen. Bei der Herstellung einer Kraftfahrzeugkarosserie werden solche Beschichtungen, die Lacke und andere organische Beschichtungen umfassen können, oft auf eine montierte Kraftfahrzeugkarosserie aufgetragen. Im Prinzip ist ein solcher Ansatz ebenso auf Magnesiumlegierungen anwendbar, Magnesiumlegierungen sind jedoch mit vielen üblicherweise verwendeten Prozessen zur Beschichtung einer Kraftfahrzeugkarosserie nicht besonders verträglich.
Was daher notwendig ist, ist eine effiziente und leicht auszuführende Technik, um die Oberflächenzusammensetzung von Magnesiumlegierungskomponenten zu modifizieren, insbesondere um solche Komponenten korrosionsbeständiger zu machen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei der Herstellung von gestanzten Blechmetallerzeugnissen wird ein Blech oder ein Rohling mit vorbestimmten Abmessungen, das bzw. der aus einer kontinuierlichen Länge eines Blechs und größer als die Abmessung des vorgesehenen gestanzten Erzeugnisses herausgeschnitten wird, durch eine Abfolge von Arbeitsschritten in ein gestanztes Blechmetallerzeugnis verarbeitet. Der Rohling wird zuerst zwischen Formwerkzeugen in einer Formpresse ”gezogen” oder geformt oder gestaltet, um die Form des endbearbeiteten Erzeugnisses zu erhalten. Da nur ein Teil der Rohlingsfläche geformt wird, wird das überschüssige Blechmetall von dem Teil mit Übergröße abgeschnitten, üblicherweise durch Abscheren unter Verwendung von Schneid- oder Abgratwerkzeugen, die in einer anderen Presse angebracht sind. Oft wird das Erzeugnis zusätzlichen Arbeitsschritten ausgesetzt, wie beispielsweise dem Biegen zum Formen eines Flansches oder dem Abstanzen zum Einarbeiten eines oder mehrerer Löcher oder Öffnungen, wobei jeder Arbeitsschritt in weiteren, zusätzlichen Pressen und jeweils mit einem Werkzeugsatz ausgeführt wird, der für den vorliegenden Arbeitsschritt geeignet ist.
Wenn die Korrosion des gestanzten Erzeugnisses ein Problem darstellt, kann eine Schutzbeschichtung aus einer kontinuierlichen Barriereschicht auf die Rohlingsoberflächen aufgetragen werden, um den Zugang eines Elektrolyten zu dem Erzeugnis zu verhindern. Für einen dauerhaften Schutz über die Lebensdauer des Erzeugnisses darf eine beliebige solche Beschichtung an sich natürlich in den erwarteten korrosiven Umgebungen im Wesentlichen nicht korrodierbar sein. Eine solche Oberflächenbeschichtung wird jedoch an den geschnittenen oder abgescherten Rändern, die erzeugt werden, wenn das überschüssige Blechmetall von dem geformten Rohling abgeschnitten wird, nicht als Schutz gegenüber Korrosion wirksam sein. Ebenso korrodieren kalt bearbeitete Ränder, wie diejenigen, die durch Abscheren erzeugt werden, oft intensiver als die Blechoberflächen, wodurch das Fehlen einer Beschichtung an dem abgescherten Rand verschlimmert wird. Daher kann es für einen vollständigen Schutz des Erzeugnisses gegenüber Korrosion notwendig sein, die Rohlingsoberflächen zuerst zu beschichten, das Erzeugnis zu stanzen, das Erzeugnis abzugraten und abzustanzen und anschließend beliebige freiliegende Ränder des Erzeugnisses zu beschichten. Die Notwendigkeit, den Rohling zu stanzen, gekoppelt mit der Notwendigkeit, eine kontinuierliche Barriereschicht aufrechtzuerhalten, begrenzt die Auswahl von Barriereschichtmaterialien auf Materialien, die eine Elongation durch Zug zumindest so groß wie das Erzeugnismaterial zeigen, und auf solche, die nicht abblättern oder abgetragen werden, wenn sie in Kontakt mit der Werkzeugoberfläche verformt werden.
Das Stanzen vieler Metalle, insbesondere von Aluminiumlegierungen und Stählen, wird bei Umgebungs- oder Raumtemperatur zwischen ungefähr 20°C und 30°C ausgeführt. Es ist bekannt, dass die Dehnbarkeit der meisten Metalle mit einer Zunahme in der Temperatur zunimmt, und daher kann für komplexere, stark gedehnte Blechmetallerzeugnisse ein Warmformen oder Warmstanzen ausgeführt werden. Das Warmformen kann bei Temperaturen zwischen 200°C und 400°C ausgeführt werden, wobei die spezielle Temperatur in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Mikrostruktur des Blechs und der Komplexität des Erzeugnisses ausgewählt wird. Magnesium weist nur eine begrenzte Dehnbarkeit bei Umgebungstemperatur auf, und daher kann es erforderlich sein, dass sogar mäßig gedehnte Magnesiumerzeugnisse warmgeformt werden. Dies bedeutet eine weitere Anforderung bei der Auswahl einer geeigneten Barrierebeschichtung.
Magnesium und magnesiumbasierte Legierungen, die 85 Gew.-% Magnesium oder mehr enthalten, sind die am meisten korrodierbaren der Strukturmetalle und werden am häufigsten durch eine Auftragung von Barrierebeschichtungen geschützt. Nur eine begrenzte Anzahl von Typen der Barrierebeschichtungen genügen den Anforderungen, dass sie selbst korrosionsbeständig, unter den typischen Stanzverfahren widerstandsfähig, mindestens so dehnbar wie Magnesium und mit Verfahren zum Warmformen verträglich sind. Ein geeigneter Kandidat ist metallisches Aluminium, im Wesentlichen nicht legiertes Aluminium, obgleich ausgewählte Aluminiumlegierungen akzeptierbar sein können. Nicht legiertes Aluminium ist ein Aluminiummetall, zu dem Legierungselemente nicht absichtlich hinzugefügt wurden, das jedoch, genauso wie die Aluminiumlegierungen, Verunreinigungen enthalten kann. Beispielhafte repräsentative Zusammensetzungen können als die Legierungen der Serie 1000 gemäß der Aluminium Association klassifiziert werden und enthalten zumindest 99% Aluminium. Vorzugsweise werden Verunreinigungsniveaus, insbesondere von Kupfer und Eisen, so niedrig wie möglich gehalten. Zinkbasierte Beschichtungen können ebenso verwendet werden. Zusätzlich zu ihren Vorteilen bezüglich des Korrosionsverhaltens liefern solche elektrisch leitfähige Beschichtungen vorteilhafterweise einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen kontaktierenden Komponenten, die bei gewissen Karosserie-Lackierungsprozessen erforderlich sein können.
Bei einer Ausführungsform kann eine Beschichtung durch Beschichten mittels Kaltsprühen aufgetragen werden, ein Prozess, der für die Auftragung von dehnbaren Metallen, wie beispielsweise Aluminium und seine Legierungen, gut geeignet ist. Das Beschichten mittels Kaltsprühen verwendet ein komprimiertes, aufgeheiztes Gas bei einem Druck zwischen 2,5 und 4,5 MPa, um einen Strahl aus trockenen, feinen Pulverpartikeln von 5 bis 200 Mikrometern mit sehr hohen Geschwindigkeiten (500–1500 m/s) aus einer Düse und gegen ein Substrat auszustoßen, das zwischen 6 mm und 25 mm von der Düse entfernt angeordnet sein kann. Beim Aufprall auf das Substrat und/oder auf zuvor aufgebrachte Partikel werden die Partikel mit einer hohen Dehnungsrate verformt und in Querrichtung ausgebreitet, um ein abgeflachteres Aussehen anzunehmen, so dass die anfängliche Partikelgröße nicht einfach mit der Dicke der aufgebrachten Schicht in Beziehung gesetzt werden kann. Obgleich Luft als das Treibgas verwendet werden kann, ist es bevorzugt, ein reaktionsträges Gas zu verwenden, um die Oxidation zu unterdrücken, und es werden üblicherweise Helium, Stickstoff und Helium-Stickstoff-Gemische verwendet. Die Breite der Auftragung, die von der Düsenkonstruktion abhängt, kann zwischen 2 und 12 Millimeter betragen. Die Pulverpartikel werden nur mäßig aufgewärmt. Beim Aufprall auf ein Substrat werden sie verformt und verbinden sich mit sich selbst und dem Magnesiumsubstrat, um eine poröse, raue, manchmal rissige Beschichtung im festen Zustand zu bilden. Die Partikel bleiben während des Beschichtungsprozesses fest und sind relativ kalt, und daher bleibt die Substrattemperatur niedrig und überschreitet nur kurzzeitig 200°C, so dass eine geringe oder keine metallurgische Veränderung während des Beschichtungsprozesses durchlaufen wird. Mit einem reaktionsträgen Treibgas tritt eine geringe Partikeloxidation auf, und es erfolgt eine im Wesentlichen oxidfreie Auftragung. Indem das Substrat relativ zu der Düse bewegt wird, kann das Substrat über seine gesamte Oberfläche oder nur über einen Abschnitt seiner Oberfläche beschichtet werden. Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 100 Millimetern pro Sekunde können verwendet werden. Diese Fähigkeit kann zum Vorteil verwendet werden, wenn Magnesium mit einem unähnlichen Metall verbunden wird, was zu einer galvanischen Korrosion führen kann. Indem nur solche Abschnitte des Magnesiumblechs selektiv beschichtet und bearbeitet werden, die mit dem anderen Metall in Kontakt stehen können, kann eine beliebige galvanische Korrosion ohne übermäßige Verarbeitung minimiert werden. Für die allgemeine Korrosion kann es geeignet sein, die gesamte Oberfläche zu beschichten.
Die Schicht ist nach der Sprühung typischerweise rau und porös und weist geeigneterweise mittlere Dicken von zumindest 40 Mikrometern auf. Die Schicht wird bis zu einer beliebigen gewünschten Dicke aufgetragen, eine maximale Beschichtungsdicke von ungefähr 400 Mikrometern liefert jedoch im Allgemeinen ein befriedigendes Korrosionsverhalten, und eine weitere Zunahme in der Dicke der Beschichtungslage bietet eine nur minimale zusätzliche Verbesserung im Korrosionsverhalten. Eine typische durch Sprühen aufgetragene Beschichtung kann geeigneterweise zumindest eine Dicke von mehreren Pulverpartikeln aufweisen, obwohl eine einheitlichere Beschichtung durch Verringern der Partikelgröße erreicht werden kann, um eine größere Anzahl von Partikeln in der gewünschten Beschichtungsdicke unterzubringen. Die Schicht kann nach dem Sprühen unter Verwendung eines rotierenden, widerstandsfähigen Werkzeugs bearbeitet werden, um eine glatte, im Wesentlichen porenfreie Schicht von im Wesentlichen einheitlicher Dicke zu bilden. Das Werkzeug, das beispielsweise aus Werkzeugstahl hergestellt ist, kann unter Druck auf die Blechoberfläche angewendet werden und die Oberfläche überqueren, wodurch Reibungswärme erzeugt wird, wenn dies erfolgt. In Abhängigkeit von den Prozessbedingungen kann lediglich die Beschichtung verformt werden, unter bestimmten Prozessbedingungen kann jedoch die Kombination der Reibungswärme und der Umrührbewegung durch das Werkzeug das mechanische Vermischen des Magnesiumlegierungssubstrats und der aluminiumbasierten Beschichtung fördern. Diese Vermischung ist im allgemeinen wünschenswert, um die mechanische Verzahnung zwischen dem Substrat und der Beschichtung weiter zu verbessern, unter der Voraussetzung, dass nur eine mäßige Verdünnung oder Legierung des Aluminiums durch Magnesium erfolgt. Geeigneterweise sollte die Beschichtung nicht mehr als ungefähr 20 Gew.-% Magnesium enthalten, wenn sie ihre Effektivität bezüglich des Unterdrückens der Korrosion behalten soll.
Das Werkzeug kann die Form eines festen Zylinders von ungefähr 50 Millimetern im Durchmesser oder weniger aufweisen und um seine Zylinderachse rotieren, wobei ein Zylinderende derart mit dem Substrat in Kontakt steht, dass eine. gewisse Aufheizung durch Reibung erfolgt, um die Oberfläche geschmeidiger zu machen. Indem das Werkzeug bei einer Drehzahl von etwa 1000–1500 U/min rotiert und das Werkzeug mit Geschwindigkeiten zwischen 500 und 2000 Millimetern pro Minute unter einem Normaldruck zwischen 200 und 400 Pounds (1378,95 und 2757,90 kPa) vorgeschoben wird, kann die Beschichtung geglättet und im Wesentlichen porenfrei gemacht werden. Es kann bevorzugt sein, das Zylinderende, das die Beschichtung berührt, leicht konvex zu machen und die Rotationsachse des Werkzeugs bezüglich der Oberflächennormalen des Magnesiumblechs zu neigen. Die Werte der Betriebsparameter, die in diesem und den nachfolgenden Abschnitten verwendet werden, sind für ein geeignetes Verfahren repräsentativ, sie sollen jedoch weder einschränkend noch optimal sein.
Die Schicht kann nach der Sprühung durch den Kontakt mit einem widerstandsfähigen zylindrischen Werkzeug geglättet werden, das um seine Achse rotiert, bei dem jedoch die zylindrische Fläche mit der Beschichtung in Kontakt steht. Indem ein solches zylindrisches Werkzeug die Oberfläche der Schicht nach der Sprühung unter Druck mit einer Geschwindigkeit überquert, die deutlich kleiner als die Oberflächengeschwindigkeit des Zylinders ist, kann die Schicht nach der Sprühung bearbeitet und geglättet werden. Geeigneterweise kann die Vorschubgeschwindigkeit des Zylinders zwischen 5 und 10% der Oberflächengeschwindigkeit des Zylinders betragen, so dass die Schicht eine geeignete Aufheizung durch Reibung erfährt, um das Bilden einer glatten und im Wesentlichen porenfreien Beschichtung zu bewirken. Noch geeigneter kann die Vorschubrichtung des Zylinders entgegengesetzt zu der Richtung der Oberflächendrehung des Werkzeugs verlaufen. Geeignete Betriebsbedingungen für ein zylindrisches Werkzeug mit 50 Millimetern Durchmesser und 100 Millimeter Länge können einen ausgeübtem Druck zwischen 100 und 200 Pounds (689,48 und 1378,95 kPa), eine Rotationsgeschwindigkeit von ungefähr 600 U/min und Vorschubgeschwindigkeiten zwischen 3 und 6 Metern pro Minute umfassen.
Mit einer geeigneten Gelenkverbindung kann dieser Prozess natürlich auch auf ein gegossenes oder auf andere Weise geformtes Magnesiumerzeugnis angewendet werden, das robust genug ist, um die Werkzeuglast ohne Beschädigung oder Umformung des Erzeugnisses auszuhalten. Das Erzeugnis kann in einer Halterung angebracht und gelagert sein, wie beispielsweise an einem Roboterarm, der programmiert ist, um alle Oberflächen, die beschichtet werden sollen, vor eine feststehende Kaltsprühdüse zu bringen, um eine geeignete Beschichtung zu erreichen, oder es kann das Erzeugnis feststehend gehalten werden, und die Düse kann verschwenkt werden. Eine solche Beschichtung kann anschließend geglättet und im Wesentlichen porenfrei gemacht werden, wie es vorstehend beschrieben ist, indem das Erzeugnis in Kontakt mit einem fest ausgerichteten Werkzeug verschwenkt wird oder indem das Werkzeug verschwenkt wird, während das Erzeugnis in einer festen Orientierung gehalten wird. Wenn die Halterung den Zugang für die Metallsprühung oder für das Werkzeug beschränkt, können zwei oder mehr Beschichtungsschritte und/oder zwei Glättungsschritte erforderlich sein, wobei das Erzeugnis zwischen jedem Arbeitsschritt in seiner Halterung erneut ausgerichtet wird.
Bei vielen Anwendungen von Magnesiumblechen in Unterbaugruppen einer Kraftfahrzeugkarosserie, wie beispielsweise in Baugruppen von Schließflächenelementen wie beispielsweise Türen, Kühlerhauben, Kofferraumdeckeln und Heckklappen, werden die abgescherten Ränder eines Blechs durch einen Bördelungsflansch gesichert, der gebildet wird, indem der Rand eines Blechs zwischen zwei Oberflächen eines darüber gefalteten zweiten Blechs eingefügt wird und indem der Rand des ersten Blechs in der Faltung eingeschlossen wird. Bei dieser Ausbildung kann es für die schützende Barrierebeschichtung schwierig sein, wie beispielsweise für Lack, der üblicherweise auf die Unterbaugruppe und die montierte Karosserie aufgetragen wird, den Blechrand zu erreichen, wodurch dieser freiliegend gelassen wird und empfindlich gegenüber einem Korrosionsangriff ist. Ebenso werden die Ränder eines abgescherten Blechs intensiv kaltbearbeitet, und sie können einen Grat aufweisen, einen dünnen, hervorstehenden und ausgefransten Rand. Das Vorhandensein sowohl einer solchen intensiven Kaltbearbeitung als auch eines Grats kann ebenso einen aggressiven Korrosionsangriff fördern. Daher kann es wichtig sein, eine Barrierebeschichtung nach dem Formen und vor der Montage auf die Ränder des Magnesiumblechs aufzutragen.
Eine ähnliche Prozedur zu derjenigen, die für den Schutz von Blechflächen beschrieben ist, kann zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit der Ränder verwendet werden. Dies bedeutet das Aufbringen einer kaltgesprühten Aluminiumbeschichtung, gefolgt von einem Bearbeiten und einem Glätten des Randes. Ein Kaltsprühprozess, der für eine breite Abdeckung ausgebildet und für eine Beschichtung von ausgedehnten flachen Oberflächen geeignet ist, kann jedoch für die effiziente Beschichtung eines schmalen Randes von etwa einem Millimeter Breite schlecht anpassbar sein. Es kann daraus eine beträchtliche Übersprühung resultieren. Wenn die Übersprühung nicht akzeptierbar ist, kann es bevorzugt sein, die anfängliche Aluminiumbeschichtung unter Verwendung eines alternativen und selektiveren Prozesses aufzutragen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann ein verbrauchbarer Aluminium- oder Aluminiumlegierungszylinder, der um seine Zylinderachse rotiert und bei dem dessen Zylinderoberfläche mit dem abgescherten Magnesiumrand in Kontakt steht, um den Umfang des Blechs herum vorgeschoben werden. Indem die Drehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit geeignet angepasst werden, kann eine ausreichende Reibungswärme erzeugt werden, um zu bewirken, dass ein Teil des Aluminiums an dem Magnesiumrand anhaftet und auf diesen aufgebracht wird. Falls es notwendig ist, kann eine ergänzende Aufheizung des Aluminiums verwendet werden, um eine solche Auftragung zu fördern. Um einen einheitlicheren Verbrauch des Aluminiumzylinders entlang von dessen Länge zu erreichen, kann der Zylinder optional periodisch vorgeschoben und zurückgezogen werden, so dass der Magnesiumrand einen helikalen Pfad entlang des Zylinders erzeugt.
Bevor Aluminium unter Verwendung eines solchen Werkzeugs aufgetragen wird, kann es bevorzugt sein, die Ränder des Blechs zuerst unter Verwendung eines geformten, rotierenden und gehärteten Werkzeugs vorzubereiten. Ein solches Werkzeug, das unter Druck auf den Rand angewendet und langsam um den Umfang des Blechs herum vorgeschoben wird, so dass es an dem Rand reibt, bearbeitet und formt die Ränder des Blechs. Das Werkzeug kann ein Schneidwerkzeug zum Entfernen von Material oder ein Polierwerkzeug sein, das den Rand umformt, ohne Material zu entfernen. Eine solche Vorbereitung des Randes kann insbesondere wünschenswert sein, wenn sich ein intensiver Grat gebildet hat, da das gehärtete Werkzeug den Grat umformen und möglicherweise abbrechen und den Rand verfestigen wird. Ein rechteckiger Rand bewirkt, dass ein maximaler Kontakt zwischen dem Rand des Blechs und dem Aluminiumzylinder ermöglicht wird. Wenn ein kontinuierlicher Strom von Aluminiumpulver aus einem Fülltrichter oder einem anderen Speicherbehälter in die Kontaktzone des gehärteten Polierwerkzeugs mit dem Magnesiumrand abgegeben wird, kann der Reibvorgang des Werkzeugs das Anhaften des Aluminiums an dem Rand des Blechs unterstützen. Beliebiges Aluminium, das auf diese Weise aufgetragen wird, kann verwendet werden, um das Aluminium zu ergänzen oder zu ersetzen, das von dem Aluminiumzylinder übertragen wird. Das Aluminium kann, sobald es aufgebracht ist, unter Verwendung eines widerstandsfähigen Werkzeugs geglättet und bearbeitet werden, das geformt und ausgebildet ist, um über die Ränder des Blechs zu rollen und auch die Beschichtung zu glätten.
Diese Ausführungsformen können mit üblichen Verfahren zum Formen eines Blechmetalls kombiniert werden, um ein korrosionsbeständiges Blecherzeugnis aus einer Aluminiumlegierung herzustellen. Ein Magnesiumlegierungsblech, das zumindest über einen Abschnitt einer Seite mit einer geeigneten, durch Kaltsprühen desselben Aluminiums aufgetragenen, dehnbaren Metallbeschichtung beschichtet ist, die bearbeitet und geglättet wird, wie vorstehend beschrieben ist, kann in einer Presse oder in einer anderen geeigneten Vorrichtung angeordnet und in die gewünschte Gestalt geformt oder gestanzt werden.
Eine solche geformte oder gestanzte Gestalt erfordert üblicherweise das Entfernen von überschüssigem Blech, das für den Formungsschritt erforderlich ist, durch mechanisches Zuschneiden oder Abscheren, um das vorgesehene Erzeugnis zu bilden. Das Entfernen des überschüssigen Blechs erzeugt an dem Erzeugnis abgescherte, unbeschichtete Ränder. Diese Ränder können beschichtet und geglättet werden, wie es beschrieben ist, um das vorgesehene korrosionsbeständige Magnesiumlegierungs-Blecherzeugnis zu bilden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Fahrzeugs mit einer Heckklappe.
2 zeigt in einer Draufsicht einen Metallrohling, der in einem Ziehwerkzeug geformt wurde, um die Form eines inneren Flächenelements einer Heckklappe anzunehmen.
3 zeigt in einer Draufsicht eine endbearbeitete Heckklappe, die der Heckklappe entspricht, die in dem Metallrohling von 2 geformt wurde, nach dem Abscheren zum Entfernen allen überschüssigen Metalls von dem Umfang des Rohlings und nach dem Abstanzen zum Formen von inneren Öffnungen.
4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Beschichtung nach dem Auftragen auf einem Magnesiumlegierungsblech, welche durch eine Endfläche eines zylindrischen Werkzeugs bearbeitet und geglättet wurde, das um seine Zylinderachse rotiert.
5 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Beschichtung nach dem Auftragen auf ein Magnesiumlegierungsblech, welche durch eine konvexe Endfläche eines geneigten zylindrischen Werkzeugs bearbeitet und geglättet wurde, das um seine Zylinderachse rotiert.
6 zeigt in einem schematischen Querschnitt einen Bördelflansch.
7 zeigt im Querschnitt eine schematische Ansicht durch einen Abschnitt eines Magnesiumblechs mit einem abgescherten Rand.
8 zeigt im Querschnitt eine schematische Ansicht der Wechselwirkung zwischen einer Ausführungsform eines Werkzeugs zum Umformen eines abgescherten Randes an einem Magnesiumblech, wie beispielsweise desjenigen, das in 7 gezeigt ist, um einen rechteckigen Rand ohne Grat zu erzeugen.
9 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Verfahren zum Auftragen eines dehnbaren Metallbeschichtung auf den Rand bzw. auf die Ränder eines Abschnitts eines Magnesiumlegierungsblechs durch das Übertragen von Material von einem rotierenden Zylinder, der mit dem Rand des Blechs in Kontakt steht.
10 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Schnitt durch einen abgescherten Rand eines Magnesiumlegierungsblechs mit einem gerade aufgebrachten dehnbaren Metall, das durch das in 9 gezeigte Verfahren aufgetragen wurde. 10 zeigt auch ein Werkzeug zum Glätten und Bearbeiten der auf den Rand aufgetragenen Beschichtung.
11 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Schnitt durch den abgescherten Rand des in 10 gezeigten Magnesiumblechs, nachdem dieses bearbeitet und geformt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Austausch von dichteren Materialien durch Magnesiumlegierungs-Blechkomponenten mit geringer Dichte liefert die Möglichkeit einer Massenverringerung bei Kraftfahrzeugkarosserien, insbesondere bei Schließflächenelementen, wie beispielsweise der Kühlerhaube, dem Kofferraumdeckel und den Türen. Ein solcher Ansatz ist der Austausch von Aluminiumlegierungs- und Stahlflächenelementen, die gegenwärtig bei Kraftfahrzeugkarosserien verwendet werden, durch ein Blech aus der Magnesiumlegierung AZ31, die nominell 3 Gew.-% Aluminium und 1 Gew.-% Zink enthält. Magnesium weist jedoch eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf und neigt zum Korrodieren, wenn es wässrigen Elektrolyten ausgesetzt wird, wie beispielsweise Regen oder Spritzwasser. Zusätzlich dazu, dass es gegenüber einer allgemeinen Korrosion empfindlich ist, ist Magnesium gegenüber einer galvanischen Korrosion empfindlich, wenn es in einem korrosiven Medium in direktem Kontakt mit einem weniger korrodierbarem Metall gebracht wird, wie beispielsweise mit Aluminium oder Stahl, die beide übliche Bestandteile von Kraftfahrzeugkarosserien sind.
Ein beispielhaftes Blechmetallteil, das aus Magnesium hergestellt werden und Regen und Spritzwasser ausgesetzt werden kann, ist die Heckklappe 12, die in 1 derart gezeigt ist, dass sie an einem Fahrzeug 10 vom SUV-Typ (Sportgeländewagentyp) angebracht ist. Die Heckklappe 12 ist eine zweiteilige Baugruppe, von der ein sichtbares äußeres Flächenelement gezeigt ist und ein inneres Flächenelement in dieser Ansicht verdeckt ist. Die Heckklappe weist eine Anzahl von Merkmalen und Details auf, einschließlich der Fensteröffnung 13, der Heckklappen-Öffnungsbaugruppe und des Heckklappen-Öffnungsgriffs 14, (verdeckter) Scharniere 15 und des unteren Heckklappenrandes 11.
2 zeigt in einer Draufsicht einen geformten Rohling 16, der geeignet ist, das (verdeckte) innere Flächenelement der Heckklappe 12 von 1 zu bilden, nach dessen Entfernen aus dem Zieh- oder Formwerkzeug, das dem anfänglich flachen Rohling die beabsichtigte Gestalt verleiht. Der geformte oder gestaltete Bereich 20 des geformten Rohlings umfasst eine Anzahl von Merkmalen, die eine Erhöhung 22 für die Fensteröffnung, Vertiefungen 30 zum Anbringen einer Scharnierbaugruppe, eine Abflachung 18 zum Befestigen einer Griffbaugruppe und eine Vertiefung bzw. Vertiefungen 24 umfassen.
3 zeigt das endbearbeitete Erzeugnis, nachdem der geformte Rohling 16 von 2 zugeschnitten wurde, um überschüssiges Material zu entfernen, und nachdem Löcher 26 in beide Vertiefungen 24 gebohrt wurden, um Radiolautsprecher unterzubringen, und nachdem die Fensteröffnungserhöhung 22 ausgeschnitten wurde, um eine Fensteröffnung 22' zu bilden.
Dieses beispielhafte Erzeugnis kann einer Korrosion ausgesetzt sein, wenn es aus Magnesium hergestellt wird, beispielsweise aus einem Blech der Aluminium-Zink-Magnesiumlegierung AZ31, und wenn es nicht geeignet geschützt wird. Bei diesem Beispiel kann eine galvanische Korrosion an den Scharnierbefestigungen auftreten. Die Scharniere bestehen typischerweise aus Stahl und können unter Verwendung von Stahlbefestigungselementen angebracht werden, wie beispielsweise Schrauben in der Regenrinne, die zwischen der Heckklappe und der Fahrzeugkarosserie gebildet ist. Bei dieser Anordnung wird die Magnesium-Stahlverbindung zwischen dem Scharnier 15 (1) und dessen Befestigungsort 30 Regenwasser und möglicherweise anderen Elektrolyten ausgesetzt, die dafür geeignet sind, eine Korrosion zu fördern. Eine ähnliche Umgebung kann an der Abflachung 18 für die Griffbefestigung auftreten, wenn irgendwelcher Regen oder irgendwelches Spritzwasser die Dichtungen umgehen und Zugang zu dem Abflachungsbereich für die Befestigung des Griffmechanismus erlangen sollte, in dem zumindest Stahlbefestigungselemente mit dem inneren Magnesiumflächenelement 20' in Kontakt stehen. Die zugeschnittenen Ränder, welche die Fensteröffnung 22' und die Lautsprecheröffnungen umgeben, können ebenso gegenüber einer allgemeinen oder einer galvanischen Korrosion in dem Fall eines Dichtungsbruchs empfindlich sein, der einen Zugang für Regen oder Spritzwasser ermöglicht, oder sogar in Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit, insbesondere in Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit in der Nähe des Meeres. Ebenso kann zumindest der untere Rand 28 des inneren Flächenelements 20', der dem unteren Rand 11 der Heckklappe 12 (1) entspricht, nassen oder feuchten Bedingungen ausgesetzt sein, die durch Spritzwasser oder Regen entstehen, und er kann wiederum einer Korrosion ausgesetzt sein, wenn er nicht geeignet geschützt wird.
Beschichtungen werden üblicherweise verwendet, um korrodierbare Materialien zu schützen. Solche Beschichtungen können Opferbeschichtungen sein, die einen Schutz bieten, indem sie gegenüber dem geschützten Metall bevorzugt korrodieren, oder Barrierebeschichtungen, die dazu dienen, den Zugang eines Elektrolyten zu dem geschützten Metall zu verhindern. Für einen langfristigen Schutz sollte die Barrierebeschichtung an sich natürlich in der erwarteten Verwendungsumgebung im Wesentlichen korrosionsbeständig sein. Aufgrund seiner leicht korrodierbaren Natur korrodieren wenige Materialien bevorzugt gegenüber Magnesium, und es wird üblicherweise eine Barrierebeschichtung verwendet. Zur Erleichterung der Auftragung ist es bevorzugt, die Beschichtung auf ein flaches, noch nicht geformtes Magnesiumblech anzuwenden und das Blech und dessen aufgetragene Beschichtung durch Stanzen oder Biegen oder ähnliche Verfahren in eine Karosseriekomponente zu formen. Während des Formens wird die Beschichtung mit dem Magnesium gestreckt, und daher sollte die Beschichtung mindestens so dehnbar wie das Magnesiumblech sein, um ein Brechen der Beschichtung durch Reißen oder Ziehen zu vermeiden. Die Beschichtung wird auch unter Druck über die Werkzeugoberfläche gezogen und sollte nicht abblättern oder abgetragen werden und dadurch ihre Fähigkeit verlieren, das Magnesium zu schützen. Schließlich können Magnesiumlegierungen bei Temperaturen von ungefähr 300°C warmgeformt werden. Aus diesen Gründen sind organische Beschichtungen weniger geeignet, die eine begrenzte Möglichkeit zum Strecken aufweisen und die dazu neigen, während eines solchen Formens beschädigt zu werden, und es ist eine dehnbare Metallbeschichtung bevorzugt, die in der Lage ist, mit dem Magnesiumblech verformt zu werden, und die den Werkzeugkontakt aushält. Ein solches auf geeignete Weise nicht korrodierbares Beschichtungsmaterial ist Aluminium, das beispielsweise ein nicht legiertes Aluminium von kommerzieller Reinheit, wie beispielsweise eine 1xxx-Legierung gemäß der Aluminum Association, oder eine geeignete Aluminiumlegierung sein kann, typischerweise eine Legierung der 5xxx-Serie gemäß der Aluminum Association mit Magnesium als deren hauptsächliches Legierungselement. Vorzugsweise sollte die Legierung, die für die Beschichtung ausgewählt wird, geringe Konzentrationen an Kupfer und Eisen enthalten. Die spezielle Aluminiumlegierung AA1199 kann bevorzugt sein, die 99,99 Gew.-% Magnesium und außergewöhnlich geringe Konzentrationen an Eisen und Kupfer enthält.
Ein geeigneter Ansatz zum Auftragen einer Aluminiumbeschichtung auf Magnesiumlegierungen im Allgemeinen und auf AZ31-Blechlegierungen im Besonderen ist das Beschichten durch Kaltsprühen, ein Prozess, bei dem aufgeheizte, aber feste Metallpartikel auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden und auf ein Substrat aufprallen. Der Aufprall ist ausreichend, damit die Partikel an dem Substrat anhaften. Wenn er viele Male wiederholt wird, entwickelt ein solcher Prozess eine anhaftende Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats mit einer beliebigen gewünschten Dicke.
Geeignete Parameter für das Beschichten durch Kaltsprühen zum Ausüben der Erfindung umfassen: ein reaktionsträges Gasgemisch aus Stickstoff oder Helium oder Stickstoff-Helium-Gemische bei einem Druck zwischen ungefähr 2,5 und 3,5 MPa; im Wesentlichen reines Aluminium, eine Aluminium-Zink-Legierung oder Aluminium-Aluminiumoxid-Pulver oder -Pulvergemische, die bezüglich der Größe von ungefähr 5 Mikrometer bis ungefähr 20 Mikrometer reichen und auf ungefähr 500°C vorgeheizt sind. Da die Blechoberfläche ausgedehnt ist, kann eine Düse verwendet werden, die zum Aufbringen einer Beschichtung mit einer Breite geeignet ist, die für die oberen Grenzen des Breitenbereichs des Prozesses repräsentativ ist und etwa zwischen 6 und 12 Millimetern weit ist.
Das Auftragen durch Kaltsprühen wird als ein ”kalter” Beschichtungsprozess angesehen, der die Substrat- oder Targettemperatur nur kurz und minimal erhöht, typischerweise für nur wenige Sekunden auf zwischen 200 und 300°C, was etwas von der Beschichtungsdicke abhängt. Ein vorgeheiztes, unter Druck stehendes Gas wird durch eine Düse gedrückt. An der Düse wandelt die Ausdehnung des Gases die Enthalpie in kinetische Energie um, wodurch die Gasströmung auf Überschallgeschwindigkeiten von bis zu ungefähr 1000 m/s (für reines Helium bei ungefähr Raumtemperatur oder 20°C) oder von bis zu ungefähr 350 m/s (für reinen Stickstoff bei ungefähr Raumtemperatur) beschleunigt, während seine Temperatur verringert wird. Der Pulverrohstoff wird axial vor dem Düsenhals in den Gasstrom eingeleitet, um durch das Gas beschleunigt zu werden. Die beschleunigten festen Partikel treffen mit ausreichender kinetischer Energie auf das Substrat auf, um eine mechanische und/oder metallurgische Verbindung mit dem Substrat zu bewirken. Die Verwendung der reaktionsträgen Gase Helium und Stickstoff unterdrückt die Oxidation und führt dazu, eine aufgeraute, im Wesentlichen metallische Beschichtung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf der Substratoberfläche zu fördern. Wenn das Substrat dem Teilchenfluss kontinuierlich ausgesetzt ist, führt dies zu Beschichtungen mit progressiv zunehmender Dicke. Eine mittlere Beschichtungsdicke zwischen zumindest ungefähr 40 μm und ungefähr 400 μm ist zum Ausüben der Erfindung geeignet.
Um wirksam zu sein, sollten die Barrierebeschichtungen einen Zugang des Elektrolyten zu dem korrosiven Medium vollständig verhindern. Kleinere Brüche in der Beschichtung, die das korrodierbare Material, in diesem Fall Magnesium, für den Elektrolyt freilegen, erzeugen eine galvanische Zelle mit einer kleinen Anodenfläche (Magnesium) und einer großen Kathodenfläche (der Beschichtung) und fördern eine sehr schnelle Korrosion des Magnesium an den Ort des Bruchs. Eine kaltgesprühte Beschichtung enthält nach dem Aufbringen üblicherweise Poren oder Risse oder andere Beschichtungsbrüche und liefert daher nicht das gewünschte Niveau des Korrosionsschutzes.
Um einen geeigneten Grad an Korrosionsschutz herzustellen, kann die Beschichtung perfektioniert werden, indem die Beschichtung zumindest bearbeitet und geglättet wird, um die Poren und Risse im Wesentlichen zu beseitigen. Ein aggressiveres Bearbeiten der Beschichtung, das zu einem erhöhten Aufheizen durch Reibung führt, kann zusätzlich zu der glatten bearbeiteten Beschichtung eine gewisse Vermischung oder Legierung der Beschichtung mit dem Magnesiumsubstrat bewirken und für eine höherwertige Verbindung zwischen dem Substrat und der Beschichtung sorgen. Das Bearbeiten kann unter Verwendung eines Werkzeugs ausgeführt werden, das in der Form eines Zylinders gestaltet und aus einem geeigneten widerstandsfähigen Material hergestellt ist, beispielsweise aus gehärtetem Werkzeugstahl oder aus Carbid oder aus Keramik. Wie in 4 gezeigt ist, ist ein zylindrisches Werkzeug 40, das um seine Zylinderachse 42 rotiert, im Allgemeinen rechtwinklig zu einer Blechoberfläche 49 in einer Richtung orientiert, die durch den Pfeil 44 angegeben ist, und es wird unter einem Druck P in einer Richtung, die durch den Pfeil 45 angegeben ist, in die Oberflächenbeschichtung 50 gepresst, die auf ein Blech 48 aufgebracht ist. Die Oberflächenbeschichtung 50 ist durch eine aufgeraute Oberfläche 56 mit Poren 52 und Rissen 54 charakterisiert, die diese unzulänglich für das Bilden einer schützenden Barrierebeschichtung auf dem Blech 48 macht, um das Blech 48 weniger empfindlich gegenüber Korrosion zu machen, wenn es einem wässrigen Elektrolyt ausgesetzt wird. Die Kombination aus dem Aufheizen durch Reibung der Oberfläche 56 der Beschichtung 50 und aus dem ausgeübten Druck P bewirkt eine Glättung und einen Ausgleich der Beschichtung 50, so dass dann, wenn das Werkzeug 40 in der Richtung des Pfeils 47 voranschreitet, eine im Wesentlichen glatte Oberfläche 56' gebildet wird und die Poren 52 und die Risse 54 ausgeheilt werden, wodurch eine modifizierte Beschichtung 50' hinterlassen wird, die im Wesentlichen frei von Poren und Rissen ist. Eine aggressivere Bearbeitung der Oberfläche, beispielsweise durch eine geeignete Kombination der Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs oder der Verlangsamung der Vorschubgeschwindigkeit oder der Erhöhung des ausgeübten Drucks, kann bewirken, dass sich ein Teil der Blechoberfläche 49 mit der Beschichtung 50 vermischt und verbindet, wenn diese bearbeitet wird. Eine solche legierte Beschichtung erhält einen verbesserten Korrosionsschutz relativ zu einer unbeschichteten Magnesiumlegierung, es tritt jedoch ein gewisser Verlust an Schutz im Vergleich zu einer Beschichtung aus nicht legiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf, obgleich ein verbessertes Anhaften der Beschichtung an dem Blech erwartet werden kann.
Bei der in 4 gezeigten Ausbildung kann ein Teil der Beschichtung verschoben und zur Seite gedrückt werden, anstatt unter die Werkzeugoberfläche 46 geführt zu werden. Man betrachte beispielsweise das kleine Stückchen Material 58, das durch das voranschreitende, rotierende Werkzeug abgeschert und auf eine Seite geworfen werden kann. Ein solcher Verlust an Beschichtung ist unerwünscht, da das zur Seite geworfene Material dafür vorgesehen ist, irgendwelche Vertiefungen in der Beschichtung zu füllen. Irgendein Verlust an Beschichtungsmaterial kann bewirken, dass beliebige tiefe Absenkungen in der Beschichtung 50, beispielsweise an dem Ort 60, unter die Oberfläche 46 des Werkzeugs 40 gelangen und ungefüllt bleiben.
Um den Verlust an Material zu minimieren und eine bessere Zuführung des Oberflächenmaterials unter die rotierende Oberfläche des Werkzeugs sicherzustellen, kann die Oberfläche 46' des Werkzeugs 40', die mit der Beschichtung in Kontakt steht, konvex anstatt flach geformt sein. Vorzugsweise wird ein Werkzeug mit einem konvexen, die Beschichtung berührenden Werkzeugende 46' in 5 derart auf geeignete Weise gekippt, dass dessen Zylinderachse 42' gegenüber der Normalen zu der Blechoberfläche 49 geneigt ist, um denjenigen Abschnitt der die Beschichtung berührenden Werkzeugoberfläche 46' zu maximieren, der zu einem beliebigen Zeitpunkt mit der Beschichtung in Kontakt steht. Wie bei der Ausführungsform von 4 wird das Werkzeug 40' um dessen Zylinderachse 42' in der Richtung des Pfeils 44' gedreht, während es in der Richtung des Pfeils 47 voranschreitet. Die Beschichtung 50 auf dem Blech 48 enthält wiederum Poren 52 und Risse 54, die gefüllt werden, wenn die Oberfläche 56 geglättet wird, um eine im Wesentlichen poren- und rissfreie Beschichtung 150 mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche 156 zu erzeugen.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden verwendet, um die Gesamtheit einer Blechoberfläche oder beider Blechoberflächen zu beschichten, wenn die erforderlich ist. Eine solche intensive Beschichtung kann vorteilhaft sein, wenn die allgemeine Korrosion von Bedeutung ist. Bei vielen Karosseriekomponenten aus Blech ist jedoch die galvanische Korrosion von größerer Bedeutung, die aus dem Kontakt des Magnesiumblechs mit einem weniger korrodierbarem Metall, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl, in der Anwesenheit eines Elektrolyten resultiert. Die galvanische Korrosion kann effektiv verringert werden, indem sichergestellt wird, dass nur solche Abschnitte des Magnesiumblechs beschichtet werden, die mit weniger korrodierbaren Metall in Kontakt stehen oder sich in dessen enger Nachbarschaft befinden. Solche Abschnitte unterdrücken dann, wenn sie beschichtet sind, am kosteneffizientesten die galvanische Korrosion, ohne dass es erforderlich ist, dass die gesamte Blechfläche beschichtet wird. Die Auftragung der Beschichtung auf ein nicht verformtes Blech vor dem Stanzen wurde zuvor dadurch gerechtfertigt, dass die Auftragung der Beschichtung auf ein flaches Blech relativ leicht ist. Es ist jedoch einzusehen, dass die Notwendigkeit, die Beschichtung unter der Einwirkung eines kraftvoll angewendeten Werkzeugs zu glätten, eine weitere Unterstützung für diesen Ansatz liefert. Da die gestanzten Erzeugnisse üblicherweise nachgiebig und leicht verformbar sind, könnte die erforderliche mechanische Bearbeitung das Erzeugnis möglicherweise verformen oder beschädigen.
Die meisten Blechmetall-Stanzteile werden nach dem Formen zugeschnitten, üblicherweise durch Abscheren unter Verwendung von zueinander passenden Werkzeugen. Die Abschermaßnahme legt kalt bearbeitete Magnesiumränder frei und führt üblicherweise zu der Bildung eines Grats, wobei beide Merkmale die Korrosion fördern. Bei vielen Karosseriebaugruppen, beispielsweise bei Schließflächenelementen wie etwa Türen, Heckklappen, Kofferraumdeckeln und Kühlerhauben, wird ein Bördelflansch verwendet, um ein geformtes Flächenelement an einem anderen zu befestigen. Bei einem Bördelflansch 70, wie er in 6 gezeigt ist, wird ein im Wesentlichen flacher oder nicht verformter Blechrandabschnitt 72 eines ersten Blechs auf einer Innenfläche 74 eines zweiten Blechs 76 angeordnet. Im Allgemeinen ist das Blech 76 um seinen Umfang herum vorgebogen, um einen nach oben stehenden Flansch 78 zu bilden, der derart positioniert ist, dass er das erste Blech eng aufnimmt. Wenn der Flansch 78 weiter in der Richtung umgebogen wird, die durch den Pfeil 80 angegeben ist, um den Flansch 82 zu formen, wird der Blechrandabschnitt 72 des ersten Blechs zwischen den Innenflächen 74' und 74 des Abschnitts 82 mit Flansch und des Abschnitts ohne Flansch des Blechs 86 eingeschlossen.
Bei der Ausbildung mit Flansch ist der Blechrand 84, der dem Rand 28 des Erzeugnisses von 3 entsprechen kann, größtenteils für herkömmliche Behandlungen zur Korrosionsverhinderung nicht zugänglich, wie beispielsweise für Lack, der auf die Karosserie aufgetragen wird. Da der abgescherte Rand 84 nach der Auftragung den Oberflächenbehandlungen durch Kaltsprühen mit Aluminium hergestellt wird, das auf das Blech aufgetragen wird, kann irgendein Fehlen von Lack oder eines anderen Barriere-Beschichtungsschutzes dazu führen, dass eine Korrosion an dem abgeschnittenen Rand ausgelöst wird und sich diese nach innen ausbreitet, bis sie sichtbar wird. Dieser Typ von Korrosion kann durch den intensiv kaltbearbeiteten Zustand des abgeschnittenen Randes und durch einen beliebigen Grat, einen dünnen, hervorstehenden und ausgefransten Rand, der vorhanden sein kann, gefördert werden. Beide dieser Eigenschaften können dann, wenn sie an dem abgescherten Rand 84 vorliegen, einen aggressiven Korrosionsangriff fördern. Es besteht daher eine Notwendigkeit, den Korrosionsschutz zu verbessern, der auf das Blech angewendet wird, indem eine aluminiumbasierte Beschichtung ähnlich derjenigen auf den abgeschnittenen Rand aufgetragen wird, die auf die anfänglich flachen Blechoberflächen aufgetragen wurde.
Es ist bevorzugt, dass eine beliebige Beschichtung nur dann aufgetragen wird, nachdem zuerst irgendein Grat von dem abgescherten Rand entfernt wurde. Eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Abschnitt eines Blechs 94, das auf beiden Oberflächen mit einer dehnbaren Barrierebeschichtung 156 beschichtet wurde und einen abgescherten Rand mit einem Grat zeigt, ist in 7 dargestellt. Der sich abwärts erstreckende Grat 85, der mit der Fläche 84 des Blechs 72 verbunden ist, ist nicht gut mit dem Blech 94 verbunden und kann abgeschlagen werden, entweder während der weiteren Verarbeitung oder während des Betriebs. Wenn die Grate nach der Beschichtung mit einer Legierung abgeschlagen werden sollten, würde das Magnesiumblech anschließend an dem Fuß 87 des Grats freigelegt werden, wodurch der Zugang für einen Elektrolyt ermöglicht und die Korrosion des Magnesiumblechs gefördert werden würde. Um diese Möglichkeit zu verhindern, kann der Blechrand behandelt werden, um einen beliebigen Grat vor der Auftragung der dehnbaren Beschichtung zu entfernen.
Üblicherweise ist ein abgescherter Rand, wie es in 7 gezeigt ist, weder rechteckig, d. h. rechtwinklig zu der Blechoberfläche, noch glatt, und er besteht aus einem umgebogenen Abschnitt 184, einem polierten Abschnitt 284 und einem aufgerauten, brüchigen Abschnitt 384. Aus Gründen, die nachstehend erläutert sind, ist es ebenso bevorzugt, den abgescherten Rand zu glätten und diesen rechteckig oder rechtwinklig zu den Blechoberflächen zu machen. Ein Werkzeug, das zum Ausführen sowohl der Entfernung des Grats als auch des Glättens/Abkantens des Randes geeignet ist, ist in Wechselwirkung mit dem abgescherten Rand in 8 gezeigt. Ein Werkzeug 89, das im Allgemeinen die Form eines umgekehrten Buchstaben ”T” aufweist und sich um eine Achse 99 dreht, die mit der vertikalen Achse des ”T” in einer Richtung ausgerichtet ist, die durch den Pfeil 95 angegeben ist, weist einen ersten Satz von Schneidkanten 91, die für einen Eingriff mit dem abgescherten Rand 84 ausgerichtet sind, und einen zweiten Satz von Schneidkanten 93 auf, die für einen Eingriff mit dem Grat 85 ausgerichtet sind. Indem der Rand des abgescherten Blechs 72 in einen Eingriff mit dem Werkzeug 89 vorgeschoben wird, kannten die Schneidkanten 91 daher den abgescherten Rand 84 ab, und die Schneidkanten 93 entfernen den Grat 85. Das Werkzeug kann anschließend um den Umfang aller abgescherten Ränder herum vorgeschoben werden, um einen rechteckigen, abgeschnittenen Rand ohne Grate zu erzeugen. Wenn es bevorzugt ist, den Rand zu polieren anstatt zu schneiden, kann der Rand unter Verwendung eines Werkzeugs mit einer ähnlichen Geometrie wie diejenige, die gezeigt ist, jedoch ohne die Schneidkanten poliert werden. Das Reiben und das Aufheizen, das durch ein Polierwerkzeug erzeugt wird, kann den Rand in eine beliebige Ausbildung umformen, indem Material zum Fließen gebracht und neu angeordnet wird. Beispielsweise kann Material aus solchen Bereichen, in denen ein Überschuss an Material vorliegt, wie etwa in dem polierten Abschnitt 284 oder in dem Grat 85, in Bereiche mit fehlendem Material verschoben werden, wie etwa in den gebrochenen Abschnitt 384, um die beabsichtigte Randgeometrie zu erreichen. Wenn Aluminium oder ein anderes geeignetes Pulver in die Lücke zwischen einem solchen Polierwerkzeug und dem Blechrand zugeführt werden kann, kann es möglich sein, zumindest einen Teil des Aluminiums an dem Blechrand in Verbindung mit dem Umformen des Randes, das auf dem Polierprozess resultiert, aufzutragen und zu befestigen.
Der rechteckige Rand ohne Grat kann ebenso unter Verwendung des Kaltsprühansatzes beschichtet werden, der vorstehend beschrieben ist. Eine solche Verarbeitung kann effektiv sein, der Kaltsprühprozess ist jedoch nicht gut geeignet, um Aluminium auf einen dünnen Rand von 1 Millimeter oder einer ähnlichen Breite aufzutragen, und es kann eine erhebliche Übersprühung erwartet werden. Ein möglicherweise effektiverer Ansatz zum Auftragen einer dehnbaren Metallbeschichtung auf einen rechteckigen Rand ohne Grate ist in 9 dargestellt, die einen Aluminiumlegierungszylinder 86 zeigt, der rotiert, wie es durch den Pfeil 88 angegeben ist, während er eine vertikale Hubbewegung durchläuft, wie es durch den Pfeil 90 angegeben ist. Es ist einzusehen, dass das Ausmaß der vertikalen Hubbewegung die Länge des Aluminiumlegierungszylinders 86 nicht überschreiten darf. Der Zylinder 86 steht unter der Anwendung der Last P', die in der Richtung des Pfeils 96 angewendet wird, in einem unter Druck stehenden Kontakt mit dem rechteckigen Rand 92 ohne Grat des Magnesiumblechs 94. Wenn der Blechrand 92 einem helikalen Pfad bzw. helikalen Pfaden 98 an der Oberfläche des Zylinders 86 folgt, wird Material von dem Zylinder 86 auf den Blechrand 92 übertragen und als Aluminiumlegierungsbeschichtung 100 auf diesen aufgebracht. Der Vorschub auf dem Rand 92 des Blechs 94 entlang der Richtung, die durch den Pfeil 103 gezeigt ist, ermöglicht eine Abdeckung der gesamten Ausdehnung des Randes 92, und durch eine geeignete Ausrichtung der Vorschubrichtung, wie sie beispielsweise durch den Pfeil 103' an den Ecken des Blechs gezeigt ist, kann der gesamte Rand des Blechs 94 beschichtet werden. Es ist einzusehen, dass die abgewinkelten Ecken des Blechs mit abrupten Änderungen in der Randausrichtung für das gleichmäßige Aufbringen der Aluminiumlegierungsbeschichtung eine Herausforderung darstellt. Daher kann es bevorzugt sein, den Ecken des Blechs in Draufsicht eine Rundung zu verleihen, wie es beispielsweise an der Ecke 105 gezeigt ist. Dies kann am einfachsten ausgeführt werden, indem die Ecke in dem Abscherwerkzeug derart abgerundet wird, dass der abgescherte Rand das gewünschte Profil aufweist, wenn dies jedoch nicht ausgeführt wird, kann der Pfad der Schneideinrichtung 89 derart programmiert werden, dass die gewünschte Rundung erreicht wird.
Da reines Magnesium und Aluminium ähnliche Schmelzpunkte von ungefähr 650°C bzw. 660°C aufweisen, kann es erforderlich sein, den Aluminiumzylinder vorzuheizen, um sicherzustellen, dass das Aluminium auf das Magnesiumblech aufgebracht wird, während irgendeine Neigung des Magnesiums unterdrückt wird, sich an dem Aluminiumzylinder abzuscheiden. Es kann eine beliebige geeignete Heizeinrichtung verwendet werden, einschließlich einer Widerstandsheizung oder einer Laserheizung, die einen Laser verwendet, der die Bewegung des helikalen Kontaktpfads 86 nachverfolgt. Ein herkömmlicher Ansatz ist jedoch die Verwendung einer linearen Infrarot-Heizlampe 101, die in dem Fokus eines parabolischen Reflektors 102 angebracht wird, um einen parallelen Fluss der Heizstrahlung 104 zu erzeugen, die auf den Zylinder 86 gerichtet ist.
Die Dreh- und Hubbewegungen des Zylinders 90 können abgestimmt werden, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Abnutzung des Zylinders entlang dessen Länge sicherzustellen. Eine nicht hin- und hergehende Scheibe (nicht gezeigt), die eine Dicke aufweist, die leicht größer als die Dicke des Blechs 94 ist, und die in Eingriff mit dem Rand 92 positioniert ist, kann verwendet werden. Mit der Zeit wird eine solche Scheibe jedoch eine Rille entwickeln, die das Aufbringen von Aluminium stören und einen häufigen Austausch der Scheibe erfordern kann. Alternativ kann ein nicht hin- und hergehender, aber einstellbarer Aluminiumlegierungszylinder verwendet werden, und der Zylinder kann erneut positioniert werden, um einen anderen Abschnitt des Zylinders mit dem Rand 92 in Kontakt zu bringen, wenn irgendeine Rille eine nicht akzeptierbare Tiefe erreicht.
Sobald sie aufgetragen ist, kann die Aluminiumlegierungsbeschichtung 100 unter Verwendung eines rotierenden Werkzeugs bearbeitet und geformt werden, das auf eine ähnliche Weise wie diejenige, die vorstehend beschrieben ist, gegen die Beschichtung gedrückt wird. Ein geeignetes Werkzeug ist in 10 gezeigt. Das Werkzeug 106 ist ein zylindrisches Werkzeug mit einem verringerten, im Wesentlichen elliptischen Taillenquerschnitt 108, der sich über einen Teil des Werkzeugs erstreckt, der bezüglich der Abmessung gerade größer als die Dicke des Blechs 94 ist. Geeigneterweise kann der Taillenquerschnitt zwischen 110% und 160% der Blechdicke betragen. Auf das Blech 94 wurden zusätzlich zu der Aluminiumlegierungsbeschichtung 100, die durch das Verfahren von 9 auf den rechteckigen Rand 92 aufgetragen wurde, zuvor Beschichtungslagen 156 auf jede von dessen Oberflächen aufgetragen und geglättet. Die Beschichtung 100 zeigt eine unregelmäßige Oberfläche 120 und kann Fehler enthalten, wie beispielsweise den Riss 54, die Pore 52 und einen Bereich mit unvollständiger Abdeckung bei 83, der einem Elektrolyt Zugang zu dem Magnesiumblech 94 ermöglichen kann. Die Beschichtung 100 kann geglättet werden, um die Beschichtung über die gesamte geschnittene Randoberfläche auszubreiten und zu bearbeiten, und sie kann im Wesentlichen riss- und porenfrei gemacht werden, indem das Werkzeug 106, das um seine Zylinderachse 112 in einer Richtung rotiert, die durch den Pfeil 110 gezeigt ist, mit der Beschichtung 100 in Kontakt gebracht wird, während ein Druck ausgeübt wird, um die Beschichtung zu glätten und zu bearbeiten.
Die Ergebnisse einer solchen Prozedur sind in 11 gezeigt, in der eine bearbeitete Beschichtung 100' geglättet wurde, um eine konturierte Oberfläche 120' zu bilden, die zu der Form des verringerten Werkzeugquerschnitts 108 komplementär ist. Die bearbeitete Beschichtung 100' überdeckt den geschnittenen Rand 92 im Wesentlichen vollständig, einschließlich des zuvor unbedeckten Bereichs 83 (10), während der Riss 54 und die Pore 52 (10) ausgeheilt sind. Der Druck, der durch das Werkzeug 106 ausgeübt wird, kann aufgrund der Ähnlichkeit in der Festigkeit zwischen Aluminium und Magnesium ebenso bei einem Umformen des ursprünglich rechteckigen Randes 92 (10) in einen geformten Rand 92' wirksam sein.
Die vorstehende Erfindung wurde derart beschrieben, dass sie auf ein gestanztes Blechmetall-Magnesiumerzeugnis angewendet werden kann, die Erfindung kann jedoch breit auf ein beliebiges Magnesiumerzeugnis angewendet werden, einschließlich solcher, die durch Gießen, Schmieden und maschinelles Bearbeiten und eine beliebige Kombination von diesen hergestellt werden. Wenn die Erfindung auf die robusteren Magnesiumerzeugnisse angewendet wird, die üblicherweise durch diese Prozesse hergestellt werden und besser geeignet sind, die Lasten zum Glätten der Beschichtung ohne Beschädigung aufzunehmen, kann eine Korrosionsbeschichtung aufgetragen werden, nachdem ein Erzeugnis in die endgültige Gestalt verarbeitet wurde und möglicherweise eine leichte Untergröße aufweist, um die Beschichtungsdicke unterzubringen.
Folglich kann ein geeignet befestigtes Erzeugnis einer Düse zum Kaltsprühen ausgesetzt werden, und es können entweder das Erzeugnis oder die Düse oder beide geeignet verschwenkt und gesteuert werden, um eine dehnbare Metallbeschichtung mit geeigneter Dicke auf beliebige Flächen des Erzeugnisses aufzutragen, die geschützt werden sollen. Die Beschichtung kann anschließend unter Verwendung eines rotierenden zylindrischen Werkzeugs geglättet werden, das demjenigen ähnlich ist, das bei 40' in 5 gezeigt ist. Es kann wiederum erforderlich sein, das Werkzeug und/oder das Erzeugnis zu verschwenken, um einen Zugang zu allen beschichteten Flächen zu ermöglichen. Das Verschwenken kann ermöglicht werden, indem das Werkzeug oder die Düse während des Beschichtungsschritts an einem programmierbaren Roboterarm befestigt ist, es kann jedoch auch eine fest zugeordnete Automatisierung verwendet werden.
Wenn eine vollständige Abdeckung erforderlich ist oder wenn die Befestigung den Zugang für die Sprühung oder das Werkzeug auf ungeeignete Weise beschränkt, kann das Erzeugnis möglicherweise mehr als einmal aus seiner Halterung entfernt und entweder erneut in der Halterung angeordnet oder in einer zweiten Halterung befestigt werden, um einen geeigneten Zugang zu der Erzeugnisoberfläche zu ermöglichen.
Die Erfindung wurde bezogen auf Aluminium- oder Aluminiumlegierungsbeschichtungen auf einem Magnesiumlegierungsblech beschrieben, das Verfahren der Erfindung ist jedoch ebenso auf andere Blechmaterialien anwendbar, beispielsweise auf Stähle und auf andere dehnbare Metallbeschichtungen, wie beispielsweise aus Zink.

Claims

Korrosionsbeständiges, magnesiumbasiertes und gestanztes Legierungsblecherzeugnis mit einer Oberfläche, von der erwartet wird, dass sie bei der Verwendung des Erzeugnisses einem korrosiven Medium ausgesetzt ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Oberfläche eine Sprühbeschichtung mit Partikeln aus einem dehnbaren Metall aufweist, wobei die gesprühte Beschichtung mechanisch bearbeitet und geglättet wurde, um diese für das korrosive Medium undurchlässig zu machen.
Korrosionsbeständiges Magnesiumlegierungserzeugnis nach Anspruch 1, bei dem die dehnbare Metallbeschichtung überwiegend aus Aluminium oder überwiegend aus Zink besteht.
Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen, magnesiumbasierten Legierungserzeugnisses, von dem erwartet wird, dass es bei der Verwendung des Erzeugnisses einem korrosiven Medium ausgesetzt ist, die Schritte umfassend, dass: auf zumindest einer Oberfläche des Magnesiumerzeugnisses eine im Wesentlichen riss- und porenfreie dehnbare Metallbeschichtung gebildet wird, die geeignet ist, um einen Zugang eines Elektrolyten zu dem Magnesiumlegierungserzeugnis zu verhindern und dadurch die Korrosionsbeständigkeit des Magnesiumlegierungserzeugnisses zu verbessern, indem: Partikel eines dehnbaren Metalls zum Bilden einer Schicht mit vorbestimmter Dicke eines dehnbaren Metalls auf zumindest einen Abschnitt einer Oberfläche des Magnesiumlegierungserzeugnisses durch Sprühen aufgebracht werden; und das aufgebrachte dehnbare Metall mit einem rotierenden Werkzeug mechanisch bearbeitet und geglättet wird, das auf das aufgebrachte Metall unter Druck angewendet wird, um eine im Wesentlichen riss- und porenfreie dehnbare Metallbeschichtung zu bilden.
Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen, magnesiumbasierten Legierungserzeugnisses nach Anspruch 3, bei dem das durch Sprühen aufgebrachte dehnbare Metall überwiegend aus Aluminium oder überwiegend aus Zink besteht und mit einer mittleren Dicke aufgebracht wird, die von ungefähr 40 Mikrometer bis ungefähr 400 Mikrometer reicht.
Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen, gestanzten, magnesiumbasierten Blechlegierungserzeugnisses, von dem erwartet wird, dass es bei der Verwendung des Erzeugnisses einem korrosiven Medium ausgesetzt ist, die Schritte umfassend, dass: auf zumindest einer Oberfläche eines magnesiumbasierten Legierungsblechs eine im Wesentlichen riss- und porenfreie dehnbare Metallbeschichtung gebildet wird, die geeignet ist, um einen Zugang eines Elektrolyten zu dem Magnesiumlegierungsblech zu verhindern und dadurch die Korrosionsbeständigkeit des Magnesiumblechs zu verbessern, indem: eine Schicht eines dehnbaren Metalls auf zumindest einen Abschnitt einer Oberfläche des Magnesiumlegierungsblechs aufgebracht wird; und das aufgebrachte dehnbare Metall mit einem rotierenden Werkzeug mechanisch bearbeitet und geglättet wird, das auf das aufgebrachte Metall unter Druck angewendet wird, um eine im Wesentlichen riss- und porenfreie dehnbare Metallbeschichtung zu bilden; und dass anschließend das beschichtete Magnesiumblech gestanzt wird, um in dem Magnesiumblech eine gewünschte Form zu bilden; das geformte Magnesiumblech zugeschnitten wird, um ein Erzeugnis zu bilden, wobei das Erzeugnis zumindest einen abgescherten Rand aufweist; gefolgt davon, dass an dem Rand des Erzeugnisses eine im Wesentlichen riss- und porenfreie dehnbare Metallbeschichtung gebildet wird, die geeignet ist, um einen Zugang eines Elektrolyten zu zumindest einem bestimmten Abschnitt des Legierungsblechrandes zu verhindern und dadurch die Korrosionsbeständigkeit des Magnesiumblechrandes zu verbessern, indem: eine Beschichtung aus einem dehnbarem Metall auf den Abschnitt des Blechrandes aufgebracht wird; ein Ort an dem beschichteten Abschnitt des Blechrandes mit einem widerstandsfähigen, rotierenden Werkzeug unter Druck berührt wird, um die dehnbare Metallbeschichtung zu bearbeiten und zu glätten, um diese im Wesentlichen riss- und porenfrei zu machen; und das Werkzeug um den beschichteten Randabschnitt des Erzeugnisses herum vorgeschoben wird, bis das Werkzeug die gesamte Beschichtung bearbeitet und geglättet hat.
Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen, gestanzten Magnesiumblecherzeugnisses nach Anspruch 5, bei dem eine Schicht von vorbestimmter mittlerer Dicke eines dehnbaren Metalls durch Kaltsprühen des Metalls aufgebracht wird und das dehnbare Metall, das auf den Abschnitt des Blechrandes aufgebracht wird, durch Kaltsprühen des Metalls aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen, gestanzten Magnesiumblecherzeugnisses nach Anspruch 5, ferner umfassend, dass der abgescherte Rand vor dem Auftragen des dehnbaren Metalls geformt wird.
Verfahren zum Herstellen eines korrosionsbeständigen, gestanzten Magnesiumblecherzeugnisses nach Anspruch 7, bei dem die Beschichtung des dehnbaren Metalls auf den geformten Blechrand aufgebracht wird, indem der Blechrand unter Druck mit einer zylindrischen Oberfläche eines Zylinders aus dehnbarem Metall berührt wird, der um seine Zylinderachse rotiert, um einen Teil des dehnbaren Metalls auf den Blechrand zu übertragen und aufzubringen, während der Zylinder aus dehnbarem Metall entlang des Blechrandes bewegt wird.
Verfahren zum Bilden einer im Wesentlichen riss- und porenfreien dehnbaren Metallbeschichtung an dem Rand eines abgescherten Magnesiumlegierungsblechs, welche geeignet ist, um einen Zugang eines Elektrolyten zu dem Magnesiumlegierungs-Blechrand zu verhindern und dadurch die Korrosionsbeständigkeit des Magnesiumblechrandes zu verbessern, wobei das Verfahren umfasst, dass: zumindest eine Länge des abgescherten Magnesiumlegierungs-Blechrandes geformt wird, um einen Rand zu bilden, der frei von Graten und im Wesentlichen rechteckig ist; die Länge des rechteckigen Blechrandes mit einer zylindrischen Oberfläche eines Zylinders aus dehnbarem Metall unter Druck berührt wird, der um seine Zylinderachse rotiert, um einen Teil des dehnbaren Metalls auf den rechteckigen Blechrand zu übertragen und aufzubringen, während der rotierende Zylinder aus dehnbarem Metall um die Länge des rechteckigen Blechrandes bewegt wird; ein Ort an der Länge des rechteckigen Blechrandes, auf welche das dehnbare Metall aufgebracht ist, mit einem widerstandsfähigen, rotierenden Werkzeug unter Druck berührt wird, um das dehnbare Metall zu bearbeiten und zu glätten, um dieses im Wesentlichen riss- und porenfrei zu machen; und das Werkzeug um die Länge des rechteckigen Blechrandes bewegt wird, auf den das dehnbare Metall aufgetragen wurde.
Verfahren zum Bilden der im Wesentlichen riss- und porenfreien dehnbaren Metallbeschichtung an dem Rand eines abgescherten Magnesiumblechs nach Anspruch 9, bei dem der Zylinder aus dehnbarem Metall eine Länge aufweist, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass der Zylinder aus dehnbarem Metall entlang seiner Zylinderachse eine Hubbewegung ausführt und der Zylinder aus dehnbarem Metall aufgeheizt wird.