DE102015213335B4 - Verfahren zur Beschichtung von Wälzlagerringen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Beschichten von Wälzlagerringen, die Funktionsflächen zur Ausbildung eines Wälz- oder Gleitkontakts und Außenflächen außerhalb der Funktionsflächen aufweisen, mit einer Zink-Nickel-Legierung, wobei- die Wälzlagerringe mehrfach einer Behandlung in einem Dekapier-Behandlungsbad unterzogen werden,- die Außenflächen der Wälzlagerringe mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke von wenigstens 6 µm beschichtet werden,- die Funktionsflächen der Wälzlagerringe nicht mit einer Zink-Nickel-Legierung beschichtet werden oder mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke beschichtet werden, die geringer als die Schichtdicke der Zink-Nickel-Legierung auf den Außenflächen der Wälzlagerringe ist und- in einem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung auf den Wälzlagerringen eine Literstrombelastung unterhalb von 0,4 Ampere/Liter eingestellt wird, wobei die Literstrombelastung definiert ist als Gesamtstromzufuhr zum Behandlungsbad dividiert durch das Gesamtbadvolumen des Behandlungsbads und/oder lediglich so viele Wälzlagerringe in dem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung eingebracht werden, dass gilt: Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 x Chargengewicht [kg] und/oder zu Beginn der Schichtbildung ein Oberflächenniederschlag aus Reinnickel mit einer Dicke von wenigstens 2 nm auf die Oberfläche abgeschieden wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Wälzlagerringen.
• Wälzlager werden mitunter in einer korrosiven Umgebung eingesetzt. Um die Wälzlager vor Korrosion zu schützen, können insbesondere die Außenbereiche der Wälzlager mit einer Korrosionsschutzschicht versehen werden, da die Außenbereiche in besonderem Maße der Korrosion ausgesetzt sind und die Funktionsfähigkeit der Wälzlager durch eine Korrosionsschutzschicht im Außenbereich in der Regel nicht in einem unzulässigen Ausmaß beeinträchtigt wird.
• Aus der DE 10 2014 206 701 A1 , der DE 41 42 313 A1 , der DE 10 2010 031 439 A1 , der DE 10 2009 023 818 A1 , der DE 20 2006 013 555 U1 , der JP S63- 180 722 A und der DE 692 19 330 T2 sind Wälzlager oder sonstige Lager bekannt, die mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen sind. Die DE 37 26 518 A1 offenbart ein Kaltband mit einer elektrolytisch aufgebrachten Nickelbeschichtung. Die DE 20 2013 001 731 U1 offenbart ein Stahlteil mit einem mehrschichtigen Überzug, der unter anderem eine Zinknickelschicht enthält. Aus der WO 2011/ 023 418 A1 ist ein Stahlbauteil mit einem Korrosionsschutzüberzug bekannt.
• Das Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht auf ein Wälzlager geht jedoch häufig mit einer Schädigung des Wälzlagers einher.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen möglichst guten Korrosionsschutz eines Wälzlagers zu erzielen und dabei das Wälzlager möglichst wenig zu schädigen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der nebengeordneten Ansprüche gelöst.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten von Wälzlagerringen, die Funktionsflächen zur Ausbildung eines Wälz- oder Gleitkontakts und Außenflächen außerhalb der Funktionsflächen aufweisen, mit einer Zink-Nickel-Legierung. Bei diesem Verfahren werden die Wälzlagerringe mehrfach einer Behandlung in einem Dekapier-Behandlungsbad unterzogen. Außerdem ist vorgesehen, dass die Außenflächen der Wälzlagerringe mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke von wenigstens 6 µm beschichtet werden, die Funktionsflächen der Wälzlagerringe nicht mit einer Zink-Nickel-Legierung beschichtet werden oder mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke beschichtet werden, die geringer als die Schichtdicke der Zink-Nickel-Legierung auf den Außenflächen der Wälzlagerringe ist und in einem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung auf den Wälzlagerringen eine Literstrombelastung unterhalb von 0,4 Ampere/Liter eingestellt wird, wobei die Literstrombelastung definiert ist als Gesamtstromzufuhr zum Behandlungsbad dividiert durch das Gesamtbadvolumen des Behandlungsbads und/oder lediglich so viele Wälzlagerringe in dem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung eingebracht werden, dass gilt: Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 x Chargengewicht [kg] und/oder zu Beginn der Schichtbildung ein Oberflächenniederschlag aus Reinnickel mit einer Dicke von wenigstens 2 nm auf die Oberfläche abgeschieden wird
• Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein Wälzlager mit erfindungsgemäß beschichteten Wälzlagerringen gut gegen Korrosion geschützt ist. Die gewählten Schichtdicken stellen einen guten Kompromiss zwischen einem zuverlässigen Korrosionsschutz und dem Aufwand zum Aufbringen der Schicht sowie die mit der Schicht einhergehenden Nachteile dar.
• Die Behandlung in einem Dekapier-Behandlungsbad hat gegenüber einem Beizen der Wälzlagerringe den Vorteil, dass Beizangriffe mit Grübchenbildung, Korngrenzenangriffe und Wasserstoffentstehung vermieden werden können.
• Die unterschiedliche Schichtdicke auf den Außenflächen und den Funktionsflächen des Innenrings und des Außenrings werden absichtlich und gezielt herbeigeführt und beruhen nicht lediglich auf einer unerwünscht geringeren Abscheidungsrate auf den Funktionsflächen gegenüber den Außenflächen. Die Außenflächen des Innenrings und des Außenrings können mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke von maximal 13 µm, vorzugsweise maximal 10 µm, beschichtet sein. Die Funktionsflächen des Innenrings und des Außenrings können mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke von weniger als 6 µm, vorzugsweise weniger als 3 µm, beschichtet sein. Weiterhin können die Außenflächen des Innenrings und des Außenrings mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke beschichtet sein, die wenigstens 3 µm, vorzugsweise wenigstens 5 µm, größer ist als die Schichtdicke auf den Funktionsflächen des Innenrings und des Außenrings.
• Bei den Funktionsflächen des Innenrings und des Außenrings kann es sich um Laufbahnen, Anlaufflächen für Wälzkörper oder Anlaufflächen von Dichtungen handeln.
• Die Zink-Nickel-Beschichtung kann einen Nickel-Anteil von 12 % bis 16 % aufweisen.
• Auf der Zink-Nickel-Beschichtung kann eine Passivierungsschicht ausgebildet sein. Die Passivierungsschicht kann eine Dicke von maximal 0,45 µm aufweisen.
• Die Zink-Nickel-Beschichtung kann eine Härte von 430-530 HV(0,05) oder 400-450 HV(0,1) aufweisen.
• Das Wälzlager kann Wälzkörper aufweisen, die mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke von maximal 2 µm beschichtet sind.
• Die Wälzlagerringe können zwischen zwei Behandlungen in dem Dekapier-Behandlungsbad in ein weiteres Behandlungsbad eingetaucht werden. Insbesondere können die Wälzlagerringe in ein Behandlungsbad zur elektrolytischen Entfettung eingetaucht werden. Es kann vorgesehen sein, dass im Rahmen der Beschichtung der Wälzlagerringe keinerlei Beizbehandlung durchgeführt wird. Eine Behandlung mit einer Dekapierlösung wird dabei nicht als Beizbehandlung angesehen.
• Das Dekapier-Behandlungsbad kann eine Trockensäure enthalten. Insbesondere kann das Dekapier-Behandlungsbad Natriumbisulfat oder Natriumhydrogensulfat enthalten. Das Dekapier-Behandlungsbad kann weiterhin Fluorid enthalten.
• Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Beschichten von Wälzlagerringen, die Funktionsflächen zur Ausbildung eines Wälz- oder Gleitkontakts und Außenflächen außerhalb der Funktionsflächen aufweisen, mit einer Zink-Nickel-Legierung. Bei diesem Verfahren werden in einem Behandlungsbad benachbart zu den Funktionsflächen Abschirmungen angeordnet, welche die Abscheiderate der Zink-Nickel-Legierung auf die Funktionsflächen gegenüber der Abscheiderate der Zink-Nickel-Legierung auf die Außenflächen reduzieren. Dabei ist vorgesehen, dass in dem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung auf den Wälzlagerringen eine Literstrombelastung unterhalb von 0,4 Ampere/Liter eingestellt wird, wobei die Literstrombelastung definiert ist als Gesamtstromzufuhr zum Behandlungsbad dividiert durch das Gesamtbadvolumen des Behandlungsbads und/oder lediglich so viele Wälzlagerringe in dem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung eingebracht werden, dass gilt: Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 × Chargengewicht [kg] und/oder zu Beginn der Schichtbildung ein Oberflächenniederschlag aus Reinnickel mit einer Dicke von wenigstens 2 nm auf die Oberfläche abgeschieden wird.
• Auf diese Weise kann auf der Funktionsfläche eine geringere Schichtdicke als auf der Außenfläche realisiert werden.
• Die Abschirmungen können so angeordnet werden, dass sie die Funktionsflächen nicht berühren. Bei als Innenringe ausgebildeten Wälzlagerringen können die Abschirmungen radial außerhalb der Wälzlagerringe, bei als Außenringe ausgebildeten Wälzlagerringen können die Abschirmungen radial innerhalb der Wälzlagerringe angeordnet werden. Die Abschirmungen können beispielsweise als Ringe, insbesondere als Ringe aus Kunststoff, ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, die Abschirmungen als Ringe aus Metall auszubilden.
• Generell kann die Abschirmung als eine aktive oder passive Abschirmung realisiert werden. Bei einer aktiven Abschirmung liegt an der Abschirmung eine Spannung an, welche die Abscheiderate der Zink-Nickel-Legierung reduziert. Demgemäß ist die aktive Abschirmung aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem Metall, hergestellt. Bei einer passiven Abschirmung beruht die Abschirmwirkung ausschließlich auf der Geometrie der Abschirmung. Demgemäß ist die passive Abschirmung aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff, hergestellt Bei einer passiven Abschirmung kann der Abstand zwischen dem Wälzlagerring und der Abschirmung maximal 2 mm betragen. Bei einer aktiven Abschirmung kann der Abstand zwischen dem Wälzlagerring und der Abschirmung maximal 5 mm betragen.
• Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Beschichten von Wälzlagerringen, die Funktionsflächen zur Ausbildung eines Wälz- oder Gleitkontakts und Außenflächen außerhalb der Funktionsflächen aufweisen, mit einer Zink-Nickel-Legierung. Bei diesem Verfahren werden die Wälzlagerringe so in einem Behandlungsbad angeordnet, dass jeweils ein als ein Innenring ausgebildeter Wälzlagerring radial innerhalb eines als ein Außenring ausgebildeten Wälzlagerrings angeordnet ist.
• Dies hat den Vorteil, dass die Laufbahnen der Außenringe durch die Innenringe und die Laufbahnen der Innenringe durch die Außenringe abgeschirmt werden. Die Abschirmung bewirkt, dass die Zink-Nickel-Legierung auf den Funktionsflächen in einer geringeren Schichtdicke aufgebracht wird als auf den Außenflächen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine derartige Anordnung der Wälzlagerringe sehr platzsparend ist und deshalb eine große Zahl von Wälzlagerringen im Behandlungsbad angeordnet werden können.
• Jeweils radial zwischen dem als Innenring ausgebildeter Wälzlagerring und dem als Außenring ausgebildeten Wälzlagerring kann eine Abschirmung angeordnet werden. Dadurch kann eine von der durch die Geometrie des Innenrings und des Außenrings vorgegebenen Abschirmwirkung abweichende Abschirmwirkung erzielt werden. Ins besondere kann eine höhere Abschirmwirkung erzielt werden.
• In einem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung auf den Wälzlagerringen kann eine Literstrombelastung unterhalb von 0,4 Ampere/Liter eingestellt werden, wobei die Literstrombelastung definiert ist als Gesamtstromzufuhr zum Behandlungsbad dividiert durch das Gesamtbadvolumen des Behandlungsbads.
• Es können lediglich so viele Wälzlagerringe in das Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung eingebracht werden, dass gilt:
• Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 x Chargengewicht [kg].
• Es können Maßnahmen zur Begrenzung des maximalen Cyanid-Gehalts im Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung getroffen werden. Dies hat den Vorteil, dass die Bildung von Tetracyanonickelat-Komplexen begrenzt wird, die eine unerwünschte Vorvernickelungsabschwächung bei Schichtbildungsbeginn verursachen.
• Die Wälzlagerringe können einer thermischen Nachbehandlung zugeführt werden. Die thermische Nachbehandlung kann insbesondere bei Temperaturen zwischen 200°C und 220°C durchgeführt werden.
• Die Wälzlagerringe können vor der Beschichtung mit der Zink-Nickel-Legierung in ein Behandlungsbad mit maximal 18 %iger Salzsäure für maximal 2 Minuten eingetaucht werden. Diese vergleichsweise kurze Beizdauer greift die Oberfläche des Wälzlagerrings nicht in unvertretbarer Weise an. Insbesondere kann die Konzentration der Salzsäure maximal 15 %, vorzugsweise maximal 10 % betragen.
• Zu Beginn der Schichtbildung kann ein Oberflächenniederschlag aus Reinnickel mit einer Dicke von wenigstens 2 nm auf die Oberfläche abgeschieden werden.
• Die Zink-Nickel-Legierung kann als Gammaphase Ni5Zn21 abgeschieden werden.
• Es kann eine anorganische stromlose Passivierung auf die erzeugte Zink-Nickel-Beschichtung aufgebracht werden.
• Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert.
• Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Wälzlagerringe nacheinander in mehrere Bäder eingetaucht. Durch diese Behandlung wird auf die Oberfläche der Wälzlagerringe eine Zink-Nickel-Legierungsschicht (ZnNi) als metallisch-anorganischer Überzug galvanisch aufgebracht. Der Überzug dient insbesondere dem Korrosionsschutz.
• Die Wälzlagerringe sind aus Wälzlagerstahl hergestellt, gehärtet und feingeschliffen. Für die Badbehandlung können die Wälzlagerringe insbesondere als Gestellware chargiert werden. Nach Ausbildung der Zink-Nickel-Legierungsschicht kann noch eine Nachbehandlung, z. B. Passivieren, und ggf. ein thermisches Nachbehandeln erfolgen.
• Unter Gestellware versteht man Werkstücke, in diesem Fall Wälzlagerringe, die einzeln an einen Warenträger (Gestell) angehängt oder auf diesen aufgesetzt werden. Der Warenträger mit einer Mehrzahl oder Vielzahl bestückter Werkstücke wird dann durch die verschiedenen Bäder gefahren, ohne dass es wie bei Trommelware zu freier Bewegung und Beschädigung der Werkstücke untereinander kommt.
• Das Beschichtungssystem ist primär für den Korrosionsschutz von abgedichteten Wälzlagern vorgesehen mit Betonung des Schutzes der außen liegenden Flächen. Die Lagerinnenflächen (Laufbahnen und Bordinnenseiten) werden entweder nicht mitbeschichtet, oder in wählbaren Varianten nur dünn beschichtet. Ebenso wenig wird im Regelfall der Wälzkörpersatz beschichtet, weswegen sich der wesentliche Korrosionsschutz auf die Lageraußenflächen bis unter die Dichtungen beschränkt. In notwendigen Sonderfällen kann aber auch eine sehr dünne Beschichtung auf dem Wälzkörpersatz vorgesehen werden, deren Dicke ebenfalls spezifiziert wird.
• Der Korrosionsschutz liegt weit oberhalb von galvanischer Verzinkung (etwa 3-4fach besser bei gleicher Dicke) und deutlich oberhalb von Zink-Eisen-Legierungsschichten, welche in vielen Anwendungen zunehmend von ZnNi abgelöst werden.
• Es entstehen im Gebrauch keine voluminösen Korrosionsprodukte, welche die Demontage des gebrauchten Wälzlagers wie bei unlegiertem Zink behindern würden. Die entstehende Korrosion ist nur ein grauer, dünner, fest haftender Oxidfilm, der zudem weitere Barrierewirkung bietet.
• Gesetzliche Regelungen und Richtlinien, insbes. EG- und EU-Richtlinien, schränken die Anwendung gefährlicher und schädlicher Substanzen in bestimmten Anwendungsbereichen oder bereichsübergreifend zunehmend ein, wodurch hochwirksame klassische Korrosionsschutz-Systeme mit z.B. Cr6 oder Cd verboten werden. ZnNi fällt nicht unter die gelisteten Substanzen und wird als unbedenklich angesehen. Dies gilt auch für die im Rahmen der Erfindung durchgeführte Passivierung. Insbesondere kann ZnNi in vielen Fällen als Ersatz für früher übliche (umweltgefährliche) Cadmiumbeschichtungen verwendet werden.
• Die Güte der Laufbahnen und die innere Luftklasse des Lagers werden bei Verwendung von Laufbahnabdeckungen gegen Medienkontakt gar nicht verändert. Auch bei Verwendung der Varianten mit geringer Schichtdicke und sanfter Vorbehandlung ergeben sich nur relativ geringe Auswirkungen auf die Laufbahnqualität.
• Generell entfalten ZnNi-Schichten ihre Wirkung im Bereich von etwa 2 - 10 µm mit einem Erreichen des Korrosionsschutzmaximums oberhalb von 6-8 µm. Die für Wälzlager bevorzugten Schichtdicken liegen in Größenordnungen von max. etwa 3 µm im Lagerinnenraum und max. etwa 10 µm auf den Ringaußenflächen, sowie bei Bedarf 1-1,5 µm auf den Wälzkörpern.
• Das Abriebverhalten und die Schichtbelastbarkeit sind wegen der erhöhten Härte von ZnNi besser als bei Zn. Während Zn nur 40-130 HV0.1 (sauer) bzw. 80-150 HV0.1 (alkalisch), also pauschal etwa 100 HV0.1 besitzt, liegt ZnNi in Normalform oberhalb von 400 HV0.1 (400-450) und in flexibler Variante immer noch mindestens bei 300 HV0.1. Alle Varianten besitzen resultierend eher Zugeigenspannungen.
• ZnNi ist deutlich weicher als der gehärtete Wälzlagerstahl (etwa 40-45 zu 60 HRC). Bei geeignet dünnen bzw. sehr dünnen Schichten im Lagerinnenraum erfolgt ein eventueller Schichtabtrag bei Verschleiß oder Überlastung daher in überwälzbaren Partikelgrößen und -härten, welche ein Wälzlager nicht zerstören.
• Spätestens bei etwa 1000 N/mm² oder 150000 psi, eventuell auch schon deutlich früher, können spontane Abplatzer auftreten. Um hieraus keine Schäden für den Betrieb zu induzieren, ist die Wahl geringer Schichtdicken im Lagerinnenraum essentiell.
• Der Nickelanteil verschiebt das elektrochemische Potential der Schicht näher an Eisen heran. Zwar werden 100-200 mV Unterschied für einen Korrosionsschutz benötigt, jedoch führen zu große Unterschiede (Zink) zu einer unnötig schnellen Auflösung der Schicht. ZnNi bremst gegenüber Zn unter Beibehaltung der kathodischen Fernwirkung die Auflösung um etwa 150-300 mV überschüssige Differenz unter Beibehaltung eines idealen Potentialunterschiedes von etwa 250-280 mV und führt über die bei Korrosion auftretende Oberflächennickelanreicherung zu einer weiteren Reduzierung der Korrosionsgeschwindigkeit. Der Abtrag je Zeiteinheit kann bis auf 1/10 des Wertes für Zn reduziert werden. Somit ist auch die Beständigkeit der Schicht unter chemischem Angriff besser als bei Zink, wenngleich saure Medien weiterhin eine Zinkauflösung betreiben. Gegen Wälzlageröle und -fette wie auch gegen Lösemittel, wie sie zur Reinigung bei Demontage/ Montage verwendet werden, besteht volle Beständigkeit.
  Durch das günstigere elektrochemische Potential kann ZnNi-beschichteter Stahl auch Aluminiumlegierungen, Magnesium usw. ohne Kontaktkorrosion kontaktieren. Weiterhin treten bei ZnNi keine Whisker auf, welche bei Zn durch Selbstwachstum die Passivierung verletzen.
• Die Schicht ist vergleichbar mit Schlüsselnummernäquivalent P9B nach DIN EN ISO 4042.
• Es bestehen keine Bedenken hinsichtlich Nickelallergie. Die Ni-Abgabe der Schichten ist minimal und sehr weit unterhalb der Grenzwerte nach DIN 1811 (0,5 µg/cm²/Woche), sowie bei gleichen pH-Bedingungen sogar deutlich unterhalb der Ni-Abgabe von üblichen Edelstählen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist wegen des Schichtsystems, des komplizierteren ZnNi-Elektrolyten, des schwierigeren Erreichens von Schichtdickenkonstanz, der geringeren Chargierungsdichte und ggf. wegen der partiellen Beschichtung teurer als beispielsweise eine allseitige Zink-Eisen-Legierungsschicht (ZnFe) und wird bei erhöhten Anforderungen als korrosionsschützende Maximallösung bei gleichzeitig reduzierter Wasserstoffbelastung eingesetzt.
• Es wird ein ZnNi-Schicht mit sehr geringem Wasserstoffeintrag in den Stahl erzeugt, welches bei ZnFe oder Zn nicht gelingt.
• Die Größe der Wälzlagerringe ist auf Eintauchbarkeit in die galvanischen Bäder beschränkt, die von der Chargierung und der Badgröße abhängt. Die Chargierung hängt wiederum von der Ringgeometrie ab (z.B. Chargierung mit waagerechter oder senkrechter Achse, Berücksichtigung der Schöpfwirkung und Entlüftung). Typische Werte für mittelgroße Anlagen könnten z.B. sein: Wälzlagerringe kleiner 1,0 Meter Durchmesser bei horizontaler Achse und kleiner 0,4 Meter Durchmesser bei vertikaler Achse. ZnNi-Anlagentechnik ist für eine Badtiefe von wenigstens 1,80 Meter verfügbar, so dass auch noch deutlich größere Wälzlagerringe behandelt werden können.
• Alle zu beschichtenden Flächen sollten vor der Beschichtung metallisch blank sein, inklusive Kantenkürzungen und Radien. Dies lässt sich beispielsweise durch Gleitschleifen erreichen. Fehlerfreie Schichten sind nur auf blanken Bereichen möglich.
• Die im Folgenden näher beschriebene Vorgehensweise kann an Vorgaben des Einzelfalls angepasst werden. Beispielsweise kann ein Beizen mit sehr geringer Beizkonzentration für 5 bis max. 30 Sekunden durchgeführt werden oder es kann eine Wasserstoffentsprödung durchgeführt werden.
• Im Folgenden wird von Außenbereich bzw. Lageraußenbereich und Innenbereich bzw. Lagerinnenbereich gesprochen. Dies bezieht sich auf ein fertig zusammengebautes Lager. Somit befindet sich der „Außenbereich“ eines Innenringes innen, u. a. in der Bohrung, sowie seitlich, da dies beim zusammengebauten Lager Außenflächen sind. Die Innenringlaufbahn liegt zwar am Außendurchmesser dieses Ringes, ist für das Lager aber eine Innenfläche, innerhalb des abgedichteten Funktionsraumes.
• Es gibt eine Anzahl von Varianten der ZnNi-Beschichtung für Wälzlager, die unterschiedliche Vorteile bieten und je nach Anwendungsfall ausgewählt werden können. Nachfolgend sind die Varianten ebenso wie die Auswahlkriterien aufgeführt:
• Je nach eingesetztem Elektrolyten kann entweder eine reguläre Zn-Ni-Schicht - im Folgenden als „ZnNi-Standard“ bezeichnet - oder eine flexible Variante - im Folgenden als „ZnNi-flexibel“ bezeichnet - abgeschieden werden.
• Die flexible bzw. verformbare Variante wurde entwickelt, um z.B. Rohre nachträglich noch biegen oder bördeln zu können, ohne dass die Schicht abplatzt. Sie besitzt jedoch Eigenschaften, die auch für manche Wälzlageranwendungen aus anderen Gründen interessant sind. Die verformbare Variante ist nicht duktil. Sie hat gegenüber der Standardversion zwar eine feinkristallinere Struktur geringerer Härte, ansonsten aber nahezu denselben Aufbau. Der wesentliche Unterschied ist ein viel ausgeprägteres und feineres Netzwerk von Schichtrissen, das bewusst erzeugt wird, und welches eine nachträgliche Verformbarkeit erlaubt.
• Die beiden Varianten können über die Mikrorissigkeit folgendermaßen unterschieden werden:
• „ZnNi-Standard“ weist Rissabstände etwa im Bereich 60 - 200 µm auf.
• „ZnNi-flexibel“ weist Rissabstände etwa im Bereich 5 - 40 µm, meist 10 - 25 µm, auf.
• In Verbindung mit der kolumnaren vertikalen Säulenstruktur in der Schicht ergeben die Risse eine gute Möglichkeit, Wasserstoff besser aus dem Werkstück entweichen zu lassen - mit und ohne Tempern.
• Da die Mikrohärte der flexiblen Variante niedriger liegt, wird man für hochbelastete Lager mit hohen Hertzschen Pressungen und hohen Drücken im Schmierspalt bei beschichteter Laufbahn eher die Variante „ZnNi-Standard“ wählen. In Fällen, in denen eine Verringerung der Wasserstoffversprödung noch über das hier bereits vorgeschriebene Maß hinausgehen muss und anwendungsentscheidend ist, sollte für allseitig beschichtete Wälzlagerringe die Variante „ZnNi-flexibel“ gewählt werden. Sofern die Laufbahn unbeschichtet bleibt, kann regelmäßig „ZnNi-Standard“ verwendet werden.
• Da Glanzbildner wie jeder Organikzusatz zu einer Schichtversprödung führen, sind die Möglichkeiten der Steuerung des optischen Erscheinungsbildes bei der flexiblen Variante geringer - das Erscheinungsbild kann unter Umständen matter und weniger wertig wirken.
• In einer ersten Variante, die im Folgenden als „LU“ („Laufbahnen unbeschichtet“) bezeichnet wird, werden während der Badbehandlung der Wälzlagerringe Abdeckungen verwendet, durch welche der Medienkontakt zu den Laufbahnen und zu den Gleitbahnen (Bordinnenseiten) vollständig unterbunden wird. Diese Funktionsflächen werden daher nicht beschichtet und auch keiner Beizwirkung ausgesetzt. Somit ist keine Beeinflussung der Lagerlebensdauer und der Lagereigenschaften gegenüber dem unbeschichteten Zustand zu erwarten. Es besteht allerdings auch kein Korrosionsschutz an den unbeschichteten Innenflächen. Durch die Abdeckung von kritischen Innenbereichen kann die ZnNi-Schicht auf den Außenbereichen hingegen mit besonders hoher Schichtdicke und maximaler Schutzwirkung aufgetragen werden.
• Diese Variante bietet größte Sicherheit, wenn auf eine absolut unveränderte und maximale innere Performance des Lagers Wert gelegt wird. Sie bietet zudem für die Außenbereiche des Lagers den maximalen Korrosionsschutz. Sie kann bei Einzelteilen gut über manuell applizierte Abdecklacke erreicht werden, für Serien ist jedoch eine Investition in entsprechende typabhängige elastische Abdeckungen angezeigt. Während die Dichtwirkung für Abdecklacke sehr gut ist, ist im Serieneinsatz von wiederverwendbaren Abdeckungen mit einem gewissen Ausschussrisiko wegen Undichtigkeit zu rechnen. Die Beschichtungskosten sind wegen des Abdeckbedarfes in beiden Fällen erhöht.
• In einer zweiten Variante, die im Folgenden als „LB“ („Laufbahnen beschichtet“) bezeichnet wird, kann eine insgesamt dünnere und allseitige Beschichtung einschließlich Laufbahnen und Bordinnenseiten erfolgen. Die Schicht ist insgesamt d.h. auch im Außenbereich dünner, weil die Laufbahnen mitbeschichtet sind und dort hohe Schichtdicken störend und nachteilig wirken. Hierdurch kann jedoch die aufwendige Abdeckung/ Maskierung/ Abschirmung von Teilflächen vermieden werden und die Beschichtungskosten werden stark reduziert. Ebenso sind neben den relativ einfach gehaltenen Aufhängegestellen keine weiteren typabhängigen Werkzeuge erforderlich.
• Diese Variante bietet die größte Wirtschaftlichkeit aller Möglichkeiten und sollte insbesondere bei preiswerten Massenteilen und hochvolumigen kleinen Ringgrößen in Erwägung gezogen werden. Niedrige bis mäßige Drehzahlen des Lagers begünstigen die Wahl dieser Variante. Der Korrosionsschutz im Außenbereich ist durch die niedrigere Schichtdicke schwächer als bei „LU“ und die negativen Auswirkungen auf Laufbahn und innere Performance sind größer. Dafür besteht auch für den Lagerinnenraum ringseitig ein guter Rostschutz, solange die Schicht nicht im Betrieb abgetragen ist.
• In einer dritten Variante, die im Folgenden als „LAB“ („Laufbahnen abgeschirmt beschichtet“) bezeichnet wird, kann wie bei „LB“ eine allseitige Beschichtung erfolgen, jedoch mit selektiv bewusst unterschiedlichen Dicken der Schichten auf (a) Laufbahnen und Bordinnenseiten und (b) im Außenbereich. In diesem Fall werden während der Badbehandlung Abschirmungen für die Laufbahnen und die Bordinnenseiten verwendet. Abschirmungen sind nicht dicht, erlauben also den Medienzutritt zu den abgeschirmten Oberflächen, schwächen jedoch die Einstreuung so ab, dass sich dort dünnere Schichten ergeben als in nicht abgeschirmten Bereichen. Dadurch ist es möglich, einerseits im Außenbereich eine hohe Schichtdicke zur Erzielung eines guten Korrosionsschutzes und andererseits im Innenbereich eine geringe Schichtdicke zur Begrenzung der negativen Auswirkungen der Schicht zu realisieren.
• Abschirmungen können jeweils in Form als passive Abschirmungen oder als aktive Abschirmungen realisiert werden.
• Eine passive Abschirmung entfaltet ihre abschirmende Wirkung alleine durch ihre Geometrie und Anordnung. Eine passive Abschirmung kann beispielsweise als ein Kunststoffring realisiert sein, der radial innerhalb eines Außenrings eines Zylinderrollenlagers angeordnet ist. Dabei wird der Kunststoffring insbesondere so angeordnet, dass zwischen dem Kunststoffring und dem Außenring ein Spalt von einigen mm verbleibt.
• Eine aktive Abschirmung entfaltet ihre Wirkung zumindest auch infolge einer an ihr anliegenden Spannung. Eine aktive Abschirmung kann beispielsweise als ein Eisenring ausgebildet sein, der radial innerhalb eines Außenrings eines Zylinderrollenlagers angeordnet ist. auch in diesem Fall verbleibt ein Spalt zum Außenring, der allerdings größer als der Spalt beim Kunststoffring ausfallen kann.
• Bei einer aktiven Abschirmung können daher meist größere Toleranzen bei der Spaltbreite zugelassen werden als bei einer passiven Abschirmung. Allerdings wird die aktive Abschirmung wegen der anliegenden Spannung mitbeschichtet, so dass immer wieder eine Entschichtung erforderlich ist.
• Bei sehr breiten Laufbahnen bzw. ungünstigen Geometrien kann es aber sein, dass eine Abschirmung keinen durchgehenden Schichtaufbau oder einen unerwünschten Dickengradient in den abgeschirmten Bereichen erzeugt. Deshalb ist im Vorfeld abzuschätzen, ob sich der jeweilige Lagerringtyp für eine Beschichtung mit partieller Abschirmung eignet.
• Die Abschirmungen können als Kunststoffteile ausgebildet werden, die in einer Entfernung von bis zu 2 mm von den Stahloberflächen angeordnet sind. Aufgrund der Abschirmungen sind typabhängige Werkzeugkosten und erhöhte Beschichtungskosten zu berücksichtigen.
• Alternativ können die Abschirmungen als Metallteile ausgebildet werden, die in einer Entfernung von ca. 5 mm von der Stahloberfläche angeordnet sind.
• Bei der Variante „LAB“ handelt es sich um die technisch anspruchsvollste Variante mit hohen Anforderungen an den Beschichtungsprozess und die Wiederholgenauigkeit der Abschirmung und der resultierenden Abscheidung. Ihr Vorteil liegt darin, dass ein optimales Verhältnis zwischen maximalem äußerem Korrosionsschutz und nicht funktionsbeeinträchtigendem innerem Korrosionsschutz gewählt werden kann. Zudem wird durch das nicht abgedichtete System während der Badbehandlung die bei der Variante „LU“ vorhandene Schwierigkeit vermieden, dass die Innenbereiche der Wälzlagerringe vollständig gegen das Badmedium abgedichtet sein müssen und eine Undichtigkeit durch Fehlmontage oder Abdeckungsverschleiß die Wälzlagerringe unbrauchbar macht.
• Bei den Varianten „LB“ und „LAB“ kommen nicht abgedeckte Laufbahnen und Gleitbahnen im Prozess in Kontakt mit aggressiven Medien wie Säuren. Außerdem ist die Beschichtung besonders bei höherer Dicke nur bedingt überrollfest, was die anwendungs- oder produktspezifische Überprüfung dieser Varianten auf Eignung erfordert.
• Auch allseitig beschichtete Wälzlagerringe kommen in der Regel bei abgedichteten Lagern zum Einsatz, wenn lediglich die Ringinnenflächen einen Korrosionsschutz besitzen, nicht aber der zugehörige Wälzkörpersatz. Für einen inneren Korrosionsschutz muss auch der Wälzkörpersatz beschichtet werden, sofern er aus Wälzlagerstahl besteht. Bei einer Beschichtung der Laufbahnen und der Wälzkörper wird die gesamte innere Lagerluft radial um 4x Laufbahnschichtdicke und 4x Wälzkörperschichtdicke reduziert. Eine vollwertige Beschichtung des Wälzkörpersatzes würde zu einer unzulässigen Veränderung der Luftklassen zwischen dem Neuzustand des Lagers und dem Zustand nach einem Schichtverschleiß führen. Außerdem ergäbe sich eine mangelnde Laufgenauigkeit des Lagers durch aufsummierte Rundheits- und Formverluste. Daher wird der Wälzkörpersatz lediglich mit einer sehr geringen Schichtdicke versehen.
• Die Möglichkeit, Wälzkörper sehr dünn, beispielsweise 1 bis 2 Mikrometer dick, zu beschichten, ergibt abgesehen vom zusätzlichen fertigungstechnischen Aufwand einen im Wesentlichen nur bis zum anfänglichen Lagergebrauch währenden Rostschutz, da sich diese Schichtdicke im Betrieb in kurzer Zeit abträgt. Weil eine ZnNi-Schicht von 1 µm Dicke noch nicht vollständig ausgeformt und gleichmäßig dicht ist, kann von einem zwar gegenüber der blanken Variante deutlich erhöhten Rostschutz ausgegangen werden, der jedoch übliche ZnNi-Schutzwerte nicht erreicht.
• Daher wird in vielen Fällen der Wälzkörpersatz nicht beschichtet und es erfolgt lediglich eine Ringbeschichtung. Eine eventuell dennoch angedachte Beschichtung von Wälzkörpern kann jedoch in analoger Weise erfolgen, wobei große Rollen als stirnseitig kontaktierte Gestellware oder kleine Rollen bzw. Kugeln als Trommelware bearbeitet werden.
• Bei der Oberflächenvorbehandlung kann zum Erzielen einer maximalen und sicheren Schichthaftung nach der alkalischen Entfettung ein trennschichtentfernendes, oxidschichtentfernendes und aktivierendes Beizen der Oberfläche mit Säure erfolgen. Diese Vorgehensweise wird im Folgenden als Version „B“ bezeichnet. Dabei steht „B“ für „Beizen“.
• Insbesondere sofern ausreichende Produktionsvolumina behandelt werden, oder nach anlagentechnischer Möglichkeit kann das Beizen durch einen milderen Prozess ersetzt werden, der als Version „BR“ bezeichnet und im Folgenden noch näher beschrieben wird. „BR“ steht dabei für „Beizen, reduziert“.
• Alternativ kann es ausreichend sein, die Oberfläche nur über ein Dekapieren einer sehr kurzen und schwachen Säurewirkung auszusetzen, und ansonsten nur alkalische Vorbehandlungsschritte auszuführen. Diese Vorgehensweise setzt hinreichend saubere und allseitig lückenlos bearbeitete Oberflächen voraus (keine schwarzen Bereiche zulässig, auch nicht an z.B. Kanten) und frisch produzierte Werkstücke. Die höheren Risiken hinsichtlich Schichthaftung und Schichtaufbau werden kompensiert durch das Vermeiden von Beizangriffen mit Grübchenbildung, Korngrenzenangriff und Wasserstoffentstehung. Diese Variante wird im Folgenden als Version „D“ bezeichnet. „D“ steht dabei für Dekapieren.
• Sofern die Laufbahnen nicht mit Abdeckungen vor Medienkontakt geschützt werden, bietet die Variante „D“ größere Sicherheit, wenn auf eine weitgehend unveränderte innere Performance des Lagers Wert gelegt wird. Sofern der Anwendungsfall jedoch anspruchsloser ist und eventuelle Beizgrübchen/ Pittings in der Laufbahn unkritisch erscheinen, bietet die Variante „B“ größere Sicherheit bezüglich Schichthaftung, und Prozesssicherheit auch unter ungünstigeren Vorqualitätsbedingungen. Die Variante „BR“ ist ein Kompromiss zwischen „D“ und „B“.
• Im Normalfall wird die Beschichtung noch in der Beschichtungsanlage einer Passivierung unterzogen, welche für den Korrosionsschutz bedeutsam ist. Es handelt sich bei diesem Normalfall um die Version „P“ („passiviert“).
• In Sonderfällen kann es gewünscht sein, auf eine Passivierung zu verzichten. Dies ist z.B. möglich, wenn nachträgliche thermische Behandlungen (z.B. Wasserstoffentsprödung) in einem zu hohen Temperaturbereich gefordert werden, für welchen eine Passivierung u. U. nicht ausreichend temperaturbeständig ist und sich verfärbt/ zersetzt. Diese Variante wird als „NP“ („nicht passiviert“) bezeichnet. Da der Korrosionsschutz bei Verzicht auf die Passivierung stark abnimmt, ist dies keine allgemein bevorzugte Option.
• Eine zusätzliche abschließende schichtbildende Versiegelung, wie sie häufig nach der Passivierung aufgetragen wird, wirkt bei Wälzlagerbauteilen störend, und ist daher nicht vorgesehen.
• In der Regel erfolgt keine thermische Nachbehandlung, da anders als bei Zn oder ZnFe eine Wasserstoffentsprödung bei ZnNi in den meisten Fällen unnötig ist und jede Art der thermischen Nachbehandlung außerdem dazu tendiert, den Korrosionsschutz eher zu verringern. Die Vorgehensweise ohne thermische Nachbehandlung wird im Folgenden als „OT“ („ohne Tempern“) bezeichnet.
• Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, ein Tempern als Wasserstoffentspröden hinzuzunehmen. Dabei handelt es sich häufig eher um eine Vorsorgemaßnahme als um tatsächlich zwingende technische Notwendigkeit. Diese Variante wird im Folgenden als Version „T“ („Tempern“) bezeichnet.
• Es ist auch eine abgemilderte Variante der thermischen Nachbehandlung möglich, die im Folgenden als Version „PMTT“ („post machining thermal treatment“) bezeichnet wird. Dese Behandlung besitzt eine kürzere Haltedauer als das Tempern und meist eine etwas niedrigere Temperatur. Sie zielt auf oberflächliche Gefügeeffekte im Stahl und steht nicht in Zusammenhang mit der Beschichtung selbst.
• Die thermischen Nachbehandlungen „T“ und „PMTT“ sind durch Angaben wie Haltetemperatur und Toleranz sowie Haltedauer und Toleranz charakterisiert.
• Das Tempern ist möglich für „ZnNi-Standard“ und „ZnNi-flexibel“, es wird jedoch im Falle kritischer Wasserstoffproblematik empfohlen, „ZnNi-flexibel“ zugrunde zulegen.
• Somit ergeben sich für Wälzlagerringe insgesamt die Möglichkeiten:
• ZnNi-Standard, ZnNi-flexibel: Damit sind Mikrorissigkeit, Mikrohärte und Feinkörnigkeit wählbar der Beschichtung wählbar.
• LU, LB, LAB: Abhängig von der gewählten Variante bleiben die Laufbahnen unbeschichtet oder werden beschichtet bzw. abgeschirmt beschichtet.
• B, BR, D: Die Oberfläche wird gebeizt, schwach gebeizt oder nur dekapiert.
• P, NP: Die Beschichtung wird passiviert oder nicht passiviert.
• OT, T, PMTT: Das Verfahren wird ohne eine thermische Nachbehandlung, mit einer thermischen Nachbehandlung in Form von Tempern oder mit einer modifizierten thermischen Nachbehandlung durchgeführt.
• Besonders bevorzugt werden folgende Kombinationen ausgeführt:
• ZnNi-Standard - LU - B - P - OT
• ZnNi-Standard oder flexibel - LB - D - P - OT
• ZnNi-Standard oder flexibel - LAB - D - P -OT
• Alle anderen Kombinationen nach Bedarf und unter Prüfung der technischen Möglichkeit.
• Mit dem Beschichtungsverfahren wird eine metallisch silbergraue, je nach Passivierung u. U. geringfügig bläulich wirkende, galvanisch erzeugte Metalllegierungsschicht aus ZnNi (Legierung Zink mit Nickel), mit einer im Folgenden noch näher definierten Schichtdicke ausgebildet, welche mindestens den korrosionsgefährdeten Außenbereich des Werkstückes und je nach gewählter Variante ggf. zusätzlich den Innenbereich als aufliegende Schicht schützend lückenlos bedeckt.
• Die Schicht wird aus alkalischem (bevorzugt natriumhydroxidhaltigem oder ggf. kaliumhydroxidhaltigem) und stark streuendem sowie stromdichtetolerantem Elektrolyten abgeschieden. Es entsteht eine ZnNi-Schicht (GammaphasenAbscheidung) mit nominell 14 % Nickeleinlagerung (ZnNi 86:14).
• Die tatsächlich gemessene Einlagerung (gemäß X-Ray bzw. energiedispersiver Röntgenstrahlanalyse EDX/EDA) darf zwischen 12,0 und 16,0 % Ni liegen (Zn 84-88 %) mit anzustrebendem Sollwert 14,0 %.
• Angestrebt wird die Gammaphase Ni5Zn21, welche die höchste Stabilität und den besten Korrosionswiderstand besitzt. Der Korrosionsschutz besitzt seinen Maximalbereich zwischen 12,0 und 15-16 % mit dem absoluten Maximum bei 14,0 %. Bei Werten unter 12,0 % ist die erwünschte ZnNi-Gammaphasenabscheidung nicht gewährleistet. Bei Werte über 16,0 % ergibt sich eine Unterpassivierung und Sprödheitsgefahr.
• Die Duktilität und Biegefähigkeit der Schicht ist u. a. über den Ni-Gehalt beeinflussbar und reicht von „noch biegefähig“ (ca. 6-8 %) bis „spröde, bei Biegung sofort rissbildend“ (ca. 16 %). Ohne äußere Belastung liefern höhere Nickelanteile jedoch weniger Mikrorisse.
• Elektrolyte zur Herstellung der Schicht „ZnNi-flexibel“ weisen etwa 12 % Ni auf. Die damit hergestellte Schicht weist ein eher mattes Aussehen und eine starke Mikrorissigkeit auf, die über zusätzliche chemische Rissöffnung mit einem Aktivator oder einer Passivierung speziellen verstärkt werden kann. Es kommen grundsätzlich alkalische ZnNi-Elektrolyte zum Einsatz.
• Für die Überprüfung des Nickelanteiles sind am Werkstück Bereiche höherer und niedrigerer Stromdichte beispielsweise mit X-Ray Fluoreszenz gemäß ISO 3497 zu messen, da die Nickel-Einbaurate darauf basierend schwankt.
• Für eine angestrebte Schichtdicke je nach Verfahrensvariante von 10 µm wird für die Gestellware als Richtwert eine Verweildauer im ZnNi-Bad von etwa 40-60 Minuten angenommen (Abscheiderate 10... 15 µm/h), in Einzelfällen auch bis ca. 70 Minuten. Elektrolyte für flexible Schichten sind etwa 20 % langsamer.
• Die kathodische Stromdichte für Gestellware ist dabei stets geringer - oft deutlich geringer - als 4 A/dm², häufig etwa 1,2 - 2,5 A/dm² bzw. 1,5 - 2,0 A/dm² (Basis ca. 9-15 Volt, Gleichstrom ungepulst). Hohe Stromdichten, insbesondere über 2,5 A/dm², verstärken die Streuung über die Charge und gefährden zudem ab ca. 3 A/dm² die Abscheidung der korrekten Gammaphase.
• Die Abscheideraten variieren je nach Elektrolytsorte, Wirkungsgrad und Badalter.
• Generell gilt für Gestellware bei „ZnNi-Standard:
• Alle Abscheideraten > 16 µm/h, wie auch < 9 µm/h (frischer Elektrolyt) bzw. < 7 µm/h (gebrauchter Elektrolyt) sollten möglichst vermieden werden. Ähnliches gilt für kathodische Stromdichten oberhalb von 2,5 A/dm². Besonders gute Ergebnisse liefern eine Abscheiderate von 10 µm/h und eine kathodische Stromdichte von 1,5 - 2,0 A/dm².
• Für „ZnNi-flexibel“ sind die Abscheideratenangaben jeweils um 20 % zu reduzieren.
• Die Bearbeitungsparameter, insbesondere hinsichtlich Oberflächenvorbereitung und Beizen wie auch z.B. Tempern, sowie der Laufbahnschutz durch Abdeckungen oder Abschirmungen, unterscheiden sich von regulären Zink-Nickel-Prozessen für allgemeine Werkstücke. Grund ist die Anpassung des Prozesses auf die besonderen Anforderungen an Wälzlager.
• Als seitliche Begrenzungen der Laufbahnen kann es je nach Lagerbauart an Innen- oder/ und Außenring Borde geben. Eine Wälzlagerlaufbahn ist entweder ohne Borde, oder einseitig oder beidseitig bordbegrenzt. Der Bord ist eine axiale Anlauffläche für den Wälzkörpersatz.
• Hieraus ergibt sich, dass eine Anzahl von Außenringen eine problematische Geometrie hat, die bei hängender Chargierung (horizontale Achse) zu Luftblaseneinschluss und Schöpfwirkung führen würde. Dies kann beispielsweise bei Zylinderrollenlageraußenringen mit 2 Borden, aber auch bei Tonnenrollenlagern und Kugellagern auftreten. Deshalb sollte in diesen Fällen bei nicht abgedeckten Laufbahnen („LB“, „LAB“) eine Chargierung mit vertikaler Achse („liegend“) erfolgen. Bei abgedeckten Laufbahnen („LU“) können die Effekte durch die Abdeckung irrelevant sein.
• Ein Chargieren mit horizontaler Achse und z.B. Weiterdrehen nach 50 % Beschichtungszeit ist bei nicht abgedeckten Laufbahnen mit Luftblaseneinschluss nicht zulässig. Es würde sich ein Korrosionsbeginn innerhalb der Luftblase ergeben, wie auch ein eine lokal reduzierte Schichtdicke im Bereich der Laufbahn.
• Sofern Abdeckungen den Kontakt einer Luftblase oder Schöpfpfütze mit dem Stahl vollständig verhindern, ist die hängende Chargierung weiterhin möglich.
• Viele Innenringe weisen eine problemlose Geometrie ohne Schöpf- und Einschlusswirkung auf. Dann ist auch eine hängende Chargierung möglich bzw. besonders bei allseitiger Beschichtung sogar zu bevorzugen.
• Besitzt das Bad zwei gegenüberliegende Anodenreihen, ist die hängende Chargierung immer so zu wählen, dass die gedanklich verlängerte Ringachse beide Anodenreihen rechtwinklig schneidet, d.h. dass von der einen zur anderen Anodenreihe durch die Ringbohrung hindurchgeschaut werden kann.
• Für den allseitig beschichteten Innenring kann durch diese hängende Chargierung ein sehr gutes Einstreuen in die Bohrung erreicht werden, während eine Chargierung mit vertikaler Achse unerwünschter Weise eine dicke Schicht auf der Laufbahn und eine dünne Schicht in der Bohrung ergäbe. Das ungünstige Dickenverhältnis außen : innen wäre in einem solchen Fall etwa 2 : 1 (Elektrolyt „flexibel“) oder sogar 3...4 : 1 (Elektrolyt „Standard“).
• Weiterhin ist die Chargierung so vorzunehmen, dass sich die Wälzlagerringe alle genau in der Mitte zwischen beiden Anodenreihen befinden, folglich nur in einer Vertikalebene aufgehängt sind und nicht zwei Wälzlagerringe nebeneinander links und rechts der Gestellmitte (unterschiedliche Anodenabstände links/rechts und gegenseitige Abschirmung).
• Zudem sind die Gestelle so auszuführen, dass sich nur der dünne Aufhängehaken, nicht aber ein massiver abschirmender Gestellträger/ Querstrebe zwischen Wälzlagerring und Anoden befindet.
• Im Falle einer Warenträgerbewegung, die nach anlagentechnischer Möglichkeit zu verwenden ist, ist deren Richtung und Stärke so zu wählen, dass sich daraus keine Schichtdickenschwankungen und insbesondere keine Kontaktierungsunterbrechungen ergeben, wie es bei horizontaler Bewegung und an Haken frei pendelnden Werkstücken in den Umkehrpunkten auftreten kann.
• Der Außenring wird bei Montage des fertigen Lagers im Einsatz mit seinem Außendurchmesser typischerweise in ein Gehäuse geschoben und seine Laufbahn liegt innen. Der primär vor Korrosion zu schützende außenliegende Bereich besteht aus dem Außendurchmesser und den beiden Stirnseiten sowie eventuellen Bordschultern. Die Beschichtung ist daher mit Außenanoden und vertikaler oder auch horizontaler Werkstückachse problemlos möglich, wenn ausreichende Abstände von Werkstück zu Werkstück zum gleichmäßigen Erreichen des Umfanges durch die Stromlinien belassen werden. Bei allseitiger Beschichtung „LB“ ohne Abschirmungen ergeben sich für einen Außenring mit Borden dickere Schichten auf den korrosionsgefährdeten Außenflächen und dünnere Schichten auf den Laufbahnen, was der Intention des Produktes entspricht.
• Je nach Anodenanordnung und -abstand sowie Streuwirkung des Elektrolyten kann der notwendige horizontale und vertikale Freiraum von Außenring zu Außenring in der Chargierung etwa 1x Ringdurchmesser oder mehr betragen.
• Ein zu geringer Abstand von Wälzlagerring zu Wälzlagerring kann bei allseitiger Beschichtung „LB“ von Innenringen zu ungleichmäßig dicken Laufbahnschichten führen, welche die Lagerfunktion gefährden. Daher kann bei Innenringen noch mehr Abstand notwendig sein. Bei abgedeckten Innenring-Laufbahnen ist diese Überlegung unnötig.
• Der Innenring wird bei Montage des fertigen Lagers mit seiner Bohrung typischerweise auf eine Welle geschoben und seine Laufbahn liegt auf der Mantelfläche. Der primär vor Korrosion zu schützende Lagerauaußenbereich besteht aus der Bohrung und den beiden Stirnseiten sowie eventuellen Bordschultern.
• Die Beschichtung ohne Innenanoden ist bei überlegter Positionierung, insbesondere hängend, und günstiger Badstreuwirkung durchaus möglich. Die Stirnseiten sind den Anodenreihen zugewandt und in die Bohrungen wird von beiden Seiten gleichmäßig eingestreut.
• Alternativ können korrekt zentrierte Innenanoden verwendet werden, was häufig jedoch eine Kostenfrage darstellen wird und nicht auf jeder Anlage realisierbar ist.
• Neben der optimalen Aufhängestrategie soll eine Schichtdickenkonstanz bestmöglich durch stark streuenden Elektrolyten erreicht werden.
• Die Gleichmäßigkeit der Schicht ist auf Außenflächen zur korrekten Einpassung in ein Gehäuse und auf die Welle wichtig, auf Laufbahnen jedoch von noch größerer Bedeutung. Wälzlager werden im Innen-/Laufbahnbereich in bestimmten Luftklassen mit Mikrometertoleranzen gefertigt. Dickenschwankungen der Schicht verändern die Luftklasse des Lagers. Zusätzlich führen Dickenschwankungen über den Laufbahnumfang zu unrundem Lauf des Lagers.
• Da selbst eine plan wirkende Zylinderrollenlagerlaufbahn eine im Mikrometerbereich leicht ballige Querform zur Entlastung der Rollen im Randbereich hat, und eine definierte Linienberührung zwischen Rolle und Wälzlagerring benötigt wird, sind nicht nur die Schichtdickenschwankungen über den Umfang, sondern auch die Schichtdickenunterschiede und Formänderungen in Querrichtung (Ringachsrichtung) sehr bedeutsam und möglichst gering zu halten.
• Die Randpositionen eines Gestelles können ein ungleichmäßiges (asymmetrisches) Streuverhalten mit erhöhter Schichtdickenschwankung ergeben und müssen dann unbesetzt bleiben bzw. mit Abdeckungen oder Dummies betrieben werden.
• Bei Kleinserien ist auf eine ausreichende Oberflächenbelastung des Bades zu achten und bei Bedarf die evtl. zu geringe Chargenoberfläche ebenfalls durch beigehängte Dummies oder Hilfsbleche zu erhöhen.
• Die Behandlung der zu beschichtenden Teile mit Säuren (Beizen) ist bei Wälzlagerbauteilen (Ringe, Rollen, Kugeln) problematisch, da hierdurch die Lebensdauer des Lagers herabgesetzt werden kann. Dies betrifft nicht nur die Wasserstoffversprödung, sondern insbesondere auch die Ätzwirkung und Mikro-Grübchenbildung (Pitting) auf den Laufbahnen.
• In der Vorbehandlung erfolgt daher ein nach Intensität und Zeitdauer genau definiertes und in seiner Stärke streng begrenztes Beizen und saures Dekapieren. Diese Einwirkungen auf den Stahl dürfen nicht überschritten werden. Es kann sonst zu schweren Folgeschäden im Betrieb des Lagers kommen.
• Demzufolge ist ein wiederholtes Beizen und somit auch ein chemisches Ablösen einer fehlerhaften Beschichtung nicht zulässig, da hier der Stahl zusätzlich belastet würde. Fehlerhafte Beschichtungen können nicht entfernt werden und gelten als Ausschuss.
• Ein Nachbeschichten zu dünner Schichten ist ebenfalls nicht zulässig. Unterbrochene ZnNi-Schichten führen stets zu Haftungsproblemen.
• Eine Nacharbeit an Beschichtungen scheidet somit vollständig aus.
• Das Beizen der zu beschichtenden Oberflächen ist ausgelegt sowohl auf frische Oberflächen als auch auf Teile, die nicht aus aktueller Produktion stammen und daher an ihren Oberflächen unsichtbare Oxid- und Trennschichten gebildet haben, welche eine haftfeste Beschichtung erschweren. Sichtbare Oxidschichten, insbesondere Werkstücke mit Rost und Zunder kommen hingegen grundsätzlich nicht als Vorqualität in Betracht und das Beizen ist daher nicht auf Rost- und Zunderentfernung bzw. auf nicht metallisch blanke Oberflächen ausgelegt.
• Einen Sonderfall bilden nur die sog. Kantenkürzungen (Kantenradien) und Nichtfunktionsbereiche an Wälzlagerringen, die je nach Type im Einzelfall eventuell nicht blank bearbeitet sind. Es werden für die ZnNi-Beschichtung vorzugsweise und nach Möglichkeit immer allseitig und ausnahmslos blank bearbeitete Werkstücke angeliefert. Dieses kann z.B. durch ein Gleitschleifen erreicht werden. Falls Nichtfunktionsbereiche jedoch im Einzelfall nicht blank bearbeitet sind (dann dunkle Farbe dieser Bereiche), ist dort eine verbleibende Fleckigkeit der Beschichtung zulässig und das Beizen wird nicht intensiviert. Das Beizen ist nicht auf Blankbeizen dieser Bereiche abzustimmen.
• Sofern sich an diesen nichtblanken Stellen dann Schichthaftungsprobleme ergeben oder reduzierte Korrosionsbeständigkeit, ist nicht das Beizen umzustellen, sondern die Vorbearbeitung der Werkstücke zu verändern.
• Das Beizen „B“ wird typischerweise für die Variante „LU“ durchgeführt und erfolgt grundsätzlich mit Salzsäure und nicht mit Schwefelsäure oder Mischsäure. Schwefelsäure hat eine wesentlich geringere Wirksamkeit auf Oxide und bei mehrminütigem Kontakt noch nachteiligere Wirkungen auf den Stahl.
• Bei abgedeckten Funktionsflächen, d.h. bei Kontakt der Säure nur mit weniger sensiblen Werkstückoberflächen und nicht mit der Laufbahn, ist eine HCl-Konzentration (mit Inhibitor) von maximal 10- 15 % mit normalerweise 2 Minuten, ausnahmsweise bis maximal 5 Minuten Verweildauer möglich. Konzentrationen über 15,0 %, vor allem aber Verweildauern über 5 Minuten sind im Regelfall nicht zulässig.
• Falls lediglich Beizbäder mit höheren Salzsäurekonzentrationen z. B. zwischen 15 und 18 % verfügbar sind, kann die Verweildauer im Beizbad reduziert werden.
• Als Inhibitor in der Salzsäurebeize kann beispielsweise Butindiol oder besser Urotropin zum Einsatz kommen. Das Vorhandensein eines geeigneten Stahl-Inhibitors in geeigneter Konzentration ist zwingend.
• Das Beizbad kann zusätzlich einen Lochfraßinhibitor für gleichmäßigeren Flächenangriff und auch einen Wasserstoffinhibitor für verringerte Wasserstoffaufnahme des Stahles enthalten, beispielsweise Coventya Beizentfetter Picklane INH96. Die verwendeten Inhibitoren dürfen die Rekombination von atomarem zu molekularem Wasserstoff nicht behindern.
• Die gewählte Konzentration und Zeit beeinflusst die Wiederholbarkeit der Haftungseigenschaften der Schicht und Produktgüte und muss daher ebenfalls wiederholbar sein. Dazu darf die gewählte Konzentration der Beize um maximal +/-2,5 % schwanken, d.h. bei z.B. gewählten 12,5 % wären äußerstenfalls 10,0 % bis 15,0 % zulässig. Die gewählte Zeiteinstellung darf maximal 10 % variieren.
• Es werden die niedrigste Konzentration und Zeit des Beizens gewählt, die anlagen- und steuerungstechnisch realisierbar sind und mit der ein sicheres Ergebnis erreicht werden kann. Korngrenzenanätzungen und Beizporen/-grübchen werden möglichst klein gehalten.
• Das Beizen der Wälz- und Gleitflächen (Laufbahnen und Bordinnenseiten) von Wälzlagerringen ist, von Produkten für einfache Anwendungen abgesehen, normalerweise nicht zulässig, weil selbst kleine Oberflächenschädigungen zum Versagen des Lagers unter Wälzbelastung bei hoher Hertzscher Pressung und Drehzahl führen können. Von Beizgrübchen, Poren, Oberflächenzusammensetzungs- oder Korngrenzenveränderungen können im Lagerbetrieb Rissbildungen und Schälungen ausgehen.
• Falls eine allseitige Beschichtung gemäß Variante „LB“ oder „LAB“ erfolgen soll, kann das Beizen nach der Vorgehensweise „BR“ durchgeführt werden. Hierzu kann eine auf Laufbahnen abgestimmte sanfte Beizlösung verwendet werden, die Salzsäure in einer Konzentration 7,0-8,0 %, den Inhibitor Butindiol, Tenside und pH-Puffer enthält. In dieser Beizlösung können die Wälzlagerringe 5,0 Minuten bei 20°C verweilen.
• Bei geringerer Konzentration steigen die Schäden durch verringerte Inhibitorwirkung und die Nutzwirkung sinkt, bei höherer Konzentration steigt die Nutzwirkung aber auch die Schäden.
• Falls eine derartige Beizlösung nicht verfügbar ist, kann das Beizen auch gemäß Vorgehensweise „B“ erfolgen, wobei die Konzentration der Salzsäure maximal 15 % und die Beizdauer maximal 1 Minute betragen darf.
• Zwischen der elektrolytischen Entfettung und dem ZnNi-Bad ist in jedem Fall ein Dekapieren in Säure vorgesehen. Dafür kann insbesondere Trockensäure (Natriumbisulfat/ Natriumhydrogensulfat, ggf. mit Fluorid) vorgesehen werden. Beispielsweise kann saures Dekapiersalz Surtec 481 mit 5-8 Gew.-% zum Einsatz kommen. Für die Trockensäure können ansonsten als Richtwerte etwa 50 g/l Natriumbisulfat und etwa 5 g/l Natriumfluorid vorgesehen werden.
• Wenn die elektrolytische Entfettung silikathaltig ist, ist eine fluoridhaltige Dekapierung notwendig. In allen anderen Fällen wird dennoch ein Fluoridanteil empfohlen.
• Dieses Dekapieren wirkt gegen schwer entfernbare Entfettungsbadrückstände, Silikate, Phosphate, und erfolgt durch reines Eintauchen ohne Verweilzeit. Die reguläre Dekapierzeit entspricht damit nur der Ein- und Aushebezeit der Charge.
• Wenn Beizen „B“ oder „BR“ gewählt wurde, wird trotzdem zusätzlich das beschriebene Dekapieren benutzt.
• In der Variante „D“ stellt dieses Dekapierbad zusätzlich, und mit einer Verweilzeitverlängerung, das Beizbad dar. Das Dekapieren nach der elektrolytischen Entfettung bleibt unverändert bestehen, an der Stelle des Beizens vor der elektrolytischen Entfettung wird dieses Bad jedoch bereits ein erstes Mal angefahren. Es handelt sich dann um das sanfteste verfügbare Vorbehandlungsverfahren mit der geringsten Beizwirkung, gleichzeitig aber auch mit der geringsten Wirkung auf eventuelle haftungsverringernde Trennschichten.
• Bei Vorgabe von „D“ = „Dekapieren“ als Beizprozess wird demnach keinerlei reguläres Beizbad angefahren, weder gemäß „B“ noch gemäß einer der Varianten „BR“, sondern der saure Behandlungsschritt in der ansonsten alkalischen Vorbehandlung ist das Anfahren des Dekapierbades statt der Beize. Für diesen Fall wird, im Unterschied zum regulären Dekapieren (nach der elektrolytischen Entfettung, ohne Verweilzeit, nur Ein- und Aushebezeit der Charge), hier die Verweilzeit der eingetauchten Ware bis zum Auslösen des Aushebevorganges auf pauschal 30 Sekunden verlängert. Diese Vorgehensweise kommt typischerweise bei den Varianten „LB“ und „LAB“ zur Anwendung.
• Je nach Anlagenaufbau und Position der Bäder ist es nicht bei allen Anlagen möglich, im Ablauf das Dekapierbad sowohl vor der elektrolytischen Entfettung zum Beizen (30 s) als auch nach dem elektrolytischen Entfetten zum Dekapieren (0 s) anzufahren.
• Soll beispielsweise die Norm SAE AMS 2417E (Aerospace) eingehalten werden, so sind maximal 3 % Beizkonzentration für 5 bis max. 30 s erlaubt. Demzufolge scheiden alle klassischen Beizlösungen einschließlich der „sanften“ Beize nach „BR“ aus und es kann dann nur eine solche Dekapierlösung „D“ herangezogen werden.
• Nach dem Dekapieren und vor dem ZnNi-Bad erfolgt ein alkalisches Vortauchen, um Säurereste an der Oberfläche zu neutralisieren. Dafür wird entweder in 70 g/l Natriumhydroxid getaucht, oder bei fehlender alkalischer Vortauchspüle in eine alkalische Standspüle, vorzugsweise dann die Sparspüle nach ZnNi.
• Es kann nach der ZnNi-Schichtbildung und vor der Passivierung eine sog. Säureaufhellung der abgeschiedenen Schicht erfolgen (z.B. 0,15-0,25 % Salzsäure/ jedoch grundsätzlich nicht Salpetersäureaufhellung). Diese Ansäuerung verbessert u. U. die Wirkung und Dauerhaftigkeit der Passivierung. Die Zinkauflösung muss jedoch sehr gering gehalten werden, um nicht zu viel Nickel an der Oberfläche anzureichern, das sich nicht passivieren lässt. Auch darf die Oberfläche sich nicht deutlich dunkel verfärben.
• Korngrenzenanätzungen können in einem weniger bekannten Schadensbild auch alkalisch mit längerer und intensiver Einwirkung von Natriumhydroxid/ Kaliumhydroxid erzeugt werden. Daher dürfen für die beiden verweildauerintensiven Heißentfettungen im Falle benetzter Laufbahnen (allseitige Beschichtung „LB“ oder „LAB“) nur hydroxidarme Entfettungen mit einem absoluten Hydroxidgehalt im Bad < 6 % verwendet werden. Bei abgedeckten Laufbahnen „LU“ ist ein absoluter Hydroxidgehalt < 8 % zulässig. Dabei ist zu beachten, dass die Hydroxidkonzentration nicht gleich Entfettungskonzentration ist. Es kann ein Konzentrat, häufig z.B. 10-12 %ig, im Bad eingesetzt werden, das kein reines Hydroxid ist. Der Hydroxidgehalt im Bad -d. h. in der die Werkstücke tatsächlich benetzenden Lösung- ist nur ein Anteil davon und auf 6 % bzw. 8 % im Bad zu begrenzen. Für die wenige Minuten kurze elektrolytische Entfettung gilt diese Hydroxidbeschränkung nicht. Dort liegen die tatsächlichen und notwendigen Hydroxidgehalte im Bad typischerweise und zulässig bei etwa 5-15 %.
• Gegenüber den Sollwerten veränderte Temperaturen können das Angriffs- und Reaktionsverhalten von Chemikalien verändern.
• Vor Eintauchen eines Warenträgers hat jedes Bad vollständig, d.h. nicht nur an den Heizelementen, auf richtiger Solltemperatur in seinem Toleranzfenster zu sein. Es darf dann nur während des Eintauchens sehr schwerer Ware für eine kurze Zeitdauer von max. 10 % der Chargenverweildauer im jeweiligen Bad die Temperatur bis auf das Toleranzminimum fallen, und muss möglichst rasch wiederhergestellt werden. Für die restlichen ca. 90 % der Chargenverweildauer im jeweiligen Bade darf die untere Toleranzschwelle nicht nochmals erreicht werden.
• Übertemperaturen werden durch sofortige Heizelementabschaltung bei einer Vorwarnschwelle und im Falle der Elektrolytbäder bei Bedarf durch Kühlaggregate verhindert.
• Die zulässige Toleranz um eine eingegebene Solltemperatur herum beträgt bei Entfettungen und Passivierung (falls beheizt) maximal +/- 2,5 ° C und für das ZnNi-Bad +/- 1,5 ° C. Dies kann mittels einer automatischen Temperaturregelung erreicht werden.
• Technisch erreichbar und anstrebenswert für das ZnNi-Bad sind bei hinreichend großvolumigen Bädern jedoch +/- 1,0 ° C, was insbesondere zum Erreichen gleichmäßiger Abscheidung anzustreben ist.
• Vor der Durchführung der eigentlichen Beschichtung, wird die Oberfläche der Lagerbauteile für die Beschichtung vorbereitet. Dabei ist zu beachten, dass die Konservierungsmedien der Lagerbauteile meist schwer ablösbar sind und zu fleckigen Schichten, schwankenden Dicken, Verzögerungen im Anspringverhalten, und Haftungsproblemen beitragen.
• Um hohe Qualitätsanforderungen zu erfüllen, wird eine zweistufige Entfettung durchgeführt. Dabei erfolgen eine Grobentfettung in einem ersten und eine Feinentfettung in einem zweiten Bad. Da hierdurch das zweite Bad grundsätzlich niedriger belastet ist, kann es eine bessere Qualität und gründlichere Wirkung aufweisen als bei einstufigen Entfettungen.
• Hilfsweise kann zusätzlich vorher, besonders bei angetrockneten Medien, in einer Emulsion über Nutzung der Emulgatoren „vorentfettet“ werden.
• Die zweistufige Entfettung wird vor dem Beizen als alkalische Heißentfettung, netzmittelhaltig, glukonatfrei/-arm, in zwei verschiedenen Behältern (Vor- und Feinentfettung) durchgeführt.
• Die Temperatur beträgt in Anbetracht der nachfolgenden Niedertemperatur-Elektrolytbäder optimalerweise nur etwa 60°C, jedoch nicht unter 50°C (Wirkungsverlust).
• Die Entfettungsdauer beträgt in Summe mindestens 15 Minuten. Eine Reduzierung auf in Summe mind. 10 Minuten ist nur in Ausnahmefällen möglich, und nur wenn einmalig die ausreichende Wirksamkeit über Benetzungsprüfungen nachgewiesen wurde (kein Aufbrechen eines Wasserfilmes auf Probeblechen). Zeiten unter 10 Minuten sind gänzlich ausgeschlossen.
• Bei Bedarf ist eine höhere Entfettungsdauer bis zu 1x 15 + 1x 10 Minuten = 25 Minuten zulässig.
• Wegen dem möglichen hydroxidischen Angriff sind Zeiten über 30 Minuten gänzlich ausgeschlossen.
• Da Entfettungen demulgierend oder emulgierend konzipiert sein können und im zweiten Fall u.U. hydroxidfrei, und die heutigen Konserviermedien besondere Ablösemethoden erfordern können, ist die Entfettungswirkung nicht über z.B. den Alkaligehalt alleine sicher definierbar.
• Eine nicht hinreichende Entfettung zeigt sich jedoch an den Prüfungen der nachfolgenden Beschichtung.
• Aufschwimmende Ölfilme werden durch eine kontinuierliche horizontale Oberflächenströmung zur Seite getrieben und bei demulgierenden Systemen normalerweise mittels Ölabscheider, mindestens aber mit Überlauf oder/und durch Abschöpfen, beseitigt. Demulgierende Entfettungen besitzen eine kontinuierliche horizontale Oberflächenströmung in einer Stärke, deren Bewegung mit dem bloßen Auge erkennbar ist.
• Emulgierende Entfettungen können mit Mikrofiltration oder entsprechenden Wechselintervallen betrieben werden. Über die Konzentrationsmessungen der Entfettungen hinaus wird der emulgierte Ölanteil mindestens in der Feinentfettung (zweiten Heißentfettung) engmaschig analysiert, protokolliert und stets unter 1,2 % gehalten. Diese Grenze gilt für emulgierende aber auch für demulgierende Systeme, da auch demulgierende Systeme eine Teilemulsion bilden können.
• Für eine (nicht auf regulärer Basis, sondern nur bei Auffälligkeiten notwendige) Überprüfung des eingesetzten Entfettungsprozesses wird ein geschliffenes Probeblech (Lackprüfblech, geschliffen) mit entsprechender Beölung dem wahren Prozess oder besser in einer Labor-Handanlage einer genauen Nachbildung des eingesetzten Entfettungsprozesses unterzogen und danach unmittelbar in destilliertem Wasser gespült und abgekühlt, so dass sich keine Antrocknungen bilden konnten. Sofern eine ungiftige Testtinte -Pinselauftrag, nicht Filzstift- eine Oberflächenenergie > 72 mN/m anzeigt, ist die Entfettungswirkung hervorragend (Wasser bei 20° C : 72,75 mN/m).
• Bei niedrigeren Werten entscheiden eine Wasserablaufprobe und ein Wasserbruchtest zur Beurteilung der Hydrophilie über die Brauchbarkeit der Entfettungswirkung.
• In beiden Fällen wird ein Probeblech nach obiger Vorbereitung benötigt, entfettet und antrocknungsfrei abgekühlt auf 20 °C.
• Bei der Wasserablaufprobe fließt tensidfreies sauberes Wasser kontinuierlich so auf und über das vorbereitete Blech, dass es über die gesamte Oberfläche abfließt. Dabei muss sich ein ununterbrochener, d.h. geschlossener, Flüssigkeitsfilm zeigen ohne jede Inselbildung durch hydrophobe Stellen.
• Beim Wasserbruchtest wird das vorbereitete Blech in destilliertem Wasser von 20°C durch Tauchen und schnelles Ausheben vollflächig benetzt, und dann unter 45° bis 90° zur Horizontalen gehalten. Es wird darauf geprüft, ob sich für mindestens 30 Sekunden eine nichtaufreißende Benetzung zeigt, d.h. geschlossen ohne Inselbildung, Schlierenbildung, Tropfenbildung.
• Ein im Rahmen des langsamen Ablaufens trockenwerdender oberer Bereich ist zulässig, wobei die Trocknungslinie ein einheitlicher ununterbrochener Übergang von benetzt nach unbenetzt sein muss. Ist nach 30 Sekunden jedoch das Wasser bereits vollständig abgelaufen, ist wie bei Inselbildung von einer Kontamination auszugehen, die in diesem Fall flächig vorliegt.
• Zusätzlich zu den genannten Heißentfettungen wird nach dem Beizen eine kurze (ca. 3 Minuten) hochalkalische elektrolytische Entfettung angefahren. Dieser Schritt erfolgt hier bewusst nach dem Beizen.
• Je nach verwendetem Medium und Nutzungsintensität kann eine Temperaturregelung der elektrolytischen Entfettung sinnvoll sein. Ein warmer Elektrolyt besitzt bessere Leitfähigkeit und benötigt weniger Spannung.
• Bei der elektrolytischen Entfettung besteht bei kathodisch geschalteten Werkstücken (Wasserstoffentstehung) eine oberflächenaktivere Reinigung, mit Entfernung von Oxiden und Passivschichten, jedoch eine Wasserstoffaufladung und eine finale Rückverschmutzung (z.B. Metallkationenabscheidung) sowie das Risiko von Blasenbildung der nachfolgenden Schicht.
• Bei anodisch geschalteten Werkstücken (Sauerstoffentstehung) steht weniger reinigendes Gasvolumen zur Verfügung, es besteht die Gefahr der möglichen Bildung von Eisenoxidtrennschichten und Schwarzrostpunkten von Anlauffarben bis zur Narbigkeit. Außerdem werden Öl- und Fettreste aufoxidiert statt abgelöst.
• Diese Nachteile können auf folgende Weise vermieden oder zumindest abgemildert werden:
• Falls ein Polumschalter oder zwei polvertauschte Einhängestationen vorhanden sind, werden die Wälzlagerringe zunächst 60 Sekunden als Kathode - bei ca. 5 A/dm² - geschaltet. Abschließend werden die Wälzlagerringe für 30 Sekunden bis 120 Sekunden als Anode - bei kleiner gleich 5 A/dm² - geschaltet. Bei auftretenden Oberflächenfehlern insbes. im anodischen Betrieb wird die Stromdichte weiter reduziert, über 3 A/dm² evtl. bis auf 1,5 A/dm². Nur bei Bedarf (gegen Verfärbungen) könnte danach die Wälzlagerringe nochmals sehr kurz -maximal 15 Sekunden- kathodisch geschaltet werden. Im Regelfall wird aber immer mit anodischer Entfettung abgeschlossen.
• Die Wirkung der Elektrolyse in der elektrolytischen Entfettung geht bei einer kathodischen Stromdichte, die wesentlich niedriger als 5 A/dm² ist, gegen Null. Sehr niedrige kathodische Stromdichten sind daher sinnlos.
• Bedarfsweise werden hingegen gelegentlich Werte bis 20 A/dm² benutzt. Abhängig von den Oberflächengrößen sind obige Stromdichtebereiche gegenzuprüfen.
• Falls kein Polumschalter und keine polvertauschte Einhängestationen verfügbar sind, werden die Wälzlagerringe 3 Minuten als Anode - bei kleiner gleich 5 A/dm² - geschaltet. Bei auftretenden Oberflächenfehlern wird die Stromdichte weiter über 3 A/dm² evtl. bis auf 1,5 A/dm² reduziert.
• Nur für das kurze elektrolytische Entfetten gilt entgegen der Hydroxidbegrenzung für die Heißentfettungen eine Mindestgrenze für Hydroxid, um über ausreichende Alkalität die Gefahr des Stahlangriffes zu reduzieren und die Wirkung sicherzustellen. Es gilt hier: absoluter Hydroxidgehalt im Bad > 5 % (typisch: 5-15 %).
• Wenn der Taktablauf der Automaten die gewünschten 3 Minuten für die elektrolytische Entfettung nicht erlaubt, kann die Zeit auf bis zu 4,5 Minuten erhöht werden.
• Die nicht zu beschichtenden Lagerinnenflächen müssen dicht abgedeckt werden, um einerseits Schichtbildung zu vermeiden und um andererseits die Oberflächen vor Säureangriff (Beize) und vor Rost zu schützen. Bereits Wasserzutritt kann kritisch sein. Diese Flächen dürfen in der Beschichtungsanlage überhaupt keinem Medienkontakt ausgesetzt sein.
• Beim Innenring handelt es sich um die (außenliegende) Laufbahn und, sofern Borde vorhanden, um die der Laufbahn zugewandte(n) Bordinnenseite(n). Beim Außenring handelt es sich um die (innenliegende) Laufbahn und, sofern Borde vorhanden, um die der Laufbahn zugewandte(n) Bordinnenseite(n).
• Die Abdichtung erfolgt in der Serienproduktion vorzugsweise mit elastischen Formteilen, mechanisch aufstauchbaren Stopfen oder Aufblasdichtungen in chemiebeständigem und abriebbeständigem nichtmetallischem Werkstoff.
• Elastische zylindrische Formteile erreichen häufig eine gute Abdichtung an den Laufbahnen und eine schlechtere Abdichtung an den Bordinnenseiten, weswegen randnahe radiale Einstiche in den Formteilen empfohlen werden, welche die Stirnseiten flexibler machen und wie Dichtlippen anliegen lassen.
• Die Verwendung von vollständigen Stromlinienabschirmungen ist nicht ausreichend, da hierdurch zwar bereichsweise der Schichtaufbau, aber nicht die Medienbenetzung unterbunden wird.
• Für Einzelteile und geringe Stückzahlen wird die Abdeckung mit abziehbarem Lack (Lötstopplack oder Galvanoabdecklack) entsprechender Beständigkeit ausgeführt, der vorzugsweise bei Raumtemperatur aushärtet. Falls der Lack thermisch aushärtend ist, muss diese Temperatur unterhalb der Anlasstemperatur des Stahles liegen, die teilweise unterhalb von 200 °C sein kann.
• Abdeck-Klebebänder sind wegen der Unterwanderung an den Stoßstellen und Rändern weniger geeignet.
• Die Laufbahnen und Bordinnenflächen, welche von den Abdeckungen gegen Medienzutritt geschützt werden, sind äußerst korrosionsanfällig und gleichzeitig für das Produkt von entscheidender Bedeutung - jedes Rostpünktchen bedeutet Ausschuss. Ein Abbeizen oder Abschmirgeln von Rost auf Laufbahnen ist selbstverständlich nicht zulässig.
• Daher sind folgende Vorgehensweisen für wieder verwendbare Abdeckungen notwendig:
• - Die Abdeckungen müssen vor der Montage vollkommen trocken sein.
• - Die Abdeckungen werden erst unmittelbar vor dem Beschichten im Rahmen der Chargenvorbereitung angebracht, ohne unnötig lange Verweilzeit.
• - Das auf der Laufbahn vorhandene Konserviermedium wird vor Montage der Abdeckung nicht abgewaschen. Es wird akzeptiert, dass durch möglichen kapillaren Austritt kleinster Ölmengen während der Beschichtung am unmittelbaren Rand zur Abdeckung ein schmaler Bereich ungleichmäßigen Schichtwachstums auftreten könnte.
• - Die Abdeckungen werden nach dem Beschichten sofort abgenommen, zum Trocknen gebracht und die Werkstückoberflächen unverzüglich mit Öl konserviert.
• - Der Zustand der Abdeckungen und die Abdichtwirkung unterliegen einer laufenden Kontrolle.
• - Bei Abnehmen der Abdeckungen wird eine 100 %-Sichtkontrolle des abgedeckten Stahlbereiches durchgeführt.
• Abschirmungen, die bei der Variante „LAB“ eingesetzt werden, besitzen keine Dichtwirkung. Sie müssen vielmehr ausreichend Abstand von der Werkstückgeometrie besitzen, um ein Hinterspülen und einem Medienaustausch zu gewährleisten und jede Berührstelle auszuschließen.
• Der Abstand der Abschirmungen von den Lagerringoberflächen hängt von der Streufähigkeit des Elektrolyten (weniger Abstand bei besserer Streufähigkeit) und von der Geometrie und Breite der Abdeckung sowie davon ab, ob passive oder aktive Abschirmungen zum Einsatz kommen. Passive Abschirmungen werden aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielweise aus Kunststoff und aktive Abschirmungen werden aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Metall, hergestellt. Es besteht Typabhängigkeit für die verschiedenen Wälzlagerringe.
• Bei einem mittel streufähigen Elektrolyten und einer 15 mm breiten Außen- oder Innenlaufbahn der Wälzlagerringe können Kunststoffabschirmungen beispielsweise etwa 2 mm beabstandet sein. Stahlabschirmungen können beispielsweise etwa 5 mm beabstandet sein.
• Nicht zulässig ist, wenn die Abschirmung so gestaltet ist, dass sich in der Mitte der Laufbahn, wo bei einteiliger Abschirmung die geringste Einstreuung stattfindet, gar keine Schicht abscheidet. Ein bereichsweise völliges Fehlen der Beschichtung unter der Abschirmung ist unzulässig.
• Begrenzt zulässig ist, wenn die Abschirmung so angeordnet ist, dass die Laufbahnschicht an ihren Außenrändern etwas dicker und in Laufbahnmitte etwas dünner ist. Dieser Effekt entspricht einer nach innen abnehmenden Korrosionsgefahr ebenso wie der inneren Lagergeometrie, bei welcher die Hauptlast grundsätzlich im Mittelbereich der Laufbahn übertragen wird und die Stahlkonturen sich nach außen hin geringfügig voneinander entfernen. Eine übertriebene Ausprägung diese Effektes könnte hingegen dazu führen, dass der Wälzkörpersatz im Außenbereich unerwünscht stark trägt statt entlastet, was dem Lager abträglich ist. Daher sind bei der Schichtdicke enge Toleranzen einzuhalten.
• Da es für die Wiederholgenauigkeit entscheidend ist, dass Werkstücke und Abschirmungen immer positionsgleich zueinander stehen, werden die Abschirmungen meist fest an den Gestell-Etagen befestigt und die Werkstückzentrierungen sind an denselben Etagen montiert.
• Die Zentrierung der Wälzlagerringe auf den Gestelletagen kann durch zwei Festauflagen und einen Federbügel oder durch drei Festauflagen erfolgen.
• Es ist auch möglich jeweils einen als ein Innenring ausgebildeten Wälzlagerring radial innerhalb eines als ein Außenring ausgebildeten Wälzlagerrings anzuordnen. Dadurch kommt es zu einer Abschirmung der Laufbahnen beider Wälzlagerringe. Ein weiterer Effekt einer derartigen Anordnung ist eine sehr dichte Packung der Wälzlagerringe im Behandlungsbad. Um die Abschirmwirkung zu erhöhen, kann zwischen dem Innenring und dem Außenring eine zusätzliche Abschirmung beispielsweise in Form eines Kunststoffrings angeordnet werden.
• Wasserstoff im Wälzlagerstahl führt zu wasserstoffinduzierten Sprödbrüchen und Rissbildung. Deshalb sollte eine Anreicherung von Wasserstoff in den Wälzlagerringen vermieden werden. Die ZnNi-Schicht mit kolumnarem Aufbau ist wesentlich weniger diffusionsdicht als Zn und somit leichter und besser einer nachträglichen Wasserstoffentsprödung zu unterziehen, allerdings stehen die hierfür benötigten Temperparameter (ca. 4 h 200°C bis 8 h 220°C, teilweise sogar 12 h 230°C) im Widerspruch zu bestimmten gewünschten Oberflächenfeineigenschaften des Wälzlagerstahles und je nach Ofengenauigkeit u. U. auch bereits in möglichem Konflikt mit der Anlasstemperatur (Härteverlust, Gefügeumwandlung) und gefährden zudem die Passivierung.
• Deswegen ist das Verfahren nicht auf Tempern sondern darauf ausgelegt, das Eindringen von Wasserstoff schon im Prozess zu verringern und die Auswanderung zu erleichtern. Dies betrifft nicht nur das Beizen und die elektrolytische Entfettung, sondern auch die ZnNi-Schichtbildung selbst.
• Bei regulärem alkalischem ZnNi mit 15 % Ni beträgt die Wasserstoffeinbaurate gegenüber schwachsaurem Zink (100 % gesetzt) bereits nur etwa 18-20 %. In der Praxis treten schon bei regulärem ZnNi weit weniger Sprödbrüche auf als bei Zn oder ZnFe.
• Um die Wasserstoffproblematik so weit wie möglich zu reduzieren und ein Tempern in vielen Fällen überflüssig zu machen, wird neben den vorgeschriebenen Begrenzungen in Beizen, Dekapieren und elektrolytischer Entfettung sowie der möglichen Wahl von „ZnNi-flexibel“ mit wasserstoffaustrittsbegünstigender Mikrorissstruktur zusätzlich eine Wasserstoffüberspannungsreduzierung an der initialen Oberfläche erzeugt.
• Es ist dafür notwendig, zu Beginn der Schichtbildung einen sehr dünnen (mindestens etwa 2-4 nm) Oberflächenniederschlag aus Reinnickel direkt aus dem ZnNi-Elektrolyten begünstigt abzuscheiden, um im Beschichtungsprozess von Anfang an eine Wasserstoffüberspannungsreduzierung an der Oberfläche zu erreichen und so ein katalytisches Rekombinieren der Wasserstoffatome zu molekularem Wasserstoff auszulösen, wodurch das Eindiffundieren von atomarem Wasserstoff in den Stahl während des Beschichtungsprozesses reduziert wird. Die geförderte Rekombination verhindert gleichzeitig eine Aufstauung der vor der Oberfläche befindlichen Atome und senkt so den diffusionsrelevanten Wasserstoffpartialdruck.
• Um diesen Ni-Abscheideeffekt zu begünstigen, der in unterschiedlicher Intensität jedem ZnNi-Bad innewohnt, wird das ZnNi-Bad cyanidbegrenzt.
• Es wird dafür vorzugsweise entweder tatsächlich cyanidfrei betrieben durch Anodendiaphragmen oder nicht cyanidbildende Sonderrezepturen (McDermid), oder es wird mit Cyanidabscheider betrieben, oder zumindest mit geeignet engen Wechselintervallen und Teilaustausch gegen die Anreicherung von Cyaniden.
• Aus dem Cyanidgehalt leitet sich die Bildung von Tetracyanonickelat-Komplexen ab, und diese Reaktion bei Schichtbildungsbeginn ergibt eine unerwünschte Vorvernickelungsabschwächung. Die aktive Begrenzung der Cyanid-Konzentration mit festgelegter Toleranz stellt sicher, dass das initial abscheidefähige Nickel anlagert und nicht vor seiner Anlagerung komplexiert wird.
• Anlagen mit Anodendiaphragmen, nicht cyanidbildenden Sonderrezepturen oder Cyanidabscheider erfüllen die Anforderung regelmäßig. Im Falle der klassischen Nutzung von Wechselintervallen hingegen ist die Cyanidkonzentration immer wieder zu kontrollieren. Auch bei Verwendung von Elektrolyten mit der Bezeichnung „cyanidfrei“ besteht das Risiko, dass Cyanid im Prozess entsteht.
• Ein Ausführungsbeispiel für einen Beschichtungsablauf (Anfahren der Bäder variantenabhängig) ist nachfolgend wiedergegeben:
• - Vorentfettung (alkalische Heißentfettung 1) bei 60°C, 5-15 min
• - Feinentfettung (alkalische Heißentfettung 2) bei 60°C, 5-15 min
• - Mehrfachspülen (kalt)
• - Beizen Salzsäure maximal 10-15 %, 0-5 min je nach Variante
• - Mehrfachspülen (kalt)
• - Elektrolytische Entfettung hochalkalisch, anodisch, 3 min
• - Mehrfachspülen (kalt)
• - Dekapierung, Trockensäure + Fluorid ohne Verweilzeit bzw. 30 Sekunden Verweilzeit je nach Variante
• - Mehrfachspülen (kalt)
• - Alkalisch Vortauchen (entweder in 70 g/l Natriumhydroxid oder in eine alkalische Standspüle, vorzugsweise dann die Sparspüle nach ZnNi)
• - ZnNi-Bad alkalisch cyanidüberwacht
• - Mehrfachspülen (kalt)
• - Passivierungsbad Cr3 blau-transparent
• - Mehrfachspülen (kalt)
• - Warmtrockenstation (oder Dewatering Fluid), max. 90° C oder nach Angabe Chemiehersteller
• - Abkühlstation (oder Abtropfstation)
• Wenngleich Varianten besonders hinsichtlich der Spülen möglich sind, ist doch meist zum Erzielen ausreichender Sauberkeit und geringer Verschleppung sowie gesetzlicher Abwasserminimierungsanforderungen ein 3- bis zu 4-faches Spülen nach jedem Aktivbad vorgesehen (je nach Anlagenbaujahr und Gesetzeslage). Daraus ergeben sich für einen korrekten Ablauf als ungefährer Richtwert für den Prozess etwa 25-30 Stationen.
• Die Beschichtung wird allgemein in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 30 °C erzeugt (in Einzelfällen bis 40°C), üblicherweise in der oberen Mitte dieses Bereiches, und grundsätzlich mit alkalischem elektrolytischem Bad.
• Für sämtliche Medien gibt es Datenblätter mit Anwendungsempfehlungen der Chemikalienhersteller, beispielsweise empfohlene Anwendungskonzentrationen, Anwendungstemperaturbereiche, Stromdichtebereiche, Filtrations- und Analyseempfehlungen. Diese sind im Regelfall zu beachten.
• Typische Hauptbestandteile der wässrigen Lösung des Beschichtungs-Aktivbades sind ein Natriumzinkatelektrolyt aus Zink(oxid) in Natriumhydroxid, mit Zusatz von Nickellösung, Nickelkomplexbildner, Glanzzusatz, Tiefenglanzzusatz und Feinkörnigkeitszusatz. Beispielsweise kann ein Elektrolyt mit der Handelsbezeichnung SurTec 717 zum Einsatz kommen.
• Weitere Beispiele geeigneter Elektrolyte sind für „ZnNi-Standard“ McDermid Enviralloy NiSpeed und für „ZnNi-flexibel“ McDermid Enviralloy NiFlex12 (jeweils mit Co-freier Passivierung McDermid 3000G).
• Bedarfsweise kann im Betrieb jeweils Zinknachlösung und Nachdosierung von Nickellösung erfolgen. Es werden unlösliche Anoden (meist Reinnickel) und separate Zinklösestation eingesetzt.
• Die angegebene Nickeleinlagerung in der Schicht gibt die tatsächliche Einbaurate an, die gesteuert wird über den ggf. davon abweichenden Nickelgehalt des Elektrolyten. Da die Nickeleinbaurate neben dem Ni- und Zn-Gehalt auch von der Elektrolyttemperatur, dem Elektrolytaustausch (Badbewegung), der Stromdichte, dem NaOH-Gehalt, dem Glanzzusatz, und dem Karbonatgehalt abhängt, sind diese Parameter in engen Grenzen zu halten, um tatsächlich über den Nickelgehalt regeln zu können.
• Glanzbildner blockieren bevorzugte Keimstellen, ergeben höhere Überspannung und vergleichmäßigen so das Schichtwachstum. Ebenso bilden sie eine feinkörnigere Kristallstruktur. Sie sind daher unabhängig vom geforderten Glanzgrad zu verwenden. Gleichzeitig führen Organikzusätze jedoch zu härteren und spröderen Schichten. Der dadurch mögliche Einfluss mancher Glanzbildner auf die Duktilität (flexible Schichten sind oft matt mit weniger Glanzbildner) ist für Wälzlager im Allgemeinen nicht relevant.
• Alternativ kann auf Glanzbildner dann verzichtet werden, wenn diese Eigenschaften über andere Zusätze (Kornverfeinerer, Tiefenstreuvergleichmäßiger) aktiv realisiert werden.
• Beispielsweise kann ein für diese Spezifikation verwendeter klassischer ZnNi-Elektrolyt etwa folgende Konzentrationen aufweisen:
• Natriumhydroxid 120-130 (100-150) g/ Liter
• Natriumcarbonat 20-30 (<50...70) g/ Liter
• Zink Sollwert festgelegt an einem Punkt im Bereich 6-12 g/ Liter (mit +/- 1 g/ Liter) Nickel Sollwert festgelegt an einem Punkt im Bereich 0,7-3,0 g/ Liter (mit +/- 0,2 g/Liter)
• Die werkstückabhängige Gesamtbeschichtungsdauer (Verweildauern in dem schichtbildenden Bad) beträgt auf Basis von etwa 10 µm Schichtdicke bei „LU“ oder „LAB“ üblicherweise ungefähr zwischen 40 und 60 (70) Minuten. Für die allseitige Beschichtung ohne Abschirmungen „LB“ werden geringere Schichtdicken und analog linear geringere Verweildauern verwendet.
• Die genauen Werte innerhalb der angegebenen Bereiche sind chemie-, anlagen- und werkstückabhängig festzulegen.
• Eine Stromunterbrechung während des Schichtaufbaues ist unzulässig und bedeutet Ausschuss.
• Dies gilt auch für eventuellen allgemeinen Stromausfall - eine in Beschichtung befindliche Charge ist dann verloren.
• Die Beharrungstemperatur der ersten Spüle direkt nach dem ZnNi-Beschichtungsbad bei vollem Anlagenbetrieb muss unterhalb von 25 °C liegen.
• Die ZnNi-Beschichtungsbäder (Elektrolyte) werden mindestens auf Zink, Nickel, Eisen, Kalium-/Natriumhydroxid und Cyanid, Natriumcarbonat, Chrom, organische Badzusätze, ggf. Sulfat dokumentiert überwacht. Die Dokumentation der Temperatur bei Probenentnahme ist erforderlich.
• Atomabsorptionsspektrometrie AAS oder gleichwertige Analysemethode sollten intern oder extern verfügbar sein. Da die Veränderungen durchsatzabhängig sind, kann keine pauschale Vorgabe der Prüfhäufigkeit gemacht werden. Die Prüfhäufigkeit ist durchsatzabhängig so zu wählen, dass die Einhaltung der Regelgrenzen/ Konzentrationstoleranzen stets sichergestellt ist.
• Idealer Weise erfolgt eine kontinuierliche Überwachung der Metallkonzentration im Elektrolyten, möglichst sogar mit automatischen Nachdosierungen, oder mindestens eine besonders engmaschige Messroutine und Nachsetzroutine.
• Eine kontinuierliche Elektrolytfiltration ist in jedem Fall erforderlich. Als Richtwert gelten mindestens 2-3 Umwälzungen/ Stunde mit PP-Filter Porengröße maximal 10 µm, oder Wickelkerzen mit vergleichbarer Wirkung.
• Sulfat und Carbonat (letzteres gebildet aus CO2) werden bedarfsweise ausgefroren (< 3° C), vorzugsweise im Nebenstrom. Natriumcarbonat senkt die Abscheiderate, daher muss die Carbonatausfällung möglichst niedrige Werte sicherstellen. Es ist ein Carbonatanteil kleiner 60 g/ Liter anzustreben, mit einer verbindlichen Obergrenze bei 80 g/ Liter. Das Ausfrieren reduziert ebenso eine mögliche Cyanidaufkonzentration. Wegen der Carbonat-Ausfrierbarkeit ist Natriumhydroxid vor Kaliumhydroxid zu bevorzugen.
• Für den absinkenden Wirkungsgrad und ggf. den Farbumschlag des Elektrolyten (falls signifikant) ist eine festgelegte Grenze definiert, ab der ein Wechsel auch unabhängig vom Badalter erfolgt.
• Die Spüldauern sind ausreichend kurz zu wählen (in Summe wenige Minuten), um Korrosionsgefahr auszuschließen, die bei Wälzlagerstahl rasch auftritt. Die Summe der Spülenzeiten einschließlich Überhebezeiten zwischen zwei Aktivbädern sollte zur Vermeidung jeder Rostgefahr unbeschichtet bei max. 270 s (4,5 min) und beschichtet bei max. 360 s (6,0 min) liegen. Die minimalen Spüldauern sind hingegen temperaturabhängig und ergeben sich daraus, dass Antrocknungen zu vermeiden sind.
• Ist die Oberflächentemperatur des Werkstückes beim Auftauchen insbesondere aus der jeweils ersten Spüle noch so hoch, dass eine Antrocknung von Salzen und wassergelösten Substanzen zu Fleckbildung auf der Oberfläche führt, dann wird die Verweilzeit in dieser Spüle soweit erhöht, dass die Fleckbildung ausbleibt. Dies gilt bei ZnNi insbesondere für die Spüle nach der Heißentfettung, sofern die Heißentfettung mit gegenüber der Vorgabe erhöhter Temperatur betrieben wird.
• Zum Erreichen einer ausreichenden Oberflächensauberkeit kann zudem ein kurzes Heiß-Spülen bei etwa 70 °C nach dem ZnNi-Beschichten und vor dem Passivieren erforderlich sein. Ein Heiß-Spülen nach der Passivierung kommt wegen drohendem Qualitätsverlust nicht in Betracht. Ein Heiß-Spülen nach einer Säureaufhellung ist ebenfalls nicht sinnvoll, da die Passivierung nur auf frisch aufgehellter Oberfläche optimal wirkt.
• Falls auch ohne Heißspüle eine ausreichende Sauberkeit erzielt wird und keine sichtbaren Rückstände auf dem Werkstück verbleiben, kann die Heiß-Spüle entfallen.
• Die letzte (kalte) Spüle, als sauberste Spüle des bereits beschichteten Produktes vor dem Verlassen der Anlage, wird zur Sicherstellung der Produktsauberkeit mindestens auf Metallgehalt und pH-Wert/ Leitwert und Schmutz (Absetzprobe) überwacht. Die Überwachung pH-Wert/ Leitwert erfolgt vorzugsweise kontinuierlich automatisch, es ist jedoch auch manuelle Laboranalyse in sinnvollen Intervallen möglich. Für diese abschließende Spüle gilt als maximaler Leitwert 2500 µS/cm (bei VE-Wasser 1500 µS/cm). Der pH-Wert soll neutral sein.
• Die letzte Spüle vor dem ZnNi-Beschichtungsbad ist ebenfalls kritisch, da der alkalische Elektrolyt keine Reinigungswirkung auf das Werkstück ausübt und zudem empfindlich auf Einschleppungen reagiert. Sie wird daher ebenfalls auf pH-Wert/ Leitwert und Schmutz (Absetzprobe) automatisch oder manuell überwacht. Spülkriterien besser als R=3000 sind in jedem Fall durchgängig notwendig.
• Der Flammpunkt des Dewatering Fluid, wenn verwendet, ist ausreichend hoch zu wählen. Wegen Brandgefahr in elektrolytischen Prozessen wird die Heißluft-Trocknungsvariante ohne Dewatering Fluid bevorzugt.
• Das Verfahren kann mit einer Beschichtungsanlage durchgeführt werden, die entweder einen festem und zum Ablauf passendem Programmtakt oder eine frei optimierbare Steuerung aufweist. Dadurch können wiederholbare und dokumentierbare Zeit- und Temperaturwerte sichergestellt werden.
• Weiterhin sollte die Beschichtungsanlage über werkstückabhängige Programme verfügen, um produktspezifische Optimierungen hinterlegen zu können. Sofern Innenring und Außenring derselben Lagertype identisch bearbeitet werden, können diese als Paar zu einem einzigen Programm zusammengefasst werden. Ansonsten hat jede Wälzlagerringtype ihr eigenes Programm.
• Zur Sicherstellung von chemischer Gleichmäßigkeit und Temperaturstabilität sind ausreichende Badvolumina mindestens der Beschichtungsbäder im Verhältnis zum Chargengewicht und auch zur Stromstärke notwendig. Dies kann durch Einhaltung der folgenden Bedingungen erreicht werden:
1. (1) Literstrombelastung Gesamtstromzufuhr [A] / Gesamtbadvolumen [1] < 0,4 Ampere/Liter.
2. (2) Litermassebelastung Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 x Chargengewicht [kg].
• Je nach Temperaturverhalten können auch kleinere Bäder evtl. geeignet sein. In diesen Fällen kann die Eignung anhand von Messkurve für das Temperaturverhalten beurteilt werden, die über den gesamten Beschichtungsvorgang geschrieben werden.
• Die anodische Stromdichte ist weit höher als die kathodische Stromdichte zu wählen und an die Empfehlungen des Elektrolytherstellers und den Anodentyp anzulehnen. Es können Werte um die 10 (jedenfalls weit oberhalb von 2,5), aber auch >= 15 A/dm² gewählt werden.
• Das Flächenverhältnis Anode : Kathode kann etwa in der groben Größenordnung von 1 : (2...2,5) liegen und gibt nicht das Verhältnis anodische/kathodische Stromdichte wieder.
• Die Bäder sind idealerweise in einer solchen Reihenfolge angeordnet und mit entsprechender Fahrwagengeschwindigkeit bedient, dass sich minimierte Überhebezeiten ohne Antrocknungs- und Nachreaktionsgefahr ergeben und weiternutzbare Kernwärme der Werkstücke aufrechterhalten wird.
• Bei der chemischen Nachbehandlung der Wälzlagerringe ist folgendes zu beachten:
• Es ist eine Passivierung zum Zwecke der Inaktivierung der oberflächennahen Zinkanteile der Zinklegierungsschicht notwendig. Es wird eine anorganische stromlose Passivierung auf die erzeugte Schicht aufgebracht, jedoch keine Versiegelung (Topcoat) und keine Gleitschicht. Die Verwendung einer zusätzlichen aushärtungsunterstützenden Nachtauchlösung (ohne eigenständige Schichtdicke) ist ebenfalls nicht vorgesehen.
• Versiegelungen besitzen keine metallähnliche Härte oder Tragfähigkeit, jedoch eine relevante Dicke. Sie sind deswegen sowohl innen als auch außen am Wälzlagerring unerwünscht.
• Die Spülschritte vor der Passivierung werden kurz gehalten, um die ZnNi-Oberfläche in möglichst aktivem Zustand der Passivierungsreaktion zuzuführen. Das gilt auch für das Spülen nach einem möglichen (meist nicht eingesetzten) Säureaufhellen.
• Die Passivierung besitzt zur optischen Kontrolle im Herstellzustand eine zumindest wahrnehmbare Farbe auf Basis irisierender Effekte, welche durch Beölung dann aufgrund Brechungsindexänderung nahezu farblos transparent wird.
• Insbesondere kann eine Passivierung zur Anwendung kommen, die unbeölt eine leicht blaue oder violette Farbe (irisierend-transparent blau; Blaupassivierung) hat und beölt nahezu als Transparentpassivierung wirkend.
• Die ölbeständige Passivierung ist Cr(VI)-frei und basiert auf Cr3. Das Erfordernis der Cr(VI)-Freiheit wird nach DIN 50993-1 als erfüllt angesehen, wenn die Wälzlagerringe auf ihrer Oberfläche weniger als 10 mg/m² Cr(VI) aufweisen.
• Die Temperaturbeständigkeit der Passivierung wird wenigstens so hoch gewählt wie die vorgesehene Wälzlager-Betriebstemperatur.
• Die angestrebte Passivierungsdicke beträgt etwa 200-250 nm, jedenfalls unter 450 nm.
• Der Schutzwert dreiwertiger Passivierungen hängt stark vom (sauren) pH-Wert der Tauchlösung ab, weswegen eine automatische pH-Steuerung (Natronlauge/ Salzsäure) oder eine engmaschige Analyse nötig ist.
• Bei starksauren Passivierungen (z.B. pH 2) ist der pH-Sollwert +/- 0,1 konstant zu halten. Bei schwachsauren Passivierungen (z.B. pH 4,5) ist der pH-Sollwert etwas weiter wählbar, aber immer innerhalb +/- 0,3.
• Bei der Trocknung der Passivierung sollte eine Temperatur von 90 ° C nicht überschritten werden, um eine wirkungsmindernde Trocknungsdehydrierung zu vermeiden.
• Die Tauchdauer in der Passivierung ist fest vorgegeben und sollte möglichst genau eingehalten werden, da sonst über Schichtauflösung die ZnNi-Dickenstreuung nachträglich gespreizt wird. Wegen der Zinkauflösung ist eine Überwachung des Fremdmetallgehaltes im Passivierungsbad vorgesehen.
• Im Falle der Wahl von „ZnNi-flexibel“ werden Nachbehandlungsschritte benötigt, welche genau auf die flexible ZnNi-Variante abgestimmt sind, da die angelegte Rissstruktur nachträglich geöffnet werden muss. Dazu wird mindestens eine rissöffnende Passivierung, gelegentlich sogar ein zusätzliches rissöffnendes Bad verwendet.
• Es kann nach der Beschichtung optional eine abschließende thermische Nachbehandlung entweder als sogenanntes „PMTT“ oder als Tempern/ Wasserstoffentspröden durchgeführt werden. Bei der Standardvariante des Beschichtungsverfahrens werden die Werkstücke allerdings nicht thermisch nachbehandelt („OT“).
• Bei der thermischen Nachbehandlung „PMTT“ werden die Werkstücke für ca. 120 Minuten auf einer für den jeweiligen Ringtyp und insbesondere die verwendete Anlasstemperatur individuell vorgegebenen Temperatur im Bereich ca. 200 bis 220 °C, meist 210°C +/- 5 °C, gehalten. Bei der angegebenen Haltedauer handelt es sich um die Verweilzeit im Ofen bei Arbeitstemperatur. Die Aufheizung wie auch die Abkühlung der Wälzlagerringe an Raumluft (kein Abschrecken !) nach Herausfahren aus dem Ofen ist nicht zu addieren und ohne Belang. Ein eventuelles Zeitfenster, bis der vorgeheizte Ofen nach Einbringen der Ware wieder Arbeitstemperatur erreicht, ist allerdings zu addieren.
• Eine Überschreitung der Temperaturtoleranz nach oben kann den Wälzlagerring durch Gefügeumwandlung und Härteverlust unbrauchbar machen. Eine wesentliche Überschreitung der Haltedauer kann zu einer irreversiblen Rückgängigmachung der positiven Gefügeeffekte führen.
• Bei der „PMTT“-Ofenbehandlung kann der Wälzlagerring entweder trocken oder mit entsprechend beständigem Thermoöl benetzt sein. Eine Benetzung mit herkömmlichen Konservierölen kann zu einem Einbrennen und zu Verfärbungen führen und ist deshalb zu vermeiden.
• Ein reguläres Tempern „T“ oder Wasserstoffentspröden ist bei Einhaltung der Verfahrensschritte des Beschichtungsverfahrens in der Regel entbehrlich, da es lediglich zu einer geringen Wasserstoffanreicherung im Stahl kommt.
• Ist das Risiko der Wasserstoffversprödung für den vorgesehen Anwendungsfall dennoch zu hoch, so kann im Einzelfall ein Tempern/ Wasserstoffentspröden durchgeführt werden. Es handelt sich dann um eine Behandlung bei mindestens 205 °C und mit mindestens 8 Stunden Dauer. Dieses Vorgehen ersetzt dann „PMTT“, es können nicht beide thermischen Nachbehandlungen verwendet werden.
• Hinweise zu beiden thermischen Nachbehandlungen:
• Die ZnNi-Schicht besitzt ausreichende Temperaturbeständigkeit, die chemische Nachbehandlung (Passivierung) wird jedoch durch die „PMTT“-Behandlung, wie auch durch jedes Tempern, häufig geschwächt. Der Einsatzbereich konventioneller Passivierungen endet meist bei 150-200°C.
• Eine thermische Nachbehandlung vor Aufbringen der Passivierung, auch wenn sie die Wasserstoff-Entgasung begünstigen würde, scheidet wegen dem Qualitätsverlust der Passivierung (Oberfläche dann bereits inaktiv) aus.
• Jede thermische Nachbehandlung erfolgt möglichst im unmittelbaren Anschluss an die Beschichtung, spätestens jedoch 4,0 Stunden nach deren Fertigstellung.
• Die Parameter des Temperns müssen mit der Passivierung verträglich sein, oder die Passivierung muss weggelassen („NP“) oder ggf. repariert werden, und die Maximaltemperatur (einschließlich Temperaturschwankungen im Ofen) muss unterhalb der Anlasstemperatur des Werkstückes liegen.
• Falls hochfeste Wälzlagerringe ZnNi-beschichtet werden sollen, die eine Werkstoffzugfestigkeit Rm > 1000 N/mm² oder Oberflächenverfestigung > 1000... 1100 MPa aufweisen, z.B. niedriglegierte hochfeste Vergütungsstähle, empfiehlt sich wenigstens die thermische Nachbehandlung „PMTT“.
• Im Lagergebrauch ist unabhängig von der thermischen Nachbehandlung grundsätzlich mit einer dauernden Betriebstemperatur von bis zu 150°C zu rechnen, der Schicht und Passivierung dauerhaft widerstehen müssen und für welche die Passivierung deshalb wenigstens ausgelegt wird. Dies steht im Einklang mit den für ZnNi üblicherweise erlaubten Betriebstemperaturen von bis zu 180°C.
• Die Duktilität bzw. Härte der ZnNi-Schicht kann u. a. über den eingebauten Nickelanteil beeinflusst werden - mehr Nickel macht härter und spröder. Zusätzlich hat jedoch eine thermische Nachbehandlung deutlichen Einfluss. Durch eine Wärmebehandlung nimmt die Mikrohärte von alkalisch abgeschiedenem ZnNi ab (bei sauer abgeschiedenem ZnNi nimmt sie zu). Besonders für allseitige Beschichtung „LB“ ist die Abnahme der Mikrohärte im Regelfall unerwünscht.
• Sofern die Schicht mikrorissig abgeschieden wurde, kann eine Wärmebehandlung diese schließen, indem sich dabei Zinkausscheidungen in den Rissen bilden.
• Ein weiterer Anpassungsparameter, der bei Bedarf genutzt werden kann, ist die Stromdichte. Eine steigende Stromdichte führt zu härteren Abscheidungen.
• Optional kann der ZnNi-Schicht ein saures Anschlagzink mit nominell 1 µm Dicke unterlegt werden. Das Anschlagzink kann auf schwierigen Untergründen die Haftung und das Anspringverhalten verbessern, reduziert jedoch den Korrosionsschutz über voluminöse Zinkunterkorrosion bei Schichtporen und - verletzungen.
• Weiterhin kann optional der ZnNi-Schicht ein Nickelstrike mit nominell 1 µm Dicke unterlegt werden. Der Nickelstrike kann auf schwierigen Untergründen die Haftung und das Anspringverhalten verbessern, und insbesondere das Eindringen von Wasserstoff in den Stahl stark reduzieren, reduziert jedoch auch den Korrosionsschutz über Nickel- statt Zinkkontaktierung des Stahles besonders bei Schichtporen und -verletzungen.
• Im Rahmen des Beschichtungsverfahrens wird trotz der Wasserstoffimpermeabilität keine Nickelsulfamat-Zwischenschicht oder Nickelsulfamat-Strike vorgesehen.
• Hinsichtlich der Handhabung der Wälzlagerringe ist folgendes zu beachten:
• Die Auflagespuren von Gestellware sind immer auf ein Minimum hin zu optimieren und auf Nichtfunktionsflächen zu legen. Die Wälzlagerringe werden daher nur an ihren Fasen/ Kantenkürzungen kontaktiert, um Fehlstellen auf geschliffenen Flächen, Außendurchmesser, Innendurchmesser und Stirnseiten zu vermeiden.
• Im Falle hängender Wälzlagerringe (horizontale Achse) ergibt sich daraus jeweils ein „V“ oder „U“-Aufhängehaken zur Kontaktierung der beiden äußeren Kantenfasen des Innendurchmessers.
• Im Falle liegender Wälzlagerringe (vertikale Achse) sind 3 oder 4 winklig angebrachte Stangen oder Bügel, alle 120 oder 90 Grad, notwendig. Diese Stangen oder Bügel kontaktieren vorzugsweise ebenfalls äußere Kantenfasen des Innendurchmessers und laufen daher nach oben hin aufeinander zu. Alternativ ist auch die Kontaktierung einer äußeren Kantenfase des Außendurchmessers möglich. Dann laufen die Stangen nach oben hin voneinander weg Ebenso besteht die Möglichkeit, Federbügel in „>“-Form zu verwenden.
• Bei den heute üblichen ZnNi-Elektrolyten ist die Streuwirkung so gut, dass Abschirmungen recht eng an der Oberfläche angeordnet werden müssen.
• Daher ist es in der Regel nicht ausreichend, einen Innenring innerhalb eines zugehörigen Außenrings anzuordnen und so auf gegenseitige Laufbahnabschirmung abzuzielen. Sofern der verwendete Elektrolyt jedoch geringe Streufähigkeit besitzt, kann das beschriebene Verfahren ein Lösungsansatz sein und dann ist jede Gestellposition eine Doppelauflage mit Innenringaufnahme innerhalb der Außenringaufnahme.
• Andernfalls kann auch erwogen werden, den Innenring innerhalb eines zugehörigen Außenrings anzuordnen und zusätzlich einen Kunststoffring oder einen Stahlring als Abschirmung dazwischenzusetzen.
• Außenringe mit Borden oder Laufbahnhohlformen werden wegen der Luftblasen- und Schöpfproblematik bei fehlender innerer Abdeckung („LB“, „LAB“) mit annähernd vertikaler Achse „liegend“ beschichtet.
• Das liegende Chargieren erfordert eine weitgehend horizontale Ausrichtung der Ringstirnseiten, um eine erneute Luftblase unter dem Bord zu vermeiden, oder eine Winkelbewegung des Warenträgers.
• Bei der Verringerung von Auflage-/Gestellspuren ist neben der Wahl bestgeeigneter Aufhängegeometrie und -werkstoffe insbesondere eine Warenträgerbewegung hilfreich. Eine kontinuierliche aber geringhubige Warenträgerbewegung soll die Ware ununterbrochen mit etwa 2-5 m/min bewegen, ohne die Werkstückkontaktierung durch z.B. Pendeln der Werkstücke zu beeinträchtigen. Entsprechende Badumwälzung und ggf. (partikelarm gefilterte) Werkstückanströmung wirkt unterstützend.
• Die Badumwälzung erfolgt durch Pumpen oder Rühren, nicht aber durch Lufteinblasung (Blasenbildung, Fremdelementeintrag, Carbonatbildung).
• Von der bei chemischen Verfahren oft benutzten Methode des Zwischenanhebens zur Spurenverringerung, wobei der Warenträger während des laufenden Beschichtungsvorganges bei weiterhin untergetaucht verbleibender Ware ein- bis mehrmals durch den Transportwagen oder den Warenträgerbewegungsapparat kurz angehoben und wieder abgesetzt wird, was naturgemäß zu sehr geringem aber der Spurenbildung entgegenwirkendem Verrutschen der Werkstücke führt, ist wegen der Unterbrechung der Stromzufuhr nicht zulässig (Gefahren: Schichtfehler, Abplatzer vom Untergrund, Abplatzer innerhalb der Schicht).
• Werden Wälzlagerringe behandelt, die aufgrund ihrer Größe/ ihres Gewichts/ ihrer Geometrie nicht als langsam bewegte, z.B. ohne Kontaktverlust vorsichtig pendelnde oder langsam drehende, Gestellware auflagespurenfrei beschichtet werden können, so gilt für die Spuren hinterlassenden Kontaktpunkte mit dem Chargiergestell:
• Wälzlagerringe (nicht bewegtes Tauchverfahren):
  • - Anlagebereiche nur an den Kantenkürzungen (Kantenradien).
  • - Kein Kontakt an Wälzkörperlaufbahnen und Gleitbahnen (Bordinnenseiten).
• Als große Rollen ausgebildete Wälzkörper (Gestellware):
• - Nur auf den Stirnseiten mittig.
• - Kein Kontakt an Mantelflächen (Laufflächen) oder geschliffenen Stirnseitenbereichen.
• Als kleine Rollen und Kugeln ausgebildete Wälzkörper (Trommelware):
• - Keine Spuren.
• Alle genannten Kontaktpunkte dürfen nur geringe Spuren hinterlassen.
• Zulässige „geringe“ Spuren sind solche Spuren, die keinen oder nahezu keinen metallisch blanken (stahlfarben glänzenden) Bereich besitzen, sondern vorwiegend lediglich eine geringere Schichtstärke als das Soll-Ergebnis, und die im Fertigzustand keine über die tatsächlichen und minimierten Berührungen wesentlich hinausgehenden um diese Bereiche herum angeordneten Fehlfarben (Flecken) aufweisen. Passivierungen können in der Nähe von Auflagestellen Flecken erzeugen und werden im fertig beölten Zustand betrachtet.
• Die Beschichtung als Trommelware ist wegen Beschädigungsgefahr und Schichtgenauigkeitsbedarf grundsätzlich für alle Wälzlagerringe unzulässig. Sie kommt nur für Wälzkörper in Betracht, die als kleine Rollen oder Kugeln ausgebildet sind.
• Beschichtungen von Wälzkörpern (Rollen oder Kugeln) sind aus Gründen der Lagerinnenluftunterschiede von neuem zu abgenutztem Zustand sowie der Laufruhe und Tragfähigkeit normalerweise nicht vorgesehen, können bei Bedarf aber dennoch realisiert werden.
• Warenträger benötigen eine zur Chargenoberfläche passende Dimensionierung der Querschnitte, um nicht durch Stromflussungleichmäßigkeiten eine relevante Schichtdickenstreuung innerhalb der Charge zu erzeugen.
• Die mit dem Beschichtungsverfahren hergestellten Schichten weisen folgende Eigenschaften auf:
• Die Schichthärte beträgt je nach Ni-Gehalt ca. 430-530 HV(0,05) oder ca. 400-450 HV(0,1), insbesondere, 410-430 HV(0,1). Die mikrorissige Variante ZnNi-flexibel erreicht durch die Feinkörnigkeit, besonders aber durch die rissbedingt erhöhte Ausdehnungsfähigkeit quer zur Prüflast, geringere Messwerte oberhalb 300 HV(0,1).
• Ein typischer Wert einer Mikrohärtemessung beträgt 450 HV15. Eine Härtebetrachtung gemäß Rockwellskala liefert etwa 40-45 HRC.
• Die Reibzahl gegen Stahl beträgt typisch etwa 0,30, die Dichte 7.4 g/cm³.
• Anfänglich sind Druckeigenspannungen von höchstens 20-40 N/mm² feststellbar, später meist nur Zugeigenspannungen.
• Bei Standardausführung ergibt sich eine Bruchdehnung bis 1 %; der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt 28x10(-6)/K.
• Der Schmelzpunkt liegt bei etwa 800 °C.
• Das zu erwartende Potential beträgt etwa -680 mV (Eisen -400 mV, Zink -980 mV).
• Die Rissabstände sind bei ZnNi-Standard 60-200 µm und bei ZnNi-flexibel 5-40 µm, insbesondere 10-25 µm.
• Die Schichtdicke kann durch das Streuverhalten des Elektrolyten, die Anoden- und Werkstückanordnung, die Abstände, und Geometrie/ Stromfluss/ Stromdichte sowie Umwälzung und Gasentstehung und durch weitere Randbedingungen an ein und demselben Wälzlagerring signifikant variieren. Ein einzelner Wälzlagerring kann folglich auf linker und rechter Stirnseite, an Innen- und Außendurchmesser, und auch verteilt über diese Flächen, unbeabsichtigt verschiedene Schichtdicken aufweisen.
• Zusätzlich ist das Problem des verspäteten Anspringverhaltens bekannt, z.B. durch verbleibende Trennschichten, bei dem Bereiche ohne systematische Wiederholbarkeit verzögert mit dem Schichtaufbau beginnen und mit zu niedriger oder gar fehlender Schichtdicke enden.
• Die Schichtdicke kann mittels Röntgenfloureszenzmessungen (ISO 3497) an kalibrierten Geräten ergänzt durch coulometrische Prüfung ermittelt werden. Dabei erfolgt die Messung im Fertigzustand, also nach der Passivierung, da die Passivierung Schichtdicke abträgt. Pro gemessenem Wälzlagerring sollte eine Mittelung aus mindestens 10 gleichmäßig über die beschichtete Oberfläche verteilten Messungen durchgeführt werden. Im Rahmen der Schichtdickenmessung kann auch eine Analyse des Nickelgehalts erfolgen, da diese Analyse ebenfalls mittels Röntgenstrahlen durchgeführt werden kann.
• Bei unzulässig großen Dickenvariationen können z.B. die Anodenpositionen, - flächen und ggf. die Werkstückchargierung und -menge oder die Gestellquerschnitte angepasst oder die Stromdichte gesenkt oder Abblendrahmen verwendet werden.
• Die anzustrebende Schichtdicke hängt von der gewählten Verfahrensvariante ab.
• Bei vollständig abgedeckten Laufbahnen („LU“) müssen die Laufbahnen nicht berücksichtigt werden und es kann eine maximale Korrosionsschutzdicke aufgebracht werden.
• Bei abgeschirmten Laufbahnen („LAB“) kann ebenfalls eine maximale Korrosionsschutzdicke auf den Außenflächen aufgebracht werden, da die Schichtdicke für die Laufbahnen über die Abschirmungen reduziert wird. Eine separate Toleranz regelt die zulässigen Verhältnisse auf der Laufbahn.
• Bei der einfachsten Variante mit beschichteter Laufbahnen („LB“) ist die Absenkung der Schichtdicke insgesamt notwendig, um nicht zu dicke Laufbahnschichten zu erhalten.
• Generell entfalten ZnNi-Schichten ihre Wirkung im Bereich von etwa 2 - 10 µm mit einem Erreichen des Korrosionsschutzmaximums oberhalb von 6-8 µm. Die für Wälzlager günstigsten Schichtdicken liegen in Größenordnungen von max. etwa 3 µm im Lagerinnenraum und max. etwa 10 µm auf den Ringaußenflächen, sowie bei Bedarf 1-1,5 µm auf den Wälzkörpern.
• Versuche zeigen, dass Schichten von nur 1 µm noch nicht dicht sind und einen zwar merklichen, aber keinen längerfristigen Schutz bieten, dass aber bereits oberhalb von 3 µm ZnNi-Schichtdicke, passiviert, hervorragende Schutzwerte möglich sind wenn die Schicht optimal aufgebracht wurde. Dies setzt einerseits Fehlerfreiheit voraus und andererseits, dass nicht lokal eine dünnere Stelle vorliegt. Ein Abstand von dieser Mindestanforderung steigert den Schutz und garantiert das Vermeiden von qualitätswirksamen Ausreißern.
• Für die verschiedenen Beschichtungsvarianten ergeben sich damit folgende Richtwerte für die ZnNi-Schichtdicke:
• Nichtfunktionale Außenflächen der Wälzlagerringe erhalten bereits bei einer Schichtdicke von 3-5 µm einen hoch signifikanten Schutz. Sofern es das Bauteil und seine Toleranz zulassen sollten jedoch etwa 6-10 µm Schichtdicke angestrebt werden. Mehr als 13 µm sind hingegen nicht mehr wirkungsverbessernd und beginnend kontraproduktiv durch ungünstigere Spannungszustände, Sprödheit und Ungleichmäßigkeiten.
• Auf die Laufbahnen der Wälzlagerringe werden so dünne Schichten aufgetragen, dass die Geometrie nicht wesentlich verfälscht wird, Verschleiß keine unzulässige Luftklasse erzeugt, und dass ein Schichtverlust nur kleinste und unschädliche Partikel hervorbringt. Dafür ist ein Bereich von etwa 1 bis äußerstenfalls 5 µm zu betrachten, besser nur bis 3 µm.
• Falls das Beschichten von Wälzkörpern erwogen wird, die als Setzware oder in einer kontaktierten Trommel beschichtet werden können, darf die Schichtdicke nur sehr gering gewählt werden, da sie Luftklasse und Laufeigenschaften noch stärker beeinflusst als auf den Laufbahnen der Wälzlagerringe. Mögliche Schichtdicken liegen bei 0,6 bis äußerstenfalls 2 µm, besser bei 1,0 bis 1,5 µm. Der Korrosionsschutz erstreckt sich damit verstärkt auf unbenutzte oder wenig gelaufene Lager.
• Bei der Variante „LU“ (Laufbahnen abgedeckt und unbeschichtet) beträgt die anzustrebende Schichtdicke bei abgedeckten Laufbahnen nominell 8,0 µm als gemittelter Wert aus 10 gleichmäßig verteilten Messungen des Wälzlagerrings.
• Die erlaubte nominelle Dickenschwankung beträgt +/- 2,0 µm entsprechend 6,0-10,0 µm als gemittelter Wert aus 10 Messungen. Das absolute MIN (Untergrenze eines Einzelwertes) beträgt 6,0 µm. Das absolute MAX (Obergrenze eines Einzelwertes) beträgt 10,0 µm.
• Liegt der gemittelte Wert im Bereich zwischen 6,0 und 6,4 µm oder zwischen 9,6 und 10,0 µm, so wird ab der nächsten Charge eine Prozesskorrektur durchgeführt, um zu verhindern, dass der Toleranzbereich überschritten wird.
• Bei der Variante „LAB“ (Laufbahnen abgeschirmt beschichtet) werden unterschiedliche ZnNi-Schichtdicken in den nicht abgeschirmten Lageraußenbereichen und in den abgeschirmten Lagerinnenbereichen angestrebt.
• Dabei entspricht die angestrebte Schichtdicke für nicht abgeschirmte Bereiche der Variante „LU“ und beträgt nominell 8,0 µm als gemittelter Wert aus 10 gleichmäßig verteilten Messungen. Die erlaubte nominelle Dickenschwankung beträgt +/- 2,0 µm entsprechend 6,0-10,0 µm als gemittelter Wert aus 10 Messungen. Das absolute MIN (Untergrenze eines Einzelwertes) beträgt 6,0 µm. Das absolute MAX (Obergrenze eines Einzelwertes) beträgt 10,0 µm. Liegt der gemittelte Wert im Bereich zwischen 6,0 und 6,4 µm oder zwischen 9,6 und 10,0 µm, so wird ab der nächsten Charge eine Prozesskorrektur durchgeführt, um zu verhindern, dass der Toleranzbereich überschritten wird.
• Die angestrebte Schichtdicke für die abgeschirmten Laufbahnen beträgt nominell 2,0 µm als gemittelter Wert aus 10 gleichmäßig verteilten Messungen des Werkstückes. Die erlaubte nominelle Dickenschwankung beträgt +/- 1,0 µm entsprechend 1,0-3,0 µm als gemittelter Wert aus 10 Messungen. Das absolute MIN (Untergrenze eines Einzelwertes) beträgt 1,0 µm. Das absolute MAX (Obergrenze eines Einzelwertes) beträgt 3,0 µm. Liegt der gemittelte Wert im Bereich zwischen 1,0 und 1,4 µm oder zwischen 2,6 und 3,0 µm, so wird ab der nächsten Charge eine Prozesskorrektur durchgeführt, um zu verhindern, dass der Toleranzbereich überschritten wird.
• Bei der Variante „LB“ (allseitig beschichtet ohne Abdeckungen oder Abschirmungen) werden trotz der fehlenden Abdeckungen und Abschirmungen tendenziell unterschiedliche ZnNi-Schichtdicken in den Lageraußenbereichen und in den Lagerinnenbereichen angestrebt.
• Dicke ZnNi-Schichten auf Lauf- und Gleitbahnen wirken störend. Ein Abblättern unter hertzscher Pressung ist möglich. Abgeblätterte dicke Schichtstücke im Lager zerstören bei Überrollen die Laufflächen. Schichtungleichmäßigkeiten verschlechtern das Tragbild. Schichtabtrag durch Verschleiß vergrößert die Lagerluft und verschmutzt den Schmierstoff. Die Reibungsverhältnisse von ZnNi sind zudem eher ungünstig. Dickere Laufbahnschichten haben daher keine zusätzliche günstige Wirkung, sondern sind als schädlich anzusehen.
• Die Anoden und Werkstücke sind nach Möglichkeit so anzuordnen, dass über das Streuverhalten die Schichtdicke auf Laufbahnen gleich oder tendenziell geringer ist als auf anderen Flächen. Beispiel: Ein während der Beschichtung hängend mit Achslage parallel zu den Anodenreihen angeordneter Innenring ergäbe eine dicke Laufbahnschicht und eine dünne Bohrungsschicht. Eine derartige Schichtdickenverteilung wäre sehr ungünstig. Derselbe Innenring hängend mit Achslage 90° zu den Anodenreihen angeordnet ergäbe innen und außen etwa dieselbe Schichtdicke. Dies ist eine bereits etwas günstigere Schichtdickenverteilung.
• Die angestrebte Schichtdicke für Lageraußenbereiche beträgt bei der Variante „LB“ nominell 6,5 µm als gemittelter Wert aus 10 gleichmäßig verteilten Messungen des Wälzlagerrings. Die erlaubte nominelle Dickenschwankung beträgt +/- 3,5 µm entsprechend 3,0-10,0 µm als gemittelter Wert aus 10 Messungen. Das absolute MIN (Untergrenze eines Einzelwertes) beträgt 3,0 µm. Das absolute MAX (Obergrenze eines Einzelwertes) beträgt 10,0 µm.
• Die angestrebte Schichtdicke für Laufbahnen beträgt nominell 3,5 µm als gemittelter Wert aus 10 gleichmäßig verteilten Messungen des Werkstückes. Die erlaubte nominelle Dickenschwankung beträgt +/- 2,5 µm entsprechend 1,0-6,0 µm als gemittelter Wert aus 10 Messungen. Das absolute MIN (Untergrenze eines Einzelwertes) beträgt 1,0 µm. Das absolute MAX (Obergrenze eines Einzelwertes) beträgt 6,0 µm.
• Da keine Abdeckungen oder Abschirmungen verwendet werden, ist der Schichtdickenunterschied innen/ außen bei optimaler Positionierung von der Streuwirkung des Elektrolyten abhängig und nicht weiter justierbar. Da die Anforderungen an Lageraußenbereiche und Laufbahnen verschieden sind, werden getrennte Toleranzen angegeben, da dies den verfügbaren Spielraum vergrößert.
• Aus einer Kombination der beiden Toleranzen ergibt sich als Schnittmenge der pauschale Bereich 3,0 - 6,0 µm. Dieser Bereich kann der Beschichtung als Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen im Innenbereich und im Außenbereich zugrunde gelegt werden und demgemäß kann bei der Variante „LB“ eine Beschichtung mit einer einheitlichen Schichtdicke innerhalb dieses Bereichs durchgeführt werden.
• Falls in Sonderfällen auch die Wälzkörper beschichtet werden sollen, gelten für die Schichtdicke nachfolgende Werte. Die Wahl zwischen der Anordnung der Wälzkörper auf einem Gestell oder in einer Trommel erfolgt je nach Größe und Ausgestaltung der Wälzkörper unter Berücksichtigung bestmöglicher Beschädigungsfreiheit und Gleichmäßigkeit.
• Die anzustrebende Schichtdicke für Wälzkörper beträgt nominell 1,25 µm als gemittelter Wert aus 10 gleichmäßig verteilten Messungen des Werkstückes. Die erlaubte nominelle Dickenschwankung beträgt +/- 0,65 µm entsprechend 0,6-1,9 µm als gemittelter Wert aus 10 Messungen. Das absolute MIN (Untergrenze eines Einzelwertes) beträgt 0,6 µm. Das absolute MAX (Obergrenze eines Einzelwertes) beträgt 1,9 µm.
• Liegt der gemittelte Wert im Bereich zwischen 0,6 und 0,9 µm oder zwischen 1,6 und 1,9 µm, so wird ab der nächsten Charge eine Prozesskorrektur durchgeführt, um zu verhindern, dass der Toleranzbereich überschritten wird.
• Bei Wälzkörpern ist das Vermischen von Chargen zu vermeiden, um nicht Wälzkörper mit grenzwertig dünnen und Wälzkörper mit grenzwertig dicken Schichten in dasselbe Lager zu verbauen und so das Tragverhalten über die Prozessstreuung hinaus zu verändern.
• Die Korrosionsbeständigkeit nach der Beschichtung kann auf unterschiedliche Weise geprüft und durch unterschiedliche Kennziffern charakterisiert werden:
• Beispielsweise kann ein Test nach DIN EN ISO 9227 durchgeführt werden, bei dem eine neutrale Salzsole (NaCl) mit pH 6,5-7,2 zum Einsatz kommt. Die Konzentration der Salzsole beträgt 50 g/l. Die Anwendungstemperatur beträgt 35°. Dieser Test wird als neutraler Salzsprühtest bezeichnet.
• Die mit dem beschriebenen Verfahren auf den Außenflächen der Wälzlagerringe, d. h. insbesondere außerhalb der Laubahnen, erzielbare Beständigkeit gegen Rotrost beträgt bei Ausbildung einer ausreichend dicken ZnNi-Schicht wenigstens 500 Stunden. Näherungsweise ergibt sich für Schichtdicken im Bereich 1 - 10 µm eine Beständigkeit gegen Rotrost von etwa 100 Stunden pro je 1 µm Schichtdicke.
• Die Beständigkeit gegen Rotrost beträgt auf den Außenflächen der Wälzlagerringe bei der Variante „LU“ wenigstens 720 Stunden, bei der Variante „LAB“ wenigstens 720 Stunden und bei der Variante „LB“ wenigstens 480 Stunden.
• Für die Laufbahnen, sofern beschichtet, und für die Wälzkörper, sofern beschichtet, sind niedrigere Werte anzusetzen, weil die Schichten dort unterhalb der bestwirksamen Dicke liegen. So beträgt die Beständigkeit gegen Rotrost für beschichtete Laufbahnen wenigstens 96 Stunden und für beschichtete Wälzkörper wenigstens 72 Stunden.
• Die Beständigkeit gegen Weißrost beträgt auf den Außenflächen der Wälzlagerringe bei der Variante „LU“ wenigstens 144 Stunden, bei der Variante „LAB“ wenigstens 144 Stunden und bei der Variante „LB“ wenigstens 96 Stunden.
• Es ist mit ZnNi und entsprechenden Nachbehandlungen auch möglich, mehr als 1000 Stunden Beständigkeit gegen Rotrost zu erreichen und über 300 Stunden gegen Weißrost. Für Wälzlager ist aber ein Kompromiss mit schonender Badführung, dünnen Schichten und nichtauftragenden Nachbehandlungen sinnvoll. Insbesondere werden keine Versiegelungen auf die Passivierung aufgetragen.
• Bei der Prüfung der Korrosionsbeständigkeit ist folgendes zu beachten:
• Eventuelle Kontaktierungspunkte bleiben bei der Bewertung der Korrosion unberücksichtigt, solange die fortschreitende Korrosion an diesen Stellen nicht 5 mm² pro Stelle überschreitet.
• Im Fall nicht beschichteter blanker Laufbahnen und Bordinnenseiten ergibt sich im Test dort eine sofortige starke Korrosion, die als unterwandernde Korrosion wie auch als aufliegende braune Ablagerung mit kontaminierender Auswaschung zügig auf beschichtete Bereiche übergreift und eine Bewertung mit fortschreitender Prüfdauer stark erschwert. Daher müssen für den Test die nicht zu prüfenden Bereiche mit Lötstopplack oder Galvaniklack oder einem anderen geeigneten zinkfreien Schutzlack abgedeckt werden, oder eventuell vorhandene Prozessabdeckungen verbleiben für diese Prüfteile am Werkstück.
• Abzudeckende, bei Lageraußenflächenprüfung nicht zu prüfende Bereiche sind bei der Variante „LU“ die Laufbahnen und Gleitbahnen (Abdeckung erforderlich), bei der Variante „LAB“ Laufbahnen und Gleitbahnen (Abdeckung empfehlenswert) und bei der Variante „LB“ Laufbahnen und Gleitbahnen (evtl. keine Abdeckung erforderlich). Die Korrosion an Laufbahnen und Gleitbahnen der Variante „LAB“ setzt früher ein als die der Lageraußenflächen, so dass dieser Wert separat an anderen Prüflingen ermittelt werden muss.
• Die Prüfung darf frühestens nach einer 24stündigen Lagerung frisch beschichteter Werkstücke bei 20°C (+/- 5 °C) erfolgen.
• Zusätzliche sind weitere Prüfungen möglich, beispielsweise Kondenswasser DIN EN ISO 6270-2, elektrochemischer Angriff DIN 50918, Corrodkote (KORR-Test) DIN 4541 oder 50958, Schadgas DIN 10062 oder Schwefeldioxid DIN 6988. Eine besondere Vermischung von Säurebeständigkeitstest und Korrosionsschutztest bietet der Kesternichtest (Schwefeldioxid).
• Zur Prüfung werden jeweils einige der beschichteten Teile einem Fertigungslos als Proben entnommen.

Claims (14)

1. Verfahren zum Beschichten von Wälzlagerringen, die Funktionsflächen zur Ausbildung eines Wälz- oder Gleitkontakts und Außenflächen außerhalb der Funktionsflächen aufweisen, mit einer Zink-Nickel-Legierung, wobei - die Wälzlagerringe mehrfach einer Behandlung in einem Dekapier-Behandlungsbad unterzogen werden, - die Außenflächen der Wälzlagerringe mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke von wenigstens 6 µm beschichtet werden, - die Funktionsflächen der Wälzlagerringe nicht mit einer Zink-Nickel-Legierung beschichtet werden oder mit einer Zink-Nickel-Legierung in einer Schichtdicke beschichtet werden, die geringer als die Schichtdicke der Zink-Nickel-Legierung auf den Außenflächen der Wälzlagerringe ist und - in einem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung auf den Wälzlagerringen eine Literstrombelastung unterhalb von 0,4 Ampere/Liter eingestellt wird, wobei die Literstrombelastung definiert ist als Gesamtstromzufuhr zum Behandlungsbad dividiert durch das Gesamtbadvolumen des Behandlungsbads und/oder lediglich so viele Wälzlagerringe in dem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung eingebracht werden, dass gilt: Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 x Chargengewicht [kg] und/oder zu Beginn der Schichtbildung ein Oberflächenniederschlag aus Reinnickel mit einer Dicke von wenigstens 2 nm auf die Oberfläche abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wälzlagerringe zwischen zwei Behandlungen in dem Dekapier-Behandlungsbad in ein weiteres Behandlungsbad eingetaucht werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Dekapier-Behandlungsbad eine Trockensäure enthält.
4. Verfahren zum Beschichten von Wälzlagerringen, die Funktionsflächen zur Ausbildung eines Wälz- oder Gleitkontakts und Außenflächen außerhalb der Funktionsflächen aufweisen, mit einer Zink-Nickel-Legierung, wobei in einem Behandlungsbad benachbart zu den Funktionsflächen Abschirmungen angeordnet werden, welche die Abscheiderate der Zink-Nickel-Legierung auf die Funktionsflächen gegenüber der Abscheiderate der Zink-Nickel-Legierung auf die Außenflächen reduzieren und - in dem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung auf den Wälzlagerringen eine Literstrombelastung unterhalb von 0,4 Ampere/Liter eingestellt wird, wobei die Literstrombelastung definiert ist als Gesamtstromzufuhr zum Behandlungsbad dividiert durch das Gesamtbadvolumen des Behandlungsbads und/oder lediglich so viele Wälzlagerringe in dem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung eingebracht werden, dass gilt: Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 x Chargengewicht [kg] und/oder zu Beginn der Schichtbildung ein Oberflächenniederschlag aus Reinnickel mit einer Dicke von wenigstens 2 nm auf die Oberfläche abgeschieden wird.
5. Verfahren zum Beschichten von Wälzlagerringen, die Funktionsflächen zur Ausbildung eines Wälz- oder Gleitkontakts und Außenflächen außerhalb der Funktionsflächen aufweisen, mit einer Zink-Nickel-Legierung, wobei die Wälzlagerringe so in einem Behandlungsbad angeordnet werden, dass jeweils ein als ein Innenring ausgebildeter Wälzlagerring radial innerhalb eines als ein Außenring ausgebildeten Wälzlagerrings angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei jeweils radial zwischen dem als Innenring ausgebildeter Wälzlagerring und dem als Außenring ausgebildeten Wälzlagerring eine Abschirmung angeordnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei in einem Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung auf den Wälzlagerringen eine Literstrombelastung unterhalb von 0,4 Ampere/Liter eingestellt wird, wobei die Literstrombelastung definiert ist als Gesamtstromzufuhr zum Behandlungsbad dividiert durch das Gesamtbadvolumen des Behandlungsbads.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei lediglich so viele Wälzlagerringe in das Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung eingebracht werden, dass gilt: Gesamtbadvolumen [1] > 7,5 x Chargengewicht [kg].
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Maßnahmen zur Begrenzung des maximalen Cyanid-Gehalts im Behandlungsbad zur Ausbildung der Zink-Nickel-Legierung getroffen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wälzlagerringe einer thermischen Nachbehandlung zugeführt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Wälzlagerringe vor der Beschichtung mit der Zink-Nickel-Legierung in ein Behandlungsbad mit maximal 18 %iger Salzsäure für maximal 2 Minuten eingetaucht werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei zu Beginn der Schichtbildung ein Oberflächenniederschlag aus Reinnickel mit einer Dicke von wenigstens 2 nm auf die Oberfläche abgeschieden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Zink-Nickel-Legierung als Gammaphase Ni5Zn21 abgeschieden wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine anorganische stromlose Passivierung auf die erzeugte Zink-Nickel-Beschichtung aufgebracht wird.