DE102021134434A1

DE102021134434A1 - Prozessanordnung sowie Verfahren zur Behandlung eines Metallbauteils

Info

Publication number: DE102021134434A1
Application number: DE102021134434.4A
Authority: DE
Inventors: Caroline Beilner; Michael Grabowski
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: DE102021134434B4; CN116334604A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung zur Behandlung eines Metallbauteils (1), insbesondere eines Magnesiumbauteils, das während eines Behandlungsprozesses in ein Tauchbad (3) mit elektrisch leitfähiger Behandlungsflüssigkeit eingetaucht ist. Erfindungsgemäß ist der Prozessanordnung zumindest eine Reinigungselektrode (5) zugeordnet, die in das Tauchbad (3) vor/nach/während des Behandlungsprozesses des Metallbauteils (1) eintauchbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozessordnung zur Behandlung eines Metallbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Behandlung eines Metallbauteils nach Anspruch 10.
Der Einsatz von Leichtmetallbauteilen ist branchenübergreifend gängige Praxis. Speziell im Fahrzeugbau kann beispielhaft eine Fahrzeugkarosserie im Mischbau aus Leichtmetall- und Stahlbauteilen gefertigt sein, um eine Gewichtsreduzierung zu erzielen. Beispielhaft können als Leichtmetall Aluminium- oder Magnesium-Werkstoffe oder Legierungen davon eingesetzt werden.
In der Serienproduktion durchläuft die Fahrzeugkarosserie einen Serienlackprozess. Im Serienlackprozess wird die Fahrzeugkarosserie unter anderem in einem Passivierungsschritt vorbehandelt. Demnach wird zunächst eine Entfettung, ein Schleifen und/oder ein Beizen der Fahrzeugkarosserie durchgeführt. Die so gereinigte Fahrzeugkarosserie wird dann in ein Tauchbad mit Passivierungslösung eingetaucht und anschließend getrocknet. Im weiteren Prozessverlauf wird die Karosserie einem KTL-Tauchverfahren unterworfen, in dem die Fahrzeugkarosserie mit einem KTL-Lack beschichtet wird.
Im Fall der Behandlung von Magnesiumbauteilen gibt es in diesem Zusammenhang die folgende Besonderheit. Eisenhaltige Verunreinigungen bzw. Nickel-, Kupfer- und/oder Cobalt-Verunreinigungen, die sich in den Beschichtungsflüssigkeiten oder als Rückstände / Verunreinigungen in dem Tauchbad befinden, interagieren mit der unedlen Magnesiumoberfläche des Magnesiumbauteils, und zwar wie folgt: Fe²+/3⁺ / Niⁿ⁺ / Cuⁿ⁺ / Coⁿ⁺ / Pbⁿ⁺ / Ag⁺ etc. + Mg →Mg²⁺ + Fe / Ni / Cu / Co / Pb / Ag
Das bedeutet, dass edlere Verunreinigungsmetalle (alle Metalle des Periodensystems - mit Ausnahme von Li, Ca - sind edler als Magnesium) in Kontakt mit metallischem Magnesium reduziert werden (Meⁿ⁺ + ne^- → Me), während Magnesium oxidiert wird (Mg → Mg²⁺ + 2e^-). Hintergrund ist die elektrochemische Spannungsreihe und das Prinzip nach Galvani.
Magnesiumlegierungen stellen in der elektrochemischen Spannungsreihe die unedelsten Konstruktionsmetalle dar. Dies bedeutet, dass Magnesium äußerst anfällig ist bezüglich Kontaktkorrosion. Magnesium ist somit im Kontakt mit jedem weiteren im Automobilbau verwendeten Metall die Opferanode (das heißt Magnesium löst sich zugunsten des edleren Kontaktmetalls auf).
Die Korrosionsgeschwindigkeit bzw. Korrosionsrate kr besitzt eine exponentielle Abhängigkeit von der Gibbschen freien Energie G (G ist direkt proportional zur Potentialdifferenz U aus der elektrochemischen Spannungsreihe). Das bedeutet, dass die Korrosionsrate von Magnesium exponentiell mit einem Anstieg der Potentialdifferenz ansteigt. Zwischen Magnesium und Eisen liegen in der elektrochemischen Spannungsreihe 1,9V.
Kontaktkorrosion tritt jedoch nicht nur auf, wenn zwei makroskopische metallische Bauteile unter Anwesenheit eines Elektrolyten miteinander verbunden werden, sondern auch dann, wenn edlere metallische Partikel oder Stäube im Produktionsprozess in oder auf das Magnesiumbauteil gebracht werden. Dies lässt sich bei der komplexen Technologiekette zur Herstellung von Magnesiumbauteilen nicht vermeiden (Schmelzeaufbereitung, Abgießen, Urformen und Umformen, gegebenenfalls Walzen, etc.). Bei den allermeisten Prozessschritten zur Fertigung von Magnesiumwerkstoffen ist Eisen in der Form von Werkzeugen/Formen/Walzen vorhanden, was dazu führt, dass sich Eisenpartikel in das Magnesium einarbeiten.
Hierbei besitzt Magnesium ein relativ geringes Toleranzlevel für solche Eisenverunreinigungen. Bei vielen technischen Legierungen liegt das Toleranzlevel unter 50ppm (besser sind sogar <25ppm). Bei einem Übersteigen des Toleranzlevels resultiert ein exponentieller Anstieg der Korrosionsrate.
Dieser Effekt spielt vor allem bei unedlen Metallen eine große Rolle. Der Großteil der Metalle, die normalerweise im Karosseriebau eingesetzt werden, sind in der Regel edlere Metalle als Magnesium oder Magnesiumlegierungen. Diese neigen deshalb nicht zur Reaktion mit beispielweise Eisenpartikeln / Eisenionen oder anderen Verunreinigungen, weshalb bisher ein geringer Anteil an Verunreinigungen im Beschichtungsbecken irrelevant für das Beschichtungsergebnis dieser konventionellen, edleren Metalle war.
Vor diesem Hintergrund weisen insbesondere Magnesiumbauteile die folgenden Nachteile auf: Bereits geringe Anteile an Verunreinigungen (Fe, Ni, Cu, Co, Pb, Ag etc. bspw. auch im ppm-Bereich) im Tauchbad führen im Behandlungsprozess dazu, dass sich ein metallischer edler Abscheidungsfilm aus Fe/Ni/Cu/Co/Pb/Ag etc. (Galvani-Prinzip) auf der Oberfläche des Magnesiumbauteiles niederschlägt, welcher zu verstärkter Kontaktkorrosion vor Kunde führt. Zudem können ungewollte Oberflächenreaktionsprodukte entstehen, die die Bildung der gewünschten Deckschicht behindern oder sogar verhindern. Die notwendige Schutzwirkung wird somit nicht erzielt, weswegen die Beschichtung im schlimmsten Fall wirkungslos ist.
Aus der DE 10 2014 005 444 A1 ist allgemein ein Verfahren zur Passivierung einer metallischen Oberfläche bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Prozessanordnung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit deren Hilfe das Beschichtungsergebnis bei Leichtmetallbauteilen, insbesondere aus Magnesium-Werkstoff oder Legierungen davon, im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht allgemein von einer Prozessanordnung zur Behandlung eines Metallbauteils, insbesondere eines Magnesiumbauteils, aus, das in einem Behandlungsprozess in einem Tauchbad mit elektrisch leitfähiger Behandlungsflüssigkeit eingetaucht ist. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Prozessanordnung zumindest eine Reinigungselektrode zugeordnet, die in das Tauchbad eintauchbar ist. Das Elektrodenpotential (auch elektrochemisches Potential) der Reinigungselektrode ist niedriger bemessen als das Potential von im Tauchbad befindlichem Verunreinigungsmetall. Auf diese Weise ist ein galvanischer Reinigungsprozess durchführbar, bei dem sich die in der Behandlungsflüssigkeit gelösten Metallionen des Verunreinigungsmetalls unter Bildung eines Metall-Abscheidungsfilms auf der Oberfläche der Reinigungselektrode niederschlagen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Reinigungsprozess als ein passiver Prozess ausgelegt sein, bei dem die Reinigungselektrode eine unbestromte Reinigungsanode ist. Die Reinigungsanode ist unedler, das heißt mit einem niedrigeren elektrochemischen Potential versehen als das im Tauchbad befindliche Verunreinigungsmetall, so dass sich die Metallionen des Verunreinigungsmetalls auf der unedlen Oberfläche der Reinigungsanode im metallischen Zustand abscheiden.
Die Erfindung umfasst also allgemein den Einsatz einer wiederverwendbaren Opferanode (nachfolgend allgemein auch als Reinigungselektrode bezeichnet), die zur Reinigung des Beckens und der Beschichtungsflüssigkeit eingesetzt wird, damit die Verunreinigungen vor dem Beschichtungsprozess entfernt werden können. Diese sollte im Idealfall unedel sein und damit aus unlegiertem Magnesium oder einer Magnesiumlegierung (zum Beispiel MgAlZn) bestehen. Besonders effektiv ist die Opferanode, wenn diese so ausgeführt ist, dass sie eine möglichst große Oberfläche aufweist. Dies kann einerseits konstruktiv realisiert werden (zum Beispiel Drahtnetz, Käfig, gefaltetes Blech, komplexe Gussform etc.) oder zum Beispiel, indem die Oberfläche vor der Verwendung im Beschichtungsbecken mittels Sandstrahlen angeraut wird. Je größer die Oberfläche ist, desto größer ist die Reaktionsfläche, die sich den Verunreinigungen bietet und desto schneller und effektiver kann das Becken und die Beschichtungsflüssigkeit mittels Ausnutzung des galvanischen Effekts von Verunreinigungen gesäubert werden. Ist die Oberfläche der Opferanode vollständig mit Reaktionsprodukten bedeckt, so kann diese erneut mittels Sandstrahlen oder Bürsten etc. gereinigt und wiederverwendet werden. Dieser Vorgang sollte wiederholt werden, bis keine edlen Niederschlagsprodukte an der Opferanode festgestellt werden können und das Beschichtungsbecken deshalb als gereinigt eingestuft werden kann. Um die Reinigungsreaktionen zu beschleunigen, ist es denkbar, die Opferanode während des Einsatzes im Beschichtungsbecken permanent zu beheizen oder vor der Nutzung wiederholt extern zu erwärmen, um somit die chemischen Reaktionen zu beschleunigen. Eine Temperaturerhöhung um 10°C bewirkt eine Verdoppelung der Reaktionsrate nach dem Arrhenius-Prinzip.
In einem Ausführungsbeispiel kann eine Opferanode aus Magnesium (nachfolgend auch allgemein als Reinigungselektrode bezeichnet) in ein verunreinigtes Tauchbad eingeführt werden. Magnesiumlegierungen sind so sensibel in Bezug auf edlere Verunreinigungsmetalle, dass wenige ppm an bspw. Fe bzw. Fe-Ionen im Tauchbad schon ausreichen, um signifikant schlechtere Korrosionsergebnisse vor Kunde zu erhalten. Die Verunreinigungen sind z.T. schon vom Chemielieferanten eingebracht, da bspw. die Chemikalie NaCl in vielen Fällen nur in 99,9%-iger Reinheit geliefert werden kann und immer ein paar ppm an edleren Verunreinigungselementen enthält.
Sobald die unedlere Opferanode in Kontakt mit der elektrolytischen Behandlungslösung kommt, erfolgt aufgrund des galvanischen Prinzips ein direktes metallisches Abscheiden der in Bezug zur Opferanode edleren, gelösten metallischen Verunreinigungen auf die Magnesium-Opferanode. Im normalen Beschichtungsfall würden dagegen die die Magnesiumbauteile unter dieser Abscheidung leiden. Diesem Vorgang liegt ein Wirkmechanismus zugrunde, bei dem das Magnesium der Reinigungsanode oxidiert wird und die edleren metallischen Verunreinigungen reduziert werden und einen metallischen Film auf der Magnesiumoberfläche der Reinigungsanode bilden.
Nach einer gewissen Prozesszeit wird die Opferanode mit den Verunreinigungen aus dem Beschichtungsbecken entfernt. Die Opferanode wird anschließend mechanisch (Bürsten / Sandstrahlen etc.) oder chemisch gereinigt.
Dieser Reinigungsprozess kann nach jeder Beschichtungscharge wiederholt werden. Hierfür bleibt sehr häufig auch genug Zeit, ohne die Taktzeit merklich zu erhöhen. In der Regel vergehen von Beschichtungskorb (nachfolgend auch als Bauteilträger bezeichnet) zu Beschichtungskorb mehr als 45-60 Sekunden.
Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: So wird durch die Reinigung des Tauchbads mittels einer unedlen Opferanode (zum Beispiel aus unlegiertem Magnesium oder Magnesiumlegierungen) vor der Beschichtung von Bauteilen aus Magnesiumlegierungen die Qualität und Güte der Oberflächenbeschichtung deutlich verbessert. Aus einer guten Beschichtungsqualität resultiert eine gute Schutzwirkung auf dem beschichteten Bauteil aus Magnesiumlegierung. Zudem wird erfindungsgemäß eine kostengünstige Methode bereitgestellt, um das Tauchbad von edleren Verunreinigungsmetallen zu befreien. Gegebenenfalls kann der Reinigungsvorgang durch Temperierung der Reinigungsanode beschleunigt werden.
Nachfolgend sind relevante Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So können der Reinigungsprozess und der Behandlungsprozess in einer Ausführungsvariante sequentiell, das heißt prozesstechnisch hintereinander erfolgen. In diesem Fall wird die Reinigungselektrode erst in das Tauchbad eingetaucht, sobald das im vorangegangenen Behandlungsprozess behandelte Metallbauteil aus dem Tauchbad entfernt worden ist. Während des Reinigungsprozesses ist somit ausschließlich die Reinigungselektrode im Tauchbad eingetaucht. Beispielhaft lassen die Taktzeiten bei Lohnbeschichtern etwa 30-45s Zeit (Transferzeit Beschichtungskörbe), um einen Reinigungsprozess durchzuführen.
Alternativ dazu können der Reinigungsprozess und der Behandlungsprozess gleichzeitig stattfinden. In diesem Fall verbleibt die Reinigungselektrode während des Behandlungsprozesses im Tauchbad. Bei dieser Ausführungsvariante ist es von Relevanz, dass das Elektrodenpotential (auch elektrochemisches Potential) der Reinigungselektrode niedriger bemessen ist als das Potential des zu behandelnden Metallbauteils. Dadurch ist gewährleistet, dass die Metallionen des Verunreinigungsmetalls bevorzugt auf der Reinigungselektrode, und nicht auf dem Metallbauteils abscheiden.
Magnesiumbauteile bestehen üblicherweise aus einer Legierung mit edleren Legierungselementen (zum Beispiel MgAlZn), was in der Gesamtheit zu einem höheren elektrochemischen Potential führt. Die Reinigungsanode kann dagegen aus Reinmagnesium oder aus einer Legierung mit unedleren Legierungselementen in Bezug auf Magnesium ausgebildet sein (zum Beispiel MgLi oder MgCa), welche in der Gesamtheit deutlich unedler als die zu behandelnden Bauteile ist. Dies bedeutet, dass edlere Verunreinigungselemente bevorzugt auf der Reinigungsanode und eben nicht auf den Bauteilen abgeschieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Reinigungsprozess nicht als ein passiver Prozess mit einer unedlen Reinigungselektrode ausgeführt sein, sondern vielmehr als ein aktiver Prozess. In einem solchen aktiven Prozess kann die Reinigungselektrode mit einer Ladungsquelle, etwa einem Galvanostat, verbunden sein. Die Ladungsquelle kann die Reinigungselektrode mit negativer Ladung beaufschlagen, das heißt der Reinigungselektrode ein entsprechend niedriges elektrochemisches Potential aufprägen. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die Metallionen des Verunreinigungsmetalls unter kathodischer Abscheidung auf der Reinigungselektrode niederschlagen.
Beispielhaft kann die Reinigungselektrode aus reinem Magnesium oder einer Magnesiumlegierung ausgebildet sein. Die Reinigungselektrode kann beim aktive geführten Prozess jedoch ebenfalls aus edlerem Metall bestehen, vorzugsweise aus inerten Metallen, wie beispielsweise Edelstahl, Platin oder Titan. Durch die Ladungsquelle (zum Beispiel Potentiostat, Galvanostat) kann ein entsprechend negatives Potential extern aufgeprägt werden, welches deutlich niedriger ist, als das elektrochemische Potential dieser Metalle ohne angelegte äußere Spannung.
Die Reinigungselektrode ist bevorzugt mit einer möglichst großen Reaktionsfläche ausgelegt, an der sich die Metallionen des Verunreinigungsmetalls abscheiden können. Bevorzugt kann die Reinigungselektrode daher als ein Drahtnetz, ein Käfig, ein gefaltetes Blech oder als eine Gußform realisiert sein.
Zur Durchführung des jeweiligen Behandlungsprozesses, etwa eines Passivierungsschrittes, kann das Metallbauteil zunächst auf einem Bauteilträger abgelegt werden. Mittels des Bauteilträgers wird das Metallbauteil in das Tauchbad eingetaucht. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Bauteilträger selbst als Reinigungselektrode wirken. In diesem Fall ist es von Relevanz, dass das Metallbauteil nicht unmittelbar elektrisch leitend gekoppelt auf dem metallischen Werkstoff des Bauteilträgers aufliegt, sondern vielmehr über eine elektrisch isolierende Zwischenlage, etwa eine Gummierung, auf dem Bauteilträger abgelegt ist.
In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante kann als Reinigungselektrode ein fehlerhaftes Metallbauteil verwendet werden, das aus dem Materialausschuß zuzuführen ist. Das fehlerhafte Bauteil kann während des Reinigungsprozesses zum Beispiel mit Hilfe eines Bauteilträgers in das Tauchbad eingetaucht werden, so dass sich Metallionen des im Tauchbad befindlichen Verunreinigungsmetalls am fehlerhaften Metallbauteil niederschlagen können.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 4 jeweils Ansichten, anhand derer ein Reinigungsprozess veranschaulicht ist;
5 eine Ansicht, anhand der ein Behandlungsprozess veranschaulicht ist;
6 bis 9 jeweils Ansichten, die Reinigungsprozesse gemäß weiterer Ausführungsbeispiele andeuten.

In den 1 bis 4 ist ein erfindungsgemäßer Reinigungsprozess schematisch dargestellt, der beispielhaft vor Durchführung eines Behandlungsprozesses (5) durchführbar ist. Beispielhaft kann der Behandlungsprozess ein Passivierungsschritt sein, bei dem ein Magnesiumbauteil 1 (5) in eine, in einem Tauchbad 3 befindliche Passivierungslösung eingetaucht wird. Der Passivierungsschritt ist als ein Vorbehandlungsschritt in einem Serienlackprozess eingebunden, bei dem das Magnesiumbauteil 1 in einem (nicht gezeigten) KTL-Prozess mit einer Grundierung beschichtet wird.
Wie aus der 1 hervorgeht, sind in der Passivierungslösung Metallionen Fe²⁺, Cu⁺, Ni⁺ der Verunreinigungsmetalle Fe, Cu, Ni enthalten. Die Verunreinigungsmetalle Fe, Cu, Ni sind edler als der unedle Magnesium-Werkstoff des Magnesiumbauteils 1. Bei einem Behandlungsprozess (5) ohne vorgeschaltetem Reinigungsprozess würden sich daher die Metallionen Fe²⁺, Cu⁺, Ni⁺ der Verunreinigungsmetalle Fe, Cu, Ni unter Bildung eines Metall-Abscheidungsfilmes auf der Oberfläche des Magnesiumbauteils 1 niederschlagen, wodurch in der weiteren Prozessabfolge das Beschichtungsergebnis im Serienlackprozess beeinträchtigt werden kann.
Aus diesem Grund erfolgt erfindungsgemäß vor der Durchführung des Behandlungsprozesses (5) ein galvanischer Reinigungsprozess, bei dem eine Reinigungselektrode 5 in das Tauchbad 3 eingetaucht wird. Die Reinigungselektrode 5 ist in den 1 bis 4 als eine unbestromte Reinigungsanode ausgeführt, die beispielhaft aus reinem Magnesium oder einer Magnesiumlegierung ausgebildet ist. Entscheidend ist, dass das elektrochemische Elektrodenpotential der Reinigungselektrode 5 niedriger bemessen ist als das Potential der im Tauchbad 3 befindlichen Verunreinigungsmetalle Fe, Cu, Ni. Auf diese Weise ergibt sich ein galvanischer Prozess, bei dem sich die Metallionen der Verunreinigungsmetalle Fe, Cu, Ni unter Bildung eines Metall-Abscheidungsfilms 7 (2) auf der Oberfläche der Reinigungselektrode 5 niederschlagen. Gleichzeitig gibt der Magnesium-Werkstoff der Reinigungselektrode 5 Magnesiumionen Mg²⁺ an die Passivierungslösung ab. Die aus dem Magnesium-Werkstoff der Reinigungselektrode 5 gelösten Magnesiumionen Mg²⁺ verbleiben im Tauchbad 3.
Nach Durchführung des Reinigungsprozesses wird die Reinigungselektrode 5 aus dem Tauchbad 3 entfernt und einer Reinigungsstation zugeführt, in der die Reinigungselektrode 5 zum Beispiel mechanisch oder chemisch gereinigt wird. Gemäß den 3 und 4 erfolgt eine mechanische Reinigung, bei der die Reinigungselektrode 5 mit Hilfe einer Bürste 9 vom Metall-Abscheidungsfilm 7 gereinigt wird.
Nach Durchführung des Reinigungsprozesses ist die Passivierungslösung im Tauchbad 3 weitgehend frei von Metallionen der Verunreinigungsmetalle, so dass das Magnesiumbauteil 1 mit der Passivierungslösung behandelt werden kann. Hierzu ist das Magnesiumbauteil 1 in der 5 auf einem Bauteilträger 11 abgelegt, der in das Tauchbad 3 eingetaucht ist. Der Bauteilträger 11 ist in der 5 Bestandteil einer Transfereinrichtung 10.
In den 6 bis 9 sind weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Reinigungsprozesses angedeutet. So bildet gemäß der 6 ein, dem Materialausschuß zuführbares, Fehler-Magnesiumbauteil 13 die Reinigungselektrode. Das Fehler-Magnesiumbauteil 13 ist in der 5 auf einem Bauteilträger 11 abgelegt und während des Reinigungsprozesses in das Tauchbad 3 eingetaucht. Nach dem Reinigungsprozess wird das mit dem Metall-Abscheidungsfilm 7 versehene, fehlerhafte Magnesiumbauteil 13 dem Materialausschuß zugeführt.
In den 1 bis 4 sowie 6 werden der Reinigungsprozess und der Behandlungsprozess sequentiell, das heißt hintereinander durchgeführt. Das heißt, dass die Reinigungselektrode 5 erst in das Tauchbad 3 eingetaucht wird, sobald das im vorangegangenen Passivierungsschritt behandelte Magnesiumbauteil 1 aus dem Tauchbad 3 entfernt worden ist. Die Reinigungselektrode 5 ist daher ausschließlich während des Reinigungsprozesses im Tauchbad 3 eingetaucht.
Alternativ dazu erfolgen in der 7 der Reinigungsprozess und der Behandlungsprozess (das heißt die Passivierung) nicht sequentiell sondern gleichzeitig. Das heißt, dass die Reinigungselektrode 5 auch während des Behandlungsprozesses im Tauchbad 3 eingetaucht bleibt. In diesem Fall muss das elektrochemische Elektrodenpotential der Reinigungselektrode 5 niedriger bemessen sein als das Potential des zu behandelnden Magnesiumbauteils 1. Dadurch ist gewährleistet, dass die Metallionen Fe²⁺, Cu⁺, Ni⁺ der Verunreinigungsmetalle Fe, Cu, Ni bevorzugt auf der Reinigungselektrode 5 und nicht auf dem Magnesiumbauteil 1 abgeschieden werden.
Die in den 1 bis 5 sowie 6 und 7 gezeigten Reinigungsprozesse erfolgen passiv, das heißt ohne Einsatz von externer elektrischen Energie. Im Gegensatz dazu ist in der 8 ein aktiver Reinigungsprozess angedeutet, bei dem die Reinigungselektrode 5 mit einer externen Ladungsquelle 15, zum Beispiel einem Galvanostat, verbunden ist. Der Galvanostat 15 beaufschlagt die Reinigungselektrode 5 mit einer negativen Ladung, so dass der Reinigungselektrode 5 ein negatives bzw. niedriges Potential aufgeprägt ist, welches mit dem Potential von Magnesium vergleichbar ist, oder sogar darunter liegt. Dadurch können sich die Metallionen der Verunreinigungsmetalle unter kathodischer Abscheidung auf der Reinigungselektrode 5 niederschlagen.
In der 9 ist ein weiterer aktiver Reinigungsprozess veranschaulicht. In diesem Fall bildet der Bauteilträger 11 selbst eine Reinigungselektrode, die mit einer externen Ladungsquelle 15 verbunden ist. Das Magnesiumbauteil 1 liegt dabei nicht direkt auf dem metallischen Werkstoff des Bauteilträgers 11 auf, sondern ist vielmehr über eine elektrisch isolierende Zwischenlage 17, etwa eine Gummierung, auf dem Bauteilträger 11 abgelegt.
Alle stromgeführten Verfahren benötigen in der Regel eine Gegenelektrode (in den Abbildungen nicht dargestellt, der Vollständigkeit aber hier erwähnt). Sprich, wenn eine Reinigungselektrode 5 oder ein Bauteilträger 11 über eine externe Ladungsquelle 15 kathodisch polarisiert, das heißt mit einem negativem elektrochemischen Potential beaufschlagt wird, wird in der Regel eine vorzugsweise inerte Gegenelektrode benötigt, die entsprechend umgekehrt geladen ist in Bezug zur Reinigungselektrode, welche sich ebenfalls in der wässrigen Vorbehandlungslösung befindet und leitfähig mit der Ladungsquelle 15 verbunden ist. Dies ist notwendig, damit sich ein elektrisches Feld ausbilden kann, welches dazu ausgebildet ist, positiv geladene Kationen der Verunreinigungsmetalle zur negativ geladenen Reinigungselektrode zu führen. Die Gegenelektrode kann als Netz, Drahtgeflecht oder aus Blech gefertigt sein.
Bezugszeichenliste

1: Metallbauteil
3: Tauchbad
5: Reinigungselektrode
7: Metall-Abscheidungsfilm
9: Bürste
11: Bauteilträger
13: Fehler-Metallbauteil
15: Ladungsquelle
17: elektrisch isolierende Zwischenlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014005444 A1 [0012]

Claims

Prozessanordnung zur Behandlung eines Metallbauteils (1), insbesondere eines Magnesiumbauteils, das während eines Behandlungsprozesses in ein Tauchbad (3) mit elektrisch leitfähiger Behandlungsflüssigkeit eingetaucht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessanordnung zumindest eine Reinigungselektrode (5) zugeordnet ist, die in das Tauchbad (3) vor/nach/während des Behandlungsprozesses des Metallbauteils (1) eintauchbar ist, und dass das Elektrodenpotential der Reinigungselektrode (5) niedriger bemessen ist als das elektrochemische Potential von im Tauchbad (3) befindlichem Verunreinigungsmetall bzw. dessen Kationen, so dass sich in einem galvanischen Reinigungsprozess die in der Behandlungsflüssigkeit enthaltenen Metallionen des Verunreinigungsmetalls unter Bildung eines metallhaltigen Abscheidungsfilms (7) auf der Oberfläche der Reinigungselektrode (5) niedergeschlagen.
Prozessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsprozess und der Behandlungsprozess sequentiell, das heißt prozesstechnisch hintereinander erfolgen, und dass die Reinigungselektrode (5) erst in das Tauchbad (3) eingetaucht wird, sobald das in einem vorangegangenen Behandlungsprozess behandelte Metallbauteil (1) aus dem Tauchbad (3) entfernt ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsprozess und der Behandlungsprozess gleichzeitig stattfinden, so dass die Reinigungselektrode (5) auch während des Behandlungsprozesses im Tauchbad (3) eingetaucht bleibt, und dass insbesondere das Elektrodenpotential der Reinigungselektrode (5) niedriger bemessen ist als das elektrochemische Potential des zu behandelnden Metallbauteils (1), so dass die Metallionen des Verunreinigungsmetalls bevorzugt auf der Reinigungselektrode (5), und nicht auf dem Metallbauteil (1) abscheidbar sind.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsprozess als ein passiver Prozess ausgelegt ist, bei dem die Reinigungselektrode (5) eine unbestromte Reinigungsanode ist, die unedler ist, das heißt ein niedriges elektrochemisches Potential aufweist als das zu behandelnde Metallbauteil (1), so dass die Metallionen des Verunreinigungsmetalls auf der unedlen Oberfläche der Reinigungsanode (5) abscheidbar sind.
Prozessanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsprozess als ein aktiver Prozess ausgelegt ist, bei dem die Reinigungselektrode (5) mit einer Ladungsquelle (15) verbunden ist, die die Reinigungselektrode (5) mit negativer Ladung beaufschlagt, das heißt der Reinigungselektrode (5) ein niedriges elektrochemisches Potential aufprägt, so dass sich die Metallionen des Verunreinigungsmetalls unter kathodischer Abscheidung auf der Reinigungselektrode (5) niederschlagen.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungselektrode (5) aus Magnesium oder aus einer Magnesiumlegierung ausgebildet ist.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungselektrode (5) ein Drahtnetz, ein Käfig, ein gefaltetes Blech, eine Gußform oder dergleichen mit möglichst großer Reaktionsfläche ist, an der die Metallionen des Verunreinigungsmetalls abscheidbar sind.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Behandlungsprozess das Metallbauteil (1) auf einem Bauteilträger (11) abgelegt ist, mittels dem das Metallbauteil (1) in das Tauchbad (3) eintauchbar ist, dass insbesondere der Bauteilträger (11) als Reinigungselektrode wirkt, und dass das Metallbauteil (1) über eine elektrisch isolierende Zwischenlage (17), etwa eine Gummierung, auf dem Bauteilträger (11) ablegbar ist.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungselektrode ein dem Materialausschuß zuführbares Fehler-Metallbauteil (13) ist, das im Reinigungsprozess, insbesondere mittels eines Bauteilträgers (11), in das Tauchbad (3) eintauchbar ist.
Verfahren zur Behandlung eines Metallbauteils (1) in einer Prozessanordnung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metallbauteil (1), insbesondere ein Magnesiumbauteil, während eines Behandlungsprozesses in ein Tauchbad (3) mit elektrisch leitfähiger Behandlungsflüssigkeit eingetaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessanordnung zumindest eine Reinigungselektrode (5) zugeordnet ist, die in das Tauchbad (3) eintauchbar ist, und dass das Elektrodenpotential der Reinigungselektrode (5) niedriger bemessen ist als das elektrochemische Potential von im Tauchbad (3) befindlichem Verunreinigungsmetall bzw. deren Kationen, so dass sich in einem galvanischen Reinigungsprozess die in der Behandlungsflüssigkeit enthaltenen Metallionen des Verunreinigungsmetalls unter Bildung eines metallhaltigen Abscheidungsfilms (7) auf der Oberfläche der Reinigungselektrode (5) niedergeschlagen.