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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen
Bauteils mit einer Korrosionsschutzschicht nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Zur
Realisierung von Leichtbaukonzepten mit dem Ziel der Kraftstoffeinsparung
werden insbesondere im Automobilbereich zunehmend Leichtmetallbauteile,
z. B. aus Aluminium oder Magnesium, eingesetzt. Die Bauteile werden
in der Regel gegossen, geschmiedet, stranggepresst oder extrudiert.
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Die
genannten Metalle und ihre Legierung bilden eine Passivierungsschicht
an der Oberfläche aus,
die sie unter normalen klimatischen Bedingungen gut gegen Korrosion
schützt.
Unter Einfluss von korrosionsfördernden
Medien, wie Wasser und Salz, werden diese Metalle jedoch in nicht
vertretbarem Maße
korrosiv angegriffen. Zahlreiche Maßnahmen zur Beschichtung von
Leichtmetallen, insbesondere von Magnesium, wurden hiergegen entwickelt.
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Die
WO 01/92600 A1 beschreibt ein Verfahren, wobei ein hochkonzentriertes
Formtrennmittel, das verschiedene organische Bestandteile, u. a. Wachse,
umfasst, auf ein metallisches Formwerkzeug gesprüht werden, wobei sich das hochkonzentrierte
Formtrennmittel bei einem Formgebungsprozess in die Oberfläche des
abgebildeten Bauteils einbrennt. Ein weiteres Formtrennsystem beschreibt
die
DE 689 23 931
T2 .
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Je
nach Korrosionsbeständigkeit
der verwendeten Formgebungsmetalle, Magnesium-, Aluminium- oder
Zinklegierungen, sind zum Teil jedoch hohe Wachskonzentrationen
erforderlich, damit die gewünschte
Korrosionsbeständigkeit
erzielt werden kann. Derart hohe Wachskonzentrationen im Formtrennmittel
führen
jedoch teilweise zu einem schnellen Verstopfen von Sprühdüsen, durch
die das Formtrennmittel auf das Formwerkzeug aufgebracht wird. Daneben
erschweren hohe Wachsgehalte im Formtrennmittel ein gleichmäßiges Besprühen von
Gießwerkzeugen
oder Umformwerkzeugen an schwer zugänglichen Stellen. Die benötigte Menge
an Formtrennmitteln wird so stark erhöht, was sich negativ auf die
Kostenbilanz auswirkt.
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Zudem
kann es auf diese Art möglich
sein, dass unerwünschte
Wachsbeläge
im Werkzeug aufgetragen werden, die u. U. die Struktur des Bauteils und
die Oberfläche
des Bauteils negativ beeinträchtigen.
Dies kann wiederum dazu führen,
dass das Werkzeug häufiger
als geplant ausgebaut und gereinigt werden muss, was die Produktionskosten
erhöht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom genannten Stand
der Technik, eine gleichmäßigere Korrosionsbeschichtung
der Bauteile zu erzielen und dabei gleichzeitig den Bedarf an Formtrennmitteln
pro Bauteil zu senken.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Beschichtung eines metallischen Bauteils mit einer Korrosionsschicht
wird ein konzentriertes Formtrennmittel, das mindestens 0,3% organische Formtrennmittelwirkstoffe
enthält,
auf ein metallisches Formwerkzeug gesprüht. Dabei ist die Oberfläche des
me tallischen Formwerkzeuges mindestens teilweise mit dem Formtrennmittel
bedeckt. In dem Formwerkzeug wird ein Bauteil geformt. Dies kann beispielsweise
durch einen Gießprozess
oder durch einen Unformprozess erfolgen. Während des Formprozesses des
Bauteils im Formwerkzeug wird das konzentrierte Formtrennmittel
in eine Oberfläche
des Bauteils eingebrannt. Das eingebrannte Formtrennmittel wirkt
nach einem Verfestigen und einem Abkühlen des Bauteils teils als
Korrosionsschutzschicht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich gegenüber
dem Stand der Technik dadurch aus, dass das Formtrennmittel vor
dem Aufsprühen
auf eine Temperatur zwischen 40°C
und 99°C
erhitzt wird. Durch das Vorwärmen
des Formtrennmittels erniedrigt sich dessen Viskosität, wodurch
eine gleichmäßigere Formtrennmittelverteilung
gerade in schwer zugänglichen
Werkzeugzonen erzielt werden kann. An diesen schwer zugänglichen
Werkzeugzonen verbessert sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme der
Korrosionsschutz durch das eingebrannte Wachs, was wiederum dazu
führt,
dass die Konzentration an Formtrennmittelwirkstoffen reduziert werden
kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich gegenüber
dem Stand der Technik weiterhin dadurch aus, dass das Formwerkzeug
nach einer Bauteilentformung mit einem flüssigen Kühlmedium gekühlt wird,
bevor ein weiteres Besprühen
mit dem Formtrennmittel erfolgt. Durch diese Kühlungsmaßnahme wird die Temperaturwechselbelastung
des Formwerkzeuges reduziert. Gleichzeitig wird vermieden, dass
die Oberfläche
des Formwerkzeuges unter eine Minimaltemperatur fällt, was
beispielsweise bei längeren
Zyklusunterbrechungen möglich
wäre. Durch
diese Maßnahme
wird zudem vermieden, dass Bauteile auf Konturen des Formwerkzeuges aufschrumpfen,
was eine schlechte Entformung des Bauteils zur Folge hätte.
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Erfindungsgemäß kann bereits
bei einer Konzentration von 0,3% Formtrennmittelwirkstoffen im Formtrennmittel
eine korrosionshemmende Wirkung durch eine Oberflächenschicht
auf dem Bauteil nachgewiesen werden. Diese deutliche Erniedrigung der
Formtrennmittelkonzentration gegenüber dem Stand der Technik,
die auf die definierte Beheizung des Formtrennmittels zurückzuführen ist,
führt zu
einer erheblichen Kostenreduktion bei der Korrosionsbeschichtung
des Bauteils. Weiterhin wird das Verstopfen von Sprühdüsen reduziert
und die Oberflächenbeschaffenheit
der Bauteile verbessert.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung wird zum Aufsprühen des
Formtrennmittels ein Sprühkopf
angewendet und das Formtrennmittel wird beim Durchlaufen des Sprühkopfes
auf die Temperatur zwischen 40°C
und 99°C
erhitzt. Somit wird das Formtrennmittel erst kurz vor dem Aufsprühen auf das
Formwerkzeug erhitzt, was ein Zersetzen von organischen Bestandteilen
bzw. der Emulgatoren in dem Trennmittel vermeidet. Ebenfalls werden
durch diese Maßnahme
Energiekosten eingespart, da nicht ein erwärmtes Formtrennmittel über weitere
Strecken transportiert werden muss.
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Das
Beheizen des Sprühkopfes
kann durch verschiedene Methoden erfolgen. Vorteilhafte Heizmethoden
sind u. a. induktive Beheizungen, elektrische Beheizungen, beispielsweise
durch Heizwendel, oder das Beheizen des Sprühkopfes durch Wärmetauschvorrichtungen.
Wärmetauschvorrichtungen
können
beispielsweise durch gasförmige
oder flüssige
Wärmemittel
ausgestaltet sein.
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In
bestimmten Anwendungsfällen
kann es zweckmäßig sein,
dass das Formwerkzeug nach dem Entformen eines Bauteils und vor dem
Besprühen
mit dem Formtrennmittel mit vorgewärmtem Wasser, das ebenfalls
in einem Temperaturbereich zwischen 40°C und 99°C aufgeheizt ist, besprüht wird.
Diese Behandlung mit vorgewärmtem
Wasser wirkt als Kühlung
des Formwerkzeuges, das nach einem Formgebungsvorgang auf bis zu
500°C lokal aufgeheizt
sein kann.
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Das
Formtrennmittel besteht üblicherweise aus
einer Emulsion aus Wasser bzw. Öl
und organischen Formtrennmittelwirkstoffen. Herkömmliches Formtrennmittel enthält im Produktionseinsatz
bzw. nach entsprechender Wasserverdünnung weniger als 0,3% an organischen
Formtrennmittelwirkstoffen. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt,
dass die korrosionshemmende Wirkung des Formtrennmittels dann einsetzt,
wenn der Anteil an organischen Formtrennmittelwirkstoffen größer als
0,3 ist. Der anzustrebende Wirkstoffanteil im Formtrennmittel richtet sich
nach der Korrosionsbeständigkeit
der Legierung. Bei der korrosionsanfälligen Mg-Legierung AS 21 HP
ist ein Mindestwirkstoffanteil von 14% bis 16% zweckmäßig, während bei
der korrosionsbeständigeren
Mg-Legierung AS 31 HP ein Wirkstoffanteil größer 0,5% schon ausreichend
ist. Aus Gründen
der besseren Verarbeitbarkeit des Formtrennmittels ist es andererseits
zweckmäßig, dass
der Anteil an organischen Formtrennmittelwirkstoffen 25% nicht übersteigt.
Es ist jedoch anzumerken, dass auch reine, unverdünnte Formtrennmittelwirkstoffe,
die auf das Formwerkzeug aufgetragen werden, die er findungsgemäße korrosionshemmende
Wirkung auf dem Bauteil erzielen. Unverdünnte Formtrennmittelwirkstoffe
lassen sich jedoch schlecht auf dem Formwerkzeug verteilen und versprühen.
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Im
Weiteren hat sich herausgestellt, dass je nach Al- bzw. Mg-Legierung
insbesondere eine Konzentration von 0,5 bis 20 von organischen Formtrennmittelwirkstoffen
vorteilhaft ist. Weiterhin vorteilhaft, ist eine Konzentration zwischen
5 und 15% an organischen Formtrennmittelwirkstoffen. Die Konzentration
an Formtrennmittelwirkstoffen ist einerseits von den Korrosionsbelastungen
abhängig,
denen das Material ausgesetzt ist, andererseits ist das Material selbst
maßgebend
für die
angewandte Konzentration. Es wurde jedoch eine steigende Korrosionsbeständigkeit
mit einer steigenden Konzentration an Formtrennmittelwirkstoff,
ausgehend von einer Konzentration von 2% bis hin zu reinem Formtrennmittelwirkstoff
festgestellt.
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Die
organischen Formtrennmittelwirkstoffe umfassen in der Regel eine
Mischung aus Polysiloxanen, Wachsen (Polyethylene, Paraffine, Olefine,
Fettalkohole, natürliches
Wachse, etc.) und z.T. Synthetikölen.
Eine besonders gute erfindungsgemäße Wirkung hat sich herausgestellt,
wenn die Formtrennmittelwirkstoffe zwischen 2% und 50% an Wachsen und/oder
Polysiloxanen enthalten. Insbesondere ein Wachsanteil zwischen 6
und 35% in dem Formtrennmittelwirkstoff ist besonders vorteilhaft.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsformen der Erfindung werden in den folgenden Figuren
und Beispielen näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau zur Besprühung
eines Formwerkzeuges mit Formtrennmitteln,
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2 eine
schematische Darstellung eines beheizten Sprühkopfes.
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Beispiel 1
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Zur
Herstellung eines Gehäuseteils
für ein PKW-Nebenaggregat
aus der Magnesiumlegierung AS 21 HP wird ein entsprechendes Gießwerkzeug 7 (dargestellt
ist eine Werkzeughälfte
mit ei nem konzentrierten Formtrennmittel 15, das zu 90
Teilen aus Wasser und zu 14,9 Teilen aus einem organischen Formtrennmittelwirkstoff
besteht, flächendeckend besprüht. Zum
Besprühen
des Formwerkzeuges 7, insbesondere dessen Formhohlraum 9,
wird ein Sprühkopf 2 eingesetzt,
der eine Sprühdüse 4 umfasst,
und durch eine nicht näher
dargestellte Positioniervorrichtung 6, die beispielsweise
in Form eines Roboterarmes ausgestaltet sein kann, bewegt. Der Sprühkopf 2 ist über eine
Leitung 11 mit einem Behälter 13 verbunden,
in dem das Formtrennmittel 15 aufbewahrt wird. Über die
Leitung 11 wird das Formtrennmittel 15 unter Druck
zum Sprühkopf 2 geführt. Im
Sprühkopf 2 wird
das Formtrennmittel 15 erhitzt und in den Formhohlraum 9 des
Formwerkzeuges 7 gesprüht.
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In 2 ist
eine schematische Darstellung des Sprühkopfes 2 gegeben,
wobei der Sprühkopf 2 eine
Beheizung mit Heizwendel 17 umfasst, durch die das Formtrennmittel 15,
das durch die Leitung 11 in den Sprühkopf 2 geführt wird,
auf eine Temperatur von ca. 70°C
erhitzt wird. Durch die Sprühdüse 4 des Sprühkopfs 2 tritt
das Formtrennmittel 15 aus und wird, wie in 1 dargestellt,
auch in den Formhohlraum 9 des Formwerkzeuges 7 gesprüht.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung nach 1 wird
die Oberfläche
des Formhohlraumes 9 besonders gleichmäß mit dem Formtrennmittel 15 beschichtet.
Die Oberfläche
des Formhohlraumes 9 weist üblicherweise bereits eine Temperatur
von ca. 300°C
auf. Nach einer Wartezeit von ca. 15 s ist das Wasser des Formtrennmittels
größtenteils
verdampft und der organische Formtrennmittelwirkstoff ist auf der
Oberfläche
fixiert. Anschließend
wird der Formhohlraum 9 des Formwerkzeuges 7 mit
einer geschmolzenen Magnesiumlegierung, die eine Temperatur von
700°C aufweist,
unter Druck befüllt.
Der Formtrennmittelwirkstoff, der auf der Oberfläche des Formhohlraums 9 fixiert
ist, verhindert während
der Befüllung
eine Benetzung der Oberfläche
durch die Magnesiumschmelze. In dieser Prozessphase findet nahezu
keine Wechselwirkung zwischen der Schmelze und dem Formtrennmittel
statt.
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Nach
dem vollständigen
Befüllen
erstarrt die Magnesiumschmelze zu einem Bauteil. Der Erstarrungsvorgang
dauert ca. 15 s. In dieser Zeit bildet sich auf der Oberfläche des
Formhohlraums 9 eine Gießhaut aus, die nach dem Entformen
die Oberfläche
des Bauteils bildet. Während
des Erstarrens lösen
sich Teile des fixierten Formtrennmittelwirkstoffes und brennen
sich in die Gießhaut
ein. Hierbei wird die chemische Struktur des Formtrennmittels nicht nachhaltig
geschädigt.
Zur Verhinderung einer Zersetzung des eingebrannten Formtrennmittelwirkstoffes
während
einer längeren
Abkühlphase
wird das Bauteil im Wasser abgeschreckt.
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Der
angewendete Formtrennmittelwirkstoff besteht im Wesentlichen aus
Polysiloxanen, Wachs und Synthetikölen. Für das Einbrennen in die Oberfläche des
Bauteils ist im Wesentlichen das Wachs verantwortlich. Das Wachs
des Formtrennmittelwirkstoffes führt
letztlich auch zu der erfindungsgemäßen korrosionshemmenden Wirkung
und des Oberflächenschutzes.
Der angewendete Formtrennmittelwirkstoff weist eine Wachskonzentration
von 30% auf.
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In
dem oben angegebenen Beispiel wird exemplarisch auf einen Druckgießprozess
eingegangen. Grundsätzlich
ist es jedoch möglich,
das erfindungsgemäße Verfahren
auf alle Bauteilformgebungsprozesse anzuwenden, in dem ein Formtrennmittel
benötigt
wird. Hierbei seien alle herkömmlichen Gießverfahren
genannt, in denen eine Dauergießform
verwendet wird. Besonders vorteilhaft, ist das erfindungsgemäße Verfahren
jedoch auch auf Schmiedeprozesse anzuwenden. Hierbei sei beispielweise
auf Aluminiumschmiedeprozesse verwiesen. Die korrosionshemmende
Wirkung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hervorgerufen wird,
kommt ebenso vorteilhaft auf Aluminiumbauteilen zum Tragen. Ferner
kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch auf Zinklegierungen angewendet werden.
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Im
oben angegebenen Beispiel wird das Formtrennmittel 15 im
Sprühkopf 2 durch
einen elektrischen Heizwendel erhitzt. Grundsätzlich sind jedoch alle Heizverfahren
im Sprühkopf
denkbar, die eine rasche Aufheizung des Formtrennmittels 15 während des
Durchlaufes durch den Sprühkopf 2 gewährleisten.
Als alternative Verfahren seien hierbei Wärmetauschverfahren, z. B. durch
ein flüssiges Heizmedium
oder ein induktives Heizverfahren durch eine Induktionsspule, genannt.
Es sei jedoch darauf verwiesen, dass es vorteilhaft ist, wenn die
Erwärmung
des Formtrennmittels 15 direkt im Sprühkopf 2, kurz vor
dem Austreten des Formtrennmittels 15 aus der Sprühdüse 4,
erfolgt. Somit wird das Formtrennmittel nur sehr kurze Zeit auf
dieser erhöhten
Temperatur gehalten, wodurch eine mögliche Zersetzung von verschiedenen
Wirkstoffen des Formtrennmittelwirkstoffes verhindert wird.
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Das
Formtrennmittel besteht in der Regel aus Wasser und Formtrennmittelwirkstoff.
In Einzelfällen
kann es jedoch zweckmäßig sein,
dass weitere funktionale Stoffe, als die die bereits genannt wurden,
beispielsweise auch anorganische Stoffe, dem Formtrennmittel beigemischt
werden.
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Beispiel 2
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Der
Sprühkopf
weist in einer anderen Ausgestaltungsform mehrere, hier nicht dargestellte
Einzeldüsen
auf, die separat beheizt werden können. Die Durchflussmenge der
Einzeldüsen
ist einzeln regulierbar, wobei durch gezieltes Steuern der Durchflussmenge
der einzelnen Düsen
die Temperatur des ausgesprühten
Formtrennmittels sehr schnell geändert
werden kann. Dies hat den Vorteil, dass kältere Bereiche des Formwerkzeuges 7 mit
heißerem
Formtrennmittel besprüht
werden können
und umgekehrt. Hierdurch können
Thermospannungen im Formwerkzeug reduziert werden.