DE1521072A1 - Verfahren zum Hartbeschichten von Flaechenbereichen auf Aluminium - Google Patents
Verfahren zum Hartbeschichten von Flaechenbereichen auf AluminiumInfo
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Description
% MONCHIN 37
^1^"11"1"1 «ein Zeichen: 2-128
Dr. Expl.
Beschreibung au den Fatentgeiuch der firaa
betreffend
"Verfahren zum Hartbeschichten von Pläohenbereichen auf
Aluminium"
Die Erfindung bezieht eioh allgemein auf ein Verfahren zum
Herstellen harter, abriebfester überzüge auf Aluminium und
Aluminiumlegierungen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Oberflächenhärtung ausgewählter ?lächenbereiche auf
Aluminium*und Aluminiumlegierungen.
Im folgenden ist unter Aluminium sowohl das reine Metall verstanden, wie auch diejenigen AluminiumΊegierungen, welche
allgemein weniger als fünf Gewichtsprozente Schwernetalle und
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weniger als fünf Prozent Kupfer oder acht Prozent Silizium
enthalten,
Der Auedruck Hartbeschichtung betrifft sowohl das Verfahren
zum Herstellen eines dicken anodiechen Oxydüberzugee auf
Aluminium durch eine längere Behandlung bei höheren ale normalen Stromdichten in einem niedrigen und eng begrenzten
Temperaturbereich, sowie die durch dieses Verfahren hergestellten überzüge.
Bei der Herstellung von Bauteilen aus Aluminium ist es bekannt, daß bei gewiesen Anwendungen bestimmte ?lächenbereiche
geschützt werden müssen, um die Neigung von Aluminium zur Abnutzung durch Reibung beim Zusammenbau oder zur Diffusionsverbindung mit den Oberflächen, ait denen es in inniger
Berührung steht, zu verringern. Aluminium ist bekannterweise
von sich aus weieh,und wenn es für Lagerzwecke verwendet wird,
hat es daher erwiesenermaßen eine sehr geringe Abriebfestigkeit , Eine nicht besondere behandelte Aluminiumoberfläche
wird durch Reibung ernsthaft angegriffen und bei fortgesetzter
Reibungsberührung schließlich angefressen.
Obgleich Aluminium eines der aktivsten Metalle ist, bildet es
sehr schnell einen dünnen, festhaftenden und schützenden Oxydfilm in Luft, der zwar die weitere normale Oberflächenoxydation
verringert, ^dacJiJja*allgemeinen für Lagerzwecke
unzureichend ist. Der natürlich vorkommende Oxydfila hat keine
ausreichende Dicke, um die Abnutzungseigenechaften dee Metallsubstrate
wesentlich zu ändern. Aluminium/ist jedoch eines der härtesten Mineralien iind/läflt eich elektrochemisch an der
Oberfläche mit einer Oxydschicht versehen, welche genügend dick und haftfeet ist, um eine geeignete Lagerflache au bilden.
Aluminiumoxyd ist jedoch wie die meisten keramischen Stoffe von eich aus spröde,und daher wird die Verwendung dieses
Stoffes bei Apparaten, die mit engen Toleranzen hergestellt sind, auf ein Minimum beschränkt. Außerdem ist ea praktisch
unmöglich, eine genügend gleichmäßige Beschichtung von be~ trächtlicher Sicke um eine scharfe Kante au bilden. Es ist
daher vorzuziehen, die Hartbeschichtung lediglich an denjenigen
Metallflächen anzubringen, welche der Reiblingewirkung mit irgendwelchen zusammenwirkenden Teilen ausgesetzt sind.
Das übliche Verfahren zum Hartbeschichten begrenzter Flächen
besteht darin, diejenigen Flächenbereiche, die nicht hartbeschichtet werden sollen, mit einem Schutzlack abzudecken, der
mit dem Hartbeechichtungsbad nicht reagiert und in diesem
stabil ist/ Der Schutzlack isoliert die darunterliegende Oberfläche
chemisch gegen Oxydationswirkungen der Hartbeechlchtungslösung
und ermöglicht daher die Bildung einer dicken Oxydschicht
lediglich an den nicht durch Lack bedeckten Flächenbereichen. Bei dieser Technik ist das- Aufbringen des Schutzlackes
ein zeitraubender Arbeitsvorgang, insbesondere bei
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komplexen Bauteilen, und es ist offensichtlich, daß die Ausschaltung dieses bioher erforderlichen Arbeiteschrittea
vorteilhaft i3t
Die Herstellung derartiger Bauteile läuft typiecherweiee eo
abj daß zuerst ein Aluminlumrohteil auf die genauen Abmessün
gen bearbeitet wird mit Ausnahme derjenigen Flächenbereiche,
die später hartbfochichtet werden sollen. Letztere werden
lediglich grob bearbeitet. Dae halbfertige Teil wird vollständig
eloxiert durch irgendein bekanntes Verfahren, wobei eine OxydBChicht von typischer Dicke (0,00004 bie 0,0001 Zoll)
gebildet wird. Das Teil wird dann endbearbeitet, wobei das Grundmetall in den begrenzten Flächenbereichen exponiert wird.
Der Schutzlack wird von Hand auf das Teil aufgebracht mit Ausnahme
an den Stellen, vo das Grundmetall exponiert wird. An
diesen Stellen wird eine Hartbeechichtung auf dae Grundmetall
aufgebracht \mu die Schutzschicht sodann chemisch entfernt,
AAuainiuiioxyd ist bekanntlich ein elektrischer Isolator. Iv
üblicher W'er^ae eloxierte Schichten sind jedoch von Natur aus
nicht als Abdeckung geeignet, so daß ein Schutzlack erfor
derlieh ±ei, Iw all^eweinen wird Chromsäure zum Eloxieren verwendet
uit einer stromdichte von 1,1 bis 5,5 niA/cni2 (1 bis 5 A
p:?o c;-uedrat.f'uß) und einer maximalen Spannung der Gleichequ'.'ll^
yen 40 Volt. Gewöhnlich wird dieser
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Eloxiervorgang mit gleichmäßigem Spannungsanstieg bis zu
einer Grenze von 40 Volt ausgeführt, Ea konnte jedoch gezeigt
werden, daß derartige Schichten die weitere Oxydbildung bei
einem Hartbeschichtungsverfahren nicht unterbinden und daher
- ale Schutsschichten bzw. Abdeckungen nicht geeignet sind*
Beim Eloxieren von Aluminium unter Verwendung von Chromsäure wird zuerst ein dünner undurchlässiger Oxydfilm gebildet und
sodann eine poröse äußere Schicht von größerer Dicke. Diese poröse äußere Schicht weist eine Zellenstruktur auf mit Säulen
i.ee Oxydes und dazwischenliegenden Poren, die sich normal sur
Metalloberflache erstrecken. Die Bedingungen eines trockenen
dielektrischen Tests dieser Anordnung spiegeln von Natur aus
den elektrischen Widerstand von der Oberseite der Säulen
Struktur wider und ergeben immer eine höhere dielektrische Festigkeit als man sie normalerweise während des Eloxierena
beobachtet, Hierbei durchdringt der Elektrolyt die durchlässige
Schicht und ergibt eine wirksame elektrische Festigkeit, die lediglich der dünnen, undurchlässigen inneren Schicht entspricht. Tests an üblichen eloxierten Schichten mit oder ohne
porösen Abschluß ergeben in einer Hartbeschichtungsiasung bei normalen Hartbeachichtungsspannungen aufeinanderfolgende
Durchbrüche (perforation failures) in der Eloxalschioht, was
zu einem vollständigen Zusammenbruch der Schicht in einem Zeitraum von einer Minute führt. Der Zusammenbruch der Spannung
an der Eloxalschicht erinnert daher an die Durchlöcherung
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des dielektrischen Materials, wenn dieses einem Spannungsgradienteu
ausgesetzt wird, der dessen Isolierfähigkeit
überschreitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eloxierte
Schicht zu schaffen, welche sich befriedigend als Abdeckung bei einem Hartbeschichtungsverfahren verwenden läßt, sowie
ein Verfahren zum Hartbeschichten begrenzter Bereiche von AluminiumgegeiiB bänden. Das Abdecken von Hand bei der Herstellung
hartbeechichteter Teile aua Aliuninium ist daher nicht mehr
erforderlich-
Die Erfindung iet im folgenden in Einzelheiten naher erläutert.
Unter Berücksichtigung der Beobachtungen beim Zusammenbruch anodisch aufgebrachter Schichten war ee klar, daß die mangelnde
Gleichmäßigkeit und volle Ausbildung der Schicht fast aus
schließlich dafür verantwortlich war, daß diese Schicht eich
nicht befriedigend als Abdeckung bei Hartbeschichtungen verwenden
ließ. Wenn Teile nach einen Spannungsprograam bis auf 40 Volt Spannung behandelt worden waren und sodann eine gewisse
Zeit lang au! dieser Spannung gehalten wurden, nahm der Strom ab. Falls man daher den Strom konstant halten würde, eo
müßte die Spannung bei der Bildung der anodischen Sohicht auch über 40 Volt ansteigen können. Tatsache ist, daß eine Stromdichte von 1,1 bia 13 mA/cm2 (1 biB 12 A pro Quadratfu£)
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Zellenspannungen von 110 bis 130 Volt bildet. Bei einen mit
konstantem Strom arbeitenden Eloxierverfat ^en zeigen die
eloxierten Teile einen plötzlichen Spannungsanstieg, auf den ein allmählicher Spannungsanstieg folgt bis zu der oben genannten
gleichbleibenden Spannung. Der auf diese Welse erzielte zeitliche Spannungsverlauf ist grob gesehen exponentiell und
die Neigung des Verlaufs nimmt mit zunehmender Stromdichte zu.
Während des Stromflusses werden bei einem Eloxierverfahren
auf Kosten des Kuttermetalls Aluminiumoxyde gebildet. In dem MaQe wie die Dicke und Gleichförmigkeit derselben steigt,
nimmt der tatsächliche elektrische Widerstand der Schicht in ähnlicher Weise zu. Bei einer gegebenen Stromdichte ist daher
der Spannungsanstieg annähernd proportional zur Dicke und Kontinuität des anodisahen Überzuges. Bei gewissen höheren
Spannungen neigt jedoch der anodisch« Überzug zu Durchschlagen wie bei einem Spannungsdurchbruch in einem Dielektrikum. Da
daa umgebende Material einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, konzentriert sich der Stromweg auf die löcher in
der Schicht. Diese werden dann wieder schnell geschlossen und es bilden sich Löcher an anderen Stellen. Beim Eloxieren mit
konstantem Strom nimmt die Zahl der Löcher jedoch allmählich ab und demzufolge wird der anodische überzug im allgemeinen
gleichmäßiger und widerstandsfähiger gegen Durchschlage. Die derart bei höheren Spannungen hergestellten Überzüge eind
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weniger störanfällig bei den in Hartbeschichtung*verfahren
verwendeten Spannungen, und Löcher, die sich doch noch bilden,
neigen zur Selbstheilung. Diese Umstände sind aber gerade erforderlich für die Verwendung anodischer Überzüge als Abdeckungen bei der Hartbeschichtung begrenzter flächen.
Die Verringerung der Anzahl und der GrOSe der Löcher in
anodischen Schichten hängt in gewissem HaSe von den Metallurgiechen und chemischen Eigenschaften des Substrates ab.
Befriedigende Überzüge lassen sich nicht ohne besondere
Techniken erzielen, wenn Aluminiumlegierungen mehr ale fünf Gewichtsprozente Schwermetall oder Kupfer oder mehr ale acht
Gewichtsprozent Silizium enthalten. Der normalerweise zulässige Bereich der Verträglichkeit der verschiedenen Legie·-
rungsbestandteile 1st an sich bekannt. In ähnlicher Welse
ergeben anodische überzüge, die unter Verwendung von Schwefelsäure«, Oxalsäure- oder Phosphoreäurebädern hergestellt sind,
keinen als Abdeckung geeigneten PiIm. Die Korngröße der
Legierung wird zur Überwachung eingeführt wegen der variierenden Kristallbereiche, die kontinuierlich eloxiert werden sollen,
wobei die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Abdeckung mit kleinerer Koragrfcß«» Eunimmt. Sie relative Korngrößen-Wirkung
kann in eint» begrenzten Mali durch Beeinflussung der Badteaper*-?
tür gesteuert werdtn» 7MB» werden Knetlegierungen bei Temperaturen bijs au 34,4° C (94° F) behandelt, während Gußetüeke
Temperaturm von 15,6° C (60° 1) behandelt werden. Die
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3 ■-
Temperaturvariation erweitert die Fähigkeit der Legierung,
das Oxyd an derselben Wachsturneebene aufzunehmen oder ergibt
eine bessere Anpassung anderer Wachsturnsebenensysterne. In jedem
Fall lassen sich grobkörnige Stoffe, etwa Gußstücke, an
erfolgreichsten bei Badtemperaturen behandeln, die niedriger
liegen als diejenigen, die für eine befriedigende Behandlung feinkörniger Stoffe, etwa Knetlegierungen, erforderlich sind.
Im folgenden ist eine Aueführungeform dea Verfahrens nach dar
Erfindung zum Hartbeschichten begrenzter Flächen angegeben,
Eine große Anzahl Teile einer Aluminiumlegierung wurde auf, die
endgültigen Abmessungen bearbeitet mit Ausnahme derjenigen Flächenbereiche, die später hartbeschichtet werden sollten.
Diese Flächenbereiche wurden nur grob bearbeitet.
Jedes derart bearbeitete Teil wurde als Anode In ein Chromsäure-Eloxierbad gehängt, welches la wesentlichen aus einer wässrigen
Lösung von· drei Gewichtsprozenten Chromoxyd bestand, welche auf einer Temperatur zwischen 15,6 und 34,4° C (60-94 F) gehalten wurde. !Das System wurde mit einem konstanten Strom von
1,1 bis 13 \*±/4A2f{\ - 12 A pro Quadratfuß), vorsugsweise mit
einem Strom von 3,3 bis 5»5/mA/c» Jbetrieben, und zwar während
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einer Stunde. Ee eei hier erwähnt, daß das Programmieren der
Spannung zwar unnötig« aber nicht schädlich ist, vorausgesetzt, daß die obere Spannung sich selbst einstellen kann.
Die eloxierten Teile wurden sodann fertig bearbeitet und eine blanke Metalloberfläche wurde an den hart zu beschichtenden
Flächenbereichen freigelegt«
Die derart präparierten Teile wurden in ein Hartbeschichtungsbad
getaucht bestehend aus einer wässrigen Lösung von Schwefelsäure mit einem Anteil von 10 bis 25 Gewichtsprosen-ten der Lösung,
vorzugsweise von 15 Gewichtsprozenten, und welche mit Kohlendioxyd gesättigt und auf einer Temperatur von -9,44 bis 3,89° C
(15 bis 25° ?) gehalten wurde. Das System wurde sodann während
einer Stunde mit einer konstanten Stromdichte von 10 bis 25 A
2 4W M** 2
ro 0,09 m , vorzugsweise mit 15 A pro 0,09 xa
betrieben.
Obwohl 08 sich zum größten Teil als unnötig erwiesen hat, wurde
die dünne eloxierte Schicht gevuhnlioh abgedichtet mit abgekochtem, demineraliiiiertem Vaeser oder mit Nickelametatlösung vom
pH-Wert 5,3 bie 5»8 bei 90,5 bie 146° C (195 ble 295° *). Die
Abdichtung (sealing) wird Ia allgemeinen ausgeführt, ua die
Zuverlässigkeit der ßrundechioht zu erhöhen· Sie ergänzt nämlich die Schichtdicke am Grunde der Foren in der durchlässigen
äußeren Schicht.
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KJ f C
Die fertigen Gegenstände hatten eine Schichtdicke der anodischen
Schicht von 1 bis 2,5 ρ (0,04 bie 0,1 mils) und eine Dicke der
Hartbeschichtung von 50 u (2 mils). Die de1· rt aufgebrachte
Hartb« schichtung ließ eich genau in Bezug auf die Dicke und
Härte einstellen und war auf die Fläehenbereiche begrenzt, bei
denen die Eloxierung vorher mechanisch entfernt worden war.
Dae Eloxier-Abdeckungsverfahren mit konstanter Stromdichte und
die Hartbeschichtung nach der Erfindung haben eich in der Praxis
ale vollkommen zuverlässig erwiesen. Das Verfahren ist in höchstem Maße unempfindlich gegen Veränderungen der Verfahreneparameter,
etwa der Stromdichte. Daher ist es möglich, Bauteile
unter weniger eingeengten Überwachungsbedingungen als es Melier
möglich war zu behandeln und auch geknetete und gegossene Legierungen sowie aus verschiedenen Legierungen hergestellte
Teile gleichzeitig zu verarbeiten. Die Hartbeschichtungen Chl
sind in Bezug auf die Üblichen Eigenschaften den üblichen Schichten weit überlegen. Ferner ist keine Einbuße su erw&ixs
hinsichtlich der anodischen Filmdicke, daß diese die zuläsrl^
**Gesamtabmessungen beeinflußt.
Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht eine Hartbeschjeh
tung von ausgewählten Metall-£lächenbereichen, wobei sich dl ο
Abmessungen derselben sehr genau einstellen lassen, so da3 ta durch enge Toleranzen bei engsitzenden Teilen ermöglicht e.'ei'
Wegen der Reproduzierbarkeit derartiger Beschichtungen hinsichtlich der Härte läßt sich die Lebensdauer der Lagerflächen ι :v.ii>m
berechnen.
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BAD ORSG'NAL
Claims (9)
1. Verfahren zum Hartbeschichten von begrenzten Flächenberei
chen auf Aluminium oder Aluniniumlegierungsteilen, in dem
diese Teile abgedeckt werden, dadurch geke.nnzeich
net, daß die Teile in einem Chromsäurebad bei einer
konstanten Stromdichte von 1,1 bis 13 mA/cm (1 bis 12 A pro 0,09 m ) bei einer eich selbet einstellenden Spannung bis auf
eine Oxydfilmdichte von wenigstens 0,00001cm eloxiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
sich selbst einstellende Spannung wenigstens 90 Volt beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eloxierte Schicht von den hart zu beschichteten Flächenbe
reichen abgenommen und die Gegenstände sodann an diesen Flächen
bereichen bis auf eine Schichtdicke von wenigstens 0,005 cm (0,002 Zoll) hartbeechichtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein wässriges Chromsäurebad mit einen Gehalt von im wesentlichen
drei Gewichtsprozenten Chromsäure verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
ale Hartbeschichtungsbad im wesentlichen eine Lösung von 10 bie
25 Gewichtsprozenten Schwefelsäure verwendet wird.
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6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die zu behandelnden Teile als Anode in das Chroaaäure-Eloxierbad gebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die feile bei einer Temperatur zwischen 15,6 und 34*4° C
(60 bis 94° P) während 30 bie 120 Minuten behandelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Hartbeechichtungebad bei einer Temperatur «wischen -9t44 und
4,44° C (15 bis 40° I) betrieben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daft
dae Hartbeechichtungebad bei einer Temperatur zwisohen »9,44 und
3,39° C (15 bie 25° T) b«trieben wlri.
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Applications Claiming Priority (1)
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| US407568A US3367852A (en) | 1964-10-29 | 1964-10-29 | Selected area hardcoating of aluminum |
Publications (2)
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