DE19837431A1

DE19837431A1 - Beschichtung von Bauteilen aus gehärtetem Stahl oder Eisenguß und Verfahren zur Aufbringung derselben

Info

Publication number: DE19837431A1
Application number: DE19837431A
Authority: DE
Inventors: Karl Fetzer; Roland Pfiz; Gernot Strube
Original assignee: Dr Ing Max Schloetter GmbH and Co KG
Current assignee: Dr Ing Max Schloetter GmbH and Co KG
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2018-08-19
Also published as: WO2000011244A3; WO2000011244A2; DE19837431C2

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Beschichtung von Bauteilen aus gehärtetem Stahl oder Eisenguß, die zwei Schichten umfasst. Die innere Schicht besteht entweder aus einer Zink-Kobaltlegierung mit bevorzugt 0,1-6 Gew.-% Co oder aus einer Zink-Nickellegierung mit bevorzugt 0,5-15 Gew.-% Ni. Die äußere Schicht ist eine Zink-Nickellegierung mit bevorzugt 6-18 Gew.-% Ni. Die vorliegende Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtung, wobei die innere Schicht elektrolytisch aus einem sauren Bad und die äußere Schicht elektrolytisch aus einem alkalischen Bad abgeschieden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung von Bauteilen aus gehärtetem Stahl oder Eisenguß mit zinkhaltigen Legierungen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtung.

Die hohen Ansprüche an die Korrosionsbeständigkeit von galvanisch beschichteten Bauteilen aus Eisen, insbesondere im Automobilbau, können heute nur durch die elektrolytische Beschichtung mit Zink-Nickel-Legierungsüberzügen erfüllt werden. Hierbei haben sich in den letzten Jahren insbesondere Zink-Nickel-Schichten mit einem Anteil von 6-18 Gew.-% Nickel bewährt. Um eine gleichmäßige Dicke der elektrolytisch abgeschiedenen Legierungsschichten auf den Bauteilen zu erreichen, bevorzugt man alkalische Elektrolyte. Bei alkalischen Elektrolyten findet parallel zur kathodischen Metallabscheidung eine Reduktion der Wasserstoffionen zu Wasserstoff statt, d. h. die Stromausbeute bezogen auf die Metallabscheidung beträgt weniger als 100%. Die Stromausbeute nimmt mit zunehmender Stromdichte ab. Hierdurch wird zwangsläufig im hohen Stromdichtebereich weniger Metall im Verhältnis zum Stromdurchgang abgeschieden. Im niedrigen Stromdichtebereich ist die Stromausbeute jedoch deutlich höher, so daß dort im Verhältnis zum Stromdurchgang mehr Metall abgeschieden wird. Hierdurch erhält man einen Ausgleich der Überzugsdicke zwischen hohen und niedrigen Stromdichtebereichen. Dies wird von entscheidender Bedeutung, wenn stark profilierte Bauteile beschichtet werden müssen, die auf Grund ihrer geometrischen Form Bereiche von sehr hoher und Bereiche von sehr niedriger Stromdichte aufweisen. Leider besitzen alkalische Elektrolyte den Nachteil, daß verschiedene Basismaterialien nur unzureichend beschichtet werden können. Man spricht von einer mangelhaften Bedeckung, was soweit führen kann, daß das Bauteil kein Metall annimmt und auf der Oberfläche nur Wasserstoff entwickelt wird. Zu diesen Basismaterialien zählen u. a. gehärtete Stahlsorten und Eisenguß.

Schwach saure Elektrolyte weisen diesen Nachteil nicht auf, weswegen Bauteile aus gehärtetem Stahl oder Eisenguß überwiegend in diesen Elektrolyten beschichtet werden. Schwach saure Elektrolyte haben jedoch den Nachteil, daß die Stromausbeute im gesamten üblicherweise angewendeten Stromdichtebereich bei nahezu 100% liegt, so daß die Dicke der Abscheidung von der lokalen Stromdichte abhängt. Bei profilierten Bauteilen oder enger Behängung werden daher stark unterschiedliche Schichtdicken bei der Abscheidung erhalten.

Um die Vorteile der alkalischen Elektrolyte zu nutzen, ist es bei der Beschichtung von gehärteten Stahl- oder Eisengußteilen daher erforderlich, zunächst in einem schwach sauren Elektrolyten eine erste Schicht abzuscheiden, um eine vollständige Bedeckung der Oberfläche mit Metall zu erreichen und danach eine zweite Schicht in einem alkalischen Elektrolyten aufzubringen, mit der eine gleichmäßigere Dicke der Beschichtung erhalten wird.

Um die hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit zu erfüllen, ist es daher erforderlich, aus einem schwach sauren Zinkbad zunächst eine erste Schicht zu erzeugen, um anschließend die korrosionsbeständige Endbeschichtung mit einem alkalischen Zink-Nickel-Elektrolyten durchzuführen.

Nun hat sich jedoch gezeigt, daß die Schichtkombination Zink/Zink-Nickel keinen ausreichenden Korrosionsschutz bietet. Die Zink-Nickel-Schicht wird durch Korrosion unterwandert, was zur Ablösung des Zink-Nickel-Überzuges führt. Desweiteren hat sich gezeigt, daß bei Wärmeschockbehandlung, z. B. beim Erhitzen auf 300°C und Abkühlen auf Raumtemperatur, sich die Zink-Nickelschicht von der Zinkschicht abtrennt, d. h. bei extremer Wärmebelastung wird dieser Verbund ebenfalls zerstört.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Beschichtung von gehärtetem Stahl oder Eisenguß, die korrosionsbeständig und unempfindlich gegenüber extremen Wärmebelastungen ist, sowie die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Beschichtung.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß diese Aufgaben gelöst werden, wenn auf den Stahl oder den Eisenguß zunächst eine erste Schicht aus einer Zink-Kobaltlegierung oder Zink-Nickellegierung elektrolytisch aus einem sauren Elektrolyten und anschließend eine zweite Schicht aus einer Zink-Nickellegierung elektrolytisch aus einem alkalischen Elektrolyten abgeschieden wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als erste Schicht ein Überzug aus einer Zink-Kobaltlegierung mit 0,1-6 Gew.-% Kobalt, besonders bevorzugt mit 0,3-1,3 Gew.-% Kobalt, aus einem sauren Elektrolyten (pH = 2 bis 6,5, bevorzugt 4,8 bis 5,4) abgeschieden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann als erste Schicht ein Überzug aus einer Zink-Nickellegierung mit 0,5-15 Gew.-% Nickel, besonders bevorzugt mit 1-6 Gew.-% Nickel aus einem sauren Bad (pH = 2 bis 6,5, bevorzugt 4,8 bis 5,4) abgeschieden werden. Die zweite Schicht besteht vorzugsweise aus einer Zink-Nickel legierung mit 6-18 Gew.-% Nickel und besonders bevorzugt 10-16 Gew.-% Nickel, die aus einem alkalischen Elektrolyten mit einem bevorzugten Hydroxidgehalt entsprechend 60-150 g/l Natriumhydroxid abgeschieden wird. Für die Abscheidungen können handelsübliche Elektrolyte zur Abscheidung von Zink-Kobaltlegierungen und Zink-Nickel legierungen verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden zwei Beispiele und durch das Vergleichsbeispiel näher erläutert.

Alle Angaben in % beziehen sich auf Gewichts-%.

Die allgemeinen Versuchsbedingungen bezüglich der Temperatur, der Stromdichte, der Zeitspanne und des pH-Werts für die Abscheidung der einzelnen Schichten betrugen:
T (innere Schicht) = 25°C
T (äußere Schicht) = 35°C
I (innere Schicht) = 2,5 A/dm²
I (äußere Schicht) = 2,5 A/dm²
t (innere Schicht) = 15 Minuten
t (äußere Schicht) = 45 Minuten
pH (innere Schicht) = 5,2
pH (äußere Schicht) < 14.

Zwischen jedem Prozeßschritt erfolgte ein dem Fachmann geläufiger Spülschritt.

Vergleichsbeispiel Beschichtung mit Zink/Zink-Nickel

Ein Eisenguß-Bauteil wird nach üblicher Vorbehandlung (alkalischem Entfetten und Säureaktivierung) in einem schwach saurem Zinkbad (SLOTANIT® OT) zunächst mit Zink (mittlere Auflage ca. 5 µm) und anschließend in einem alkalischen Elektrolyten (SLOTOLOY® ZN 50) mit Zink-Nickel (mittlere Auflage 6-8 µm, Nickelanteil im Überzug 15% Nickel) beschichtet.

Beispiel 1 Beschichtung mit Zink-Kobalt/Zink-Nickel

Ein entsprechendes Eisenguß-Bauteil, wie im Vergleichsbeispiel, wird nach üblicher Vorbehandlung (alkalischem Entfetten und Säureaktivierung) zunächst in einem schwach sauren Elektrolyten (SLOTOLOY® ZK 30) mit Zink-Kobalt (mittlere Auflage 5 µm, Anteil Kobalt im Überzug 1,0% Kobalt) und anschließend in einem alkalischen Elektrolyten (SLOTOLOY® ZN 50) mit Zink-Nickel (mittlere Auflage 6-8 µm, Nickelanteil im Überzug 15% Nickel) beschichtet.

Beispiel 2 Beschichtung mit Zink-Nickel/Zink-Nickel

Ein entsprechendes Bauteil, wie im Vergleichsbeispiel, wird nach üblicher Vorbehandlung (alkalischem Entfetten und Säureaktivierung) zunächst in einem schwach sauren Elektrolyten (SLOTOLOY® ZK 30 ohne Zusatz von Kobalt, mit Zusatz von 100 g/l Nickelchlorid) mit Zink-Nickel (mittlere Auflage 5 µm, Anteil Nickel im Überzug 1% Ni) und anschließend in einem alkalischen Elektrolyten (SLOTOLOY® ZN 50) mit Zink-Nickel (mittlere Auflage 6-8 µm, Nickelanteil im Überzug 15% Ni) beschichtet.

Die Bauteile werden anschließend folgenden Tests unterworfen:

a) Erhitzen auf 300°C, anschließend Abschrecken auf Raumtemperatur durch Tauchen in Wasser
b) Salzsprühtest nach DIN 50 021 - SS, 120 h Prüfdauer

Ergebnis

Vergleichsbeispiel, Test a): flächenförmiges Abplatzen der Schicht
Vergleichsbeispiel, Test b): Rotrostkorrosion nach 120 h
Beispiel 1, Test a): keine Schichttrennung
Beispiel 1, Test b): keine Rotrostkorrosion
Beispiel 2, Test a): wie Beispiel 1, Test a)
Beispiel 2, Test b): wie Beispiel 1, Test b)

Claims

1. Verfahren zur Beschichtung von gehärtetem Stahl oder Eisenguß, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stahl oder den Eisenguß zunächst eine erste Schicht aus einer Zink-Kobaltlegierung oder Zink-Nickellegierung elektrolytisch aus einem sauren Elektrolyten und anschließend eine zweite Schicht aus einer Zink-Nickellegierung elektrolytisch aus einem alkalischen Elektrolyten abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der ersten Schicht 0,1-6 Gew.-% Co bzw. 0,5-15 Gew.-% Ni beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der ersten Schicht 0,3-1,3 Gew.-% Co bzw. 1-6 Gew.-% Ni beinhaltet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der zweiten Schicht 6-18 Gew.-% Ni beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der zweiten Schicht 10-16 Gew.-% Ni beinhaltet.

6. Beschichtung von gehärtetem Stahl oder Eisenguß, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.