DE202020107410U1

DE202020107410U1 - Metallisches Bauteil

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Publication number: DE202020107410U1
Application number: DE202020107410.5U
Authority: DE
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-03-21
Anticipated expiration: 2030-12-19
Also published as: WO2022128308A1; DE112021000052T5

Abstract

Metallisches Bauteil mit einer Korrosionsschutzschicht und einer Verschleißschutzschicht, wobei die Korrosionsschutzschicht eine erste Zone und die Verschleißschutzschicht eine zweite, an die erste Zone angrenzende Zone der Oberfläche des Bauteils bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenze zwischen der ersten und zweiten Zone ein Schichtauslauf der Verschleißschutzschicht einen Randbereich der Korrosionsschutzschicht überdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Bauteil und ein Verfahren zur Beschichtung dieses metallischen Bauteils und insbesondere Flugzeugbauteils mit einer Verschleißschutzschicht und einer Korrosionsschutzschicht.
Metallische Flugzeugbauteile wie beispielsweise Radachsen, Schubrohre, Kolbenstangen und Dreh- bzw. Befestigungsbolzen eines Flugzeugfahrwerks oder Kolbenstangen, Bolzen und Flansche eines Flugsteuersystems werden typischerweise aus hochfesten, aber korrosionsgefährdeten Hochleistungsstählen wie etwa 300M, E35NCD16H oder AISI4340 gefertigt. Um einen Korrosionsschutz zu erreichen, werden die Oberflächen dieser Bauteile mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen. Im Stand der Technik sind typischerweise Cadmiumschichten und ZnNi-Schichten. Die letztgenannten ZnNi-Schichten werden in jüngerer Vergangenheit aus Gründen des Umwelt- und Gesundheitsschutzes vielfach bevorzugt.
Um die gattungsgemäßen Bauteile lokal, beispielsweise an der Kontaktfläche von Dicht- und Lagersitzen gegen Abrieb zu verstärken, sind die Oberflächen oftmals auch bereichsweise mit einem Hartmetall beschichtet, wobei die Hartmetallschichten direkt und ohne zwischenliegende Korrosionsschutzschicht auf die Metalloberfläche aufgetragen werden. Im Übergangsbereich zwischen solchen Verschleißschutzschichten und der Korrosionsschutzschicht wurden in der Vergangenheit insbesondere im Kontext der ZnNi-Schichten aber immer wieder Korrosionsprobleme beobachtet.
Im Stand der Technik wird bei einem Auftrag sowohl einer Verschleißschutzschicht als auch einer ZnNi-Korrosionsschutzschicht immer zunächst die harte Verschleißschutzschicht durch thermisches Spritzen aufgetragen, bevor anschließend in den verbleibenden Bereichen des Bauteils die ZnNi-Korrosionsschutzschicht mittels galvanischer Methoden aufgetragen wird. Beispielhaft kann auf die US 10,232,935 B2 verwiesen werden. Der Grund hierfür ist, dass die Korrosionsschutzschicht nicht thermisch beeinflusst werden soll, um beispielsweise eine Versprödung des Grundwerkstoffs durch Diffusion des Materials der Korrosionsschutzschicht (vgl. Feststoffversprödung bei Cadmium) zu vermeiden.
Im Rahmen einer solchen Vorgehensweise wird aber kein ausreichender Korrosionsschutz des Grundmaterials gewährleistet, wie Untersuchungen im Salzsprühnebentest bei bereits weniger als 300 Stunden zeigen. Auch im Service von Flugzeugen kommen an derartigen Übergängen immer wieder Korrosionen zur Anzeige.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, bei welcher der Übergangsbereich zwischen der Korrosionsschutzschicht und der Verschleißschutzschicht gattungsgemäßer Bauteile auch bei Verwendung einer ZnNi-Korrosionsschutzschicht korrosionsstabil bleibt.
Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein metallisches Bauteil und ein Verfahren zur Beschichtung dieses metallischen Bauteils, bei dem eine erste Zone der Oberfläche des Bauteils mit einer Korrosionsschutzschicht und eine zweite, an die erste Zone angrenzende Zone, mit einer Verschleißschutzschicht versehen wird, wobei der Auftrag der Korrosionsschutzschicht vor dem Auftrag der Verschleißschutzschicht erfolgt und wobei eine Maskierung der Korrosionsschutzschicht während des Auftrags der Verschleißschutzschicht derart eingestellt wird, dass an der Grenze zwischen der ersten und zweiten Zone ein Schichtauslauf der entstehenden Verschleißschutzschicht einen Randbereich der Korrosionsschutzschicht überdeckt.
Anhand dieser Neuordnung der Überlappung zwischen der Korrosionsschutzschicht und der Verschleißschutzschicht wird die Überdeckung der beiden Schichten zueinander konstant gehalten. Außerdem wird durch die dem Verfahren inhärente thermische Behandlung der Korrosionsschutzschicht, beispielsweise der ZnNi-Schicht, die elektrochemische Aktivität günstig beeinflusst. Die Erfinder haben auch gefunden, dass sich die Bedingungen des thermischen Spritzens so einstellen lassen, dass eine Diffusion von Elementen aus der Korrosionsschutzschicht in das Grundmaterial unterdrückt werden kann, sodass die Versprödung und mithin die bisher immer angenommenen Nachteile einer solchen Vorgehensweise nicht ins Gewicht fallen.
Die Korrosionsschutzschicht befindet sich nur in der ersten Zone und die Verschleißschutzschicht befindet sich nur in der zweiten Zone. Sowohl die Korrosionsschutzschicht als auch die Verschleißschutzschicht werden direkt auf die Oberfläche des metallischen Bauteils aufgetragen. Bei dem Grundmaterial des metallischen Bauteils handelt es sich vorzugsweise um Stahl, insbesondere um einen in der Flugzeugindustrie typischerweise eingesetzten, hochfesten Hochleistungsstahl wie etwa 300M, E35NCD16H oder AISI4340. Diese Stahlsorten sind stark korrosionsgefährdet.
Die Verschleißschutzschicht wird vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen. Insbesondere kann ein Auftrag durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) oder atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) vorgesehen sein.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Verschleißschutzschicht um ein Hartmetall, beispielsweise auf Basis von Wolframcarbid (WC) oder Chromcarbid (CrC. Als Matrixmaterialien kommen beispielsweise Nickel, Chrom oder Cobald in Betracht. Konkrete Beispiele umfassen CrCNiCr oder WCCoCr.
Die Korrosionsschutzschicht wird vorzugsweise galvanisch appliziert. Insbesondere kann es sich um eine ZnNi-Schicht handeln. Ein besonders bevorzugtes Beispiel umfasst durch elektrolytisches Abscheiden hergestelltes LHE (Low Hydrogen Embrittlement) ZnNi. Vorzugsweise ist diese Korrosionsschutzschicht frei von Chrom(VI).
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Maskierung der Korrosionsschutzschicht während des Auftrags der Verschleißschutzschicht derart eingestellt wird, dass die Breite des überdeckten Randbereichs der Korrosionsschutzschicht zwischen 0,1 mm und 10 mm beträgt.
Weiter bevorzugt ist, dass die zumindest abschnittsweise mit der Korrosionsschutzschicht versehene Oberfläche des Bauteils im Bereich der zweiten Zone vor Auftrag der Verschleißschutzschicht gestrahlt wird, während die Korrosionsschutzschicht im Bereich der ersten Zone durch eine Maske geschützt ist. Das Strahlen kann beispielsweise mit Korund erfolgen. Es dient zur Aktivierung und Bereinigung der Oberfläche des Bauteils im Bereich der zweiten Zone. Eine nach einem elektrolytischen Abscheiden gegebenenfalls auch in der zweiten Zone vorhandene Korrosionsschutzschicht kann durch ein solches Strahlen abgetragen werden. In bestimmten Anwendungsfällen kann das Strahlen auch entfallen, wenn der abrasive Effekt eines thermischen Spritzens die Aufgabe übernimmt, die vorher aufgebrachte Korrosionsschutzschicht an den relevanten Stellen der zweiten Zone abzutragen, ohne die Qualität der thermischen Spritzschicht negativ zu beeinflussen.
Die Maske, welche die Korrosionsschutzschicht in der ersten Zone während des Strahlens schützt, kann nach dem Strahlen und vor dem Auftrag der Verschleißschutzschicht neu ausgerichtet werden, um die Breite des vom Schichtauslauf überdeckten Randbereichs einzustellen. Die Maske ist vorzugsweise aus Metall gefertigt.
Vor dem Auftrag der Korrosionsschutzschicht kann die Oberfläche des Bauteils in der bekannten Weise vorbehandelt, also etwa gestrahlt und bereichsweise abgeklebt werden. Der vorzugsweise galvanische Auftrag der Korrosionsschutzschicht erfolgt jedenfalls im Bereich der ersten Zone der Oberfläche und im Bereich des vom Schichtauslauf überdeckten Randbereichs.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein metallisches Bauteil mit einer Korrosionsschutzschicht und einer Verschleißschutzschicht, wobei die Korrosionsschutzschicht eine erste Zone und die Verschleißschutzschicht eine zweite, an die erste Zone angrenzende Zone der Oberfläche des Bauteils bedeckt, wobei an der Grenze zwischen der ersten und zweiten Zone ein Schichtauslauf der Verschleißschutzschicht einen Randbereich der Korrosionsschutzschicht überdeckt.
Vorzugsweise ist das Bauteil nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Jedenfalls ergeben sich bevorzugte Ausgestaltungen des Bauteils aus der Beschreibung des Verfahrens. So kann es sich bei der Korrosionsschutzschicht um eine ZnNi-Schicht handeln, insbesondere um eine LHE-ZnNi-Schicht. Bei der Verschleißschutzschicht kann es sich um ein Hartmetall handeln, beispielsweise um ein Hartmetall auf Basis von Wolframcarbid (WC) oder Chromcarbid (CrC), wie etwa CrCNiCr oder WCCoCr. Die Breite des vom Schichtauslauf der Verschleißschutzschicht überdeckten Randbereichs der Korrosionsschutzschicht kann zwischen 0,1 mm und 10 mm betragen.
Bei dem metallischen Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Flugzeugbauteil. Beispiele umfassen Bauteile eines Flugzeugfahrwerks, wie beispielsweise Radachsen, Schubrohre, Kolbenstangen und Dreh- bzw. Befestigungsbolzen, oder Bauteile eines Flugsteuersystems, wie beispielsweise Kolbenstangen, Bolzen und Flansche. Ein besonderes Beispiel umfasst eine Radachse eines Flugzeugfahrwerks, wo reibungsarme und abriebfeste Lagerflächen durch eine lokale Auftragung einer Verschleißschutzschicht geschaffen werden und das Bauteil im Übrigen mit einer Korrosionsschutzschicht versehen ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren erklärten Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen:

1a-1c: schematische Darstellungen des Übergangsbereichs zwischen Verschleißschutzschicht und Korrosionsschutzschicht in Bauteilen aus dem Stand der Technik;
2: eine schematische Darstellung des Übergangsbereichs zwischen Verschleißschutzschicht und Korrosionsschutzschicht in einem erfindungsgemäß gefertigten Bauteil;
3: ein Flussdiagramm über den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4: eine photographische Abbildung der Maskierung der Korrosionsschutzschicht vor Auftrag der Verschleißschutzschicht im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
5: eine photographische Abbildung eines erfindungsgemäß gefertigten Bauteils.

Im Stand der Technik wird bei einem Auftrag sowohl einer Verschleißschutzschicht als auch einer ZnNi-Korrosionsschutzschicht immer zunächst die harte Verschleißschutzschicht durch thermisches Spritzen aufgetragen, bevor anschließend in den verbleibenden Bereichen des Bauteils die ZnNi-Korrosionsschutzschicht mittels galvanischer Methoden aufgetragen wird.
Dies führt zu einem Ergebnis, wie es in 1a-1c dargestellt ist, also einem Überlappen der Korrosionsschutzschicht 10 über den Schichtauslauf 30 der Verschleißschutzschicht 20 (1a), einem Anstehen der Korrosionsschutzschicht 10 auf Stoß an den Schichtauslauf 30 der Verschleißschutzschicht 20 (1b) oder einem Spalt zwischen Korrosionsschutzschicht 10 und Verschleißschutzschicht 20, in dem die Oberfläche des Bauteils 40 unbeschichtet bleibt (1c).
In 2 wird das Ergebnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei im Grenzbereich der Schichtauslauf 30 der Verschleißschutzschicht 20 einen Randbereich der Korrosionsschutzschicht 20 überdeckt. Dies steht im Gegensatz zu den Gestaltungen aus dem Stand der Technik, wie sie in 1a-1c dargestellt sind.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 dargestellt.
In Schritt 100 kommt es zunächst zum Abkleben von Bereichen an der Oberfläche des Bauteils 40, an denen kein Korrosionsschutz benötigt wird. Der Bedarf an Genauigkeit im Rahmen dieses Vorgangs ist aber hinsichtlich der Übergänge zu den Verschleißschutzschichten gering, da diese Übergänge ohnehin noch durch Strahlen nachbearbeitet werden, wie in der Folge erklärt wird.
In Schritt 200 werden die galvanisch zu beschichtenden Oberflächen des Bauteils 40 zur Aktivierung gestrahlt. Dies wird standardmäßig zur Verbesserung der Haftung der Korrosionsschutzschicht 10 an der Oberfläche durchgeführt.
In Schritt 300 kommt es dann zu einem elektrochemischen Beschichten der vorbehandelten und nicht abgeklebten Abschnitte der Oberfläche mit einer LHE-ZnNi-Beschichtung.
Im nachgelagerten Schritt 400 kommt es zu der Maskierung der elektrochemisch beschichteten Oberfläche für die weiteren Schritte. Dieser Schritt geht auch mit einem Abkleben der nicht elektrochemisch beschichteten Abschnitte der Oberfläche einher. Als Masken werden standardmäßig für thermisches Spritzen verwendete Metallmasken verwendet, die sich oberhalb des Bauteils flexibel positionieren lassen. Zunächst werden die Masken dabei so positioniert bzw. mit Abdeckungen eingerichtet, dass die gesamte zu erhaltende Korrosionsschutzbeschichtung, also auch die Randbereiche, die später durch den Schichtauslauf der Verschleißschutzschicht überdeckt werden sollen, abgedeckt wird.
Es folgt in Schritt 500 ein Aktivierungsstrahlen der nicht maskierten Bereiche der Oberfläche zur Vorbereitung für das thermische Spritzen. Eine beispielhafte Anordnung eines Bauteils 40 und einer Maske 50 nach Durchführung dieses Schrittes ist in 4 in perspektivischer Ansicht photographisch dargestellt. Aufgrund der entsprechenden Positionierung der Maske 50 über der Korrosionsschutzschicht 10 bleibt der Randbereich 10a, der später durch den Schichtauslauf der Verschleißschutzschicht überdeckt werden soll, erhalten. Die sich daran anschließenden Bereiche 40a der Oberfläche des Bauteils 40 sind nach dem Aktivierungsstrahlen metallisch blank.
In Schritt 600 folgt dann eine Neupositionierung der Maske 50 oder eine Entfernung von Abdeckungen von der Maske, um den zuvor noch maskierten Randbereich 10a der Korrosionsschutzschicht 10 freizugeben, der durch den Schichtauslauf der Verschleißschutzschicht überdeckt werden soll.
In Schritt 700 erfolgt zuletzt das thermische Spritzen der Verschleißschutzschicht 20 auf die metallisch blanken Bereiche 40a der Oberfläche des Bauteils 40. Insbesondere kann ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) oder atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) von CrCNiCr oder WCCoCr vorgesehen sein. Ein beispielhaftes Ergebnis ist in 5 in Draufsicht photographisch dargestellt. Durch die entsprechende Positionierung bzw. den entsprechenden Umbau der Maske überdeckt ein Schichtauslauf 30 der Verschleißschutzschicht 20 im Produkt den zugewandten Randbereich der Korrosionsschutzschicht 10.
Anhand der Erfindung kann die Gestaltung von Schichtübergängen zwischen ZnNi- und thermischen Spritzschichten mit Blick auf die Korrosionsbeständigkeit maßgeblich verbessert werden.
Durch die hier beschriebene Vorgehensweise werden an einem Duplex-Schichtübergang stabile Verhältnisse in Bezug auf die Korrosionsmechanismen geschaffen und das Risiko eines korrosiven Angriffs des Grundmaterials minimiert. Die so gestalteten Übergänge erreichen im Salzsprühnebeltest bis zu 1000h ohne Anzeichen von Korrosion am Grundmaterial.
Zusätzlich bringt die Abfolge der Verfahrensschritte eine Vereinfachung der Aufwände für das Abkleben und Abdecken beim ZnNi-Auftrag mit sich, da für ZnNi nur noch die Forderung gilt, die Schichtstärke unter den Ausläufen der Verschleißschutzschicht und in den freien Flächen bestehen zu lassen. Dieser Vorteil ergibt sich insbesondere auch bei Innenbeschichtungen, bei denen die Genauigkeit zum Abkleben und Abdecken nicht eingehalten werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10232935 B2 [0004]

Claims

Metallisches Bauteil mit einer Korrosionsschutzschicht und einer Verschleißschutzschicht, wobei die Korrosionsschutzschicht eine erste Zone und die Verschleißschutzschicht eine zweite, an die erste Zone angrenzende Zone der Oberfläche des Bauteils bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenze zwischen der ersten und zweiten Zone ein Schichtauslauf der Verschleißschutzschicht einen Randbereich der Korrosionsschutzschicht überdeckt.
Metallisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verschleißschutzschicht um ein Hartmetall, beispielsweise auf Basis von Wolframcarbid (WC) oder Chromcarbid (CrC) handelt.
Metallisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Korrosionsschutzschicht um eine ZnNi-Schicht handelt.
Metallisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des überdeckten Randbereichs der Korrosionsschutzschicht zwischen 0,1 mm und 10 mm beträgt.
Metallisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es anhand eines Verfahrens zur Beschichtung eines metallischen Bauteils hergestellt ist, bei dem eine erste Zone der Oberfläche des Bauteils mit einer Korrosionsschutzschicht und eine zweite, an die erste Zone angrenzende Zone, mit einer Verschleißschutzschicht versehen wird, wobei der Auftrag der Korrosionsschutzschicht vor dem Auftrag der Verschleißschutzschicht erfolgt und wobei eine Maskierung der Korrosionsschutzschicht während des Auftrags der Verschleißschutzschicht derart eingestellt wird, dass an der Grenze zwischen der ersten und zweiten Zone ein Schichtauslauf der entstehenden Verschleißschutzschicht einen Randbereich der Korrosionsschutzschicht überdeckt.
Metallisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht im Rahmen des Verfahrens durch thermisches Spritzen aufgetragen wird.
Metallisches Bauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht im Rahmen des Verfahrens galvanisch appliziert wird.
Metallisches Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Verfahrens die zumindest abschnittsweise mit der Korrosionsschutzschicht versehene Oberfläche des Bauteils im Bereich der zweiten Zone vor Auftrag der Verschleißschutzschicht gestrahlt wird, während die Korrosionsschutzschicht im Bereich der ersten Zone durch eine Maske geschützt ist.
Metallisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Flugzeugbauteil handelt, insbesondere um ein Bauteil eines Flugzeugfahrwerks oder ein Bauteil eines Flugsteuersystems.