DE4100136A1 - Zusatzmetall und verfahren zu seiner verwendung - Google Patents

Description

Es ist in der einschlägigen Fachwelt bekannt, daß an Körpern aus Metall im Zuge der Herstellung Oberflächenunregelmäßig­ keiten entstehen. Ein Beispiel hierfür ist die Kraftfahrzeug­ industrie, in der blanke Bauteile aus Metall, die später die Kraftfahrzeugkarosserie bilden, zusammengeschweißt werden. Bei diesem Verfahren entstehen auf natürliche Weise Porosität in der Schweißverbindung und Riffelungen oder Verformungen in den Metalloberflächen nahe dem Bereich der Schweißbearbei­ tung.

Das Streben nach Güte verlangt die Beseitigung solcher Män­ gel; hierfür wurde bisher u. a. Lot verwendet. Die Technik der Lotverwendung ist jedoch insofern nachteilig, als sie nicht nur zeitaufwendig ist, sondern weil durch die notwendige Ver­ wendung eines Flußmittels Schwierigkeiten hinsichtlich der Toxizität und der späteren Flußmittelentfernung auftreten.

Ein laufend benutzter Behelf als Lotersatz ist eine Silicium­ bronze-Legierung, und ein der Anwenderin bekanntes Material dieses Typs enthält etwa 2,8 bis 4,0% Silicium. Ein bedeuten­ der Vorteil von Siliciumbronze gegenüber Lot ist die be­ trächtliche Zeitersparnis, weil Siliciumbronze auf Metallflä­ chen durch thermisches Spritzen aufgetragen werden kann. Beim Spritzen mit Schmelzen im Lichtbogen wird weniger Wärme auf die Basis bzw. das Substrat übertragen, die bzw. das sich daher weniger verformt. Bei der Montage von blanken Kraft­ fahrzeugteilen aus Stahlblech, im wesentlichen mit der Ar­ beitsschrittfolge: Schweißen, Schleifen, thermisches Spritzen und Schleifen, führt jedoch auch die Verwendung von Silicium­ bronze als Spritzmaterial zu nachteiligen Ergebnissen. Es hat sich herausgestellt, daß bei der Ausführung der genannten zweiten Schleifoperation Zeit und Werkstoffe in ganz be­ trächtlichem Umfange aufgewendet werden. Außerdem werden nach Beendigung der oben kurz angegebenen vier Arbeitsschritte hinsichtlich der Haftfestigkeit und der Oberflächenbeschaf­ fenheit häufig weniger als optimale Ergebnisse festgestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.

Das Verfahren und das Zusatzmetall zur Lösung dieser Aufgabe sind in den Hauptansprüchen 1, 2, 3 und 8 und hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen in den jeweiligen Nebenansprü­ chen gekennzeichnet.

Die Anmelderin hat festgestellt, daß beim Beschichten einer Vielzahl von blanken Metallsubstraten deutlich verbesserte Ergebnisse dadurch erzielt werden, daß auf das Substrat eine Zinn, Silicium und Aluminium enthaltende Kupfer-Legierung thermisch aufgespritzt wird. Vor dem thermischen Spritzen kann die erfindungsgemäße Masse ohne Aluminium beim Herstel­ len von Schweißnähten verwendet werden. Enthält die erfin­ dungsgemäße Masse beim Schweißen Aluminium, wird als inertes Schutzgas insbesondere Helium statt Argon benutzt. Die alumi­ niumfreie Masse gemäß der Erfindung kann thermisch gespritzt werden, obgleich optimale Haftfestigkeiten nicht immer er­ zielt werden.

Für die Durchführung der Erfindung wird vorzugsweise eine Lichtbogen-Spritzpistole verwendet, wenngleich gelegentlich eine Verbrennungs-Metall-Spritzpistole zweckdienlich sein kann. Der der Pistole zugeführte Draht ist vorzugsweise ein Draht mit Flußmittel-Seele, jedoch wird im Rahmen der Erfin­ dung auch ein massiver Draht in Betracht gezogen. Bei Verwen­ dung eines Drahtes vom ungefähren Durchmesser 1,14 mm, betra­ gen beim erfindungsgemäßen Zusatzmetall die Höchstmengen an Zinn bis zu etwa 15,0%, an Silicium bis zu etwa 2,0%, an Alu­ minium bis zu etwa 2,0%; der Rest ist Kupfer. Ist der gewähl­ te Drahtdurchmesser etwa 1,57 mm, dann betragen die Höchst­ mengen der Bestandteile des erfindungsgemäßen Zusatzmetalls bis zu etwa 20,0% für Zinn, bis zu etwa 5,0% für Silicium, bis zu etwa 2,0% für Aluminium; der Rest ist Kupfer. Bei Ein­ haltung der vorstehenden Vorgehensweise werden deutlich ver­ besserte Ergebnisse erzielt, insbesondere bei Haftfestigkeit und Oberflächengüte, ohne daß Hohlräume vorhanden sind.

Wenngleich die Anmelderin auf keine spezielle Theorie festge­ legt werden möchte, scheint es, daß das Vorhandensein von Aluminium und Zinn im erfindungsgemäßen Zusatzmetall zu den hier beschriebenen neuen Ergebnissen wesentlich beiträgt. Im Zusammenhang mit der Haftfestigkeit oder Haftung des Überzugs an einem blanken Metallsubstrat scheint es, daß Aluminium sich mit atmosphärischem Sauerstoff verbindet und dabei eine exothermische Reaktion erzeugt. Dadurch wird den Kupfer-, Zinn- und Siliciumteilchen im Zusatzmetall Wärme zuge­ führt, und weil diese Teilchen somit auf einer beträchtlich erhöhten Temperatur gehalten sind, haften sie gut am blanken Metallsubstrat über eine mechanische statt eine metallurgi­ sche Verbindung. Daten zum Vergleich der Haftfestigkeiten zwischen dem erfindungsgemäßen Zusatzmetall und einer bekann­ ten Siliciumbronze-Legierung werden weiter unten angegeben.

Andererseits erscheint es, daß durch das Vorhandensein von Zinn im erfindungsgemäßen Zusatzmetall zu einer sichtbar glatten oder hohlraumfreien Oberfläche und zu dem damit ver­ bundenen Merkmal der guten Schleifbarkeit in bedeutendem Maße beigetragen wird. Es ist möglich, daß auch Zinn mit der Atmo­ sphäre ein Oxid bildet und sich mit dem Kupfer zu einer Le­ gierung verbindet, die weicher als Siliciumbronze ist. Wenn­ gleich hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen dem Zinn und den anderen Bestandteilen des erfindungsgemäßen Zusatzmetalls beim thermischen Spritzen andere Theorien bestehen können, hat sich in der Praxis herausgestellt, daß bei dem oben ge­ nannten zweiten Schleifschritt hinsichtlich der Oberflächen­ güte ein als besseres "Hineinverästeln" oder bessere "Schleifbarkeit" bezeichnetes Merkmal aufgetreten ist. Mit anderen Worten, es besteht ein besserer Übergang ineinander, an dem auch mit unbewaffnetem Auge das Fehlen von Hohlräumen oder Porosität in der Oberfläche erkennbar ist.

Dagegen scheint das derzeit beim thermischen Spritzen in der Kraftfahrzeugindustrie benutzte Siliciumbronze-Material eine sehr viel härtere Legierung zu sein. Folglich werden insbe­ sondere wegen ihres Zusetzens und wegen der Härte der Legie­ rung sehr viel mehr Schleifscheiben benutzt, und zum Herstel­ len einer produktionstechnisch akzeptablen Oberflächengüte muß beträchtlich mehr Zeit aufgewendet werden.

Weiter oben wurden für thermisches Spritzen obere Richtwerte für die Bestandteile des erfindungsgemäßen Zusatzmetalls ge­ nannt, wobei eine Beziehung zum Drahtdurchmesser besteht. Insbesondere wurden bei bis heute ausgeführten Arbeiten fol­ gende Mischungen benutzt:

Das Zusatzmetall "B" ist besonders für Schweißanwendungen geeignet, wenngleich es bei mäßiger Einbuße an Haftfestigkeit auch für thermisches Spritzen benutzt werden kann. Die Zu­ satzmetalle "A" und "C" sind am zweckdienlichsten für thermi­ sches Spritzen, wenngleich sie, wie schon angegeben, auch zum Schweißen benutzt werden können, wenn als inertes Schutzgas an Stelle von Argon Helium verwendet wird.

Beispiel: Es wurde eine Menge Draht mit Flußmittel-Seele aus einem Band überwiegend aus Kupfer und aus der Masse "A" als Zusatzmetall hergestellt. Der Drahtdurchmesser betrug etwa 1,14 mm; mit diesem Draht wurde eine Lichtbogen-Spritzpisto­ le, Modell 8830 der TAFA Incorporated, Concord/New Hampshire gespeist. Bei der Benutzung eines Drahtes mit Flußmittel-See­ le des angegebenen Durchmessers wurde die Spritzpistole auf eine Spannung von 28 V eingestellt, um einen feinen Nebel bei etwa 2,75 bar zu erzeugen. Mehrere blanke Stahlplatten von etwa 203 × 203 mm wurden mit einer Überzugsdicke von etwa 1,14 mm beschichtet. In ähnlicher Weise wurde für einen Sili­ ciumbronze-Draht vorgegangen, der 2,8 bis 4,0% Silicium ent­ hielt.

Die beiden Sätze beschichteter Platten wurden dann zur Be­ stimmung der Haftfestigkeiten beider Überzugstypen auf fol­ gende Weise geprüft. Auf die beschichteten Flächen der beiden Platten, wobei jedes Paar mit der Masse "A" und die andere mit Siliciumbronze beschichtet war, wurde ein handelsüblicher Epoxyzement mit einer Haftfestigkeit von etwa 703 bis etwa 845 kp/cm² aufgetragen. Nach dem Trocknen wurde jeder Plat­ tensatz einem Zugversuch unterworfen. Die Platten mit der Masse "A" zeigten eine Haftfestigkeit des Überzugs von etwa 285 kp/cm², die mit Siliciumbronze überzogenen Platten dage­ gen nur eine Haftfestigkeit von etwa 210 kp/cm². Dies wird als besonders bedeutsam betrachtet, weil es deutlich zeigt, daß für das Abblättern des erfindungsgemäßen Überzugs von der blanken Metallfläche, die später als Teil einer Kfz-Karosse­ rie Beanspruchungen durch Rütteln, Stoßen oder andere ziem­ lich rauhe Fahrbedingungen ausgesetzt sein werden, eine ge­ ringe Wahrscheinlichkeit besteht.

Die erzielte gute Schleifbarkeit und Oberflächengüte sind zusätzliche Faktoren, bei denen sich merkliche Verbesserungen durch die Anwendung der Erfindung ergeben haben. Es wird an­ genommen, daß das Vorhandensein von Zinn im Zusatzmetall in diesem Bereich wesentlich dazu beiträgt, daß nach dem Auftra­ gen mit den anderen Bestandteilen eine als "weicher" zu be­ zeichnende Oberflächenbeschaffenheit entsteht. Die Schleifleistung wird insofern verbessert, daß zur Erzielung der gewünschten fehlerfreien Oberfläche eine geringere Anzahl Schleifscheiben erforderlich ist als bei einem Siliciumbron­ ze-Überzug. Auf diese Weise sind die Zeit- und Werkstoffer­ sparnisse ganz bedeutend.

Die Oberflächengüte wird bei der Fertigung von Kfz-Karosse­ rieteilen als kritisch betrachtet. Die in der weiter oben beschriebenen Weise hergestellte anfängliche Oberflächenbe­ schichtung oder Unterschicht wird in den nachfolgenden Lac­ kierungsschichten effektiv wiederholt. Mit anderen Worten, Riefen, Wellen, Hohlräume oder andere Defekte im Überzug auf der blanken Metallfläche dringen durch die später aufgetrage­ nen Lackierungsschichten hindurch und sind klar erkennbar. Eine hohe Güte der Oberfläche bei der Flächenunterschicht ist daher von großer Wichtigkeit.

Die Anmelderin hat festgestellt, daß bei der Oberflächenbe­ schaffenheit, die mit dem erfindungsgemäßen Zusatzmetall und mit Siliciumbronze hergestellt wurde, wesentliche Unterschie­ de bestehen. Bei Bearbeitung mit Schleifscheiben derselben Körnung, wie sie in Kfz-Karosseriewerken benutzt werden, zeigte das erfindungsgemäße Zusatzmetall "A" bei der Bear­ beitung mit der Schleifscheibe guten Halt, und bei den Schleifscheibenhüben wurde im Finish ein ausgezeichneter Übergang ineinander festgestellt. Der fertigbearbeitete Fi­ nish war in den Stahl gut eingedrungen bzw. hatte mit ihm einen guten Übergang hergestellt, was Zeichen einer hohen Güte ist. In den bis heute ausgeführten Arbeiten wurden glei­ che Ergebnisse mit Siliciumbronze-Überzügen nicht erzeugt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Auftragen von Metall auf Hohlräume aufwei­ sende Flächen aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hohlräume eine Zinn und Silicium enthaltende Kupferle­ gierung in der Weise eingeführt wird, daß sie im wesentlichen mit ihr gefüllt sind, und die Kupferlegierung in den Hohlräu­ men in der Weise geschliffen wird, daß eine glatte Oberfläche entsteht.

2. Verfahren zum Herstellen eines hochgradig zähen Überzugs auf einer im wesentlichen blanken, Hohlräume aufweisenden Fläche aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Fläche eine Legierung aus Kupfer, Zinn, Silicium und Aluminium in der Weise aufgetragen wird, daß die Hohlräume im wesentlichen vollständig gefüllt sind, und die Fläche in der Weise geschliffen wird, daß sie eine glatte und hohlraumfreie texturierte Oberfläche erhält.

3. Verfahren zum Beschichten einer im wesentlichen blanken, mit Unregelmäßigkeiten behafteten Fläche aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche mit einer Zinn, Silicium und Aluminium enthaltenden Kupfer-Legierung thermisch so gespritzt wird, daß die Unregelmäßigkeiten verdeckt werden und auf der Fläche ein hochgradig zäher Überzug entsteht, und daß die beschichtete Fläche in der Weise geschliffen wird, daß sie eine glatte und im wesentlichen fehlerfreie Oberfläche erhält.

4. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit bis etwa 20,0% Zinn, bis etwa 5,0% Silici­ um, bis etwa 2,0% Aluminium und Rest Kupfer verwendet wird.

5. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit bis etwa 15,0% Zinn, bis etwa 2,0% Silici­ um, bis etwa 2,0% Aluminium und Rest Kupfer verwendet wird.

6. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit etwa 5,5% Zinn, etwa 2,0% Silicium, etwa 1,0% Aluminium und Rest Kupfer verwendet wird.

7. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit etwa 9,5% Zinn, etwa 2,0% Silicium, etwa 1,5% Aluminium und Rest Kupfer verwendet wird.

8. Draht zum thermischen Spritzen von blanken, mit Unregel­ mäßigkeiten behafteten Flächen aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus einer Zinn, Silicium und Aluminium enthaltenden Kupfer-Legierung hergestellt ist.

9. Draht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht eine Seele aus Flußmittel aufweist, und daß Zinn in einer Menge bis etwa 20,0%, Silicium in einer Menge bis etwa 5,0% und Aluminium in einer Menge bis etwa 2,0% vorhanden ist.

10. Draht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht eine Seele aus Flußmittel aufweist, und daß Zinn in einer Menge von etwa 5,5%, Silicium in einer Menge von etwa 2,0%, und Aluminium in einer Menge von etwa 1,0% vorhanden ist.

11. Draht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht eine Seele aus Flußmittel aufweist, und daß Zinn in einer Menge von etwa 9,5%, Silicium in einer Menge von etwa 2,0% und Aluminium in einer Menge von etwa 1,5% vorhanden ist.