EP0288853B1 - Process for the preparation of work pieces from titanium or titanium alloys - Google Patents

Process for the preparation of work pieces from titanium or titanium alloys Download PDF

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EP0288853B1
EP0288853B1 EP88106110A EP88106110A EP0288853B1 EP 0288853 B1 EP0288853 B1 EP 0288853B1 EP 88106110 A EP88106110 A EP 88106110A EP 88106110 A EP88106110 A EP 88106110A EP 0288853 B1 EP0288853 B1 EP 0288853B1
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EP
European Patent Office
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titanium
work pieces
solution
coating
zinc phosphate
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EP88106110A
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EP0288853A1 (en
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Sakae Sonoda
Kouji Hetsugi
Yoshihiko Sawasaki
Kouji 203 Green Heights Kaburagi
Yasunobu Matsushima
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Nihon Parkerizing Co Ltd
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Nihon Parkerizing Co Ltd
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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/36Phosphatising

Definitions

  • the method according to the invention is intended for the treatment of all workpieces which are at least temporarily exposed to any sliding processes. These are in particular gear parts, bearings and the like, but also, for example, objects used for fastening, such as bolts, screw threads and the like. However, the greatest importance of the process lies in its application for the preparation of workpieces for cold forming.
  • Cleaned sheets of pure titanium (JIS grade 1) with the dimensions 100 ⁇ 50 ⁇ 0.8 mm were electrolytically phosphated with a phosphating solution of the following quality: 9.6 g / l zinc 36.3 g / l phosphoric acid (calculated as PO4) 2 g / l nitric acid 0.5 g / l sulfuric acid 0.03 g / l nickel pH approx. 3.0.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen für Gleitvorgänge sowie dessen Anwendung zur Vorbereitung der Werkstücke für die Kaltumformung.The invention relates to a method for preparing workpieces made of titanium or titanium alloys for sliding operations and its use for preparing the workpieces for cold forming.

Bei der Kaltumformung von Metallen ist es unabdingbar, mit Hilfe von Schmiermitteln Schmierschichten zu erzeugen, um ein Anfressen, d.h. einen direkten Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug bei der Kaltumformung, zu vermeiden. Beispielsweise werden im Falle der Kaltumformung von Stahl bei relativ geringen Umformungsgraden ölhaltige Hochdruckschmiermittel, bei stärkeren Umformungsgraden auf Phosphat- oder Oxalatüberzüge aufgebrachte Seifen oder feste Schmiermittel eingesetzt.In the cold forming of metals, it is essential to create lubricating layers with the help of lubricants in order to prevent corrosion, i.e. avoid direct contact between workpiece and tool during cold forming. For example, in the case of cold forming of steel, oil-containing high-pressure lubricants are used at relatively low degrees of deformation, soaps or solid lubricants applied to phosphate or oxalate coatings at higher degrees of deformation.

Ähnlich wie bei Stahl werden auch Titan oder Titanlegierungen in unterschiedlichen Verfahren der Kaltumformung, wie Rohrzug, Drahtzug, Kaltfließpressen, Kaltwalzen von Blech, unterworfen. Im Unterschied zu Stahl neigen jedoch Titan und Titanlegierungen in weit stärkerem Maße zum Anfressen, da deren chemische Beständigkeit größer ist und demzufolge geeignete Schmiermittelträgerschichten nur mit Schwierigkeiten aufbringbar sind. Daher ist der gegenwärtige Stand, beim Rohrzug Schmieröl auf Glühzunder oder auf einen Harzüberzug als Schmiermittelträger aufzubringen. Soweit Konversionsüberzüge betroffen sind, beschränken sich die Untersuchungen auf Fluoridüberzüge.Similar to steel, titanium or titanium alloys are also subjected to cold forming in various processes, such as tube drawing, wire drawing, cold extrusion, and cold rolling of sheet metal. In contrast to steel, however, titanium and titanium alloys tend to seize to a much greater extent, since their chemical resistance is greater and, accordingly, suitable lubricant carrier layers are difficult to apply. It is therefore the current state of the art to apply lubricating oil to incandescent scale or to a resin coating as a lubricant carrier in the pipe drawing. As far as conversion coatings are concerned, the investigations are limited to fluoride coatings.

Beim Kaltwalzen von Blech aus Titan oder Titanlegierungen können wegen der Neigung zum Anfressen und wegen der größeren Metallhärte Walzen mit großem Durchmesser nicht verwendet werden. Daher sind mit Walzen geringeren Durchmessers ausgestattete Sendzimir-Walzwerke wie zum Walzen von Edelstahl gebräuchlich. Als Schmiermittel dienen dabei üblicherweise solche auf Mineralölbasis.When cold rolling sheet metal made of titanium or titanium alloys, large diameter rolls cannot be used because of the tendency to seize and because of the greater metal hardness. That is why Sendzimir rolling mills equipped with rolls of smaller diameters are used, such as for rolling stainless steel. Mineral oil-based lubricants are usually used as lubricants.

Im Zusammenhang mit dem Kaltfließpressen sind zahlreiche Versuche zur Ermittlung geeigneter Schmierschichten unternommen worden, ohne jedoch bislang eine für den praktischen Gebrauch geeignete Lösung gefunden zu haben.In connection with cold extrusion, numerous attempts have been made to determine suitable lubricating layers without, however, finding a solution suitable for practical use.

Abgesehen davon, daß z.B. für den Rohrzug brauchbare Schmierschichten allenfalls mit Glühzunder oder einem Harzüberzug als Schmiermittelträger erhältlich sind, resultiert das nächste Problem aus der Notwendigkeit, den nach dem Umformvorgang verbliebenen Schmierschichtrest zu entfernen. Im konkreten Fall gestaltet sich dies sehr arbeitsintensiv.Apart from the fact that e.g. The lubrication layers that can be used for the pipe drawing are available with glow scale or a resin coating as the lubricant carrier, the next problem arises from the need to remove the remaining lubricating layer after the forming process. In the specific case, this is very labor-intensive.

Die Erzeugung von Schmierschichten mit einer Schmiermittelträgerschicht auf Fluoridbasis und anschließende Beseifung ergeben zwar gute Schmiereigenschaften, jedoch ist die Standzeit der Behandlungsbäder zur Aufbringung des Fluoridüberzuges äußerst kurz. Es ist daher sehr schwierig, eine gleichmäßige Überzugsausbildung über einen längeren Zeitraum sicherzustellen. Bei Titanlegierungen, insbesondere solchen höherer Korrosionsbeständigkeit, ist die Ausbildung eines Fluoridüberzuges nicht möglich.The generation of lubricating layers with a lubricant carrier layer based on fluoride and subsequent soaping result in good lubricating properties, but the service life of the treatment baths for applying the fluoride coating is extremely short. It is therefore very difficult to ensure uniform coating formation over a long period of time. In the case of titanium alloys, in particular those with higher corrosion resistance, it is not possible to form a fluoride coating.

Beim Kaltwalzen von Titan oder Titanlegierungen selbst mit einem Sendzimir-Walzwerk erfolgt ein Anfressen sehr leicht, so daß eine Querschnittsreduktion von nur unter 15% pro Stich möglich ist. Die Durchsatzleistung ist entsprechend gering. Auch die Erzeugung einer dünnen Oxidschicht durch Erhitzen des Werkstückes hat insoweit keine Verbesserung gebracht. Zwar ist auch in diesem Fall die Aufbringung eines Fluoridüberzuges von Vorteil, jedoch gelten die hierzu zuvor gemachten Bemerkungen in gleicher Weise.When cold rolling titanium or titanium alloys, even with a Sendzimir rolling mill, they are very easily scuffed, so that a cross-sectional reduction of only less than 15% per pass is possible. The throughput is correspondingly low. The generation of a thin oxide layer by heating the workpiece has not brought about any improvement in this regard. In this case, too, the application of a fluoride coating is advantageous, but the comments made above apply in the same way.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vorbereitung von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen für Gleitvorgänge bereitzustellen, daß die bekannten, insbesondere vorgenannten Nachteile nicht aufweist, die insbesondere Kaltumformung ohne Anfressen selbst bei hoher Querschnittsreduktion ermöglicht und über lange Zeit von gleichbleibender Qualität ist.The object of the invention is to provide a method for preparing workpieces made of titanium or titanium alloys for sliding processes that does not have the known, in particular the aforementioned disadvantages, which in particular enables cold forming without gassing even with a large reduction in cross section and is of constant quality over a long period of time.

Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der Eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß man die Werkstücke in eine wäßrige, saure Zinkphosphat enthaltende Phosphatierungslösung taucht und auf deren Oberfläche durch kathodische Elektrolyse einen Zinkphosphatüberzug erzeugt.The object is achieved by designing the method of the type mentioned at the outset in accordance with the invention in such a way that the workpieces are immersed in an aqueous phosphate solution containing acidic zinc phosphate and a zinc phosphate coating is produced on their surface by cathodic electrolysis.

Die innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens einzusetzende saure Zinkphosphatlösung enthält als Hauptbestandteil primäres Zinkphosphat. Der Zinkgehalt liegt im Bereich von 1 bis 50 g/l, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20 g/l. Der Phosphatgehalt beträgt in der Regel 3 bis 140 g pro Liter (ber. als PO₄) vorzugsweise 10 bis 60 g pro Liter. Ein Zusatz von von Zink verschiedenen Ionen, wie Kalzium, Mangan oder Eisen ist möglich und erlaubt Phosphatüberzüge von modifizierter Form zu erhalten.The acidic zinc phosphate solution to be used in the process according to the invention contains primary zinc phosphate as the main constituent. The zinc content is in the range from 1 to 50 g / l, preferably in the range from 5 to 20 g / l. The phosphate content is usually 3 to 140 g per liter (calculated as PO₄), preferably 10 to 60 g per liter. The addition of ions other than zinc, such as calcium, manganese or iron, is possible and allows modified phosphate coatings to be obtained.

Die Phosphatierungslösung enthält üblicherweise Oxidationsmittel, die organischer oder anorganischer Art sein können. Beispiele hierfür sind Nitrat, Nitrit, Wasserstoffperoxid, Nitrobenzolsulfonat und para-Nitrophenol-Verbindungen.The phosphating solution usually contains oxidizing agents, which can be organic or inorganic. Examples include nitrate, nitrite, hydrogen peroxide, nitrobenzenesulfonate and para-nitrophenol compounds.

Der pH-Wert der Phosphatierungslösung ist in der Regel im Bereich von 0 bis 5, vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 3,5. Er kann z.B. mit Hilfe von Natronlauge oder Natriumkarbonat eingestellt werden.The pH of the phosphating solution is generally in the range from 0 to 5, preferably in the range from 1.5 to 3.5. He can e.g. be adjusted with the help of sodium hydroxide solution or sodium carbonate.

Die Phosphatierungslösung wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 30 bis 80°C, vorzugsweise von 40 bis 60°C eingesetzt. Bei der kathodischen Elektrolyse wird das Werkstück als Kathode geschaltet, während z.B. eine Zinkplatte als Anode dient. Weitere geeignete Anodenmaterialien sind Graphit, Platinbleche, Edelstahlbleche und dergleichen.The phosphating solution is generally used at a temperature of 30 to 80 ° C, preferably 40 to 60 ° C. In cathodic electrolysis, the workpiece is switched as a cathode, while e.g. a zinc plate serves as an anode. Other suitable anode materials are graphite, platinum sheets, stainless steel sheets and the like.

Bei der Elektrolyse sollten die Bedingungen hinsichtlich Elektrodenabstand, Stromdichte und Behandlungsdauer derart gewählt werden, daß die geforderten Überzugseigenschaften erhalten werden. Der Elektrodenabstand beträgt etwa 5 bis 30 cm, die Stromdichte 0,2 bis 30 A/dm², vorzugsweise 0,5 bis 5 A/dm², und die Elektrolysedauer 10 s bis 5 min. Eine übermäßig hohe Stromdichte und übermäßig lange Elektrolysedauer kann zu einer Schwarzfärbung des erzeugten Überzuges oder verminderter Haftung des Überzuges führen.During electrolysis, the conditions with regard to electrode spacing, current density and duration of treatment should be selected in such a way that the required coating properties are obtained. The electrode spacing is about 5 to 30 cm, the current density is 0.2 to 30 A / dm², preferably 0.5 to 5 A / dm², and the electrolysis time is 10 s to 5 min. An excessively high current density and an excessively long electrolysis time can lead to blackening of the coating produced or reduced adhesion of the coating.

Der Zinkphosphatüberzug, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, weist in der Regel ein Schichtgewicht von 2 bis 20 g/m² auf. Auf ihn werden an sich bekannte Schmiermittel, wie Natriumseife von Fettsäuren, Mineralöl und festen Schmiermitteln, aufgebracht.The zinc phosphate coating which is obtained by the process according to the invention generally has a layer weight of 2 to 20 g / m². Known lubricants such as sodium soap from fatty acids, mineral oil and solid lubricants are applied to it.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung behandelt man die Werkstücke vor dem Eintauchen in die Phosphatierungslösung mit einem wäßrigen Konditionierungsmittel auf Basis einer kolloidalen Titanverbindung vor.According to a preferred embodiment of the invention, the workpieces are pretreated with an aqueous conditioning agent based on a colloidal titanium compound before immersion in the phosphating solution.

Als wäßrige Konditionierungslösung dienen die für die Phosphatierung von Metalloberflächen an sich bekannten Konditionierungsmittel. Sie enthalten im allgemeinen 10 bis 200 ppm Titan, 200 bis 3000 ppm Phosphat, 30 bis 600 ppm Pyrophosphat und besitzen einen pH-Wert von 7,5 bis 9,5. Als Quellen für die einzelnen Komponenten können Titansulfat, Titanylsulfat oder Titanoxid, bzw. Phosphorsäure oder Alkali- oder Ammoniumphosphat bzw. Alkali- oder Ammoniumpyrophosphat dienen. Die Herstellung des Aktivierungsmittels geschieht auf einfache Weise durch Vermischen der oben genannten Stoffe mit Wasser. Anschließend wird das Wasser entfernt und der Rückstand homogen mit Natriumkarbonat und dergleichen vermischt, so daß ein Feststoff resultiert, der _ wenn in Wasser mit den oben genannten Mengenangaben gelöst _ zum vorgeschriebenen pH-Wert führt. Die Aufgabe des Konditionierungsmittels besteht darin, auf den Oberflächen des Titans bzw. der Titanlegierungen haftfeste kolloidale Titanverbindungen aufzubringen, die die Schichtausbildung und die Schichtqualität bei der anschließenden Überzugsausbildung verbessern. Demzufolge führen geringere Titankonzentrationen als die vorstehend angegebenen zu einer schlechteren Überzugsausbildung. Höhere Titankonzentrationen bewirken keinen zusätzlichen Effekt. In ähnlicher Weise wirken sich abweichende Konzentration von Phosphat und Pyrophosphat aus.The conditioning agents known per se for the phosphating of metal surfaces serve as the aqueous conditioning solution. They generally contain 10 to 200 ppm titanium, 200 to 3000 ppm phosphate, 30 to 600 ppm pyrophosphate and have a pH of 7.5 to 9.5. Titanium sulfate, titanyl sulfate or titanium oxide, or phosphoric acid or alkali or ammonium phosphate or alkali or ammonium pyrophosphate can serve as sources for the individual components. The activation agent is produced in a simple manner by mixing the above-mentioned substances with water. Then the water is removed and the residue is homogeneously mixed with sodium carbonate and the like, so that a solid results, which, when in water with the above-mentioned quantities stated _ leads to the prescribed pH value. The task of the conditioning agent is to apply adherent, colloidal titanium compounds to the surfaces of the titanium or the titanium alloys, which improve the layer formation and the layer quality during the subsequent coating formation. As a result, lower titanium concentrations than those given above result in poorer coating formation. Higher titanium concentrations have no additional effect. Differing concentrations of phosphate and pyrophosphate have a similar effect.

Was den pH-Wert der wäßrigen Konditionierungslösung anlangt, so wird beiniedrigeren Werten als den genannten die nachfolgende Überzugsausbildung behindert. Dasselbe ist der Fall, wenn der pH-Wert höher ist.As for the pH of the aqueous conditioning solution, lower values than those mentioned hinder the subsequent coating formation. The same is the case when the pH is higher.

Nach der Behandlung im wäßrigen Konditionierungsmittel werden die Werkstücke in die wäßrige Zinkphosphatlösung für die kathodische Elektrolyse eingetaucht. Die Bedingungen hinsichtlich der Zinkphosphatlösung und der kathodischen Elektrolyse sind die gleichen wie vorstehend erwähnt. Auch finden die bereits oben genannten an sich bekannten Schmiermittel Anwendung.After the treatment in the aqueous conditioning agent, the workpieces are immersed in the aqueous zinc phosphate solution for cathodic electrolysis. The conditions regarding the zinc phosphate solution and the cathodic electrolysis are the same as mentioned above. The lubricants known per se already mentioned are also used.

Zum Schichtbildungsmechanismus ist folgendes anzumerken:The following should be noted regarding the layer formation mechanism:

Im Falle der Behandlung von Stahl kann auf dem Werkstück ein Zinkphosphatüberzug durch Tauchen in eine saure Zinkphosphatlösung in einfachster Weise erhalten werden, wohingegen im Falle der Behandlung des Titans oder der Titanlegierungen, die mit einem dichten Oxidüberzug auf der Oberfläche behaftet sind, die Beizreaktion durch Phosphorsäure nicht stattfindet und demzufolge ein Phosphatüberzug nur schwer gebildet wird.In the case of treating steel, a zinc phosphate coating can be applied to the workpiece by dipping it in an acidic one Zinc phosphate solution can be obtained in the simplest way, whereas in the case of the treatment of titanium or titanium alloys which have a dense oxide coating on the surface, the pickling reaction by phosphoric acid does not take place and consequently a phosphate coating is difficult to form.

Die Reaktion in saurer Zinkphosphatlösung läßt sich durch die folgenden Beziehungen ausdrücken:
Me + 2H⁺  →  Me²⁺ + H₂ ↑

Figure imgb0001

Me  =  Metall
Figure imgb0002

3 Zn(H₂PO₄)₂  →  Zn₃(PO₄)₂ + 4 H₃PO₄
Figure imgb0003

The reaction in acidic zinc phosphate solution can be expressed by the following relationships:
Me + 2H⁺ → Me²⁺ + H₂ ↑
Figure imgb0001

Me = metal
Figure imgb0002

3 Zn (H₂PO₄) ₂ → Zn₃ (PO₄) ₂ + 4 H₃PO₄
Figure imgb0003

Wenn die Reaktion (1) stattfindet und sich demzufolge der pH-Wert in unmittelbarer Nähe der Metalloberfläche erhöht, findet die Reaktion (2) statt und tertiäres Metallphosphat scheidet sich ab unter Ausbildung eines Überzuges. Ohne Ablauf der Reaktion gemäß (1) kann eine Überzugsausbildung nicht erfolgen.When reaction (1) takes place and, consequently, the pH increases in the immediate vicinity of the metal surface, reaction (2) takes place and tertiary metal phosphate separates out to form a coating. Without the reaction according to (1), the coating cannot be formed.

Im Falle der Behandlung von Titan oder Titanlegierungen findet die Reaktion (1) nicht statt und demzufolge erfolgt keine Überzugsausbildung. Bei der Anwendung der kathodischen Elektrolyse läuft analog der Beziehung (1) eine Reaktion entsprechend
2H⁺ + 2e  →  H₂ ↑

Figure imgb0004

ab.In the case of the treatment of titanium or titanium alloys, reaction (1) does not take place and consequently no coating is formed. When using cathodic electrolysis, a reaction proceeds analogously to relationship (1)
2H⁺ + 2e → H₂ ↑
Figure imgb0004

from.

Diese Reaktion erhöht ebenfalls den pH-Wert in der Nähe der Metalloberfläche, so daß die Reaktion entsprechend der Beziehung (2) stattfinden kann. Das bedeutet also, daß ohne einen Beizangriff Titan oder Titanlegierungen einen Zinkphosphatüberzug erhalten können. Weiterhin ist infolge der Anwesenheit von Zinkionen in der Behandlungslösung eine Abscheidung von metallischem Zink als Folge der kathodischen Elektrolyse feststellbar.This reaction also increases the pH in the vicinity of the metal surface, so that the reaction can take place according to the relationship (2). This means that titanium or titanium alloys can be coated with zinc phosphate without pickling. Furthermore, due to the presence of zinc ions in the treatment solution, a deposition of metallic zinc as a result of the cathodic electrolysis can be determined.

Bei Ausgestaltung der Erfindung mit Konditionierung der Werkstücke in einer kolloidale Titanverbindung enthaltenden Lösung werden an der Metalloberfläche anhaftende Partikel aus Titanverbindung erhalten, die die Rolle eines Kristallkeimes spielen und ein einfaches Aufwachsen der Zinkphosphatkristalle aus der wäßrigen Zinkphosphatlösung gestatten. Infolge der großen Zahl von Kristallkeimen ist der gebildete Phosphatüberzug dünn und feinkörnig sowie von guter Haftung. Im Unterschied hierzu ist ohne eine Vorbehandlung durch ein Konditionierungsmittel die Zinkphosphatabscheidung an kathodischen Bereichen der Metalloberfläche begünstigt. Dann spielen die zunächst abgeschiedenen Phosphatkristalle die Rolle eines Kristallkeimes für die weitere Schichtausbildung. Hierbei werden jedoch in der Regel wegen einer nur geringen Zahl von Kristallkeimen die gebildeten Überzüge dick und von poröser Beschaffenheit.In the embodiment of the invention with conditioning of the workpieces in a solution containing a colloidal titanium compound, particles of titanium compound adhering to the metal surface are obtained, which play the role of a crystal nucleus and allow the zinc phosphate crystals to grow easily from the aqueous zinc phosphate solution. As a result of the large number of crystal nuclei, the phosphate coating formed is thin and fine-grained and has good adhesion. In contrast to this, the zinc phosphate deposition on cathodic areas of the metal surface is favored without a pretreatment by a conditioning agent. Then the initially deposited phosphate crystals play the role of a crystal seed for further layer formation. However, as a rule the coatings formed become thick and of a porous nature because of the small number of crystal nuclei.

Im Falle der Behandlung von Titan oder Titanlegierungen durch kathodische Elektrolyse mit Hilfe von Zinkphosphatlösungen findet der bei Stahl übliche Beizangriff nicht statt. Deshalb wird nahezu kein Metall aus der behandelten Metalloberfläche gelöst und in die Lösung überführt. Das führt zu dem Vorteil, daß die Phosphatierungslösung praktisch keine Alterung erfährt, noch eine Schlammbildung auftritt, so daß die Überwachung der Phosphatierungslösung in einfachster Weise erfolgen kann.In the case of the treatment of titanium or titanium alloys by cathodic electrolysis with the aid of zinc phosphate solutions, the pickling attack customary for steel does not take place. Therefore, almost no metal is released from the treated metal surface and transferred into the solution. This leads to the advantage that the Phosphating solution experiences practically no aging, nor does sludge occur, so that the phosphating solution can be monitored in the simplest way.

Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Zinkphosphatschichten werden mit einem an sich bekannten Schmiermittel nachbehandelt, so daß die Werkstücke für einen anschließenden Gleitvorgang hervorragende Eigenschaften besitzt. Die Schmierschicht kann über einen langen Zeitraum gleichmäßig ausgeführt werden, ohne daß es z.B. bei der anschließenden Kaltverformung zum Anfressen kommt.The zinc phosphate layers produced with the aid of the method according to the invention are aftertreated with a lubricant known per se, so that the workpieces have excellent properties for a subsequent sliding operation. The smear layer can be made uniform over a long period of time without e.g. comes to fretting during the subsequent cold forming.

Die Tatsache, daß durch die elektrophoretische Abscheidung von Zinkphosphat keine Metallionen aus der behandelten Metalloberfläche in die Lösung gelangen, hat den Vorzug, daß die Standzeit der Phosphatierungslösung sehr groß ist und eine Schlammbildung unterdrückt wird. Dadurch ist eine einfache Überwachung der Behandlungslösung möglich.The fact that no metal ions get into the solution from the treated metal surface due to the electrophoretic deposition of zinc phosphate has the advantage that the service life of the phosphating solution is very long and sludge formation is suppressed. This makes it easy to monitor the treatment solution.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Behandlung aller Werkstücke, die zumindest vorübergehend irgendwelchen Gleitvorgängen ausgesetzt sind, bestimmt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Getriebeteile, Lager und dergleichen, aber auch um z.B. der Befestigung dienende Gegenstände, wie Bolzen, Schraubgewinde und dergleichen. Die größte Bedeutung des Verfahrens liegt jedoch in seiner Anwendung zur Vorbereitung von Werkstücken für die Kaltumformung.The method according to the invention is intended for the treatment of all workpieces which are at least temporarily exposed to any sliding processes. These are in particular gear parts, bearings and the like, but also, for example, objects used for fastening, such as bolts, screw threads and the like. However, the greatest importance of the process lies in its application for the preparation of workpieces for cold forming.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele näher und beispielsweise erläutert.The invention is explained in more detail and exemplified by the following examples and comparative examples.

Beispiel 1example 1

Gereinigte Bleche aus reinem Titan (JIS grade 1) mit den Abmessungen 100  ×  50  ×  0,8 mm wurden mit einer Phosphatierungslösung der nachfolgenden Beschaffenheit elektrolytisch phosphatiert:

9,6 g/l Zink
36,3 g/l Phosphorsäure (ber. als PO₄)
2 g/l Salpetersäure
0,5 g/l Schwefelsäure
0,03 g/l Nickel
pH-Wert ca. 3,0.
Cleaned sheets of pure titanium (JIS grade 1) with the dimensions 100 × 50 × 0.8 mm were electrolytically phosphated with a phosphating solution of the following quality:

9.6 g / l zinc
36.3 g / l phosphoric acid (calculated as PO₄)
2 g / l nitric acid
0.5 g / l sulfuric acid
0.03 g / l nickel
pH approx. 3.0.

Die Elektrolysebedingungen waren:

Figure imgb0005
The electrolysis conditions were:
Figure imgb0005

Im Anschluß daran wurden die phosphatierten Bleche mit einem Schmiermittel (Palube 235, ein Produkt der Firma Nihon Parkerizing Co., Ltd., mit Natriumstearat als Hauptbestandteil) behandelt. Die Konzentration des Schmiermittels betrug 70 g/l, dessen Temperatur 75°C und die Behandlungsdauer 3 min.The phosphated sheets were then treated with a lubricant (Palube 235, a product of Nihon Parkerizing Co., Ltd., with sodium stearate as the main component). The concentration of the Lubricant was 70 g / l, its temperature 75 ° C and the treatment time 3 minutes.

Vergleichsbeispiele 1 bis 3Comparative Examples 1 to 3

Gereinigte Bleche aus Titan der in Beispiel 1 genannten Qualität wurden wie folgt behandelt:Cleaned titanium sheets of the quality specified in Example 1 were treated as follows:

(Vergleichsbeispiel 1)(Comparative Example 1)

Die Bleche wurden mit Hilfe von 111 QD (Produkt der Firma Hangstafer), dessen Hauptbestandteil ein Gummiharz ist, mit einem Kunststoffüberzug von 10 µm Dicke versehen, über den ein eine organische Chlorverbindung enthaltendes Schmiermittel (J1, Produkt der Firma Hangstafer) in einer Menge von 10 g/m² aufgebracht wurde.The sheets were provided with the aid of 111 QD (product from Hangstafer), the main component of which is a rubber resin, with a plastic coating 10 μm thick, over which a lubricant containing an organic chlorine compound (J1, product from Hangstafer) was applied in an amount of 10 g / m² was applied.

(Vergleichsbeispiel 2)(Comparative Example 2)

Über den durch Behandlung bei 700°C während 1 Stunde erzeugten Glühzunder wurde ein eine organische Chlorverbindung enthaltendes Schmiermittel (J1, Produkt der Firma Hangstafer) in einer Menge von 10 g/m² aufgebracht.A lubricant containing an organic chlorine compound (J1, product from Hangstafer) was applied in an amount of 10 g / m 2 over the glow scale produced by treatment at 700 ° C. for 1 hour.

(Vergleichsbeispiel 3)(Comparative Example 3)

Mit Hilfe einer fluoridhaltigen Lösung (Palmet 3851, Produkt der Firma Nihon Parkerizing Co., Ltd.) wurde unter Beachtung folgender Bedingungen ein Fluoridüberzug erzeugt:

Figure imgb0006
With the aid of a fluoride-containing solution (Palmet 3851, product of Nihon Parkerizing Co., Ltd.), a fluoride coating was produced under the following conditions:
Figure imgb0006

Als Schmiermittel diente das in Biespiel 1 genannte Palube 235, das unter den gleichen Bedingungen aufgebracht wurde.The palube 235 mentioned in Example 1, which was applied under the same conditions, served as the lubricant.

Die auf die vorstehende Weise erhaltenen vier Blechserien wurden mit einem Bauden-Testgerät (Firma Toyo, Baldwin, Modell EFM-4) geprüft. Der Test erfolgte bei Raumtemperatur unter einer Belastung von 5 kg bei einer Gleitamplitude von 10 mm und einer Gleitgeschwindigkeit von 10 mm/sec.The four sheet series obtained in the above manner were tested with a Bauden test device (Toyo, Baldwin, model EFM-4). The test was carried out at room temperature under a load of 5 kg with a sliding amplitude of 10 mm and a sliding speed of 10 mm / sec.

Die Auswertung des Testes erfolgte sowohl durch Ermittlung der Zahl der Gleitbewegungen bis zu einem Friktionskoeffizienten von 0,25 (Auftreten von Anfreß-Marken) als auch durch Ermittlung des Friktionskoeffizienten.

Figure imgb0007
The test was evaluated both by determining the number of sliding movements up to a friction coefficient of 0.25 (occurrence of contact marks) and by determining the friction coefficient.
Figure imgb0007

Die Tabelle zeigt, daß das nach Beispiel 1 behandelte Titanblech eine beträchtlich höhere Zahl von Gleitbewegungen bis zum Auftreten eines Anfressens zuläßt und zudem einen geringeren Friktionskoeffizienten besitzt als die nach den Vergleichsbeisielen 1 bis 3 behandelten Titanbleche.The table shows that the titanium sheet treated according to Example 1 permits a considerably higher number of sliding movements until seizure occurs and also has a lower friction coefficient than the titanium sheet treated according to Comparative Examples 1 to 3.

Bezüglich Vergleichsbeispiel 3 ist zu beachten, daß die Gleitwerte zwar ähnlich gut wie im Falle der Behandlung durch Beispiel 1 sind, daß aber das verwendete Behandlungsbad bereits nach einem Durchsatz von 0,3 m²/l Lösung bereits derart abgearbeitet ist, daß die anschließend erhaltenen Schichten von erheblich geringerer Qualität sind.With regard to comparative example 3, it should be noted that the sliding values are similarly good as in the case of the treatment by example 1, but that the treatment bath used is already processed after a throughput of 0.3 m 2 / l of solution such that the layers subsequently obtained are of significantly lower quality.

Beispiel 2Example 2

Titanbleche der in Beispiel 1 genannten Qualität, jedoch mit den Abmessungen 200 mm  ×  20 mm  ×  1,3 mm, wurden in der Phosphatierungslösung und unter den Bedingungen gemäß Beispiel 1 elektrolytisch phosphatiert. Eine Nachbehandlung mit Schmiermittel unterblieb.Titanium sheets of the quality mentioned in Example 1, but with the dimensions 200 mm × 20 mm × 1.3 mm, were electrolytically phosphated in the phosphating solution and under the conditions according to Example 1. There was no after-treatment with lubricant.

Vergleichbeispiele 4 bis 6Comparative Examples 4 to 6

Das in Beispiel 2 definierte Titanblech erfuhr folgende Behandlung.The titanium sheet defined in Example 2 received the following treatment.

(Vergleichsbeispiel 4)(Comparative Example 4)

Keinerlei Behandlung.No treatment at all.

(Vergleichsbeispiel 5)(Comparative Example 5)

Erhitzen auf 300°C zwecks Ausbildung eines Oxidfilmes von 200 nm Dicke.Heat to 300 ° C to form an oxide film 200 nm thick.

(Vergleichsbeispiel 6)(Comparative Example 6)

Behandlung mit einem Fluoridbad (Palmet 3851 der Firma Nihon Parkerizing) mit den Bedingungen

Konzentration
24 g/l
Temperatur
60°C
Behandlungsdauer
2 min.

Treatment with a fluoride bath (Palmet 3851 from Nihon Parkerizing) with the conditions
concentration
24 g / l
temperature
60 ° C
Duration of treatment
2 min.

Die Bleche der einzelnen Versuche wurden mit Hilfe eines Duofeinblechwalzwerkes (Prüfvorrichtung) unter Verwendung von Walzöl (Finerol 704-3 der Firma Nihon Parkerizing) einer Konzentration von 10% und von 40°C gewalzt.

Figure imgb0008
The sheets of the individual tests were rolled with the aid of a duofin sheet mill (testing device) using rolling oil (Finerol 704-3 from Nihon Parkerizing) at a concentration of 10% and 40 ° C.
Figure imgb0008

Für jede der nach Beispiel 2 bzw. Vergleichsbeispielen 4 bis 6 erhaltenen Blechserie wurde der Wert  Σ  (%/T) bestimmt. Er steht für die Summe der Quotienten aus Querschnittsreduktion (in %) pro Stich dividiert durch Walzkraft (in t/mm²).

Figure imgb0009
The value Σ (% / T) was determined for each of the sheet series obtained according to Example 2 or Comparative Examples 4 to 6. It stands for the sum of the quotients from cross-section reduction (in%) per pass divided by rolling force (in t / mm²).
Figure imgb0009

Ein Vergleich zeigt, daß das konventionelle Verfahren gemäß Vergleichsversuch 4 mit sehr schlechten Ergebnissen verbunden ist.A comparison shows that the conventional method according to comparative experiment 4 is associated with very poor results.

Das Vergleichsbeispiel 6 führt zu Werten, die dicht bei dem gemäß vorliegender Erfindung liegen. Jedoch hat sich dieses Verfahren (Fluoridverfahren) aus Gründen der geringen Standzeit der Behandlungsbäder in der Praxis nicht durchsetzen können.Comparative example 6 leads to values that are close to that according to the present invention. However, due to the short life of the treatment baths, this method (fluoride method) has not been successful in practice.

Beispiel 3Example 3

Dieses Beispiel stimmt mit dem Beispiel 1 hinsichtlich Blechqualität, elektrolytischer Phosphatierung und Nachbehandlung überein. Es wurde lediglich eine Konditionierungsbehandlung durch 10 sec langes Eintauchen in ein 3 g/l Titanverbindung (Prepalene Z der Firma Nihon Parkerizing) enthaltendes wäßriges Konditionierungsmittel von Raumtemperatur vorgeschaltet.This example corresponds to Example 1 in terms of sheet quality, electrolytic phosphating and aftertreatment. It was only preceded by a conditioning treatment by immersing for 10 seconds in an aqueous conditioning agent containing 3 g / l of titanium compound (Prepalene Z from Nihon Parkerizing) at room temperature.

Die Testbleche wurden dem im Beispiel 1 erläuterten Bauden-Test unterworfen. Die nachfolgende Tabelle 3 veranschaulicht, daß infolge der zusätzlich vorgenommenen Aktivierung noch bessere Ergebnisse als im Falle des Beispiels 1 erhalten werden.

Figure imgb0010
The test panels were subjected to the Bauden test explained in Example 1. Table 3 below illustrates that, as a result of the additional activation carried out, even better results are obtained than in the case of Example 1.
Figure imgb0010

Claims (3)

1. Method for preparing work pieces made of titanium or titanium alloys for sliding purposes, characterized in that the work pieces are immersed into an aqueous acid zinc phosphate containing phosphatizing solution and in that a zinc phosphate layer is produced by cathodic electrolysis on the surfaces of the pork pieces.
2. Method according to claim 1, characterized in that the work pieces are pretreated before immersing into the phosphatizing solution with an aqueous conditioning medium based on a colloidal titanium compound.
3. Application of the method as described in claims 1 or 2 for preparing work pieces made of titanium or titanium alloys for cold working.
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