EP0472957B1 - Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter Bauteile aus Eisenwerkstoffen - Google Patents
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- EP0472957B1 EP0472957B1 EP91113185A EP91113185A EP0472957B1 EP 0472957 B1 EP0472957 B1 EP 0472957B1 EP 91113185 A EP91113185 A EP 91113185A EP 91113185 A EP91113185 A EP 91113185A EP 0472957 B1 EP0472957 B1 EP 0472957B1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/80—After-treatment
Definitions
- the invention relates to a method for improving the corrosion resistance of nitrocarburized components made of ferrous materials, which are subjected to one or more oxidation treatment in an oxidizing salt bath or with steam at 500 to 580 ° C and optionally mechanical processing after coating with a thin layer of one organic material.
- the corrosion resistance of components made of ferrous materials that have been nitrocarburized and quenched from the nitrocarburizing temperature in water or in oil is significantly improved compared to the untreated condition. It is irrelevant whether the nitrocarburizing treatment was carried out in a salt bath, in gas or in plasma.
- a further increase in corrosion resistance can be achieved if an oxidation treatment is carried out after nitrocarburizing. This can be done by steam treatment in the temperature range 500 to 580 ° C.
- the oxidation after nitrocarburizing can also be carried out in an oxidizing salt bath, as described for example in DE-PS 29 34 113.
- nitrocarburization is carried out in a salt bath, the oxidation process will follow immediately, i.e. Transfer the components directly from the nitrocarburizing to the oxidation salt bath without intermediate cooling. If, on the other hand, nitrocarburization is carried out in the gas or in the plasma, it must generally first be cooled to room temperature and the oxidation subsequently effected by hanging it in the salt bath. Although this procedure also results in a significant increase in corrosion resistance, it is less than in salt bath nitrocarburization with direct oxidation in the salt bath without intermediate cooling.
- a further increase in corrosion resistance is possible if the surface treatment is followed by mechanical surface treatment (e.g. polishing, lapping, surface grinding) and repeated oxidation.
- the corrosion resistance values achieved with this method of operation are comparable to or better than those of high-quality galvanic layers.
- EP-PS 0 077 627 A method is known from EP-PS 0 077 627 for providing nitrocarburized components made of ferrous materials with an oxide layer and then quenching them. The components can then be coated with a thin wax coating. In practice, however, this wax film does not bring any appreciable increase in corrosion resistance.
- the present invention relates to a method for improving the corrosion resistance of nitrocarburized components made of ferrous materials which, after the nitrocarburization, are subjected to one or more oxidation treatments in an oxidizing salt bath or with steam at 500 to 580 ° C. and optionally subjected to mechanical processing, by coating with a thin layer of an organic material, the pretreated components being immersed in a 1-40% solution of a curable synthetic resin in water and / or organic solvents and then heat-treated at 80 to 200 ° C. for 2 to 30 minutes, the concentration of the solution must be chosen so that a synthetic resin layer of 0.2 to 5 microns thick.
- a solution is preferably used which contains 5 to 25% by weight of a thermosetting synthetic resin.
- a thermosetting synthetic resin In addition to epoxy resins, melamine resins, polyester resins and polyurethane resins, alkyd resins, acrylate resins and phenolic resins have proven to be the most suitable for this purpose.
- the temperature and time of the heat treatment depends on the type of synthetic resin used.
- the synthetic resins can be used in pure or modified form.
- the concentration of the solution must be chosen so that a synthetic resin layer with a thickness of 0.2 to 5 microns is formed.
- the post-treatment of the pretreated components according to the invention surprisingly increases their corrosion resistance considerably. Values are achieved that go far beyond the mere protective effect of such a thin, thin synthetic resin layer.
- the corrosion resistance in the salt spray test according to DIN 50021 is increased several times. Even after 3000 hours, several samples in the salt spray test show no corrosion attack (see table). The fatigue strength and wear resistance of the component are retained, the color is not changed.
- the surface treatment also reduces the surface roughness. This is generally desirable, but it can also be undesirable in individual cases (changed sliding properties, oil adhesion).
- suitable additives for the immersion bath for the aftertreatment the roughness depth can be changed within wide limits. For example, highly disperse silica can be used as an additive.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter Bauteile aus Eisenwerkstoffen, die nach der Nitrocarburierung einer oder mehrerer Oxidationsbehandlung in einem oxidierenden Salzbad oder mit Wasserdampf bei 500 bis 580° C und gegebenenfalls einer mechanischen Bearbeitung unterworfen sind, durch Überziehen mit einer dünnen Schicht eines organischen Materials.
- Die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen, die nitrocarburiert und von der Nitrocarburiertemperatur in Wasser oder in Öl abgeschreckt wurden, ist gegenüber dem unbehandelten Zustand erheblich verbessert. Dabei ist es unerheblich, ob die Nitrocarburierbehandlung im Salzbad, im Gas oder im Plasma durchgeführt worden ist.
- Eine weitere Steigerung der Korrosionsbeständigkeit kann erzielt werden, wenn im Anschluß an das Nitrocarburieren eine Oxidationsbehandlung erfolgt. Das kann geschehen durch eine Wasserdampfbehandlung im Temperaturbereich 500 bis 580° C. Die Oxidation im Anschluß an das Nitrocarburieren kann außerdem in einem oxidierenden Salzbad durchgeführt werden, wie dies beispielsweise in der DE-PS 29 34 113 beschrieben ist.
- Wird die Nitrocarburierung im Salzbad durchgeführt, so wird man den Oxidationsvorgang sofort anschließen, d.h. die Bauteile ohne Zwischenabkühlung direkt vom Nitrocarburier- in das Oxidationssalzbad umhängen. Wird dagegen im Gas oder im Plasma nitrocarburiert, muß im allgemeinen zunächst auf Raumtemperatur abgekühlt und die Oxidation anschließend durch Einhängen in das Salzbad bewirkt werden. Zwar resultiert auch bei dieser Verfahrensweise eine erhebliche Steigerung der Korrosionsbeständigkeit, sie ist aber geringer als bei Salzbadnitrocarburierung mit direkter Oxidation im Salzbad ohne Zwischenkühlung.
- Eine weitere Steigerung der Korrosionsbeständigkeit ist möglich, wenn im Anschluß an die Oxidationsbehandlung eine mechanische Oberflächenbearbeitung (z.B. Polieren, Läppen, Gleitschleifen) und eine nochmalige Oxidation erfolgt. Die mit dieser Arbeitsweise erzielten Werte der Korrosionsbeständigkeit (z.B. im Salzsprühtest) sind vergleichbar mit denen qualitativ erstklassiger galvanischer Schichten oder besser als diese.
- Aus der EP-PS 0 077 627 ist ein Verfahren bekannt, nitrocarburierte Bauteile aus Eisenwerkstoffen mit einer Oxidschicht zu versehen und sie dann abzuschrecken. Anschließend können die Bauteile mit einem dünnen Wachsüberzug ausgestattet werden. Dieser Wachsfilm bringt in der Praxis allerdings keinen nennenswerten Zuwachs an Korrosionsbeständigkeit.
- Aus der EP-A-0 053 521 sind Maschinenelemente bekannt, die auf einer nicht nachbehandelten Carbonitridschicht eine Schutzschicht aus Kunststoffen oder Harzen tragen, die in der porösen Carbonitridschicht verankert ist. Diese Schutzschicht dient zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und zur Verringerung der Reibung. Über die Dicke dieser Schutzschicht und über deren thermischen Behandlung werden keine Angaben gemacht.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter Bauteile aus Eisenwerkstoffen, die nach der Nitrocarburierung einer oder mehrerer Oxidationsbehandlung in einem oxidierenden Salzbad oder mit Wasserdampf bei 500 bis 580° C und gegebenenfalls einer mechanischen Bearbeitung unterworfen sind, durch Überziehen mit einer dünnen Schicht eines organischen Materials, wobei die vorbehandelten Bauteile in eine 1-40%-ige Lösung eines aushärtbaren Kunstharzes in Wasser und/oder organischen Lösungsmitteln eingetaucht und anschließend 2 bis 30 Minuten bei 80 bis 200° C wärmebehandelt werden, wobei die Konzentration der Lösung so gewählt werden muß, daß eine Kunstharzschicht von 0,2 bis 5 µm Dicke entsteht.
- Vorzugsweise verwendet man eine Lösung, die 5 bis 25 Gew.% eines wärmeaushärtbaren Kunstharzes enthält. Neben Epoxidharzen, Melaminharzen, Polyesterharzen und Polyurethanharzen haben sich für diesen Anwendungszweck Alkydharze, Acrylatharze und Phenolharze als am geeignetsten erwiesen. Die Temperatur und die Zeit der Wärmebehandlung ist von der Art des verwendeten Kunstharzes abhängig. Die Kunstharze können dabei in reiner oder modifizierter Form angewendet werden. Die Konzentration der Lösung muß so gewählt werden, daß eine Kunstharzschicht mit einer Dicke von 0,2 bis 5 µm entsteht.
- Durch die erfindungsgemäße Nachbehandlung der vorbehandelten Bauteile wird deren Korrosionsbeständigkeit überraschenderweise ganz erheblich gesteigert. Es werden Werte erreicht, die weit über die reine Schutzwirkung einer so dünnen dünnen Kunstharzschicht hinausgehen. So wird die Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest nach DIN 50021 um das mehrfache gesteigert. Selbst nach 3000 Stunden zeigen mehrere Proben im Salzsprühtest keinen Korrosionsangriff (siehe Tabelle). Die Dauerfestigkeit und der Verschleißwiderstand des Bauteils bleiben dabei erhalten, die Farbe wird nicht verändert. Durch die Nachbehandlung wird auch die Oberflächenrauhigkeit vermindert. Das ist im allgemeinen erwünscht, kann aber in Einzelfällen auch unerwünscht sein (veränderte Gleiteigenschaften, Ölhaftung). Durch Verwendung geeigneter Zusätze zum Tauchbad für die Nachbehandlung kann die Rauhtiefe innerhalb weiter Grenzen verändert werden. Als Zusatzstoff kommt z.B. hochdisperse Kieselsäure infrage.
- Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:
Dabei wurden Proben aus dem Stahl Ck35 mit den Abmessungen 10 mm Durchmesser und einer Länge von 150 mm verwendet. Aus Gründen der statistischen Sicherung wurden pro Test 10 Proben verwendet, die völlig gleichartig behandelt wurden, und zwar jeweils gleichzeitig in einer Charge. Als Korrosionsprüfung diente der Salzsprühtest nach DIN50021, Ausfallkriterium war der erste sichtbare Korrosionspunkt. In der nachstehenden Tabelle ist jeweils der Mittelwert der zehn Proben, die Standardabweichung und der niedrigste und höchste Wert angegeben. Die Prüfung wurde generell nach 3000 Stunden abgebrochen. Proben, die sich nach diesem Zeitpunkt noch korrosionsfrei im Test befanden, wurden bei der Berechnung von Mittelwert und Standardabweichung mit 3000 Stunden angenommen. - 1. Die Bauteile wurden ohne Nitrocarburierbehandlung und ohne organischen Überzug dem Salzsprühtest unterzogen.
- 2. Die nicht vorbehandelten Bauteile wurden 1 Minute in die wässrige Lösung eines Alkydharzes getaucht, 10 Minuten bei 80° getrocknet und 10 Minuten bei 160° C behandelt. Die Alkydharzlösung bestand aus 25 Gewichtsteilen eines epoxidharzmodifizierten Alkydharzes in 280 Gewichtsteilen eines Wasser-Methoxipropoxipropanolgemisches (Verhältnis 20:1).
- 3. Die nicht vorbehandelten Bauteile wurden 2 Minuten in eine Acrylatharzlösung getaucht, 30 Minuten bei 80° C getrocknet und 10 Minuten bei 100° C behandelt. Die Acrylatharzlösung bestand aus 10 Gewichtsteilen eines Acrylatharzes mit 1,4 % OH-Gruppen in
200 Gewichtsteilen Xylol-Butylacetat (Verhältnis 8:2). - 4. Die nicht vorbehandelten Bauteile wurden 5 Minuten in eine Phenolharzlösung aus 10 Gewichtsteilen eines Phenolharzes und 200 Gewichtsteilen Toluol getaucht, 10 Minuten bei 80° C getrocknet und 30 Minuten bei 180° C behandelt.
- 5. Die Bauteile wurden 90 Minuten bei 580° C in einem Salzbad (37 % Cyanat, 1,3 % Cyanid, Rest Carbonat und Kationen) nitrocarburiert, nach dem Abkühlen 10 Minuten bei 370° C in einem Salzbad aus Alkalihydroxid mit 10 % Natriumnitrat oxidiert und in Wasser von 20° C abgeschreckt.
- 6. Die nach Beispiel 5 nitrocarburierten Bauteile wurden nach Beispiel 2 in eine Alkydharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- 7. Die nach Beispiel 5 nitrocarburierten Bauteile wurden nach Beispiel 3 in eine Acrylatharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- 8. Die nach Beispiel 5 nitrocarburierten Bauteile wurden nach Beispiel 4 in eine Phenolharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- 9. Die Bauteile wurden wie in Beispiel 5 nitrocarburiert und oxidiert, anschließend durch Gleitschleifen mechanisch bearbeitet und nochmals 10 Minuten im Salzbad oxidiert und in Wasser von 20° C abgeschreckt.
- 10.Die nach Beispiel 9 vorbehandelten Bauteile wurden nach Beispiel 2 in eine Alkydharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- 11.Die nach Beispiel 9 vorbehandelten Bauteile wurden in Beispiel 3 in eine Acrylatharzlösung getaucht und nachbehandlet.
- 12.Die nach Beispiel 9 vorbehandelten Bauteile wurden nach Beispiel 4 in eine Phenolharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- 13.Die Bauteile wurden bei 580° in Gas (120 Minuten in einem Gasgemisch aus je 50 Vol.% Ammoniak und Exogas und 60 Minuten in einem Gasgemisch aus je 50 Vol.% Ammoniak und Endogas) nitrocarburiert. Das Abkühlen erfolgte in Reinststickstoff. Danach wurde 60 Minuten bei 550° C in Wasserdampf oxidiert und langsam abgekühlt.
- 14.Die nach Beispiel 13 nitrocarburierten und oxidierten Bauteile wurden nach Beispiel 2 in eine Alkydharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- 15.Die nach Beispiel 13 vorbehandelten Bauteile wurden nach Beispiel 3 in eine Acrylatharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- 16.Die nach Beipiel 13 vorbehandelten Bauteile wurden nach Beispiel 4 in eine Phenolharzlösung getaucht und nachbehandelt.
- Das Zeichen ">" bedeutet, daß der wahre Mittelwert höher liegt.
| Salzsprühdauer in Stunden | |||||
| Beispiel Nr. | Mittelwert | Standardabweichung | niedrigster höchster | Proben noch im Test (>3000h) | |
| Wert | Wert | ||||
| 1 | 4 | 1 | 3 | 6 | |
| 2 | 20 | 3 | 16 | 24 | |
| 3 | 25 | 5 | 20 | 32 | |
| 4 | 17 | 5 | 12 | 24 | |
| 5 | 331 | 234 | 144 | 744 | |
| 6 | >2002 | 758 | 1008 | 3000 | 3 |
| 7 | >1654 | 717 | 912 | 3000 | 1 |
| 8 | >1912 | 742 | 960 | 3000 | 2 |
| 9 | 379 | 176 | 288 | 864 | - |
| 10 | >2900 | 213 | 2496 | 3000 | 8 |
| 11 | >2189 | 368 | 1992 | 3000 | 1 |
| 12 | >2652 | 378 | 2160 | 3000 | 5 |
| 13 | 185 | 20 | 168 | 216 | - |
| 14 | 1386 | 595 | 888 | 2616 | - |
| 15 | >2033 | 601 | 936 | 3000 | 3 |
| 16 | 1660 | 675 | 1008 | 2784 | |
Claims (3)
- Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nitrocarburierter Bauteile aus Eisenwerkstoffen, die nach der Nitrocarburierung einer oder mehrerer Oxidationsbehandlung in einem oxidierenden Salzbad oder mit Wasserdampf bei 500 bis 580° C und gegebenenfalls einer mechanischen Bearbeitung unterworfen sind, durch Überziehen mit einer dünnen Schicht eines organischen Materials, wobei
die vorbehandelten Bauteile in eine 1 bis 40-%ige Lösung eines aushärtbaren Kunstharzes in Wasser und/oder organischen Lösungsmitteln eingetaucht und anschließend 2 bis 30 Minuten bei 80 bis 200° C wärmebehandelt werden, wobei die Konzentration der Lösung so gewählt werden muß, daß eine Kunstharzschicht von 0,2 bis 5 µm Dicke entsteht. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lösung 5 bis 25 Gew.% eines wärmeaushärtbaren Kunstharzes enthält. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Kunstharz Alkydharze, Acrylharze und Phenolharze verwendet werden.
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