EP1532286A1 - Korrosionsgeschütztes bauteil und verfahren zu seiner herstellung und einrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Korrosionsgeschütztes bauteil und verfahren zu seiner herstellung und einrichtung zur durchführung des verfahrens

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EP1532286A1
EP1532286A1 EP03794953A EP03794953A EP1532286A1 EP 1532286 A1 EP1532286 A1 EP 1532286A1 EP 03794953 A EP03794953 A EP 03794953A EP 03794953 A EP03794953 A EP 03794953A EP 1532286 A1 EP1532286 A1 EP 1532286A1
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EP
European Patent Office
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plasma
layer
base body
coating
aluminum
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03794953A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Goedicke
Fred Fietzke
Steffen Straach
Volker Kirchhoff
Klaus-Dieter Hofmann
Frank Hollstein
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer

Definitions

  • Corrosion-protected component and method for its production and device for carrying out the method
  • the invention relates to a corrosion-protected component, which consists of a base body and a corrosion-inhibiting surface layer, as well as a method for producing the same and a device for carrying out the method.
  • Such components are often designed as connecting elements such as rivets, bolts or screws. They are primarily used in the automotive, aircraft and space industries as well as in mechanical and plant engineering. Numerous components are known which consist of a base body and a corrosion-inhibiting surface layer, this surface layer being metallic, ceramic or organic in nature. Chemical and electrochemical, especially galvanic deposition processes are used to apply the surface layer to the base body. Examples include copper plating, nickel plating, chrome plating and cadmium plating. Layers of zinc and its alloys are applied by hot dip coating.
  • the corrosion-inhibiting surface layer is organic in nature, then it is usually applied by spraying or dipping with subsequent curing or crosslinking.
  • metallic-ceramic mixed layers for. B. from a ceramic carrier layer with finely distributed lamellar metallic components used therein (DELTA-Tone, DACROMET) [US 4,391, 855, US 5,131, 948].
  • the IVD process is a PVD process for applying a corrosion-inhibiting surface layer to the base body by means of the evaporation process, in which the rotating mesh or grid-like baskets are moved. It uses a glow discharge to activate the condensation process through ion bombardment and to achieve a denser layer structure.
  • the Mc-Donnell-Douglas process as well as the IVD process produce corrosion-inhibiting coatings, the corrosion protection effect of which, however, is inadequate without post-treatment. Therefore, an elaborate after-treatment by mechanical
  • the invention is therefore based on the object of providing a component consisting of a base body and a corrosion-inhibiting surface layer, and of specifying a method for its production and a device for carrying out the method, which are free from the deficiencies of the prior art.
  • the manufacturing costs are to be significantly reduced and the surface layer should have a sufficient corrosion protection effect without the structure of the applied layer having to be subsequently compacted by mechanical means.
  • the essence of the invention lies in the application of a layer of aluminum or an aluminum alloy or compound of sufficient thickness and with such a layer structure to the base body as can only be achieved by the direct action of a very dense plasma of comparatively low ion energy during the layer formation.
  • This dense layer structure already present immediately after the deposition makes additional mechanical compression of the layer unnecessary. If the base bodies are distributed statistically and their position is often changed relative to the steam sources and if the special plasma becomes effective during the condensation process and without electrically shielding grids or networks between the plasma source and the base bodies during the layer formation, it is also possible for complex shapes Basic bodies achieve a uniform coating of high quality.
  • Such a layer is characterized by a dense, fine-grained, largely pore-free structure.
  • the component according to the invention additionally comprises a layer of chromate or phosphate and / or a layer of an organic material.
  • the surface layer made of aluminum or an aluminum alloy or compound in a manner known per se.
  • the component contains a surface layer made of an aluminum alloy, an aluminum-magnesium alloy with a magnesium content of 1 to 10 percent by weight, preferably 3 to 5 percent, or an aluminum-zinc alloy with a zinc content is particularly suitable for this purpose from 1 to 10 percent by weight, preferably from 2 to 5 percent.
  • the surface layer can also be deposited under the action of a reactive gas and then contain aluminum compounds such as aluminum oxide, nitrate or carbide.
  • the method for producing the components according to the invention is carried out in a vacuum coating system.
  • This contains a drum or basket that can be rotated around a horizontal axis.
  • Steam and plasma sources are located inside the rotating basket.
  • a multiplicity of base bodies are essentially fixed on the inner wall of the rotating basket and passed one or more times through a vapor cloud generated by metal evaporators. Thereafter, mixing with a change in the position and orientation of the base body relative to the steam sources is carried out and the base body thus fixed in a changed position and direction is guided through the steam cloud one or more times.
  • the alternation of mixing and fixing of the base bodies and their coating is continued until the base bodies are provided on all sides and without defects with a surface layer of the stated average thickness.
  • the process can be designed as a continuous coating process for the treatment of bulk goods. It is crucial for the production process that the evaporators are arranged inside the rotating basket and thus cause the layer formation directly, ie without interposed nets, grids or sieve structures, and that the coating is carried out with plasma activation.
  • the layer formation process takes place in the plasma of a hollow cathode arc discharge.
  • ion energies of a few to a few tens of electron volts and a charge carrier density in the range of over 10 10 / cm 3 are typically over 10 1 l / cm 3 , characteristic. It is also important for the effectiveness of the plasma that the plasma sources are arranged inside the rotating basket and that there are no potential-determining sieves or networks between the hollow cathode plasma sources and the base bodies to be coated.
  • the surface layer applied under these conditions has a dense, fine-grained, pore-free structure, which provides corrosion protection for the component.
  • the base bodies of the components consist of a ferromagnetic steel material
  • magnetic fixation of the base bodies can also be expedient.
  • an arrangement of permanent magnets or an electromagnet with a plurality of poles, the field lines of which penetrate the wall of the rotating basket and cause the magnetic fixing of the base body is located in the upper region of the rotating basket, but outside and stationary.
  • the basic bodies are mixed with changes in direction and position when the basic bodies moved with the rotating basket leave the area penetrated by the magnetic field and are subject to the action of gravity.
  • the mixing takes place with a change in direction and position of the base body with the aid of a mechanically acting scraper, which separates the base body from the wall of the rotating basket after it has passed through the steam zone.
  • a motor-driven, rotating brush is also particularly advantageous in order to bring about a large number of changes in direction and position for the base body.
  • the rotational speed of the rotating basket is changed frequently, preferably periodically, in such a way that the rotational speed is temporarily higher than the rotational speed at which the base bodies are fixed by centrifugal force and temporarily lower than this characteristic rotational speed, whereby they are mixed under the action of gravity and changed in their position and position before they are fixed again by centrifugal force.
  • the mixing of the base bodies is carried out by a device which contains a rotating roller with inner, likewise rotating magnetic poles. A direct mechanical contact between the wall of the rotating basket and the stripping device can thus be avoided and a particularly gentle mechanical treatment of the base body can be achieved.
  • boat evaporators heated by direct current passage, in which the evaporation material for the surface layer is supplied in wire form.
  • Such boats are most often made of titanium boride. Arrangements of many similar boat evaporators arranged in parallel next to one another are suitable for carrying out the method in coating systems with a larger longitudinal extension of the rotating basket.
  • Another design of the production method uses one or preferably a plurality of electron beam evaporators to generate the aluminum vapor or the vapor of the aluminum alloy. So-called transversal evaporators are used in coating systems of lower output. In high-power coating systems, electron beam evaporators are used according to the invention, which have a preferably ceramic evaporator crucible that extends parallel to the axis of the rotating basket and a separate generation, focusing and deflection unit for the electron beam in the form of a so-called axial electron gun.
  • Another expedient embodiment of the method according to the invention further includes exposing the base bodies to the action of a dense plasma before the surface layer is applied in order to activate its surface.
  • a dense plasma pretreatment causes desorption of foreign atoms, the removal of oxidic contaminations and an energetic activation of the surface and thus ensures good adhesive strength and uniform growth of the surface corrosion-inhibiting surface layer on the base bodies.
  • a preferred embodiment of the method includes the pretreatment and activation of the surface of the base body using the dense plasma of one or more hollow cathode arc discharges, ie the same plasma sources that are also used for the plasma-activated deposition of the surface layer.
  • a component according to the invention and a method for its production, together with the device required for carrying it out, are explained in more detail below.
  • the component has the function of a hollow rivet with a length of 6 mm and a shaft diameter of 4 mm, as it is used in large quantities as a connecting element in mechanical engineering and vehicle construction for the permanent mechanical connection of machine, system and body parts.
  • the material for the base body is the unalloyed carbon steel C 35 (material no. 1.0501).
  • this base body is coated on all sides with an aluminum alloy layer that is on average 25 ⁇ m thick. Inside the recess of the rivet shaft, the layer thickness is approximately 15 ⁇ m.
  • This surface layer consists of the aluminum-magnesium alloy AIMg3 with a magnesium content of about 3 percent by weight.
  • the micrograph of the surface layer shows a dense fine-grained structure without pores with a typical grain size of 1 ⁇ m when examined by light and electron microscopy. There is no stalky layer growth and therefore no grain boundaries that run through the entire layer. In the salt spray test, no recognizable red rust forms after 200 hours. A test on numerous of these components shows that they meet the requirements of the MIL-C-83488 C standard, which is widely used in aircraft construction.
  • the coating process for applying the AlMg3 surface layer to the base body includes a PVD process that is carried out in a vacuum coating system.
  • the main chamber of the coating system has a volume of approximately 1 cubic meter and houses a water-cooled rotating basket with a diameter of 800 mm and a length of 700 mm.
  • the rotating basket is horizontally supported on one side and driven by a motor; it typically rotates at 72 revolutions per minute.
  • the coat surface of the rotating basket is closed.
  • the boat evaporators are heated at 800 A each at 15 V.
  • the wire feed sets an evaporation rate of 5 grams per minute and evaporator.
  • the wire has the composition and quality AlMg3 F22.
  • the hollow cathode arc discharges burn with an argon inlet of 80 sccm at 300A at an operating voltage of 30 ... 35 V between each hollow cathode and two electrodes arranged symmetrically between the boat evaporators and connected as anode.
  • the coating system works quasi-continuously without vacuum interruption. For this purpose, it is equipped with a separately evacuable vacuum lock for inserting and removing 25 kg of the basic body. The transfer of the base body from the input lock into the rotary basket or from the rotary basket into the output lock takes place through a valve and tubular guide devices under the effect of gravity.
  • the basic bodies are filled in batches of 25 kg into the input lock of the coating system. After degassing, they are transferred to the rotating basket and pretreated there for 10 minutes in the dense hollow cathode plasma.
  • the rotating basket is at a negative potential of 500 V.
  • the subsequent process for plasma-activated evaporation takes 20 minutes.
  • the base bodies are fixed on the inner wall of the rotating basket by centrifugal force and lie in approximately three layers, statistically evenly one above the other.
  • the basic body is periodically wiped off before the centrifugal force is fixed again using rotating metal brushes.
  • the rotary basket is braked and inclined to transfer the coated base body to the delivery lock.
  • a swiveling screen prevents the falling components from colliding with the evaporators and plasma sources. At intervals of 35 minutes, a batch of about 25 kg of the coated components is ejected from the system. The parts are checked and packed. The high productivity of the coating system and the avoidability of expensive post-treatments of the surface layer are the basis for low manufacturing costs for the components according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein korrosionsgeschütztes Bauteil, vorzugsweise Verbindungselement, bestehend aus einem Grundkörper aus einem Stahlwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff und einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht, bei dem die Oberflächenschicht mindestens aus einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder -verbindung mit einer mittleren Dicke von 1 bis 50 μm, vorzugsweise 10 bis 25 μm, mit einem dichten, feinkörnigen, weitgehend porenfreien Gefüge besteht, welches durch ein plasmagestütztes Vakuumbedampfungsverfahren erzeugt worden ist.

Description

Korrosionsgeschütztes Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein korrosionsgeschütztes Bauteil, welches aus einem Grundkörper und einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht besteht, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Häufig sind solche Bauteile als Verbindungselemente wie Nieten, Bolzen oder Schrauben ausgebildet. Sie finden ihren Einsatz vorzugsweise in der Fahrzeug-, Flugzeug- und Raumfahrtindustrie sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Es sind zahlreiche Bauteile bekannt, die aus einem Grundkörper und einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht bestehen, wobei diese Oberflächenschicht metallischer, keramischer oder organischer Natur ist. Zur Aufbringung der Oberflächenschicht auf den Grundkörper werden chemische und elektrochemische, vor allem galvanische Abscheideverfahren benutzt. Beispiele dafür sind das Verkupfern, Vernickeln, Verchromen und Cadmieren. Schichten aus Zink und seinen Legierungen werden durch Schmelztauchbeschichten aufgebracht. Wenn die korrosionshemmende Oberflächenschicht organischer Natur ist, dann erfolgt ihre Aufbringung meist durch Spritzen oder Tauchen mit anschließender Aushärtung bzw. Vernetzung. Es werden auch metallisch-keramische Mischschichten, z. B. aus einer keramischen Trägerschicht mit darin fein verteilten lamellenartigen metallischen Komponenten verwendet (DELTA-Tone, DACROMET) [US 4,391 ,855, US 5,131 ,948].
All den Bauteilen mit korrosionshemmender Oberflächenbeschichtung ist gemeinsam, dass zu ihrer Herstellung Oberflächenbeschichtungsverfahren erforderlich sind, die mehr oder weniger umweltbelastend sind. Mit steigenden Anforderungen an die Umwelt- Verträglichkeit der Herstellungsverfahren steigen auch die Kosten für eine Entsorgung von Abwässern, Abprodukten oder Lösungsmitteln an. Daneben bestehen auch erhebliche Bedenken bezüglich der toxischen Wirkungen oder physiologischen Gefährdungen, die von manchen der Materialien der Oberflächenschicht selbst ausgehen, z. B. bei Cadmium, Nickel und Chrom. Bauteile, die eine korrosionshemmende Oberflächenschicht tragen, lassen sich im Prinzip ohne die Nachteile einer Umweltbelastung durch Vakuumbeschichtungsverfahren in einer geschlossenen Vakuumkammer herstellen. Auch in Bezug auf die Auswahl der Materialien bieten Vakuumbeschichtungsverfahren größere Freiheiten. Z. B. lassen sich solche Oberflächenschichten aus Aluminium herstellen. Allerdings haben sich solche Oberflächen- schichten bisher als nicht ausreichend korrosionsschützend erwiesen, wenn nicht weitere teure Zusatzbeschichtungen oder/und Nachbehandlungsschritte ausgeführt werden. Über ausreichende Korrosionsschutzwirkung von physikalisch abgeschiedenen Oberflächenschichten mit einer Dicke von einigen bis etwa 20 Mikrometern wird bisher nur berichtet, wenn die Verfahren zu ihrer Herstellung ionen- oder plasmagestützt gestaltet werden. So wurden Aluminium- und Aluminium-Magnesium-Schichten durch Magnetronsputtern mit sogenannten „unbalanced" Magnetronquellen abgeschieden [R. I. Bates, R. D. Arnell: Microstructure of novel corrosion-resistant coatings for steel components by unbalanced magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 89 (1997), 204 -212], oder es wurde eine Titanschicht auf ebenen Stahlblechen durch plasmagestütztes Elektronenstrahl-Hochrate- bedampfen abgeschieden [C. Metzner, B. Scheffel, K. Goedicke: Plasma-activated electron beam deposition. Surf. Coat. Technol. 86 - 87 (1996), 769 - 775]. Das erstere Verfahren ist wegen der zu geringen Abscheiderate beim Sputtem zu teuer, das zweite Verfahren ist bisher nicht für dreidimensional geformte Trägerkörper anwendbar. Das aus US 3,750,623; US 3,926,147 und US 4,1 16,161 bereits seit 1975 bekannte sogenannte Mc-Donnell-Douglas-Verfahren und seine als IVD-Verfahren (lon-Vapor- Deposition) bekanntgewordene Ausgestaltung sind bisher die einzigen ionengestützten PVD-Verfahren (PVD = physical vapor deposition), die eine gewisse Anwendungsbreite in der Luft- und Raumfahrtindustrie erfahren haben. Das IVD-Verfahren ist ein PVD-Verfahren zum Aufbringen einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht auf Grundkörper mittels Verdampfungsverfahren, bei dem die in rotierenden netz- oder gitterartigen Körben bewegt werden. Es nutzt dabei eine Glimmentladung, um den Kondensationsprozess durch lonenbombardement zu aktivieren und ein dichteres Schichtgefüge zu erzielen. Mit dem Mc-Donnell-Douglas-Verfahren entstehen ebenso wie mit dem IVD-Verfahren korrosionshemmende Überzüge, deren Korrosionsschutzwirkung jedoch ohne Nachbehandlung unzureichend ist. Deshalb ist eine aufwändige Nachbehandlung durch mechanisches
Glaskugelstrahlen, eine als „peening" bezeichnete Verdichtung des Gefüges, meist gefolgt von einer Chromatier- oder Lackierbehandlung, erforderlich, um Korrosionsschutzwirkungen zu erreichen, die dem Standard MIL-C-83488 C entsprechen. Nachteilig wirkt sich bei einer Beschichtung nach dem Mc-Donnell-Douglas-Verfahren weiterhin aus, dass die Dampferzeugung außerhalb des gitterartigen Korbes zur Aufnahme der Grundkörper erfolgt. Ein nennenswerter Teil des Dampfes, etwa 30 ... 50 %, geht damit für die eigentliche Beschichtung der Grundkörper verloren und ist gleichzeitig für die Bildung von Partikeln und sog. Flakes verantwortlich, die zu Beschichtungsfehlem führen. Insgesamt sind die beiden genannten PVD-Verfahren so kosten intensiv, dass ihr Einsatz im allgemeinen Maschinen- und Fahrzeugbau nicht möglich ist. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, bestehend aus einem Grundkörper und einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht zu schaffen, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welche frei von den Mängeln des Standes der Technik sind. Insbesondere sollen die Herstellungskosten deutlich reduziert werden und eine ausreichende Korrosionsschutzwirkung der Oberflächenschicht erreicht werden, ohne dass das Gefüge der aufgebrachten Schicht mit mechanischen Mitteln nachträglich verdichtet werden muss.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen entsprechend Anspruch 1 gelöst. Entsprechend den Merkmalen nach den Ansprüchen 2 bis 4 kann dieses Bauteil weiter ausgestaltet sein. Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile ist in Anspruch 5 und in weiteren Ausgestaltungen durch die Merkmale gemäß Anspruch 6 bis 14 dargelegt. Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 15 beschrieben, die Ansprüche 16 bis 18 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Einrichtung.
Der Kern der Erfindung liegt in der Aufbringung einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder -Verbindung ausreichender Dicke und mit einer solchen Schichtstruktur auf den Grundkörper, wie sie nur durch direktes Einwirken eines sehr dichten Plasmas vergleichsweise niedriger lonenenergie während der Schichtbildung erreicht werden kann. Diese dichte, unmittelbar nach der Abscheidung bereits vorhandene Schichtstruktur macht eine zusätzliche mechanische Verdichtung der Schicht überflüssig. Wenn dabei die Grundkörper statistisch verteilt und häufig in ihrer Lage relativ zu den Dampfquellen verändert werden und wenn das spezielle Plasma direkt während des Kondensationsprozesses und ohne elektrisch abschirmende Gitter oder Netze zwischen Plasmaquelle und den Grundkörpern bei der Schichtbildung wirksam wird, lässt sich auch bei kompliziert geformten Grundkörpern eine gleichmäßige Beschichtung hoher Güte erzielen. Eine solche Schicht ist durch ein dichtes, feinkörniges, weitgehend porenfreies Gefüge gekennzeichnet. Die Kombination aus den chemisch-physikalischen Stoff- eigenschaften und dem Schichtgefüge der Oberflächenschicht, welches im Zuge des plasmaaktivierten Schichtbildungsvorganges auf der Oberfläche der Grundkörper gebildet wird, ist der Schlüssel für die hohe Korrosionsschutzwirkung besagter Schicht. Erfindungsgemäß beträgt die mittlere Dicke der Oberflächenschicht 1 bis 50 μm, wobei eine Schichtdicke von 10 bis 25 μm bereits hervorragende Korrosionsschutzwirkungen zeigt. Die an- gegebene untere Grenze der Schichtdicke kommt nur für extrem geringe Oberflächen- rauheit der Grundkörper und eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit in Betracht. Für höchste Ansprüche, insbesondere, wenn neben Korrosionsschutzeigenschaften auch ein dekoratives Erscheinungsbild gefordert und/oder vorgegebene tribologische Anforderungen an das Bauteil gestellt werden, dann umfasst das erfindungsgemäße Bauteil zusätzlich eine Schicht aus Chromat oder Phosphat und/oder eine Schicht aus einem organischen Material. Diese Schichten sind in an sich bekannter Weise auf die Oberflächenschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder -Verbindung aufgebracht worden. Wenn das Bauteil eine Oberflächenschicht aus einer Aluminiumlegierung enthält, so eignet sich dafür erfindungsgemäß besonders eine Aluminium-Magnesium-Legierung mit einem Magnesiumanteil von 1 bis 10 Gewichts-Prozent, bevorzugt von 3 bis 5 Prozent, oder eine Aluminium-Zink-Legierung mit einem Zinkanteil von 1 bis 10 Gewichts-Prozent, bevorzugt von 2 bis 5 Prozent. Erfindungsgemäß kann die Oberflächenschicht auch unter Wirkung eines reaktiven Gases abgeschieden sein und dann Aluminiumverbindungen wie Aluminiumoxid, -nitrat oder -carbid enthalten.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile wird in einer Vakuum- beschichtungsanlage durchgeführt. Diese enthält eine um eine waagerechte Achse drehbare Trommel oder Drehkorb. Im Inneren des Drehkorbes befinden sich Dampf- und Plasmaquellen. Eine Vielzahl von Grundkörpern wird zum Zweck des Aufbringens der Aluminiumschicht bzw. der Legierungs- oder Verbindungsschicht im Wesentlichen auf der Innenwandung des Drehkorbes fixiert und ein- oder mehrmals durch eine von Metall- Verdampfern erzeugte Dampfwolke geführt. Danach wird eine Durchmischung mit Änderung von Lage und Orientierung der Grundkörper relativ zu den Dampfquellen vorgenommen und die so in veränderter Lage und Richtung fixierten Grundkörper wieder ein- oder mehrmals durch die Dampfwolke geführt. Der Wechsel von Durchmischung und Fixierung der Grundkörper sowie deren Beschichtung wird so lange fortgesetzt, bis die Grundkörper allseitig und ohne Fehlstellen mit einer Oberflächenschicht der genannten mittleren Dicke versehen sind. Das Verfahren kann als kontinuierlich ablaufender Beschichtungsprozess für die Behandlung von Massengut gestaltet werden. Entscheidend für das Herstellungsverfahren ist, dass die Verdampfer im Inneren des Drehkorbes angeordnet sind und damit unmittelbar, d. h. ohne zwischengestellte Netze, Gitter oder Siebstrukturen die Schichtbildung bewirken und dass die Beschichtung mit Plasmaaktivierung erfolgt. Der Schichtbildungsvorgang findet im Plasma einer Hohlkatoden- Bogenentladung statt. Für Plasmen dieser Art sind lonenenergien von einigen bis einigen zehn Elektronenvolt und eine Ladungsträgerdichte im Bereich von über 1010/cm3, typischerweise über 101 l/cm3, charakteristisch. Auch für die Wirksamkeit des Plasmas ist es wichtig, dass die Plasmaquellen im Inneren des Drehkorbes angeordnet sind und sich keine potentialbestimmenden Siebe oder Netze zwischen den Hohlkatoden-Plasmaquellen und den zu beschichtenden Grundkörpern befinden. Die unter diesen Bedingungen auf- gebrachte Oberflächenschicht weist ein dichtes, feinkörniges porenfreies Gefüge auf, welches den Korrosionsschutz des Bauteiles bewirkt.
Es ist zweckmäßig, die Fixierung der Grundkörper beim Transport durch die Dampf- und Plasmazone durch Fliehkraft zu bewerkstelligen und dafür die notwendige Mindestdrehzahl des Drehkorbes sicherzustellen.
Wenn die Grundkörper der Bauelemente aus einem ferromagnetischen Stahl Werkstoff bestehen, so kann auch eine magnetische Fixierung der Grundkörper zweckmäßig sein. Dazu befindet sich beispielweise im oberen Bereich des Drehkorbes, jedoch außerhalb und stationär, eine Anordnung permanenter Magnete oder ein Elektromagnet mit einer Vielzahl von Polen, deren Feldlinien die Wandung des Drehkorbes durchdringen und die magnetische Fixierung der Grundkörper bewirken. Die Durchmischung der Grundkörper mit Richtungs- und Lageänderung erfolgt, wenn die mit dem Drehkorb bewegten Grundkörper den vom Magnetfeld durchdrungenen Bereich verlassen und der Wirkung der Schwerkraft unterliegen.
Bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Durchmischung mit Richtungsund Lageänderung der Grundkörper mit Hilfe eines mechanisch wirkenden Abstreifers, der die Grundkörper nach Durchlaufen der Dampfzone von der Wandung des Drehkorbes trennt. Besonders vorteilhaft ist auch eine motorisch angetriebene, rotierende Bürste geeignet, um eine Vielzahl von Richtungs- und Lageänderungen für die Grundkörper zu bewerkstelligen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Drehzahl des Drehkorbes häufig, vorzugsweise zeitlich periodisch, verändert, und zwar derart, dass die Drehzahl zeitweilig höher als die Drehzahl ist, bei der die Grundkörper durch Fliehkraft fixiert sind, und zeitweilig kleiner als diese charakteristische Drehzahl, wobei sie unter der Wirkung der Schwerkraft durchmischt und bezüglich ihrer Lage und Position verändert werden, ehe sie von neuem durch Fliehkraft fixiert werden. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens mit ferromagnetischen Grundkörpern und Fixierung der Grundkörper durch Fliehkraft erfolgt das Durchmischen der Grundkörper inklusive Richtungs- und Lageänderung durch eine Vorrichtung, die eine rotierende Walze mit inneren, ebenfalls rotierenden Magnetpolen beinhaltet. Damit kann ein direkter mechanischer Kontakt zwischen der Wandung des Drehkorbes und der Abstreif- Vorrichtung vermieden und eine besonders schonende mechanische Behandlung der Grundkörper erreicht werden.
Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass die hier beschriebenen Verfahrensweisen zur statistischen Durchmischung der Grundkörper nur Beispielcharakter haben und durch andere äquivalente Schritte bzw. Vorrichtungen ersetzbar sind.
Es ist zweckmäßig, als Verdampfer ein oder mehrere, durch direkten Stromdurchgang beheizte sogenannte Schiffchenverdampfer (boat evaporator) zu verwenden, bei denen das Verdampfungsmaterial für die Oberflächenschicht in Drahtform zugeführt wird. Am häufigsten bestehen solche Schiffchen aus Titanborid. Anordnungen aus vielen parallel nebeneinander angeordneten gleichartigen Schiffchenverdampfern sind geeignet für die Durchführung des Verfahrens in Beschichtungsanlagen mit größerer Längsausdehnung des Drehkorbes.
Eine andere Gestaltung des Herstellungsverfahrens nutzt einen oder bevorzugt mehrere Elektronenstrahlverdampfer zur Erzeugung des Aluminiumdampfes bzw. des Dampfes der Aluminiumlegierung. In Beschichtungsanlagen kleinerer Leistung werden sogenannte Transvers-Verdampfer verwendet. In Beschichtungsanlagen großer Leistung werden erfindungsgemäß Elektronenstrahlverdampfer eingesetzt, die einen parallel zur Achse des Drehkorbes erstreckten vorzugsweise keramischen Verdampfertiegel und eine separate Erzeugungs-, Fokussierungs- und Ablenkeinheit für den Elektronenstrahl in Form einer sogenannten axialen Elektronenkanone besitzen.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet weiterhin, dass die Grundkörper vor dem Aufbringen der Oberflächenschicht zur Aktivierung ihrer Oberfläche der Wirkung eines dichten Plasmas ausgesetzt werden. Eine solche an sich bekannte Plasmavorbehandlung bewirkt eine Desorption von Fremdatomen, das Entfernen oxidischer Kontaminationen und eine energetische Aktivierung der Ober- fläche und sichert damit gute Haftfestigkeit und ein gleichmäßiges Wachstum der korrosionshemmenden Oberflächenschicht auf den Grundkörpern. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet die Vorbehandlung und Aktivierung der Oberfläche der Grundkörper unter Ausnutzung des dichten Plasmas einer oder mehrerer Hohlkatoden-Bogenentladungen, also der gleichen Plasmaquellen, die auch für die plasmaaktivierte Abscheidung der Oberflächenschicht genutzt werden. Es ist dafür zweckmäßig, ein definiertes negatives Potential des Drehkorbes mit den Grundkörpern gegenüber dem Plasmapotential vorzugeben, um die Energie der Ionen bei der Plasmavorbehandlung geeignet einzustellen.
Nachfolgend sollen in einem Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Bauteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung nebst der zur Durchführung erforderlichen Einrichtung näher erläutert werden.
Beispielhaft hat das Bauteil die Funktion eins Hohlniets mit einer Länge von 6 mm und einem Schaftdurchmesser von 4 mm, wie er massenhaft als Verbindungselement im Maschinenbau und im Fahrzeugbau zum unlösbaren mechanischen Verbinden von Maschinen-, Anlagen- und Karosserieteilen eingesetzt wird. Der Werkstoff für den Grundkörper ist der unlegierte Kohlenstoffstahl C 35 (Werkstoff-Nr. 1.0501). Erfindungsgemäß ist dieser Grundkörper allseitig mit einer im Mittel 25 μm dicken Aluminium-Legierungsschicht überzogen. Im Inneren der Vertiefung des Nietschaftes beträt die Schichtdicke etwa 15 μm. Diese Oberflächenschicht besteht aus der Aluminium-Magnesium-Legierung AIMg3 mit einem Magnesiumanteil von etwa 3 Gewichts-Prozent. Das Schliffbild der Oberflächenschicht zeigt bei licht- und elektronenmikroskopischer Untersuchung ein dichtes feinkörniges Gefüge ohne Poren bei einer typischen Korngröße von 1 μm. Es gibt kein stängeliges Schichtwachstum und damit keine Korngrenzen, die durch die gesamte Schicht hindurch verlaufen. Im Salzsprühnebeltest bildet sich nach 200 Stunden kein erkennbarer Rotrost. Eine Prüfung an zahlreichen dieser Bauteile ergibt, dass sie den Anforderungen des im Flugzeugbau verbreiteten Standards MIL-C-83488 C entsprechen. Das Beschichtungsverfahren zum Aufbringen der Oberflächenschicht aus AlMg3 auf den Grundkörper beinhaltet einen PVD-Prozess, der in einer Vakuumbeschichtungsanlage durchgeführt wird.
Die Hauptkammer der Beschichtungsanlage hat ein Volumen von etwa 1 Kubikmeter und nimmt einen wassergekühlten Drehkorb mit einem Durchmesser von 800 mm und einer Länge von 700 mm auf. Der Drehkorb ist einseitig waagerecht gelagert und mit einem Motor angetrieben, er rotiert typischerweise mit 72 Umdrehungen pro Minute. Die Mantel- fläche des Drehkorbes ist geschlossen. Auf der Stirnseite gegenüber dem Drehantrieb ist eine feststehende Traverse angebracht, die als Montageplatte für sechs nebeneinander in einem gegenseitigen Abstand von 100 mm angeordnete Schiffchenverdampfer mit je einem TiB2-Schiffchen und einer Drahtvorschubeinrichtung sowie drei Hohlkatoden- Plasmaquellen dient. Die Schiffchenverdampfer werden mit je 800 A bei 15 V geheizt. Mit dem Drahtvorschub wird eine Verdampfungsrate von 5 Gramm je Minute und Verdampfer eingestellt. Der Draht hat die Zusammensetzung und Qualität AlMg3 F22. Die Hohlkatoden- bogenentladungen brennen jeweils bei einem Argon-Einlass von 80 sccm mit 300A bei einer Brennspannung von 30 ... 35 V zwischen jeder Hohlkatode und zwei symmetrisch zwischen den Schiffchenverdampfern angeordneten, als Anode geschalteten Elektroden. Die Beschichtungsanlage arbeitet quasi-kontinuierlich ohne Vakuumunterbrechung. Dazu ist sie mit je einer getrennt evakuierbaren Vakuumschleuse zum Einschleusen und Ausschleusen von 25 kg der Grundkörper ausgestattet. Die Übergabe der Grundkörper aus der Eingabeschleuse in den Drehkorb bzw. aus dem Drehkorb in die Ausgabeschleuse erfolgt durch je ein Ventil und rohrförmige Leiteinrichtungen unter der Wirkung der Schwerkraft. Die Grundkörper werden nach einem Entfettungs- und Waschprozess chargenweise in Portionen von 25 kg in die Eingabeschleuse der Beschichtungsanlage eingefüllt. Nach dem Entgasen werden sie in den Drehkorb übergeben und dort 10 Minuten im dichten Hohlkatoden-Plasma vorbehandelt. Der Drehkorb befindet sich dabei auf einem negativen Potenzial von 500 V. Der anschließende Prozess zur plasmaaktivierten Bedampfung benötigt 20 Minuten. Während der Plasmavorbehandlung und Beschichtung sind die Grundkörper durch Zentrifugalkraft auf der Innenwand des Drehkorbes fixiert und liegen in etwa drei Lagen gleichmäßig statistisch verteilt übereinander. Das periodische Abstreifen der Grundkörper vor der erneuten Fliehkraftfixierung erfolgt durch rotierende Metall- bürsten. Zur Übergabe der beschichteten Grundkörper in die Ausgabeschleuse wird der Drehkorb abgebremst und geneigt. Eine schwenkbare Blende vermeidet dabei die Kollision der herabfallenden Bauteile mit den Verdampfern und Plasmaquellen. In zeitlichen Abständen von 35 Minuten wird jeweils eine Charge von etwa 25 kg der beschichteten Bauelemente aus der Anlage geschleust. Die Teile werden geprüft und verpackt. Die hohe Produktivität der Beschichtungsanlage und die Vermeidbarkeit von kostenintensiven Nachbehandlungen der Oberflächenschicht sind die Grundlage für geringe Herstellungskosten für die erfindungsgemäßen Bauteile.

Claims

Patentansprüche
1. Korrosionsgeschütztes Bauteil, vorzugsweise Verbindungselement, bestehend aus einem Grundkörper aus einem Stahl Werkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff und einer korrosionshemmenden Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberflächenschicht mindestens aus einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder -Verbindung mit einer mittleren Dicke von 1 bis 50 μm, vorzugsweise 10 bis 25 μm, und mit einem dichten, feinkörnigen, weitgehend porenfreien Gefüge besteht, welches durch ein plasmagestütztes Vakuum- bedampfungsverfahren erzeugt worden ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht zusätzlich eine auf die Aluminiumschicht bzw. die Schicht aus der Aluminiumlegierung oder -Verbindung aufgebrachte Schicht aus Chromat oder Phosphat und/oder einem organischen Material umfasst.
3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung eine Aluminium-Magnesium-Legierung mit einem Magnesiumanteil von 1 bis 10 Gewichts-Prozent ist.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung eine Aluminium-Zink-Legierung mit einem Zinkgehalt von 1 bis 10 Gewichts-Prozent ist.
5. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper zum Zweck der Beschichtung in einer Vakuu beschichtungsanlage im Wesentlichen an der Innenwandung einer um eine waagerechte Achse rotierenden Trommel fixiert werden, dass sie im Laufe der Beschichtungszeit mehrfach durchmischt werden, wobei sich jeweils ihre Lage und Orientierung ändert, dass die Verdampferquellen innerhalb der Trommel angeordnet sind und dass die Plasmaaktivierung des Beschichtungsvorganges durch eine Hohlkatoden-Bogenentladung bewirkt wird, die während der Beschichtung im Inneren der Trommel brennt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung durch Fliehkraft erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung durch Magnetkraft erfolgt.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmischung durch mechanisches Abstreifen der Grundkörper von der Trommelwandung erfolgt.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmischung durch ein magnetisch wirkendes Abstreifen der Grundkörper von der Trommelwandung erfolgt.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmischung durch ein zeitweises Absenken der Drehzahl der Trommel unter den zur Fliehkraftfixierung erforderlichen Wert erfolgt.
1 1. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Verdampfung mittels eines oder mehrerer durch direkten Stromdurchgang beheizter Schiffchenverdampfer mit Fütterung durch das Schichtmaterial in Drahtform erfolgt.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Verdampfung durch einen oder mehrere Elektronenstrahlverdampfer mit Tiegel erfolgt, in dem bzw. denen sich das Schichtmaterial befindet.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper vor der Beschichtung zur Vorbehandlung und Aktivierung ihrer Oberfläche der Wirkung eines dichten Plasmas ausgesetzt werden.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung und Aktivierung der Oberfläche der Grundkörper durch ein Hohlkatodenplasma erfolgt,
15. Vakuumbeschichtungsanlage zur plasmaaktivierten Beschichtung von Bauteilen in einem evakuierbaren Rezipienten, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren eines um eine Längsachse drehbaren Drehkorbes, an dessen Wandung die Bauteile während der Beschichtung fixiert werden können, mindestens eine Dampfquelle und mindestens eine Plasmaquelle angeordnet sind.
16. Vakuumbeschichtungsanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfquelle ein Elektronenstrahlverdampfer ist.
17. Vakuumbeschichtungsanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfquelle ein Schiffchenverdampfer ist.
18. Vakuumbeschichtungsanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle mindestens eine Hohlkathoden-Plasmaquelle enthält.
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