EP2467512B1 - Form- und/oder strukturteil aus aluminium oder einer aluminiumlegierung und verfahren zu deren oberflächenschutz - Google Patents

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EP2467512B1
EP2467512B1 EP10742745.2A EP10742745A EP2467512B1 EP 2467512 B1 EP2467512 B1 EP 2467512B1 EP 10742745 A EP10742745 A EP 10742745A EP 2467512 B1 EP2467512 B1 EP 2467512B1
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EP
European Patent Office
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sol
component
gel
gel system
aluminium
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Wolfgang Sterzl
Volkmar Gillich
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Strojmetal Aluminium Forging GmbH
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Strojmetal Aluminium Forging GmbH
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Publication date
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    • 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
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    • C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
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    • C23C18/1204—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • C23C18/122—Inorganic polymers, e.g. silanes, polysilazanes, polysiloxanes
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    • C23C18/125—Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1295—Process of deposition of the inorganic material with after-treatment of the deposited inorganic material

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a shaped and / or structured part made of aluminum or an aluminum alloy with a corrosion protection layer resulting from a sol-gel system according to the preamble of claim 1.
  • Such structural and structural parts are manufactured using manufacturing processes or combinations of different manufacturing processes according to DIN 8580. These include, in particular, methods of the main groups altering primary forms, forming, separating and material properties. By combining different moldings such manufactured parts can also be connected to each other by assemblies of the main group joining to assemblies or structures. On the basis of intended for load-bearing forgings, which represent a significant product group within the invention relating to the form and structural parts, the prior art and the problem and its solution according to the invention is shown.
  • Forging particular forgings made of aluminum and its alloys are known.
  • forging stock for example cast, rolled or extruded blanks, in bars, as rods, bar sections, billets or slabs of aluminum or aluminum alloy in a die via one or more forming stages processed forging.
  • Forming stages include preforming such as upsetting, bending, stretching, stretch and cross wedge rolling, pre-forging, finish forging, post-forming and calibrating.
  • the actual forging process can be followed by metal and alloy-specific heat treatments, in particular in order to achieve the technological state (for example T4, T5, T6 or T73) in accordance with DIN EN 515.
  • a surface treatment such as pickling or blasting.
  • Known, claimable on load forgings have various disadvantages in terms of their susceptibility to corrosion. They may be exposed to improper storage, transport or use in adverse, especially humid or pollutant, environment, corrosion attacks, u.a. lead to optical, dimensional and / or mechanical quality losses on the component surface.
  • Forgings which, in addition, are operatively corrosive media, e.g. Salt solutions, brake dust or the like are exposed to an intensified and accelerated corrosion attack.
  • the nature of the corrosion attack for example stress corrosion cracking, intergranular corrosion or layer corrosion is dependent on the alloy and its technological state as well as on the type and concentration of the corrosion-causing media and the prevailing process parameters, such as temperature.
  • the invention is based on the object, a cost and as simple as possible manufacturable weather-resistant and corrosion-proof, with a Specify against mechanical influences sufficiently resistant surface protection provided molding and / or structural part of aluminum or an aluminum alloy and a method for its preparation.
  • the part should be characterized by a very good surface finish, homogeneous topography and low roughness.
  • the appearance should be visually appealing even after long-term use, especially under harsher environmental conditions.
  • the molded and / or structural parts are distinguished by good mechanical properties and equally good machinability.
  • the molded and / or structural parts could be tested with the same non-destructive test methods as are used in conventionally produced molded and / or structural parts.
  • the invention is based on the idea to provide the mold and / or structural part with a corrosion protection layer, which is made of a sol-gel system, ie created, wherein the corrosion protection layer is realized directly on the aluminum or aluminum alloy. In other words, any intermediate layer between the anticorrosion layer and the aluminum or the aluminum alloy is dispensed with.
  • the invention is based on the finding that the corrosion layer in such components surprisingly without a considered necessary in the prior art
  • Intermediate layer (there reflection layer) firmly adheres directly to the aluminum or aluminum alloy.
  • an intermediate layer for example a reflection layer
  • an intermediate layer as in known reflection aluminum parts, for example by means of pre-anodizing, chromating or phosphating, can be dispensed with for improved adhesion of the cover layer.
  • the process chain transport of parts, logistics, quality assurance
  • the absence of an intermediate layer leads to low material and energy costs.
  • the corrosion layer realized directly on the aluminum or the aluminum alloy is a sol-gel lacquer which has developed from a sol-gel system applied directly to the aluminum or the aluminum alloy.
  • Gels are dimensionally stable, easily deformable, fluid-rich disperse systems consisting of a solid, irregular, three-dimensional network and a liquid.
  • a sol-gel system is to be understood as meaning a sol-gel lacquer produced by the sol-gel technology which, after product-appropriate application and curing, bonds to the substrate - in this case a molded part or structural part - hardened, protective layer forms.
  • the protective layer is preferably a transparent curing sol-gel lacquer, which reveals the color tone of the metallic substrate.
  • sol-gel lacquer By transparent hardening sol-gel lacquer is to be understood in particular a clear, colorless, transparent protective layer.
  • the protective layer applied to the cleaned surface of the substrate is a sol-gel lacquer of a polysiloxane and advantageously a sol-gel lacquer of a polysiloxane prepared from an alcoholic silane solution, in particular an alkoxysilane solution and an aqueous colloidal silicic acid solution ,
  • Polysiloxane is the term for polymers of crosslinked siloxanes.
  • the polysiloxane is produced in particular by a condensation reaction between hydrolyzed and crosslinkable silanes, in particular alkoxysilanes, and colloidal silica.
  • the condensation reaction between hydrolyzed silanes, in particular alkoxysilanes, with one another and hydrolyzed silanes, in particular alkoxysilanes, and colloidal silica leads to the formation of an inorganic network of polysiloxanes.
  • organic groups in particular alkyl groups or simple alkyl groups, are incorporated into the inorganic network via carbon bonds.
  • the organic groups, or the alkyl groups do not directly participate in the polymerization or crosslinking of the siloxanes, i. they do not serve to form an organic polymer system but merely for functionalization.
  • the function is that the organic groups, in particular the alkyl groups, are attached to the outsides of the polysiloxanes during the sol-gel process and thereby form an outwardly water-repellent layer, which gives the sol-gel coating a pronounced hydrophobic property.
  • sol-gel process described leads, as mentioned, by targeted hydrolysis and condensation of alkoxides of silicon and silica to form a sol-gel lacquer of an inorganic network with incorporated alkyl groups.
  • the polysiloxanes obtained thereby are more likely to be assigned to the inorganic polymers.
  • the solution A is an alcoholic solution of one or more different alkoxysilanes, wherein the alkoxysilanes are present in an anhydrous medium in non-hydrolyzed form.
  • an alcohol such as methyl, ethyl, propyl or butyl alcohol and preferably isopropyl alcohol is suitably used.
  • alkoxysilanes are described by the general formula X n Si (OR) 4-n in which "R” is a simple alkyl, preferably from the group comprising Methyl, ethyl, propyl and butyl. "X" is suitably also an alkyl, preferably from the group comprising methyl, ethyl, propyl and butyl.
  • Suitable alkoxysilanes are, for example, tetramethoxysilanes (TMOS) and preferably tetraethoxysilane (TEOS) and methyltrimethoxysilane (MTMOS) and further alkoxysilanes.
  • the solution A is prepared from tetraethoxysilane (TEOS) and / or methyltrimethoxysilane (MTMOS) with a methyl, ethyl or propyl alcohol and in particular with an isopropyl alcohol as solvent.
  • the solution A may e.g. 25-35 wt.% (Wt.%), In particular 30 wt.%, TEOS and 15-25 wt.%, In particular 20 wt.%, Containing MTMOS, both dissolved in 40-60 wt. , in particular 50 wt .-%, isopropyl alcohol.
  • Solution B contains colloidal silica dissolved in water.
  • the solution B is adjusted to a pH of between 2.0-4, preferably between 2.5-3.0 and especially 2.7, by means of acid, preferably by means of nitric acid (HNO 3 ).
  • the silicic acid used is expediently a silicic acid stabilized in an acidic medium, the pH of the silicic acid advantageously being 2 -4.
  • the silicic acid is advantageously as low in alkali as possible.
  • the alkali content (eg, Na 2 O) of the silica is preferably below 0.04% by weight.
  • Solution B contains, for example, 70-80% by weight, in particular 75% by weight, of water as solvent and 20-30% by weight, in particular 25% by weight, of colloidal silica.
  • Solution B is conveniently adjusted to a pH of between 2.0-3.5, preferably between 2.5-3.0 and especially 2.7, by means of nitric acid (HN0 3 ).
  • a condensation reaction occurs in which, with the elimination of water, a siloxane bond (Si-O-Si) is built up from two Si-OH groups in each case.
  • a siloxane bond (Si-O-Si) is built up from two Si-OH groups in each case.
  • Progressive polymerization results in a network of polysiloxanes to which alkyl groups are attached.
  • the new mixed solution is in a gel state.
  • the two solutions A and B are preferably mixed in a weight ratio of 7: 3 parts.
  • the sol-gel lacquer is expediently applied or deposited in gel form onto the mold or structural part, or onto the corresponding surface, and then dried or cured.
  • the drying process consists in expelling the water and alcohols remaining in the sol-gel lacquer, whereby the sol-gel lacquer cures and a corrosion-resistant and weather-resistant protective layer is formed on the molded part or structural part surface.
  • the coating is carried out, for example, by applying, spinning or spraying, expediently in a continuous process, which is suitable for the treatment of mold or structural parts described above, even in very large quantities (large series).
  • Particularly preferred coating methods are spraying, spraying, dipping or dip coating.
  • sol-gel systems which are available, for example, under the trade name CERAPAINT of the company Akzo Nobel are suitable for the formation of the corrosion protection layer.
  • Corrosion protection layers which are created by applying a sol-gel system, ie the coating of the actual mold and / or structural part with a sol-gel system, require their preparation a curing or drying process in which the sol-gel system is converted into the durable sol-gel varnish.
  • the mold or structural part coated with the sol-gel lacquer is expediently used by means of radiation, such as UV radiation, electron radiation, laser radiation, or by thermal radiation, such as IR radiation (infrared), or by convection heating or a combination of the abovementioned drying process. or hardening process, dried or hardened.
  • radiation such as UV radiation, electron radiation, laser radiation, or by thermal radiation, such as IR radiation (infrared), or by convection heating or a combination of the abovementioned drying process. or hardening process, dried or hardened.
  • the convection heating can be carried out expediently by exposure to heated gases, such as air, nitrogen, noble gases or mixtures thereof.
  • heated gases such as air, nitrogen, noble gases or mixtures thereof.
  • the sol-gel lacquer layer is preferably dried or hardened in a continuous oven.
  • the sol-gel system is hardened by a heat treatment step provided for optimizing the component properties, so that a separate (additional) curing step can be dispensed with. If such a heat treatment, as is useful in particular for forgings intended or designed for load bearing, is not realized, a corresponding hardening step must be integrated into the production process.
  • the application of the sol-gel system can be integrated into the existing production environment inline or as a bypass process stage with little effort, in particular during the formation of the molded and / or structural part as a forging-specific forged part.
  • the molded and structural parts formed according to the concept of the invention may be made of pure aluminum or an aluminum alloy.
  • Prefers The forgings contain aluminum alloys of the material groups 2xxx, 6xxx or 7xxx or consist of these.
  • the alloys AA 2014, AA 2014A, AA 2017A, AA 2024 and 2618A are preferably used; in the wrought alloys of material group 7xxx, the alloys AA 7003, AA 7018, AA 7020, AA 7022 and AA 7075 are preferred Use, particularly preferably AA 7075.
  • wrought alloys of the material group 6xxx are preferably the alloys AA 6005, AA 6005A, AA 6008, AA 6014, AA 6060, AA 6061, AA 6063, AA 6063A, AA 6056, AA 6066, AA 6110, AA 6110A, AA 6182, AA 6401 and AA 6463 are used, particularly preferably the alloys AA 6060, AA 6063 and AA 6082 and AA 6110, in particular AA 6082.
  • moldings and structural parts according to the invention can also be made from magnesium and magnesium casting and wrought alloys be.
  • the invention farm and / or structural parts with a corrosion protection layer which have emerged from a sol-gel system, are characterized by a smooth, extremely thin, homogeneous, decorative and transparent protective layer that meets the static and dynamic requirement profile of high-quality forgings becomes.
  • Such coated parts that are subjected to static loading in a corrosive environment have a flawless surface appearance even after long term exposure.
  • the farm or structural parts according to the invention have no signs of corrosion after 1000 hours salt spray test (test DIN 50021 -SS) according to DIN 50021.
  • the novel structural or structural parts under these conditions on no Filiformkorresion in the sense of DIN EN ISO 3665 on. Coated farm and / or structural parts, in particular forgings subjected to dynamic-corrosive stress, allow for higher numbers of cycles than uncoated molded and / or structural parts as a result of a delayed corrosion attack.
  • the coated according to the concept of the invention farm and structural parts, in particular due to the small thickness of the corrosion protection layer and the sufficiently plastic material behavior and the consistency of the farm and / or structural parts, in particular corrosion protection layer, as well as non-coated farm and / or structural parts, in particular forgings of a non-destructive component test, for example, measurement of the conductivity or the Brinellhärte be subjected.
  • a non-destructive component test for example, measurement of the conductivity or the Brinellhärte be subjected.
  • the fracture surface of the surface coating is congruent with the fracture surface of the base material; This means that there are no protruding or released particles or splinters, which could cause a risk of injury if touched.
  • the farm and / or structural parts with a corrosion coating formed according to the concept of the invention can thus be machined even after a surface finish with high dimensional accuracy.
  • the coated forged parts described above can be excellently machined, have very good, i. very high, static-mechanical and dynamic-mechanical characteristics and have a high degree of environmental compatibility.
  • the design of the designed according to the concept of the invention farm and / or structural parts can be made according to customer requirements, especially those of the automotive industry.
  • a significant advantage of the parts, in particular the forgings intended for load bearing, is that constructive safety margins and load-bearing cross-sections can be reduced in comparison to forged parts according to the prior art, since the occurrence of corrosion phenomena is at least considerably delayed.
  • the molded and / or structural parts are forgings, even more preferably forged (supporting) forgings.
  • the forgings are designed for load-bearing, i. in the installed state (load-) bearing.
  • the forgings (load-bearing parts) intended for receiving loads are preferably drop-forged parts.
  • the forged parts in question for load bearing are supporting and / or heavily stressed parts in vehicles, in particular motor vehicles.
  • the shaped and / or structured part is, for example, a cast part, a pressed part, an extrusion part or a part produced by forming a sheet metal.
  • Forging intended certain forgings are preferably made of hardenable aluminum alloys and provided for the purpose of their use with a strength-enhancing heat treatment.
  • the component is quenched at temperatures of 460 ° C - 550 ° C in the solution-annealed condition, for example with air or water, and then hot-aged at temperatures of 80 ° C - 200 ° C.
  • Sol-gel systems which are distinguished by at least one of the following parameters and / or substances are particularly suitable for the preparation of the anticorrosion layer (sol-gel lacquer):
  • An aqueous colloidal silica which, in an appropriate combination with an alcoholic silane solution, in particular an alkoxysilane solution by hydrolysis, condensation and drying leads to the formation of a sol-gel lacquer of crosslinked polysiloxanes.
  • sol-gel systems which are obtainable, for example, under the trade name CERAPAINT from Akzo Nobel.
  • the abovementioned sol-gel systems and the anticorrosive layers produced therefrom are distinguished by a chemical composition which permits immediate melt-technological recycling of the coated forgings, without it being necessary to remove the corrosion protection layer chemically or mechanically. It can therefore be avoided additional environmental measures before recycling.
  • All of the aforementioned sol-gel types are non-toxic, odorless and non-corrosive and thus processable without increased safety and protective measures.
  • the corrosion protection layer has an extremely small thickness.
  • the thickness is less than 10 m. more preferably less than 5 m. in particular 2 m to 4 m.
  • a minimum thickness of 0.5 m is not exceeded.
  • a small thickness of the corrosion protection layer leads to a minimized weight gain.
  • an increased lightweight construction potential is offered compared to conventional coating systems.
  • the structural and / or structural part is a motor vehicle component, very particularly preferably a safety-relevant, i. supporting, and / or for receiving power, motor vehicle component, in particular a bumper, a side impact beam or a component of the chassis of the motor vehicle, such as a trailing arm, semi-trailing arm, support arm or wishbone.
  • motor vehicle component in particular a bumper, a side impact beam or a component of the chassis of the motor vehicle, such as a trailing arm, semi-trailing arm, support arm or wishbone.
  • the forging as part of a wheel or engine mount of a motor vehicle.
  • the form and / or structural part for example, as a link, expediently be designed as a hinge or fitting.
  • training as a hydraulic component or as a fitting or seat attachment can be realized.
  • the molded and / or structural part can be formed as a decorative automotive component, in particular for the vehicle interior. Also, the realization of the molded and / or structural part as an exterior automotive component, for example as exterior mirror housing, door handle or roof rail is possible.
  • the molded and / or structural part in particular the forging, as a load-bearing part for applications in the construction industry.
  • an anti-corrosion forged load-bearing forging is suitable for offshore applications where very harsh environmental conditions prevail.
  • the forgings can also be used, in particular as load-bearing parts, in aviation, the electrical industry or the transport industry.
  • the invention also leads to a method for producing a shaped and / or structured part, in particular a forged part, which is characterized by a corrosion protection layer (sol-gel lacquer) which consists of a sol-gel System emerged.
  • the core of the method is to wet or coat the preferably forged, in particular drop-forged, component made of aluminum or an aluminum alloy with a sol-gel system, from which the corrosion protection layer is then formed, if necessary a curing or drying and / or heat treatment process downstream of the coating process.
  • the process can be integrated inline or as a bypass process stage with little effort into an existing production line.
  • the sol-gel system for the formation of the corrosion layer is hardened by a heat treatment, in that the accelerated curing takes place combinatorially with the heat treatment used for forgings in the hot-aged state.
  • the increased temperature for combinatorial drying or hardening of the sol-gel lacquer and the material-specific heat treatment is greater than 80 ° C., preferably greater than 115 ° C. and in particular greater than 140 ° C.
  • the elevated temperature is less than 210 ° C.
  • the elevated temperature is more preferably between 150 ° C and 200 ° C.
  • the application of the sol-gel lacquer before or during the heat aging so that can be dispensed with a separate curing step.
  • the coating methods for applying the sol-gel system to the aluminum or aluminum alloy component which may have a smooth, blasted or structured surface
  • Spraying, spraying and / or immersion or immersion drawing processes are preferred here.
  • the expediently degreased or pickled and subsequently rinsed or cleaned component made of aluminum or an aluminum alloy before and / or after the application and / or curing of the sol-gel system is post-processed, for example by means of a cutting separation process with geometric indeterminate or particular cutting or a non-cutting separation process in which no formless substance in the Result of chips is obtained (eg shearing, fine blanking).
  • a post-processing by thermal, chemical and / or electro-chemical removal methods, for example, in the sense of DIN standard 8580, possible.
  • the anti-corrosive layer made of a sol-gel system allows the processing after the formation of the corrosion protection layer, ie after curing of the sol-gel system, since the corrosion protection layer due to the arrangement directly on the aluminum or the aluminum alloy does not flake off in the Processing tends and insofar as the non-directly processed areas remain optimally protected against corrosion attacks.
  • the invention also leads to the use of a sol-gel system, in particular of sol-gel lacquer of a polysiloxane and advantageously a sol-gel lacquer of one of an alcoholic silane solution, in particular an alkoxysilane solution and an aqueous colloidal Silica solution prepared polysiloxane to form a corrosion protection layer, preferably with a decorative appearance, on a forged component made of aluminum or an aluminum alloy.
  • a post-processed or destructively tested component preferably has no filiform corrosion due to the good layer adhesion and the congruence of the parting surfaces of the coating and the base material.
  • a post-processed or destructively tested component due to the good layer adhesion and the congruence of the separation surfaces of the coating and the base material no risk of injury (such as by scharkantige particles or edge overhang) on.
  • a molded and / or structural part produced by means of the method according to the invention is characterized by a chemical composition of the anticorrosive coating, which is a direct melting-technological recycling of the coated molded or structural parts allows, without prior chemical and / or mechanical removal of the corrosion protection layer.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a designed as a support arm of a motor vehicle, designed for load receiving mold and / or structural part 1, here a forging.
  • Fig. 3 shows a sectional view of this forging 1.
  • Fig. 2 exemplified is designed as a wishbone form and / or structural part 1 for a motor vehicle, wherein in Fig. 4 the corresponding sectional view is reproduced.
  • Fig. 5 shows a detail of the sectional views according to the 3 and 4 of the forging 1. It can be seen that the mold and / or structural part 1 comprises a body 3 made of an aluminum alloy 4, wherein the aluminum alloy 4 is provided directly, ie without providing an intermediate layer, with a corrosion protection layer 2 having a thickness of about 2 m.
  • the anticorrosive layer 2 results from a sol-gel system, which was preferably applied by spraying, spraying, dipping or immersion of the forged component on this. Hardened, i. is converted into the corrosion protection layer 2, the sol-gel system by a heat treatment of the molded and / or structural part 1, here the forging, which simultaneously leads to an optimization of the mechanical characteristics, such as the strength of the component. An additional curing step can thus be dispensed with with advantage.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Form- und/oder Strukturteils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer aus einem Sol-Gel-System resultierenden Korrosionsschutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige Form- und Strukturteile werden mit Fertigungsverfahren oder Kombinationen von verschiedenen Fertigungsverfahren gemäß DIN 8580 hergestellt. Dazu zählen insbesondere Verfahren der Hauptgruppen Urformen, Umformen, Trennen und Stoffeigenschaften ändern. Durch die Kombination verschiedener Formteile können derartig gefertigte Teile auch durch Verfahren der Hauptgruppe Fügen miteinander zu Baugruppen oder Strukturen verbunden werden. Anhand von zur Lastaufnahme bestimmten Schmiedeteilen, die eine bedeutende Produktgruppe innerhalb der die Erfindung betreffende Form- und Strukturteile darstellen, wird der bisherige Stand der Technik sowie die Aufgabenstellung und deren erfindungsgemäße Lösung dargestellt.
  • Zur Lastaufnahme bestimmte Schmiedeteile (geschmiedete Formteile) aus Aluminium und dessen Legierungen sind bekannt. Zur Herstellung derartiger, meist sicherheitsrelevanter Schmiedeteile werden Rohlinge (Schmiedevormaterial), beispielsweise gegossene, gewalzte oder stranggepresste Rohlinge, in Stangenform, als Stäbe, Stababschnitte, Knüppel oder Brammen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem Gesenk über eine oder mehrere Umformstufen schmiedend verarbeitet. Zu den Umformstufen gehören das Vorformen, wie Stauchen, Biegen, Recken, Reck- oder Querkeilwalzen, Vorschmieden, das Fertigschmieden, Nachformen und Kalibrieren. Dem eigentlichen Schmiedevorgang können sich metall- und legierungsspezifische Wärmebehandlungen anschließen, insbesondere um den technologischen Zustand (beispielsweise T4, T5, T6 oder T73) gemäß DIN EN 515 zu erreichen. Darüber hinaus ist es bekannt, die Schmiedeteile einer Oberflächenbehandlung so wie Beizen oder Strahlen zu unterziehen.
  • Bekannte, auf Last beanspruchbare Schmiedeteile weisen verschiedene Nachteile hinsichtlich ihrer Korrosionsanfälligkeit auf. Sie können bei unsachgemäßer Lagerung, unsachgemäßem Transport oder während des Einsatzes in widriger, insbesondere feuchter oder schadstoffhaltiger, Umgebung, Korrosionsangriffen ausgesetzt sein, die u.a. an der Bauteiloberfläche zu optischen, maßlichen und/oder mechanischen Qualitätseinbußen führen. Schmiedeteile, die zusätzlich im Betriebseinsatz korrosiv wirkenden Medien, wie z.B. Salz- Lösungen, Bremsstaub oder ähnlichen ausgesetzt sind, erfahren einen intensivierten und beschleunigten Korrosionsangriff. Die Art des Korrosionsangriffs, beispielsweise Spannungsrisskorrosion, interkristalline Korrosion oder Schichtkorrosion ist dabei abhängig von der Legierung und ihrem technologischen Zustand sowie von der Art und der Konzentration der korrosionsauslösenden Medien und den herrschenden Prozessparametern, beispielsweise der Temperatur. Konventionell gefertigte Schmiedeteile, die nicht in erster Linie zu dekorativen Zwecken eingesetzt werden, sind in der Regel nicht bzw. nur geringfügig, beispielsweise durch Oberflächenstrahlen, gegen einen vorbeschriebenen Korrosionsangriff geschützt. Bisher bekannte Beschichtungsprozesse sind durch vergleichsweise größere Schichtdicken, schlechtere Umweltverträglichkeit, signifikant verlängerte Prozessketten und/oder erhöhten Anlagenaufwand charakterisiert und kommen folglich bei auf Last beanspruchbaren Aluminiumschmiedeteilen kaum zur Anwendung.
  • Auf dem technischen Gebiet der (nicht zur Lastaufnahme bestimmten) Reflektorkörperherstellung ist es, wie sich aus der EP 1 287 389 B1 ergibt, bekannt, aus Aluminium ausgebildete Reflektorkörper mit einem Sol-Gel-Lack zu beschichten, wobei der Sol-Gel-Lack nicht unmittelbar auf das Aluminium, sondern auf eine auf diesem vorgesehene Reflektionsschicht aufgetragen ist.
  • Im Artikel A new corrosion protection coating system for pressure-cast aluminium automotive parts, Materials & Design, Band 18, Ausgaben 4-6, 1 Dezember 1997, Seiten 309-313offenbaren H Schmidt u.a. ein Verfahren zum Herstellen eines Kraftfahrzeugteils, wobei zunächst ein Bauteil aus einer Aluminiumlegierung (AIMgSi1, AIMg3) hergestellt und oberflächenbehandelt wird, und wobei ein Sol-Gel-Lack, umfassend eine alkoholische kolloidale Kieselsäure in Kombination mit einer GPTS-Lösung, unmittelbar durch Eintauchen auf das Aluminium aufgetragen und in eine Korrosionsschutzschicht bei einer Temperatur zwischen 100 und 150°C umgewandelt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstig und möglichst einfach herstellbares witterungsbeständiges und korrosionsgeschütztes, mit einem gegen mechanische Einflüsse hinreichend beständigem Oberflächenschutz versehenes Form- und/oder Strukturteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Bevorzugt soll sich das Teil durch eine sehr gute Oberflächenbeschaffenheit, homogene Topographie und geringe Rauheit auszeichnen. Insbesondere soll das Erscheinungsbild auch nach langfristigem Betriebseinsatz, insbesondere unter verschärften Umgebungsbedingungen optisch ansprechend sein. Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Form- und/oder Strukturteile sich durch gute mechanische Eigenschaften und eine ebenso gute Bearbeitbarkeit auszeichnen. Ferner wäre es von Vorteil, wenn die Form- und/oder Strukturteile mit denselben nicht zerstörenden Prüfmethoden prüfbar wären, wie diese bei konventionell hergestellten Form-und/oder Strukturteilen eingesetzt werden.
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Form- und/oder Strukturteil mit einer Korrosionsschutzschicht zu versehen, die aus einem Sol-Gel-System hergestellt, d.h. geschaffen ist, wobei die Korrosionsschutzschicht unmittelbar auf dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung realisiert wird. Anders ausgedrückt wird auf jegliche Zwischenschicht zwischen der Korrosionsschutzschicht und dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung verzichtet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Korrosionsschicht bei derartigen Bauteilen überraschend auch ohne eine im Stand der Technik als notwendig angesehene
  • Zwischenschicht (dort Reflektionsschicht) fest unmittelbar auf dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung haftet. Somit kann auf das Aufbringen einer Zwischenschicht, beispielsweise einer Reflektionsschicht, wie bei bekannten Reflektionsaluminiumteilen, etwa mittels Voranodisieren, Chromatieren oder Phosphatieren zur verbesserten Haftbarkeit der Deckschicht entfallen. Hierdurch kann die Prozesskette (Transport der Teile, Logistik, Qualitätssicherung) auf ein Minimum reduziert werden. Ebenso führt der Verzicht auf eine Zwischenschicht zu geringen Material- und Energiekosten.
  • Bei der unmittelbar auf dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung realisierten Korrosionsschicht handelt es sich um einen Sol-Gel-Lack, der hervorgegangen ist aus einem unmittelbar auf das Aluminium bzw. die Aluminiumlegierung aufgebrachten, Sol-Gel-System. Als Gele bezeichnet man formbeständige, leicht deformierbare, an Flüssigkeit reichhaltige disperse Systeme, die aus einem festen, unregelmäßigen, dreidimensionalen Netzwerk und einer Flüssigkeit bestehen. Unter einem Sol-Gel-System ist dabei ein nach der Sol-Gel- Technologie hergestellter Sol-Gel-Lack zu verstehen, der nach produktgerechter Applizierung und Aushärtung eine mit dem Substrat - in diesem Fall ein Form- bzw. Strukturteil -fest verbundene, gehärtete, Schutzschicht bildet. Die Schutzschicht ist vorzugsweise ein transparent aushärtender Sol-Gel-Lack, der den farblichen Grundton des metallischen Substrates erkennen lässt. Unter transparent aushärtendem Sol-Gel-Lack ist insbesondere eine klare, farblose, durchsichtige Schutzschicht zu verstehen. Die auf die gereinigte Oberfläche des Substrates aufgebrachte Schutzschicht ist ein Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan und vorteilhaft ein Sol-Gel- Lack aus einem aus einer alkoholischen Silan-Lösung, insbesondere einer Alkoxysilan-Lösung und einer wässrigen kolloidalen Kieselsäure-Lösung hergestellten Polysiloxan. Polysiloxan ist dabei der Begriff für Polymere aus vernetzten Siloxanen. Das Polysiloxan wird insbesondere durch eine Kondensationsreaktion zwischen hydrolisierten und vernetzbaren Silanen, insbesondere Alkoxysilanen, und kolloidaler Kieselsäure erzeugt.
  • Die Kondensationsreaktion zwischen hydrolisierten Silanen, insbesondere Alkoxysilanen, untereinander sowie hydrolisierten Silanen, insbesondere Alkoxysilanen, und kolloidaler Kieselsäure führt zur Ausbildung eines anorganischen Netzwerkes von Polysiloxanen. Gleichzeitig werden organische Gruppen, insbesondere Alkylgruppen bzw. einfache Alkylgruppen über Kohlenstoffbindungen in das anorganische Netzwerk eingebaut. Die organischen Gruppen, bzw. die Alkylgruppen, nehmen jedoch nicht direkt an der Polymerisation bzw. der Vernetzung der Siloxane teil, d.h. sie dienen nicht zur Ausbildung eines organischen Polymersystems sondern lediglich zur Funktionalisierung. Die Funktion liegt darin, dass die organischen Gruppen, insbesondere die Alkylgruppen, während des Sol-Gel-Prozesses an den Außenseiten der Polysiloxane angehängt werden und dadurch eine nach außen wasserabstoßende Lage ausbilden, welche dem Sol-Gel-Lack eine ausgeprägte hydrophobe Eigenschaft verleiht.
  • Der beschriebene Sol-Gel-Prozess führt, wie erwähnt, durch gezielte Hydrolyse und Kondensation von Alkoxiden des Siliziums und Kieselsäure zu einem Sol- Gel-Lack aus einem anorganischen Netzwerk mit eingebauten Alkylgruppen. Die dadurch erhaltenen Polysiloxane sind deshalb eher den anorganischen Polymeren zuzuordnen.
  • Bei der Herstellung einer bevorzugten Ausführung eines Sol-Gel-Lackes als Schutzschicht wird zweckmäßig von zwei Basislösungen A und B ausgegangen.
  • Die Lösung A ist eine alkoholische Lösung eines oder mehrerer verschiedener Alkoxysilane, wobei die Alkoxysilane in einem wasserfreien Medium in nicht hydrolisierter Form vorliegen. Als Lösungsmittel wird zweckmäßig ein Alkohol, wie beispielsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl- oder Butylalkohol und bevorzugt Isopropylalkohol, verwendet.
  • Die Alkoxysilane werden durch die allgemeine Formel XnSi(OR)4-n beschrieben, in welcher "R" ein einfaches Alkyl ist, vorzugsweise aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl und Buthyl. "X" ist zweckmäßig ebenfalls ein Alkyl, vorzugsweise aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl und Buthyl. Zweckmäßige Alkoxysilane sind beispielsweise Tetramethoxysilane (TMOS) und bevorzugt Tetraethoxysilan (TEOS) und Methyltrimethoxysilan (MTMOS) und weitere Alkoxysilane.
  • In besonders bevorzugter Ausführungsform wird die Lösung A aus Tetraethoxysilan (TEOS) und/oder Methyltrimethoxysilan (MTMOS)mit einem Methyl-, Ethyl- oder Propyl-Alkohol und insbesondere mit einem Isopropyl-Alkohol als Lösungsmittel zubereitet. Die Lösung A kann z.B. 25 -35 Gew.-% (Gewichts-%), insbesondere 30 Gew.-%, TEOS und 15 - 25 Gew.-%, insbesondere 20 Gew.-%, MTMOS enthalten, beides gelöst in 40-60 Gew.-%, insbesondere 50 Gew.-%, Isopropyl-Alkohol.
  • Die Lösung B enthält in Wasser gelöste kolloidale Kieselsäure. In zweckmäßiger Ausführung wird die Lösung B mittels Säure, vorzugsweise mittels Salpetersäure (HNO3), auf einen pH-Wertzwischen2,0-4,vorzugsweisezwischen 2,5- 3,0 und insbesondere von 2,7 eingestellt.
  • Die verwendete Kieselsäure ist zweckmäßig eine in saurem Milieu stabilisierte Kieselsäure, wobei der pH-Wert der Kieselsäure vorteilhaft bei 2 -4 liegt. Die Kieselsäure ist vorteilhaft möglichst alkaliarm. Der Alkaligehalt (z.8. Na2O) der Kieselsäure liegt bevorzugt unter 0,04 Gew.-%.
  • Die Lösung B enthält beispielsweise 70-80 Gew.-%, insbesondere 75 Gew.-%, Wasser als Lösungsmittel und 20 -30 Gew.-%, insbesondere25 Gew.-%, kolloidale Kieselsäure. Die Lösung B ist zweckmäßig mittels Salpetersäure (HN03) aufeinen pH-Wertzwischen 2,0-3,5, vorzugsweisezwischen 2,5-3,0 und insbesondere von 2,7 eingestellt.
  • Das Zusammenführen und Mischen der beiden Basislösungen A und B führt in Gegenwart der Salpetersäure zu einer Hydrolysereaktion zwischen dem in Lösung B enthaltenen Wasser und den in Lösung A enthaltenen Alkoxysilanen.
  • Hydrolyse-Reaktion:

            Si(OR)n + nH20 → Si(OH)n + nR(OH)

  • Gleichzeitig tritt eine Kondensationsreaktion ein, bei der unter Wasser- Abspaltung aus jeweils zwei Si-OH-Gruppen eine Siloxan-Bindung (Si-0-Si) aufgebaut wird. Durch fortschreitende Polymerisation entsteht dabei ein Netzwerk von Polysiloxanen, an welche Alkyl-Gruppen angegliedert sind. Die neue Mischlösung liegt in einem gelförmigen Zustand vor. Die beiden Lösungen A und B werden bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von 7:3 Teilen gemischt.
  • Der Sol-Gel-Lack wird zweckmäßig in Gel-Form auf das Form- oder Strukturteil, bzw. auf die entsprechende Oberfläche, aufgetragen bzw. abgeschieden und anschließend getrocknet bzw. gehärtet. Der Trocknungsprozess besteht darin, die im Sol-Gel-Lack verbleibenden Wasser und Alkohole auszutreiben, wodurch der Sol-Gel-Lack aushärtet und eine korrosions- und witterungsbeständige Schutzschicht auf der Formteil - bzw. Strukturteiloberfläche entsteht.
  • Die Beschichtung erfolgt, beispielsweise durch Auftragen, Schleudern oder Spritzen, zweckmäßig in einem kontinuierlichen Verfahren, welches für die Behandlung von vorstehend beschriebenen Form- bzw. Strukturteilen, auch in sehr hohen Stückzahlen (Großserien), geeignet ist. Besonders bevorzugte Beschichtungsverfahren sind das Sprühen, Spritzen, Tauchen bzw. Tauchziehbeschichten.
  • Insbesondere eignen sich Sol-Gel-Systeme, die beispielsweise unter dem Markennamen CERAPAINT des Unternehmens Akzo Nobel erhältlich sind zur Ausbildung der Korrosionsschutzschicht.
  • Korrosionsschutzschichten (Sol-Gel-Lacke), die durch Auftragen eines Sol-Gel-Systems, also das Beschichten des eigentlichen Form- und/oder Strukturteils mit einem Sol-Gel-System, geschaffen werden, benötigen zu deren Herstellung einen Härtungs- bzw. Trocknungsprozess, bei dem das Sol-Gel-System in den beständigen Sol-Gel-Lack umgewandelt wird.
  • Das mit dem Sol-Gel-Lack beschichtete Form- bzw. Strukturteil wird zweckmäßig mittels Strahlung, wie UV-Strahlung, Elektronenstrahlung, Laserstrahlung, oder mittels Wärmestrahlung, wie IR-Strahlung (infrarot), oder mittels Konvektionserwärmung oder einer Kombination der vorgenannten Trocknungs- bzw. Härtungsverfahren, getrocknet bzw. gehärtet.
  • Die Konvektionserwärmung kann zweckmäßig durch eine Beaufschlagung mit erwärmten Gasen, wie Luft, Stickstoff, Edelgase oder Gemischen daraus, erfolgen. Die Sol-Gel-Lackschicht wird bevorzugt in einem Durchlaufofen getrocknet bzw. gehärtet.
  • Erfindungsgemäß wird jedoch im Herstellungsverfahren zur Herstellung des Form- und/oder Strukturteils auf einen derartigen zusätzlichen Härtungs- bzw. Trocknungsprozess verzichtet und stattdessen dieser Härtungs- bzw. Trocknungsprozess Bestandteil eines ohnehin realisierten Prozessschrittes, beispielsweise einer Wärmebehandlung zur Optimierung der Bauteilseigenschaften realisiert wird. Anders ausgedrückt ist es erfindungsgemäß, das Sol- Gel-System durch einen zur Optimierung der Bauteileigenschaften vorgesehenen Wärmebehandlungsschritt zu härten, so dass auf einen separaten (zusätzlichen) Härtungsschritt verzichtet werden kann. Wird eine solche Wärmebehandlung, wie sie insbesondere bei zur Lastaufnahme bestimmten bzw. ausgelegten Schmiedeteilen sinnvoll ist, nicht realisiert, muss ein entsprechender Härtungsschritt in das Herstellungsverfahren integriert werden. Das Aufbringen des Sol-Gel-Systems lässt sich insbesondere bei der Ausbildung des Form- und/oder Strukturteils als zur Lastaufnahme bestimmtes Schmiedeteil in ein bestehendes Produktionsumfeld inline oder als BypassProzessstufe mit geringem Aufwand integrieren.
  • Die nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Form- und Strukturteile können aus Reinaluminium odereiner Aluminiumlegierung bestehen. Bevorzugt enthalten die Schmiedeteile Aluminiumlegierungen der Werkstoffgruppen 2xxx, 6xxx oder 7xxx oder bestehen daraus. Bei gegossenen Form- und/oder Strukturteilen kommen bevorzugt Aluminiumlegierungen der Art AlSiMg, AlSiCu, AlCu sowie AlZnMg in Betracht. Bei Knetlegierungen der Werkstoffgruppe 2xxx kommen bevorzugt die Legierungen AA 2014, AA 2014A, AA 2017A, AA 2024 und 2618A zum Einsatz, bei den Knetlegierungen der Werkstoffgruppe 7xxx kommen bevorzugt die Legierungen AA 7003, AA 7018, AA 7020, AA 7022 und AA 7075 zum Einsatz, besonders bevorzugt AA 7075. Bei Knetlegierungen der Werkstoffgruppe 6xxx kommen bevorzugt die Legierungen AA 6005, AA 6005A, AA 6008, AA 6014, AA 6060, AA 6061, AA 6063, AA 6063A, AA 6056, AA 6066, AA 6110, AA 6110A, AA 6182, AA 6401 und AA 6463 zum Einsatz, besonders bevorzugt die Legierungen AA 6060, AA 6063 und AA 6082 und AA 6110, insbesondere AA 6082. Darüber hinaus können erfindungsgemär1e Form- und Strukturteile auch aus Magnesium und Magnesiumguss- und knetlegierungen gefertigt sein.
  • Die erfindungsgemär1en Farm- und/oder Strukturteile mit einer Korrosionsschutzschicht, die aus einem Sol-Gel-System hervorgegangen sind, zeichnen sich durch eine glatte, extrem dünne, homogene, dekorative und transparente Schutzschicht aus, die dem statischen und dynamischen Anforderungsprofil an hochwertige Schmiedeteile gerecht wird. Derartige beschichtete Teile, die statisch belastet einer korrosiven Umgebung ausgesetzt werden, weisen auch nach einer Langzeitbelastung ein makelloses Oberflächenerscheinungsbild auf. Die erfindungsgemär1en Farm- bzw. Strukturteile weisen keine Korrosionserscheinungen nach 1000h Salzsprühnebelprüfung (Prüfung DIN 50021 -SS) nach DIN 50021 auf. Darüber hinaus weisen die erfindungsgemässen Form- bzw. Strukturteile unter diesen Konditionen keine Filiformkorresion im Sinne der DIN EN ISO 3665 auf. Beschichtete Farm- und/oder Strukturteile, insbesondere Schmiedeteile, die einer dynamisch-korrosiven Beanspruchung unterzogen werden, ermöglichen höhere Lastspielzahlen als unbeschichtete Form- und/oder Strukturteile in Folge eines verzögerten Korrosionsangriffs.
  • Darüber hinaus können die nach dem Konzept der Erfindung beschichteten Farm- und Strukturteile, insbesondere aufgrund der geringen Schichtdicke der Korrosionsschutzschicht sowie des hinreichend plastischen Materialverhaltens und der Konsistenz der Farm- und/oder Strukturteile, insbesondere Korrosionsschutzschicht, ebenso wie nicht-beschichtete Farm- und/oder Strukturteile, insbesondere Schmiedeteile einer nicht zerstörenden Bauteilprüfung, beispielsweise Messung der Leitfähigkeit oder der Brinellhärte, unterzogen werden. Bei mechanischer Nachbearbeitung oder zerstörender statischer oder dynamischer Bauteilprüfung ist die Bruchfläche der Oberflächenbeschichtung kongruent mit der Bruchfläche des Grundwerkstoffs; dies bedeutet, es treten keine abstehenden oder freiwerdenden Partikel oder Splitter auf, die bei Berührung eine Verletzungsgefahr hervorrufen könnten. Durch die Kongruenz der Bruchflächen und die exzellente Haftung der Korrosionsschutzschicht werden zudem Unterwanderungen von flüssigen Medien unterbunden, wodurch das bei diversen anderen Beschichtungssystemen bekannte Risiko der Filiformkorrosion vermieden werden kann. Demzufolge erhält das Farm- und Strukturteil bei einer partiellen Zerstörung der Beschichtung keine fortschreitende Beschädigung entlang der Grenzschicht infolge von Flüssigkeitsausbreitung und daraus resultierenden Korrosionsangriffen. Die Farm- und/oder Strukturteile mit einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Korrosionsbeschichtung können so- mit auch im Anschluss an eine Oberflächenveredelung mit hoher Maßhaltigkeit spanend bearbeitet werden. Die zuvor beschriebenen beschichteten Schmiede teile lassen sich hervorragend spanend bearbeiten, haben sehr gute, d.h. sehr hohe, statisch-mechanische und dynamisch-mechanische Kennwerte und weisen ein hohes Maßan Umweltverträglichkeit auf.
  • Die konstruktive Auslegung der nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Farm- und/oder Strukturteile kann nach Kundenanforderungen erfolgen, insbesondere denen der Automobilindustrie. Ein wesentlicher Vorteil der Teile, insbesondere der zur Lastaufnahme bestimmten Schmiedeteile, besteht darin, dass konstruktive Sicherheitszuschläge und tragende Querschnitte im Vergleich zu Schmiedeteilen nach dem Stand der Technik reduziert werden können, da
    das Auftreten von Korrosionserscheinungen zumindest erheblich verzögert wird.
  • Zusammengefasst können bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Form- und/oder Strukturteil bzw. durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Sol-Gel-Beschichtungsverfahrens folgende Vorteile erreicht werden:
    • eine sehr hohe Korrosions- und Korrosionsermüdungsbeständigkeit,
    • eine gute Schutzwirkung gegen Witterungseinflüsse,
    • eine vernachlässigbar geringe Gewichtszunahme infolge von extrem dünn realisierbaren Korrosionsschutzbeschichtungen,
    • eine sehr gute Schichthaftung des Sol-Gel-Systems auf Aluminiumwerkstoffen,
    • eine sehr gute Temperaturbeständigkeit der Korrosionsschutzbeschichtung,
    • eine sehr hohe Maßhaltigkeit,
    • sehr homogene, dekorative Oberflächeneigenschaften,
    • sehr gute, d.h. hohe, statisch-mechanische Kennwerte,
    • eine sehr hohe Duktilität und hohe Energieabsorptionseigenschaften,
    • eine sehr hohe dynamische Belastbarkeit,
    • eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Rißinitiierung,
    • eine hohe Kratzfestigkeit und hohe Beständigkeit gegen mechanischen Abbau und Abrieb,
    • eine sehr gute, gleichmäßige Spanbarkeit,
    • hervorragende, homogene Gefügeeigenschaften,
    • eine hohe UV-Strahlen-Resistenz,
    • eine umweltfreundliche, schmelztechnologische Recyclierbarkeit ohne vorheriges chemisches und/oder mechanisches Abtragen der Schutzschicht.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass es sich bei den Form- und/oder Strukturteilen um Schmiedeteile, noch weiter bevorzugt um zur Lastaufnahme bestimmte (tragende) Schmiedeteile handelt. Anders ausgedrückt sind die Schmiedeteile zur Lastaufnahme ausgelegt, d.h. im eingebauten Zustand (last-) tragend. Bevorzugt handelt es sich bei den zur Lastaufnahme bestimmten Schmiedeteilen (tragende Teile) um gesenkgeschmiedete Teile. Wie später noch erläutert werden wird, handelt es sich bei den in Rede stehenden, zur Lastaufnahme bestimmten Schmiedeteilen um tragende und/oder stark beanspruchte Teile in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen. Alternativ handelt es sich bei dem Form- und/oder Strukturteil beispielsweise um ein Gussteil, ein Pressteil, ein Extrusionsteil oder durch Umformen eines Bleches hergestelltes Teil.
  • Zur Lastaufnahme bestimmte Schmiedeteile werden bevorzugt aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen gefertigt und zwecks ihrer Einsatzbestimmung mit einer festigkeitssteigernden Wärmebehandlung versehen. Dabei wird das Bauteil je nach Werkstoff bei Temperaturen von 460°C- 550°C im lösungsgeglühten Zustand beispielsweise mit Luft oder Wasser abgeschreckt und anschließend bei Temperaturen von 80°C- 200°C warmausgelagert. Ein typisches Beispiel stellen Schmiedeteile im Werkstoff EN AW-6082 dar, die im warmausgelagerten Zustand T5 oder T6 bzw. T64 häufig eine Mindestzugfestigkeit Rm >= 340 MPa, eine Mindestdehngrenze Rp0,2 >=310 MPa und eine Mindestbrinellhärte HBW2,5/625 >= 100 bei einer Mindestbruchdehnung A5 >= von 10% aufweisen müssen.
  • Besonders geeignet zur Herstellung der Korrosionsschutzschicht (Sol-Gel-Lack) sind Sol-Gel-Systeme, die sich durch mindestens einen der folgenden Parameter und/oder Substanzen auszeichnen: Eine wässrige kolloidale Kieselsäure, die in zweckmäßiger Kombination mit einer alkoholischen Silan-Lösung, insbesondere einer Alkoxysilan-Lösung durch Hydrolyse, Kondensation und Trocknung zur Bildung eines Sol-Gel-Lackes aus vernetzten Polysiloxanen führt.
  • Besonders bevorzugt sind Sol-Gel-Systeme, die beispielsweise unter dem Handelsnamen CERAPAINT von der Firma Akzo Nobel erhältlich sind. Die vorgenannten Sol-Gel-Systeme und die daraus hergestellten Korrosionsschutzschichten zeichnen sich durch eine chemische Zusammensetzung aus, die ein unmittelbares schmelztechnologisches Recycling der beschichteten Schmiedeteile ermöglicht, ohne dass es notwendig wäre, die Korrosionsschutzschicht chemisch oder mechanisch abzutragen. Es können also zusätzliche umwelttechnische Maßnahmen vor dem Recyceln vermieden werden. Sämtliche vorgenannten Sol-Gel-Typen sind ungiftig, geruchsneutral und nicht ätzend und somit ohne erhöhte Sicherheits- und Schutzmaßnahmen verarbeitbar.
  • Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn, wie eingangs bereits angedeutet, die Korrosionsschutzschicht eine äußerst geringe Dicke aufweist. Bevorzugt beträgt die Dicke weniger als 10 m. besonders bevorzugt weniger als 5 m. insbesondere 2 m bis 4 m. Bevorzugt wird eine minimale Dicke von 0,5 m nicht unterschritten. Neben anderen Vorteilen führt eine geringe Dickenerstreckung der Korrosionsschutzschicht zu einem minimierten Gewichtszuwachs. Somit wird gegenüber konventionellen Beschichtungssystemen ein erhöhtes Leichtbaupotenzial angeboten.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass es sich bei dem Form- und/oder Strukturteil um eine Kraftfahrzeugkomponente handelt, ganz besonders bevorzugt um ein sicherheitsrelevantes, d.h. tragendes, und/oder zur Kraftaufnahme, Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere um einen Stoßfänger, einen Seitenaufprallträger oder um ein Bauteil des Fahrwerks des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einen Längslenker, Schräglenker, Traglenker oder Querlenker. Auch ist es möglich, das Schmiedeteil als Bestandteil einer Rad- oder Motoraufhängung eines Kraftfahrzeugs auszubilden. Andere Anwendungen sind ebenfalls denkbar. So kann das Form- und/oder Strukturteil beispielsweise als Verbindungsglied, zweckmäßig als Scharnier oder Beschlag ausgebildet werden. Alternativ ist eine Ausbildung als Hydraulikkomponente bzw. als Armatur- oder Sitzbefestigung realisierbar. Ebenso kann das Form- und/oder Strukturteil als dekorative Automobilkomponente, insbesondere für den Fahrzeuginnenraum ausgebildet werden. Auch ist die Realisierung des Form- und/oder Strukturteils als Exterieur-Automobilkomponente, beispielsweise als Außenspiegelgehäuse, Türgriff oder Dachreling möglich.
  • Besonders zweckmäßig ist es, das Form- und/oder Strukturteil, insbesondere das Schmiedeteil, als Lastentragteil für Anwendungen in der Bauindustrie auszubilden. Darüber hinaus eignet sich ein mit einer Korrosionsschutzschicht versehenes, zur Lastaufnahme ausgelegtes Schmiedeteil für Offshore- Anwendungen, bei denen sehr raue Umweltbedingungen herrschen. Auch können die Schmiedeteile, insbesondere als Lastentragteile, in der Luftfahrt, der Elektroindustrie oder der Transportindustrie eingesetzt werden.
  • Die Erfindung führt, wie bereits angedeutet, auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines wie zuvor beschrieben ausgebildeten Form- und/oder Strukturteils, insbesondere eines Schmiedeteils, welches sich durch eine Korrosionsschutzschicht (Sol-Gel-Lack) auszeichnet, welche aus einem Sol-Gel-System hervorgegangen ist. Kern des Verfahrens ist es, das, vorzugsweise geschmiedete, insbesondere gesenkgeschmiedete, Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Sol-Gel-System zu benetzen bzw. zu beschichten, aus dem dann die Korrosionsschutzschicht entsteht, ggf. durch
    einen dem Beschichtungsvorgang nachgeordneten Härtungs- bzw. Trocknungs- und/oder Wärmebehandlungsvorgang.
  • Das Verfahren lässt sich inline oder als Bypassprozessstufe mit geringem Aufwand in eine bestehende Produktionslinie integrieren.
  • Erfindungsgemäß ist es, das Sol-Gel-System zur Ausbildung der Korrosionsschicht durch eine Wärmebehandlung zu härten, indem die beschleunigte Härtung kombinatorisch mit der für Schmiedeteile im warm ausgelagerten Zustand angewandten Wärmebehandlung erfolgt. Die erhöhte Temperatür zur kombinatorischen Trocknung bzw. Härtung des Sol-Gel-Lackes und der werkstoffspezifischen Wärmebehandlung ist größer als 80°C, vorzugsweise größer als 115°C und insbesondere größer als 140°C. Die erhöhte Temperatur ist kleiner als 210°C. Die erhöhte Temperatur liegt besonders bevorzugt zwischen 150°C und 200°C.
  • Mit Vorteil erfolgt der Auftrag des Sol-Gel-Lackes vor oder während der Warmauslagerung, so dass auf einen separaten Härtungsschritt verzichtet werden kann.
  • Im Hinblick auf die Beschichtungsmethoden zum Aufbringen des Sol-Gel- Systems auf das Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungsbauteil, welches eine glatte, gestrahlte oder strukturierte Oberfläche aufweisen kann, gibt es unter- schiedliche Möglichkeiten, beispielsweise das Lackieren. Bevorzugt sind hierbei Spritz-, Sprüh- und/oder Tauch- bzw. Tauchziehverfahren.
  • Besonders zweckmäßig ist es, wenn das zweckmäßig entfettete oder gebeizte und anschließend gespülte bzw. gereinigte Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vor und/oder nach dem Aufbringen und/oder Härten des Sol-Gel-Systems nachbearbeitet wird, beispielsweise mittels eines spanenden Trennverfahrens mit geometrisch unbestimmten oder bestimmten Schneiden oder einem nicht spanenden Trennverfahren, bei dem kein formloser Stoff im Sinne von Spänen anfällt (z.B. Scherschneiden, Feinschneiden). Auch ist eine Nachbearbeitung durch thermische, chemische und/oder elektro-chemische Abtragverfahren, beispielsweise im Sinne der DIN-Norm 8580, möglich. Insbesondere ermöglicht die aus einem Sol-Gel-System hergestellte Korrosionsschutzschicht die Bearbeitung nach der Ausbildung der Korrosionsschutzschicht, d.h. nach dem Härten des Sol-Gel-Systems, da die Korrosionsschutzschicht aufgrund der Anordnung unmittelbar auf dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung nicht zum Abplatzen bei der Bearbeitung neigt und insofern die nicht unmittelbar bearbeiteten Bereiche optimal vor Korrosionsangriffen geschützt bleiben.
  • Die Erfindung führt auch auf die Verwendung eines Sol-Gel-Systems, insbesondere von Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan und vorteilhaft ein Sol-Gel- Lack aus einem aus einer alkoholischen Silan-Lösung, insbesondere einer Alkoxysilan-Lösung und einer wässrigen kolloidalen Kieselsäure-Lösung hergestellten Polysiloxan zur Ausbildung einer Korrosionsschutzschicht, vorzugsweise mit einem dekorativen Erscheinungsbild, auf einem geschmiedeten Bauteil aus Aluminium odereiner Aluminiumlegierung.
  • Bevorzugt weist ein nachbearbeitetes oder zerstörend geprüftes Bauteil aufgrund der guten Schichthaftung und der Kongruenz der Trennflächen der Beschichtung und des Grundwerkstoffs keine Filiformkorrosion auf.
  • Weiter bevorzugt weist ein nachbearbeitetes oder zerstörend geprüftes Bauteil aufgrund der guten Schichthaftung und der Kongruenz der Trennflächen der Beschichtung und des Grundwerkstoffs keine Verletzungsgefahr (etwa durch scharkantige Partikel oder Kantenüberstand) auf.
  • Ganz besonders bevorzugt zeichnet sich ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Form- und/oder Strukturteil durch eine chemische Zusammensetzung der Korrosionsschutzschicht aus, die ein unmittelbares schmelztechnologisches Recycling der beschichteten Form- bzw. Strukturteile ermöglicht, ohne vorheriges chemisches und/oder mechanisches Abtragen der Korrosionsschutzschicht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachtalgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
  • Diese zeigen in:
    • Fig. 1:
    eine schematische Darstellung eines als Traglenker ausgebildeten Schmiedeteils für ein Kraftfahrzeug,
    Fig. 2:
    eine schematische Darstellung eines als Querlenker ausgebildeten Schmiedeteils für ein Kraftfahrzeug,
    Fig. 3:
    das Schmiedeteil gemäß Fig. 1 in einer Schnittansicht,
    Fig. 4:
    das Schmiedeteil gemäß Fig. 2 in einer Schnittansicht, und
    Fig. 5:
    eine schematische Darstellung eines vergrößerten Details aus den Fig. 3 und 4, aus dem ersichtlich ist, dass die Korrosionsschutzschicht ohne Zwischenschicht unmittelbar auf der Aluminiumlegierung des Farm- und/oder Strukturteils aufgebracht ist.
  • In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Fig. 1 zeigt in einer schematisierten Darstellung ein als Traglenker eines KFZ ausgebildetes, zur Lastaufnahme bestimmtes Form- und/oder Strukturteil 1, hier ein Schmiedeteil. Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht dieses Schmiedeteils 1.
  • In Fig. 2 ist exemplarisch ein als Querlenker ausgebildetes Form- und/oder Strukturteil 1 für ein KFZ dargestellt, wobei in Fig. 4 die zugehörige Schnittansicht wiedergegeben ist.
  • Fig. 5 zeigt ein Detail aus den Schnittansichten gemäß der Fig. 3 und 4 des Schmiedeteils 1. Zu erkennen ist, dass das Form- und/oder Strukturteil 1 einen Körper 3 aus einer Aluminiumlegierung 4 umfasst, wobei die Aluminiumlegierung 4 unmittelbar, d.h. ohne eine Zwischenschicht vorzusehen, mit einer Korrosionsschutzschicht 2 versehen ist, die eine Dickenerstreckung von etwa 2 m aufweist.
  • Die Korrosionsschutzschicht 2 resultiert aus einem Sol-Gel-System, das bevorzugt durch Spritzen, Besprühen, Tauchen bzw. Tauchziehen des geschmiedeten Bauteils auf dieses aufgebracht wurde. Ausgehärtet, d.h. in die Korrosionsschutzschicht 2 umgewandelt wird das Sol-Gel-System durch eine Wärmebehandlung des Form- und/oder Strukturteils 1, hier des Schmiedeteils, welche gleichzeitig zu einer Optimierung der mechanischen Kennwerte, beispielsweise der Festigkeit des Bauteils führt. Auf einen zusätzlichen Härtungsschritt kann somit mit Vorteil verzichtet werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Form- und/oder Strukturteils (1) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (4) mit einer aus einem Sol-Gel-System resultierenden Korrosionsschutzschicht (2) wobei
    - zunächst ein Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (4) hergestellt wird I
    - unmittelbar auf das Aluminium bzw. die Aluminiumlegierung (4) ein Sol-Gel-System aufgetragen und in eine Korrosionsschutzschicht umgewandelt wird
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Sol-Gel-System zur Ausbildung der Korrosionsschutzschicht (2) gehärtet wird, wobei
    das Sol-Gel-System einen Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan umfasst und wobei
    die Härtung des Sol-Gel-Systems durch die Wärmebehandlung des Bauteils zur Optimierung der Bauteileigenschaften, insbesondere der Gefügeeigenschaften, im warmausgelagerten Zustand in Kombination mit der für das Strukturteil (1) angewandten Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 80°C und 210°C durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Härtung des Sol-Gel-Systems durch die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 200°C durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Sol-Gel-Lack vor oder während der Warmauslagerung aufgetragen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch Fertigungsverfahren gemäss DIN 8580 ff., bevorzugt durch Schmieden, insbesondere Gesenkschmieden, aus einem Rohling geformt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Lastaufnahmebestimmte Schmiedeteile aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen gefertigt und zwecks ihrer Einsatzbestimmung mit einer festigkeitssteigernden Wärmebehandlung versehen werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil je nach Werkstoff bei Temperaturen von 460°C - 550°C im lösungsgeglühten Zustand beispielsweise mit Luft oder Wasser abgeschreckt und anschliessend bei Temperaturen von 80°C - 200°C warmausgelagert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (2) eine Dicke aus einem Dickenbereich zwischen 0,5 µm und 10 µm, vorzugsweise zwischen 1,0 µm und 5 µm, bevorzugt zwischen 2,0 µm und 4 µm aufweist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol-Gel-System durch Spritzen, Besprühen, Eintauchen oder Tauchziehen des Bauteils oder einer Kombination von zumindest zwei der vorgenannten Methoden aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil vor und/oder nach dem Aufbringen und/oder Härten des Sol-Gel-Systems nachbearbeitet wird, insbesondere mittels eines spanenden oder nichtspanenden, Trennverfahrens und/oder durch thermische, chemische und/oder elektro-chemische Abtragverfahren.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil vor dem Aufbringen des Sol-Gel-Systems oberflächenbehandelt wird, insbesondere durch Beizen oder Strahlen.
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