EP3880860B1

EP3880860B1 - Verfahren zur verzinkung, insbesondere feuerverzinkung, von eisen- und stahlerzeugnissen

Info

Publication number: EP3880860B1
Application number: EP19801839.2A
Authority: EP
Inventors: Thomas PINGER; Lars Baumgürtel
Original assignee: Fontaine Holdings NV
Current assignee: Fontaine Holdings NV
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2022-11-02
Anticipated expiration: 2039-11-08
Also published as: EP3880860A1; ES2934125T3; WO2020173586A1; SI3880860T1; PL3880860T3; MA54218A; DE102019108033A1; DK3880860T3; HUE060841T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Verzinkung von eisenbasierten bzw. eisenhaltigen Bauteilen, insbesondere stahlbasierten bzw. stahlhaltigen Bauteilen (Stahlbauteilen), vorzugsweise für die Automobil- bzw. Kraftfahrzeugindustrie, aber auch für andere technische Anwendungsgebiete (z. B. für die Bauindustrie, den Bereich des allgemeinen Maschinenbaus, die Elektroindustrie etc.), mittels Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung).
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht, insbesondere mit erhöhter Schichtdicke, auf einem eisenbasierten Bauteil, insbesondere Stahlbauteil, und darüber hinaus die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Produkte (d. h. feuerverzinkte eisenhaltige Bauteile) sowie deren jeweilige Verwendung.
Metallische Bauteile jeglicher Art aus eisenhaltigem Material, insbesondere Bauteile aus Stahl, erfordern anwendungsbedingt oftmals einen effizienten Schutz vor Korrosion. Insbesondere Bauteile aus Stahl für den Kraftfahrzeugbereich (Kfz-Bereich), wie z. B. für Pkw, Lkw, Nutzfahrzeuge etc., aber auch für andere technische Bereich (z. B. Bauindustrie, Maschinenbau, Elektroindustrie etc.), erfordern oftmals einen effizienten Korrosions- und/oder Verschleißschutz, welcher auch Langzeitbelastungen standhält.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, stahlbasierte Bauteile mittels Verzinkung (Verzinken) gegenüber Korrosion und Verschleiß zu schützen. Beim Verzinken wird der Stahl mit einer Zinkschicht versehen, um den Stahl vor Korrosion und Verschleiß zu schützen. Dabei können verschiedene Verzinkungsverfahren eingesetzt werden, um Bauteile aus Stahl zu verzinken, d. h. mit einem metallischen Überzug aus Zink zu überziehen, wobei insbesondere die Feuerverzinkung (synonym auch als Schmelztauchverzinkung bezeichnet), die Spritzverzinkung (Flammspritzen mit Zinkdraht), die Diffusionsverzinkung (Sherard-Verzinkung), die galvanische Verzinkung (elektrolytische Verzinkung), die nichtelektrolytische Verzinkung mittels Zinklamellenüberzügen sowie die mechanische Verzinkung zu nennen sind. Zwischen den vorgenannten Verzinkungsverfahren bestehen große Unterschiede, insbesondere im Hinblick auf die Verfahrensdurchführung, aber auch im Hinblick auf die Beschaffenheit und Eigenschaften der erzeugten Zinkschichten bzw. Zinküberzüge.
Das wohl wichtigste Verfahren zum Korrosionsschutz, aber auch Verschleißschutz von Stahl durch metallische Zinküberzüge ist die Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung). Dabei wird Stahl kontinuierlich (z. B. Band und Draht) oder stückweise (z. B. Bauteile) bei Temperaturen von etwa 450 °C bis 600 °C in einen beheizten Kessel mit flüssigem Zink getaucht (Schmelzpunkt von Zink: 419,5 °C), so dass sich auf der Stahloberfläche eine widerstandsfähige Legierungsschicht aus Eisen und Zink und darüber eine sehr fest haftende reine Zinkschicht ausbilden (vgl. auch Fig. 1A).
Die Feuerverzinkung ist somit eine seit vielen Jahren anerkannte und bewährte Methode, um Bauteile bzw. Komponenten aus Eisenwerkstoffen, insbesondere Stahlwerkstoffen, vor Korrosion, aber auch Verschleiß zu schützen. Wie zuvor geschildert, wird hierbei das typischerweise vorgereinigte bzw. vorbehandelte Bauteil in ein flüssig-heißes Zinkbad eingetaucht, wobei es zur Reaktion mit der Zinkschmelze und, daraus resultierend, zur Ausbildung einer metallurgisch mit dem Grundwerkstoff verbundenen Zinkschicht kommt.
Bei der Feuerverzinkung wird zwischen diskontinuierlicher Stückverzinkung (vgl. z. B. DIN EN ISO 1461) und kontinuierlicher Band- und Drahtverzinkung (vgl. z. B. DIN EN 10143 und DIN EN 10346) unterschieden. Sowohl das Stückverzinken als auch das Band- und Drahtverzinken sind genormte bzw. standardisierte Verfahren. Kontinuierlich verzinktes Stahlband und kontinuierlich verzinkter Draht sind jeweils ein Vor- bzw. Zwischenprodukt (Halbzeug), welches nach dem Verzinken, insbesondere durch Umformen, Stanzen, Zuschneiden etc., weiterverarbeitet wird, wohingegen durch Stückverzinken zu schützende Bauteile zuerst vollständig gefertigt und erst danach feuerverzinkt werden (wodurch die Bauteile rundum vor Korrosion geschützt werden). Band-/Drahtverzinken und Stückverzinken unterscheiden sich zudem hinsichtlich der Zinkschichtdicke, wodurch sich - auch in Abhängigkeit der Zinkschicht- unterschiedliche Schutzdauern ergeben. Die Zinkschichtdicke von bandverzinkten Blechen liegt zumeist bei höchstens 20 bis 25 Mikrometern, wohingegen die Zinkschichtdicken von stückverzinkten Stahlteilen üblicherweise im Bereich von 50 bis 200 Mikrometern und sogar mehr liegen können. Die Feuerverzinkung liefert sowohl einen aktiven als auch passiven Korrosionsschutz. Der passive Schutz erfolgt durch die Barrierewirkung des Zinküberzuges. Der aktive Korrosionsschutz entsteht aufgrund der kathodischen Wirkung des Zinküberzuges. Gegenüber edleren Metallen der elektrochemischen Spannungsreihe, wie z. B. Eisen, dient Zink als Opferanode, welche das darunterliegende Eisen solange vor Korrosion schützt, bis das Zink selbst vollständig korrodiert ist.
Bei der sogenannten Stückverzinkung nach DIN EN ISO 1461 erfolgt das Feuerverzinken von meist größeren Stahlbauteilen und -konstruktionen. Dabei werden stahlbasierte Rohlinge oder fertige Werkstücke (Bauteile) nach einer Vorbehandlung in das Zinkschmelzbad eingetaucht. Durch das Tauchen können insbesondere auch Innenflächen, Schweißnähte und schwer zugängliche Stellen der zu verzinkenden Werkstücke bzw. Bauteile gut erreicht werden.
Die konventionelle Feuerverzinkung basiert insbesondere auf dem Tauchen von Eisen- bzw. Stahlbauteilen in eine Zinkschmelze unter Ausbildung einer Zinkbeschichtung bzw. eines Zinküberzugs auf der Oberfläche der Bauteile. Zur Sicherstellung des Haftvermögens, der Geschlossenheit und der Einheitlichkeit des Zinküberzuges ist vorab im Allgemeinen eine sorgfältige Oberflächenvorbereitung der zu verzinkenden Bauteile erforderlich, welche üblicherweise eine Entfettung mit nachfolgendem Spülvorgang, eine sich anschließende saure Beizung mit nachfolgendem Spülvorgang und schließlich eine Flussmittelbehandlung (d. h. ein sogenanntes Fluxen) mit nachfolgendem Trocknungsvorgang umfasst.
Der typische Verfahrensablauf beim konventionellen Stückverzinken mittels Feuerverzinkung gestaltet sich üblicherweise wie folgt:
Zunächst werden die Bauteiloberflächen der betreffenden Bauteile einer Entfettung unterzogen, um Rückstände von Fetten und Ölen zu entfernen, wobei als Entfettungsmittel üblicherweise wässrige, alkalische oder saure Entfettungsmittel zur Anwendung kommen können. Nach der Reinigung im Entfettungsbad schließt sich üblicherweise ein Spülvorgang an, typischerweise durch Eintauchen in ein Wasserbad, um ein Verschleppen von Entfettungsmitteln mit dem Verzinkungsgut in den nachfolgenden Prozessschritt des Beizens zu vermeiden, wobei dies insbesondere bei einem Wechsel von alkalischer Entfettung auf eine saure Beize von hoher Bedeutung ist.
Im Anschluss an die Entfettung mit nachfolgendem Spülvorgang erfolgt üblicherweise eine Beizbehandlung (Beizen), welche insbesondere zur Entfernung von arteigenen Verunreinigungen, wie z. B. Rost und Zunder, von der Stahloberfläche dient. Das saure Beizen erfolgt üblicherweise in verdünnter Salzsäure, wobei die Dauer des Beizvorgangs unter anderem vom Verunreinigungszustand (z. B. Verrostungsgrad) des Verzinkungsgutes und der Säurekonzentration und Temperatur des Beizbades abhängig ist. Zur Vermeidung bzw. Minimierung von Verschleppungen von Säure- und/oder Salzresten mit dem Verzinkungsgut erfolgt nach der Beizbehandlung üblicherweise ebenfalls ein Spülvorgang (Spülschritt).
Nachfolgend erfolgt dann das sogenannte Fluxen (synonym auch als Flussmittelbehandlung bezeichnet), wobei die zuvor entfettete und gebeizte Stahloberfläche mit einem sogenannten Flussmittel, welches typischerweise eine wässrige Lösung von anorganischen Chloriden, am häufigsten mit einer Mischung aus Zinkchlorid (ZnCl₂) und Ammoniumchlorid (NH₄Cl), umfasst. Einerseits ist es Aufgabe des Flussmittels, vor der Reaktion der Stahloberfläche mit dem schmelzflüssigen Zink eine letzte intensive Feinstreinigung der Stahloberfläche vorzunehmen und die Oxidhaut der Zinkoberfläche aufzulösen sowie eine erneute Oxidation der Stahloberfläche bis zum Verzinkungsvorgang zu verhindern. Andererseits soll das Flussmittel die Benetzungsfähigkeit zwischen der Stahloberfläche und dem schmelzflüssigen Zink erhöhen. Nach der Flussmittelbehandlung erfolgt dann üblicherweise eine Trocknung, um einen festen Flussmittelfilm auf der Stahloberfläche zu erzeugen und anhaftendes Wasser zu entfernen, so dass nachfolgend unerwünschte Reaktionen (insbesondere die Bildung von Wasserdampf) im flüssigen Zinktauchbad vermieden werden.
Die auf die vorgenannte Weise vorbehandelten Bauteile werden dann durch Eintauchen in die flüssige Zinkschmelze feuerverzinkt. Bei der Feuerverzinkung mit reinem Zink liegt der Zinkgehalt der Schmelze gemäß DIN EN ISO 1461 bei mindestens 98,0 Gew.-%. Nach dem Eintauchen des Verzinkungsgutes in das geschmolzene Zink verbleibt dieses für eine ausreichende Zeitdauer im Zinkschmelzbad, insbesondere bis das Verzinkungsgut dessen Temperatur angenommen hat und mit einer Zinkschicht überzogen ist. Typischerweise wird die Oberfläche der Zinkschmelze insbesondere von Oxiden, Zinkasche, Flussmittelresten und dergleichen gereinigt, bevor dann das Verzinkungsgut wieder aus der Zinkschmelze herausgezogen wird. Das auf diese Weise feuerverzinkte Bauteil wird dann einem Abkühlvorgang (z. B. an der Luft oder in einem Wasserbad) unterzogen. Abschließend werden gegebenenfalls vorhandene Haltemittel für das Bauteil, wie z. B. Anschlagmittel, Anbindedrähte oder dergleichen, entfernt. Auch kann im Rahmen der Nachbehandlung zusätzlich eine Passivierung oder Versiegelung erfolgen.
Im Anschluss an den Verzinkungsprozess kann üblicherweise eine Nachbearbeitung oder Nachbehandlung erfolgen. Dabei werden z. B. überschüssige Zinkbadrückstände, insbesondere sogenannte Tropfnasen des an den Kanten erstarrenden Zinks sowie Oxid- oder Ascherückstände, welche an dem Bauteil anhaften, so weit wie möglich entfernt.
Ein Kriterium für die Güte einer Feuerverzinkung mit Reinzink ist die Dicke des Zinküberzuges in µm (Mikrometern). In der Norm DIN EN ISO 1461 sind die Mindestwerte der geforderten Überzugsdicken angegeben, wie sie je nach Materialdicke beim Stückverzinken zu liefern sind. In der Praxis liegen die Schichtdicken deutlich über den in der DIN EN ISO 1461 angegebenen Mindestschichtdicken. Im Allgemeinen haben durch Stückverzinken mit Reinzink hergestellte Zinküberzüge eine Dicke im Bereich von 50 bis 200 Mikrometern und sogar mehr.
Beim Verzinkungsvorgang mit Reinzink bildet sich als Folge einer wechselseitigen Diffusion des flüssigen Zinks mit der Stahloberfläche auf dem Stahlteil ein Überzug verschiedenartig zusammengesetzter Eisen/Zink-Legierungsschichten (vgl. Fig. 1A). Das Aufwachsen der Eisen/Zink-Legierungsschicht ist ein zeitabhängiger Prozess, sodass die Legierungsschicht mit der Verweilzeit wächst und bei langen Verweilzeiten sehr dicke Eisen/Zink-Legierungsschichten gebildet werden. Beim Herausziehen der feuerverzinkten Gegenstände bleibt auf der obersten Legierungsschicht zusätzlich noch eine - auch als Reinzinkschicht bezeichnete - Schicht aus Zink haften, welche in ihrer Zusammensetzung der Zinkschmelze entspricht. Wegen der hohen Temperaturen beim Schmelztauchen bildet sich auf der Stahloberfläche aber zunächst eine relativ spröde Schicht auf Basis einer Legierung (Mischkristallschicht) zwischen Eisen und Zink aus (Fe/Zn-Phase-Schicht) und erst darüber die reine Zinkschicht (vgl. Fig. 1A). Die relativ spröde Eisen/Zink-Legierungsschicht (Fe/Zn-Phase-Schicht) verbessert zwar die Haftfestigkeit mit dem Grundmaterial, erschwert aber die Umformbarkeit des verzinkten Stahls. Höhere Siliziumgehalte im Stahl, wie sie insbesondere zur sogenannten Beruhigung des Stahls während dessen Herstellung eingesetzt werden, führen zu einer erhöhten Reaktivität zwischen der Zinkschmelze und dem Grundmaterial und infolgedessen zu einem starken Wachstum der Eisen/Zink-Legierungsschicht. Auf diese Weise kommt es zur Bildung von relativ großen Gesamtschichtdicken. Hierdurch wird zwar eine sehr lange Korrosionsschutzdauer ermöglicht, es erhöht sich jedoch auch mit zunehmender Zinkschichtdicke die Gefahr, dass die Schicht unter mechanischer Belastung, insbesondere lokalen schlagartigen Einwirkungen, abplatzt und die Korrosionsschutzwirkung hierdurch gestört wird.
Um dem zuvor geschilderten Problem des Auftretens der schnell aufwachsenden, spröden und dicken Eisen/Zink-Legierungsschicht entgegenzuwirken und auch geringere Schichtdicken mit gleichzeitig hohem Korrosionsschutz bei der Verzinkung zu ermöglichen, ist es aus dem Stand der Technik gleichermaßen bekannt, der Zinkschmelze bzw. dem flüssigen Zinkbad zusätzlich Aluminium zuzusetzen. Beispielsweise wird durch eine Zugabe von bis zu 5 Gew.-% Aluminium zu einer flüssigen Zinkschmelze eine Zink/Aluminium-Legierung mit einer niedrigeren Schmelztemperatur gegenüber reinem Zink erzeugt. Durch die Verwendung einer Zink/Aluminium-Schmelze (Zn/Al-Schmelze) bzw. eines flüssigen Zink/Aluminium-Bades (Zn/Al-Bad) lassen sich einerseits deutlich geringere Schichtdicken für einen verlässlichen Korrosionsschutz realisieren (im Allgemeinen unterhalb von 25 Mikrometern); andererseits unterbleibt die Ausbildung der spröden Eisen/Zink-Legierungsschicht, da das Aluminium - ohne sich auf ein bestimmte Theorie festzulegen - sozusagen zunächst eine Sperrschicht auf der Stahloberfläche des betreffenden Bauteils in Form einer sehr dünnen (ca. 500 nm) Al/Fe-Phase-Barriereschicht ausbildet, auf welche dann die eigentliche aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Verzinkungsschicht abgeschieden wird (vgl. Fig. 1B). Durch die Ausbildung der Sperrschicht wird aber auch die Gesamtschichtdicke begrenzt, sodass längere Verweilzeiten keine Erhöhung der Schichtdicke zur Folge haben und eine Maximalschichtdicke nicht überschritten werden kann.
Mit einer Zink/Aluminium-Schmelze feuerverzinkte Bauteile lassen sich auf Grund ihrer geringen Schichtdicke problemlos umformen, weisen aber dennoch - trotz der signifikant geringeren Schichtdicke im Vergleich zu einer konventionellen Feuerverzinkung mit einer quasi aluminiumfreien Zinkschmelze - verbesserte Korrosionsschutzeigenschaften auf (d. h. im Allgemeinen verbessert gegenüber den dickeren Verzinkungsschichten aus der Feuerverzinkung mit Reinzink).
Eine im Feuerverzinkungsbad eingesetzte Zink/Aluminium-Legierung weist gegenüber Reinzink auch verbesserte Fluiditätseigenschaften und einen geringeren Schmelzpunkt auf. Außerdem weisen Zinküberzüge, welche mittels unter Verwendung derartiger Zink/Aluminium-Legierungen durchgeführter Feuerverzinkungen erzeugt sind, eine größere Korrosionsbeständigkeit (welche bis zu sechsmal besser ist als die von Reinzink), eine bessere Optik, eine verbesserte Formbarkeit und eine bessere Lackierbarkeit auf als aus Reinzink gebildete Zinküberzüge. Überdies lassen sich mit dieser Technologie auch bleifreie Zinküberzüge herstellen.
Ein solches Feuerverzinkungsverfahren unter Verwendung einer Zink/AluminiumSchmelze bzw. unter Verwendung einer Zink/Aluminium-Feuerverzinkungsbades ist beispielsweise bekannt aus der WO 2002/042512 A1 und den betreffenden Druckschriftäquivalenten zu dieser Patentfamilie (z. B. EP 1 352 100 B1 , DE 601 24 767 T2 und US 2003/0219543 A1 ). Dort werden auch geeignete Flussmittel für die Feuerverzinkung mittels Zink/Aluminium-Schmelzbädern offenbart, da Flussmittelzusammensetzungen für Zink/Aluminium-Feuerverzinkungsbäder anders beschaffen sein müssen als solche für die konventionelle Feuerverzinkung mit Reinzink. Mit dem dort offenbarten Verfahren lassen sich Korrosionsschutzüberzüge mit sehr geringen Schichtdicken (im Allgemeinen unterhalb von 25 Mikrometern, typischerweise im Bereich von 2 bis 15 Mikrometern) und mit sehr geringem Gewicht bei hoher Kosteneffizienz erzeugen, wobei das dort beschriebene Verfahren kommerziell unter der Bezeichnung microZINQ^®-Verfahren angewendet wird.
Im Hinblick auf die Ausbildung der Zinkschicht und deren Eigenschaften hat sich also gezeigt, dass die Zinkschicht über Legierungselemente in der Zinkschmelze maßgeblich beeinflusst werden kann. Als eines der wichtigsten Elemente ist hierbei Aluminium zu nennen: So hat sich gezeigt, dass bereits mit einem Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze von 100 ppm (gewichtsbasiert) die Optik der entstehenden Zinkschicht hin zu einem helleren, glänzenderen Aussehen verbessert werden kann. Mit zunehmendem Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze bis 1.000 ppm (gewichtsbasiert) nimmt dieser Effekt stetig zu. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass sich -wie zuvor bereits geschildert- ab einem Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze von 0,12 Gew.-% eine intermetallische Fe/Al-Phase zwischen dem Eisenwerkstoff und der oberen Zinkschicht bildet, welche dazu führt, dass die sonst üblichen Diffusionsprozesse zwischen Eisen und Zinkschmelze inhibiert werden und somit das Aufwachsen der Zn/Fe-Phasen signifikant verringert wird; als Folge hiervon resultieren deshalb ab diesem Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze wesentlich dünnere Zinkschichten (vgl. Fig. 1B). Schließlich hat sich gezeigt, dass grundsätzlich mit zunehmendem Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze die Korrosionsschutzwirkung der resultierenden Zinkschicht zunimmt; Grundlage hierfür ist, dass die Al/Zn-Verbindungen schneller deutlich stabilere Deckschichten bilden.
Bekannte Beispiele für die kommerzielle Verwendung von aluminiumhaltigen Zinkschmelzen sind das sogenannte Galfan^®-Verfahren und das vorgenannte microZINQ^®-Verfahren mit einem Aluminiumgehalt in der Zinkschmelze typischerweise im Bereich von 4,2 Gew.-% bis 6,2 Gew.-%. Der Vorteil dieser Legierung liegt unter anderem darin, dass um den Mittelwert von 5 Gew.-% eine eutektische Zusammensetzung des Al/Zn-Systems mit einem Schmelzpunkt von 382 °C vorliegt, wodurch eine Verringerung der Betriebstemperatur im Verzinkungsprozess ermöglicht wird.
Die Korrosionsschutzwirkung einer Zinkschicht wird zum einen durch die Zusammensetzung der Zinkschicht und zum anderen durch die Dicke der Zinkschicht beeinflusst.
Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen sollte aber die Zinkschicht nach Möglichkeit nur so dick sein, wie es für den entsprechenden Einsatzbereich und die erwartete Nutzungsdauer nötig ist. Die durch eine klassische Feuerverzinkung (d. h. in einem reinen Zinkbad) gebildeten Zinkschichten sind im Allgemeinen unverhältnismäßig dick, während die Zinkschichten von durchschnittlich 8 bis 15 µm, welche durch Feuerverzinkung in Zink/Aluminium-Legierungen gebildet werden, wesentlich dünner sind. Trotz dieses hocheffizienten Ressourceneinsatzes kann es unter besonderen Randbedingungen vorkommen, dass eine höhere Zinkschichtdicke erforderlich ist, um die spezifisch vorliegenden Korrosionsansprüche zu erfüllen. Dies kann der Fall sein, wenn eine sehr hohe Korrosionsbelastung vorliegt, z. B. durch Einwirkung aggressiver Chemikalien, oder wenn eine kombinierte korrosive, mechanische und/oder thermische Belastung auftritt. Insbesondere ist es bisher nicht möglich, eisenbasierte Bauteile derart mit einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht zu versehen, dass eine Dicke resultiert, welche zwischen der durch klassische Feuerverzinkung erhältlichen Dicke und der durch Feuerverzinkung in einer Zn/Al-Legierung erhältlichen Dicke liegt und welche individuell für den spezifischen Anwendungsbereich maßgeschneidert einstellbar ist.
Nachteilig bei der Verwendung von aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelzen (Zn/Al-Schmelzen) ist daher insbesondere, dass die Bildung gezielt dickerer bzw. individuell einstellbarer Zinkschichten im Rahmen der bekannten Prozesse nicht möglich ist. Denn sobald die Maximalschichtdicke der aluminiumlegierten Verzinkungsschicht gemäß konventionellen Verfahren erreicht ist, führt selbst eine längere Verweildauer in der Zink/Aluminium-Schmelze zu keiner weiteren Erhöhung der Zinkschichtdicke, da durch die Bildung der Fe/Al-Phase in der Art einer Sperrschicht (Barriereschicht) die Kinetik des Zinkschichtwachstums blockiert wird, wodurch wiederum der Schichtenwachstum begrenzt ist und eine maximale Schichtdicke nicht überschritten werden kann.
Die WO 2017/153062 A1 betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Feuerverzinkung von Bauteilen, vorzugsweise zur Großserienfeuerverzinkung einer Vielzahl identischer oder gleichartiger Bauteile, insbesondere im diskontinuierlichen Betrieb, vorzugsweise zur Stückverzinkung.
Die EP 0 337 402 A1 betrifft einen zweistufigen Zinklegierungs- bzw. Verzinkungsprozess, wobei das zu beschichtende Bauteil zunächst in einer im Wesentlichen reinen Zinkschmelze in einem Temperaturbereich von 430 bis 480 °C verzinkt wird, anschließend einer Kühlung unterzogen wird, um im Anschluss daran in ein weiteres Zinkbad eingelassen zu werden, welches mindestens 0,1 Gew.-% Aluminium aufweist, wobei die Beschichtung im zweiten Zinkbad bei einer Temperatur im Bereich von 390 bis 460 °C erfolgt.
Die WO 2012/083345 A1 betrifft ein Inline-Verfahren zum Verzinken eines länglichen Elements mit einer Beschichtung, welche Zink und Aluminium umfasst, wobei das Aluminium in einer Menge von 5 bis 20 Gew.-% enthalten ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Reinigen und Aufbringen eines alkalimetallfreien Flussmittels auf eine Außenfläche des Bauteils, Trocknen des Flussmittels auf dem Element und Vorheizen des Elements, Führen des vorgewärmten Elements durch ein Bad, welches die Beschichtung aus Zink und Aluminium umfasst, und anschließendes Entfernen des beschichteten Elements.
Schließlich betrifft die DE 10 2016 106 617 A1 eine Anlage und ein Verfahren zur Feuerverzinkung von Bauteilen, vorzugsweise zur Großserienfeuerverzinkung einer Vielzahl identischer oder gleichartiger Bauteile, vorzugsweise zur Stückverzinkung, wobei das Flussmittel automatisiert auf die Oberfläche der vereinzelten Bauteile aufgesprüht wird.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung), insbesondere von eisenbasierten bzw. eisenhaltigen Bauteilen, vorzugsweise stahlbasierten bzw. stahlhaltigen Bauteilen (Stahlbauteilen), unter Verwendung einer aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Zinkschmelze, wobei die zuvor geschilderten Nachteile des Standes der Technik zumindest weitestgehend vermieden oder aber wenigstens abgeschwächt werden sollen.
Insbesondere soll ein solches Verfahren bereitgestellt werden, welches gegenüber herkömmlichen, unter Verwendung einer aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Zinkschmelzen betriebenen Feuerverzinkungsverfahren eine individuelle bzw. gezielt anpassbare Erhöhung der erhaltenen Zinkschichtdicke bei Verwendung aluminiumlegierter bzw. aluminiumhaltiger Verzinkungsbädern ermöglicht und insbesondere dabei auch eine verbesserte Prozessökonomie und/oder einen effizienteren, insbesondere flexibleren und/oder zuverlässigeren, insbesondere weniger fehleranfälligen Prozessablauf und/oder eine verbesserte betriebswirtschaftliche Kompatibilität und/oder eine verbesserte Kosten- und Ressourcennutzung ermöglicht.
Zur Lösung des zuvor geschilderten Problems schlägt die vorliegende Erfindung - gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein Verfahren zur Feuerverzinkung gemäß Anspruch 1 vor; weitere, insbesondere besondere und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der diesbezüglichen Verfahrensunteransprüche.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung - gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliches feuerverzinktes (schmelztauchverzinktes) eisenbasiertes, Bauteil vorzugsweise Stahlbauteil, gemäß den diesbezüglichen unabhängigen Produktansprüchen; weitere, insbesondere besondere und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Erfindungsaspekts sind Gegenstand der diesbezüglichen Produktunteransprüche.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung - gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung - die Verwendung eines erfindungsgemäßen feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteils für die Automobilfertigung oder für den technischen Bereich gemäß den diesbezüglichen unabhängigen Verwendungsansprüchen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung - gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung - die Verwendung der Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit zur Einstellung und Erhöhung der Zinkschichtdicke gemäß dem diesbezüglichen unabhängigen Verwendungsanspruch.
Es versteht sich bei den nachfolgenden Ausführungen von selbst, dass Ausgestaltungen, Ausführungsformen, Vorteile und dergleichen, welche nachfolgend zu Zwecken der Vermeidung von Wiederholungen nur zu einem Erfindungsaspekt ausgeführt sind, selbstverständlich auch in Bezug auf die übrigen Erfindungsaspekte entsprechend gelten, ohne dass dies einer gesonderten Erwähnung bedarf.
Bei allen nachstehend genannten relativen bzw. prozentualen gewichtsbezogenen Angaben, insbesondere relativen Mengen- oder Gewichtsangaben, ist weiterhin zu beachten, dass diese im Rahmen der vorliegenden Erfindung vom Fachmann derart auszuwählen sind, dass sie sich in der Summe unter Einbeziehung aller Komponenten bzw. Inhaltsstoffe, insbesondere wie nachfolgend definiert, stets zu 100 % bzw. 100 Gew.-% ergänzen bzw. addieren; dies versteht sich aber für den Fachmann von selbst.
Im Übrigen gilt, dass der Fachmann - anwendungsbezogen oder einzelfallbedingt- von den nachfolgend angeführten Bereichsangaben erforderlichenfalls abweichen kann, ohne dass er den Rahmen der vorliegenden Erfindung verlässt.
Zudem gilt, dass alle im Folgenden genannten Werte- bzw. Parameterangaben oder dergleichen grundsätzlich mit genormten bzw. standardisierten oder explizit angegebenen Bestimmungsverfahren oder andernfalls mit dem Fachmann auf diesem Gebiet an sich geläufigen Bestimmungs- bzw. Messmethoden ermittelt bzw. bestimmt werden können.
Dies vorausgeschickt, wird die vorliegende Erfindung nunmehr nachfolgend im Detail erläutert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist somit ein

Verfahren zur Erzeugung einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht auf einem eisenbasierten Bauteil,
wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte in der nachfolgend aufgeführten Reihenfolge umfasst:
1. (a) Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mindestens einer Oberfläche des eisenbasierten Bauteils durch mechanische Behandlung mittels eines abrasiven Verfahrens,
  wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit derart durchgeführt wird, dass die Oberfläche einen Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4288:1998-04 im Bereich von 0,3 bis 15 µm aufweist; dann
2. (b) Feuerverzinkung des eisenbasierten Bauteils in einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze, wobei die Zinkschmelze, bezogen auf die Zinkschmelze, mindestens 0,1 Gew.-% Aluminium enthält,

Wie nachfolgend ausgeführt, ist die vorliegende Erfindung mit einer Vielzahl von vollkommen unerwarteten Vorteilen, Besonderheiten und überraschenden technischen Effekten verbunden, deren nachfolgende Schilderung keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, aber den erfinderischen Charakter der vorliegenden Erfindung veranschaulicht:
Überraschenderweise gelingt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die mechanische Bearbeitung der eisenbasierten Bauteiloberfläche und durch die damit erzielte Einstellung der Oberflächenrauheit in Schritt (a), die Zinkschichtdicke im nachfolgenden Schritt (b) gezielt einzustellen und dadurch die Zinkschichtdicke gezielt zu erhöhen und einzustellen (und zwar, ohne dass insbesondere die Qualität der resultierenden Korrosionsschutzeigenschaften und der resultierenden mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt wird). Der Begriff der "Erhöhung bzw. Steigerung der Oberflächenrauheit" bezieht sich dabei auf den ursprünglichen Oberflächenzustand des Bauteils (d. h. vor Durchführung von Schritt (a)).
Ganz im Gegenteil resultieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung verbesserte Korrosionsschutzeigenschaften und weiterhin auch exzellente, wenn nicht sogar verbesserte mechanische und anderweitige Eigenschaften (z. B. Verschleißeigenschaften).
Dass die mechanische Erhöhung bzw. Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) dazu führt, dass im nachgeschalteten Feuerverzinkungsschritt (b) die Schichtdicke der aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Verzinkungsschicht gegenüber einer konventionellen Feuerverzinkung mit einer Zn/Al-Schmelze (d. h. ohne Vorbehandlung gemäß Schritt (a)) signifikant erhöht bzw. individuell eingestellt werden kann, ist vollkommen überraschend und ist vom Fachmann nicht zu erwarten gewesen. Denn bei den aus dem Stand der Technik bekannten Feuerverzinkungsverfahren unter Verwendung einer Zn/Al-Schmelze wirkt die sich aufgrund der hohen Affinität des Aluminiums zum Eisen ausbildende dünne Sperrschicht (Fe/Al-Phase-Schicht, ca. 500 nm) einer Erhöhung des Verzinkungsschichtdickenwachstums entgegen. Vollkommen überraschend wurde aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, dass die mechanische Vorbehandlung gemäß Verfahrensschritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens dennoch vollkommen unerwartet zu einer signifikanten Schichtdickenerhöhung und zu einer individuellen Steuerbarkeit des Schichtdickenwachstums im nachfolgenden Feuerverzinkungsschritt (b) unter Verwendung einer Zn/Al-Schmelze führt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich also überraschenderweise gezeigt, dass durch das mechanische Aufrauhen der betreffenden Bauteiloberfläche und die damit erzielte Einstellung der Oberflächenrauheit die Schichtdicke der durch Feuerverzinkung mit einer Zn/Al-Schmelze erzeugte Verzinkungsschicht gezielt bzw. individuell einstellbar ist, wobei gegenüber konventionellen Feuerverzinkungsverfahren mit einer Zn/Al-Schmelze die resultierenden Verzinkungsschichtdicken signifikant erhöht bzw. gesteigert bzw. eingestellt werden können.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, lässt sich das zuvor geschilderte Phänomen insbesondere (zumindest unter anderem) dadurch erklären, dass es durch die Erhöhung bzw. Einstellung der Oberflächenrauheit zu einer Veränderung des Ablaufverhaltens kommt, wodurch sich die Zinkschichtdicke - abhängig von der Oberflächenrauheit - erhöht, so dass es infolgedessen zu einer Steigerung der Korrosionsschutzwirkung sowie mechanischer und anderweitiger Eigenschaften kommt. Durch die erhöhte Zinkschichtdicke wird also unter anderem eine Steigerung der Korrosionsschutzwirkung, bezogen auf das Auftreten von Grundwerkstoffkorrosion (Rotrost) erreicht. Weiterhin verbessern sich auch die mechanische Widerstandsfähigkeit, insbesondere die Widerstandsfähigkeit des Bauteils gegen eine einwirkende Belastung, vor allem die Abriebfestigkeit, welche die Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibung bezeichnet, und darüber hinaus auch die Haftfestigkeit sowie die Belastbarkeit infolge stoß- oder schlagartiger Einwirkungen, wie beispielsweise Steinschlägen. Diese Erkenntnis ist umso überraschender, als dass Zinkschichten, die im klassischen Stückverzinkungsverfahren hergestellt werden, mit zunehmender Schichtdicke anfällig werden im Hinblick auf mechanische Belastungen.
Durch die vorliegende Erfindung können folglich die bereits guten Eigenschaften aluminiumlegierter bzw. aluminiumhaltiger Verzinkungsschichten bezüglich ihrer Korrosionsschutzwirkung und ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit noch weiterführend verstärkt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, die exzellenten Eigenschaften von aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschichten, welche gegenüber reinen Zinkschichten überlegene Eigenschaften aufweisen, weiterführend zu verbessern. Es muss somit für eine erhöhte Schichtdicke nicht auf eine mit unterlegenen Eigenschaften korrelierende Reinzinkschmelze zurückgegriffen werden; denn überraschenderweise kann die Schichtdicke einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht durch das erfindungsgemäße Verfahren gezielt erhöht und sogar maßgeschneidert bzw. individuell eingestellt werden.
Durch die Nutzung einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze ("Zn/Al-Schmelze") weisen die erfindungsgemäß erhältlichen feuerverzinkten eisenbasierten Bauteile im Vergleich zu aus Reinzink gebildeten Zinküberzügen zudem alle mit einer Zink/Aluminium-Legierung verbundenen weiteren Vorteile auf, wie z. B. eine verbesserte Optik, eine verbesserte Formbarkeit und eine bessere Lackierbarkeit. Auch der Vorteil des im Vergleich zu einer Reinzinkschmelze niedrigeren Schmelzpunkts der Zink/Aluminium-Schmelze mit dadurch möglichen geringeren Arbeitstemperaturen bleibt erhalten.
Des Weiteren ist die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierende Gesamtschichtdicke nicht nur höher als bei einer identischen Feuerverzinkung ohne vorherige Aufrauhung der Oberfläche, sondern - in Abhängigkeit von der eingestellten Oberflächenrauheit - stets reproduzierbar, d. h. bei identisch eingestellter Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) resultieren bei identischen Feuerverzinkungsbedingungen gemäß Verfahrensschritt (b) stets identische aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Verzinkungsschichten, insbesondere mit identischen Schichtdicken. Durch diese gute Reproduzierbarkeit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Großfertigungen bzw. bei Fertigung in Großserien angewandt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Oberflächenrauheit sowohl am gesamten Bauteil als auch nur partiell in ausgewählten Bereichen des Bauteils erhöht bzw. eingestellt werden und somit eine gezielte Verstärkung bzw. Erhöhung bzw. Einstellung der Zinkschichtdicke nur in den benötigten Bereichen erfolgen kann, so dass anwendungsspezifische Lösungen für den jeweiligen Einsatzbereich erzielt werden können. Dies resultiert in einer Reduzierung der Kosten und Ressourcen. Eine bereichsweise Schichtdickenerhöhung der aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Verzinkungsschicht eines Bauteils kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn nur die betreffenden Bereiche eines Bauteils einer erhöhten Korrosion und/oder einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt sind (z. B. spezielle Kfz-Trägerbauteile im Karosseriebau, spezielle Gebäudebauteile etc.).
Überraschenderweise wird die im erfindungsgemäßen Verfahren in Schritt (a) eingebrachte Oberflächenrauheit in der nachfolgenden Feuerverzinkung gemäß Schritt (b) zumindest weitestgehend oder sogar vollständig eingeebnet bzw. nivelliert, so dass letztendlich eine kontinuierliche und gleichmäßige Oberfläche der aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Verzinkungsschicht resultiert, wodurch die in Schritt (a) eingebrachte Oberflächenrauheit keine Beeinträchtigung der Oberflächenbeschaffenheit des nach Schritt (b) erhaltenen feuerverzinkten Bauteils zur Folge hat und somit die Endanwendung nicht eingeschränkt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die Erhöhung bzw. Einstellung der Oberflächenrauheit gleichzeitig eine mechanische Reinigung der Bauteile erfolgt, so dass der Reinigungsaufwand vor dem Verzinkungsprozess verringert wird. Vor allem die Reinigung mittels Beizens im sauren Medium kann deutlich verkürzt oder sogar vollständig ausgespart werden. Dadurch wird auch der unerwünschte mögliche Wasserstoffeintrag aus der sauren Beizlösung in das Verzinkungsgut deutlich reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen. Dies ist besonders vorteilhaft bei hochfesten und höchstfesten Stahlbauteilen mit einer Festigkeit oberhalb von 1.000 MPa, bei welchen gemäß DIN 55969 eine erhöhte Gefahr für Versprödung durch Wasserstoff vorliegt, weshalb bereits für hochfeste Komponenten eine Begrenzung der Beizzeit auf weniger als 15 Minuten festgelegt ist. Außerdem resultiert aus der Verkürzung bzw. der Weglassung des Beizens eine Verbesserung aus betriebswirtschaftlicher Sicht, vor allem eine Verbesserung der Kosten- und Ressourcennutzung.
Auch lassen sich Bestandsanlagen für die konventionelle Feuerverzinkung mit Zn/Al-Schmelzen ohne Weiteres ergänzen bzw. umrüsten (nämlich durch Hinzufügung einer Vorrichtung zur Durchführung von Schritt (a), was auch dezentral bzw. räumlich getrennt zur eigentlichen Feuerverzinkung in Schritt (b) realisiert werden kann).
Die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens schlagen sich unmittelbar auch in den erhältlichen Verfahrensprodukten, d. h. den feuerverzinkten eisenbasierten Bauteilen, nieder: Die erfindungsgemäß erhältlichen feuerverzinkten Bauteile weisen nicht nur verbesserte mechanische Eigenschaften und verbesserte Korrosionseigenschaften infolge der aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Verzinkungsschicht auf, sondern können darüber hinaus mit einer maßgeschneiderten, insbesondere genau an die entsprechenden Anforderungen angepassten aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht versehen werden.
Wie mikroskopische Untersuchungen an Schnitten (Querschnitten) der erfindungsgemäß erhältlichen Bauteile zeigen, zeichnen sich die erfindungsgemäßen Bauteile durch eine besondere Oberflächenstruktur aus (vgl. Fig. 1C sowie Figs. 3A und 3B): Infolge der Aufrauhungsbehandlung gemäß Verfahrensschritt (a) weisen die erfindungsgemäßen Bauteile eine im Vergleich zu nichtaufgerauhten Bauteiloberflächen signifikant höhere bzw. eingestellte Rauheit der Oberfläche des Grundmaterials auf, welche aber im fertigen Endprodukt durch die aufgebrachte aluminiumhaltige bzw. aluminiumlegierte Verzinkungsschicht zumindest im Wesentlichen vollständig nivelliert bzw. eingeebnet wird. Die mikroskopischen Untersuchungen belegen auch, dass im Vergleich zu mittels Feuerverzinkung ohne vorherige Aufrauhung erzeugten aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Verzinkungsschichten eine signifikant höhere Schichtdicke der oberen aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Feuerverzinkungsschicht erhalten wird. Die Schichtdickenerhöhung führt dabei in gleicher Weise zu verbesserten Korrosionsschutzeigenschaften und zu verbesserten mechanischen Eigenschaften (z. B. verbesserte Abriebfestigkeit, verbesserte Verschleißschutzeigenschaften etc.), da durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung die anderweitigen Eigenschaften der aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Verzinkungsschicht nicht beeinträchtigt werden, insbesondere nicht deren Adhäsion in Bezug auf die unterliegende Werkstoffoberfläche.
Im Ergebnis weisen daher die erfindungsgemäßen Produkte eine besondere Schichtstruktur auf, was durch mikroskopische Untersuchungen an Schnitten der betreffenden Produkte dokumentiert und nachgewiesen werden kann (vgl. nachstehend noch diskutierte Figurendarstellungen 1A, 1B und 1C sowie 3A und 3B im Vergleich zu den durch konventionelle Verfahren erzeugten Schichten gemäß Figs. 1A und 1B). Insbesondere bleibt die vor Feuerverzinkungsbehandlung vorgenommene Aufrauhung der Oberfläche im mikroskopischen Schnitt auch im Endprodukt erkennbar bzw. verifizierbar.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann somit ein effizient und ökonomisch arbeitendes Feuerverzinkungsverfahren bereitgestellt werden, wobei die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik zumindest weitestgehend vermieden oder aber zumindest abgeschwächt werden können.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs näher beschrieben und erläutert:
Wie zuvor beschrieben, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zunächst einen Verfahrensschritt (a) der Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mindestens einer Oberfläche des eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise Stahlbauteils.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrensschritts (a) erfolgt eine Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit (synonym auch als Oberflächenrauheit oder Oberflächenrauigkeit bezeichnet). Der Begriff der Oberflächenrauheit (synonym auch nur als Rauheit bezeichnet) ist ein Begriff aus der Oberflächenphysik, welcher die Unebenheit der Oberflächenhöhe bezeichnet. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauheit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren, welche jeweils die verschiedenen Eigenheiten der Oberflächen berücksichtigen. Die Oberflächenrauheit kann durch sogenannte Rauheitskennwerte charakterisiert werden, insbesondere durch den sogenannten Mittenrauwert Ra, die gemittelte Rautiefe Rz und die maximale Rautiefe Rmax. Die betreffenden Rauheitskennwerte und deren Messungen sind insbesondere in der DIN EN ISO 4288:1998-04 geregelt und festgelegt. Hierauf wird im Folgenden noch im Detail eingegangen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) an mindestens einer Oberfläche des eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise an mehreren Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, durchgeführt werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) am gesamten eisenbasierten Bauteil, insbesondere an allen Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, durchgeführt werden. Diese besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Bauteile an ihrer gesamten Oberfläche einer besonders starken Belastung ausgesetzt sind, welche dann insgesamt bzw. als Ganzes mit einer Verzinkungsschicht mit erhöhter Zinkschichtdicke ausgestattet werden können.
Gemäß einer alternativen besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) nur bereichsweise, insbesondere nur an einer Oberfläche und/oder nicht an allen Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, durchgeführt werden. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Bauteile bei ihrer Verwendung nur bereichsweise bzw. lokal einer erhöhten Beanspruchung (z. B. Korrosionsbeanspruchung und/oder Verschleißbeanspruchung) ausgesetzt sind, so dass nur diese betreffenden Bereiche verstärkt geschützt werden müssen, nämlich durch Ausbildung einer in den betreffenden Bereichen dicker ausgebildeten Verzinkungsschicht. Somit ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, die Oberflächenrauheit nur an denjenigen Oberflächen eines Bauteils zu erhöhen bzw. einzustellen, welche aufgrund ihrer Anordnung im Endprodukt eine erhöhte Zinkschichtdicke benötigen. Beispielsweise können im Kfz-Bereich verwendete Fahrwerkskomponenten, wie Achsträger und Zugstreben, gezielt nur an ihrer zur Fahrbahn ausgerichteten Seite zusätzlich verstärkt werden, da diese Oberflächen verstärkt Steinschlag, Korrosionsbelastungen durch Tausalze, thermischer Belastung infolge des oberhalb verlaufenden Abgaskanals und einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Um trotz dieser erhöhten Belastung bzw. Beanspruchung eine hohe Nutzungsdauer ohne vorzeitigen Verschleiß des Bauteils zu ermöglichen, kann also lokal bzw. bereichsweise die Zinkschichtdicke gezielt nur an den betreffenden Verschleißstellen des Bauteils erhöht werden und somit die Widerstandsfähigkeit gezielt nur dort verbessert werden.
Im Rahmen des Verfahrensschritts (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit durch eine mechanische Behandlung. Mechanische Behandlungsverfahren zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit sind dem Fachmann als solche hinlänglich bekannt.
Was die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) durch eine mechanische Behandlung anbelangt, so erfolgt diese Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mittels Abrasion und/oder mittels eines abrasiven Verfahrens, vorzugsweise mittels Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut (synonym auch als "Sandstrahlen" bezeichnet).
Im Rahmen der Erfindung ist unter Abrasion bzw. unter einem abrasiven Verfahren insbesondere der abrasive Abtrag, also der Materialabtrag durch mechanische Einwirkung eines Reib(ungs)partners, zu verstehen. Beim abrasiven Abtrag dringen die Rauheitsspitzen eines Reibpartners in die Randschichten des anderen ein oder aber harte Teilchen aus einem Zwischenstoff dringen in die Randschichten des Reibpartners ein, wodurch es zu Mikrozerspanungen, Ritzungen, Riefenbildungen oder dergleichen kommt. Dieser Effekt wird bei der Erhöhung bzw. Einstellung der Oberflächenrauheit beispielsweise mittels Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut (Strahlmittel) im Rahmen der Erfindung genutzt. Beim Druckluftstrahlen dient verdichtete Luft als Trägermedium für das zu beschleunigende Strahlgut, welches so auf die zu behandelnde Oberfläche gebracht wird und dessen Aufprall abrasiv wirkt. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von Druckluftstrahlsystemen liegt in der weitgehenden Anpassungsfähigkeit an Größe, Form und oberflächentechnische Anforderungen der zu bearbeitenden Objekte, sowie in der nahezu uneingeschränkten Verwendbarkeit von unterschiedlichstem metallischem, mineralischem und organischem Strahlgut (synonym auch "Strahlmittel" genannt), so dass für jede Anwendung das passende System gewählt werden kann bzw. das System an das zu bearbeitende Objekt angepasst werden kann.
Im Rahmen der Erfindung kann das verwendete Strahlgut (Strahlmittel) insbesondere ausgewählt werden aus der Gruppe von metallischem, mineralischem (anorganischem) und organischem Strahlgut sowie deren Kombinationen, vorzugsweise in partikulärer Form, vorzugsweise aus der Gruppe von metallischem, natürlich-mineralischem, synthetisch-mineralischem, natürlich-organischem und synthetisch-organischem Strahlgut sowie deren Kombinationen, insbesondere partikulärem Edelstahl-Strahlgut und/oder Glaskugel-Strahlgut.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das verwendete Strahlgut in Verfahrensschritt (a) eine runde, kugelrunde, kantige oder zylindrische Kornform, vorzugsweise eine kantige Kornform, aufweist. Die Verwendung von kantigem Strahlgut ist dabei besonders bevorzugt, da dieses ein starkes Aufrauhen in kurzer Zeit und bei geringem Stahldruck ermöglicht.
Bevorzugt ist es, wenn das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut eine absolute Korngröße im Bereich von 30 bis 5.000 µm, insbesondere im Bereich von 50 bis 3.000 µm, vorzugsweise im Bereich von 60 bis 1.500 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 70 bis 1.000 µm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 75 bis 800 µm, aufweist. Diese Korngröße ist besonders geeignet für das Aufrauhen der Oberfläche, ohne die Bauteile dauerhaft zu beschädigen oder zu verändern. Bei unregelmäßiger Ausbildung des Strahlguts bzw. der Strahlgutpartikel ist die Korngröße auf die jeweils größte Ausdehnung der Strahlgutpartikel bezogen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut eine Härte, insbesondere Kornhärte, vorzugsweise Vickershärte, im Bereich von 20 bis 2.500 HV, insbesondere im Bereich von 100 bis 2.100 HV, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 2.000 HV, bevorzugt im Bereich von 250 bis 1.500 HV, aufweist.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut eine Härte, insbesondere Kornhärte, vorzugsweise Mohs-Härte, im Bereich von 2 bis 9 Mohs, insbesondere im Bereich von 2,5 bis 8 Mohs, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 7 Mohs, bevorzugt im Bereich von 3,5 bis 6,5 Mohs, aufweist.
Strahlgut mit der zuvor genannten Vickershärte bzw. Mohs-Härte ist besonders effizient in der Erhöhung bzw. Einstellung der Oberflächenrauheit von eisenbasierten Bauteilen, ohne eine Beschädigung am Bauteil zu erzeugen (d. h. eine Oberflächenveränderung, welche nicht durch die nachfolgende Verzinkung ausgeglichen bzw. eingeebnet werden kann).
Der in Verfahrensschritt (a) eingesetzte Stahldruck kann gleichermaßen in weiten Bereichen variieren:
Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, wenn das Strahlgut mit einem Strahldruck im Bereich von 1 bis 15 bar, insbesondere im Bereich von 2 bis 11 bar, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 5 bar, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Üblicherweise wird das Strahlgut mit einem Strahldruck von mindestens 1 bar, insbesondere mindestens 2 bar, vorzugsweise mindestens 3 bar, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen.
Vorteilhafterweise wird das Strahlgut mit einem Strahldruck von maximal 15 bar, insbesondere maximal 11 bar, vorzugsweise maximal 8 bar, besonders bevorzugt maximal 5 bar, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen.
Auch die Strahldauer in Verfahrensschritt (a) kann in weiten Bereichen variieren:
Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn das Strahlgut für eine Dauer von 10 Sekunden bis 30 Minuten, insbesondere 15 Sekunden bis 20 Minuten, bevorzugt 20 Sekunden bis 10 Minuten, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Bevorzugt ist es, wenn das Strahlgut für eine Dauer von bis zu 30 Minuten, insbesondere bis zu 20 Minuten, bevorzugt bis zu 10 Minuten, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Im Rahmen der Erfindung ist es dabei besonders bevorzugt, wenn das Strahlgut für eine Dauer von mindestens 10 Sekunden, insbesondere mindestens 15 Sekunden, bevorzugt mindestens 20 Sekunden, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Im Allgemeinen werden die zuvor genannten Verfahrensbedingungen bzw. Verfahrensparameter für Verfahrensschritt (a) insbesondere die Bedingungen für die mechanische Behandlung, insbesondere mittels Abrasion, vorzugsweise mittels Druckluftstrahl mit festem Strahlgut, wie Auswahl von Art und Größe des Strahlguts, Strahlbehandlung, Strahldruck, Strahldauer etc., derart ausgelegt bzw. ausgewählt, dass die Oberflächenrauheit an die zu erzielende bzw. beabsichtigte Schichtdicke der nach Feuerverzinkung in Verfahrensschritt (b) resultierenden aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Verzinkungsschicht angepasst bzw. diesbezüglich maßgeschneidert wird. Auf diese Weise kann durch die Durchführung von Verfahrensschritt (a), insbesondere die gezielt eingestellte Erhöhung der Oberflächenrauheit, die Schichtdicke der nach Verfahrensschritt (b) resultierenden Verzinkungsschicht gezielt gesteuert bzw. kontrolliert bzw. maßgeschneidert werden.
Die zuvor genannten Verfahrensbedingungen für Verfahrensschritt (a) ermöglichen eine besonders effiziente Einstellung und/oder Erhöhung der Oberflächenrauheit (ohne dabei die Oberfläche zu beschädigen) und ermöglichen dabei insbesondere eine individuelle Anpassung an die entsprechenden Anwendungsanforderungen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche einen Mittenrauwert Ra, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, von mindestens 0,3 µm, insbesondere mindestens 0,6 µm, bevorzugt mindestens 0,7 µm, besonders bevorzugt mindestens 0,8 µm, aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche einen Mittenrauwert Ra, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, im Bereich von 0,3 bis 15 µm, bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 13 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 12 µm, aufweist.
Der Mittenrauwert Ra beschreibt die Rauheit einer technischen Oberfläche und ist das arithmetische Mittel der Beträge der Ordinatenwerte des Rauheitsprofils innerhalb einer Einzelmessstrecke. Er stellt die mittlere Abweichung des Profils von der mittleren Linie dar. Zur Ermittlung dieses Messwertes wird die Oberfläche auf einer definierten Messstrecke abgetastet und sämtliche Höhen- und Tiefenunterschiede der rauen Oberflächen werden aufgezeichnet. Aus diesem Rauheitsverlauf wird das Integral gebildet und durch die Länge der Messstrecke dividiert (vgl. zuvor zitierte DIN EN ISO 4288:1998-04).
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, von mindestens 2 µm, insbesondere mindestens 3 µm, bevorzugt mindestens 4 µm, aufweist.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, wenn die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, im Bereich von 2 bis 75 µm, insbesondere im Bereich von 3 bis 70 µm, bevorzugt im Bereich von 3 bis 65 µm, aufweist.
Die gemittelte Rautiefe Rz beschreibt die Summe aus der Höhe der größten Profilspitze und der Tiefe des größten Profiltals innerhalb einer Einzelmessstrecke. Üblicherweise ergibt sich Rz aus der Mittelung der Ergebnisse von fünf Einzelmessstrecken. Die gemittelte Rautiefe Rz reagiert insgesamt empfindlicher auf Veränderungen von Oberflächenstrukturen als der Mittenrauwert Ra (vgl. zuvor zitierte DIN EN ISO 4288:1998-04).
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine maximale Rautiefe Rmax, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, von mindestens 3 µm, insbesondere mindestens 4 µm, bevorzugt mindestens 5 µm, aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine maximale Rautiefe Rmax, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, im Bereich von 3 bis 95 µm, insbesondere im Bereich von 4 bis 90 µm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 85 µm, aufweist.
Die maximale Rautiefe Rmax beschreibt dabei die größte der fünf Einzelrautiefen innerhalb einer Messstrecke (vgl. zuvor zitierte DIN EN ISO 4288:1998-04).
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Erhöhung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt, dass der Mittenrauwert Ra, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 25 %, vorzugsweise um mindestens 50 %, besonders bevorzugt um mindestens 75 %, noch mehr bevorzugt um mindestens 100 %, erhöht wird (d. h. bezogen auf den Mittenrauwert Ra vor der Oberflächenbehandlung). Beispielsweise kann die Erhöhung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt werden, dass der Mittenrauwert Ra, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um 10 % bis zu um 300 %, insbesondere um 25 % bis zu um 200 %, erhöht ist (d. h. bezogen auf den Mittenrauwert Ra vor der Oberflächenbehandlung). Die prozentuale Erhöhung der Oberflächenrauheit, charakterisiert durch die Erhöhung des Mittenrauwerts Ra, wird also mit anderen Worten durch das prozentuale Verhältnis des Mittenrauwerts Ra nach Durchführung von Verfahrensschritt (a) zum Mittenrauwert Ra vor Durchführung von Verfahrensschritt (a) beschrieben.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Erhöhung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt, dass die gemittelte Rautiefe Rz, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 25 %, vorzugsweise um mindestens 50 %, besonders bevorzugt um mindestens 75 %, noch mehr bevorzugt um mindestens 100 %, erhöht wird (d.h. bezogen auf die gemittelte Rautiefe Rz vor der Oberflächenbehandlung). Beispielsweise kann die Erhöhung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt werden, dass die gemittelte Rautiefe Rz, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um 10 % bis zu um 300 %, insbesondere um 25 % bis zu um 200 %, erhöht ist (d. h. bezogen auf die gemittelte Rautiefe Rz vor der Oberflächenbehandlung). Die prozentuale Erhöhung der Oberflächenrauheit, charakterisiert durch die Erhöhung der gemittelten Rautiefe Rz, wird also mit anderen Worten durch das prozentuale Verhältnis der gemittelten Rautiefe Rz nach Durchführung von Verfahrensschritt (a) zur gemittelten Rautiefe Rz vor Durchführung von Verfahrensschritt (a) beschrieben.
Gemäß einer wiederum weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Erhöhung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt, dass die maximale Rautiefe Rmax, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 25 %, vorzugsweise um mindestens 50 %, besonders bevorzugt um mindestens 75 %, noch mehr bevorzugt um mindestens 100 %, erhöht wird (d.h. bezogen auf die maximale Rautiefe Rmax vor der Oberflächenbehandlung). Beispielsweise kann die Erhöhung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt werden, dass die maximale Rautiefe Rmax, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um 10 % bis zu um 300 %, insbesondere um 25 % bis zu um 200 %, erhöht ist (d. h. bezogen auf die maximale Rautiefe Rmax vor der Oberflächenbehandlung). Die prozentuale Erhöhung der Oberflächenrauheit, charakterisiert durch die Erhöhung der maximalen Rautiefe Rmax, wird also mit anderen Worten durch das prozentuale Verhältnis der maximalen Rautiefe Rmax nach Durchführung von Verfahrensschritt (a) zur maximalen Rautiefe Rmax vor Durchführung von Verfahrensschritt (a) beschrieben.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt sich dem Verfahrensschritt (a) in Verfahrensschritt (b) die Feuerverzinkung des eisenbasierten Bauteils in einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze ("Zn/Al-Schmelze") an.
Im Allgemeinen wird in Verfahrensschritt (b) das eisenbasierte Bauteil mit einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht versehen bzw. beschichtet bzw. überzogen. Mit anderen Worten wird nach der Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ein mit einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht versehenes bzw. beschichtetes bzw. überzogenes eisenbasiertes Bauteil erhalten.
Die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht weist erfindungsgemäß, wie sie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere nach Verfahrensschritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens, erhalten wird, eine Schichtdicke im Bereich von 3 bis 30 µm, insbesondere im Bereich von 4 bis 28 µm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 27 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis 25 µm, auf.
Bevorzugt weist die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist bzw. im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens resultiert, eine Schichtdicke auf, welche 110 bis 300 %, insbesondere 125 bis 280 %, bevorzugt 130 bis 250 %, derjenigen Schichtdicke beträgt, welche nach Durchführen des Verfahrensschritts (b) unter Weglassung des vorangehenden Verfahrensschritts (a) erhalten wird. Dies heißt also, dass die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren resultiert bzw. erhältlich ist, 110 bis 300 %, insbesondere 125 bis 280 %, bevorzugt 130 bis 250 %, derjenigen Schichtdicke aufweist, welche nur durch identische Feuerverzinkung ohne vorangehende Oberflächenaufrauhung erhalten wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit eine Zinkschicht erhalten, welche eine erhöhte Schichtdicke gegenüber den herkömmlichen Feuerverzinkungsschichten aus Zn/Al-Schmelzen aufweist.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht, welche durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird, eine Schichtdicke aufweist, welche um 0,5 bis 15 µm, insbesondere um 1 bis 12 µm, bevorzugt um 2 bis 10 µm, größer ist als diejenige Schichtdicke, welche nach Durchführen des Verfahrensschritts (b) unter Weglassung des vorangehenden Verfahrensschritts (a) erhalten wird. Dies heißt also, dass die erfindungsgemäß erzeugte Zinkschichtdicke entsprechend dicker ist als eine Zinkschicht, welche nur durch Feuerverzinkung ohne vorangehende Oberflächenaufrauhung erhalten wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist das durch Verfahrensschritte (a) und (b) erhaltene feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil eine zumindest im Wesentlichen homogene bzw. gleichmäßige bzw. kontinuierliche aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht auf, insbesondere an ihrer Ober- oder Außenseite. Die äußere Oberfläche ist also gleichmäßig, d. h. die Aufrauhungen, welche in Verfahrensschritt (a) eingeführt werden, werden in Verfahrensschritt (b) verfüllt bzw. nivelliert bzw. eingeebnet, so dass die Oberfläche des feuerverzinkten eisenbasierten Bauteils keine Rillen bzw. Aufrauhungen aufweist, sondern kontinuierlich bzw. planar bzw. eben ausgebildet ist (vgl. auch Fig. 1C sowie Figurendarstellungen 3A und 3B).
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform ist die in Verfahrensschritt (a) resultierende Oberfläche mit erhöhter bzw. eingestellter Oberflächenrauheit im Rahmen von Verfahrensschritt (b) zumindest im Wesentlichen eingeebnet bzw. nivelliert, insbesondere durch die in Verfahrensschritt (b) aufgebrachte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht. Dies hat den Vorteil, dass das Aufrauhen der Oberfläche keinen Einfluss auf die Oberflächenstruktur des fertigen feuerverzinkten Bauteils (d. h. des Endprodukts) hat.
Bei einer besonderen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) nur bereichsweise, insbesondere nur an einer Oberfläche bzw. nicht an allen Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, durchgeführt wird, so dass die in Verfahrensschritt (b) erhaltene aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht unterschiedliche Dickenbereiche aufweist; insbesondere ist dabei die Schichtdicke der aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht im Bereich der zuvor in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche(n) oder Oberflächenbereiche im Vergleich zu der Schichtdicke im Bereich der unbehandelten Oberfläche(n) oder Oberflächenbereiche erhöht. Diese Ausführungsform ist vor allem dann bevorzugt, wenn im Rahmen der Anwendung bzw. Verwendung eines Bauteils bestimmte Bereiche des Bauteils einer stärkeren Belastung ausgesetzt sind als andere Bereiche des Bauteils und diese durch das erfindungsgemäße Verfahren weitergehend verstärkt werden, während die restlichen Oberflächen des Bauteils keine weitere Verstärkung benötigen und eine herkömmlich erzeugte Feuerverzinkungsschicht ausreichend schützt. Ein beispielhafter Anwendungsfall sind Fahrwerkskomponenten, deren der Fahrbahn zugewandte Oberfläche aufgrund einer Kombination aus verstärktem Steinschlag, Korrosionsbelastung durch Tausalze sowie einer thermischen Belastung infolge des oberhalb verlaufenden Abgaskanals einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist. Als Gegenmaßnahme gegen die nur bereichsweise bzw. lokal verstärkt auftretende Belastung ist eine entsprechende bereichsweise bzw. lokal vorgesehene Erhöhung und/oder Einstellung der Zinkschichtdicke in dem Belastungsbereich ausreichend, während die anderen bzw. übrigen Oberflächen der Fahrwerkskomponenten keine erhöhte und/oder individuell eingestellte Zinkschichtdicke benötigen, da sie keiner verstärkten Belastung ausgesetzt sind. Eine Erhöhung und/oder Einstellung der Zinkschichtdicke als Maßnahme gegen verstärkte Belastung bzw. Beanspruchung ist auch in Anwendungsfällen einsetzbar, in denen es zu erhöhter mechanischer Belastung, z. B. in Form von Abrieb, kommt.
Im Rahmen von Verfahrensschritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Feuerverzinkung des eisenbasierten Bauteils in einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze ("Zn/Al-Schmelze") durchgeführt.
Erfindungsgemäß enthält die in Verfahrensschritt (b) eingesetzte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze, bezogen auf die Zinkschmelze, mindestens 0,1 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,15 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,2 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 1 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 2 Gew.-%, Aluminium.
Vorteilhaft ist es, wenn die in Verfahrensschritt (b) eingesetzte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze, bezogen auf die Zinkschmelze, höchstens 25 Gew.-%, insbesondere höchstens 20 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 17,5 Gew.-%, bevorzugt höchstens 15 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 12,5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, Aluminium enthält.
Vorteilhafterweise enthält die in Verfahrensschritt (b) eingesetzte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze, bezogen auf die Zinkschmelze, Aluminium in Mengen im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 0,15 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 17,5 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 Gew.-% bis 12,5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%.
Bei der Verwendung von Aluminium in den vorgenannten Mengen in der Zinkschmelze werden besonders korrosionsbeständige und besonders gut verarbeitbare Zinkschichten erhalten.
Typischerweise enthält die in Verfahrensschritt (b) eingesetzte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze

(i) Zink, insbesondere in Mengen im Bereich von 75 Gew.-% bis 99,9 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 80 Gew.-% bis 99,85 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 85 Gew.-% bis 99,8 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 90 Gew.-% bis 99,5 Gew.-%, bezogen auf die Zinkschmelze,
(ii) Aluminium, insbesondere in Mengen im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 0,15 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Zinkschmelze,
(iii) gegebenenfalls mindestens ein weiteres Metall, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von Bismut (Bi), Blei (Pb), Zinn (Sn), Nickel (Ni), Silizium (Si), Magnesium (Mg) und deren Kombinationen, insbesondere in Mengen von bis zu 5 Gew.-% und/oder insbesondere in Mengen im Bereich von 0,0001 Gew.-% bis 5 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 0,0005 Gew.-% bis 4 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,001 Gew.-% bis 3 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,005 Gew.-% bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Zinkschmelze,

Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die in Verfahrensschritt (b) eingesetzte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze die folgende Zusammensetzung auf, wobei alle nachfolgend genannten Mengenangaben auf die Zinkschmelze bezogen sind und derart auszuwählen sind, dass insgesamt 100 Gew.-% resultieren:

Zink (Zn), insbesondere in Mengen im Bereich von 75 bis 99,9 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 80 bis 99,85 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 85 bis 99,8 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 90 bis 99,5 Gew.-%,
Aluminium (AI), insbesondere in Mengen im Bereich von 0,1 bis 25 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 0,15 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 15 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-%,
gegebenenfalls Bismut (Bi), insbesondere in Mengen von bis zu 0,5 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von bis zu 0,3 Gew.-%, bevorzugt in Mengen von bis zu 0,1 Gew.-%,
gegebenenfalls Blei (Pb), insbesondere in Mengen von bis zu 0,5 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von bis zu 0,2 Gew.-%, bevorzugt in Mengen von bis zu 0,1 Gew.-%,
gegebenenfalls Zinn (Sn), insbesondere in Mengen von bis zu 0,9 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von bis zu 0,6 Gew.-%, bevorzugt in Mengen von bis zu 0,3 Gew.-%,
gegebenenfalls Nickel (Ni), insbesondere in Mengen von bis zu 0,1 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von bis zu 0,08 Gew.-%, bevorzugt in Mengen von bis zu 0,06 Gew.-%,
gegebenenfalls Silizium (Si), insbesondere in Mengen von bis zu 0,1 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von bis zu 0,05 Gew.-%, bevorzugt in Mengen von bis zu 0,01 Gew.-%,
gegebenenfalls Magnesium (Mg), insbesondere in Mengen von bis zu 5 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von bis zu 2,5 Gew.-%, bevorzugt in Mengen von bis zu 0,8 Gew.-%.

Gemäß einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es von Vorteil, wenn die in Verfahrensschritt (b) eingesetzte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze eine Temperatur im Bereich von 375 bis 750 °C, insbesondere im Bereich von 380 bis 700 °C, vorzugsweise im Bereich von 390 bis 680 °C, noch mehr bevorzugt im Bereich von 395 bis 675 °C, aufweist. Vor allem in diesem Temperaturbereich erfolgt die Feuerverzinkung besonders ökonomisch und wirtschaftlich.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn in Verfahrensschritt (b) das eisenbasierte Bauteil in die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze getaucht wird, insbesondere hierin getaucht und bewegt wird, insbesondere für eine Zeitdauer, welche ausreichend ist, um eine wirksame Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung) zu gewährleisten, insbesondere für eine Zeitdauer im Bereich von 0,0001 bis 60 Minuten, vorzugsweise im Bereich von 0,001 bis 45 Minuten, bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 30 Minuten, noch mehr bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 15 Minuten. Hierdurch werden besonders homogene, lücken- bzw. fehlerlose und gleichmäßige Zinkschichten erhalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die in Verfahrensschritt (b) eingesetzte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschmelze mit mindestens einem Inertgas, insbesondere Stickstoff, kontaktiert bzw. gespült oder durchgeleitet wird. Hierdurch wird eine unerwünschte Reaktion von unbeschichteter Oberfläche mit vorhandenem Sauerstoff vermieden; somit werden auch keine Fehlstellen in der gebildeten Zinkschicht erhalten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn vor der Feuerverzinkung in Verfahrensschritt (b) eine Vorbehandlung des in Verfahrensschritt (a) erhaltenen eisenbasierten Bauteils durchgeführt wird. Durch diese Vorbehandlung wird ein besonders gleichmäßiges und fehlerfreies Verzinkungsergebnis ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorbehandlung mindestens einen der folgenden Vorbehandlungsschritte (wobei vorzugsweise die Vorbehandlung die folgenden Vorbehandlungsschritte (1) bis (6) in der nachfolgend spezifizierten Reihenfolge umfasst):

(1) Entfetten,
(2) Spülen,
(3) gegebenenfalls Beizen,
(4) gegebenenfalls Spülen,
(5) Flussmittelbehandlung (Fluxen),
(6) gegebenenfalls Trocknen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Vorbehandlungsschritt (3) des Beizens - im Vergleich zu einer Vorbehandlung für eine Feuerverzinkung gemäß Verfahrensschritt (b), jedoch unter Weglassung des vorangehenden Verfahrensschritts (a) - verkürzt sein, insbesondere um mindestens 10 %, vorzugsweise um mindestens 30 %, der Beizdauer, oder aber zusammen mit Vorbehandlungsschritt (4) vollständig entfallen. Vorbehandlungsschritte (3) und (4) bedingen einander, so dass bei Entfallen von Vorbehandlungsschritt (3) auch Vorbehandlungsschritt (4) entfällt.
Aufgrund der Erhöhung bzw. Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) kommt es gleichermaßen zu einer mechanischen Reinigung des Bauteils, wodurch das sonst übliche Beizen in saurem Medium, insbesondere wie in Vorbehandlungsschritt (3) beschrieben, vollständig ausgespart bzw. die erforderliche Behandlungszeit zumindest deutlich verkürzt werden kann. Das Weglassen von Vorbehandlungsschritt (3) bzw. die Verkürzung dessen Dauer hat den Vorteil, dass hierdurch die Gefahr eines Wasserstoffeintrags von der sauren Beizlösung in das Verzinkungsgut komplett ausgeschlossen oder zumindest deutlich reduziert werden kann und somit die Gefahr einer Versprödung des Bauteils infolge eines Wasserstoffeintrags ausgeschlossen oder deutlich reduziert werden kann.
Wie zuvor beschrieben, wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor der Feuerverzinkung in Verfahrensschritt (b) eine Vorbehandlung des in Verfahrensschritt (a) erhaltenen eisenbasierten Bauteils durchgeführt (insbesondere der zuvor beschriebenen Art). Insbesondere umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Vorbehandlung mindestens eine Flussmittelbehandlung (Fluxen). Die Flussmittelbehandlung führt dazu, dass eine intensive Feinstreinigung der Oberfläche vorgenommen wird sowie die Benetzbarkeit zwischen Bauteiloberfläche und dem schmelzflüssigen Zink erhöht wird und eine Oxidation der Bauteiloberfläche während einer möglichen Wartezeit und des Trocknens bis zum Verzinkungsvorgang verhindert wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vor der Feuerverzinkung in Verfahrensschritt (b) eine Vorbehandlung des in Verfahrensschritt (a) erhaltenen eisenbasierten Bauteils mit einem Flussmittel durchgeführt. Insbesondere ist das Flussmittel in einem Flussmittelbad befindlich bzw. gelöst.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Flussmittel die folgenden Komponenten (Inhaltsstoffe): (I) Zinkchlorid (ZnCl₂), (II) Ammoniumchlorid (NH₄Cl), (III) gegebenenfalls mindestens ein Alkali- und/oder Erdalkalisalz und (IV) gegebenenfalls mindestens ein weiteres Metallsalz, vorzugsweise ausgewählt aus Salzen, bevorzugt Chloriden, von Nickel (Ni), Cobalt (Co), Mangan (Mn), Blei (Pb), Zinn (Sn), Bismut (Bi), Antimon (Sb), Aluminium (AI) und Silber (Ag) sowie deren Kombinationen, vorzugsweise ausgewählt aus NiCl₂, CoCl₂, MnCl₂, PbCl₂, SnCl₂, BiCl₃, SbCl₃, AlCl₃ und AgCI sowie deren Kombinationen.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Flussmittel die folgenden Komponenten (Inhaltsstoffe): (I) Zinkchlorid (ZnCl₂), (II) Ammoniumchlorid (NH₄Cl), (III) mindestens ein Alkali- und/oder Erdalkalisalz, vorzugsweise Natriumchlorid und/oder Kaliumchlorid, bevorzugt Natriumchlorid und Kaliumchlorid, und (IV) mindestens ein weiteres Metallsalz, vorzugsweise ausgewählt aus Salzen, bevorzugt Chloriden, von Nickel (Ni), Cobalt (Co), Mangan (Mn), Blei (Pb), Zinn (Sn), Bismut (Bi), Antimon (Sb), Aluminium (AI) und Silber (Ag) sowie deren Kombinationen, vorzugsweise ausgewählt aus NiCl₂, CoCl₂, MnCl₂, PbCl₂, SnCl₂, BiCl₃, SbCl₃, AlCl₃ und AgCI sowie deren Kombinationen, besonders bevorzugt ausgewählt aus NiCl₂, CoCl₂, MnCl₂, PbCl₂, SnCl₂, BiCl₃ und SbCl₃ sowie deren Kombinationen.
Gemäß einer wiederum weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Flussmittel die folgenden Komponenten (Inhaltsstoffe), wobei alle nachfolgend genannten Mengenangaben auf das Flussmittel bezogen sind und derart auszuwählen sind, dass insgesamt 100 Gew.-% resultieren: (I) 60 bis 80 Gew.-% Zinkchlorid (ZnCl₂), (II) 7 bis 20 Gew.-% Ammoniumchlorid (NH₄Cl), (III) 2 bis 20 Gew.-% mindestens eines Alkali- und/oder Erdalkalisalzes, vorzugsweise Natriumchlorid und/oder Kaliumchlorid, bevorzugt Natriumchlorid und Kaliumchlorid, (IV') 0,1 bis 5 Gew.-% mindestens eines Metallsalzes aus der Gruppe von NiCl₂, CoCl₂ und MnCl₂ und (IV") 0,1 bis 1,5 Gew.-% mindestens eines weiteren Metallsalzes aus der Gruppe von PbCl₂, SnCl₂, BiCl₃ und SbCl₃.
Die Verwendung der zuvor beschriebenen Flussmittelzusammensetzungen erweist sich als besonders vorteilhaft, um optimale Verzinkungsergebnisse zu erhalten. Typischerweise ist das Flussmittelbad im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wässrig basiert oder wässrig-alkoholisch basiert ausgebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Flussmittelbad üblicherweise auf einen definierten bzw. vorgegebenen, insbesondere sauren pH-Wert eingestellt, insbesondere im pH-Wert-Bereich von 0 bis 6,9, vorzugsweise im pH-Wert-Bereich von 0,5 bis 6,5, bevorzugt im pH-Wert-Bereich von 1 bis 5,5, besonders bevorzugt im pH-Wert-Bereich von 1,5 bis 5, ganz besonders bevorzugt im pH-Wert-Bereich von 2 bis 4,5, noch mehr bevorzugt im pH-Wert-Bereich von 2 bis 4.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Flussmittelbad auf einen definierten bzw. vorgegebenen, insbesondere sauren pH-Wert eingestellt, wobei die Einstellung des pH-Werts mittels einer vorzugsweise anorganischen Säure in Kombination mit einer vorzugsweise anorganischen basischen Verbindung, insbesondere Ammoniak (NH₃), erfolgt. Diese Ausführungsform, d. h. die Feineinstellung des pH-Werts mittels einer vorzugsweise anorganischen basischen Verbindung, insbesondere Ammoniak (NH₃), ist insbesondere von Vorteil, da auf diese Weise einer unerwünschten Wasserstoffversprödung des behandelten Bauteils entgegengewirkt wird.
Was das erfindungsgemäß eingesetzte Flussmittel anbelangt, so kann das Flussmittelbad - neben den vorstehend erwähnten Inhaltsstoffen bzw. Komponenten - außerdem mindestens ein Netzmittel und/oder Tensid, insbesondere mindestens ein ionisches oder nichtionisches Netzmittel und/oder Tensid, bevorzugt mindestens ein nichtionisches Netzmittel und/oder Tensid, enthalten.
Die Mengen des betreffenden Netzmittels und/oder Tensids können in weiten Bereichen variieren:
Insbesondere kann das Flussmittelbad das mindestens eine Netzmittel und/oder Tensid in Mengen von 0,0001 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise in Mengen von 0,001 bis 10 Gew.-%, bevorzugt in Mengen von 0,01 bis 8 Gew.-%, noch mehr bevorzugt in Mengen von 0,01 bis 6 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt in Mengen von 0,05 bis 3 Gew.-%, noch mehr bevorzugt in Mengen von 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Flussmittelbad, enthalten.
Weiterhin kann das Flussmittelbad das mindestens ein Netzmittel und/oder Tensid in Mengen von 0,0001 bis 10 Vol.-%, vorzugsweise in Mengen von 0,001 bis 8 Vol.-%, bevorzugt in Mengen von 0,01 bis 5 Vol.-%, noch mehr bevorzugt in Mengen von 0,01 bis 5 Vol.-%, bezogen auf das Flussmittelbad, enthalten.
Die Menge bzw. Konzentration der erfindungsgemäß eingesetzten Flussmittelzusammensetzung in dem erfindungsgemäß eingesetzten Flussmittelbad kann gleichermaßen in weiten Bereichen variieren:
Üblicherweise kann das Flussmittelbad die Flussmittelzusammensetzung in einer Menge von 150 g/l bis 750 g/l, insbesondere in Mengen von 200 g/l bis 700 g/l, vorzugsweise in einer Menge von 250 g/l bis 650 g/l, bevorzugt in einer Menge von 300 g/l bis 625 g/l, besonders bevorzugt in einer Menge von 400 g/l bis 600 g/l, ganz besonders bevorzugt in einer Menge von 450 g/l bis 580 g/l, noch mehr bevorzugt in einer Menge von 500 g/l bis 575 g/l, enthalten, insbesondere berechnet als Gesamtsalzgehalt der Flussmittelzusammensetzung.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn die Flussmittelbehandlung bei einer Temperatur zwischen 20 und 90 °C, insbesondere zwischen 30 und 85 °C, bevorzugt zwischen 40 und 80 °C, besonders bevorzugt zwischen 50 und 75 °C, erfolgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird im Allgemeinen derart vorgegangen, dass die Flussmittelbehandlung durch Inkontaktbringen des eisenbasierten Bauteils mit dem Flussmittelbad bzw. der Flussmittelzusammensetzung, insbesondere durch Tauchen oder Sprühauftrag, vorzugsweise Tauchen, erfolgt. Insbesondere kann dabei das eisenbasierte Bauteil für eine Dauer von 0,01 bis 30 Minuten, insbesondere 1,5 bis 20 Minuten, vorzugsweise 2 bis 15 Minuten, bevorzugt 2,5 bis 10 Minuten, besonders bevorzugt 3 bis 5 Minuten, mit dem Flussmittelbad bzw. der Flussmittelzusammensetzung in Kontakt gebracht werden, insbesondere in das Flussmittelbad getaucht werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich der in Verfahrensschritt (b) durchgeführten Feuerverzinkung ein Abkühlungsschritt anschließen bzw. das in Verfahrensschritt (b) feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil kann einer Abkühlungsbehandlung unterzogen werden, gegebenenfalls gefolgt von einer weiteren Nachbearbeitung und/oder Nachbehandlung.
Der optionale Abkühlungsschritt bzw. Abkühlungsbehandlung kann insbesondere mittels Luft und/oder in Gegenwart von Luft erfolgen, vorzugsweise bis auf Umgebungstemperatur.
Die optional durchzuführende weitere Nachbearbeitung und/oder Nachbehandlung kann insbesondere eine Passivierung und/oder Versiegelung umfassen. Durch eine solche Nachbearbeitung bzw. Nachbehandlung kann eine weitere Schutzschicht auf dem Bauteil erzeugt werden, welche den Korrosionsschutz weitergehend verstärkt.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.
Bei dem zu behandelnden eisenbasierten Bauteil kann es sich um ein einzelnes Erzeugnis oder eine Vielzahl einzelner, insbesondere identischer Erzeugnisse handeln. Gleichermaßen kann das eisenbasierte Bauteil ein Langprodukt, insbesondere ein Draht-, Rohr-, Blech-, Coil-Material oder dergleichen, sein.
Insbesondere kann das eisenbasierte Bauteil ein Stahlbauteil für die Automobilfertigung, insbesondere für die Pkw-, Lkw- oder Nutzfahrzeugherstellung, oder aber ein Stahlbauteil für den technischen Bereich, insbesondere für die Bauindustrie, Maschinenbauindustrie oder Elektroindustrie, sein.
Das erfindungsgemäß Verfahren kann insbesondere in der nachfolgend beschriebenen Anlage durchgeführt werden: Es handelt sich hierbei um eine Anlage zur Erzeugung einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht, insbesondere mit erhöhter Schichtdicke, auf einem eisenbasierten Bauteil, vorzugsweise Stahlbauteil, mittels Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung), insbesondere eine Anlage zur Erhöhung und/oder Einstellung, vorzugsweise Erhöhung, der Schichtdicke einer mittels Feuerverzinkung erzeugten aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht auf einem eisenbasierten Bauteil, vorzugsweise eine Anlage zur Durchführung eines wie zuvor beschriebenen Verfahrens,
wobei die Anlage die folgenden Vorrichtungen in der nachfolgend aufgeführten Reihenfolge umfasst:

(A) eine Vorrichtung zur Erhöhung und/oder Einstellung, vorzugsweise Erhöhung, der Oberflächenrauheit mindestens einer Oberfläche eines eisenbasierten Bauteils; nachgeschaltet und/oder im Verfahrensablauf stromabwärts hierzu angeordnet
(B) eine Feuerverzinkungsvorrichtung zur Feuerverzinkung des eisenbasierten Bauteils in einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze ("Zn/Al-Schmelze").

Dabei können die Vorrichtungen (A) und (B) räumlich getrennt voneinander vorliegen.
Dabei umfasst die Vorrichtung (A) zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit eine Abrasionsvorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut (Strahlmittel), oder ist als solche ausgebildet.
Bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung (A) zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit, insbesondere die Abrasionsvorrichtung, vorzugsweise die Vorrichtung zum Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut, mindestens ein Aufnahmebehältnis für ein festes Strahlgut umfasst.
Was das in Vorrichtung (A) verwendete und/oder in dem Aufnahmebehältnis befindliche Strahlgut anbelangt, so ist dieses ausgewählt aus der Gruppe von metallischem, mineralischem (anorganischem) und organischem Strahlgut sowie deren Kombinationen, vorzugsweise in partikulärer Form, vorzugsweise aus der Gruppe von metallischem, natürlich-mineralischem, synthetisch-mineralischem, natürlich-organischem und synthetisch-organischem Strahlgut sowie deren Kombinationen, insbesondere partikulärem Edelstahl-Strahlgut und/oder Glaskugel-Strahlgut.
Üblicherweise weist das in Vorrichtung (A) verwendete und/oder in dem Aufnahmebehältnis befindliche Strahlgut eine runde, kugelrunde, kantige oder zylindrische Kornform, vorzugsweise eine kantige Kornform, auf.
Die Korngröße des in Vorrichtung (A) verwendeten und/oder in dem Aufnahmebehältnis befindlichen Strahlguts kann in weiten Bereichen variieren:
Insbesondere kann das in Vorrichtung (A) verwendete und/oder in dem Aufnahmebehältnis befindliche Strahlgut eine absolute Korngröße im Bereich von 30 bis 5.000 µm, insbesondere im Bereich von 50 bis 3.000 µm, vorzugsweise im Bereich von 60 bis 1.500 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 70 bis 1.000 µm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 75 bis 800 µm, aufweisen. Bei der Verwendung von unregelmäßig ausgebildetem Strahlgut ist die absolute Korngröße auf die größte Ausdehnung des Strahlgutpartikels bezogen.
Auch die Kornhärte des in Vorrichtung (A) verwendeten und/oder in dem Aufnahmebehältnis befindlichen Strahlguts kann in weiten Bereichen variieren:
Insbesondere weist das in Vorrichtung (A) verwendete und/oder in dem Aufnahmebehältnis befindliche Strahlgut eine Härte, insbesondere Kornhärte, vorzugsweise Vickershärte, im Bereich von 20 bis 2.500 HV, insbesondere im Bereich von 100 bis 2.100 HV, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 2.000 HV, bevorzugt im Bereich von 250 bis 1.500 HV, auf.
Weiterhin kann das in Vorrichtung (A) verwendete und/oder in dem Aufnahmebehältnis befindliche Strahlgut eine Härte, insbesondere Kornhärte, vorzugsweise Mohs-Härte, im Bereich von 2 bis 9 Mohs, insbesondere im Bereich von 2,5 bis 8 Mohs, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 7 Mohs, bevorzugt im Bereich von 3,5 bis 6,5 Mohs, aufweisen.
Was die eingesetzte Vorrichtung (A) zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit, insbesondere die Abrasionsvorrichtung, vorzugsweise die Vorrichtung zum Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut, anbelangt, so ist diese insbesondere derart ausgebildet, dass das Strahlgut mit einem Strahldruck im Bereich von 1 bis 15 bar, insbesondere im Bereich von 2 bis 11 bar, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 5 bar, ausgetragen wird und/oder auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Anlage ist die Vorrichtung (A) zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit, insbesondere die Abrasionsvorrichtung, vorzugsweise die Vorrichtung zum Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut, derart ausgebildet, dass das Strahlgut mit einem Strahldruck von mindestens 1 bar, insbesondere mindestens 2 bar, vorzugsweise mindestens 3 bar, ausgetragen und/oder auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung (A) zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit, insbesondere die Abrasionsvorrichtung, vorzugsweise die Vorrichtung zum Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut, derart ausgebildet, dass das Strahlgut mit einem Strahldruck von maximal 15 bar, insbesondere maximal 11 bar, vorzugsweise maximal 8 bar, besonders bevorzugt maximal 5 bar, ausgetragen wird und/oder auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Auch ist es bevorzugt, wenn die Feuerverzinkungsvorrichtung (B) ein eine aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschmelze, insbesondere wie zuvor definiert, enthaltendes Verzinkungsbad umfasst.
Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Feuerverzinkungsvorrichtung (B) zum Versehen und/oder Beschichten und/oder Überziehen des eisenbasierten Bauteils mit einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze ausgebildet ist.
Üblicherweise ist die Anlage derart ausgestaltet, dass nachgeschaltet und/oder stromabwärts angeordnet zu Vorrichtung (A) und vorgeschaltet und/oder stromaufwärts angeordnet zu Feuerverzinkungsvorrichtung (B), eine Vorbehandlungsvorrichtung (C) zur Vorbehandlung des in Vorrichtung (A) aufgerauhten eisenbasierten Bauteils vorgesehen und/oder angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Vorbehandlungsvorrichtung (C) zwischen der Vorrichtung (A) und der Feuerverzinkungsvorrichtung (B) angeordnet.
Typischerweise umfasst die Vorbehandlungsvorrichtung (C) mindestens eine der folgenden Vorbehandlungseinrichtungen, vorzugsweise in der nachfolgend spezifizierten Reihenfolge:

(C1) mindestens eine Entfettungseinrichtung, insbesondere mindestens ein Entfettungsbad, zur Entfettung des in Vorrichtung (A) aufgerauhten eisenbasierten Bauteils; in Prozessrichtung nachgeschaltet und/oder stromabwärts zu (C1)
(C2) mindestens eine Spüleinrichtung, insbesondere mindestens ein Spülbad, zum Spülen des in der Entfettungseinrichtung (C1) entfetteten eisenbasierten Bauteils; in Prozessrichtung nachgeschaltet und/oder stromabwärts zu (C2)
(C3) gegebenenfalls mindestens eine Beizeinrichtung, insbesondere mindestens ein Beizbad, zur vorzugsweise sauren Beizbehandlung des in der Entfettungseinrichtung (C1) entfetteten und in der Spüleinrichtung (C2) gespülten eisenbasierten Bauteils; in Prozessrichtung nachgeschaltet oder stromabwärts zu (C3)
(C4) gegebenenfalls mindestens eine Spüleinrichtung, insbesondere mindestens ein Spülbad, zum Spülen des in der Entfettungseinrichtung (C1) entfetteten, in der Spüleinrichtung (C2) gespülten und in der Beizeinrichtung (C3) gebeizten eisenbasierten Bauteils; in Prozessrichtung nachgeschaltet oder stromabwärts zu (C4)
(C5) mindestens eine Flussmittelbehandlungseinrichtung (Fluxeinrichtung), insbesondere mindestens ein Flussmittelbad, zur Flussmittelbehandlung des in der Entfettungseinrichtung (C1) entfetteten, in der Spüleinrichtung (C2) gespülten und gegebenenfalls in der Beizeinrichtung (C3) gebeizten und gegebenenfalls in der Spüleinrichtung (C4) gespülten eisenbasierten Bauteils; in Prozessrichtung nachgeschaltet oder stromabwärts zu (C5)
(C6) gegebenenfalls mindestens eine Trocknungseinrichtung, insbesondere zur Trocknung des in der Flussmittelbehandlungseinrichtung (C5) einer Flussmittelbehandlung unterzogenen eisenbasierten Metallbauteils.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die Beizeinrichtung (C3) zusammen mit der Spüleinrichtung (C4) sogar vollständig entfallen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn in Vorrichtung (A) durch die Abrasionsvorrichtung bereits alle insbesondere arteigenen Verunreinigungen entfernt werden und somit keine Beizung in einer entsprechenden Beizeinrichtung mehr erforderlich ist.
Die Einrichtungen (C3) und (C4) bedingen einander, so dass ein Entfallen der Beizeinrichtung (C3) automatisch ein Entfallen der Spüleinrichtung (C4) zur Folge hat.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in Prozessrichtung nachgeschaltet oder stromabwärts zu der Feuerverzinkungsvorrichtung (B) eine Abkühlvorrichtung angeordnet ist. Insbesondere kann dabei die Abkühlvorrichtung zum Abkühlen mittels Luft bzw. in Gegenwart von Luft, vorzugsweise bis auf Umgebungstemperatur, ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann in Prozessrichtung nachgeschaltet oder stromabwärts zu der Feuerverzinkungsvorrichtung (B) und der gegebenenfalls vorhandenen Abkühlvorrichtung eine Nachbearbeitungsvorrichtung und/oder Nachbehandlungsvorrichtung angeordnet sein. Insbesondere kann dabei die Nachbearbeitungsvorrichtung und/oder Nachbehandlungsvorrichtung eine Passivierungseinrichtung und/oder Versiegelungseinrichtung umfassen oder als solche ausgebildet sein.
Wie bereits zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, kann die Anlage grundsätzlich kontinuierlich oder diskontinuierlich betreibbar ausgestaltet sein und/oder kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.
Insbesondere kann die Anlage derart ausgestaltet sein, dass das eisenbasierte Bauteil als ein einzelnes Erzeugnis oder als eine Vielzahl einzelner, insbesondere identischer Erzeugnisse feuerverzinkbar ist oder dass das eisenbasierte Bauteil als ein Langprodukt, insbesondere ein Draht-, Rohr-, Blech-, Coil-Material oder dergleichen, feuerverzinkbar ist.
Für weitergehende Einzelheiten zu der Anlage kann zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen werden, welche in Bezug auf die Anlage entsprechend gelten.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist ein feuerverzinktes (d. h. schmelztauchverzinktes) eisenbasiertes Bauteil, vorzugsweise Stahlbauteil, welches erhältlich ist nach dem wie zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren.
Wie bereits eingangs geschildert und insbesondere auch durch die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele dokumentiert, sind mit den erfindungsgemäßen Produkten besondere Vorteile verbunden, insbesondere eine erhöhte Schichtdicke, vor allem in spezifischen Bereichen des Bauteils oder aber am gesamten Bauteil. Dabei ist die Erhöhung und/oder Einstellung der Zinkschichtdicke durch die Oberflächenrauheit steuerbar.
Wie zuvor im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt, schlagen sich die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar auch in den hierdurch bzw. hiermit erhältlichen Verfahrensprodukten, d. h. den feuerverzinkten eisenbasierten Bauteilen, nieder.
Die erfindungsgemäß erhältlichen feuerverzinkten Bauteile weisen nicht nur verbesserte mechanische Eigenschaften und verbesserte Korrosionsschutzeigenschaften infolge der aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Verzinkungsschichten auf, sondern können darüber hinaus mit einer maßgeschneiderten, insbesondere genau an die entsprechenden Anforderungen angepassten aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht versehen werden.
Wie mikroskopische Untersuchungen an Schnitten (Querschnitten) der erfindungsgemäß erhältlichen Bauteile zeigen, zeichnen sich die erfindungsgemäßen Bauteile durch eine besondere Oberflächenstruktur aus (vgl. Figs. 1C sowie 3A und 3B): Infolge der Aufrauhungsbehandlung gemäß Verfahrensschritt (a) weisen die erfindungsgemäßen Bauteile eine im Vergleich zu nichtaufgerauhten Bauteiloberflächen signifikant höhere Rauheit der Oberfläche des Grundmaterials auf, welche aber im fertigen Endprodukt durch die aufgebrachte aluminiumhaltige bzw. aluminiumlegierte Verzinkungsschicht zumindest im Wesentlichen vollständig nivelliert bzw. eingeebnet wird. Die mikroskopischen Untersuchungen belegen auch, dass im Vergleich zu mittels Feuerverzinkung ohne vorherige Aufrauhung erzeugten aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Verzinkungsschichten eine signifikant höhere Schichtdicke der oberen aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Feuerverzinkungsschicht erhalten wird. Die Schichtdickenerhöhung führt dabei in gleicher Weise zu verbesserten Korrosionsschutzeigenschaften und zu verbesserten mechanischen Eigenschaften (z. B. verbesserte Abriebfestigkeit, verbesserte Verschleißschutzeigenschaften etc.), da durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung die anderweitigen Eigenschaften der aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Verzinkungsschicht nicht beeinträchtigt werden, insbesondere nicht deren Adhäsion in Bezug auf die unterliegende Werkstoffoberfläche.
Im Ergebnis weisen daher die erfindungsgemäßen Produkte eine besondere Schichtstruktur auf, was durch mikroskopische Untersuchungen an Schnitten der betreffenden Produkte dokumentiert und nachgewiesen werden kann (vgl. nachstehend noch diskutierte Figurendarstellungen 3A, und 3B im Vergleich zu den durch konventionelle Verfahren erzeugte Schichten gemäß Figs. 1A und 1B). Insbesondere bleibt die vor Feuerverzinkungsbehandlung vorgenommene Aufrauhung der Oberfläche im mikroskopischen Schnitt auch im Endprodukt erkennbar bzw. verifizierbar.
Ein feuerverzinktes eisenbasiertes Bauteil, welches die zuvor genannten Eigenschaften in Kombination aufweist, ist nur durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich. Insbesondere ist eine Erhöhung und/oder Einstellung der Zinkschichtdicke mit Maßnahmen, welche aus der herkömmlichen Feuerverzinkung (d. h. mit reinen Zinkschmelzen) bekannt sind, bei aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschichten nicht möglich. So erhöht sich beispielsweise bei der herkömmlichen Feuerverzinkung mit reinem Zink die Zinkschichtdicke mit der Verweilzeit in der Zinkschmelze; dies ist jedoch bei aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelzen nicht möglich, da sich zunächst eine Sperrschicht in Form einer dünnen (ca. 500 nm) Fe/Al-Legierungsschicht ausbildet, welche ein weiteres Aufwachsen der darüberliegenden reinen Zn/Al-Schicht über einen gewissen Grenzwert hinaus (durchschnittlich 6 bis 15 µm) verhindert.
Durch die erfindungsgemäße Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Schritt (a) ist es jedoch überraschenderweise möglich, die Zinkschichtdicke von aluminiumlegierten Zinkschichten trotz der sich ausbildenden Sperrschicht (d. h. Fe/Al-Phase bzw. Fe/Al-Barriereschicht) zu erhöhen und/oder einzustellen. Nur durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht erhältlich, welche die zuvor genannten Eigenschaften in ihrer Kombination aufweist; insbesondere werden im Vergleich zu herkömmlich erzeugten aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Zinkschichten (d. h. Feuerverzinkung ohne vorherige Aufrauhung der Oberfläche) signifikant höhere Schichtdicken erreicht, wobei sich im mikroskopischen Schnitt zeigt, dass die ursprünglich angeraute Oberfläche zumindest im Wesentlichen vollständig durch die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Verzinkungsschicht eingeebnet bzw. nivelliert wird, aber als solche im Schnitt erkennbar bzw. verifizierbar bleibt.
Weiterhin ist es überraschend, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die erzeugte Oberflächenstruktur im Rahmen der Feuerverzinkung ausgeglichen bzw. egalisiert (nivelliert) wird und somit eine an ihrer äußeren Oberfläche ebene bzw. gleichmäßige Zinkschicht auf dem eisenbasierten Bauteil erhalten wird, wie in Fig. 1C und in Figs. 3A und 3B ersichtlich.
Der unterschiedliche Schichtaufbau von mittels Feuerverzinkung erhältlichen Verzinkungsschichten auf Basis von reinen Zinkschichten (Fig. 1A, Stand der Technik), aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelzen ohne vorherige Aufrauhung der Oberfläche (Fig. 1B, Stand der Technik) und schließlich erfindungsgemäßen aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschichten nach Aufrauhung der Oberfläche (Fig. 1C, Erfindung) ist in den betreffenden Figurendarstellungen, auf welche nachfolgend noch im Detail eingegangen wird, ersichtlich.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil dadurch erhältlich, dass das eisenbasierte Bauteil zunächst an mindestens einer Oberfläche einer Behandlung zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mittels eines abrasiven Verfahrens unterzogen wird derart, dass die Oberfläche einen Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4288:1998-4 im Bereich von 0,3 bis 15 µm aufweist und nachfolgend das auf diese Weise oberflächenbehandelte eisenbasierte Bauteil einer Feuerverzinkung in einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze ("Zn/Al-Schmelze") unterzogen wird, wobei die Zinkschmelze, bezogen auf die Zinkschmelze, mindestens 0,1 Gew.-% Aluminium enthält, und wobei das feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil mit einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht versehen und/oder beschichtet und/oder überzogen ist, wobei die aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht eine Schichtdicke im Bereich von 3 bis 30 µm aufweist. Nur durch die Kombination dieser Verfahrensschritte ist es möglich, ein solches feuerverzinktes eisenbasiertes Bauteil mit erhöhter bzw. individuell eingestellter Zinkschichtdicke nach der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Für weitergehende Einzelheiten kann auch auf obige Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen werden, welche diesbezüglich entsprechend gelten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist also das feuerverzinktes eisenbasiertes Bauteil mit einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht versehen und/oder beschichtet und/oder überzogen. Durch die Verwendung einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze können dünnere Zinkschichten als bei der klassischen Feuerverzinkung (d. h. mit reinen Zinkschmelzen, z. B. gemäß ISO 1461) erhalten werden, welche aber gegenüber Zinkschichten, die ohne vorherige Oberflächenaufrauhung erhalten werden, signifikant erhöht sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die erfindungsgemäß erzeugte bzw. erhältliche aluminiumlegierte bzw. aluminium-haltige Zinkschicht eine Schichtdicke im Bereich von 3 bis 30 µm, insbesondere im Bereich von 4 bis 28 µm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 27 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis 25 µm, auf.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht, welche insbesondere durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird, eine Schichtdicke, welche 110 bis 300 %, insbesondere 125 bis 280 %, bevorzugt 130 bis 250 %, derjenigen Schichtdicke beträgt, welche nach Durchführen des Verfahrensschritts (b) unter Weglassung des vorangehenden Verfahrensschritts (a) erhalten wird. Dies bedeutet, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Feuerverzinkungsschicht erhalten wird, welche dicker als eine herkömmlich erzeugte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Feuerverzinkungsschicht ohne vorangehende Oberflächenaufrauhung ist. Nur durch die Kombination von Verfahrensschritt (a) und Verfahrensschritt (b) ist eine solche Erhöhung bzw. Einstellung der Zinkschichtdicke überhaupt möglich.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die aluminiumlegierte bzw. die aluminiumhaltige Zinkschicht, welche durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird, eine Schichtdicke aufweist, welche um 0,5 bis 15 µm, insbesondere um 1 bis 12 µm, bevorzugt um 2 bis 10 µm, größer ist als diejenige Schichtdicke, welche nach Durchführen des Verfahrensschritts (b) unter Weglassung des vorangehenden Verfahrensschritts (a) erhalten wird. Die erfindungsgemäß erhaltene aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschichtdicke ist also höher bzw. größer als herkömmlich erzeugte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschichtdicken einer Feuerverzinkung ohne vorangehende Oberflächenaufrauhung.
Im Weiteren kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil eine zumindest im Wesentlichen homogene und/oder gleichmäßige und/oder kontinuierliche aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht aufweist, insbesondere an ihrer Ober- oder Außenseite. Die äußere Oberfläche des erfindungsgemäßen feuerverzinkten eisenbasierten Bauteils ist also im Vergleich zur aufgerauhten Oberfläche des Bauteils nach Durchführung von Verfahrensschritt (a) gleichmäßig bzw. eingeebnet bzw. nivelliert, d. h. die aus Verfahrensschritt (a) resultierenden Aufrauhungen sind eingeebnet bzw. verfüllt bzw. nivelliert.
Bevorzugt kann es erfindungsgemäß also vorgesehen sein, dass die aus Verfahrensschritt (a) resultierende Oberfläche mit erhöhter und/oder eingestellter Oberflächenrauheit im Rahmen von Verfahrensschritt (b) zumindest im Wesentlichen eingeebnet und/oder nivelliert ist, insbesondere durch die in Verfahrensschritt (b) aufgebrachte aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht.
Erfindungsgemäß kann es bevorzugt sein, dass das eisenbasierte Bauteil nur bereichsweise, insbesondere nur an einer Oberfläche und/oder nicht an allen Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, mit einer erhöhten bzw. eingestellten Oberflächenrauheit versehen ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit anwendungsspezifisch durchgeführt werden. Beispiele für diese besondere Ausführungsform sind vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Für den Fall, dass die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit nur bereichsweise, insbesondere nur an einer Oberfläche und/oder nicht an allen Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, erfolgt ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht unterschiedliche Dickenbereiche aufweist. Insbesondere ist dabei die Schichtdicke der aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht im Bereich der zuvor behandelten Oberfläche(n) oder Oberflächenbereiche im Vergleich zu der Schichtdicke im Bereich der unbehandelten Oberfläche(n) oder Oberflächenbereiche erhöht. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, dass nur solche Oberflächen mit einer erhöhten Zinkschichtdicke ausgestattet werden, welche einer erhöhten Korrosion bzw. einer erhöhten Belastung ausgesetzt sind, beispielsweise Kfz-Fahrwerkskomponenten wie Achsträger oder Zugstreben, wenn diese bereits hoch durch Tausalze korrosiv und durch Steinschlag mechanisch hoch belastete Teil im Bereich des Abgaskanals positioniert sind und hierüber zusätzlich eine thermische Belastung erfahren. Bekanntermaßen hohe Belastungen liegen beispielsweise auch an Ladekanten vor, die in sehr hohem Maße abrasiv beansprucht werden. Auch hier ist eine gezielt erhöhte Zinkschichtdicke von Vorteil.
Für weitergehende Einzelheiten zu dem erfindungsgemäßen eisenbasierten Bauteil kann zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die obigen Ausführungen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren verwiesen werden, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil entsprechend gelten.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist die Verwendung eines wie zuvor beschriebenen feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise Stahlbauteils, nach der vorliegenden Erfindung, wie in den betreffenden Verwendungsansprüchen beschrieben.
Wie nachfolgend noch geschildert, sind die erfindungsgemäßen feuerverzinkten eisenbasierten Bauteile vielseitig einsetzbar, da die Dicke der aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschicht anwendungsspezifisch erhöht und/oder eingestellt werden kann und somit maßgeschneiderte Korrosionsschutzlösungen und/oder Verschleißschutzlösungen bereitgestellt werden können.
Gemäß diesem Erfindungsaspekt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung insbesondere die Verwendung eines wie zuvor beschriebenen feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise Stahlbauteils, nach der vorliegenden Erfindung für die Automobilfertigung, insbesondere die Pkw-, Lkw- oder Nutzfahrzeugherstellung, oder aber für den technischen Bereich, insbesondere für die Bauindustrie, Maschinenbauindustrie oder Elektroindustrie.
Typischerweise können die erfindungsgemäßen feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteile, vorzugsweise Stahlbauteile, wie zuvor beschrieben, als Komponenten, Werkstoffe oder Bauteile für die Automobilfertigung, insbesondere die Pkw-, Lkw- oder Nutzfahrzeugherstellung, oder aber als Komponenten, Werkstoffe oder Bauteile für den technischen Bereich, insbesondere für die Bauindustrie, Maschinenbauindustrie oder Elektroindustrie verwendet werden.
Gemäß diesem Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung entsprechend einer besonderen Ausführungsform insbesondere die Verwendung eines wie zuvor beschriebenen feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise Stahlbauteils, nach der vorliegenden Erfindung als Komponente, Werkstoff oder Bauteil für die Automobilfertigung, insbesondere die Pkw-, Lkw- oder Nutzfahrzeugherstellung, oder aber als Komponente, Werkstoff oder Bauteil für den technischen Bereich, insbesondere für die Bauindustrie, Maschinenbauindustrie oder Elektroindustrie.
Für weitergehende Einzelheiten zu der erfindungsgemäßen Verwendung kann auf die obigen Ausführungen in Bezug auf die übrigen Erfindungsaspekte verwiesen werden, welche in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Verwendung gelten.
Wiederum weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist die Verwendung der Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mindestens einer Oberfläche eines eisenbasierten Bauteils durch mechanische Behandlung mittels eines abrasiven Verfahrens zur Einstellung und Erhöhung der Zinkschichtdicke in einem Feuerverzinkungsverfahren unter Verwendung einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze mit mindestens 0,1 Gew.-% Aluminium, bezogen auf die Zinkschmelze.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und den Zeichnungen selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen und deren Rückbeziehungen.
Es zeigt:

Fig. 1A: eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus von mittels Feuerverzinkung erhältlichen Verzinkungsschichten eisenbasierter Bauteile in Reinzinkschmelzen (Stand der Technik),
Fig. 1B: eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus von mittels Feuerverzinkung in aluminiumlegierten Zinkschmelzen erhältlichen Verzinkungsschichten eisenbasierter Bauteile (Stand der Technik),
Fig. 1C: eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus von erfindungsgemäßen mittels Feuerverzinkung in aluminiumlegierten Zinkschmelzen erhältlichen Verzinkungsschichten eisenbasierter Bauteile nach vorheriger Aufrauhung der Oberfläche (Erfindung),
Fig. 2: eine graphische Darstellung der Korrelation zwischen der Rauheit Rz und der Zinkschichtdicke im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figs. 3A/B: mikroskopische Querschnitte von erfindungsgemäß erhältlichen, feuerverzinkten eisenbasierten Bauteilen,
Fig. 4: eine graphische Darstellung verschiedener Zinkschichtdicken erfindungsgemäßer Bauteile in Abhängigkeit von der Verzinkungsdauer (Tauchdauer in das Verzinkungsbad).

In Fig. 1A ist schematisch der Schichtaufbau eines feuerverzinkten eisenbasierten Bauteils durch die klassische Feuerverzinkung in einer Reinzinkschmelze (d. h. ohne Aluminiumanteile), z. B. nach DIN EN ISO 1461, dargestellt (Stand der Technik). Bei dem Verzinkungsvorgang bildet sich als Folge einer wechselseitigen Diffusion des flüssigen Zinks mit der (ursprünglichen) Oberfläche des eisenbasierten Bauteils 1a auf dem eisenbasierten Bauteil 1 zunächst ein Überzug verschiedenartig zusammengesetzter Fe/Zn-Legierungsschichten 2 in Form einer Fe/Zn-Legierungsphase aus. Das Aufwachsen der Fe/Zn-Legierungsphase 2 ist ein zeitabhängiger Prozess, sodass die Legierungsphase 2 mit der Verweilzeit wächst. Auf Grund der wechselseitigen Diffusion wächst die Legierungsphase 2 teils in das eisenbasierte Bauteil 1, wodurch sich die ursprüngliche Oberfläche 1a des eisenbasierten Bauteils "verschiebt" und die eigentliche bzw. ursprüngliche Bauteildicke verringert wird, teils wächst die Zinkschicht auf dem eisenbasierten Werkstoff auf. Beim Herausziehen des feuerverzinkten Bauteils bleibt auf der Legierungsphase 2 zusätzlich noch eine - auch als Reinzinkphase 3 bezeichnete - Schicht 3 aus Zink haften, welche in ihrer Zusammensetzung der Zinkschmelze entspricht. Wegen der hohen Temperaturen beim Schmelztauchverzinken bildet sich auf der Stahloberfläche somit zunächst eine relativ spröde Schicht 2 in Form einer Fe/Zn-Legierungsphase aus und darüber erst die reine Zinkphase 3. Auf diese Weise kommt es zur Bildung einer relativ dicken Gesamtverzinkungsschicht 4.
Fig. 1B zeigt den schematischen Schichtaufbau eines in einer aluminiumlegierter bzw. aluminiumhaltiger Zinkschmelze feuerverzinkten eisenbasierten Bauteils (Stand der Technik).
Bei dem Verzinkungsvorgang bildet sich zunächst auf dem eisenbasierten Bauteil 1' eine sehr dünne Fe/Al-Legierungsphase 2', eine sogenannte Sperrschicht oder Barriereschicht (ca. 500 nm), aus. Auf Grund dieser Fe/Al-Legierungsphase 2' werden die sonst üblichen Diffusionsprozesse zwischen Eisen und Zinkschmelze inhibiert, wodurch sich die ursprüngliche Oberfläche 1a' des eisenbasierten Bauteils' nicht verschiebt. Die Fe/Al-Legierungsphase 2' wächst nicht in das eisenbasierte Bauteil 1' und es entsteht keine Fe/Zn-Legierungsphase. Beim Herausziehen des feuerverzinkten Bauteils bleibt auf der Fe/Al-Legierungsphase 2' zusätzlich noch eine reine aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkschicht 3' haften, welche in ihrer Zusammensetzung der aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Zinkschmelze entspricht. Durch die Ausbildung der Sperrschicht 2' wird aber auch die Dicke der Gesamtverzinkungsschicht 4' begrenzt und insgesamt eine wesentlich dünnere Gesamtschicht 4' gebildet als bei der Feuerverzinkung in reinen Zinkschmelzen, z. B. nach DIN EN ISO 1461 (d. h. die Gesamtschichtdicke 4' in Fig. 1B ist geringer als die Gesamtschichtdicke 4 aus Fig. 1A).
Fig. 1C zeigt den schematischen Schichtaufbau eines erfindungsgemäß feuerverzinkten eisenbasierten Bauteils mit erhöhter bzw. eingestellter Oberflächenrauheit (Erfindung). Die Oberflächenrauheit des eisenbasierten Bauteils 1" wird zunächst mechanisch erhöht bzw. eingestellt. Im Verzinkungsvorgang bildet sich dann zunächst auf dem aufgerauhten eisenbasierten Bauteil 1" eine sehr dünne Fe/Al-Legierungsphase 2", eine sogenannte Sperrschicht oder Barriereschicht, aus. Auf Grund dieser Fe/Al-Legierungsphase 2" werden die sonst üblichen Diffusionsprozesse zwischen Eisen und Zinkschmelze inhibiert, wodurch sich die ursprüngliche Oberfläche 1a" des eisenbasierten Bauteils nicht verschiebt. Die Fe/Al-Legierungsphase 2" wächst nicht in das eisenbasierte Bauteil 1" und es entsteht keine Fe/Zn-Legierungsphase. Beim Herausziehen des feuerverzinkten Bauteils bleibt auf der Fe/Al-Legierungsphase 2" zusätzlich noch eine reine aluminiumlegierte bzw. aluminium-haltige Zinkschicht 3" haften, welche in ihrer Zusammensetzung der aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Zinkschmelze entspricht und die Oberflächenrauheit einebnet bzw. nivelliert. Die Oberfläche des feuerverzinkten eisenbasierten Bauteils mit erhöhter Oberflächenrauheit ist somit gleichmäßig bzw. eben. Durch die Ausbildung der Sperrschicht wird die Dicke der Gesamtverzinkungsschicht 4" begrenzt, jedoch ist sie durch die vorherige Aufrauhung der Oberfläche höher als bei feuerverzinkten eisenbasierten Bauteilen ohne erhöhte Oberflächenrauheit (wie in Fig. 1B dargestellt), sodass insgesamt eine wesentlich dünnere Gesamtschicht als bei der Feuerverzinkung in reinen Zinkschmelzen, z. B. nach DIN EN ISO 1461, aber eine dickere Gesamtschicht als bei der Feuerverzinkung in aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelzen ohne vorherige Oberflächenaufrauhung, wie z. B. im microZlNQ^®- oder Galfan-Verfahren resultiert (d. h. die Gesamtschichtdicke 4" ist geringer als die Gesamtschichtdicke 4 aus Fig. 1A, aber dicker als die Gesamtschichtdicke 4' aus Fig. 1B).
Fig. 2 zeigt graphisch die Korrelation zwischen der Oberflächenrauheit des Bauteils und der aus der Feuerverzinkung in einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze resultierenden Zinkschichtdicke eines Bauteils mit zuvor erhöhter Oberflächenrauheit. Eine erhöhte Oberflächenrauheit, charakterisiert durch die gemittelte Rautiefe Rz, resultiert in einer höheren Zinkschichtdicke. Dabei ist die Oberflächenrauheit linear proportional zu der aus einer erfindungsgemäße Feuerverzinkung resultierenden Zinkschichtdicke.
Figs. 3A/B zeigen mikroskopische Schnitte (Querschnitte) der erfindungsgemäß erhältlichen Bauteile. Insbesondere die spezielle Oberflächenstruktur ist ersichtlich: Die gemäß Verfahrensschritt (a) erhältliche aufgerauhte Oberfläche des eisenbasierten Bauteils (Grundmaterials) ist im fertigen Endprodukt durch die aufgebrachte aluminiumhaltige bzw. aluminiumlegierte Verzinkungsschicht vollständig nivelliert bzw. eingeebnet. Die mikroskopischen Untersuchungen zeigen auch, dass im Vergleich zu mittels Feuerverzinkung ohne vorherige Aufrauhung erzeugten aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Verzinkungsschichten eine signifikant höhere Schichtdicke der oberen aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Feuerverzinkungsschicht erhalten wird. Dies ist ersichtlich durch die gemessenen Schichtdicken, welche in Figs. 3A/B dokumentiert sind. Die eisenbasierten Bauteile wurden zuvor alle mit einem kantigen partikulären Edelstahl-Strahlmittel (Edelstahl-Strahlgut) druckluftgestrahlt. Das eisenbasierten Bauteil in Fig. 3A wurde mit einer geringen Strahlintensität gestrahlt, das eisenbasierte Bauteil in Fig. 3B wurde hingegen mit einer hohen Strahlintensität gestrahlt. Das mit einer geringen Strahlintensität gestrahlte Bauteil (dargestellt in Fig. 3A) weist eine mittlere Feuerverzinkungsschichtdicke im gemessenen Ausschnitt von 12,44 µm auf, während das mit einer hohen Strahlintensität gestrahlte Bauteil (dargestellt in Fig. 3B) eine mittlere Feuerverzinkungsschichtdicke im gemessenen Ausschnitt von 32,92 µm aufweist. Insgesamt liegen somit im Vergleich zu herkömmlich erzeugten aluminiumhaltigen bzw. aluminiumlegierten Zinkschichten (d. h. Feuerverzinkung ohne vorherige Aufrauhung der Oberfläche) im Wesentlichen signifikant höhere Schichtdicken vor, insbesondere nach dem Strahlen mit mittlerer und hoher Intensität. Auch bleibt im mikroskopischen Schnitt die zuvor erfolgte Oberflächenaufrauhung verifizierbar bzw. erkennbar.
Schließlich stellt Fig. 4 den Verlauf des Zinkwachstums der Zinkschichtdicke durch klassische Feuerverzinkung in einer reinen Zinkschmelze (Stand der Technik) in einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze ohne vorherige Oberflächenaufrauhung (Stand der Technik) und in einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze nach vorheriger Oberflächenaufrauhung (Erfindung) in Abhängigkeit von der Verzinkungsdauer (Tauchdauer) dar. Die obere Kurve, gekennzeichnet durch Quadrate, stellt - in Abhängigkeit von der Verzinkungsdauer (d. h. Tauchdauer in das Verzinkungsbad) - den Verlauf des Wachstums der Zinkschicht von Feuerverzinkungsschichten durch klassische Feuerverzinkung in reinen Zinkschmelzen, z. B. nach DIN EN ISO 1461, dar; die Zinkschicht wächst zu Beginn des Feuerverzinkungsprozesses sehr stark an, mit der Tauchdauer verringert sich die Wachstumsgeschwindigkeit, jedoch wächst die Zinkschichtdicke kontinuierlich weiter an. Die unterste Kurve, gekennzeichnet durch Kreuze, stellt - in Abhängigkeit von der Verzinkungsdauer (d. h. Tauchdauer in das Verzinkungsbad) - den Verlauf des Wachstums der Zinkschicht von Feuerverzinkungsschichten durch Feuerverzinkung in aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelzen dar; die Zinkschichtdicke erreicht nach sehr kurzer Zeit (ca. 1 Minute) ihre maximale Dicke und auch mit fortlaufender Tauchdauer erhöht sich die Zinkschicht nicht weiter. Die mittlere Kurve, gekennzeichnet durch Rauten, stellt - in Abhängigkeit von der Verzinkungsdauer (d. h. Tauchdauer in das Verzinkungsbad) - den Verlauf des Wachstums der Zinkschicht von erfindungsgemäßen Feuerverzinkungsschichten durch vorherige Oberflächenaufrauhung und anschließende Feuerverzinkung in aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschichten dar; die Zinkschichtdicke erreicht erst nach ca. 2 Minuten ihre maximale Dicke, und mit fortlaufender Tauchdauer erhöht sich die Zinkschicht nicht weiter. Insgesamt wird durch die Darstellung in Fig. 4 deutlich, dass die erfindungsgemäß erzeugte Feuerverzinkungsschicht eine erhöhte Schichtdicke gegenüber herkömmlichen, in einer aluminiumlegierten bzw. aluminiumhaltigen Zinkschmelze erzeugten Feuerverzinkungsschichten ohne vorherige Oberflächenaufrauhung (d. h. ohne vorherige Erhöhung der Oberflächenrauheit) aufweist jedoch trotzdem eine wesentlich dünnere Zinkschicht aufweist als solche Zinkschichten, welche durch Feuerverzinkung in einer reinen Zinkschmelze erzeugt werden.
Weitere Ausgestaltungen, Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann beim Lesen der Beschreibung ohne Weiteres erkennbar und realisierbar, ohne dass er dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung verlässt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele veranschaulicht, welche die vorliegende Erfindung jedoch keinesfalls beschränken sollen, sondern lediglich beispielhafte und nicht limitierende Durchführungsweisen und Ausgestaltungen erläutern sollen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE:

Einsatzstoffe:

alkalischer Reiniger: Henkel AG & Co. KGaA, Düsseldorf/DE, (auf Phosphatbasis mit Kaliumhydroxid)
Entfettungsverstärker: Henkel AG & Co. KGaA, Düsseldorf/DE, (nichtionische und anionische Tenside)
Beizentfetter: Lutter Galvanotechnik GmbH, Bischberg/DE, (anionaktive Netzmittel, nichtionogene Emulgatoren, Lösungsvermittler, Inhibitoren)
Inhibitor: Lutter Galvanotechnik GmbH, Bischberg/DE, (anionaktive und nichtionogene Verbindungen)
Netzmittel: Lutter Galvanotechnik GmbH, Bischberg/DE, (anionaktive und nichtionogene Tenside)
Amacast^® 10: rundes Edelstahlstrahlmittel, Korngröße 0,09 - 0,2 mm (Ervin Germany GmbH, Berlin/DE)
Amacast^® 20: rundes Edelstahlstrahlmittel, Korngröße 0,09 - 0,3 mm (Ervin Germany GmbH, Berlin/DE)
Amagrit^® 10: kantiges Edelstahlstrahlmittel, Korngröße 0,09 - 0,2 mm (Ervin Germany GmbH, Berlin/DE)
Amagrit^® 20: kantiges Edelstahlstrahlmittel, Korngröße 0,09 - 0,3 mm (Ervin Germany GmbH, Berlin/DE)
Amagrit^® 30: kantiges Edelstahlstrahlmittel, Korngröße 0,09 - 0,6 mm (Ervin Germany GmbH, Berlin/DE)

Feuerverzinkung mittels Zn/Al-Schmelze von Stahloberflächen mit erhöhter Oberflächenrauheit

Im Rahmen einer umfangreichen Versuchsreihe wird der Einfluss einer gezielt eingestellten Oberflächenrauheit auf die Zinkschichtdicke bei Verwendung einer Zinkschmelze mit einem AI-Gehalt von > 0,1 % untersucht.

Verwendete Zinklegierung: Zn5%AI (microZINQ^®)

Zunächst werden die Stahloberflächen durch mechanisches Strahlen mit einer Zweiturbinen-Durchlaufstrahlanlage mit den im Folgenden aufgeführten Strahlmitteln behandelt und anschließend die daraus resultierende Rauheit gemäß DIN EN ISO 4288 gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt:

Strahlmittel		Strahldruck	Ra [µm]	Rz [µm]	Rmax [µm]
Amacast 10	Edelstahlschrot, rund	3 bar	1,07	5,34	6,57
Amacast 10	Edelstahlschrot, rund	3 bar	0,88	4,34	5,47
Amacast 10	Edelstahlschrot, rund	5 bar	0,81	4,47	5,27
Amacast 10	Edelstahlschrot, rund	5 bar	0,87	4,69	5,95
Amagrit 10	Edelstahl, kantig	5 bar	2,70	21,30	24,80
Amagrit 10	Edelstahl, kantig	5 bar	2,90	26,60	30,70
Amagrit 20	Edelstahl, kantig	3 bar	4,40	33,30	39,40
Amagrit 20	Edelstahl, kantig	3 bar	4,70	37,20	42,00
Amagrit 20	Edelstahl, kantig	5 bar	5,00	39,10	54,10
Amagrit 20	Edelstahl, kantig	5 bar	5,00	40,80	50,00
Amagrit 30	Edelstahl, kantig	3 bar	7,20	47,50	61,20
Amagrit 30	Edelstahl, kantig	4 bar	9,10	62,70	84,20
Amagrit 30	Edelstahl, kantig	4 bar	9,30	60,20	73,00

Anschließend folgt der Feuerverzinkungsprozess mit den folgenden Prozessschritten:

Prozessschritt	Kennwerte	(Verweil-)Dauer
Entfettung	Alkalischer Reiniger	30 Minuten
	Entfettungsverstärker
	pH 12,6 - 13,2
Spülen 1		> 1 Minute
Beizen	Dichte: 1,191 g/ml	40 Minuten
	HCl-Gehalt: 12,6 % (149,5 g/l)
	Eisengehalt: 69,3 g/l
	Beizentfetter
	Inhibitor
Spülen 3		> 1 Minute
Spülen 4		> 1 Minute
Fluxen	ZnCl₂	4 Minuten
	NH₄Cl
	NaCl
	KCl
	ggf. NiCl₂
	ggf. PbCl₂
	Netzmittel
Trocknen		8 Minuten
Verzinken	Zn: 95,15 %	12 Minuten
	AI: 4,8448 %

Bezogen auf die resultierende Zinkschichtdicke, werden folgende Ergebnisse erzielt:

Die Erhöhung des Strahldrucks führt grundsätzlich auch zu einer erhöhten Zinkschichtdicke.
Bei der Verwendung des kugeligen, runden Strahlguts wird eine geringere Erhöhung der Zinkschichtdicke als bei der Verwendung des kantigen Strahlguts erreicht.
Die Oberflächenrauheit ist linear proportional zu der resultierenden Zinkschichtdicke (siehe hierzu auch Fig. 2).

Die mikroskopische Analyse der erzeugten Zinkschichten offenbart, dass die Zinkschmelze die definiert eingebrachte Oberflächenrauheit weitestgehend einebnet, so dass eine kontinuierliche und gleichmäßige Oberfläche nach der Feuerverzinkung vorliegt (vgl. Figuren 3A und 3B). Aufgrund der Rauheit des Substrats bildet sich eine Zinkschicht aus, die lokal Bereiche aufweist mit etwas größerer bzw. geringeren Schichtdicken, wobei aber die mittlere Schichtdicke insgesamt höher ist als bei unbehandelten (d. h. nichtaufgerauhten) Oberflächen und die äußere Oberfläche insgesamt eben ist.
Aus korrosionsschutztechnischer Sicht ist die durchschnittliche Zinkschichtdicke anzusetzen, da basierend auf der kathodischen Wirkung der Zinkschicht eine übergreifende Schutzwirkung der leicht dünneren Bereiche, durch die Bereiche mit höherer Schichtstärke gegeben ist.
Insgesamt kann durch die Einstellung der Strahlparameter die Oberflächenrauheit des Verzinkungsguts definiert eingestellt werden und somit eine Zinkschicht mit erhöhter Zinkschichtdicke aufgebracht werden.

Weiterführende Versuche zur Feuerverzinkung mittels "Zn/Al-Schmelze" von Stahloberflächen mit erhöhter Oberflächenrauheit

Die Substrate werden zunächst einer mechanischen Oberflächenbehandlung und anschließend einem Feuerverzinkungsprozess unterzogen, wobei der Gesamtprozess die folgenden Schritte umfasst:

Sandstrahlen
Entfetten
Spülen
Beizen
Spülen
Fluxen
Trocknen
Verzinken
Versiegeln

Es werden verschiedene Substrate, nämlich Blechmaterial und Bauteile untersucht. Dazu werden die Substrate mit Hilfe einer Zweiturbinen-Durchlaufstrahlanlage bei drei verschiedenen Intensitäten, aber mit gleichem Strahlgut gestrahlt:

1. Geringe Strahlintensität: A4 / 10 Minuten / 8V

2. Mittlere Strahlintensität: A2 / 20 Sekunden / 5V

3. Hohe Strahlintensität: A2 / 20 Sekunden / 8V
Weiterhin werden Referenzsubstrate, nämlich Blech oder Bauteil, ohne vorherige mechanische Oberflächenbehandlung durch den Feuerverzinkungsprozess geführt.

Die Aufnahme der charakteristischen Rauheitskennwerte Ra, Rz und Rmax zur Beschreibung der erzielten Oberflächenrauheit erfolgt gemäß DIN EN ISO 4288. Die Oberflächenrauheit wird an jeweils 3 unterschiedlichen Messpunkten der Substrate gemessen; die ermittelten Einzelmesswerte, ihr Durchschnitt ("x") und die jeweiligen Standardabweichungen ("SD") sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Blech	Geringe Strahlintensität			Mittlere Strahlintensität			Hohe Strahlintensität
Messpunkt	Ra [µm]	Rz [µm]	Rmax [µm]	Ra [µm]	Rz [µm]	Rmax [µm]	Ra [µm]	Rz [µm]	Rmax [µm]
1	2,3	15,9	17,3	6,6	38,0	46,5	9,4	58,0	72,3
2	2,6	16,9	18,5	5,9	38,4	44,2	10,0	65,2	80,3
3	2,2	14,8	17,5	5,7	36,8	39,2	11,4	633	88,4
x	2,4	15,9	17,8	6,1	37,7	43,3	103	62,2	80,3
SD	0,2	1,0	0,6	0,5	0,8	3,7	1,1	3,7	8,1

Im nächsten Schritt durchlaufen alle Substrate (d. h. sowohl die gestrahlten als auch die Referenz bzw. Vergleiche) den Feuerverzinkungsprozess. Anschließend wird an jedem Substrat die Schichtdicke gemäß DIN EN ISO 2178 gemessen. Dazu werden auf den Blechen an jeweils 6 Messpunkten gemessen und auf den Bauteilen an jeweils 8 Messpunkten gemessen. Insgesamt werden jeweils 5 Messreihen aufgenommen. Die ermittelten Einzelmesswerte, ihr Durchschnitt ("x") und die jeweiligen Standardabweichungen ("SD") sind in den folgenden Tabellen dargestellt:
Schichtdicken - Blech

Geringe Strahlintensität

Blech			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6
1	7,7	8,7	12,4	7,2	8,8	6,0
2	11,5	10,7	9,3	8,4	8,8	6,5
3	10,3	5,8	8,9	6,4	7,1	6,8
4	7,8	8,1	13,8	8,1	8,0	6,3
5	6,9	6,6	11,1	7,8	6,6	7,0
x	8,8	8,0	11,1	7,6	7,9	6,5	8,3
SD	2,0	1,9	2,1	0,8	1,0	0,4	1,4

Mittlere Strahlintensität

Blech			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6
1	12,4	10,5	13,8	8,2	11,9	13,1
2	10,2	15,7	17,3	17,0	10,5	9,9
3	10,2	10,9	15,9	7,4	9,9	16,3
4	14,3	10,4	10,2	8,5	6,5	10,8
5	100	10,4	16,8	9,3	7,3	14,0
x	11,4	11,6	14,8	10,1	9,2	12,8	11,7
SD	1,9	2,3	2,9	3,9	2,3	2,6	2,2

Hohe Strahlintensität

Blech			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6
1	15,1	17,7	15,9	8,8	19,5	8,2
2	18,7	16,3	11,3	9,8	7,7	10,4
3	16,9	14,4	12,6	12,1	8,1	14,6
4	20,8	16,1	11,3	15,6	9,1	7,7
5	21,6	13,1	18,0	9,4	12,8	9,4
x	18,6	15,5	13,8	11,1	11,4	10,1	13,4
SD	2,7	1,8	3,0	2,8	4,9	2,8	3,0

Ohne Strahlen (Referenz bzw. Vergleich)

Blech			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6
1	7,9	5,5	6,4	6,8	6,0	8,6
2	6,8	7,0	6,1	8,3	5,3	7,7
3	6,5	6,1	7,2	6,4	7,1	7,5
4	8,3	6,4	6,3	7,5	7,3	6,2
5	7,3	6,3	7,0	6,9	6,7	6,4
x	7,4	6,3	6,6	7,2	6,5	7,3	6,9
SD	0,7	0,5	0,4	0,7	0,7	0,9	0,6

Schichtdicken - Bauteil

Geringe Strahlintensität

Bauteil			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6	7	8
1	5,8	13,4	8,2	14,7	12,2	12,3	7,7	9,0
2	9,1	12,8	9,9	13,7	11,7	9,2	9,0	7,8
3	7,0	9,4	9,9	10,7	10,0	9,3	8,0	8,4
4	7,8	10,3	9,5	12,9	10,5	9,5	7,7	8,7
5	7,5	10,8	13,5	10,7	10,6	8,4	7,9	8,8
x	7,4	11,3	10,2	12,5	11,0	9,7	8,1	8,5	9,9
SD	1,2	1,7	2,0	1,8	0,9	1,5	0,5	0,5	1,3

Mittlere Strahlintensität

Blech			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6	7	8
1	23,0	13,4	13,6	10,0	14,5	12,4	9,6	12,7
2	21,7	11,8	12,6	11,8	12,3	12,7	7,7	10,0
3	24,0	11,5	12,0	11,9	13,4	13,5	12,1	16,1
4	14,3	13,8	8,7	10,2	13,8	15,7	15,0	8,8
5	21,1	15,3	20,4	10,0	14,0	12,7	10,5	15,2
x	20,8	13,2	13,5	10,8	13,6	13,4	11,0	12,6	13,6
SD	3,8	1,6	4,3	1,0	0,8	1,3	2,8	3,2	2,3

Hohe Strahlintensität

Bauteil			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6	7	8
1	20,3	14,7	19,2	20,3	17,2	25,8	11,7	16,4
2	19,4	12,7	22,8	28,9	16,1	21,2	15,5	22,0
3	25,2	11,9	27,5	23,5	17,4	23,3	20,3	17,6
4	30,6	13,5	18,3	23,0	13,5	21,7	11,1	16,3
5	19,7	13,3	27,1	19,3	18,3	28,5	14,3	13,2
x	23,0	13,2	23,0	23,0	16,5	24,1	14,6	17,1	19,3
SD	4,8	1,0	4,3	3,7	1,9	3,0	3,7	3,2	3,2

Ohne Strahlen

			[µm]
Messpunkt	1	2	3	4	5	6	7	8
1	6,9	4,8	11,1	8,0	6,8	8,0	6,9	9,4
2	6,0	9,8	8,7	7,3	6,3	7,9	6,7	9,7
3	5,9	4,9	8,8	8,7	6,8	7,5	6,7	8,3
4	6,9	6,9	9,1	8,5	9,1	7,7	7,1	8,5
5	8,3	4,9	9,2	9,0	8,5	9,5	6,2	8,2
x	6,8	6,3	9,4	8,3	7,5	8,1	6,7	8,8	7,7
SD	0,9	1,9	0,9	0,6	1,1	0,7	0,3	0,6	0,9

Die Wahl der Strahlintensität bestimmt die Oberflächenrauheit der Substrate, welche die resultierende Zinkschichtdicke direkt beeinflussen. Mit steigender Oberflächenrauheit steigt auch die Zinkschichtdicke.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle noch einmal zusammengefasst:

Strahlintensität	Ra [µm]	Rz [µm]	Rmax [µm]	Art Substrat	Schichtdicken [µm]	Durchschnitt [µm]	Veränderung gegenüber Referenz
gering	2,37	15,88	17,76	Blech	6-10	8,3	120%
gering	2,37	15,88	17,76	Bauteil	8-12	9,9	129%
mittel	6,16	37,74	43,27	Blech	10-15	11,7	170%
mittel	6,16	37,74	43,27	Bauteil	10-13	13,6	177%
hoch	10,27	62,17	80,33	Blech	10-15	13,4	184%
hoch	10,27	62,17	80,33	Bauteil	15-25	19,3	251%
Referenz / Vergleich (ohne Strahlen)				Blech	6-8	6,9	100%
Referenz / Vergleich (ohne Strahlen)				Bauteil	7-9	7,7	100%

Die Ergebnisse bestätigen für reales Blechmaterial wie auch für reale Bauteile die bereits in den ersten Versuchsreihen gefundenen Zusammenhänge.

Steigerung der Korrosionsschutzwirkung

Die Überprüfung der Korrosionsschutzwirkung der Zinkschichten erfolgt mittels zwei Kurzzeitkorrosionsprüfungen:

Neutraler Salzsprühnebeltest gemäß DIN EN ISO 9227
Klimawechseltest gemäß VDA 233-102

Der neutrale Salzsprühnebeltest stellt zwar kein Abbild einer realistischen Korrosionsbelastung dar und es kann daher keine Bestimmung der absoluten Schutzdauer von Zinküberzügen abgeleitet werden; dieser Test kann jedoch für einen aussagekräftigen relativen Vergleich von Beschichtungen und Überzügen genutzt werden.
Für den neutralen Salzsprühnebeltest wird das beschichtete Substrat in einer Prüfkammer platziert und dauerhaft mit 5%-iger Natriumchloridlösung besprüht. Die Dauer bis zum Auftreten von Korrosionserscheinungen an dem Substrat wird festgehalten und als Bewertungskriterium herangezogen.
Erfahrungswerte zeigen, dass Substrate ohne Oberflächenbehandlung mit einer 6 µm starken Zn5Al-Schicht eine Standdauer im neutralen Salzsprühnebeltest von mehr als 720 Stunden bis zum Auftreten von Grundwerkstoffkorrosion (Rotrost) erreicht wird.
Bei Erhöhung der Zinkschichtdicke um 100 % auf 12 µm wird eine entsprechende Steigerung der Standdauer im Salzsprühnebeltest auf 1.000 bis 1.200 Stunden bis zum Auftreten von Grundwerkstoffkorrosion erreicht. Eine weitere Steigerung der Zinkschichtdicke führt entsprechend zu einer weiteren Steigerung der Korrosionsschutzwirkung. Versuche haben somit ergeben, dass die Standdauer sich bei den erfindungsgemäß beschichteten Substraten signifikant verbessert.
Der Klimawechseltest gemäß VDA-Standard fasst verschiedene Belastungsszenarien zusammen, so dass es eine Prüfung unter realistischen Konditionen darstellt. Der Test ist aus verschiedenen Belastungsintervallen aufgebaut, die einen wöchentlichen Gesamtzyklus ergeben, welcher dann wiederum bis zum Auftreten von Korrosionserscheinungen am Prüfkörper durchfahren wird.
Erfahrungswerte zeigen, dass bei Substraten ohne Oberflächenbehandlung mit einer 13 µm starken Zn5Al-Schicht und nachfolgender Versiegelung 4 bis 5 Zyklen ohne Auftreten von Grundwerkstoffkorrosion erreicht werden. Versuche haben ergeben, dass die Anzahl der Zyklen ohne Auftreten von Grundwerkstoffkorrosion sich bei den erfindungsgemäß beschichteten Substraten auf über 6 Zyklen erhöht.

Versuche zur mechanischen Widerstandsfähigkeit

Im Feuerverzinkungsverfahren erzeugte Zinkschichten zeichnen sich aufgrund der metallurgischen Verbindung zwischen der Zinkschicht und dem eisenhaltigen Substrat durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Einwirkungen aus. Bekanntermaßen steigt jedoch mit zunehmender dicke die Gefahr, dass die Zinkschicht unter Belastung abplatzt und/oder Risse aufweist. Zur Prüfung der mechanischen Widerstandsfähigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zinkschichten werden verschiedene Methoden angewendet.

In einem ersten Versuch wird an Musterblechen ein technologischer Biegeversuch (Faltversuch) gemäß DIN 50111 durchgeführt. Die Bleche werden hierfür mit unterschiedlichen Strahlparametern mechanisch vorbehandelt und anschließend verzinkt, wobei sich unterschiedliche Zinkschichtdicken gemäß nachfolgender Übersicht ergeben.

Strahlparameter	Rz [µm]	Zinkschichtdicke [µm]
ohne Strahlen	6,7	7,2
niedrige Strahlintensität	21,3	15,2
mittlere Strahlintensität	47,5	26,3
hohe Strahlintensität	71,2	32,6

Anschließend werden die Bleche kontrolliert und umgeformt.
Als Ergebnis zeigt sich, dass bei allen Musterblechen eine Umformung bis 180° möglich ist, ohne dass es zu Rissen in der Zinkschicht oder Abplatzungen der Zinkschicht kommt.

In einem weiteren Versuch werden weitere erfindungsgemäß verzinkte Musterbleche einem Abreißversucht in Anlehnung an DIN EN 24624 unterzogen. Hierbei wird ein Prüfstempel auf den Überzug aufgeklebt und bis zum Versagen der Zinkschicht senkrecht zur Substratoberfläche mechanisch abgezogen. Es erfolgt je eine Messung auf der Vorder- und Rückseite des Blechs, anschließend wird der Mittelwert gebildet. Die Parameter sowie die erzielten Ergebnisse sind nachfolgend dargestellt:

Strahlparameter	Rz [µm]	Zinkschichtdicke [µm]	Abreißspannung [MPa]
ohne Strahlen	7,3	6,2	30,3
niedrige Strahlintensität	17,4	11,6	27,1
mittlere Strahlintensität	42,8	18,0	31,8
hohe Strahlintensität	63,1	28,9	28,4

Die Abreißspannungen liegen im Rahmen der für diesen Versuch üblichen Streuungen auf einheitlich hohem Niveau. Die Messung der mechanischen Widerstandsfähigkeit erfolgt darüber hinaus gemäß EN 438-2. Bei Substraten ohne Oberflächenbehandlung mit einer homogenen Zn5Al-Schicht liegt der Abriebwert bei 0,01 µm / Zyklus. Versuche haben ergeben, dass sich auch die mechanische Widerstandsfähigkeit bei den erfindungsgemäß beschichteten Substraten verbessert.
Mit zunehmender Zinkschichtdicke erhöht sich die Anzahl der ertragbaren Abriebzyklen im gleichen Verhältnis. Dies ist gleichbedeutend mit einer Steigerung der Widerstandsfähigkeit der Zinkschicht gegen mechanische Reibbeanspruchung.
Zur weiteren Prüfung wird eine Steinschlagprüfung nach DIN EN ISO 20567-1 durchgeführt, bei welcher eine mittels Beschichtung oder metallischem Überzug versehene Probe durch viele kleine scharfkantige, mittels Druckluft beschleunigte Schlagkörper belastet wird. Der Grad der Schädigung des Überzugs (Durchdringen der Schicht bis zum Grundwerkstoff) wird bewertet. Zn/Al-Überzüge verhalten sich in diesem Test sehr positiv, da zum einen durch die metallurgische Verbindung zwischen Zinkschicht und Stahl eine sehr hohe Haftung gewährleistet ist und zum anderen durch die hohe Duktilität der Zinkschicht die Energie der auftreffenden Körner sehr gut absorbiert wird. Im Fall von herkömmlichen Reinzinkschichten mit spröden Phasen nach dem Stand der Technik dagegen (z. B. sehr ausgeprägt bei einer Hochtemperaturverzinkungsschicht) kommt es zum lokalen Abplatzen unter Steinschlag.
Bei einer Zn/Al-Schicht mit einer Dicke von 10 µm wird in der Steinschlagprüfung ein Kennwert von 1,5 erreicht, welcher einer geschädigten Fläche von 2,5 % entspricht. Bei einer Steigerung der Zinkschichtdicke auf 15 µm wird der Anteil der durchschlagenden Prüfkörper deutlich reduziert und ein Kennwert von 0,5 - 1,0 (= maximal 0,2 % bzw. 1,0 % geschädigte Fläche) erreicht. Bei höheren Schichtdicken der erfindungsgemäß erzeugten Zinkschichten im Bereich von 20 µm bis 30 µm sind die Werte noch weiterführend verbessert.
In Summe zeigen alle Versuche, dass durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte höhere Dicken der Zn/Al-Schicht keine negativen Effekte bezüglich der mechanischen Widerstandsfähigkeit, sondern ganz im Gegenteil eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit zeigen.

Weitere Versuche zur Feuerverzinkung mittels "Zn/Al-Schmelze" von Stahloberflächen mit erhöhter Oberflächenrauheit

Die Bauteile werden zunächst einer mechanischen Oberflächenbehandlung (Oberflächenaufrauhung) und anschließend einem Feuerverzinkungsprozess unterzogen, wobei der Gesamtprozess die folgenden Schritte umfasst:

Zunächst werden die Bauteile mit Hilfe einer Zweiturbinen-Durchlaufstrahlanlage mit mittleren Strahlintensität mit einem kantigem Strahlgut (Edelstahl) gestrahlt.
Weiterhin werden Referenzsubstrate (Vergleichsbauteile) ohne mechanische Oberflächenbehandlung durch den Feuerverzinkungsprozess geführt.
Die Aufnahme der charakteristischen Kennwerte Ra, Rz und Rmax zur Beschreibung der erzielten Oberflächenrauheit erfolgt gemäß DIN EN ISO 4288.
Im nächsten Schritt durchlaufen die Bauteile und die Referenzen den Feuerverzinkungsprozess. Anschließend wird die Schichtdicke gemäß DIN EN ISO 2178 gemessen.
Die durchschnittlichen Kennwerte der Oberflächenrauheit und der Schichtdicke der erfindungsgemäßen Bauteile sind im Folgenden aufgelistet:

Ra: 9,8 µm
Rz: 60,4 µm
Rmax: 77,1 µm
Schichtdicke: 24,2 µm
Schichtdicke Referenz: 11,7 µm

Die Vergleichsbauteile (d. h. ohne Oberflächenvorbehandlung) weisen dagegen nur eine Schichtdicke von 11,7 µm im Mittel auf.

Steigerung der Korrosionsschutzwirkung

Sowohl die Standdauer im Salzsprühnebeltest als auch die Anzahl der Zyklen ohne Auftreten von Grundmaterialkorrosion im Klimawechseltest verbessert sich bei den erfindungsgemäß feuerverzinkten Bauteilen signifikant im Vergleich zu den feuerverzinkten Bauteilen ohne aufgerauhte Oberfläche.

Messung der mechanischen Widerstandsfähigkeit und der Haftfestigkeit

Die Messung der mechanischen Widerstandsfähigkeit erfolgt gemäß EN 438-2. Bei den erfindungsgemäß feuerverzinkten Bauteilen ist die Anzahl der ertragbaren Abriebzyklen im Verhältnis zu den feuerverzinkten Referenzbauteilen signifikant erhöht. Dies ist gleichbedeutend mit einer Steigerung der Widerstandsfähigkeit der Zinkschicht gegen mechanische Reibbeanspruchung.
Bei den erfindungsgemäß feuerverzinkten Bauteilen ist die Haftfestigkeit, gemessen gemäß DIN EN 24624, gegenüber Bauteilen ohne Oberflächenbehandlung unverändert. Auch die Belastbarkeit infolge von stoß- oder schlagartigen Einwirkungen bleibt durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Zinkschichtdicke unverändert.
Zur Prüfung wird eine Steinschlagprüfung nach DIN EN ISO 20567-1 durchgeführt, bei welcher ein feuerverzinktes Bauteil durch viele kleine scharfkantige, mittels Druckluft beschleunigte Schlagkörper belastet wird. Der Grad der Schädigung der Verzinkungsschicht ist bei den erfindungsgemäß feuerverzinkten Bauteilen im Vergleich zu feuerverzinkten Bauteilen ohne Oberflächenbehandlung deutlich reduziert.

Bezugszeichenliste:

1: eisenbasiertes Bauteil (Stahlbauteil)
1': eisenbasiertes Bauteil (Stahlbauteil)
1": eisenbasiertes Bauteil (Stahlbauteil)
1a: ursprüngliche Oberfläche des eisenbasierten Bauteils (Stahlbauteils)
1a': ursprüngliche Oberfläche des eisenbasierten Bauteils (Stahlbauteils)
1a": ursprüngliche Oberfläche des aufgerauhten eisenbasierten Bauteils (Stahlbauteils)

2: Fe/Zn-Legierungsphase
2': Fe/Al-Legierungsphase (dünne Sperrschicht/Barriereschicht)
2": Fe/Al-Legierungsphase (dünne Sperrschicht/Barriereschicht)
3: reine Zinkphase (Reinzinkphase)
3': reine aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkphase
3": reine aluminiumlegierte bzw. aluminiumhaltige Zinkphase

4: Verzinkungsschicht (Gesamtverzinkungsschicht)
4': Verzinkungsschicht (Gesamtverzinkungsschicht)
4": Verzinkungsschicht (Gesamtverzinkungsschicht)

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht auf einem eisenbasierten Bauteil,
wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte in der nachfolgend aufgeführten Reihenfolge umfasst:
(a) Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mindestens einer Oberfläche des eisenbasierten Bauteils durch mechanische Behandlung mittels eines abrasiven Verfahrens,
wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit derart durchgeführt wird, dass die Oberfläche einen Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4288:1998-04 im Bereich von 0,3 bis 15 µm aufweist; dann

(b) Feuerverzinkung des eisenbasierten Bauteils in einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze, wobei die Zinkschmelze, bezogen auf die Zinkschmelze, mindestens 0,1 Gew.-% Aluminium enthält,
wobei nach Durchführung des Verfahrensschritts (b) ein mit der aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht versehenes und/oder beschichtetes und/oder überzogenes eisenbasiertes Bauteil mit einer Zinkschichtdicke im Bereich von 3 bis 30 µm erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauhigkeit in Verfahrensschritt (a) mittels Druckluftstrahlen mit festem Strahlgut ("Sandstrahlen") erfolgt;

wobei das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut (Strahlmittel) ausgewählt wird aus der Gruppe von metallischem, mineralischem (anorganischem) und organischem Strahlgut sowie deren Kombinationen, vorzugsweise in partikulärer Form, vorzugsweise aus der Gruppe von metallischem, natürlich-mineralischem, synthetisch-mineralischem, natürlich-organischem und synthetisch-organischem Strahlgut sowie deren Kombinationen, insbesondere partikulärem Edelstahl-Strahlgut und/oder Glaskugel-Strahlgut; und/oder

wobei das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut eine runde, kugelrunde, kantige oder zylindrische Kornform, vorzugsweise eine kantige Kornform, aufweist; und/oder

wobei das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut eine absolute Korngröße im Bereich von 30 bis 5.000 µm, insbesondere im Bereich von 50 bis 3.000 µm, vorzugsweise im Bereich von 60 bis 1.500 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 70 bis 1.000 µm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 75 bis 800 µm, aufweist; und/oder

wobei das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut eine Härte, insbesondere Kornhärte, vorzugsweise Vickershärte, im Bereich von 20 bis 2.500 HV, insbesondere im Bereich von 100 bis 2.100 HV, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 2.000 HV, bevorzugt im Bereich von 250 bis 1.500 HV, aufweist; und/oder

wobei das in Verfahrensschritt (a) verwendete Strahlgut eine Härte, insbesondere Kornhärte, vorzugsweise Mohs-Härte, im Bereich von 2 bis 9 Mohs, insbesondere im Bereich von 2,5 bis 8 Mohs, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 7 Mohs, bevorzugt im Bereich von 3,5 bis 6,5 Mohs, aufweist; und/oder

wobei das Strahlgut mit einem Strahldruck im Bereich von 1 bis 15 bar, insbesondere im Bereich von 2 bis 11 bar, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 8 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 5 bar, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird; und/oder

wobei das Strahlgut mit einem Strahldruck von mindestens 1 bar, insbesondere mindestens 2 bar, vorzugsweise mindestens 3 bar, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird; und/oder

wobei das Strahlgut mit einem Strahldruck von maximal 15 bar, insbesondere maximal 11 bar, vorzugsweise maximal 8 bar, besonders bevorzugt maximal 5 bar, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird; und/oder

wobei das Strahlgut für eine Dauer von 10 Sekunden bis 30 Minuten, insbesondere 15 Sekunden bis 20 Minuten, bevorzugt 20 Sekunden bis 10 Minuten, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird; und/oder

wobei das Strahlgut für eine Dauer von bis zu 30 Minuten, insbesondere bis zu 20 Minuten, bevorzugt bis zu 10 Minuten, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird; und/oder

wobei das Strahlgut für eine Dauer von mindestens 10 Sekunden, insbesondere mindestens 15 Sekunden, bevorzugt mindestens 20 Sekunden, auf die mindestens eine Oberfläche des eisenbasierten Bauteils einwirken gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche einen Mittenrauwert Ra, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, von mindestens 0,3 µm, insbesondere mindestens 0,6 µm, bevorzugt mindestens 0,7 µm, besonders bevorzugt mindestens 0,8 µm, aufweist; und/oder

wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche einen Mittenrauwert Ra, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, im Bereich von 0,6 bis 15 µm, bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 13 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 12 µm, aufweist; und/oder

wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, von mindestens 2 µm, insbesondere mindestens 3 µm, bevorzugt mindestens 4 µm, aufweist; und/oder

wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, im Bereich von 2 bis 75 µm, insbesondere im Bereich von 3 bis 70 µm, bevorzugt im Bereich von 3 bis 65 µm, aufweist; und/oder

wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine maximale Rautiefe Rmax, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, von mindestens 3 µm, insbesondere mindestens 4 µm, bevorzugt mindestens 5 µm, aufweist; und/oder

wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die in Verfahrensschritt (a) behandelte Oberfläche eine maximale Rautiefe Rmax, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, im Bereich von 3 bis 95 µm, insbesondere im Bereich von 4 bis 90 µm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 85 µm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass der Mittenrauwert Ra, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 25 %, vorzugsweise um mindestens 50 %, besonders bevorzugt um mindestens 75 %, noch mehr bevorzugt um mindestens 100 %, erhöht wird; und/oder

wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die gemittelte Rautiefe Rz, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 25 %, vorzugsweise um mindestens 50 %, besonders bevorzugt um mindestens 75 %, noch mehr bevorzugt um mindestens 100 %, erhöht wird; und/oder

wobei die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit in Verfahrensschritt (a) derart durchgeführt wird, dass die maximale Rautiefe Rmax, insbesondere nach DIN EN ISO 4288:1998-04, der in Verfahrensschritt (a) behandelten Oberfläche um mindestens 10 %, insbesondere um mindestens 25 %, vorzugsweise um mindestens 50 %, besonders bevorzugt um mindestens 75 %, noch mehr bevorzugt um mindestens 100 %, erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht, welche durch das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche erhalten wird, eine Schichtdicke im Bereich von 4 bis 28 µm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 27 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis 25 µm, aufweist; und/oder

wobei die aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht, welche durch das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche erhalten wird, eine Schichtdicke aufweist, welche um 0,5 bis 15 µm, insbesondere um 1 bis 12 µm, bevorzugt um 2 bis 10 µm, größer ist als diejenige Schichtdicke, welche nach Durchführen des Verfahrensschritts (b) unter Weglassung des vorangehenden Verfahrensschritts (a) erhalten wird; und/der

wobei das durch Verfahrensschritte (a) und (b) erhaltene feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil eine zumindest im Wesentlichen homogene und/oder gleichmäßige und/oder kontinuierliche aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht aufweist, insbesondere an ihrer Ober- oder Außenseite.
Feuerverzinktes (schmelztauchverzinktes) eisenbasiertes Bauteil, vorzugsweise Stahlbauteil, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Feuerverzinktes (schmelztauchverzinktes) eisenbasiertes Bauteil nach Anspruch 6,
wobei das feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil dadurch erhältlich ist, dass das eisenbasierte Bauteil zunächst an mindestens einer Oberfläche einer Behandlung zur Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mittels eines abrasiven Verfahrens unterzogen worden ist derart, dass die Oberfläche einen Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4288:1998-04 im Bereich von 0,3 bis 15 µm aufweist und nachfolgend das auf diese Weise oberflächenbehandelte eisenbasierte Bauteil einer Feuerverzinkung in einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze unterzogen worden ist, wobei die Zinkschmelze, bezogen auf die Zinkschmelze, mindestens 0,1 Gew.-% Aluminium enthält, und

wobei das feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil mit einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht versehen und/oder beschichtet und/oder überzogen ist, wobei die aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht eine Schichtdicke im Bereich von 3 bis 30 µm aufweist.
Feuerverzinktes eisenbasiertes Bauteil nach Anspruch 6 oder Anspruch 7,
wobei das feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil mit einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht versehen und/oder beschichtet und/oder überzogen ist;

wobei die aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht eine Schichtdicke im Bereich von 4 bis 28 µm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 27 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis 25 µm, aufweist; und/oder

wobei das feuerverzinkte eisenbasierte Bauteil eine zumindest im Wesentlichen homogene und/oder gleichmäßige und/oder kontinuierliche aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht aufweist, insbesondere an ihrer Ober- oder Außenseite; und/oder

wobei die in Verfahrensschritt (a) resultierende Oberfläche mit erhöhter Oberflächenrauheit im Rahmen von Verfahrensschritt (b) zumindest im Wesentlichen eingeebnet und/oder nivelliert ist, insbesondere durch die in Verfahrensschritt (b) aufgebrachte aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht.
Feuerverzinktes eisenbasiertes Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das eisenbasierte Bauteil nur bereichsweise, insbesondere nur an einer Oberfläche und/oder nicht an allen Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, mit einer erhöhten und/oder eingestellten Oberflächenrauheit versehen ist; und/oder

wobei die aluminiumlegierte und/oder aluminiumhaltige Zinkschicht des eisenbasierte Bauteil für den Fall, dass die Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit nur bereichsweise, insbesondere nur an einer Oberfläche und/oder nicht an allen Oberflächen des eisenbasierten Bauteils, erfolgt ist, unterschiedliche Dickenbereiche aufweist, insbesondere wobei die Schichtdicke der aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschicht im Bereich der zuvor behandelten Oberfläche(n) oder Oberflächenbereiche im Vergleich zu der Schichtdicke im Bereich der unbehandelten Oberfläche(n) oder Oberflächenbereiche erhöht ist.
Verwendung eines feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise Stahlbauteils, nach einem der vorangehenden Ansprüche für die Automobilfertigung, insbesondere die Pkw-, Lkw- oder Nutzfahrzeugherstellung, oder aber für den technischen Bereich, insbesondere für die Bauindustrie, Maschinenbauindustrie oder Elektroindustrie.
Verwendung eines feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise Stahlbauteils, nach einem der vorangehenden Ansprüche als Komponente, Werkstoff oder Bauteil für die Automobilfertigung, insbesondere die Pkw-, Lkw- oder Nutzfahrzeugherstellung.
Verwendung eines feuerverzinkten (schmelztauchverzinkten) eisenbasierten Bauteils, vorzugsweise Stahlbauteils, nach einem der vorangehenden Ansprüche als Komponente, Werkstoff oder Bauteil für den technischen Bereich, insbesondere für die Bauindustrie, Maschinenbauindustrie oder Elektroindustrie.
Verwendung der Erhöhung und/oder Einstellung der Oberflächenrauheit mindestens einer Oberfläche eines eisenbasierten Bauteils durch mechanische Behandlung mittels eines abrasiven Verfahrens zur Einstellung und Erhöhung der Zinkschichtdicke in einem Feuerverzinkungsverfahren unter Verwendung einer aluminiumlegierten und/oder aluminiumhaltigen Zinkschmelze mit mindestens 0,1 Gew.-% Aluminium, bezogen auf die Zinkschmelze.