LU101954B1 - Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente - Google Patents

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Dennis Dr -Ing Fassmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente. Um ein solches Verfahren bereitzustellen, das zu einer Beschichtung mit guten Korrosionsschutzeigenschaften, guter Haftung sowie stabilen, konstant niedrigem Reibwert auch bei einer mehrfachen Verwendung der Stahl-Komponente, insbesondere einem mehrfachen Anzug, führt, wobei das Verfahren zugleich einfach und wirtschaftlich durchgeführt werden kann, ist vorgesehen, dass zunächst eine Zinkschicht auf die Oberfläche der Stahl-Komponente mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens aufgebracht und nachfolgend eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb von 420 °C zum gezielten Bilden von intermetallischen Zink-Eisen-Phasen in der galvanisch abgeschiedenen Zinkschicht zur Optimierung des Reibwertes der Stahl-Komponente vorgenommen wird.

Description

LU101954 | Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf einer | Stahl-Komponente | Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbe- , schichtung auf einer Stahl-Komponente. | Sowohl aus optischen als auch aus funktionalen Gründen werden Stahl-Komponen- .
ten in der technischen Anwendung häufig verzinkt. Insbesondere filigrane Schüttgut- | teile, wie Schrauben und Klemmhülsen aus Stahl, werden zumeist im galvanischen .
Abscheideverfahren mit reinem Zink beschichtet und anschließend passiviert. Die un- | edlen Eigenschaften der Zinkschicht schützen das darunterliegende, edlere Metall vor | Korrosion. Selbst bei Auftreten eines Risses wird das Grundmaterial durch die anodi- | sche Wirkung des Zinks vor Angriff geschützt, wobei dieses selbst oxidiert wird und | dann lediglich eine zeitlich begrenzte Schutzwirkung gewährleisten kann. Reines Zink .
oxidiert bereits an der Luftatmosphäre und wird daher durch Passivierungsschichten | geschützt. | An das abgeschiedene Schichtsystem bestehend aus der Zink- und der Passivie- = rungsschicht wird nicht nur die Anforderung des Korrosionsschutzes gestellt, sondern | auch eine hohe VerschleiBbesténdigkeit und daraus resultierend konstante Reibwerte | bei mehrmaligem Anzug gefordert. Bei verzinkten und passivierten Stahl-Komponen- .
ten des Standes der Technik, beispielsweise bei Schrauben, zeigen sich jedoch eine È starke Schwankung sowie ein signifikanter Anstieg des Reibwertes bei mehrmaligem ; Anzug. Dies resultiert aus den Schichteigenschaften sowie der Haftfestigkeit der Zink- | schicht auf dem Stahl-Grundmaterial. Bei elektrischen Kontaktelementen führt ein zu- | nehmender Reibwert bei wiederholtem Anziehen von Schrauben jedoch zudem zu . abnehmenden Andruckkräften des Leiters gegen den Strombalken, woraus steigende | elektrische Übergangswiderstände resultieren, die die Funktionalität der Kontaktele- | mente verschlechtern. .
| Alternativ zu einer galvanischen Verzinkung werden Stahl-Komponenten auch häufig | feuerverzinkt oder sherardisiert, was jedoch in manchen Fallen, beispielsweise fiir | filigrane Schittgutteile aus Stahl, nicht wirtschaftlich durchführbar ist. Zudem führt | Feuerverzinken zur Bildung einer Zinkbeschichtung und insbesondere zur Bildung in- | termetallischer Zink-Eisen-Phasen mit deutlich erhöhten Reibwerten, wobei die Reib- .
werte bei einer feuerverzinkten Stahl-Schraube bei mehrmaligem Anzug noch weiter , signifikant ansteigen. ! Aus der Druckschrift DE 689 12 019 T2 ist zudem bereits ein Verfahren zur Herstel- | lung eines galvanisierten angelassenen Stahlbands bekannt, bei dem zunächst das . Stahlband gereinigt wird und dann eine Elektrobeschichtung wenigstens einer Seite .
des Stahlbands mit einem Zinküberzug erfolgt. Nachfolgend wird das Üüberzogene . Stahlband durch eine Induktionsspule gefördert, wobei das Band auf eine Temperatur . zwischen 427 °C und 510 °C erhitzt wird, was zu einer vollständigen Umwandlung .
des Zinküberzugs in einen Zink-Eisen-Legierungsüberzug führt. Schließlich wird das . Stahiband abgekühlt. Ein solches Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass bei meh- .
reren Verfahrensschritien die Schmelztemperatur des Zinks überschritten wird, so- | dass dieses Verfahren auf Bander und Bleche, jedoch nicht wirtschaftlich auf Schütt- . gutteile und kleinere Stahl-Komponenten, wie Schrauben und Klemmhülsen, ange- | wendet werden kann. Zudem führt ein solches Verfahren zu einer weitgehenden Um- | formung des Zinküberzugs zu Zink-Eisen-Phasen mit einem Eisenmassenanteil über | 10 %, wodurch es ebenfalls zu einer Verschlechterung des Reibwertes, insbesondere | bei einem mehrmaligen Anzug, und zudem zu einer starken Schwankung der Reib- | werte der hergestellten und beschichteten Stahlteile kommt. | Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer | reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente bereitzustellen, | das zu einer Beschichtung mit guten Korrosionsschutzeigenschaften, guter Haftung | sowie stabilen, konstant niedrigem Reibwert auch bei einer mehrfachen Verwendung |.
der Stahl-Komponente, insbesondere einem mehrfachen Anzug, führt, wobei das | Verfahren zugleich einfach und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. | ; Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer reib- | wertoptimierten Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente nach Anspruch 1 | gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. | Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten . Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente, insbesondere auf einem Schüttgutteil, .
wird zunächst eine Zinkschicht auf die Oberfläche der Stahl-Komponente mittels ei- | nes galvanischen Abscheideverfahrens aufgebracht und nachfolgend eine Wärme- ; behandlung bei einer Temperatur unterhalb von 420 °C zum gezielten Bilden von in- | termetallischen Zink-Eisen-Phasen in der galvanisch abgeschiedenen Zinkschicht zur | Optimierung des Reibwertes der Stahl-Komponente vorgenommen. | | Die Erfinder haben erkannt, dass mittels einer Warmebehandlung die Eigenschaften | der Zink-Eisen-Phasen zwischen der Oberfläche der Stahl-Komponente und der gal- | vanisch aufgebrachten Zinkbeschichtung gezielt gesteuert und eingestellt werden . können. Dies ermöglicht in einfacher Weise und gut wiederholbar eine Erhöhung der .
Haftfestigkeit der Zinkschichten sowie eine Optimierung der Zinkschicht-Eigenschaf- . ten, insbesondere der Schichthärte sowie des oberflächlichen Reibwertes. Zudem hat | die Wärmebehandlung den Vorteil, dass diese wirtschaftlich für beliebige Stahl-Kom- | ponenten, auch für Schüttgutteile, durchgeführt werden kann. | Darüber hinaus haben Vergleichsversuche gezeigt, dass mittels des erfindungsge- . mäßen Verfahrens gut reproduzierbar und ohne starke Schwankungen zwischen ein- . zelnen, erfindungsgemäß hergestellten Stahl-Komponenten ein konstant niedriger | Reibwert erreicht werden kann, der auch bei einer mehrmaligen Verwendung der | Stahl-Komponente, insbesondere bei einem mehrmaligen Anzug einer Schraube, | nicht stark ansteigt, sondern idealerweise im Wesentlichen über wenigstens 10 An- . züge und besonders bevorzugt über wenigstens 20 Anzüge unverändert bleibt. Dabei | ist der absolute Wert des Reibwertes zunächst nachrangig, obwohl ein niedriger Reib- | wert insbesondere bevorzugt wird. | Bei den Stahl-Komponenten kann es sich zunächst um ein beliebiges Bauteil aus | einer beliebigen Eisen-Legierung und bevorzugt aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legie- | rung handeln, die besonders bevorzugt einen Kohlenstoff-Massenanteil von unter |
-4- .
2 % aufweist. Dabei ist jede einzelne Stahl-Komponente bevorzugt einstückig gebil- | det. Weiterhin bevorzugt erfolgt mittels des Verfahrens eine Beschichtung zahlreicher | Stahl-Komponenten zugleich, wobei besonders bevorzugt alle zugleich beschichteten | Stahl-Komponenten identisch zueinander gebildet sind. Generell sind die Stahl-Kom- ; ponenten bevorzugt jeweils ein wenigstens ein Gewinde und besonders bevorzugt | genau ein Gewinde aufweisendes Stahl-Bauteil. Die Stahl-Komponenten sind bevor- | zugt Schüttgutteile, insbesondere filigrane Schüttgutteile, und dabei bevorzugt Ver- | bindungsmittel, wie beispielsweise Schrauben, Klemmhülsen, Taschen, und/oder - elektrische Anschlusselemente bzw. Teile davon, wie beispielsweise Bauteile einer | Reihenklemme. Ebenfalls bevorzugt sind die Stahl-Komponenten Bauteile für | Schrauben-Klemmhülsen-Verbindungen. Die Stahl-Komponenten können eine belie- | bige Funktion aufweisen, wobei die Stahl-Komponenten bevorzugt zum Festlegen ei- : nes elektrischen Leiters vorgesehen sind. Dabei sind die Anforderungen an die Ober- | fläche der beschichteten Stahl-Komponente, insbesondere an eine Zink- und/oder | eine Passivierungsschicht, zum einen gute Korrosionsschutzeigenschaften sowie ; zum anderen ein konstanter Reibwert bei einem mehrmaligen Anzug. | Zu diesem Zweck ist auf wenigstens einen Teil der Oberfläche und bevorzugt auf die | gesamte Oberfläche der Stahl-Komponenten eine Zinkbeschichtung aufgebracht. | Dieses Aufbringen erfolgt erfindungsgemäß in einem galvanischen Abscheideverfah- | ren, d.h. durch Galvanisieren. Unter Galvanisieren werden dabei alle Verfahren zum | elektrochemischen Abscheiden von Metallen auf die metallische Oberfläche der L Stahl-Komponenten unter Verwendung eines Elektrolyten verstanden, wobei der . Elektrolyt bevorzugt eine elektrisch leitende Flüssigkeit, insbesondere eine wässrige | Salzldsung ist. > 0 Bevorzugt erfolgt ein Aufbringen einer reinen Zinkschicht im galvanischen Abschei- . deverfahren, d.h. eine Reinzinkbeschichtung, wobei die reine Zinkschicht besonders | bevorzugt nicht mehr als 1 % weiterer Metallatome, außer gegebenenfalls aus der | Oberfläche der Stahl-Komponente eindiffundierte Metallatome, beinhaltet, während | weitere Substanzen, insbesondere Polymere aus dem Abscheideverfahren, in die . Zinkschicht eingelagert sein dürfen. Insbesondere erfolgt das Aufbringen der |
Zinkschicht mittels eines reinen und/oder eines eisen- und/oder aluminiumfreien Zink- Elektrolyten. | Das galvanische Aufbringen der Zinkschicht kann sowohl unter einem Erhitzen der .
— Stahl-Komponente und/oder des Galvanisierungsbades oder aber ohne eine Einstel- . lung der Temperatur erfolgen. Generell erfolgt jedoch das Aufbringen ohne ein Erhit- | zen über 420 °C, bevorzugt ohne ein Erhitzen über 100 °C und besonders bevorzugt | ohne ein Erhitzen Uber 50 °C. Ebenfalls bevorzugt findet auch kein Erwärmen der | Stahl-Komponenten zwischen der Galvanisierung und der Wärmebehandlung zum .
Bilden der intermetallischen Zink-Eisen-Phasen statt, . Bei der Zinkbeschichtung handelt es sich grundsätzlich um eine flächige Zinkschicht | auf der Oberfläche der Stahl-Komponente, wobei die Zinkbeschichtung die Obertflä- , che der Stahl-Komponente bevorzugt voliständig bedeckt und insbesondere bevor- | zugt vollständig schließt, sodass kein Sauerstoff und/oder keine Flüssigkeit an die | Oberfläche der Stahl-Komponente gelangen kann. Unter einer reibwertoptimierten | Zinkbeschichtung wird eine Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung verstan- | den, die in Bezug auf den Reibwert bzw. den Reibungskoeffizienten optimierte Eigen- | schaften aufweist und dabei insbesondere einen besonders niedrigen, einen bei | mehrmaligem Anzug sich besonders gering ändernden und/oder einen besonders . gleichbleibenden Reibwert bzw. Reibungskoeffizienten aufweist. Dabei ist insbeson- | dere wenigstens die Außen- bzw. Oberfläche der Zinkschicht derart gestaltet, dass | sich ein optimierter Reibwert bzw. Reibungskoeffizienten ergibt. .
Die Wärmebehandlung kann zunächst beliebig gestaltet sein und insbesondere einen | beliebigen Temperaturverlauf aufweisen. Bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung | durch ein Aufheizen auf eine festgelegte Temperatur, ein Halten für eine Dauer auf | dieser Temperatur sowie ein nachfolgendes Abkühlen. Ein solcher Heizzyklus wird | bevorzugt nur einmal durchgeführt, wobei jedoch auch eine mehrmalige Wiederho- 7 lung grundsätzlich möglich ist. Weiterhin bevorzugt erfolgt das Aufheizen gleichmäßig . und/oder ununterbrochen bis zur festgelegten Temperatur. Auch das Abkühlen erfolgt . bevorzugt ununterbrochen und insbesondere bevorzugt bis auf die |
Ausgangstemperatur vor der Wärmebehandlung. Ebenfalls erfolgt die Wärmebe- | handlung an der Luft bzw. in einer Gasatmosphäre, d.h. außerhalb einer Flüssigkeit. | Besonders bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung innerhalb eines Ofens, insbeson- | dere innerhalb eines elektrischen Ofens. Dazu wird die zu behandelnde Stahl-Kom- | ponente bevorzugt in einen entsprechenden Ofen eingebracht. Insbesondere ist die | Wärmebehandlung ein Glühen bei einer festgelegten Temperatur. Besonders bevor- , zugt erfolgt die Wärmebehandlung ausgehend von einer Temperatur unterhalb von | 100 °C, ganz besonders bevorzugt unterhalb von 50 °C und insbesondere bevorzugt Î ausgehend von Raumtemperatur. | Erfindungsgemäß erfolgt die Wärmebehandlung am Feststoff, d.h. unterhalb der | Schmelztemperatur des Zinks von etwa 420 °C. Dies führt zu Diffusionsprozessen im | Feststoff, die zur Bildung, Stabilisierung und/oder Ausprägung der gewünschten in- | termetallischen Zink-Eisen-Phasen führen. Generell gilt für den Temperaturbereich .
der Wärmebehandlung, der bevorzugt zwischen 200 °C und 420 °C, besonders be- | vorzugt zwischen 230 °C und 420 °C und ganz besonders bevorzugt zwischen 250 ° .
und 400 °C liegt, dass die Bildung, Stabilisierung und/oder Ausprägung der ge- . wünschten intermetallischen Zink-Eisen-Phasen umso schneller erfolgt, umso höher | die Temperatur ist. .
; Das erfindungsgemäße Bilden einer oder mehrerer verschiedener intermetallischer | Zink-Eisen-Phasen schließt auch das Stabilisieren und/oder das Ausprägen und/oder ' das Verändern bereits bei dem galvanischen Abscheideverfahren entstandener Zink- | Eisen-Phasen ein. Bevorzugt wird jedoch durch die Wärmebehandlung wenigstens .
eine intermetallische Zink-Eisen-Phase gebildet, die vorher nicht oder nur zu einem . sehr kleinen bzw. deutlich geringeren Anteil vorhanden war. Besonders bevorzugt f dient die Wärmebehandlung zum Optimieren des Schichtaufbaus der Zinkbeschich- ; tung und insbesondere der darin enthaltenen Schichten aus intermetallischen Zink- . Eisen-Phasen. Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung zum Bilden | mehrerer, Übereinanderliegender, ineinander übergehender Schichten und/oder zum | Stabilisieren und Ausprägen dieser Schichten. |
LU101954 ; Erfindungsgemäß wird mittels der Wärmebehandlung wenigstens eine intermetalli- | sche Zink-Eisen-Phase gebildet, wobei bevorzugt zugleich, insbesondere an der À Oberfläche der Zinkbeschichtung, eine Schicht aus reinem Zink, also eine n-Phase | vorliegt, die andere Elemente als Zink nur in Form von unvermeidbaren Verunreini- | gungen und notwendigen Hilfsstoffen enthält. Darüber hinaus liegen zumeist neben | der oder den gezielt gebildeten intermetallischen Zink-Eisen-Phasen weitere interme- | tallische Zink-Eisen-Phasen in geringen Anteilen vor. | Dabei werden generell abhängig von der Temperatur und der Haltezeit der Wärme- ' behandlung intermetallische Zink-Eisen-Phasen mit unterschiedlicher Stôchiometrie : gebildet, wobei die Stôchiometrie einen direkten Einfluss auf die Eigenschaften und | insbesondere die Härte der abgeschiedenen Zinkschicht hat und somit auch unmit- | telbar die VerschleiRbeständigkeit und/oder den Reibwert beeinflusst. Dabei existie- | ren zahlreiche verschiedene intermetallische Zink-Eisen-Phasen, wobei jedoch nur | einige von maBgeblicher Bedeutung bezüglich des Korrosionsschutzes und der Reib- | werteigenschaften einer galvanisch erzeugten Zinkbeschichtung auf einer Stahl- . Komponente sind. Zunächst bildet sich beispielsweise bei verzinkten Stahl-Bauteilen | eine kubisch-flächenzentrierte M-Phase, die durch ein sprödes Werkstoffverhalten ge- . kennzeichnet ist. Zudem kann eine eisenärmere hexagonale 5-Phase entstehen, die ; durch sehr duktile Eigenschaften und bei Auftritt in einer geschlossenen Schicht durch ; eine hohe Korrosionsbeständigkeit charakterisiert ist. Die €-Phase mit monokliner Ë Kristallstruktur bildet sich in Form einer sprôden Palisadenschicht aus. Der Eisengeh- | alt in dieser Verbindung ist geringer als in den zuvor vorgestellten intermetallischen , Phasen. Das reine Zink (n-Phase) enthält keine Eisenatome und besitzt die geringste | Harte. Dabei beträgt jedoch der Eisenmassenanteil in den intermetallischen Zink-Ei- | sen-Phasen innerhalb der Zinkbeschichtung der Stahl-Komponente bevorzugt nicht | mehr als 10 %, besonders bevorzugt nicht mehr als 7,5 % und ganz besonders be- | vorzugt nicht mehr als 6%. .
Unter der Optimierung des Reibwertes wird insbesondere eine Senkung des anfäng- | lichen Reibwertes, insbesondere bei einer ersten Betätigung oder Benutzung der | Stahl-Komponente, und/oder eine Verringerung des Anstiegs des Reibwertes bei | nachfolgenden Betätigungen oder Benutzungen der Stahl-Komponente verstanden. | Alternativ oder zusätzlich kann die Optimierung auch beinhalten, dass der Reibwert .
bei einer wiederholten Betätigung oder Benutzung der Stahl-Komponente möglichst ’ lange niedrig und/oder konstant gehalten wird. Insbesondere optimal ist jedoch auch | eine Senkung des Reibwertes bei der mehrmaligen Betätigung oder Benutzung der . Stahl-Komponente. .
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäBen Verfahrens zum Her- . stellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung erfolgt das Aufbringen einer Zink- .
schicht sowie alle nachfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellung der zinkbe- ; schichteten Stahl-Komponente bei Temperaturen unterhalb von 420 °C, wodurch in . vorteilhafter Weise ein Schmelzen des Zinks und somit eine unerwünschte Phasen- . umwandlung sowie eine unvorteilhafte Materialbewegung auf der Oberfläche der . Stahl-Komponente in einfacher Weise vermieden werden kann. Besonders bevorzugt .
wird dabei eine Temperatur von 400 °C nicht überschritten. | Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäBen Verfahrens zum . Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung beträgt die Haltezeit der Wär- | mebehandiung zwischen 10 Minuten und 10 Stunden, bevorzugt zwischen 20 Minu- ; ten und 6 Stunden und besonders bevorzugt zwischen 30 Minuten und 4 Stunden, ‘ wodurch eine gute und umfangreiche Bildung intermetallischer Zink-Eisen-Phasen . erreicht werden kann. Dabei ist die Haltezeit die Dauer der Wärmebehandlung, bei | der die zinkbeschichtete Stahl-Komponente auf einer erhöhten Temperatur, insbe- | sondere auf der maximalen Temperatur der Wärmebehandlung gehalten wird. Insge- | samt lässt sich die Schichtdicke sowie der Eisengehalt in der Zinkschicht durch eine ; Variation der Haltezeit und/oder der Temperatur steuern, wobei eine zunehmende ) Haltezeit zu einer stärkeren Diffusion von Eisen in die Zinkschicht und somit zu einem | erhöhten Eisenanteil führt. Bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung in einem Durch- | laufofen, besonders bevorzugt bei einer Wärmebehandlung zahlreicher Stahl-Kom- | ponenten, insbesondere Schüttgutteile, zugleich. Alternativ kann die Wärmebehand- | lung jedoch auch in einem Kammerofen erfolgen. |
Die Dauer der Wärmebehandlung hängt dabei u.a. auch von der Anzahl der zugleich | behandelten Stahl-Komponenten ab, wobei insbesondere bei der Behandlung zahl- | reicher Teile zugleich, beispielsweise in einer Gitterbox oder Kiste, eine längere Ë Dauer der Wärmebehandlung bevorzugt wird, um sicherzustellen, dass auch innen- | liegende Teile über eine ausreichende Dauer erhitzt wurden.
Entsprechend kann eine É Wärmebehandlung von einzelnen Stahl-Komponenten bzw. einzeln angeordneten | Stahl-Komponenten deutlich kürzer erfolgen.
Bezüglich der Dauer der Wärmebe- Ê handlung gilt weiterhin, dass mit zunehmender Dauer eine bessere Reproduzierbar- | keit des gewünschten Ergebnisses, insbesondere über alle zugleich erhitzten Stahl- )
Komponenten, erreicht werden kann. | Bevorzugt beträgt die Mindesthaltezeit, insbesondere bei einer Temperatur von |
300 °C, wenigstens 15 Minuten und besonders bevorzugt 20 Minuten, da bei einer : Temperatur von 300 °C und einer Dauer von 10 Minuten noch keine messbare Ei- :
sendiffusion festgestellt werden kann.
Die maximale Haltezeit ist grundsätzlich nicht | begrenzt, wobei jedoch mit stark zunehmender Zeit keine signifikanten Veränderun- | gen mehr beobachtet werden können, sodass eine Haltezeit von maximal 4 Stunden | sinnvoll ist und besonders bevorzugt die Haltezeit unter 3 Stunden und ganz beson- | ders bevorzugt unter 2 Stunden beträgt.
Selbst bei einer Haltezeit von 10 Stunden bei ;
300 °C konnte ein Eisenmassengehalt von maximal 6 % in der Zinkschicht gemessen | werden.
Î
Um speziell eine {-Phase (Zeta-Phase) des Eisen-Zinks auszubilden, zu stabilisieren | und/oder auszuprägen, aufgrund der besonders gute Reibwerte der zinkbeschichte- l ten Stahl-Komponente erreicht werden können, sieht eine mögliche Ausgestaltung | des erfindungsgemäfen Verfahrens vor, dass die Wärmebehandlung bei einer Tem- | peratur zwischen 220 °C und 330 °C, bevorzugt zwischen 230 °C und 320 °C, beson- | ders bevorzugt zwischen 250 °C und 310 °C und ganz besonders bevorzugt bei |
300 °C erfolgt.
Dabei hat die Z-Phase einen signifikanten Einfluss auf die Konstanz | des Reibwertes, insbesondere bei einem mehrmaligen Anzug der Stahl-Komponente. | Bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung zum Bilden, Stabilisieren und/oder Ausprä- | gen der {-Phase bei einer Temperatur von 300 °C über eine Haltezeit zwischen |
LU101954 À -10- .
30 Minuten und 2 Stunden, besonders bevorzugt zwischen 45 Minuten und 1,5 Stun- | den und ganz besonders bevorzugt 1 Stunde. Zugleich kann dabei auch ein Bilden, . Stabilisieren und/oder Ausprägen einer 5-Phase (delta-Phase) des Eisen-Zinks zu- | sätzlich zur {-Phase auftreten, was in manchen Fallen sogar bevorzugt ist. .
Die à-Phase, die besonders duktil ist und zu einem besonders guten Korrosions- | schutz der zinkbeschichteten Stahl-Komponente fiihrt, kann jedoch alternativ oder er- ; gänzend auch gezielt durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen | 310 °C und 390 °C, bevorzugt zwischen 330 °C und 370 °C, besonders bevorzugt .
zwischen 340 °C und 360 °C und ganz besonders bevorzugt bei 350 °C gebildet wer- | den. Dabei ist insbesondere auch eine mehrschrittige Wärmebehandlung denkbar, | insbesondere zunächst zum Bilden, Stabilisieren und/oder Ausprägen der {-Phase | und nachfolgend bei höherer Temperatur zum Bilden, Stabilisieren und/oder Ausprä- .
gen der ö-Phase. Alternativ kann auch zunächst eine ö-Phase gebildet werden und .
dann eine Wärmebehandlung zum Bilden der {-Phase erfolgen. | Idealerweise beträgt die Haltezeit zum Bilden, Stabilisieren und/oder Ausprägen der : 5-Phase bei einer Temperatur von 350 °C zwischen einer Stunde und 3 Stunden, be- | sonders bevorzugt zwischen 1,5 Stunden und 2,5 Stunden und ganz besonders be- .
vorzugt 2 Stunden. Insbesondere bei niedrigeren Temperaturen ist auch eine längere : Haltezeit sinnvoll. | Erfolgt dagegen eine Wärmebehandlung bei deutlich erhöhten Temperaturen, insbe- | sondere kurz unter dem Schmelzpunkt des Zinks, wird dadurch eine [-Phase A (Gamma-Phase) des Eisen-Zinks gebildet, stabilisiert und/oder ausgeprägt. Eine sol- | che Wärmebehandlung erfolgt bevorzugt bei wenigstens 390 °C, besonders bevor- | zugt bei wenigstens 400 °C und ganz besonders bevorzugt bei wenigstens 410 °C, | wobei die Maximaltemperatur abermals bevorzugt 420 °C ist. Diese Wärmebehand- | lung erfolgt weiterhin bevorzugt über eine lange Dauer von wenigstens 3 Stunden, | besonders bevorzugt von wenigstens 4 Stunden und ganz besonders bevorzugt von | wenigstens 5 Stunden. |
Die Oberfläche der Stahl-Komponente kann vor dem Aufbringen der Zinkschicht be- | liebig vorbehandelt werden. Dabei erfolgt die Vorbehandlung besonders bevorzugt | zur Konditionierung der Oberfläche der Stahl-Komponente. Dies kann beispielsweise | ein Reinigen, insbesondere ein Entfetten, der Oberfläche umfassen. Auch ein Ab- ‘ schleifen oder ein chemisches Entfernen von Oxidschichten ist denkbar. Darüber hin- | aus kann die Oberfläche der Stahl-Komponente vor dem Aufbringen der Zinkschicht | auch gebeizt und/oder vorverzinkt werden. Dabei kann das Beizen in beliebiger | Weise, beispielsweise durch Tauchbeizen, Sprühbeizen, Rotationsbeizen und/oder | elektrochemisches Beizen erfolgen. | | Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Her- | stellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente wird .
vor dem Aufbringen der Zinkschicht auf die Oberfläche der Stahl-Komponente in dem ; galvanischen Abscheideverfahren und/oder nach dem Beizen und/oder nach dem .
Vorverzinken eine Wärmebehandlung gegen eine mögliche Wasserstoffversprôdung ‘ vorgenommen, die bevorzugt bei Temperaturen zwischen 200 °C und 250 °C erfolgt. | Dabei ist diese Wärmebehandiung insbesondere ein Auslagern gegen eine Wasser- l stoffversprôdung, in dem der Wasserstoff aus der Stahl-Komponente herausdiffun- | diert und/oder sich gleichmaRiger im Material verteilt, wodurch die Wasserstoffver- | — sprôdung wenigstens signifikant reduziert oder sogar vollständig vermieden bzw. be- | hoben werden kann. Ebenfalls bevorzugt erfolgt unmittelbar nach dieser Wärmebe- f handlung, insbesondere nach dem Auslagern, die Fertigverzinkung im galvanischen l Abscheideverfahren. Dabei ist eine solche Wärmebehandlung und insbesondere ein Î Auslagern bei stark verfestigten Stahl-Grundmaterialien der Stahl-Komponente be- | sonders sinnvoll. | Um einen noch besseren Korrosionsschutz und insbesondere einen Schutz der Zink- | schicht vor Verschleiß und zum Oxidationsschutz des reinen Zinks auf der Oberfläche | der zinkbeschichteten Stahl-Komponente zu erhalten sowie um eine noch bessere | Reibwertoptimierung zu erreichen, erfolgt bevorzugt nach dem Aufbringen der Zink- | schicht auf die Oberfläche der Stahl-Komponente in dem galvanischen Abscheide- | verfahren eine Konditionierung der Zinkoberfläche, insbesondere durch eine |
Passivierung der Zinkoberfläche, wobei bevorzugt die Passivierung durch eine orga- Ë nokeramische Beschichtung bzw. mittels wenigstens einer, bevorzugt mehrerer orga- . nokeramischer Schichten erfolgt.
Dabei erfolgt die Passivierung bevorzugt durch Ein- | tauchen in ein Passivierungsmittel.
Die organokeramischen Schichten sind weiterhin Ë bevorzugt überwiegend aus Chrom- und/oder Zinkoxiden gebildet. . Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäBen Verfahrens zum Herstellen | einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung sieht vor, dass die Wärmebehandlung ;
zum Bilden der Zink-Eisen-Phasen bei der Verwendung einer temperaturbeständigen :
Passivierungsschicht nach der Passivierung bzw. im Anschluss an die Passivierung Ë erfolgt.
Dazu muss die Passivierungsschicht mindestens bis zur maximalen Tempe- | ratur der Wärmebehandlung, bevorzugt bis wenigstens 10 °C und besonders bevor- | zugt wenigstens 20 °C über der maximalen Temperatur der Wärmebehandlung tem- : peraturbeständig sein.
Insbesondere bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung zum |
Bilden der Zink-Eisen-Phasen als letzter Herstellungsschritt der zinkbeschichteten | Stahl-Komponenten.
Ebenfalls bevorzugt wird die Passivierung unmittelbar nach dem | Aufbringen der Zinkschicht auf die Oberfläche der Stahl-Komponente in dem galva- ' nischen Abscheideverfahren vorgenommen, um die neu gebildete Zinkschicht | schnellstmöglich vor einer Oxidation zu schützen.
Bei einer nicht-temperaturbestän- | digen Passivierungsschicht muss die Wärmebehandlung entsprechend vor der Pas- | sivierung erfolgen.
Î Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäBen Verfahrens zum l Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung erfolgt das Aufbringen der '
— Zinkschicht auf die Oberfläche der Stahl-Komponente in dem galvanischen Abschei- | deverfahren mittels eines alkalischen Zink-Elektrolyten, der bevorzugt stickstoffhal- | tige Polymere beinhaltet und/oder bevorzugt cyanidfrei ist.
Auch die Auswahl des im | galvanischen Abscheideverfahren genutzten Zink-Elektrolyten hat einen Einfluss auf | den Reibwert der zinkbeschichteten Stahl-Komponente, der sich insbesondere durch | in die Zinkschicht eingelagerte Stoffe, insbesondere organische Substanzen ergibt. | Dabei wurde festgestellt, dass sich schwachsaure Elektrolyte und/oder Elektrolyte mit | schwefelhaltigen Tensiden nur sehr bedingt eignen, da dort ein starker Anstieg des |
Reibwertes beobachtet werden konnte. | Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf eine | Zeichnung näher beschrieben.
In der Figur zeigt: |
Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer | reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente. |
Bei einer ersten Ausführung des Verfahrens zum Herstellen einer reibwertoptimierten l
Zinkbeschichtung auf einer Stahl-Komponente wird zunächst eine Reinzinkbeschich- Ë tung auf der Oberfläche einer Stahl-Schraube für eine elektrische Reihenklemme vor- | genommen, die mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens erfolgt.
Dabei wird | ein cyanidfreier, alkalischer Zink-Elektrolyt in wässriger Lösung verwendet, wobei in | der Lôsung bevorzugt zudem stickstoffhaltige Polymere enthalten sind.
Der Einsatz :
dieses alkalischen Zink-Elektrolyten führt dazu, dass die stickstoffhaltigen Polymere | zumindest teilweise in der Zink-Beschichtung eingelagert werden, wodurch die Stahl- : Schraube wesentlich stabilere Reibwerte aufweist. |
Der Beschichtung unmittelbar nachfolgend wird eine Wärmebehandlung durchge- | führt, wozu die zinkbeschichtete Stahl-Schraube für 30 Minuten in einem Ofen auf Ë 300 °C erwärmt wird, um eine {-Zink-Eisen-Phase zwischen dem oberflächlichen, rei- | nen Zink und der Stahl-Oberfläche der beschichteten Stahl-Schraube zu bilden und | zu stabilisieren.
Dieser optimierte Schichtaufbau kennzeichnet sich in diesem Fall | durch die Stabilisierung der € -Phase im Übergangsbereich von der Zinkschicht zum |
Grundmaterial.
Der Reibwertverlauf ist dabei durch einen nahezu gleichbleibenden | Reibwert über zehn Anzugszyklen charakterisiert und auch die Streuung der Reib- | werte konnte hierdurch deutlich reduziert werden. | Alternativ kann die Dauer der Wärmebehandlung auch zwischen 20 Minuten und |
4 Stunden betragen.
Hierbei wird in jedem Fall nur ein Temperaturzyklus mit einem | einzelnen Aufheizen, einem Halten bei 300 °C sowie einem Abkühlen durchgeführt. |
Eine solche Wärmebehandlung zum Bilden einer intermetallischen Zink-Eisenphase |
-14- kann beispielsweise in einem Durchlaufofen erfolgen, wobei die Stahl-Schrauben mit einer Aufheizrate von etwa 10 K/min bis auf 300 °C erhitzt und bei dieser Temperatur für 30 min gehalten werden. Anschließend erfolgt ein Abkühlen an ruhender Luft, ins- besondere mit einer Abkühirate von etwa 5 Kis.
Darüber hinaus ist jedoch auch eine Wärmebehandlung ausschließlich bei einer nied- rigeren Temperatur und dafür über eine längere Dauer möglich. Dazu werden bei- spielsweise die Stahl-Schrauben zum Bilden einer intermetallischen Zink-Eisenphase in einem Kammerofen mit einer Aufheizrate von etwa 10 K/min bis auf 250 °C erhitzt und bei dieser Temperatur für etwa 6 Stunden bis hin zu 10 Stunden oder länger gehalten. Anschließend erfolgt ein Abkühlen an ruhender Luft, insbesondere mit einer Abkühlrate von etwa 5 Kis. Besonders bevorzugt erfolgt nach der Wärmebehandlung bei 300 C keine vollstan- dige Abkühlung, sondern die Stahl-Komponenen werden anschließend noch über eine längere Dauer, insbesondere von 6 Stunden, bei einer Temperatur von 250 °C gehalten, wie in Fig. 1 dargestellt. Hierdurch wird ein gleichmäBigeres Ergebnis über | alle Stahl-Komponenten sowie ein ungestôrterer, gleichmäRfigerer Schichtaufbau je- | der Stahl-Komponente erreicht. | 20 Bei einer weiteren Ausführung erfolgt das galvanische Beschichten einer Stahl-Kom- ponente eines elektrischen Kontaktelementes mittels eines cyanidfreien, alkalischen Zink-Elektrolyten. Unmittelbar nachfolgend wird eine Passivierung vorgenommen, wobei überwiegend aus Chrom- und/oder Zinkoxiden gebildete organokeramische Schichten auf die verzinkte Oberfläche der Stahl-Komponente aufgebracht werden.
Anschließend erfolgt als letzter Herstellungsschritt der Stahl-Komponente eine Wär- mebehandlung des verzinkten und passivierten Bauteils in einem Ofen bei einer Tem- peratur von 300 °C über eine Dauer von 30 Minuten. | 30 Eine weitere Ausführung geht von einem identisch mit Zink beschichtetem Bauteil aus, wobei eine Wärmebehandlung in zwei Schritten erfolgt. Dabei wird das Bauteil zunächst auf 350 °C erhitzt und dort für 30 Minuten gehalten. Nachfolgend wird das
LU101954 | Bauteil auf 300 °C abgekühlt und dort für eine weitere Stunde gehalten. | Nach dem vollständigen Abkühlen erfolgt eine Passivierung, wobei dies mittels eines | nicht hitzebeständigen Passivierungsmittels erfolgen kann. .

Claims (10)

-16 - Anspriiche
1. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- ner Stahl-Komponente, mit den Schritten: - Aufbringen einer Zinkschicht auf die Oberfläche der Stahl-Komponente mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens und nachfolgend - Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb von 420 °C zum ge- Zielten Bilden von intermetallischen Zink-Eisen-Phasen in der galvanisch abgeschiedenen Zinkschicht zur Optimierung des Reibwertes.
2. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- ner Stahl-Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer Zinkschicht sowie alle nachfolgenden Verfahrensschritte zur Herstellung der zinkbeschichteten Stahl-Komponente bei Temperaturen un- terhalb von 420 °C erfolgen.
3. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- ner Stahl-Komponente nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Haltezeit der Wärmebehandlung zwischen 20 Minuten und 10 Stunden, bevorzugt zwischen 20 Minuten und 6 Stunden und besonders bevorzugt zwischen 30 Minuten und 4 Stunden beträgt.
4. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- ner Stahl-Komponente nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmebehandlung bei einer Tempe- ratur zwischen 250 °C und 310 °C erfolgt, wodurch eine {-Phase des Eisen- Zinks gebildet wird.
5. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- ner Stahl-Komponente nach wenigstens einem der vorhergehenden Anspri- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Tempe- ratur zwischen 340 °C und 360 °C erfolgt, wodurch eine ö-Phase des Eisen- I Ell, |
Zinks gebildet wird. |
6. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- à ner Stahl-Komponente nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü- | che, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Stahl-Komponente vor | dem Aufbringen der Zinkschicht gebeizt und/oder vorverzinkt wird. |
7. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- | ner Stahl-Komponente nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü- | che, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Zinkschicht È und/oder nach dem Beizen und/oder nach dem Vorverzinken eine weitere . Wärmebehandlung gegen eine mögliche Wasserstoffversprédung vorgenom- .
men wird, die bei Temperaturen zwischen 200 °C und 250 °C erfolgt. |
8. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- |! ner Stahl-Komponente nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü- .
che, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Zinkschicht eine .
+ Passivierung der Zinkoberfläche durch eine organokeramische Beschichtung ; erfolgt. È
9. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- | ner Stahl-Komponente nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprii- | che, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zum Bilden der | Zink-Eisen-Phasen bei der Verwendung einer temperaturbeständigen Passi- | vierungsschicht im Anschluss an die Passivierung erfolgt. |
10. Verfahren zum Herstellen einer reibwertoptimierten Zinkbeschichtung auf ei- | ner Stahl-Komponente nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprü- | che, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Zinkschicht auf die | Oberfläche der Stahl-Komponente in dem galvanischen Abscheideverfahren | mittels eines alkalischen Zink-Elektrolyten erfolgt, der stickstoffhaitige Poly- ; mere beinhaltet. |
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