Hochgeschwindigkeitsverzinkung (HGV) geometrisch komplexer Bauteile

Abstract

Um die Qualität von Beschichtung zu steigern und die Fertigungskosten durch den Wegfall nicht wertschöpfender Prozessschritte zu senken, strebt man eine Integration der Oberflächenprozesse in die Fertigungslinie an. Dieses Konzept wird als FIO - Technik (Fertigungsintegrierte Oberflächentechnik) bezeichnet. Dafür sind schnelle Prozesse erforderlich, die an die Taktzeiten der vor- und nachgelagerten Prozesse anpassen sind. Heutzutage werden jedoch bei galvanischen Prozessen Badzeiten von bis zu einer Stunde benötigt. Daher müssen die einzelnen Oberflächenprozesse um ein vielfaches beschleunigt werden.

In dieser Doktorarbeit wurden an Hand ausgewählter Zinkelektrolyte die grundlegenden Einflüsse und Zusammenhänge für die Hochgeschwindigkeitsabscheidung ermittelt. Dazu wurden in verschiedenen Beschichtungszellen der Einfluss der einzelnen Elektrolytparameter (Zink-, Leitsalz-, Säurekonzentration, Temperatur und pH-Wert) sowie der Strömung auf das Beschichtungsergebnis untersucht. Die so gewonnen Erkenntnisse wurden auf reale Bauteile übertragen. Dazu wurden der Bremssattel und das Common Rail als charakteristisches Beispiel ausgewählt, da bei diesen Bauteilen eine Integration der Oberflächenprozesse in die Fertigungslinie erstrebenswert ist.

Mit Hilfe der numerischen Simulation von Potentialfeldern und der Stromdichteverteilung (ElSy-2D und PlatingMaster) am Bauteil sowie der Berechnung der hydrodynamischen Bedingungen (Fluent) konnte eine auf das Bauteil abgestimmte Auslegung der Versuchsreaktoren durchgeführt werden. So war es möglich die Beschichtungszeit für den Bremssattel als auch für das Common Rail um mehr als das Achtfache gegenüber dem konventionellen Prozess zu reduzieren.

Die hier erarbeiteten Methoden lassen sich auch auf andere komplexe Bauteile übertragen. Die Anwendbarkeit dieser Methoden beschränkt sich dabei nicht nur auf die schnelle Verzinkung. Diese können auch bei der raschen Abscheidung anderer Metalle eingesetzt werden.

Die Auswahl und die Optimierung eines geeigneten Beschichtungsverfahrens ist in vielen Fällen zeitaufwändig. Um für Bauteile beliebiger Geometrie möglichst rasch das richtige Beschichtungsverfahren zu finden, wurde eine so genannte Entscheidungsmatrix entwickelt. Dieser neuartige Ansatz zeigt eine Möglichkeit auf, wie man durch strukturiertes und systematisches Vorgehen ein den Anforderungen entsprechendes Verfahren schnellstmöglich findet. Wichtige Werkzeuge für die Entscheidungsmatrix sind die Elektrolytcharakterisierung und die numerische Simulation der Potentialfelder sowie der Strömungsbedingungen.

In order to reduce costs and increase the quality of a coating, it is intended to integrate the plating process into the production line. Fast plating processes are required for this task. The time for the plating process must be adjusted to the production process. Nowadays, however, plating times of up to one hour are required. Therefore, the plating process must be accelerated substantially.

This work study elaborates on the process limits for a selection of zinc processes. The influences of the electrolyte parameters (zinc-, salt-, acid concentration, temperature and pH value) as well as the hydrodynamic conditions were determined with different plating cells. Within these experiments, it was possible to vary the process limits, as well as the throwing power of the electrolytes. This data can be transferred to real components. The brake calliper and the common rail were selected as a characteristic example, because Robert Bosch GmbH required an integration of the surface processes into the production line.

The numerical simulations of the potential field and the current density distribution (ElSy 2D and PlatingMaster) at the component surface were carried out. Combining these current density simulations with the hydrodynamic ones (Fluent) the coating result can be predicted. In this way, it was possible to reduce the plating time for both the brake calliper and the common rail by more than eight-fold compared to the conventional process.

These methods can be also transferred to other geometrically complicated components. The application of these methods is not limited to the high speed zinc process. These can be also used for the fast plating of other metals.

In certain cases it could be lengthy procedure to find a good plating process. In order to find easily a plating process for a component with any geometry a so-called "decision matrix“ was developed. This shows a way to find the appropriate plating process, with regards to coating requirements, by a systematic method. The electrolyte characterisation, the numerical simulation of the potential fields and the hydrodynamic conditions are the most important tools. The practical applicability of this decision matrix is shown through examples on selected components.