glossyCAST: Spiegel-glänzende Gussoberflächen ohne Trennmitteleinsatz

Zinkdruckguss eignet sich dank seiner mechanischen Eigenschaften und der Möglichkeit zur Oberflächenveredelung hervorragend für die Fertigung von Alltagsgegenständen. Insbesondere bei dekorativen Anwendungen, wie im Automobilbereich oder bei Badezimmerarmaturen, gelten hohe Qualitätsstandards. Defekte können durch Trennmittel im Gießprozess oder Nachbearbeitung entstehen, was die Galvanisierung erschwert und den Ausschuss erhöht. Ein Forschungsprojekt von Fraunhofer IFAM und fem entwickelte eine neue Trennbeschichtung für Druckgießformen, die ohne Trennmittel auskommt. Durch polierte Formoberflächen entstehen qualitativ hochwertige Gussteile mit weniger Nachbearbeitungsbedarf. Die verbesserte Oberflächenqualität verkürzt die Vorbehandlungszeit und spart Material, Zeit sowie Abwasser beim Galvanisieren.

Einleitung

Bauteile aus Zinkdruckguss sind heutzutage HightechProdukte, die für unterschiedlichste Einsatzzwecke verwendet und in vielen Bereichen des täglichen Lebens, im Automobil-, Maschinen- und Apparatebau, in der Elektrotechnik und Elektronik sowie im Bauwesen und im Möbelbau eingesetzt werden. Weltweit werden jährlich ca. 2 Millionen Tonnen Zink-Druckgussteile produziert, davon in Deutschland etwa 70.000 Tonnen [1]. Ursächlich für den Markterfolg von Zinkdruckguss ist, dass dieser eine ideale technische Basis für die kostengünstige Herstellung perfekter Oberflächen bietet und dabei engste Toleranzen für die Produktion leichter, dünnwandiger Bauteile erlaubt. Somit ist das Verfahren immer dort gefragt, wo große Stückzahlen und hohe Präzision gefordert werden. Während des Gießens lassen sich zusätzlich präzise Oberflächenstrukturen, wie z. B. Feingewinde oder Beschriftungen, integrieren. Zinkdruckgussbauteile eignen sich hervorragend für eine anschließende Oberflächenbehandlung. Dies kann, je nach Einsatzzweck und Anforderungsprofil, eine dekorative oder funktionelle galvanische Beschichtung, eine Passivierung oder eine Lackierung sein. Etwa 50 % der hergestellten Druckgussteile werden galvanisiert, wobei die Beschichtungskosten etwa ein Drittel der Gesamtkosten ausmachen [2]. Bei der Herstellung von Zinkdruckguss-Bauteilen müssen vor jedem Gießzyklus Trenn- und Schmiermittel auf die Kavität der Form aufgetragen werden, damit die Zinkdruckgussteile sicher entformt und so beim Ausstoßen aus der Gießform nicht beschädigt werden. Jedoch müssen aufgrund der Verwendung dieser Hilfsstoffe die Gussteile zunächst aufwendig nachgearbeitet werden, um die vom Markt erwartete Oberflächenqualität gewährleisten zu können. Darüber hinaus kann die Verdampfung und Pyrolyse der Hilfsstoffe während des Gussprozesses zur Bildung von oberflächennahen Poren führen, einem der größten Qualitätsprobleme des Zinkdruckgusses. Typische, auf den Einsatz von Trennmittel zurückzuführende Gussfehler sind z. B. Poren, Schlieren, Rauigkeiten, Fließlinien und Trennmittelrückstände auf der Gussteiloberfläche. Bei dekorativen Gussteilen werden oberflächennahe Fehler erst durch die nachgelagerten Prozessschritte des Schleifens und Polierens freigelegt. Einige Fehler werden sogar erst nach der galvanischen Beschichtung auf der dann glänzenden, spiegelnden Oberfläche sichtbar und führen erst ganz am Ende der aufwendigen Prozess- und Wertschöpfungskette zum Ausschuss, dem sogenannten „Edelschrott“ [3,4].

Abb. 1: REM-Aufnahmen von Zinkdruckgussbauteilen a) vor dem Polieren der Form, b) nach dem Polieren der Form

Formbeschichtungen für Druckgießformen

Zur Überwindung der dargelegten Einschränkungen stellen derzeit am Markt verfügbare dauerhafte Verschleißschutzbeschichtungen für Druckgießformen, wie sie mit CVD- und PVD-Verfahren hergestellt werden, eine Teillösungsmöglichkeit dar. Hier werden CrN, TiAlN, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ sowie weitere Nitride und Boride zur Anwendung gebracht. Sie erlauben bereits eine signifikante Reduktion des Trennmittelverbrauchs. Allerdings ist es technisch anspruchsvoll, diese Schichten auf komplexen Formen haftfest zu applizieren, denn zumeist sind diese spröde und weisen hohe Eigenspannungen auf. Zudem unterscheidet sich der thermische Ausdehnungskoeffizient deutlich von dem des Substratwerkstoffs. Dies erfordert das zusätzliche Aufbringen aufwendiger und teurer Haftvermittlerschichten. Insofern bestehen an dieser Stelle technische Einschränkungen und wirtschaftliche Hinderungsgründe, die einer breiten Verwendung derartiger Schichten entgegenstehen. Plasmapolymere Trennschichten bieten eine vielversprechende Alternative zu konventionellen PVD-Beschichtungen im Zinkdruckguss. Im Gegensatz zum Stand der Technik können diese Beschichtungen im Bedarfsfall schonend entfernt werden, sodass eine Neubeschichtung auch mehrfach ohne Qualitätseinbußen vorgenommen werden kann. Plasmapolymere Schichten bieten nicht nur einen hervorragenden Verschleißschutz, sondern wirken auch als Trennschichten aufgrund ihrer niedrigen Oberflächenenergie. Diese Doppelfunktion macht sie besonders wertvoll in Anwendungen, bei denen sowohl Schutz vor mechanischer Abnutzung als auch eine effektive Trennung von Materialien erforderlich ist. Durch ihre spezielle Struktur und Zusammensetzung können plasmapolymere Schichten die Lebensdauer von Druckgießformen verlängern und gleichzeitig die Effizienz von Produktionsprozessen steigern.

Abb. 2: polierte Form mit a) Hochglanz, (b) technischem Glanz

Oberflächenbehandlungsverfahren für Zinkdruckguss

Das je nach Einsatzzweck resultierende Anforderungsprofil an die Oberfläche eines Zinkdruckgussbauteiles kann durch eine große Vielzahl an Verfahrensvarianten umgesetzt werden, wie beispielsweise Lackieren, Aufbringen von Konversionsschichten oder Galvanisieren. Eine Übersicht typischer Veredlungsverfahren ist in Tabelle 1 dargestellt. Rein funktionale Zinkdruckguss-Bauteile werden nicht galvanisiert, sondern direkt passiviert. Je nach Anspruch an Optik und Korrosionsschutz erfolgt eine Verzinkung mit anschließender Passivierung. Dadurch ist die Angleichung des Aussehens an kombiniert verbaute verzinkte Stahlteile möglich. Nach entsprechender Vorbehandlung ist alternativ eine Lackierung von Zinkdruckguss möglich. Bei hohen Anforderungen an die Zinkdruckgussteile hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Optik und Haptik werden in der Regel galvanische Verfahren gewählt. Für dekorative Applikationen kommt häufig die Beschichtungsreihenfolge Kupfer, Nickel, Chrom zum Einsatz. Die Unterschichtungen dienen einer guten Haftfestigkeit, zur Einebnung und zur Optimierung des Korrosionsschutzes, während mit den Deckschichten der optische Eindruck vermittelt wird. Die Gesamtschichtdicke liegt im Bereich 25-50µm, was einen relativ großen Materialeinsatz und lange Prozesszeiten erfordert sowie die Maßhaltigkeit erschwert.

Material und Methoden Trennmittelfrei hergestellte Zinkdruckgussteile

Die am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) entwickelte fortschrittliche Trenn- und Easy-to-clean Beschichtung wird mittels eines kalten Plasmaverfahrens als Gradientenschicht aufgetragen und eignet sich für Materialien wie Werkzeugstahl, Edelstahl und Aluminium. Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften des Beschichtungsverfahrens können alle Formteile und selbst spiegelglänzende Oberflächen mit einer dünnen homogenen Schicht überzogen werden. In Praxisversuchen wurden Druckgießformen in Teilbereichen der Kavität hochglanzpoliert und die gesamte Druckgießform mit einer plasmapolymeren Trennbeschichtung beschichtet. Im Gießprozess wurden die Zinkdruckgussteile mittels Standarddruckgussparametern im Warmkammerverfahren hergestellt. Durch Verzicht auf den Sprühprozess konnte dargestellt werden, dass Prozesszeit eingespart werden kann und somit die Ausbringung an Gussteilen entsprechend höher ist.

Parameter der elektrochemischen Abscheidung

Die Zinkdruckgussproben (Abb. 3a + b) wurden zuerst kathodisch entfettet, danach dekapiert/aktiviert und anschließend in einem cyanidischen Kupferelektrolyten beschichtet. Final wurden die Bauteile in einem Glanznickel-Elektrolyten vernickelt (Abb. 7a + b). Die verwendeten Elektrolyte und Behandlungsparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Ergebnisse und Diskussion: Mikroskopische Untersuchung und Bewertung der Gussqualität der Zinkdruckgussteile

Im Rahmen der Forschungsarbeiten des Forschungsinstituts für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde der Fokus auf die Analyse der mit und ohne Trennmittel hergestellten Proben gelegt, wobei sowohl die Beschaffenheit vor als auch nach der galvanischen Beschichtung untersucht wurde. Untersuchungen an Zinkdruckgussteilen mittels REM und Konfokalmikroskop zeigten zunächst, dass die Morphologie (Abb. 1 links) und die Oberflächenrauheit (Bild 8a) der gegossenen Proben nicht ausreichend ist, um auf Nachbearbeitungsverfahren wie Schleifen und Polieren zu verzichten. Zur Reduktion der Oberflächenrauheit und zur Erzeugung von Hochglanzoberflächen wurden die Oberflächen der Wechselkerne in der Form zunächst poliert und anschließend beschichtet. Dabei wurden die Oberflächen der Wechselkerne auf technischen Hochglanz (B2, R_a = 0,05 µm) und Hochglanz (B0, R_a = 0,02 µm) poliert und anschließend mit den plasmapolymeren Trennschichten beschichtet (Abb. 2a + b). Die mikroskopischen Aufnahmen der Oberfläche des Bauteils nach der mechanischen Politur der Form zeigen eindeutige Veränderungen in der Morphologie sowie eine Reduktion der Oberflächenrauheit (Abb. 8b). Die Abbildungen 3a + b präsentieren Zinkdruckgussbauteile (Schweinchen), die im Warmkammerverfahren vor dem Galvanisierungsprozess gefertigt wurden. Die mikroskopischen Untersuchungen und Rauheitsmessungen (Abb. 1b + 8b) zeigen eine glatte Oberfläche mit geringerer Rauheit.

Untersuchung im Querschliff per Lichtmikroskop

Die Untersuchung von Zinkdruckgussproben im Querschliff ermöglicht die Beurteilung der Gusshaut. Die Zinkdruckguss-Bauteile wurden mit einer 10%igen NaOH geätzt und im Querschliff mit dem Lichtmikroskop untersucht, um Gefüge, Korngrenzen, Kornflächen und Gusshaut der Proben zu charakterisieren. Die exakte Dicke einer Gusshaut zu bestimmen ist oft schwierig, trotzdem wurde in diesem Fall die Schichtdicke der Gusshaut auf 30 bis 45 µm angenommen (Abb. 4). Eine qualitativ hochwertige Gusshaut bei Zinkdruckguss, die ohne den Einsatz von Trennmitteln entsteht, ist durch eine feinkörnige Struktur und geringe Porosität gekennzeichnet. Es sei jedoch angemerkt, dass eine vollständige Vermeidung von Poren und Lunkern im Druckguss praktisch unmöglich ist [7]. Wie in Abbildung 4 dargestellt wird, lässt sich anhand der durchgeführten mikroskopischen Analyse die Präsenz geringer und kleiner Poren in der untersuchten Probe bestätigen. Aufgrund der hochwertigen Zinkdruckgussoberflächen kann auf die Nachbearbeitung (Schleifen und Polieren) verzichtet werden. Dadurch bleibt die Gusshaut intakt.

Porenanalyse mit 3D-Röntgen-Computertomografie:

Zinkdruckgussproben weisen normalerweise viele Poren und Lunker auf. Die Verwirbelungen durch die Strömung der Schmelze während des Druckgießverfahrens und die Verwendung von Trennmitteln sind die Ursache dafür. Aufgrund dieser Tatsache ist die Vermeidung von Poren und Lunkern schwierig. Durch eine Optimierung der Gießparameter und das Vermeiden von Trennmitteln kann dieser unerwünschte Effekt jedoch reduziert werden. Zur Überprüfung der Gussqualitäten wurde eine Porenanalyse mit Hilfe der 3D-Röntgen-Computertomografie durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Zinkdruckgussteile, die ohne Trennmittel hergestellt wurden, im Vergleich zu denen, die mit herkömmlichen Methoden hergestellt wurden, weniger Poren und Lunker aufweisen. Die Abbildung 5 präsentiert die Porenanalyse der Probe, welche ohne Trennmittel hergestellt wurde.

Galvanische Abscheidung

Die konventionell gefertigten Zinkdruckgussbauteile weisen in der Regel eine hohe Rauheit auf. Um eine Reduzierung der Oberflächenrauheit bei der galvanischen Abscheidung zu erreichen, verwendet man eine Glanzkupfer-Schicht aus einem sauren Kupfer-Elektrolyten zwischen der Kupferschicht aus einem cyanidischen Elektrolyten und der Glanznickelschicht (Abb. 6a).

Abb. 6: a) Typische Schichtfolge bei der Zinkdruckgussbeschichtung, b) neue Schichtfolge (Wegfall sauer Kupfer, Reduktion der Schichtdicken cyanidisch Kupfer und Glanznickel)

Der wesentliche Vorteil des Projekts besteht in der Herstellung von Bauteilen mit geringen Rauheitswerten, wodurch auf die Abscheidung einer üblichen Glanzkupferschicht verzichtet werden kann. Infolge der geringen Oberflächenrauheit wurde zudem der Effekt einer Reduzierung der Kupfer- und Nickelschichtdicke in Betracht gezogen.

Die Expositionszeit und die Stromdichte der galvanischen Verfahren wurden in dem Projekt so gewählt, dass 5 und 10 µm aus dem cyanidischen Kupferelektrolyt, und 5 und 10 µm Nickel aus Glanznickel-Elektrolyt abgeschieden wurden. Da die Oberfläche der Zinkdruckguss-Bauteile, welche ohne Trennmittel hergestellt wurden, eine geringe Rauheit aufweist, wird auf die Abscheidung einer Glanzkupferschicht (sauer Kupfer) verzichtet (Abb. 6b).

Im nächsten Schritt wurde untersucht, wie sich die Reduktion der Schichtdicken auf die Korrosionsbeständigkeit und die Rauheit auswirkt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Zinkdruckgussbauteile nach dem Galvanisierungsprozess (Abb. 7).

Rauheitsmessung mittels Konfokalmikroskop

Die Zinkdruckgussproben wurden vor und nach den Beschichtungen mit einem Konfokalmikroskop untersucht, um die Oberflächenrauheit (R_a, R_z) zu bestimmen. Die Rauheitsmessungen ergaben, dass die Oberflächenrauheit der Zinkdruckguss-Bauteile nach dem Polieren der Form (technischer Glanz und Hochglanz) verringert wurde (Abb. 8b). Die Rauheitsmessungen der Proben wurden im Anschluss an die Beschichtungsverfahren (cyanidisch und Glanzkupfer, Nickel) erneut durchgeführt. Durch die Beschichtungen konnte eine zusätzliche leichte Reduzierung der Rauheitswerte bei den Proben erreicht werden (Abb. 8c).

Abb. 8: Messung der Probenrauheit (Mittelwert) mit Konfokalmikroskop (a) vor dem Polieren der Form, (b) nach dem Polieren der Form und (c) nach der Kupfer/Nickel-Beschichtung.

Korrosionsprüfungen (CASS-Test)

Abb. 9: Zinkdruckguss-Bauteile (nach 4 Stunden Korrosionsprüfung), a) 10 µm Schichtdicken mit Trennmittel, b) 5 µm Schichtdicken ohne Trennmittel, c) 10 µm Schichtdicken ohne Trennmittel

Abb. 10. Zinkdruckguss-Bauteile (nach 20 Stunden Korrosionsprüfung), a) 10 μm Schichtdicken mit Trennmittel, b) 5 μm Schichtdicken ohne Trennmittel, c) 10 μm Schichtdicken ohne Trennmittel

Die Salzsprühnebelprüfung ist die meistgenutzte Methode zur Korrosionsprüfung. Sie dient sowohl der Untersuchung von Schutzschichten als auch zur Beurteilung des Korrosionsverhaltens unterschiedlicher Werkstoffe. Der kupferbeschleunigte Salzsprühnebeltest (CASS-Test) ist ein weiteres Prüfverfahren gemäß DIN EN ISO 9227 [7]. Beim CASS-Test werden Kupfersalze in die Prüflösung eingebracht, um den korrosiven Angriff zu verstärken. Zur Evaluierung der Korrosionsbeständigkeit wurden die Zinkdruckguss-Bauteile für einen Zeitraum von 4 und 20 Stunden geprüft (Abb. 9 + 10). Die Ergebnisse der Korrosionsprüfung zeigen, dass die Korrosionsbeständigkeit der Proben, die ohne Trennmittel hergestellt wurden, höher ist als die der mit Trennmittel hergestellten Substrate. Es könnte daran liegen, dass Trennmittel die Haftung von Schutzbeschichtungen oder Oberflächenbehandlungen beeinträchtigen können. Wenn nach der Herstellung Rückstände des Trennmittels auf der Oberfläche des Zinkdruckgussteils verbleiben, kann dies die Haftung von Schutzbeschichtungen oder Oberflächenbehandlungen beeinträchtigen und somit die Korrosionsbeständigkeit negativ beeinflussen. Einige Trennmittel können chemische Reaktionen mit dem Zink oder anderen Legierungselementen eingehen. Diese Reaktionen könnten zu Korrosion führen oder die Schutzschichten des Materials beeinträchtigen. Wie erwartet zeigen die Korrosionsprüfungen, dass eine Reduzierung der Kupfer- und Nickelbeschichtung von 10 auf 5 Mikrometer die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile verringert. Bei dekorativen Anwendungen ist diese dünnere Beschichtung jedoch möglich.

Literatur

[1] Initiative Zink im Netzwerk der WVMetalle: Zinkdruckguss - Bandbreite der Einsatzbereiche und Innovationen.( 2016). https://www.bdguss.de/fileadmin/content_bdguss/BDG
[2] Pfeifer-Schäller, I.; Klein, F.: Fehler bei der Oberflächenveredlung von Zinkdruckgussteilen; 23. Aalener Gießereisymposium, Vortrag 10, 2002
[3] International Zinc Association: International Zinc Die Casting Conference Vienna, September 22-24, 2010
[4] Walkington, W. G., North American Die Casting Association, DIE CASTING defects – CAUSES AND SOLUTIONS, Wheeling, Illinois, 2007
[5] N.N.: DE 10 2017 131 085 A1 „Plasmapolymerer Festkörper, insbesondere plasmapolymere Schicht mit Kohlenwasserstoff-Netzwerkbildung, deren Verwendung sowie Verfahren zur Herstellung
[6] Brenner, T.; Vissing, K.: New insight into organosilicon plasma-enhanced chemical vapor deposition layers and thear crosslinking behavior by calculating the degree of Si-networking. Plasma Process Polym. Vol. 17 (2020)
[7] Korrosionsprüfungen in künstlichen Atmosphären – Salzsprühnebelprüfungen. (2022). Norm