Polieren und Oberflächenbeschichten

Zinkdruckgusslegierungen können poliert und beschichtet werden. Speziell die galvanische Beschichtigung ist ein übliches Verfahren. Polierte Druckgussteile nehmen eine hochreflektierend glänzende Oberfläche an. Mit der Zeit werden diese ungeschützten polierten Oberflächen dunkler und nehmen eine mattgraue Färbung an. Deswegen werden polierte Zinkdruckgussteile zum Schutz mit einem klaren organischen Überzug oder – noch gebräuchlicher – mit einem galvanischen Überzug versehen. Die üblichen dekorativen galvanischen Überzüge auf Zinkdruckgussteilen sind Chrom, Nickel, Messing, Silber und Gold. Von diesen sind lediglich Chrom und Gold gegen das Mattieren sehr immun.

Zinkdruckgussteile können durch einen dünnen galvanischen Überzug aus Zink, der später klar-hell passiviert wird, beschichtet werden. Die Verwendung von solchen klar passivierten Druckgussteilen sollte auf den Innenbereich beschränkt sein. Der Verschleisswiderstand solcher Beschichtungen ist sehr begrenzt.

Trommelbeschichtung

Kleinere Zinkdruckgussteile werden oft trommelgalvanisiert, wobei zuerst eine Kupferschicht abgeschieden wird gefolgt von Nickel. Eine abschließende Chrombeschichtung ist beim Trommelgalvanisieren aus technischen Gründen nicht möglich. Trommelgalvanisieren ist verglichen mit Gestellgalvanisieren weitaus kostengünstiger, da das manuelle Befestigen und Aufhängen der Druckgussteile auf dem Gestell entfällt. Bei größeren Bauteilen scheidet Trommelgalvanisieren jedoch aufgrund der Gefahr von Beschädigungen durch Einschlagschäden während der Rotierbewegung aus. Der Kostenunterschied beim Trommelgalvaniseren von einfachen und komplexen Formen ist relativ gering, vorausgesetzt das Trommelgalvanisieren ist durchführbar und die Badverschleppungsrate sowie die Galvanisierungsdauer ist gering. Kleine runde Vorsprünge oder erhöhte Kanten sind bei flachen Oberflächen sehr nützlich, um das gegenseitiges Anhaften während des Trommelgalvanisierens zu verhindern.

Druckgussteile werden nicht nur aus dekorativen oder ästhestischen Gründen galvanisch oder chemisch beschichtet. Weitere Ziele sind z. B. verbesserter Verschleisswiderstand, Vereinfachung beim Löten oder zum Erhalt von verbesserten elektrischen Eigenschaften.

Die Bauteilkonstruktion ist bei einem chemischen Überzug nicht so entscheidend wie für den galvanischen Überzug. Bei stromlosen Überzügen wird sehr gleichmäßig auf allen Oberflächen eine Schicht aufgebaut, unabhängig von Form und Geometrie.

Druckgusskonstruktionen für galvanische Beschichtung

Bereits bei der Konstruktion des Bauteils muss die hohe Anforderung an einen qualitativ hochwertigen galvanischen Überzug berücksichtigt werden. Die Oberfläche des Druckgussteils muss vollständig frei von Oberflächenfehlern sein. So ist z.B. die Anschnittsgeometrie und -lage sowie die der Überläufe entscheidend für die Qualität der Gussoberfläche. Somit können diese werkzeugtechnischen Faktoren bei dekorativen Bauteilen kritischer sein als bei funktionalen Druckgussteilen, die nicht unbedingt eine perfekte Gussoberfläche erfordern.

Ein wichtiger Faktor ist zudem die Frage, mit welchem Verfahren das Bauteil geschliffen und poliert werden soll und mit welcher Maßnahme der Trennlinienverlauf entfernt werden soll. Diese Kriterien haben großen Einfluss auf die Bauteilkonstruktion. Ein weiterer Faktor, der bedacht werden muss, ist die Aufdickung der galvanischen Beschichtung bei konvexen Oberflächen und Außenecken. Im Gegensatz dazu besteht das Risiko einer zu dünnen nicht ausreichenden galvanischen Beschichtung bei konkaven Oberflächen und Innenecken. Grossflächige ebene Oberflächen sollten bei Hochglanzbeschichtung vermieden werden. Die leichtesten Abweichungen bei der maschinellen Bearbeitung und beim Beschichtungsverfahren, verändern die Spiegelung der Oberfläche.

Fußnote 2

Der nachstehende Leitfaden soll dazu dienen, einen optimalen Beschichtungsprozess, eine gleichmäßige Verteilung der Beschichtungsmetalle und eine Sicherstellung der Haftfähigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig sollen die Beschichtungs- und Galvanisierungskosten minimal gehalten werden.

Abweichungen von diesem Leitfaden können zusätzliche Kosten mit sich bringen und die Produktivität reduzieren.

Der weitere Verlauf dieses Abschnitts basiert auf einer breiten Erfahrung beim Verchromen von Zinkdruckgussteilen. Die weiteren Angaben beziehen sich auf den Verchromunsprozess. Diese Hinweise und Empfehlungen können aber auch auf andere galvanische Oberflächenbeschichtungen übertragen werden.

Beim Verchromen werden Zinkdruckgussteile in der Folge mit Cyan-Kupfer, Sauer-Kupfer, einer oder zwei Nickelschichten und Chrom galvanisch überzogen. Die Schichtdicke einer jeden Unterschicht wird entsprechend im Lastenheft des Kundes definiert und kontrolliert. Die Bearbeitung wie z. B. das Schleifen, Polieren oder das Gleitschleifen sowie das nachfolgende Beschichten können mehr als die Hälfte der gesamten Produktionskosten eines Druckgussteils ausmachen.

Die Konstruktion des Druckgussteils sollte so ausgeführt werden, dass mögliche Beschichtungsprobleme von Anfang an minimal gehalten werden. Trennlinien, Anguss, Entlüftungsfahnen, Überlaufbohnen und Auswerfer sollten optimal positioniert werden, um Markierungen oder Rückstände nach dem Entgraten weitestgehend zu vermeiden. Wenn möglich, sollten diese sich auf nicht sichtbaren bzw. unbedeutenden Bereichen oder Oberflächen befinden. Der Anguss, die Entlüftungen und die Überlaufbohnen müssen ebenfalls so positioniert und ausreichend dimensionniert sein, dass eine einwandfreie Gussqualität mit einer guten Oberflächengüte produziert werden kann. Eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Druckgiesser und dem Beschichter ist hierbei bereits in einer frühen Phase wichtig, um diese unterschiedlichen und oft miteinander in Konflikt stehenden Kriterien zu erfüllen.

Da eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms in einem Galvanisierbecken technisch nicht möglich ist, kann sich dies für komplexe Druckgussteile mit vielen kleinen Details negativ auf die Schichtdicke auswirken. Der elektrische Strom folgt den Gesetzen der Physik und folgt den Linien mit dem geringsten elektrischen Widerstand. Die Komplexität und die Geometrie des Druckgussteils beeinflusst die Stromdichte und somit die Schichtdicke entlang der Teilekontur. Eine gleichmäßige, uniforme Beschichtungsdicke wird nur an leicht gekrümmten und konvexen Oberflächen erzielt. Ecken, Kanten, Rippen, Versteifungen und andere Ausdehnungen werden mit einem erhöhten Anteil des galvanischen Metalls beaufschlagt. Dagegen erhalten Kerben, Riefen, Rillen, Verzahnungen, Löcher, Bohrungen, Hohlräume und Vertiefungen weniger Beschichtungsmaterial.

Der Bereich, der den dünnsten galvanischen Überzug erhält, ist der Bereich mit der höchsten korrosiven Empfindlichkeit. Deswegen wird in Spezifikationen und Vorschriften entsprechend dem Bauteil eine Mindestdicke des galvanischen Überzugs vorgesehen. Verschiedene Hilfsmittel wie z.B. der Gebrauch von Abschirmungen, Blenden, Kathoden und Hilfsanoden können dabei helfen, die Beschichtungsdicke während des Galvanisierprozesses auszugleichen, indem die Stromdichte entsprechend dieser Geometrie verändert wird. Eine angepaßte Bauteilgeometrie ist jedoch die effektivste Methode zur Kostenkontrolle.

Die Konstruktionskriterien für das Polieren, das Schleifen und das galvanische Beschichten sind normalerweise ein Kompromiss zwischen Funktionalität, physikalischen Gesetzen der Stromtechnik und den stylistischen bzw. ästhetischen Geometrieanforderungen. Die folgende Liste und die nachfolgenden Diagramme fassen diese Kriterien zusammen:

– Konvexe Oberflächen werden flachen ebenen Oberflächen vorgezogen. Eine Mindestwölbung von 0,015 mm/mm wird empfohlen, um die Metallverteilung zu verbessern und bestimmte Fehlerstellen auf der Gussoberfläche aufgrund eines ungleichmäßigen Polierens in den Hintergrund zu stellen. Wenn absolut plane und flache Oberflächen unverzichtbar sind, so kann eine Satinchrom-Beschichtung eher als eine helle glänzende Chrombeschichtung die Oberflächenwelligkeit überdecken oder zumindest nicht stärker hervorheben.

– Alle Kanten sollten gefast oder abgerundet werden mit einem Radius von mindestens 0,5mm bis 1mm. Kleine Radien werden durch das galvanisierte Metall reduziert und neigen zu einem unregelmässigen Verlauf der Kanten. Scharfe Kanten sollten aus mehreren Gründen vermieden werden. Erstens ensteht durch den galvanischen Überzug ein wulstartiger Schichtaufbau. Zweitens können bei Lackierungen scharfe Kanten den Farbfilm abreißen lassen und es kommt somit zu einer unbeschichten Fehlstelle, die anfällig für Korrosion ist. Drittens erschweren scharfe Kanten den Merallfluss während des Gießens. Viertens beschädigen sie den Verbundstoff der rotierenen Polierscheibe.

– Die Tiefe einer konkaven Aussparung sollte soweit wie möglich reduziert werden. Tiefliegende Bereiche die mehr als 50% ihrer Breite bzw. ihres Durchmessers überschreiten, sollten vermieden werden. Dies führt zu einer überproportionalen Verlängerung der Galvanisierdauer zur Erreichung einer Mindestschichtdicke des galvanischen Überzugs. Selbst wenn die Seitenwände abgeschrägt und die Innen- und Außenwinkel abgerundet sind, wird die Galvanisierungsgsdauer erhöht. Die Homogenität der Schichtdicke des galvanischen Überzugs in Durchlässen und tiefen Aussparungen mit einem Mindestdurchmesser von 50 mm kann verbessert werden, indem Leitbleche zur Abdeckung von Bereichen mit hoher Stromdichte eingesetzt werden. Hilfsanoden können zur Fokussierung von zusätzlichem Strom am Fuß und an den Seitenwänden der Aussparung genutzt werden. Diese Hilfsmittel führen zu einer Reduzierung der Galvanisierungsdauer Die Herstellung der Leitbleche und der speziellen Anoden ist zwar ein zusätzlicher Kostenfaktor. Dieser ist aber generell geringer als der Anstieg der Kosten bedingt durch die längere Expositionzeit. Die nachstehende Tabelle listet einige typische Differenzen der Galvanisierungskosten mit Elementen tiefer Nuten and Aussparungen, als Funktion der Verhältnisse aus Tiefe zur Weite, auf. Die Prozentzahlen stehen für einen ungefähren Mehrpreis für Nuten mit rechten Winkeln, bei einem Radius von mindestens 1 mm. Wird eine hochwertige Spiegelbeschichtung für die Nuten oder Aussparungen gefordert, so erhöhen sich die Kosten für das Polieren und das Galvanisieren in diesem Bereich.

Mehrpreis für galvanische Beschichtungen bei Elementen mit tiefen Nuten und tiefen Aussparungen

Verhältnis Tiefe/Weite	Anstieg derExpositionzeit %	Ungefährer Mehrpreis in %
1/2	20	12
5/8	40	24
3/4	60	36
7/8	80	48
1	100	60

– Einschnitte mit flachem Boden sollten abgerundet werden und ihre Tiefe auf 50 Prozent ihrer Weite begrenzt werden. Vertiefungen erhöhen generell die Galvanisierkosten, abhängig von der Weite und dem Radius der Winkel zwischen den senkrechten Ebenen. Die für spezifische Einschnitte vorgeschlagenen Radien werden in der Tabelle unten zusammengefasst. Die Innen- und Außenwinkel der Einschnitte können natürlich gefast oder gesamt abgeschrägt werden anstelle abgerundet. In solchen Fällen sollte der definierte Mindestwinkel 100° betragen.

Mindestradien für Winkel, definiert durch Einschnitte

Tiefe des Einschnittes mm	Mindestradius des Winkels zwischen senkrechten Ebenen mm
1.60	0.4
3.20	0.8
6.40	1.6
9.50	2.4
12.7	3.2

Wenn aus funktionalen Erwägungen heraus ein kleinerer Winkel erforderlich ist, so kann an der Innenseite die Mindestdicke nicht erreicht werden. Die Korrosionsbeständigkeit, besonders an den Außenrändern des Einschnittes, verschlechert sich.

Die ASTM 142-58 beinhaltet die Bestimmung, dass Löcher, Aussparungen und die Winkelfüße im Normalfall von den Erfordernissen für signifikante Oberflächen ausgenommen sind. Außerdem wird vorgeschlagen, dass signifikante Oberflächen als diejenigen Elemente einer sichtbaren Oberfläche definiert werden sollten, die mit einem Kreis von 19,0 mm Durchmesser belegt werden können, der zwischen Hersteller und Käufer vereinbart wurde. Viele Käufer benutzen dieses Verfahren zur Definition von Ausnahmen nicht mehr.

– Wenn Nuten mit scharfen Winkeln aufgrund spezifischer dekorativer Effekte erwünscht sind, wird eine organische Beschichtung zum Schutz des Bodens der Nuten empfohlen. Eine solche Beschichtung, die nach der Galvanisierung angewandt wird, ergibt mit den spiegelartigen Bereichen der galvanisierten Oberflächen zwischen den Nuten einen starken Kontrast. Die lackierte Beschichtung ist normalerweise kostengünstiger als der Mehrpreis für die Galvanisierung des Bodens der Nuten, wenn eine spezifizierte Mindestdicke für Cu-Ni erforderlich ist.

– Die Weite von Schlitzen und Löchern sollte mindestens zweimal die Tiefe betragen. Schlitze sollten so verteilt werden, dass die Distanz zwischen den Mittelpunkten mindestens viermal ihre Weite ausmacht. Um Komplikationen verringern, sollten die Kanten von Schlitzen und Löchern gefast oder abgeschrägt werden. Ringförmige oder elliptische Konturen zwischen den Schlitzen werden gegenüber viereckigen und rechteckigen Formen bevorzugt.

– Die Anzahl der Sacklöcher sollte minimiert werden, sowie ihre Tiefe auf die Hälfte ihrer Weite begrenzt. Ein Durchmesser mit weniger als 5 mm sollten u.U. vermieden werden, andernfalls ist die Dicke des galvanischen Überzugs innerhalb der Löcher unzureichend. Sacklöcher an gegenüberliegenden Seiten eines Druckgussteils sollten möglichst vermieden werden, um eine Verschleppung des Elektrolyts gering zu halten.

– Gewindelöcher sollten angesenkt werden, um eine Aufdickung des galvanischen Überzugs an ihren Rändern zu verhindern und das Einsetzen von Schraubenkomponenten nach der Beschichtung vereinfachen. Löcher, die ein Gewinde, eine Verrippung oder eine Verrillung aufweisen, werden ungleichmässig beschichtet. Dies muss bei einer späteren Montage berücksichtigt werden. Desweiteren sollte bedacht werden, dass bei diesen Lochungen Reinigungslösungen oder Elektrolyte eingeschlossen werden können, die zu Korrosion führen. Als Abhilfe wird das Gewinde nach dem Galvanisieren geschnitten oder aber dieses mit einem speziellen Gummipfropfen verschlossen.

– Die Höhe von Rippen sollte soweit wie möglich gesenkt werden. Ein großzügiger Radius von mehr als 1,5 mm wird am Rippenfuß empfohlen. Spitze Laschen sollten zumindest denselben Radius haben. Parallele Lamellen oder Rippen sollten so angeordnet werden, dass die Distanz zwischen den Mittelpunkten mindestens viermal so groß wie ihre Dicke ist. Dadurch wird eine angemessene Dicke des galvanischen Überzugs am Boden zwischen den Lamellen erreicht. Allgemein werden breite, hohle Rippen oder Lamellen gegenüber schlanken und massiven bevorzugt.

– Senkrecht zueinanderstehende Flansche und Abschirmungen von sichtbaren Bereichen führen zu ungleichmässigen Schichtdicken und verlängern somit die Expositionszeit. Ein kleiner Flansch von 6,4 mm oder weniger kann akzeptiert werden, wenn die Innenwinkel mit einem Radius von 2,4 mm oder mehr abgerundet werden. Die Seiten sollten um 3° abgeschrägt werden; herausragende Kanten sollten großzügig gerundet werden.

– Vertiefte Schriftzeichen werden für die Kennzeichnung des Produktes eher empfohlen als erhabene. Die Kanten sollten mit sanften Konturen gerundet sein. Eine dekorative Lackierung im flach vertieften Sinnbild liefert einen Kontrast zum galvanischen Überzug. Wenn erhöhte bzw. erhabene Schriftzeichen erforderlich sind, können jene mit einer Höhe von 50% der Weite oder weniger besser beschichtet werden als höhere Schriftzeichen. Die Maximalhöhe sollte 5 mm nicht überschreiten. Ecken und Kanten sollten gerundet werden, andernfalls werden Oberflächen, die an kleine Durchlässe angrenzen unzureichend beschichtet. Die üblichen Auszugsschrägen sollten eingehalten werden.

– Angrenzende Konturen mit einer ringförmigen oder elliptischen Form führen zu einer gleichmässigen Beschichtung. Hervorstehende Element oder andere angrenzende Erhöhungen verhindern eine gleichmässige Beschcihtung und verlängern die Beschichtungsdauer.

– Mitgegossene Zapfen für Schraubenverbindungen sollten so niedriges wie möglich sein. Die Innenwinkel jedes Zapfenfußes sowie die Spitze sollten großzügig gerundet sein. Durch die gerundete Spitze wird der galvanische Metallauftrag verringert. Falls das Gewinde am Zapfen vor der Beschichtung geschnitten wird, sollte die Schichtdicke auf den Bereich von 5 bis 7.5 µm begrenzt sein. Generell sollte die „allowance“ einen 5mal so gross Wert annehmen wie die Beschichtungsdicke. Spezielle Gewinde müssen geschnitten werden, falls dickere Beschichtungen erforderlich sein sollten.

– In schöpfenden Vertiefungen müssen Ablassbohrungen vorsehen werden damit Badverschleppungen möglichst verhindert werden. Röhrenförmige Bauteile sollten ebenfalls Ablassbohrungen aufweisen. Alternativ können diese komplett verschlossen werden.

Komplexe Formen und Geometrien können Lufteinschlüsse während des Galvanikprozesses zur Folge haben. Dabei können fehlerhafte und nicht ordnungsgemäß galvanisierte Bereiche entstehen. Außerdem werden Befestigungs- und Aufhängepunkte für Gestelle benötigt, die einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem zu galvanisierenden Bauteil und dem Gestell während der Beschichtung ergeben. Ein solcher Befestigungs- und Aufhängepunkt kann ein Loch, ein Gewinde, ein Anschlußstück oder Auge sein, vorzugsweise in Bereichen, in denen das äußere Erscheinungsbild untergeordnet ist.

Fußnote 25

 

Auswirkungen von Gussdetails auf den galvanischen Überzug

Beschichtungskriterien

Details werden aus Gründen der besseren Darstellung übertrieben dargestellt

    

(Original Design Feature = Ursprüngliches Konstruktionsdetail)
(Improved Design Feature = Verbessertes Konstruktionsdetail)
1. Konvexe Oberflächen und ihre ideale Form. Eine gleichmäßige Beschichtung ist einfach zu realiseren, besonders da die Kanten abgerundet sind.
2. Ebene flache Oberflächen. Nicht so erstrebenswert wie gewölbte Oberflächen. Besser eine 0,015 mm/mm Wölbung benutzen, um die Unebenheiten bzw. Welligkeiten zu überdecken, die durch ungleichmäßiges maschnelles Polieren verursacht wurden.
3. Scharfe rechtwinklige Kanten sind nicht wünschenswert. Eine reduzierte Schichtdicke in zentralen Bereichen ist die Folge. Dies erfordert eine erhöhte Beschichtungsdauer, um die Mindestdicke eines dauerhaften galvanischen Überzugs in diesem Bereich zu erlangen. Alle Kanten sollten abgerundet werden. (Kanten, die in Kontakt mit angestrichenen Oberflächen kommen werden, sollten einen Mindestradius 0,8 mm haben).

(Flansche: Breite Flanschen mit scharfen Innenkanten sollten vermieden werden. Zweckmässig sind abgerundete Kanten und geringfügig gewölbte Grundflächen. (Kerben (Nuten): enge, dicht beianderliegende Kerben und Löcher vermindern die Galvanisierbarkeit und können nur ausreichend behandelt werden, wenn Ecken gerundet sind.)

(1. Sacklöcher: Bei Sacklöchern dürfen im allgemeinen keine Ansprüche an die Mindestdicke gestellt werden)
(2. scharf abgekantete Vertiefungen: Scharfe Kanten erhöhen die Galvanierzeit und die Kosten für eine Mindestdicke und vermindern die Dauerhaftigkeit im Bezug auf die Korrosionseigenschaften der galvanisch behandelten Bauteile.)
(3. flache Kerben: Innere- und äussere Kanten sollten abgerundet werden, um die Galvanisierkosten herabzusetzen)
(4. V-förmige Kerben: Tiefe V-förmige Einschnitte können nicht zufrieden stellend galvanisiert werden und sollten vermieden werden. Flache, runde Kerben sind besser.)

(Lamellen: Gussnähte erhöhen Galvanisierzeit und Kosten für eine Mindestdicke und vermindern die Haltbarkeit des beschichteten Bauteils.)
(Rippen: eng beianderstehende Rippen mit scharfen Kanten verschlechtern im allgemeinen die Galvanisierbarkeit; weiter auseinanderstehende, breite Rippen mit gerunden Ecken stellen kein Problem dar. Jede Rippe von ihrem Mittelpunkt nach beiden Seiten verjüngen und die Ecken abrunden. Abstände möglichst verbreitern.)
(Konkave Vertiefungen: Die Galvanisierbarkeit hängt von den Dimensionen ab)

(Tiefe Rinnen: Rinnen erhöhen die Galvanisierzeit und –kosten bei einer spezifizierten Mindestdicke.)
(Spitze speerformige Vorsprünge: einen derartigen Vorsprung sollte man wölben und die Ecken abrunden.)
(Ringe: Die Galvanisierbarkeit hängt von den Dimensionen ab. Alle Ecken abrunden und von der Mittellinie abwärts gegen beide Seiten wölben)

Fußnote 21