CN106164343A - 用于钝化金属表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于钝化轻质金属构件(3)的金属表面(25)的方法，在该方法中，在钝化步骤(P)中将转化层(5)涂覆到轻质金属构件(3)的表面(25)上。根据本发明，进行钝化步骤(P)，在其中，在使用含水的钝化溶液的情况下在金属的构件表面(25)上产生含磷酸钙的转化层(5)，该转化层具有构件材料的和钝化溶液的氧化物和氢氧化物并且包含氨基酸。

Description

用于钝化金属表面的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于钝化轻质金属构件的金属表面的方法，以及一种根据权利要求15所述的用于形成用于轻质金属构件的金属表面的转化层的钝化溶液。
背景技术
在大多数行业中使用轻质金属构件是通常的实际情况。特别在汽车制造业中，例如车辆车身可以由例如轻质金属和钢板件组成的混合结构制成，以实现减重。例如，可使用铝或镁材料或其合金作为轻质金属。
从文献DE 196 30 289 C2中已知这种类型的用于车辆车身涂漆的方法。因此，白车身在真正的涂漆过程之前经受预处理，在其中，首先在喷涂区和沉浸区为车身除油。紧接着，已清洁的车辆车身在磷化池中被覆盖磷酸锌层。这用作附加的腐蚀保护和用于随后的底漆的增附剂。紧接着该预处理步骤，以浸渍法涂上电泳底漆，在其中，在施加直流电压的情况下，在浸渍池中溶解的漆颗粒被车身板件吸附并且在形成底漆的情况下保持附着在车身板件处。紧接着，将完成底漆的车辆车身输送到接在之后的连续式加热炉中，在连续加热炉中，烘烤底漆。随后，将涂有底漆的车辆车身引导到另一涂覆工位处，在该涂覆工位中，根据客户期望的色调涂上面漆。在此，漆颗粒可通过静电场从处于高压下的支撑头被输送到接地的车身处。在面漆之后同样接着连续式加热炉，在该连续加热炉中在高温下进行面漆的硬化。紧接着，在另一涂覆工位中涂上清漆层，该清漆层在随后的烘干步骤中同样在高温下进行硬化。
在以混合结构制成的车辆车身中，与钢构件相比，轻质金属构件(由Mg或Al制成的)更容易腐蚀。漆渗透腐蚀和丝状腐蚀是常常出现的缺陷形式。为了保护轻质金属构件，实际中通常的是酸洗钝化以及进行阳极涂覆。然而，工业用的覆层仅仅部分地提供对于自身腐蚀、丝状腐蚀和/或漆渗透腐蚀的必要的保护作用。在与镁的接触时，主要是认为高的电势差促进腐蚀。
工业用的用于轻质金属构件的涂覆系统没有充分的钝化效用，并且常常尤其地相对于镁过度“惰性”(也就是说过高的腐蚀潜能)。如果镁合金通过与更惰性的金属(例如铝)接触被电化学地极化，导致腐蚀电流以指数方式增加。
发明内容
本发明的目标在于，提供一种用于使轻质金属构件的金属表面钝化的方法，在其中，尤其在铝或镁的情况下实现足够的钝化并且降低接触腐蚀的风险。
该目标通过权利要求1或权利要求15所述的特征实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选的改进方案。
本发明的基本想法是，钝化溶液的成分至少基本上遵循人类血液的成分。即，出人意料地发现，人类血液的确定组份在特别是由例如铝和/或镁的轻质金属形成的金属表面上产生保护的且钝化作用的覆层。在本发明的特殊的实施变型方案中，在钝化溶液中可基本上不变地复制各个组成部分的浓度。在该背景下，根据权利要求1的特征部分进行特殊的钝化步骤，在其中，在使用含水的/稀的、尤其类似于血液的钝化溶液的情况下在金属构件表面上产生含磷酸钙的转化层，该转化层具有构件材料和钝化溶液的氧化物和氢氧化物并且包含氨基酸。
构形成有钝化的金属表面的轻质金属构件可应用在大量行业中。例如，轻质金属构件可使用在医药领域中。备选地，如有必要轻质金属构件可使用在汽车领域中，确切地说，视觉遮蔽地应用在车辆之内或者也可作为外部可见的外部件。例如，轻质金属构件可实现成车辆内部的显示屏框架、动力总成部件、行驶机构部件或座椅框架结构的组成部分。
起钝化作用的腐蚀保护底漆(也就是说转化层)使得固有腐蚀电流以10为因数地减小。此外，在减小阴极电流密度的同时点状腐蚀电势提高了超过0.5V。在此，根据本发明的转化层非常适宜地与更加惰性的材料(例如铝或钢)接触。此外，利用根据本发明的转化层减小与铝、钢、锌、碳纤维或CFK的接触腐蚀电流。此外，通过应用该覆层提高了电荷迁移电阻(也就是说，电荷迁移电阻越高，腐蚀电流越小；电荷迁移电阻与腐蚀电流成反比)。此外，产生钝化的性能，在其中，出现明显更低的整体腐蚀电流。与此相比，在传统的转化层中，得到很多细微分布的局部腐蚀部位。总地来说应强调的是，根据本发明的转化层产生低的固有腐蚀电流以及高的钝化性。与铝和钢接触时仅仅产生很小的接触腐蚀电流。
在由铝组成构件材料时，利用该钝化溶液得到紧凑的、含磷酸钙和铝的氢氧化物/氧化物的、具有氨基酸的覆层。在此，层的形态构造成岩土状，确切地说，具有夹杂布置的裂纹，例如在涂漆过程之后的KTL沉积时，该裂纹用于足够大的剩余导电能力。此外，底漆的液态的初始组份可渗入裂纹中，由此在转化层和底漆之间得到良好的附着能力。
备选地，在由镁形成构件材料时，得到紧凑的、含磷酸钙和镁的氢氧化物/氧化物的覆层，其层形态同样构造成鱼鳞状的。
以下描述本发明的另一可选的特征：即，钝化溶液优选地可具有至少以下组成部分作为用于活化构件的金属表面的活化剂：
NaCl 浓度在5500mg/l至7500mg/l之间、尤其是6400mg/l；和/或
KCl 浓度在300mg/l至500mg/l之间、尤其是400mg/l。
不仅NaCl而且KCl都用作氯化物源，并且辅助于层结构的活化，在其中，更多地从构件的表面中分解出对于层形成必要的材料离子。
此外，钝化溶液可具有至少以下氨基酸作为催化剂和层形成剂：
D-泛酸钙 浓度在2mg/l至5mg/l之间、尤其是4mg/l；和/或
肌醇 浓度在5mg/l至9mg/l之间、尤其是7.2mg/l，和/或
L异亮氨酸 浓度在80mg/l至120mg/l之间、尤其是105mg/l。
氨基酸L异亮氨酸在此特殊地用作层增附剂，其辅助转化层在金属构件表面上的附着能力。
为了辅助于层的形成，此外将Ca2+离子和/或PO4 3-离子作为碎片引入转化层中。在这种情况中，优选地钝化层可包含磷酸钙。
此外，转化层可具有含碳酸盐的组成部分。为了提供这种含碳酸盐的层组成部分，钝化溶液可包含NaHCO3。碳酸盐形成此外与可能情况下被输送的CO2相关。
作为用于辅助于层形成的另一辅助材料，钝化溶液可包含丙酮酸钠，确切地说具有在90mg/l至150mg/l之间的、尤其为110mg/l的浓度。
如以上阐述的那样，一重要的发明方面在于，人类血液的确定的组成部分以尽可能不变的浓度应用到钝化溶液上。相应地，在一实施变型方案中，含水的钝化溶液可至少包含以下组成部分，这些组成部分的浓度复制其在人类血液中的浓度：
对于涂覆性能非常重要的是钝化溶液的以下组成部分中的至少一种或多种、尤其全部：
可以在约为7的pH值情况下进行根据本发明的钝化反应。在这种情况中，仅仅缓慢地进行涂覆反应。备选地，涂覆反应也可在酸性范围中进行。涂覆反应可通过温度的提高、pH值的减小和/或通过极化和/或提高CO2的部分压力而加速。
在特殊的应用情况中，轻质金属构件可以是车辆部件，其首先利用根据本发明的钝化溶液在形成转化层的情况下被预处理。构件的转化层在随后的涂覆过程中被至少另一层覆盖。
例如，涂覆过程可具有第一涂覆步骤，在其中，形成轻质金属-KTL层、也就是说有机保护层。这以浸渍法(也就是说轻质金属-KTL)在施加直流电压的情况下进行，由此，溶解在浸渍池中的漆颗粒被金属构件吸附并且在形成轻质金属-KTL层的情况下保持附着在金属构件处。之后，在另一涂覆步骤中，涂覆粉末覆层。这在施加直流电压的情况下在粉末涂覆过程中实现。在过程可靠的涂覆方面，以上已经阐述的特殊的具有裂纹结构的岩土状的层形态是特别重要的。即，在浸渍法中并且在粉末涂覆过程中这保证了穿透转化层的充分的剩余导电能力。
在可能的应用情况中，紧接着构件涂覆过程之后，轻质金属构件、例如作为可见侧的外部件在铆接过程中被接合到未被涂漆的白车身处。之后，白车身与装配在该白车身上的轻质金属构件一起经受传统的车身涂漆过程。也就是说，以浸渍法进行白车身的电泳底漆过程，在该浸渍法中，在施加直流电压的情况下，溶解在浸渍池中的漆颗粒被白车身吸附并且在形成底漆的情况下附着在白车身处。紧接着，完成底漆的白车身被输送到连接在之后的连续式加热炉中，在其中烘烤底漆。随后，涂有底漆的白车身被输送到另一涂覆工位，在其中进行KTL过程。在KTL过程之后同样连接连续式加热炉，在其中，在高温下烘烤KTL层。紧接着，在另一涂覆工位中进行传统的汽车涂漆构造过程，其在随后的烘干步骤中同样在高温下被烘烤。
在上述车身涂漆过程中，装配在白车身处的轻质金属构件已经被预涂覆了层结构，确切地说被预涂覆了转化层、轻质金属-KTL层和粉末覆层。由此，轻质金属构件电绝缘，从而在白车身涂漆过程中电涂上的KTL层不再保持附着，而传统的汽车漆结构可毫无疑问地涂到已经被涂覆的轻质金属构件上。
以上解释的和/或在从属权利要求中给出的本发明的有利的构造和/或改进方案可单个地、但是也可以任意组合应用(除了例如在明确的相关性的情况中或不可互相协调的备选方案的情况中)。
附图说明
下面根据附图详细解释本发明及其有利的构造和改进方案以及其优点。
附图示出：
图1示出了完成涂漆的轻质金属构件的层结构，该轻质金属构件在此示例性地应表示可在外侧安装在车辆车身处的外部件；
图2至4分别示出了用于说明用于制造在图1中示出的层结构的涂覆过程的流程；以及
图5至7分别示出了强烈放大的部分截面图，其说明了直至涂装轻质金属-KTL层的涂覆过程。
具体实施方式
在图1中以强烈放大的部分截面图示例性地示出了在车身构件3的金属表面25上的漆覆层的层结构1。例如，在此车身构件3由轻质金属制成，例如由铝、镁或其合金制成。因此，层结构1直接在轻质金属构件3的工件表面25处具有转化层5，该转化层用于钝化以及腐蚀保护。转化层5被轻质金属-KTL层6覆盖。在轻质金属-KTL层6上形成粉末覆层7，在粉末覆层7上涂覆传统的汽车漆结构9。如还从图1中得到的那样，转化层5具有岩土状的层形态，在其中，在单个岩土块11之间形成裂纹13。在稍后描述的KTL-涂覆过程中，裂纹13用于在KTL-浸渍池和构件3的轻质金属材料之间提供充分的剩余传导能力。此外，在多级的涂覆过程期间，轻质金属-KTL层6的液态的初始组份可渗入裂纹13中并且由此提高了与转化层5的附着连接。
图1以及其它图2至7用于更简单地理解本发明。因此，附图仅仅是粗略示出的简化图，不能反映真实的层结构1。即，转化层5实际上具有在μm范围中的层厚度。
下面根据在图2至4中示出的流程描述在涂漆设备中进行的连续涂漆过程，在其中使用根据本发明的钝化溶液：因此，首先进行钝化步骤P(图2)。在钝化步骤P中，进行构件3的除油、抛光和/或酸洗。之后，由此清洁的构件3经受根据本发明的钝化，在其中，将其浸入由钝化溶液形成的浸渍池中。
含水的钝化溶液的成分基本上遵循人类血液的成分。在该背景下，钝化溶液包含至少以下主要组成部分，这些主要组成部分的浓度与在人类血液中的浓度相同：
在此，在钝化溶液中的NaCl和KCl用于活化金属表面25。氨基酸D-泛酸钙和肌醇主要用于涂覆过程并且此外具有催化作用。成分NaH2PO4和CaCl2通过将Ca2+-离子和PO4 3--离子引入转化层5中辅助涂覆过程。
根据本发明的转化层5此外具有含碳酸盐的层组成部分。这些含碳酸盐的层组成部分在钝化溶液中通过组份NaHCO3和CO2(来自大气中)提供。组份丙酮酸钠用作用于形成层的另一辅助材料。
对于涂覆性能非常重要的是钝化溶液的以下组成部分：
以上氨基酸同样是人类血液的组成部分，这些组成部分的浓度几乎保持不变。
因此，总地说来根据本发明的钝化溶液为含水的处理液，其pH值在约7的范围中或在酸性范围中。在浸渍池中在18至25℃的范围中的处理温度下进行钝化。处理时间根据设定的pH值、过程温度且如有可能附加的极化强度以及涂覆要求的理论厚度确定。在钝化之后，将构件3输送到冲洗/烘干过程中。
在这种应用情况中，被涂覆了转化层5的构件3在涂覆工位17中在进一步的处理过程(根据图3)中设有轻质金属-KTL层6(也就是说有机保护层)。在实际情况中通常以浸渍法实现轻质金属-KTL，在该浸渍法中，在车身1和浸渍池之间施加直流电压，由此，在浸渍池中溶解的漆颗粒被构件3吸附并且均匀地保持附着在构件3处。出于更简单地理解本发明的原因，省去了额外所需的预处理或后处理步骤。
在连接在之后的烘干工位18中，构件3以预定的输送速度经过连续式加热炉，在该连续式加热炉中，轻质金属-KTL层6在例如180℃的范围中的过程温度下被烘烤。紧接着，在过程步骤II中，在涂覆工位20中粉末涂覆，在其中，将层7(图1)涂覆到构件3上。在粉末涂覆20中，漆颗粒通过静电场从处于电压下的喷头处被输送到接地的构件3处。紧接着，在另一烘干工位19中再次在连续式加热炉中进行烘烤过程。
紧接着构件涂覆过程L(也就是说图3的过程步骤I和过程步骤II)，在示例性的可能的应用情况中，使轻质金属构件3作为可见侧的车辆外部件在铆接过程中接合到尚未涂漆的白车身15处。白车身15在连续的过程中被输送到车身涂漆设备(见图4)中。在此，以浸渍法进行电泳底漆25的涂覆，在其中，在施加直流电压的情况下，溶解在浸渍池中的漆颗粒被白车身15吸附并且在形成底漆的情况下保持附着在白车身15处。紧接着，完成底漆的白车身15被输送到连接在之后的连续式加热炉27中，在其中烘烤底漆。随后，涂有底漆的白车身15被引导到另一涂覆工位29，在其中进行KTL过程。在KTL过程29之后同样连接连续式加热炉31，在其中在高温下烘烤覆层。紧接着，在另一涂覆工位33中涂覆传统的汽车四层漆结构9，其随后经受烘烤过程35。
以已经预涂覆的轻质金属构件3的情况进行在图4中示出的车身涂漆过程。也就是说，使轻质金属构件3电绝缘，从而在白车身涂漆过程中涂覆的KTL层不再保持附着，而传统的汽车漆结构9(也就是说四层结构)可毫无疑问地涂覆到轻质金属构件3的粉末覆层7上。
在图5至7中以相应于图1的视图示出了在不同过程步骤中的轻质金属构件3。由此，在图5中示出了具有被净化的以及被暴露的金属表面25的轻质金属构件3。在图6中示出了在完成钝化以及转移之后的轻质金属构件3。由此，将转化层5施加到轻质金属构件的金属表面25上，确切地说利用根据本发明的岩土状形态，也就是说具有岩土状的单个碎块11以及布置在其之间的裂纹13。在图7中，示出了在完成轻质金属-KTL过程之后的轻质金属构件3，在其中，轻质金属-KTL层6的初始组份遍布在变化层5的裂纹结构13中，由此，显著提高了在转化层5和轻质金属-KTL层6之间的附着连接。

Claims (15)

1.一种用于钝化轻质金属构件(3)的金属表面(25)的方法，在该方法中，在钝化步骤(P)中将转化层(5)涂覆到所述轻质金属构件(3)的表面(25)上，其特征在于，在所述钝化步骤(P)中在使用含水的钝化溶液的情况下在金属构件表面(25)上产生含磷酸钙的转化层(5)，所述转化层具有构件材料的和钝化溶液的氧化物和氢氧化物并且包含氨基酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述构件(3)的金属表面(25)通过轻质金属、尤其是镁、铝或镁或铝的合金形成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钝化溶液至少具有以下组成部分作为用于活化所述构件(3)的金属表面(25)的活化剂：
NaCl 浓度在5000mg/l至8000mg/l之间、尤其是6400mg/l；和/或
KCl 浓度在300mg/l至500mg/l之间、尤其是400mg/l。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述钝化溶液至少具有以下氨基酸作为催化剂和层形成剂：
D-泛酸钙 浓度在2mg/l至20mg/l之间、尤其是4mg/l；和/或
肌醇 浓度在2mg/l至20mg/l之间、尤其是7.2mg/l。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述钝化溶液至少具有以下氨基酸作为层增附剂：
L-异亮氨酸 浓度在90mg/l至150mg/l之间、尤其是105mg/l。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了辅助于层的形成，所述钝化溶液至少包含以下组成部分，这些组成部分作为碎片(也就是说Ca2+离子或PO4 3-离子)集成到转化层中：
NaH2PO4 浓度在100mg/l至170mg/l之间、尤其是124mg/l，和/或
CaCl2 浓度在170mg/l至300mg/l之间、尤其是200mg/l。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了辅助于层的形成，所述转化层(5)具有含碳酸盐的组成部分，尤其是，为了提供所述含碳酸盐的组成部分，所述钝化溶液包含NaHCO3，而且NaHCO3尤其具有在3500至4500mg/l之间的、尤其是3700mg/l的浓度。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了辅助于层的形成，所述钝化溶液包含丙酮酸钠，丙酮酸钠的浓度在90至170mg/l之间、尤其为110mg/l。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述钝化溶液的pH值在中性至酸性的范围中。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述含水的钝化溶液至少包含以下组成部分，这些组成部分的浓度复制其在人类血液中的浓度：
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了提高涂覆性能，所述钝化溶液包含以下组成部分中的至少一种或多种、尤其包含所有组成部分：
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述构件(3)的转化层(5)在随后的涂覆过程(L)中被至少一个层(6、7、9)覆盖。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，涂覆过程(L)具有第一涂覆步骤(I)，在其中，形成轻质金属-KTL层(6)、也就是有机保护层，确切地说尤其是以浸渍法在施加直流电压的情况下形成该轻质金属-KTL层，由此，溶解在浸渍池中的漆颗粒被所述金属构件(3)吸引并且在形成轻质金属-KTL层(6)的情况下保持附着在所述金属构件处，和/或该涂覆过程具有至少另一涂覆步骤(II)，在所述另一涂覆步骤中涂覆至少一个层(7)，确切地说尤其在粉末涂覆过程中在施加直流电压的情况下涂覆该至少一个层。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述转化层(5)构造成具有岩土状的、具有裂纹结构(13)的层形态(11)，尤其是，所述层形态(11)在所述第一涂覆步骤(I)中在所述浸渍池和构件材料之间保证充分的剩余导电能力，和/或通过所述轻质金属-KTL层(6)的液态初始组份的渗入提高了在所述转化层(5)和所述轻质金属-KTL层(6)之间的附着连接。
15.一种用于以根据上述权利要求中任一项所述的方法形成用于轻质金属构件(3)的金属表面(25)的转化层(5)的钝化溶液。
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