DE10109480A1 - Verfahren zur Beschichtung einer Aluminiumoberfläche - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Aluminiumoberfläche, umfassend wenigstens einen Behandlungsschritt, in dem eine schichtbildende Phophatierung der Aluminiumoberfläche erfolgt, wobei durch Fluorid oder andere Komplexbildner eine Komplexierung des Aluminiums vorgesehen ist. Bei den üblichen Tauchprozessen zur Phosphatierung von z. B. Karosseriebauteilen in der Automobilindustrie ist der spezifische Aluminiumoberflächenanteil im Tauchbad, bezogen auf die Gesamtoberfläche der zu beschichtenden Bauteile, wegen des begrenzten Flüssigkeitsaustauschs im Bad stark limitiert. Die Erfindung schlägt daher eine kombinierte Behandlung vor, bei der in wenigstens einem Behandlungsschritt eine Spritzbeaufschlagung der Aluminiumoberfläche erfolgt, bevor in wenigstens einem nachfolgenden Schritt eine Tauchbehandlung dieser Oberfläche erfolgt. Durch dieses Verfahren kann die Schichtbildung auf der Aluminiumoberfläche und auch die Ausfiltrierbarkeit des abzutrennenden wasserunlöslichen Schlamms positiv beeinflusst werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Aluminiumoberfläche umfassend wenigstens einen Behandlungsschritt in dem eine schichtbildende Phosphatierung der Aluminiumoberfläche erfolgt, wobei durch Fluorid oder andere Komplexbildner eine Komplexierung des Aluminiums vorgesehen ist.

Aluminiumoberflächen beispielsweise von Karosserieblechteilen für Automobile werden beispielsweise wenn sie eine Elektrotauchlackierung erhalten häufig vorbehandelt zur Erzielung eines möglichst hohen Korrosionsschutzes. Zu solchen Vorbeschichtungen gehört beispielsweise die Phosphatierung, bei der auf der Oberfläche des Karosseriebauteils eine möglichst geschlossene Phosphatschicht erzeugt werden soll. Handelt es sich dabei um Karosseriebauteile, die mindestens teilweise Aluminiumoberflächen umfassen, ist es zur Erzielung der geforderten Qualität des Korrosionsschutzes durch die anschließende Phosphatierung sowie auch zur Haftvermittlung in der Regel notwendig auf der Aluminiumoberfläche eine Konversionsschicht zu erzeugen. Die Bildung dieser Konversionsschicht ist insbesondere problematisch, wenn es sich nicht um reine Aluminiumoberflächen handelt, sondern gleichzeitig Teiloberflächen aus unbeschichtetem oder beispielsweise auch metallisch beschichtetem Stahl vorhanden sind, d. h., dass es sich um Karosseriebauteile in Mischbauweise aus verschiedenen metallischen Baustoffen handelt oder die Beschichtung in einem Bad erfolgt, in dem solche Bauteile mit von Aluminium verschiedenen metallischen Oberflächen anwesend sind. In diesen Fällen wird in der Regel die Phosphatschichtbildung auf Stahl oder Zink durch ebenfalls anwesendes Aluminium gestört oder diese Schichtbildung ist auf der Aluminiumoberfläche selbst ohne Zusatzmaßnahmen nicht erzielbar. Dies resultiert beispielsweise daraus, dass durch den Beizangriff Aluminium-Ionen gelöst werden, die die Schichtbildung stören.

Um dies zu vermeiden kann man vor oder während des Phosphatierungsschritts eine Behandlung in Gegenwart von z. B. Silikofluorid, freiem Fluorid und/oder Natrium-Ionen zur Komplexierung der Aluminium-Ionen vorzunehmen. Durch die Zugabe von Silikofluorid, freiem Fluorid und/oder Natrium-Ionen können die durch den Beizangriff gelösten und die Schichtbildung störenden Aluminium-Ionen komplexiert werden, insbesondere zu Natrium- Aluminium-Fluorid, so dass ein anschließendes Ausscheiden insbesondere als wasserunlöslicher Schlamm möglich ist. Eine solche Maßnahme ist beispielsweise in der DE 35 35 135 A1 beschrieben. Dieser Mechanismus setzt allerdings in der Regel einen raschen Austausch der Badflüssigkeit in den Grenzschichten voraus. Daraus ergibt sich, dass bei reinen Tauchprozessen mit einem auch bei intensiver Badumwälzung begrenztem Flüssigkeitsaustausch der spezifische Aluminium-Oberflächenanteil limitiert und eine geschlossene Phosphatschicht nicht gewährleistet ist. Bei reinen Spritzverfahren mit einem sehr raschen Flüssigkeitsaustausch unterstützt durch die mechanische Spritzenergie sind höhere spezifische Aluminium-Oberflächenanteile der zu phosphatierenden Karosseriebauteile möglich. Bei der Vorbehandlung von Karosseriebauteilen vor einer Hohlraumversiegelung beispielsweise durch die eingangs erwähnte kathodische Tauchlackierung (KTL) ist es jedoch vorzuziehen, auf Tauchprozesse zurückzugreifen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zur Beschichtung einer Aluminiumoberfläche vor einer nachfolgenden schichtbildenden Phosphatierung zu schaffen, welches die vorgenannten Probleme vermeidet und eine geschlossene Phosphatschicht-Ausbildung auf der Oberfläche des Aluminiumsubstrats ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Da bei den bisher üblichen Tauchprozessen der spezifische Aluminium-Oberflächenanteil der Karosseriebauteile stark limitiert war, ist es ein bevorzugtes Anliegen der Erfindung durch geeignete Maßnahmen zu erreichen, dass auch bei höheren spezifischen Aluminium- Oberflächenanteilen eine prozesssichere Erzeugung einer schichtbildenden Phosphatierung möglich ist. Dazu schlägt die Erfindung vor, dass in wenigstens einem Behandlungsschritt eine Spritzbeaufschlagung der Aluminiumoberfläche erfolgt, bevor in wenigstens einem nachfolgenden Schritt eine Tauchbehandlung dieser Oberfläche erfolgt. Es wurde festgestellt, dass eine solche kombinierte Tauchbehandlung und Spritzbeaufschlagung überraschenderweise zu besonders guten Ergebnissen führt. Die Spritzbeaufschlagung kann beispielsweise mit der gleichen Badflüssigkeit und/oder in der gleichen Prozessstufe wie die Tauchbehandlung erfolgen. Die Behandlungszeit in der Phosphatierstufe sollte wenigstens etwa 10 Sekunden betragen. Empfehlenswert ist es, die substratabhängige Mindestphosphatierzeit von im allgemeinen etwa 15 Sekunden nicht zu unterschreiten. Die maximale Behandlungsdauer in dem Schritt der Spritzbeaufschlagung kann je nach Substrat beispielsweise bis zu 180 Sekunden, vorzugsweise bis zu etwa 120 Sekunden betragen. Besonders gute Ergebnisse und ein besonders wirtschaftliches Verfahren erhält man, wenn die Behandlungsdauer in dem Schritt der Spritzbeaufschlagung bei etwa 20 Sekunden bis etwa 40 Sekunden liegt.

Der Betrieb des Spritzsystems führt zu einem erheblichen Eintrag von Luftsauerstoff in das Phosphatierbad. Dadurch wird der Schichtbildungsmechanismus auf Aluminium sowie die Schlamm-Morphologie und damit die Ausfiltrierbarkeit des abzutrennenden wasserunlöslichen Schlamms positiv beeinflusst.

Verfahren zur Beschichtung von Aluminiumoberflächen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere solche, die zur Behandlung von Karosseriebauteilen in der Automobilindustrie eingesetzt werden, können eine relativ komplexe Abfolge einer größeren Anzahl von Behandlungsschritten umfassen. Ein Behandlungsschritt, der vor der eigentlichen Phosphatierung erfolgt, kann dabei beispielsweise eine Vorreinigung umfassen. Ein solcher Vorreinigungsschritt geschieht vorzugsweise unter Verwendung eines alkalischen Reinigers und/oder Wasser.

Alternativ dazu oder zusätzlich kann ein Reinigungsschritt vor der Phosphatierung vorgesehen sein, in dem eine Behandlung mit einem Titanaktivator und/oder einem alkalischen Reiniger und/oder Wasser erfolgt.

Nach einem oder mehreren der vorgenannten Reinigungsschritte kann vor der Phosphatierung wenigstens eine Spülphase vorgesehen sein, bei der beispielsweise mit Wasser, vorzugsweise Trinkwasser auch unter Zusatz eines Titanaktivators und/oder vollentsalztem Wasser gespült wird.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Schritt der Phosphatierung mittels einer Phosphatierlösung erfolgt, die den Fluoridzusatz enthält. Eine solche Phosphatierlösung kann außerdem eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe umfassend Zn, Ni und Mn enthalten.

Auch nach der Phosphatierung erfolgt gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens ein Spülschritt mit Wasser, vorzugsweise Trinkwasser sowie eine Schlussspülung mit vollentsalztem Wasser.

Im allgemeinen wird bei Karosseriebauteilen eine Tauchgrundierung, insbesondere in Form einer kathodischen Tauchlackierung durchgeführt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nicht nur die Phosphatierung selbst als kombinierter Spritz- und Tauchprozess erfolgen, sondern auch etwaige Reinigungsschritte und/oder Spülschritte sind in besonders vorteilhafter Weise solche kombinierte Spritz- und Tauchprozesse. Vorzugsweise erfolgt wenigstens ein Reinigungsschritt und/oder die Phosphatierung wenigstens teilweise bei erhöhter Temperatur.

Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung eines Ausführungsbeispiels.

In dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein möglicher Verfahrensablauf bei einer kombinierten Spritz-Tauchbehandlung entsprechend einer möglichen Abfolge von Verfahrensschritten eines Verfahrens beschrieben, wie es zur Behandlung von Karosseriebauteilen von Automobilen eingesetzt werden kann.

In einem ersten Prozessschritt erfolgt eine erste Vorreinigung der Karosseriebauteile durch Spritzen bei z. B. 1,5 bar für die Zeitdauer von 30 Sekunden bei einer Temperatur von 60°C zunächst mit einem alkalischen Reiniger und dann mit Trinkwasser.

Danach erfolgt eine zweite Vorreinigung ebenfalls durch Spritzen bei beispielsweise 1,5 bar für eine Zeitdauer von 30 Sekunden bei 60°C zunächst wieder mit einem alkalischen Reiniger und dann mit Trinkwasser.

Nach den beiden Vorreinigungsschritten erfolgt eine weitere Reinigung, wobei mehrere Teilschritte vorgesehen sind, in denen zunächst eine Spritzreinigung mit einem alkalischen Reiniger erfolgt. Anschließend wird das Karosseriebauteil oder die Karosserie getaucht beispielsweise für die Zeitdauer von 180 Sekunden in einem Tauchbad enthaltend alkalischen Reiniger und wahlweise einen Titanaktivator. Danach erfolgt wiederum eine Spritzreinigung für eine Zeitdauer von beispielsweise mehr als 40 Sekunden mit einem Beaufschlagungsdruck von 1,5 bar bei einer Temperatur von 60°C mit alkalischem Reiniger bzw. Trinkwasser.

Danach ist eine Spülphase vorgesehen, die wiederum unterteilt wird in zunächst ein Spülen durch Spritzen mit 1,5 bar, anschließendes Tauchen beispielsweise für die Zeitdauer von 30 Sekunden in einem Tauchbad und danach wieder Spritzen mit beispielsweise 1,5 bar, wobei das erste Spritzen vor dem Tauchen im Bereich des Einlaufs und das letzte Spritzen nach dem Tauchen im Bereich des Auslaufs erfolgt. In dieser Spülphase kann Trinkwasser bzw. vollentsalztes Wasser verwendet werden.

Nach diesen Vorreinigungsschritten, dem Reinigungsschritt und der Spülphase ist die eigentliche Phosphatierung vorgesehen. Dieses Phosphatieren ist ebenfalls eine Abfolge von drei Teilphasen, wobei zunächst eine Spritzbehandlung erfolgt beispielsweise für die Zeitdauer von 30 Sekunden mit einem Spritzdruck von 1,5 bar. Diese Spritzphosphatierung ist erforderlich bei Aluminiumflächen, mit einem Oberflächenanteil an einer Gesamtoberfläche bis ca. 40%. Nach dieser Spritzphosphatierung erfolgt eine weitere Phosphatierung in einem Tauchbad für beispielsweise die Zeitdauer von 180 Sekunden, wobei die Karosseriebauteile bzw. eine vollständige Karosserie völlig eingetaucht wird. Nach Verlassen des Tauchbads wird beispielsweise im Auslaufbereich wieder eine Spritzbeaufschlagung vorgenommen beispielsweise mit einem Druck von 1,5 bar. Der gesamte Phosphatierprozeß läuft in der Regel ab bei Temperaturen zwischen 50 und 55°C, wobei jedoch auch Verfahren mit Temperaturen unter 50°C möglich sind. Zum Phosphatieren kann dabei eine Phosphatierlösung verwendet werden, die Zn, Ni, Mn enthält, gegebenenfalls einen Beschleuniger, einen Fluoridzusatz, einen Schlammkonditionierer, Trinkwasser/vollentsalztes Wasser.

Zur Entfernung verkrusteter Phosphatschlammablagerungen kann in längeren Zeitabständen von z. B. mehreren Monaten eine chemische Reinigung beispielsweise mit Natronlauge und/oder einem geeigneten Reiniger bei einer Temperatur von 80°C erfolgen.

Nach dieser Phosphatierung ist wiederum eine Spülphase vorgesehen, die in mehreren Teilschritten erfolgen kann. Dabei wird mit Trinkwasser gespült zunächst in einer Spritzbehandlung bei beispielsweise 1,5 bar z. B. im Einlaufbereich eines Tauchbeckens. Anschließend erfolgt eine Spülphase in einem Tauchbad für beispielsweise die Zeitdauer von etwa 30 Sekunden. Danach ist erneut eine Spritzbehandlung mit Wasser von 1,5 bar im Bereich des Auslaufs des Tauchbads vorgesehen. Bei Spülung in mehreren Stufen wird zur Reduzierung des Wasserbedarfs stets das Prinzip "Kaskade rückwärts" angewandt.

Nach der vorgenannten Spülphase erfolgt das sogenannte Reaktionsspülen, vorzugsweise in einem Tauchbad für eine Zeitdauer von z. B. 30 Sekunden. Dabei wird Hexazirkonfluorsäure verwendet in Verbindung mit vollentsalztem Wasser bzw. Trinkwasser.

Nach dem Reaktionsspülen erfolgt eine Spülung mit vollentsalztem Wasser, wobei vorzugsweise zunächst eine Tauchspülung gewählt werden sollte, und im Regelfall eine Schlussspülung im Spritzverfahren mit frischem vollentsalztem Wasser durchzuführen ist.

Nach dieser Spülphase erfolgt dann die kathodische Tauchgrundierung in einem entsprechenden Tauchbad mit bleifreier KTL-Grundierung für beispielsweise eine Beschichtungszeit im Bereich von oberhalb von 240 Sekunden. Nach der Beschichtung ist eine Trocknung vorgesehen beispielsweise bei einer Temperatur von 180°C für eine Zeitdauer von etwa 14 Minuten oder länger.

Claims (18)

1. Verfahren zur Beschichtung einer Aluminiumoberfläche umfassend wenigstens einen Behandlungsschritt in dem eine schichtbildende Phosphatierung der Aluminiumoberfläche erfolgt, wobei durch Fluorid oder andere Komplexbildner eine Komplexierung des Aluminiums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Behandlungsschritt eine Spritzbeaufschlagung der Aluminiumoberfläche vorgesehen ist, bevor in wenigstens einem nachfolgenden Schritt eine Tauchbehandlung dieser Oberfläche erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbeaufschlagung mit der gleichen Badflüssigkeit und/oder in der gleichen Prozessstufe wie die Tauchbehandlung erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszeit in der Phosphatierstufe wenigstens etwa 10 Sekunden beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsdauer in dem Schritt der Tauchbeaufschlagung bis zu etwa 180 Sekunden, vorzugsweise bis zu etwa 120 Sekunden beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszeitdauer in dem Schritt der Spritzbeaufschlagung etwa 20 Sekunden bis etwa 40 Sekunden beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexierten Aluminium-Ionen als wasserunlöslicher Schlamm ausgeschieden werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoberfläche Teil eines Karosseriebauteils eines Automobils ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoberfläche Teil eines Bauteils ist, welches außerdem Teile aus unbeschichtetem und/oder metallisch beschichtetem Stahl umfasst, oder dass neben mindestens teilweise Aluminiumoberflächen aufweisenden Bauteilen in einem Bad Bauteile aus unbeschichtetem und/oder metallisch beschichtetem Stahl behandelt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens einen Schritt vor der Phosphatierung umfasst, in dem eine Vorreinigung erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens einen Vorreinigungsschritt unter Verwendung eines alkalischen Reinigers und Wasser umfasst.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens einen Reinigungsschritt vor der Phosphatierung umfasst, in dem eine Behandlung mit einem alkalischen Reiniger und Wasser sowie wahlweise mit einem Titanaktivator.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach wenigstens einem Reinigungsschritt vor der Phosphatierung wenigstens eine Spülphase mit Wasser, vorzugsweise Trinkwasser und/oder vollentsalztem Wasser sowie wahlweise eine Behandlung mit einem Titanaktivator vorgesehen ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Phosphatierung mittels einer Phosphatierlösung erfolgt, die einen Fluoridzusatz enthält.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatierlösung eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe umfassend Zn, Ni, Mn enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Phosphatierung wenigstens ein Spülschritt mit Wasser, vorzugsweise Trinkwasser vorgesehen ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach wenigstens einem Spülschritt nach der Phosphatierung eine Reaktionsspülung mit Wasser unter Zusatz einer passivierenden Chemikalie, z. B. Hexazirkonfluorsäure erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reinigungsschritt, wenigstens je ein Spülschritt nach der Reinigung und nach der Phosphatierung, die Reaktionsspülung und vorzugsweise die Schlussspülung als kombinierte Spritz-, Tauch-Prozesse erfolgen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Phosphatierung eine kathodische Tauchgrundierung (KTL) vorgesehen ist.