DE102004010212B4 - Coating system for corrosion protection and its use - Google Patents
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Abstract
Schichtsystem, bestehend aus einem Substrat (1) und einem auf einer Oberfläche des Substrates galvanisch oder außenstromlos abgeschiedenen Überzug (3) in welchem Partikel (4) enthalten sind, welche aus einer Umhüllung und einem Kern bestehen, wobei das Material des Kerns der Partikel nach seiner Freisetzung aus der Umhüllung eine chemische Umsetzung mit einem weiteren Material erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kerns der Partikel bei der chemischen Umsetzung eine Volumenvergrößerung erfährt.Layer system, consisting of a substrate (1) and one on a surface of the Substrates galvanic or without external power deposited coating (3) in which particles (4) are contained, which consists of an envelope and consist of a core, wherein the material of the core of the particles after its release from the envelope undergoes a chemical reaction with another material, thereby characterized in that the material of the core of the particles in the chemical conversion experiences an increase in volume.
Description
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, welches aus einem Substrat und einem auf mindestens einer Oberfläche des Substrates galvanisch oder außenstromlos abgeschiedenem Überzug besteht, wobei in dem Überzug Partikel dispergiert sind, welche aus einer Umhüllung und einem Kern bestehen. Solche Schichtsysteme werden zum Korrosionsschutz metallischer Bauteile eingesetzt.The The invention relates to a layer system which consists of a substrate and one on at least one surface of the substrate galvanic or without external power deposited coating where in the coating Particles are dispersed, which consist of a sheath and a core. Such layer systems are used for corrosion protection of metallic components used.
Metallische Bauteile unterliegen oftmals in der Anwendung einem Korrosionsangriff durch chemische Medien. Es ist daher bekannt, solche Bauteile durch Lacke oder galvanisch aufgebrachte Schichten vor korrosivem Angriff zu schützen. Der gewünschte Korrosionsschutz entfaltet sich jedoch nur bei unbeschädigten, rissfreien Schichten.Metallic Components are often subject to a corrosion attack in the application through chemical media. It is therefore known, such components Lacquers or electroplated coatings against corrosive attack to protect. The desired corrosion protection unfolds only with undamaged, crack-free layers.
Hochbeanspruchte Bauteile unterliegen häufig unterschiedlichen Belastungen gleichzeitig, wie beispielsweise Rissbildung durch mechanische Beanspruchung und Korrosionsangriff durch chemische Medien. Bei mechanischer Beanspruchung des Bauteils kommt es jedoch häufig zur Beschädigung der Schutzschichten und nachfolgend zur Unterwanderung der Schicht und zum Korrosionsangriff auf das darunter liegende Material.highly stressed Components are subject to frequent different loads at the same time, such as cracking by mechanical stress and corrosion attack by chemical media. With mechanical stress of the component, however, it often happens damage the protective layers and subsequently to the infiltration of the layer and for corrosive attack on the underlying material.
Wünschenswert sind daher Korrosionsschutzschichten, die sich im Falle einer Beschädigung selbst regenerieren.Desirable are therefore anticorrosive coatings, which themselves in case of damage regenerate.
Eine solche selbstheilende Schutzschicht kann beispielsweise durch eine Chromatschicht gebildet werden. Chromatierte Bauteile zeigen ein selbsttätiges Überwachsen von defekten Stellen durch das Korrosionsschutzmedium. Nachteilig an Chromatschichten ist allerdings, dass diese als kanzerogen eingestuft werden. Daher ist der Einsatz beispielsweise in der Automobilindustrie ab 2007 nicht mehr zulässig.A Such a self-healing protective layer can, for example, by a Chromate layer are formed. Chromated components show an automatic overgrowth from defective points through the corrosion protection medium. adversely however, chromate layers are classified as carcinogenic become. Therefore, the use is for example in the automotive industry from 2007 not allowed.
Die
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine metallische Korrosionsschutzschicht bereitzustellen, welche einen selbstheilenden Effekt aufweist. Insbesondere soll eine Korrosionsschutzschicht bereitgestellt werden, bei welcher defekte Stellen selbsttätig durch ein Korrosionsschutzmedium überwachsen. Weiterhin soll diese Korrosionsschutzschicht auf allen metallischen Werkstoffen, insbesondere Stahl, einsetzbar sein und keine gesundheitsschädlichen oder kanzerogenen Bestandteile enthalten.The Object of the present invention is therefore a metallic To provide corrosion protection layer, which is a self-healing Has effect. In particular, a corrosion protection layer should are provided, in which defective bodies automatically by overgrow a corrosion protection medium. Furthermore, this corrosion protection layer on all metallic materials, in particular Steel, be used and no harmful or carcinogenic components contain.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schichtsystem, welches aus einem Substrat und einem auf mindestens einer Oberfläche des Substrates galvanisch oder außenstromlos abgeschiedenem Überzug besteht, wobei in diesem Überzug Partikel enthalten sind, welche aus einer Umhüllung und einem Kern bestehen, wobei das Material des Kerns der Partikel nach seiner Freisetzung aus der Umhüllung eine chemische Umsetzung mit einem weiteren Material erfährt und das Material des Kerns der Partikel bei der chemischen Umsetzung eine Volumenvergrößerung erfährt.The The object is achieved by a layer system, which consists of a substrate and one on at least a surface the substrate is galvanically deposited or electrolessly deposited, being in this plating Containing particles consisting of an envelope and a core, the material of the core of the particles after its release from the serving undergoes a chemical reaction with another material and the material of the core of the particles in the chemical reaction a Volume increase experiences.
Bei dem genannten Substrat handelt es sich dabei um ein mechanisches Bauteil, wie beispielsweise eine Maschinenkomponente, eine Einspritzdüse, ein Gehäuse oder ein Karosserieblech. Erfindungsgemäß wird dieses Substrat vor Korrosionsangriffen, d.h. vor Rost und Lochfraß durch einen metallischen Überzug geschützt. Dieser Überzug wird dabei entweder galvanisch oder außenstromlos, d.h. chemisch, auf das Substrat aufgebracht. Im Abscheidebad sind während der Herstellung des metallischen Überzugs Partikel dispergiert, welche nachfolgend in das Überzugsmetall eingebaut werden. Diese Partikel bestehen aus einem Wirkstoff und einer Umhüllung.at the said substrate is a mechanical one Component, such as a machine component, an injection nozzle, a casing or a body sheet. According to the invention, this substrate is present Corrosion attacks, i. protected against rust and pitting by a metallic coating. This coating will either galvanically or without external power, i. chemical, applied to the substrate. In the Abscheidebad are during the Production of the metallic coating Particles dispersed, which are subsequently incorporated in the coating metal. These particles consist of an active ingredient and a coating.
Bei mechanischer Beschädigung des metallischen Überzugs werden notwendigerweise auch die Partikel in unmittelbarer Nähe der Schadstelle beschädigt. Dadurch wird der darin enthaltene Wirkstoff freigesetzt. Dieser Wirkstoff reagiert mit einem weiteren Material unter Ausbildung einer Korrosionsschutzschicht im Bereich der Schadstelle.at mechanical damage of the metallic coating necessarily also the particles in the immediate vicinity of the damaged area damaged. As a result, the active substance contained therein is released. This Active ingredient reacts with another material under training a corrosion protection layer in the area of the damaged area.
Das weitere Material kann dabei eine chemische Verbindung sein oder ein elementares Material. Das weitere Material kann bereits in der Schicht vorliegen oder erst zum Schadenzeitpunkt an die Schadstelle zugeführt werden.The Another material may be a chemical compound or an elementary material. The further material can already be found in the Layer or only at the time of the damage to the damaged area supplied become.
Im Gegensatz zu den Korrosionsschutzschichten nach dem Stand der Technik können die Wirkstoffe in den Partikeln derartig gewählt werden, dass eine Gesundheitsgefahr von ihnen nicht ausgeht. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Schichtsystem auf allen metallischen Werkstoffen, insbesondere auch auf Stahllegierungen angewendet werden.in the Contrary to the corrosion protection layers according to the prior art can the active ingredients in the particles are chosen such that a health hazard does not run out of them. About that In addition, the layer system according to the invention on all metallic materials, especially on steel alloys be applied.
Erfindungsgemäß weist der metallische Überzug eine Dicke von etwa 2 μm bis etwa 50 μm auf. Es hat sich gezeigt, dass eine Beschichtung von weniger als 2 μm den Korrosionsschutz nicht durchgehend sicherstellt, da die Herstellung einer geschlossenen, porenfreien Schicht mit geringerer Dicke nur mit erheblichem Aufwand möglich ist. Eine dickere Beschichtung als 50 μm gefährdet die Maßhaltigkeit von präzisen Bauteilen und treibt die Kosten der Herstellung unnötig in die Höhe.According to the invention the metallic coating a thickness of about 2 microns up to about 50 microns. It has been shown that a coating of less than 2 microns, the corrosion protection not consistently ensuring that the production of a closed, pore-free layer with a smaller thickness only with considerable effort possible is. A thicker coating than 50 microns endangers the dimensional stability of precise Components and drives the cost of manufacturing unnecessarily into the Height.
Obgleich jedes galvanisch oder außenstromlos abscheidbare Metall für die erfindungsgemäße Korrosionsschutzschicht geeignet ist, haben sich Nickel und Kupfer oder Legierungen, welche Nickel und/oder Kupfer enthalten, als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Überzüge zeigen einerseits einen einebnenden Effekt, welcher die Herstellung dekorativer Schichten in besonders einfacher Weise ermöglicht. Andrerseits ist der Korrosionsschutz insbesondere von Nickelschichten besonders gut. Darüber hinaus sind diese Überzüge geeignet, mechanische Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zu minimieren.Although each galvanically or without external power Deposable metal for the corrosion protection layer according to the invention is suitable, have nickel and copper or alloys, which Nickel and / or copper, proved to be particularly advantageous. These coatings show on the one hand a leveling effect, which makes the production of decorative Layers in a particularly simple manner allows. On the other hand, the Corrosion protection especially of nickel coatings particularly good. About that In addition, these coatings are suitable mechanical stresses due to different thermal expansion coefficients to minimize.
Die erfindungsgemäße Selbstheilung des korrosionsschützenden Überzuges tritt insbesondere dann auf, wenn der Anteil der Partikel etwa 5 bis etwa 50 Vol-% vom Überzugsmaterial beträgt. Bei geringeren Belegungsdichten kann es vorkommen, dass bei Beschädigung des Überzugs nur eine geringe Anzahl an Partikeln im Bereich der Schadstelle liegt, so dass ein sicheres Verschließen der Schadstelle nicht gewährleistet werden kann. Ein Partikelanteil von mehr als 50 Vol-% kann sich dahingehend nachteilig auswirken, dass die Schicht keine geschlossene Oberfläche mehr aufweist und dadurch der anfängliche Korrosionsschutz zu gering ausfällt.The Self-healing according to the invention the anti-corrosive coating occurs especially when the proportion of particles is about 5 to about 50% by volume of the coating material is. At lower occupancy densities, it may happen that damage to the coating only a small number of particles in the area of the damaged area so that a secure closure of the damaged area is not guaranteed can be. A particle content of more than 50% by volume can be to the effect that the layer is not closed surface has more and thereby the initial corrosion protection low fails.
Die Umhüllung der Partikel muss das Material des Kerns der Partikel sicher umschließen, so dass eine vorzeitige Reaktion des Materials mit dem Elektrolyten ausgeschlossen ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Eigenschaften vorzugsweise mit einem Polymer, besonders bevorzugt mit einem Melamin-Formaldehydharz erreichbar sind.The wrapping the particle must securely surround the material of the core of the particles, so that a premature reaction of the material with the electrolyte is excluded. It has been shown that these properties preferably with a polymer, more preferably with a melamine-formaldehyde resin are reachable.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird für das Material des Kerns der Partikel ein Feststoff verwendet. Auf diese Weise wird ein Auswaschen der Wirksubstanz oder ein zu rasches Forttragen, ehe die Reaktion abgeschlossen ist, vermieden.In A preferred embodiment of the invention is for the material the core of the particles used a solid. In this way is a washing out of the active substance or a too rapid carry on, before the reaction is completed, avoided.
Ein besonders effektiver Schutz des Substrates wird erreicht, wenn das Material des Kerns der Partikel bei der chemischen Umsetzung eine Volumenvergrößerung erfährt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Schadstelle im Überzugsmaterial vollständig abgedichtet wird und keine korrosiven Medien in den Spalt zwischen Füllmaterial und Überzugsmetall eindringen können. Diese Anforderungen werden beispielsweise von Polyurethan oder Calciumhydroxid erfüllt.One Particularly effective protection of the substrate is achieved when the Material of the core of the particles in the chemical reaction a Volume increase experiences. On This way it will ensure that the damaged area in the coating material Completely is sealed and no corrosive media in the gap between filling material and plating metal can penetrate. These requirements are for example of polyurethane or calcium hydroxide Fulfills.
Dabei reagiert Polyurethan mit Wasser, welches entweder aus der umgebenden Atmosphäre geliefert wird oder in weiteren Partikeln eingeschlossen ist. Somit wird sichergestellt, dass bei Beschädigung der Schicht in jedem Fall der Reaktionspartner zur Verfügung steht. Falls der Kern der Partikel Calciumhydroxid enthält, bildet dieses zusammen mit CO2 aus der umgebenden Atmosphäre Calciumcarbonat CaCO3, welches die beschädigte Stelle abdichtet und somit weitere Korrosion verhindert.In this case, polyurethane reacts with water, which is either supplied from the surrounding atmosphere or enclosed in other particles. This ensures that the reaction partner is available in every case if the layer is damaged. If the core of the particles contains calcium hydroxide, this forms together with CO 2 from the surrounding atmosphere calcium carbonate CaCO 3 , which seals the damaged area and thus prevents further corrosion.
Fallweise kann das erfindungsgemäße Schichtsystem in ästhetischer Hinsicht verbessert werden, indem eine dekorativ wirkende Glanznickel-/Glanzchromschicht auf der Oberfläche des Überzugs aufgebracht wird. Diese stellt gleichzeitig einen weiteren Schutz vor Beschädigung und Korrosion dar.In some cases, the layer system according to the invention can be improved in terms of aesthetics by applying a decoratively acting bright nickel / bright chrome layer on the surface of the coating. This also provides further protection against damage and corro sion.
Der Korrosionsschutz des erfindungsgemäßen Schichtsystems kann weiter verbessert werden, indem zwischen dem Substrat und dem Überzug mindestens eine Zwischenschicht vorgesehen ist. Eine solche Zwischenschicht kann beispielsweise aus Nickel oder Zink bestehen. Auf diese Weise wird bei Beschädigung des Überzugs zunächst die Zwischensicht angegriffen. Erst bei deren Versagen erfolgt der korrosive Angriff auf das Substrat. Der Korrosionsschutz ist demnach wunschgemäß erhöht.Of the Corrosion protection of the layer system according to the invention can continue be improved by at least between the substrate and the coating an intermediate layer is provided. Such an intermediate layer may for example consist of nickel or zinc. In this way will be damaged of the coating first the intermediate view attacked. Only at their failure is the corrosive attack on the substrate. The corrosion protection is accordingly increased as desired.
Nachfolgend soll die Erfindung zweier Ausführungsbeispiele weiter erläutert werden:following Let the invention of two embodiments further explained become:
Beispiel 1example 1
Auf
ein Karosserieblech (
Im
Falle einer Korrosion wird nicht nur die metallische Schutzschicht,
sondern auch die Mikrokapsel beschädigt. Das freigesetzte Calciumhydroxid reagiert
mit dem Kohlendioxid der Umgebungsluft. Dabei entsteht Calciumkarbonat
(
Beispiel 2Example 2
Auf
ein Bauteil aus hochfestem Stahl (
Solange die Schicht jedoch unbeschädigt bleibt, sind beide Komponenten sicher voneinander getrennt und bleiben auch nach längerem Zeitraum reaktionsfähig. Die selbstheilenden Eigenschaften der Schicht gehen somit auch durch längere Lagerung oder durch längeren Gebrauch des Bauteils nicht verloren.So long the layer remains undamaged, Both components are safely separated from each other and stay that way after a while Reactive period. The self-healing properties of the layer thus also go through longer Storage or longer Use of the component is not lost.
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