DE102005059614A1 - Beschichtungsmaterial zum Schutz von Metallen, insbesondere Stahl, vor Korrosion und/oder Verzunderung, Verfahren zum Beschichten von Metallen und Metallelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmaterial zum Schutz von Metallen, insbesondere Stahl, vor Korrosion und/oder Verzunderung, ein Verfahren zum Beschichten von Metallen und ein Metallelement. DOLLAR A Um ein Beschichtungsmaterial zu schaffen, das Stahl vor Korrosion und/oder Verzunderung schützt und nach Wärmebehandlung des beschichteten Stahls bei Temperaturen oberhalb 800 DEG C noch schweißbar ist, wird vorgeschlagen, dass Mittel zum Erreichen einer Schweißbarkeit, insbesondere mittels Punktschweißverfahren, des aufgetragenen Beschichtungsmaterials vorgesehen sind, dass das Beschichtungsmaterial auf nasschemischem Wege auftragbar ist, dass sich das Beschichtungsmaterial bei Hochtemperaturprozessen von mehr als 600 DEG C in seiner Struktur verändert und als Haftgrund für weitere Beschichtungsmaterialien geeignet ist. DOLLAR A Überraschenderweise zeigte sich, dass durch Verwendung eines geeigneten Bindemittels mit einem geeigneten Füllstoff während der Hochtemperaturbehandlung eines Härtungsprozesses die erfindungsgemäßen Beschichtungen sich derart umwandeln, dass elektrisch leitfähige Reaktionsschichten entstehen, die sich gemeinsam mit dem Metallsubstrat auch nach Behandlung bei Temperaturen über 800 DEG C schweißen und insbesondere punktschweißen lassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmaterial zum Schutz von Metallen, insbesondere Stahl, vor Korrosion und/oder Verzunderung, ein Verfahren zum Beschichten von Metallen und ein Metallelement.
  • Tragende Stahlteile, wie etwa Karosserieteile in der Autoindustrie, werden vielfach aus hochfesten Vergütungsstählen hergestellt. Dabei wird der Stahl durch Glühen bei Temperaturen oberhalb 800–900°C in den austenitischen Bereich überführt, warm umgeformt und anschließend mit einer ausreichend großen Abkühlgeschwindigkeit wieder abgekühlt, um die Ausbildung einer martensitischen, hochfesten Gefügestruktur zu erreichen. Findet die Abkühlung und somit Härtung im Umformwerkzeug statt, spricht man vom Formhärten. Mit diesem Verfahren können hochfeste Bauteile hergestellt werden. Für die Herstellung größerer Bauteile bzw. von Bauteilen mit komplexer Geometrie kommt zunehmend ein zweistufiger Umformprozeß mit einer Vorformung bei Raumtemperatur (Kaltumformung) mit nachgeschalteter Warmumformung (Formhärten) des Vorziehteils zum Einsatz. Ein generelles Problem bei der Warmumformung ist das Verzundern der Stahloberfläche.
  • Unter Verzundern bzw. Verzunderung versteht man die Oxydation von Metallen durch direkte Reaktion mit Luftsauerstoff bei höheren Temperaturen. Die an der Stahloberfläche entstehende Zunderschicht ist hart und spröde und platzt bevorzugt beim Wiederabkühlen schollenförmig vom Grundwerkstoff ab.
  • Die Zunderschicht beschädigt sowohl die Bauteile als auch die Umformwerkzeuge, die nach jedem Umformschritt von abgefallenem Zunder gereinigt werden müssen. Mit ungeschützten Blechen ist daher das Formhärten von Bauteilen mit entsprechenden Stückzahlen des Serienbetriebs extrem erschwert. Zudem muß der Zunder zur Erzielung eines ausreichenden Korrosionsschutzes vor der Weiterverarbeitung der Bauteile abgestrahlt werden, da er keine geeignete Basis für Folgeprozesse wie Phosphatierung und kataphoretische Tauchlackierung darstellt.
  • Aus dem Stand der Technik sind Schutzüberzüge für den Korrosionsschutz von Stahl bekannt. Metallüberzüge aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen und Zink bzw. Zinklegierungen können durch Schmelztauchverfahren oder galvanisch auf dem Stahl abgeschieden werden.
  • In der Anmeldung EP 1 013 785 A1 ist die Beschichtung von warmgewalztem Blech mit einem Metall bzw. einer Metallegierung beschrieben. Es handelt sich dabei um eine Schicht aus Aluminium bzw. einer Legierung aus Aluminium, Eisen und Silizium, die im Schmelztauchverfahren (Feueraluminierung) appliziert wird. Eine solche Schutzschicht bietet zwar einen wirkungsvollen Schutz gegenüber Verzunderung beim Erhitzen auf Austenitisierungstemperatur, ist jedoch in ihrer praktischen Anwendung beim Preßhärten eingeschränkt, was sich besonders beim Formen komplexer Geometrien bemerkbar macht. In der DE 102 46 614 A1 wird erwähnt, daß sich bei dem in EP 1 013 785 A1 beschriebenen Tauchverfahren schon beim Beschichtungsvorgang zwischen dem Stahl und der eigentlichen Beschichtung eine intermetallische Legierungsphase bilden würde, welche hart und spröde sei und beim Kaltverformen reißen würde. Die dabei entstehenden Mikrorisse würden dazu führen, daß sich die Beschichtung vom Grundwerkstoff löst und somit ihre Schutzfunktion verliert. Aus dieser Beschreibung und praktischen Erfahrungen beim Umformen von Stahlplatinen bzw. -teilen ergibt sich, daß die Feueraluminierung nicht für die Kaltumformung und somit auch nicht für einen zweistufigen Kalt- und Warmumformprozeß geeignet ist. In der DE 102 46 614 A1 sollen diese Probleme durch das Aufbringen einer metallischen Schutzschicht mit einem galvanischen Verfahren aus einer organischen, nicht wäßrigen Lösung gelöst werden. Es sollen hierbei Schichten aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder Zink- bzw. Zinklegierung abgeschieden werden. Die galvanische Abscheidung von Aluminium auf Stahl ist jedoch ein sehr aufwendiger und teurer Prozeß.
  • Bei der Verwendung von Zink- und Zinklegierungen hingegen wird der Einsatz in der Warmumformung darüber hinaus stark eingeschränkt, da das Zink beim Aufheizen größtenteils oxydiert bzw. unter Schutzgasatmosphäre abdampft.
  • In den Anmeldungen WO 2005/021820 A1, WO 2005/021821 A1 und WO 2005/021822 A1 werden Verfahren zur Herstellung verschiedener gehärteter Stahlteile beschrieben. Dabei wird auf den Stahl jeweils eine Schutzschicht bestehend aus Zink in Verbindung mit einem weiteren sauerstoffaffinen Element (vor allem Aluminium) aufgebracht. Diese Schutzschicht wird in WO 2005/021821 A1 in einem Schmelztauchverfahren, in WO 2005/021820 A1 und WO 2005/021822 A1 in einem Schmelztauch- oder galvanischen Verfahren aufgebracht. Allen hier beschriebenen Beschichtungen, die als Hauptelement Zink enthalten, ist jedoch gemeinsam, daß diese bei den für einen Formhärteprozeß benötigten Austenitisierungstemperaturen sehr empfindlich gegenüber Oxydation und Abdampfen sind und bei den geringsten Verschmutzungen (z.B. Staub) an der Oberfläche Brandstellen entstehen, welche zu Bauteileausschuß führen.
  • Aus der DE 100 39 404 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Pigmente oder Füllstoffen enthaltenden Zusammensetzungen auf der Grundlage von Polysiloxanen mittels des Sol-Gel-Prozesses bekannt, bei dem in einem ersten Schritt Epoxygruppen enthaltende Organosilane (Alkoxysilane) zu einem Sol hydrolysiert und das Sol in einem zweiten Schritt in ein Gel überführt wird, wobei Pigmente oder Füllstoffe eines mittleren Teilchendurchmessers von mindestens 500 nm und gegebenenfalls ein aromatisches Polyol mit einem durchschnittlichen Molgewicht von höchstens 1.000 eingesetzt werden.
  • Die DE 199 40 857 A1 beschreibt einen Sol-Gel-Beschichtungsstoff für einschichtig oder mehrschichtig lackierte Substrate, insbesondere Automobilkarrosserien, der es insbesondere ermöglichen soll, nachträglich in möglichst kurzer Zeit einen kratzfesten Überzug auf fertige, bereits ausgehärtete Lackierungen aufzubringen, ohne daß dabei Haftungsprobleme entstehen. Hierzu wird eine siloxanhaltige Lackformulierung mit organischen Bestandteilen modifiziert. Der Sol-Gel-Beschichtungsstoff enthält als wesentliche Bestandteile eine Acrylatcopolymerisatlösung und ein Sol.
  • In der DE 198 13 709 A1 wird ein Verfahren zum Schutz eines metallischen Substrats vor Korrosion beschrieben, bei dem man auf das Substrat eine Beschichtungszusammensetzung auf der Basis von durch Hydrolyse- und Kondensationsprozessen hergestellten (Hetero)Polysiloxanen aufbringt und härtet, wobei die Beschichtungszusammensetzung mindestens eine Spezies Z umfaßt, die mit dem Metall unter Bildung einer Spezies Y, die eine negativere Bildungsenthalpie als die Spezies X aufweist, reagiert, bzw. wechselwirkt. Die Beschichtungszusammensetzung ist naßchemisch aufbringbar. Eine Schweißbarkeit oder gar Punktschweißbarkeit wird nicht beschrieben.
  • Aus der DE 101 49 148 A1 ist ein Verfahren zur Beschichtung von metallischen Oberflächen mit einer wässrigen Zusammensetzung bekannt, die mindestens einen organischen Filmbildner, mindestens eine anorganische Verbindung in Partikelform und mindestens ein Gleitmittel enthält. Bei der Zusammensetzung der DE 101 61 383 A1 liegt neben dem organischen Filmbildner ein Gehalt an Kationen und/oder Hexafluorokomplexen von Kationen sowie mindestens eine anorganische Verbindung in Partikelform vor.
  • In der DE 101 41 687 A1 wird ein Siliciumverbindungen enthaltendes Mittel beschrieben, das im wesentlichen für die Erzeugung einer Beschichtung auf Oberflächen sowei als Rohstoff für Lacke verwendet wird. Es enthält als Reaktionsgemisch mindestens ein Alkyltialkoxysilan, mindestens ein Alkoxysilan und/oder mindestens ein Tetraalkoxysilan, mindestens ein wasserhaltiges Kieselsäuresol, mindestens eine Säure und mindestens einen Alkohol oder mindestens einen Glykol.
  • Aus der DE 100 27 265 A1 sind mit farb- oder effektgebenden Mehrschichtlackierungen beschichtete Aluminiumcoils bekannt, die auf mindestens einer ihrer Oberflächen eine Kombinationseffektschicht aufweisen, welche aus einer pigmentierten Pulverslurry, einer Klarlackierung und einem Sealer auf der Basis organisch modifizierter Keramikmaterialien besteht.
  • Die EP 0 610 831 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung funktioneller Beschichtungen mit organofunktionellen Silanen einer Metallverbindung und schwerflüchtigen Oxiden, wobei man eine hydrolytische Kondensation durchführt, zum dem hydrolytischen Kondensat ein organisches vernetzbares Präpolymer zugibt und die so erhaltene Beschichtungslösung auf ein Substrat aufbringt und anschließend aushärtet.
  • In der WO 95/13326 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Zusammensetzungen auf der Basis von hydrolysierbaren Silanen mit Epoxidgruppen, bie dem einer vorhydrolysierten Siliciumverbindung ein teilchenförmiges Material, ein vorzugsweise nicht-ionisches Tensid ode rein aromatisches Polyol zugegeben wird, um Beschichtungen mit hoher Kratzfestigkeit, lanzeit-hydrophilen Eigenschaften, korrosionsinhibierenden Eigenschaften, guter Haftung und Transparenz zu erhalten.
  • Im Bereich naßchemisch aufzutragender Korrosionsschutzschichten sind beispielsweise organische Schutzüberzüge, zum Teil mit Zinkpigmenten gefüllte Schutzlacke, bekannt. Diese bieten vorzugsweise als zusätzliche Versiegelung auf einer im Schmelztauchverfahren oder galvanisch verzinkten Stahloberfläche einen guten Korrosionsschutz für Niedertemperaturanwendungen, können jedoch aufgrund ihrer nicht ausreichenden Temperaturbeständigkeit nicht für Warmumform- und Formhärteprozesse oberhalb 800°C eingesetzt werden. Gleiches gilt für eine Vielzahl von Korrosionsschutzbeschichtungen auf organischer oder Sol-Gel-Basis.
  • Im Stand der Technik sind derzeit keine naßchemisch aufzutragenden Beschichtungsmaterialien bekannt, die Stahl vor Korrosion und/oder Verzunderung schützen und nach Wärmebehandlung des beschichteten Stahls bei Temperaturen oberhalb 600°C noch schweißbar sind. Diese Schweißbarkeit umfaßt insbesondere die Eignung eines beschichteten Stahlteils nach Wärmebehandlung zum Punktschweißen, für die eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Schicht in Verbund mit dem Bauteil auch nach der genannten Wärmebehandlung notwendig ist.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Beschichtungsmaterial zu schaffen, das nach einer Wärmebehandlung des hiermit beschichteten Stahls noch ein Schweißen, insbesondere ein Punktschweißen, ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zum Erreichen einer Schweißbarkeit, insbesondere mittels Punktschweißverfahren, des aufgetragenen Beschichtungsmaterials vorgesehen sind, daß das Beschichtungsmaterial auf naßchemischem Wege auftragbar ist, daß sich das Beschichtungsmaterial bei Hochtemperaturprozessen von mehr als 600°C in seiner Struktur verändert, und als Haftgrund für weitere Beschichtungsmaterialien geeignet ist.
  • Überraschenderweise zeigte sich, daß es durchaus möglich ist, naßchemisch auftragbares Beschichtungsmaterial zur Verfügung zu steilen, das einen guten Verzunderungsschutz bietet und zudem schweißbar, auch punktschweißbar ist.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zum Erreichen der Schweißbarkeit ein leicht zu oxidierendes organisches oder anorganisch-organisches Bindemittel mit leicht zu oxidierenden organischen Anteilen mit einem elektrisch leitfähigen metallischen oder nichtmetallischen Füllstoff verbunden ist.
  • Durch Verwendung eines geeigneten Bindemittels mit einem geeigneten Füllstoff wandelt sich während der Hochtemperaturbehandlung eines Härtungsprozesses das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial derart um, daß elektrisch leitfähige Reaktionsschichten entstehen, die sich gemeinsam mit dem Metallsubstrat auch nach Behandlung bei Temperaturen über 800°C schweißen und insbesondere punktschweißen lassen. Im Hochtemperaturprozeß wird das Bindemittel bei einer Temperatur von mehr als 600°C in einem Zeitraum von weniger als 10 min oxidiert. Die organischen Bestandteile verbrennen zu gasförmigen Produkten sowie zu elektrisch leitfähigem Ruß. Während der Verbrennung der organischen Bestandteile entsteht in der Schicht eine reduzierende Atmosphäre, die die Metallpigmente vor Oxidation während des Hochtemperaturprozesses schützt. Die in der Schicht enthaltenen Metallpigmente bzw. nichtmetallischen elektrisch leitfähigen Partikel verbinden sich nach oxidativer Entfernung elektrisch isolierender Schichtbestandteile mit der Substratoberfläche zu einer elektrisch leitfähigen Oberfläche.
  • Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten nicht naßchemisch aufzubringenden Schichten besitzen die erfindungsgemäßen Beschichtungen außerdem folgende Vorteile: Die Beschichtungen sind in Ihren Anwendungsmöglichkeiten sehr vielfältig, da sie nicht nur im Coil-Coating-Verfahren, sondern auch in weiteren Applikationsverfahren wie Vorhanggießen, Spritzlackieren, Tauchbeschichten, Fluten etc. appliziert werden und somit neben Coil bzw. Platinen auch auf dreidimensionalen Bauteilen angewandt werden können. Die Beschichtungen sind multifunktionell, d.h. neben der Hauptfunktion Verzunderungs- und/oder Korrosionsschutz können die Beschichtungen durch Einbindung tribologisch aktiver Bestandteile auch Schmierwirkung bei Kalt- und Warmumformung entfalten und so externe Schmiermittel ersetzen. Die Schichten können außerdem auch in sehr geringen Schichtdicken (im unteren μm-Bereich) appliziert werden, was sowohl die elektrische Leitfähigkeit verbessert als auch Material- und somit Kostenersparnis mit sich bringt. Sollte nach dem Warmumformprozeß eine noch höhere elektrische Leitfähigkeit gewünscht sein, kann auf die Schicht auch ein dünner elektrisch leitfähiger Primer aufgebracht werden.
  • Das Beschichtungsmaterial kann nach dem Umformprozeß bzw. Hochtemperaturumformprozeß auf der Oberfläche des Substrates verbleiben und dort gegebenenfalls eine Zusatzfunktion erfüllen, z.B. die Kratzfestigkeit erhöhen, den Korrosionsschutz verbessern, ästhetische Aspekte erfüllen (Farbgebung, Antifingerprinteigenschaften), eine Anlaufschutz (bei Metall- oder PVD-Oberflächen) bieten, die elektrische Leitfähigkeit verändern (antistatische Wirkung, isolierende Wirkung) und ggf. als Untergrund für die üblichen Weiterverarbeitungsschritte (z.B. Phosphatierung, kataphoretische Tauchlackierung) dienen.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zum Erreichen der Schweißbarkeit eine organische, anorganische oder organisch-anorganische Bindemittelmatrix Verbindungen enthält, die bei Erhitzung unter reduzierenden Bedingungen bei Temperaturen oberhalb 600°C eine leitfähige Phase bilden, insbesondere Metallsalze, Metallalkoxide, Carbide und Phosphide von Eisen, Kupfer, Wolfram und Aluminium, elektrisch leitfähige Oxide, insbesondere Antimon-Zinn-Oxid/ATO und Indium-Zinn-Oxid/ITO.
  • Bei den Metallsalzen werden solche der Nebengruppenmetalle bevorzugt.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zum Erreichen der Schweißbarkeit das Beschichtungsmaterial elektrisch leitfähige Verbindungen enthält, die gegen die Oxidationsprozesse bei hohen Temperaturen resistent sind, insbesondere Edelstahlpigmente, Pigmente bzw. Pulver aus Edelmetallen, Kupfer, Zinn, Graphit und Ruß, hochtemperaturbeständige Halbleiter wie Siliziumcarbid.
  • Durch den gezielten Zusatz von elektrisch leitfähigen Verbindungen, die gegen die Oxidationsprozesse bei hohen Temperaturen resistent sind und dadurch sowohl vor als auch während des Härtungsprozesses noch die zum Punktschweißen erforderliche elektrische Leitfähigkeit haben, wird die Schweißbarkeit sichergestellt.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß das Beschichtungsmaterial elektrisch leitfähige Stoffe enthält, die unter reduzierenden Bedingungen in der Schicht gegen Oxidationsprozesse resistent sind, insbesondere Pigmente sowie Pulver aus Eisen, Aluminium, Zink, Magnesium, Graphit und Ruß.
  • Die oben genannten reduzierenden Bedingungen in der Schicht können insbesondere durch das Bindemittel induziert werden.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das Beschichtungsmaterial zwischen 5 und 95 Gew.-%, bevorzugt von 10 bis 75 Gew.-% Bindemittel und zwischen 0 und 90 Gew.-%, bevorzugt von 25 bis 75 Gew.-% Pigmente und/oder Füllstoffe enthält.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Bindemittel organische Verbindungen, insbesondere Polyurethane, Polyester, Epoxidharze, Alkydharze, Phenolharze, Melaminharze, Acrylate, Methacrylate, organisch-anorganische Verbindungen, insbesondere Oligo- und Polysiloxane aus Hydrolyse und Kondensation von Alkylalkoxysilanen bzw. Alkoxysilanen bzw. Mischungen hieraus bzw. Silikone oder Silikonharze oder organisch modifizierte Silikonharze, oder rein anorganische Verbindungen, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Alumosilikate bzw. Metalle, Metallalkoxide und deren Kondensationsprodukte, Metalloxide und Metallsalze enthält.
  • Ebenso ist es vorteilhaft, daß das Beschichtungsmaterial Metallpigmente, insbesondere der Metalle Aluminium, Zink, Eisen, Zinn, Kupfer, Magnesium, Edelstahl, sowie von Silber und anderen Edelmetallen oder Metallsalze enthält.
  • Diese dienen der Verbesserung des Korrosionsschutzes und/oder zur Vermeidung der Hochtemperaturkorrosion (Zunderbildung).
  • Es kann auch zweckmäßig sein, daß das Beschichtungsmaterial Schmiermittel enthält, insbesondere natürliche und synthetische Wachse, Öle, Polymere wie Polytetrafluorethylen bzw. Fluorethylenpropylen, Thermoplaste, insbesondere Polyethylen und Polyamid, Stearate, Aluminium-, Zink-, Magnesium- und Lithiumseifen, höhere Fettsäuren, organische Verbindungen von Chlor, Phosphor und Schwefel, Fluoride von Calcium oder Barium, Phosphate, Oxide, Hydroxide und Sulfide von Calcium und Zink sowie Metalle, insbesondere Blei, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Indium und Nickel.
  • Weiterhin ist zur Erfindung gehörig, daß das Beschichtungsmaterial Festschmierstoffe enthält, insbesondere anorganische Festschmierstoffe, bevorzugt Graphit, Ruß, Bornitrid, Titannitrid, Molybdändisulfid und Wolframdisulfid.
  • Diese Festschmierstoffe eignen sich insbesondere für Prozesse, die bei höheren Temperaturen durchgeführt werden.
  • Weiterhin ist zur Erfindung gehörig, daß das Beschichtungsmaterial ein oder mehrere Korrosionsschutzpigmente oder Korrosionsinhibitoren, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Tannin-Derivate, basische Sulfonate von Alkali- und Erdalkalimetallen, Zinksalze organischer Stickstoffsäuren, Phosphate, Chromate, Molybdate von Calcium, Magnesium, Zink oder Aluminium, enthält.
  • Hierdurch werden die Korrosionsschutzeigenschaften verbessert.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zum Beschichten von Metallen, insbesondere Stahl, mit erfindungsgemäßem Beschichtungsmaterialsmaterial, wobei das Beschichtungsmaterial durch einen naßchemischen Beschichtungsprozeß wie Rakeln, Tauchen, Spritzlackieren, Walzen, Fluten oder Vorhanggießen auf ein Substrat aufgetragen wird und durch einen Härtungsschritt fest an der Oberfläche des Substrates angebunden wird.
  • Hierbei ist bei einer Variante der Erfindung vorgesehen, daß der Härtungsschritt bei Raumtemperatur bis 800°C, bevorzugt bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 300°C erfolgt, wobei die erhöhte Temperatur durch Heißluft oder durch Bestrahlung im Bereich NIR, IR, UV, Elektronenstrahl oder induktiv initiiert wird.
  • Es ist möglich, daß das Beschichtungsmaterial bereits nach einfachem Trocknen oder einem Härtungsschritt, wie er oben beschrieben wurde, eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, um schweißbar zu sein.
  • Eine andere Variante der Erfindung besteht darin, daß nach Auftragen des Beschichtungsmaterials auf das Substrat in einem Hochtemperaturprozeßschritt der Verbund Beschichtungsmaterial/Substrat auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1.300°C, bevorzugt zwischen 840°C und 1.000°C, erhitzt wird.
  • Die thermische Behandlung führt dazu, daß das Beschichtungsmaterial seine chemische Struktur ändert und hat in der Regel auch für das Metall eine technische Bedeutung, z.B. wird hierdurch die Umformbarkeit durch Pressen, Schmieden, etc. verbessert oder die thermische Behandlung ist Teil eines mit oder ohne Umformung durchgeführten Härtevorgangs. Es wird dadurch erreicht, daß die resultierende Struktur eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, um mit den gängigen Schweißverfahren, insbesondere Punktschweißen, schweißbar zu sein. Zudem ist das Beschichtungsmaterial in allen gängigen Kalt- und Warmumformungsprozessen verformbar.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, daß der Hochtemperaturprozeßschritt zwischen einer Sekunde und mehreren Stunden, bevorzugt zwischen einer Sekunde und 30 min dauert.
  • Es ist zur Erfindung gehörig, daß das metallische Substrat Stahl, eine Stahllegierung oder ein mit einem metallischen Überzug, insbesondere aus Aluminium, Zink, Magnesium, Zinn oder entsprechenden Legierungen dieser Metalle wie Aluminium-Silizium, Aluminium-Eisen, Zink-Eisen, Zink-Silizium, Zink-Aluminium-Silizium, versehener Stahl ist.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß als Stahlsubstrat Coils oder Platinen oder sonstige Bauteile, insbesondere Profile, Stangen, Draht, Rohre, Formteile, Schmiedeteile, Gußteile eingesetzt werden.
  • Schließlich liegt auch ein mit einem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial versehenes Metallelement im Rahmen der Erfindung.
    •
  • Derartige Metallelemente können insbesondere Teile von Kraftfahrzeugen (z.B. Karosserie- oder Motorteile), Zügen oder Luftfahrzeugen, Maschinen, Industrieanlagen, landwirtschaftlichen Geräten, im Bauwesen oder im Bergbau verwendete Metallteile sein
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Beispiel 1:
  • Zu 100 g einer 60%igen Silikonpolyesterlösung (beispielsweise in Xylol erhältlich unter dem Handelsnamen Silikoftal) werden 10 g Graphitpulver (Teilchengröße < 10 μm) gegeben und mit einem Dissolver gut eindispergiert. Zu dem Gemisch werden 70 g Ethanol, 10 g Carnaubawachsdispersion (Feststoffgehalt 20 Gew.-% in Testbenzin), 50 g Aluminiumpigmentpaste (z.B. Decomet Hochglanz, Al 1002/10, Fa. Schlenk) sowie 20 g Zinkpaste (z.B. Zinkflake GTT, Fa. Eckart) gegeben und mehrere Stunden mit einem Flügelrührer bei geringer Scherung homogen eingerührt.
  • Der fertige Lack wird nach entsprechender Verdünnung mit Butylglykol mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,2 mm) auf ein alkalisch entfettetes Stahlsubstrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Platine) mit einer Rakel appliziert, so daß eine Naßfilmdicke von ca. 10–40 μm erreicht wird. Die Lackschicht wird ca. 10 min bei einer Oberflächentemperatur von 220°C ausgehärtet. Der Lack kann auch im Walzenauftrag (z.B. Coil Coating) auf das Blech appliziert werden und wird bei einer PMT (Peak Mean Temperature) von 230–240°C eingebrannt.
  • Beispiel 2:
  • Zu 100 g einer 60%igen Silikonpolyesterlösung (beispielsweise in Xylol erhältlich unter dem Handelsnamen Silikoftal) werden 30 g Graphitpulver (Teilchengröße < 10 μm) gegeben und mit einem Dissolver gut eindispergiert. Zu dem Gemisch werden 70 g Xylol, 10 g Carnaubawachsdispersion (Feststoffgehalt 20 Gew.-% in Testbenzin) sowie 30 g Aluminiumpigmentpaste (z.B. Decomet Hochglanz, Al 1002/10, Fa. Schlenk) gegeben und mehrere Stunden mit einem Flügelrührer bei geringer Scherung homogen eingerührt.
  • Der fertige Lack wird nach entsprechender Verdünnung mit Butylglykol mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,2 mm) auf ein fettfreies verzinktes Stahlsubstrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Platine) mit einer Rakel appliziert, so daß eine Naßfilmdicke von ca. 10–40 μm erreicht wird. Die Lackschicht wird ca. 10 min bei einer Oberflächentemperatur von 220°C ausgehärtet. Der Lack kann auch im Walzenauftrag (z.B. Coil Coating) auf das verzinkte Stahlblech appliziert werden und wird bei einer PMT (Peak Mean Temperature) von 230–240°C eingebrannt.
  • Beispiel 3:
  • Zu 100 g einer 60%igen Silikonpolyesterlösung (in Xylol, beispielsweise erhätlich unter dem Handelsnamen Silikoftal) werden 50 g Butylglykol sowie 85 g einer Eisenpigmentpaste (beispielsweise STAPA TA Ferricon 200, Fa. Eckart) zugegeben und homogen mit geringer Scherung eingerührt.
  • Der fertige Lack wird mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,4 mm) auf ein alkalisch entfettetes Stahlsubstrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Platine) mit einer Rakel appliziert, so daß eine Naßfilmdicke von ca. 10–40 μm erreicht wird. Die Lackschicht wird 10 min bei einer Oberflächentemperatur von 250°C ausgehärtet.
  • Beispiel 4:
  • Zu 100 g Polyesterharzlösung (beispielsweise erhältlich unter dem Handelsnamen Desmotherm VP LS 2218) werden 250 g eines geeigneten Lösemittels (z.B. Aromatengemisch Solvesso 150) zugegeben und homogen gerührt. Zu dem verdünnten Polyesterharz werden 80 g eines blättchenförmigen Kupferpulvers (z.B. STANDART Kupferpulver Feinschliff GTT, Fa. Eckart) gegeben und mit einem Flügelrührer bei geringer Scherung homogen eingerührt. Zu der Mischung werden 10 g Graphitpulver (Teilchengröße < 10 μm) sowie 10 g Carnaubawachsdispersion (Feststoffgehalt 20 Gew.-% in Testbenzin) zugegeben und gut eindispergiert.
  • Der fertige Lack wird mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,4 mm) auf ein alkalisch entfettetes Stahlsubstrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Platine) mit einer Rakel appliziert, so daß eine Naßfilmdicke von ca. 10–40 μm erreicht wird. Die Lackschicht wird 10 min bei einer Oberflächentemperatur von 180°C ausgehärtet. Der Lack kann auch im Walzenauftrag (z.B. Coil Coating) auf das Blech appliziert werden und wird bei einer PMT (Peak Metal Temperature) von 230–240°C eingebrannt.

Claims (18)

  1. Beschichtungsmaterial zum Schutz von Metallen, insbesondere Stahl, vor Korrosion und/oder Verzunderung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erreichen einer Schweißbarkeit, insbesondere mittels Punktschweißverfahren, des aufgetragenen Beschichtungsmaterials vorgesehen sind, daß das Beschichtungsmaterial auf naßchemischem Wege auftragbar ist, daß sich das Beschichtungsmaterial bei Hochtemperaturprozessen von mehr als 600°C in seiner Struktur verändert und als Haftgrund für weitere Beschichtungsmaterialien geeignet ist.
  2. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen der Schweißbarkeit ein leicht zu oxidierendes organisches oder anorganisch-organisches Bindemittel mit leicht zu oxidierenden organischen Anteilen mit einem elektrisch leitfähigen metallischen oder nichtmetallischen Füllstoff verbunden ist.
  3. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen der Schweißbarkeit eine organische, anorganische oder organisch-anorganische Bindemittelmatrix Verbindungen enthält, die bei Erhitzung unter reduzierenden Bedingungen bei Temperaturen oberhalb 600°C eine leitfähige Phase bilden, insbesondere Metallsalze, Metallalkoxide, Carbide und Phosphide von Eisen, Kupfer, Wolfram und Aluminium, elektrisch leitfähige Oxide, insbesondere Antimon-Zinn-Oxid/ATO und Indium-Zinn-Oxid/ITO.
  4. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen der Schweißbarkeit das Beschichtungsmaterial elektrisch leitfähige Verbindungen enthält, die gegen die Oxidationsprozesse bei hohen Temperaturen resistent sind, insbesondere Edelstahlpigmente, Pigmente bzw. Pulver aus Edelmetallen, Kupfer, Zinn, Graphit und Ruß, hochtemperaturbeständige Halbleiter wie Siliziumcarbid.
  5. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial elektrisch leitfähige Stoffe enthält, die unter reduzierenden Bedingungen in der Schicht gegen Oxidationsprozesse resistent sind, insbesondere Pigmente sowie Pulver aus Eisen, Aluminium, Zink, Magnesium, Graphit und Ruß.
  6. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial zwischen 5 und 95 Gew.-%, bevorzugt von 10 bis 75 Gew.-% Bindemittel und zwischen 0 und 90 Gew.-%, bevorzugt von 25 bis 75 Gew.-% Pigmente und/oder Füllstoffe enthält.
  7. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel organische Verbindungen, insbesondere Polyurethane, Polyester, Epoxidharze, Alkydharze, Phenolharze, Melaminharze, Acrylate, Methacrylate, organisch-anorganische Verbindungen, insbesondere Oligo- und Polysiloxane aus Hydrolyse und Kondensation von Alkylalkoxysilanen bzw. Alkoxysilanen bzw. Mischungen hieraus bzw. Silikone oder Silikonharze oder organisch modifizierte Silikonharze, oder rein anorganische Verbindungen, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Aluminosilikate bzw. Metalle, Metallalkoxide und deren Kondensationsprodukte, Metalloxide und Metallsalze enthält.
  8. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Metallpigmente (Aluminium, Zink, Eisen, Zinn, Kupfer, Magnesium, Edelstahl, Silber, Edelmetalle usw.) oder Metallsalze enthält.
  9. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Schmiermittel enthält, insbesondere natürliche und synthetische Wachse, Öle, Polymere wie Polytetrafluorethylen bzw. Fluorethylenpropylen, Thermoplaste, insbesondere Polyethylen und Polyamid, Stearate, Aluminium-, Zink-, Magnesium- und Lithiumseifen, höhere Fettsäuren, organische Verbindungen von Chlor, Phosphor und Schwefel, Fluoride von Calcium oder Barium, Phosphate, Oxide, Hydroxide und Sulfide von Calcium und Zink sowie Metalle, insbesondere Blei, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Indium und Nickel.
  10. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Festschmierstoffe enthält, insbesondere anorganische Festschmierstoffe, bevorzugt Graphit, Ruß, Bornitrid, Titannitrid, Molybdändisulfid und Wolframdisulfid.
  11. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial ein oder mehrere Korrosionsschutzpigmente oder Korrosionsinhibitoren, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Tannin-Derivate, basische Sulfonate von Alkali- und Erdalkalimetallen, Zinksalze organischer Stickstoffsäuren, Phosphate, Chromate, Molybdate von Calcium, Magnesium, Zink oder Aluminium, enthält.
  12. Verfahren zum Beschichten von Metallen, insbesondere Stahl, mit Beschichtungsmaterialsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial durch einen naßchemischen Beschichtungsprozeß wie Rakeln, Tauchen, Spritzlackieren, Walzen, Fluten oder Vorhanggießen auf ein Substrat aufgetragen wird und durch einen Härtungsschritt fest an der Oberfläche des Substrates angebunden wird.
  13. Verfahren zum Beschichten von Metallen gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Härtungsschritt bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 800°C, bevorzugt bei Raumtemperatur bis 300°C erfolgt, wobei die erhöhte Temperatur durch Heißluft oder durch Bestrahlung im Bereich NIR, IR, UV, Elektronenstrahl oder induktiv initiiert wird.
  14. Verfahren zum Beschichten von Metallen gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach Auftragen des Beschichtungsmaterials auf das Substrat in einem Hochtemperaturprozeßschritt der Verbund Beschichtungsmaterial/Substrat auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1.300°C, bevorzugt zwischen 840°C und 1.000°C, erhitzt wird.
  15. Verfahren zum Beschichten von Metallen gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturprozeßschritt zwischen einer Sekunde bis mehreren Stunden, bevorzugt zwischen einer Sekunde und 30 min, dauert.
  16. Verfahren zum Beschichten von Metallen gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Substrat Stahl, eine Stahllegierung oder ein mit einem metallischen Überzug, insbesondere aus Aluminium, Zink, Magnesium, Zinn oder entsprechenden Legierungen dieser Metalle wie Aluminium-Silizium, Aluminium-Eisen, Zink-Eisen, Zink-Silizium, Zink-Aluminium-Silizium, versehener Stahl ist.
  17. Verfahren zum Beschichten von Metallen gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Stahlsubstrat Coils oder Platinen oder sonstige Bauteile, insbesondere Profile, Stangen, Draht, Rohre, Formteile, Schmiedeteile, Gußteile eingesetzt werden.
  18. Mit einem Beschichtungsmaterial gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 versehenes Metallelement.
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