DE102008017146B3

DE102008017146B3 - Verfahren zum Herstellen von fertig lackierten umformbaren Blechen und nach dem Verfahren lackiertes Blech

Info

Publication number: DE102008017146B3
Application number: DE200810017146
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Strauß; Alexandra Huber; Lothar Dr. Jandel; Dorothe Koberg
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH; BASF Coatings GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH; Akzo Nobel Coatings International BV
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2028-04-05
Also published as: EP2257389B1; WO2009121455A2; EP2257389A2; WO2009121455A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen lackierter umformbarer Bleche, wobei ein Metallblech mit einer mehrschichtigen Lackschicht überzogen wird, wobei die Lackschicht zumindest zwei äußere, aufeinander angeordnete Klarlackschichten umfasst, wobei der äußere Klarlack im vernetzten Zustand einen höheren Erweichungspunkt besitzt als der darunter liegende Zwischenklarlack und die beiden Deckklarlacke hinsichtlich ihres Verhältnisses von Festigkeit und Elastizität so eingestellt sind, dass für Bleche mit hoher Beanspruchung hinsichtlich der Falzbarkeit ein Verhältnis der tan deltamax-Werte von Deckklarlack zu Zwischenklarlack <= 0,8 eingehalten wird und für Bleche mit hoher Beanspruchung hinsichtlich der Tiefziehbarkeit ein Verhältnis der tan deltamax-Werte von Deckklarlack zu Zwischenklarlack von >= 0,6 eingehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von fertig lackierten umformbaren Blechen für den Automobilbereich sowie für Hausgeräte- und Bauanwendungen und dergleichen.
Die Lackierung ist ein sehr investitions- und kostenintensiver Prozess. Bei der Automobilherstellung z. B. erfolgt in herkömmlicher Weise die Lackierung, nachdem die Karosserie zusammengebaut ist, wobei üblicherweise mehrere Schichten aufgebracht werden und insbesondere nach einer Phosphatierung zunächst eine Korrosionsschutzgrundierung (KTL) aufgebracht wird, sodann ein ein- oder mehrschichtiger, Farbton gebender Lack mit einem abschließenden Klarlack. Auch bei Hausgeräten werden Blechteile in vielen Fällen erst nach dem Umformen und gegebenenfalls Fügen lackiert.
Herkömmliche Lackierstraßen sind auch aus dem Gesichtspunkt der Umweltbelastung problematisch. Der Auftragswirkungsgrad bei der Spritzlackierung sowie Volatile Organic Content(VOC)-Emissionen generell sind technologische Schwachpunkte, die auch in Zukunft einer weiteren deutlichen Verbesserung bedür fen. Zwar werden mehr und mehr Lacke auf Wasserbasis eingesetzt, organische Verdünnungen sind jedoch aus diesem Bereich nicht völlig zu eliminieren.
Zudem sind sogenannte Bandlackierungs- oder Coil-Coating-Verfahren bekannt. Es handelt sich hierbei um Verfahren, bei denen Lack durch Walzenauftrag mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100% auf Metallbänder aufgebracht wird, der Einbrand erfolgt in weitgehend geschlossenen Systemen unter thermischer Verwertung der eingesetzten Lösemittel. VOC-Emissionen werden mit dieser Technologie auf sehr niedrigem Nivau gehalten.
Voraussetzung für den Einsatz der sogenannten Coil-Coating-Verfahren bzw. der so erzielten lackierten Blechbänder ist, dass spezielle hochflexible Lacksysteme zur Anwendung kommen, die alle Uniformschritte rissfrei und ohne Oberflächenveränderung mitmachen.
Besonders bei Anwendungen, die eine kratz- und chemikalienresistente glänzende Klarlackoberfläche verlangen, wie z. B. Automobillackierungen, aber auch bei weiteren dekorativen Anwendungen im Bau- und Hausgerätebereich sind diese Verfahren nicht immer anwendbar, da die Qualität der umgeformten Lackoberfläche oft nicht den hohen Anforderungen entspricht.
Ein Hauptgrund hierfür ist die Tatsache, dass vorlackiertes Material nach dem Umformen deutliche Oberflächenveränderungen als Folge von mikroskopischen Deformationsprozessen im Metallsubstrat und der organischen Beschichtung zeigt. Die Deformationsvorgänge in der polymeren Beschichtung sind u. a. auf die Bildung von Fließlinien zurückzuführen, die zwar teilreversibel sind, aber einen Glanzabfall der Lackierung in umgeformten Bereichen bewirken.
Um diesen Effekten entgegenzusteuern, wurde versucht, die Lacke weiter zu entwickeln, wobei jedoch alle bekannten Lacksysteme in Abhängigkeit des Umformgrades nach wie vor einen messbaren Glanzverlust besitzen, auch wenn dieser reduziert werden konnte. Auch die Flächen mit dem reduzierten Glanzverlust durch Änderung der Lacksysteme weisen jedoch eine Oberfläche auf, die den Anforderungen an eine Automobilaußenhaut nicht genügt. Insbesondere hat sich gezeigt, dass alle bisher bekannten Lackaufbauten nach Dehnung zusätzlich zum Glanzabfall auch eine starke Anfälligkeit auf Rissbildung als Folge einer Wärmebehandlung zeigen.
Aus der DE 100 47 982 A1 ist eine farb- und/oder effektgebende Mehrschichtlackierung mit mindestens zwei übereinander liegenden Klarlackierungen von unterschiedlicher Härte und Flexibilität bekannt, wobei diese Lackierung als Steinschlagschutzschicht dienen soll. Hierbei ist eine flexible Pulverklarlackierung oder eine flexible Pulverslurryklarlackierung vorhanden, auf die eine zweite harte kratzfeste Pulverklarlackierung und/oder Pulverslurryklarlackierung aufgebracht ist.
Aus der EP 1 348 001 B1 ist eine Klarlackschicht bekannt, die Bestandteil einer Mehrschichtlackierung mit einer obersten Klarlackschicht, die für die Herstellung vorbeschichteter Metallbänder geeignet ist, ausgebildet ist, aus denen durch entsprechende Formgebungsverfahren (Tiefziehen) Teile für Automobile gefertigt werden können. Die Zwischenklarlackschicht und die Deckklarlackschicht unterscheiden sich dahingehend, dass die Zwischenlackschicht eine höhere Flexibilität aufweist als die Decklackschicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen fertig vorlackierter umformbarer Bleche mit einer dekorativen und schützenden Klarlackoberfläche zu schaffen, welches auch nach einer Umformung lackierte umgeformte Bleche mit einer hohen Oberflächenqualität ergibt.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird ein Lackaufbau mehrschichtig mit mindestens drei Schichten ausgebildet, wobei die äußeren beiden Schichten durch einen zweischichtigen Klarlack gebildet werden. Vorzugsweise baut der zweischichtige Klarlack auf einer fluorfreien Bindemittelchemie auf, wie z. B. PUR-vernetzten Acrylat- und Polyester-Klarlacken.
Mögliche Zusammensetzungen der Klarlacke und deren Bausteine auf Basis von Acrylaten und Polyestern sind in DE 103 35 491 A1 beschrieben.
Für die erfindungsgemäß eingesetzten Acrylatklarlacke wurden Methacrylatcopolymerisate eingesetzt, für die als Bausteine insbesondere Acrylsäure, Butandiolmonoacrylat, Butylacrylat, Butylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat, Hydroxyethylmethylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat Styrol infrage kommen. Die bevorzugte Auswahl aus diesen Bausteinen und deren Kombination für das jeweilige Methacrylatcopolymerisat richtet sich danach, ob die Klarlacke eher flexibel oder eher hart eingestellt sein sollen.
Typische erfindungsgemäße Schichtstärken für den zweischichtigen Klarlack weisen für die erste Klarlackschicht, d. h. die Klarlackschicht, die auf einer farbgebenden Lackschicht aufgebracht ist (Zwischenklarlack) 3 bis 30 μm und vorzugsweise 5 bis 20 μm auf. Die zweite Klarlackschicht (Deckklarlackschicht), die die nach außen weisende Klarlackschicht ist, besitzt eine Dicke von 5 bis 30 μm und vorzugsweise 10 bis 25 μm.
Erfindungsgemäß werden die thermomechanischen Eigenschaften der beiden Klarlackschichten im vernetzten Zustand aufeinander eingestellt, wobei die Erweichungspunkte und die tan δ_max-Werte erfindungsgemäß eingestellt werden. Die thermomechanischen Eigenschaften werden an freien Lackfilmen mittels Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) bei 1 Hz und einer Aufheizrate von 2 K/min bestimmt. Die Bestimmung der Tg-Werte erfolgt gemäß der "Praxis der thermischen Analyse von Kunststoffen", 2. Auflage, Hanser Verlag, München 2003 aus der Temperaturlage beim Verlustmodul Maximum tan δ_max der DMA-Messungen.
Der Deckklarlack besitzt im vernetzten Zustand einen Tg-Wert ≥ 80°C und der Zwischenklarlack im vernetzten Zustand einen Tg-Wert ≤ 60°C.
Zudem werden die beiden Deckklarlacke erfindungsgemäß hinsichtlich ihres Verhältnisses von Festigkeit und Elastizität so eingestellt, dass sie unterschiedlichen Beanspruchungsprofilen genügen.
Für Bauteile mit einer hohen Beanspruchung hinsichtlich der Falzbarkeit wird ein Verhältnis der tan δ_max-Werte des Deckklarlacks zum Zwischenklarlack ≤ 0,8 eingehalten.
Erfindungsgemäß wird für Bauteile mit einer hohen Beanspruchung hinsichtlich der Tiefziehbarkeit ein Verhältnis der tan δ_max-Werte von Deckklarlack zu Zwischenklarlack ≥ 0,6 und bevorzugt ≥ 0,9 eingehalten.
Durch die Erfindung können lackierte Bleche erzielt werden, die sich dadurch auszeichnen, dass die umgeformten Teile auch nach einem Wärmebehandlungsschritt bei Temperaturen > Tg rissfrei bleiben (z. B. 15 min bei 120°C) und dass beim Lackaufbau, der für das Falzen optimiert ist, Umformgrade von ≤ 2 T nach DIN EN 13523-7:2001 und beim tiefzieh-optimierten Aufbau Dehngrade von > 20% rissfrei und thermisch stabil hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß lackierte Bleche zeichnen sich dadurch aus, dass die Oberflächenveränderungen, die durch Umformung induziert werden und die zu einer Beeinträchtigung des Glanzes und der Abbildungsschärfe führen, durch erfindungsgemäß nachfolgende Bearbeitungsschritte beseitigt werden können.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung einer definierten Oberflächenstruktur bezüglich Glanz und Welligkeit bei Umformgraden < 2% vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung bei Temperaturen > Tg. Bei Umformgraden > 2% erfolgt die Herstellung der definierten Oberflächenstruktur vorzugsweise durch eine Kombination aus lokaler mechanischer Bearbeitung insbesondere Polieren und einer Wärmebehandlung. Die Notwendigkeit der me chanischen Bearbeitung nimmt mit steigendem Umformgrad zu und ist zusätzlich abhängig von der Bauteilgeometrie.
Schleif- und/oder Polierprozesse können miteinander kombiniert werden, wobei mit diesem gezielten Abtrag einer vorhergehenden Umformung Rechnung getragen wird.
Der Lackaufbau kann aus einer Primerschicht, einem farbgebenden Basislack sowie den zwei abschließenden Klarlackschichten, die im Coil-Coating-Vefahren appliziert werden, bestehen.
Primer- und Basislack sind modifizierte handelsübliche Coil-Coating-Lacke.
Vorzugsweise besitzt der Primer eine Dicke von 10 bis 25 μm und der darauf aufgebrachte Basislack ebenfalls eine Dicke von 10 bis 25 μm.
Die gesamte Lackschichtdicke beträgt hierbei etwa 60 bis 80 μm und unterscheidet sich hierdurch stark von herkömmlichen Automobillacken, die eine typische Dicke von 90 bis 130 μm besitzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Automobillackierungen sieht der Schichtaufbau hier einen zweischichtigen Klarlack vor, während bei herkömmlichen Automobillackierungen der Klarlack einschichtig ist.
Erfindungsgemäß können über die Chemie bzw. Aushärtereaktion des zweischichtigen Klarlackes die thermomechanischen und mechanischen Eigenschaften der Beschichtung eingestellt werden.
Ein derartiger Lack kann zusätzlich, nachdem er fertig ausgehärtet und umgeformt ist, mit einem oder mehreren Schleif- bzw. Polierschritten bearbeitet werden, wobei der obere Decklack als Verschleißschicht dient. Mit dem Schleif- bzw. Po lierschritt wird die Rauhigkeit bzw. Welligkeit des Lackes lokal so verändert dass auch in umgeformten Bereichen die spezifizierten Kennwerte – die üblicherweise denen am ebenen Blech entsprechen – erreicht werden
Hierbei ist zu beachten, dass selbstverständlich bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren vorher bekannt sein muss, wie hoch die Umformgrade in einzelnen Bereichen des Blechbandes sind, so dass gezielt und abhängig vom Umformgrad die entsprechende mechanische Bearbeitung des Lackes stattfinden kann. Hierbei reicht es aus, empirisch ermittelte Daten in Rechnermodellen zu Simulationszwecken einzusetzen und anhand der Simulation die mechanische Bearbeitung in der entsprechenden Intensität in den entsprechenden Bereichen durchzuführen.
Ein herkömmlicher Automobillack besitzt eine Korrosionsschutzgrundierung (KTL), einen darüber liegenden Füller, anschließend einen einschichtigen farbgebenden Lack und einen einschichtigen Klarlack. Die Dicke beträgt typischerweise 90 bis 130 μm. Derartige Lacke werden üblicherweise durch Tauchlackierung (KTL) und Spritzlackierung durch Lackierroboter aufgebracht.
Der erfindungsgemäße Lackaufbau besitzt gegenüber herkömmlichen Lackaufbauten eine erheblich geringere Schichtstärke von 50 bis 90 μm und ist üblicherweise vierschichtig aufgebaut. Die erste einem Blechsubstrat zugewandte Schicht ist ein herkömmlicher Primer mit einer Dicke von 5 bis 25 μm, auf den ein farbgebender Lack mit 10 bis 25 μm aufgebracht ist.
Erfindungsgemäß wird ein zweischichtiger Klarlack aufgebracht, bei dem die erste Klarlackschicht eine Dicke von 3 bis 30 μm und vorzugsweise von 5 bis 20 μm besitzt und die äußere Klar lackschicht eine Dicke von 5 bis 30 μm und vorzugsweise von 15 bis 25 μm besitzt.
Die beiden Klarlackschichten unterscheiden sich in ihren mechanischen Eigenschaften.
Für die Erfindung entscheidend sind die aufeinander abgestimmten thermomechanischen Eigenschaften der beiden Klarlacke im vernetzten Zustand. Diese thermomechanischen Eigenschaften werden zum einen über die Tg-Werte gekennzeichnet, also die Erweichungswerte bei Temperatur. Erfindungsgemäß sind diese Werte unterschiedlich, wobei der Zwischenklarlack im vernetzten Zustand einen Tg ≤ 60°C besitzt und der Deckklarlack im vernetzten Zustand einen Tg ≥ 80°C besitzt.
Erfindungsgemäß sind zudem die beiden Deckklarlacke hinsichtlich ihres Verhältnisses von Festigkeit und Elastizität so eingestellt, dass für Bauteile mit hoher Beanspruchung hinsichtlich der Falzbarkeit (d. h. einer Umformung, bei der das Blech entlang einer Kante stark umgebogen wird) ein Verhältnis der tan δ_max-Werte (Deckklarlack zu Zwischenklarlack) von ≤ 0,8 beträgt.
Für Bauteile mit einer hohen Beanspruchung hinsichtlich der Tiefziehbarkeit wird ein Verhältnis der tan δ_max-Werte (Deckklarlack zu Zwischenklarlack) von ≥ 0,6 eingehalten. Besonders bevorzugt für Bauteile mit hoher Beanspruchung hinsichtlich der Tiefziehbarkeit ist ein Verhältnis der tan δ_max-Werte von ≥ 0,9.
Insbesondere ergibt sich, dass der äußere Lack auch als mechanische Bearbeitungsreserve dicker und insbesondere härter ausgebildet ist als der darunter liegende Klarlack.
Durch die erfindungsgemäße Einstellung der thermomechanischen Eigenschaften der beiden oberen Lackschichten zueinander, insbesondere die Einstellung der Tg-Werte und die Einstellung der tan δ_max-Werte sowie gegebenenfalls das Vorsehen einer Polierreserve, kann eine definierte Oberflächenstruktur bezüglich des Glanzes und der Welligkeit des Lackes nach dem Umformen dadurch erfolgen, dass bei Umformgraden < 2% eine Wärmebehandlung bei Temperaturen > Tg durchgeführt wird.
Bei Umformgraden über 2% kann die Herstellung einer definierten Oberflächenstruktur des Lackes bezüglich des Glanzes und der Welligkeit durch Polieren und eine Wärmebehandlung erfolgen.
Vorzugsweise ist zumindest der äußere Lack so beschaffen, dass gegebenenfalls vorhandene Polierriefen durch eine abschließende optionale Wärmebehandlung noch weiter ausgeglichen werden können. Hierbei ist die Wärmestabilität eines derartigen Lackes besonders von Vorteil.
Von Vorteil ist es zudem, wenn die äußere Klarlackschicht bei einer Restdicke von 10 bis 25 μm mit einer Dicke aufgebracht wird, die eine entsprechende Polierreserve sicher stellt.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass ein Verfahren geschaffen wird, welches es erlaubt, mit einem speziellen Lacksystem die Oberfläche so zu konditionieren, dass nach dem Umformen bzw. gegebenenfalls lediglich noch einem Wärmebehandlungsschritt eine Lackoberfläche erzielt wird, die auch in den umgeformten Bereichen den hohen Anforderungen an die Qualität einer lackierten Fläche genügt.
Hierbei ist von Vorteil, dass eine erhebliche Kostenreduktion erzielt werden kann, da bei den Herstellern auf separate La ckierstraßen verzichtet werden kann. Zudem kann die Konstanz der Lackierqualität verbessert werden, da im Coil-Coating-Verfahren auf ebenen Blechen eine leichter und genauere Steuerung des Lackierprozesses möglich ist als bei der Spritzlackierung am fertig umgeformten Bauteil. Insbesondere werden alle Blechteile gleichmäßig und gleichstark mit Lack bedeckt. Zudem wird hierbei auch sichergestellt, dass in Flanschbereichen ein optimaler Schutz des Stahlsubstrats erreicht wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen lackierter umformbarer Bleche, wobei ein Metallblech mit einer mehrschichtigen Lackschicht überzogen wird, wobei die Lackschicht zumindest zwei äußere, aufeinander angeordnete Klarlackschichten umfasst, wobei der äußere Klarlack im vernetzten Zustand einen höheren Erweichungspunkt besitzt als der darunter liegende Zwischenklarlack und die beiden Deckklarlacke hinsichtlich ihres Verhältnisses von Festigkeit und Elastizität so eingestellt sind, dass für Bleche mit hoher Beanspruchung hinsichtlich der Falzbarkeit ein Verhältnis der tan δ_max-Werte von Deckklarlack zu Zwischenklarlack ≤ 0,8 eingehalten wird und für Bleche mit hoher Beanspruchung hinsichtlich der Tiefziehbarkeit ein Verhältnis der tan δ_max-Werte von Deckklarlack zu Zwischenklarlack von ≥ 0,6 eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Blechen mit sehr hoher Beanspruchung hinsichtlich der Tiefziehbarkeit ein Verhältnis der tan δ_max-Werte von ≥ 0,9 eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckklarlack im vernetzten Zustand auf einen Tg-Wert ≥ 80°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenklarlack im vernetzten Zustand auf einen Tg-Wert ≤ 60°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Klarlacke Lacke mit einer fluorfreien Bindemittelchemie verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass PUR-vernetzte Acrylat- und Polyesterklarlacke verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenklarlack mit Schichtdicken von 3 bis 30 μm und vorzugsweise 5 bis 20 μm verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckklarlack mit Schichtdicken von 5 bis 30 μm und vorzugsweise 10 bis 25 μm verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lacke im Coil-Coating-Verfahren aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer definierten Oberflächenstruktur bezüglich des Glanzes und der Welligkeit nach der Umformung bei Umformgraden < 2% eine Wärmebehandlung bei Temperaturen > Tg durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung einer definierten Oberflächenstruktur bezüglich des Glanzes und der Welligkeit nach dem Umformen bei Umformgraden > 2% durch ein Schleifschritt und/oder Polierschritt und/oder eine Wärmebehandlung durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtschichtdicke des Gesamtlackaufbaus von mindestens 40 μm und höchstens 90 μm entsteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Polierschritt lediglich die oberste Lackschicht poliert wird oder bei einem Schleifschritt und Polierschritt lediglich die oberste Lackschicht geschliffen und poliert wird, wobei in den mechanisch zu bearbeitenden Bereichen die oberste Lackschicht mit einer dicken Zugabe derart versehen wird, dass der Abtrag durch die mechanische Bearbeitung berücksichtigt ist.
Lackiertes umformbares Blech zur Verwendung im Automobilbau, der Hausgeräteherstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das umformbare Blech einen mehrschichtigen Lackaufbau mit zwei äußeren Klarlackschichten besitzt, die mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzielt ist.