DE102014005444A1

DE102014005444A1 - Verfahren zur Passivierung einer metallischen Oberfläche

Info

Publication number: DE102014005444A1
Application number: DE102014005444.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Grabowski; Michael Korte; Matthias Brettmann; Sannakaisa Virtanen; Michael Bengtsson Blücher
Original assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-10-15
Also published as: EP3129527A1; WO2015154851A1; US20170037517A1; CN106164343B; CN106164343A; US10351959B2; EP3129527B1; ES2747966T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Passivierung einer metallischen Oberfläche (25) eines Leichtmetallbauteils (3), bei dem in einem Passivierungsschritt (P) eine Konversionsschicht (5) auf die Oberfläche (25) des Leichtmetallbauteils (3) aufgetragen wird. Erfindungsgemäß erfolgt ein Passivierungsschritt (P), bei dem unter Verwendung einer wässrigen Passivierungslösung auf der metallischen Bauteiloberfläche (25) eine kalziumphosphathaltige Konversionsschicht (5) erzeugt wird, die Oxide und Hydroxide des Bauteil-Werkstoffes und der Passivierungslösung aufweist sowie Aminosäuren enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Passivierung einer metallischen Oberfläche eines Leichtmetallbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Passivierungslösung zur Bildung einer Konversionsschicht für die metallische Oberfläche des Leichtmetallbauteils nach dem Patentanspruch 15.
Der Einsatz von Leichtmetallbauteilen ist branchenübergreifend gängige Praxis. Speziell im Fahrzeugbau können beispielhaft Fahrzeugkarosserien im Mischbau zum Beispiel aus Leichtmetall- und Stahlblechteilen gefertigt werden, um eine Gewichtsreduzierung zu erzielen. Beispielhaft können als Leichtmetall Aluminium- oder Magnesium-Werkstoffe oder Legierungen davon eingesetzt werden.
Aus der DE 196 30 289 C2 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Lackieren von Fahrzeugkarosserien bekannt. Demzufolge wird die Rohkarosserie vor dem eigentlichen Lackiervorgang einer Vorbehandlung unterzogen, bei der Karosserien zunächst in einer Spritz- und Volltauchzone entfettet werden. Anschließend werden die gereinigten Fahrzeugkarosserien in einem Phosphatier-Bad mit einer Zinkphosphat-Schicht überzogen. Diese dient als zusätzlicher Korrosionsschutz und als Haftvermittler für die nachfolgende Grundierung. Im Anschluss an diesen Vorbehandlungsschritt erfolgt eine Kataphorese-Grundierung im Tauchverfahren, bei dem unter angelegter elektrischer Gleichspannung die im Tauchbad gelösten Lackpartikel vom Karosserieblech angezogen werden und dort unter Bildung einer Grundierung haften bleiben. Anschließend wird die grundierte Fahrzeugkarosserie in einen nachgeschalteten Durchlaufofen gefördert, in dem die Grundierung eingebrannt wird. Darauffolgend wird die mit der Grundierung versehene Fahrzeugkarosserie zu einer weiteren Beschichtungsstation geführt, in der eine Decklackierung in dem vom Kunden gewünschten Farbton erfolgt. Hierbei können die Lackpartikel durch ein elektrostatisches Feld von unter Hochspannung stehenden Stützköpfen zu der geerdeten Karosserie transportiert werden. Dieser Decklackierung ist ebenfalls ein Durchlaufofen nachgeschaltet, in dem bei hoher Temperatur eine Aushärtung der Decklackierung erfolgt. Anschließend wird in einer weiteren Beschichtungsstation eine Klarlackschicht aufgebracht, die in einem nachfolgenden Trocknungsschritt ebenfalls unter hoher Temperatur ausgehärtet wird.
Bei im Mischbau gefertigten Fahrzeugkarosserien sind die Leichtmetallbauteile (aus Mg oder Al) im Vergleich zu den Stahl-Bauteilen korrosionsanfälliger. Vor allem Lackunterwanderungen und Filiformkorrosion sind häufiger auftretende Schadensbilder. Zum Schutz der Leichtmetall-Bauteile ist eine Beizpassivierung sowie die Applikation einer anodischen Beschichtung gängige Praxis. Die kommerziellen Beschichtungen bieten jedoch nur zum Teil die notwendige Schutzwirkung gegen Eigenkorrosion, Filiformkorrosion und/oder Lackunterwanderung. Vor allem im Kontakt mit Magnesium ist der hohe Potentialunterschied als korrosionsfördernd zu betrachten.
Die kommerziell verfügbaren Beschichtungssysteme für Leichtmetallbauteile weisen kein ausreichend passivierendes Verhalten auf und sind oftmals insbesondere gegenüber Magnesium zu „edel” (das heißt zu hohe Korrosionspotentiale). Werden Magnesiumlegierungen durch den Kontakt mit edleren Metallen (zum Beispiel Aluminium) elektrochemisch polarisiert, kommt es zu einem exponentiellen Anstieg des Korrosionsstromes.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Passivierung der metallischen Oberfläche eines Leichtmetallbauteils bereitzustellen, bei der insbesondere bei Aluminium oder Magnesium eine ausreichende Passivierung erzielt wird sowie eine Kontaktkorrosionsgefahr herabgesetzt wird.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 15 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, sich bei der Zusammensetzung der Passivierungslösung zumindest grundsätzlich an der Zusammensetzung von menschlichem Blut zu orientieren. Überraschend wurde nämlich herausgefunden, dass bestimmte Komponenten des menschlichen Blutes eine schützende und passivierend wirkende Beschichtung auf Metalloberflächen, speziell aus Leichtmetall wie Aluminium und/oder Magnesium, erzeugen. In einer speziellen Ausführungsvariante der Erfindung können Konzentrationen einzelner Bestandteile im Wesentlichen unverändert in der Passivierungslösung nachgebildet werden. Vor diesem Hintergrund erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ein spezieller Passivierungsschritt, bei dem unter Verwendung einer wässrigen, insbesondere blutähnlichen Passivierungslösung auf der metallischen Bauteiloberfläche eine kalziumphosphathaltige Konversionsschicht erzeugt wird, die Oxide und Hydroxide des Bauteil-Werkstoffes und der Passivierungslösung aufweist und Aminosäuren enthält.
Das mit der passivierten metallischen Oberfläche ausgebildete Leichtmetallbauteil kann branchenübergreifend eingesetzt werden. Beispielhaft kann das Leichtmetallbauteil im medizinischen Bereich angewendet werden. Alternativ ist das Leichtmetallbauteil ggf. im Automobilbereich einsetzbar, und zwar sichtgeschützt innerhalb des Fahrzeugs oder als nach außen sichtbares Außenteil. Beispielhaft kann das Leichtmetallbauteil als ein fahrzeuginnenseitiger Display-Rahmen, ein Aggregateteil, ein Fahrwerksteil oder ein Bestandteil einer Sitzrahmenstruktur realisiert sein.
Der passivierend wirkende Korrosionsschutzprimer (das heißt die Konversionsschicht) erzeugt eine Reduktion der Eigenkorrosionsströme um den Faktor 10. Zudem erfolgt eine Erhöhung des Lochfrasspotentials um mehr als 0,5 V bei gleichzeitiger Reduzierung der kathodischen Stromdichten. Dabei ist die erfindungsgemäße Konversionsschicht sehr günstig im Kontakt zu edleren Materialien (wie zum Beispiel Aluminium oder Stahl). Zudem erfolgt mit der erfindungsgemäßen Konversionsschicht eine Reduktion der Kontaktkorrosionsströme mit Aluminium, Stahl, Zink, Kohlenstofffasern oder CFK. Ferner ergibt sich ein Anstieg des Durchtrittswiderstands durch Applikation der Beschichtung (das heißt je höher der Durchtrittswiderstand, desto geringer die Korrosionsströme; der Durchtrittswiderstand verhält sich umgekehrt proportional zu den Korrosionsströmen). Darüber hinaus wird ein passives Verhalten erzeugt, bei dem wesentlich geringere globale Korrosionsströme auftreten. Im Vergleich dazu ergeben sich bei herkömmlichen Konversionsschichten eine Vielzahl von feinverteilten lokalen Korrosionsstellen. Insgesamt ist hervorzuheben, dass die erfindungsgemäße Konversionsschicht niedrige Eigenkorrosionsströme sowie eine hohe Passivität erzeugt. Im Kontakt mit Aluminium und Stahl ergeben sich nur geringe Kontaktkorrosionsströme.
Bei einem Bauteil-Werkstoff aus Aluminium ergibt sich mit der Passivierungslösung eine kompakte kalziumphosphat- und aluminium-hydroxid/oxid-haltige Beschichtung mit Aminosäuren. Die Schichtmorphologie ist dabei schollenförmig aufgebaut, und zwar mit zwischengeordneten Rissen, die z. B. bei einer, in einem Lackierprozess nachfolgenden KTL-Abscheidung für eine ausreichend große Restleitfähigkeit sorgen. Zudem kann die flüssige Ausgangskomponente der Grundierung in die Risse eindringen, wodurch sich eine gute Haftfähigkeit zwischen der Konversionsschicht und der Grundierung ergibt.
Alternativ dazu ergibt sich bei einem Bauteil-Werkstoff aus Magnesium eine kompakte kalziumphosphat- und magnesiumhydroxid/oxid-haltige Beschichtung, deren Schichtmorphologie ebenfalls schollenförmig ausgebildet ist.
Nachfolgend sind weitere optionale Merkmale der Erfindung beschrieben: So kann die Passivierungslösung bevorzugt als Aktivatoren zur Aktivierung der Metalloberfläche des Bauteils zumindest die folgenden Bestandteile aufweisen:

NaCl mit einer Konzentration zwischen 5500 und 7500, insbesondere 6400 mg/l; und/oder

KCl mit einer Konzentration zwischen 300 und 500, insbesondere 400 mg/l.
Sowohl NaCl als auch KCl wirken als Chlorid-Quelle und unterstützen eine Aktivierung der Schichtbildung, bei der vermehrt Werkstoff-Ionen aus der Oberfläche des Bauteils herausgelöst werden, die für die Schichtbildung notwendig sind.

Zudem kann die Passivierungslösung als Katalysatoren und Schichtbildner zumindest die folgenden Aminosäuren aufweist:

D-Ca-Pantothenat	mit einer Konzentration zwischen 2 und 5, insbesondere 4 mg/l; und/oder
Myo-Inositol	mit einer Konzentration zwischen 5 und 9, insbesondere 7,2 mg/l, und/oder
L-Isoleucin	mit einer Konzentration zwischen 80 und 120, insbesondere 105 mg/l.

Die Aminosäure L-Isoleucin wirkt dabei speziell als ein Schichthaftmittel, das die Haftfähigkeit der Konversionsschicht auf der metallischen Bauteiloberfläche unterstützt.
Zur Unterstützung der Schichtbildung sind zudem Ca²⁺- und/oder PO₄ ^3–-Ionen als Fragmente in der Konversionsschicht eingebaut. In diesem Fall kann bevorzugt die Passivierungsschicht Kalziumphosphate enthalten.
Darüber hinaus kann die Konversionsschicht karbonathaltige Bestandteile aufweisen. Zur Bereitstellung solcher karbonathaltigen Schichtbestandteile kann die Passivierungslösung NaHCO₃ enthalten. Die Karbonatbildung ist zudem abhängig von ggf. zugeführtem CO₂.
Als weiteren Hilfsstoff zur Unterstützung der Schichtbildung kann die Passivierungslösung Na-Pyruvat enthalten, und zwar mit einer Konzentration zwischen 90 und 150 mg/l, insbesondere 110 mg/l.

Wie oben dargelegt, besteht ein wesentlicher Erfindungsaspekt darin, dass bestimmte Bestandteile des menschlichen Blutes in weitgehend unveränderter Konzentration auf die Passivierungslösung übertragen werden. Entsprechend kann die wässrige Passivierungslösung in einer Ausführungsvariante zumindest die folgenden Bestandteile enthalten, deren Konzentrationen ihren Konzentrationen in menschlichem Blut nachgebildet sind:

NaCl	mit insbesondere 6400 mg/l
KCl	mit insbesondere 400 mg/l
NaH₂PO₄	mit insbesondere 124 mg/l
CaCl₂	mit insbesondere 200 mg/l
NaHCO₃	mit insbesondere 3700 mg/l
Na-Pyruvat	mit insbesondere 110 mg/l
D-Ca-Pantothenat	mit insbesondere 4 mg/l
Myo-Inositol	mit insbesondere 7,2 mg/l
L-Isoleucin	mit insbesondere 105 mg/l

Von wesentlicher Bedeutung für das Beschichtungsverhalten sind zumindest einer oder mehrere, insbesondere alle der folgenden Bestandteile der Passivierungslösung:

L-Arginin·HCl	mit insbesondere 84 mg/l
L-Cystin	mit insbesondere 48 mg/l
L-Histidin·HCl·H₂O	mit insbesondere 42 mg/l
L-Leucin	mit insbesondere 105 mg/l
L-Lysin·HCl	mit insbesondere 146 mg/l
L-Methionin	mit insbesondere 30 mg/l
L-Phenylalanin	mit insbesondere 66 mg/l
L-Threonin	mit insbesondere 95 mg/l
L-Tryptophan	mit insbesondere 16 mg/l
L-Tyrosin	mit insbesondere 72 mg/l
L-Valin	mit insbesondere 94 mg/l
L-Serin	mit insbesondere 42 mg/l
Cholinchlorid	mit insbesondere 4 mg/l
Folsäure	mit insbesondere 4 mg/l
Nicotinamid	mit insbesondere 4 mg/l
Pyridoxal·HCl	mit insbesondere 4 mg/l
Riboflavin	mit insbesondere 0.4 mg/l
Thiamin-HCl	mit insbesondere 4 mg/l

Die erfindungsgemäße Passivierungsreaktion kann bei einem pH-Wert von etwa 7 erfolgen. In diesem Fall läuft die Beschichtungsreaktion nur langsam ab. Alternativ kann die Beschichtungsreaktion auch im sauren Bereich stattfinden. Die Beschichtungsreaktion kann durch Erhöhung der Temperatur, Reduzierung des pH-Wertes und/oder durch Polarisation und/oder Erhöhung des Partialdruckes von CO₂ beschleunigt werden.
In einem speziellen Anwendungsfall kann das Leichtmetallbauteil ein Fahrzeugteil sein, das zunächst mit der erfindungsgemäßen Passivierungslösung unter Bildung der Konversionsschicht vorbehandelt wird. Die Konversionsschicht des Bauteils kann in einem folgenden Beschichtungprozess mit zumindest einer weiteren Schicht überdeckt werden.
Beispielhaft kann der Beschichtungsprozess einen ersten Beschichtungsschritt aufweisen, bei dem eine Leichtmetall-KTL-Schicht, d. h. eine organische Schutzschicht, gebildet wird. Dies erfolgt in einem Tauchverfahren (d. h. Leichtmetall-KTL) unter angelegter Gleichspannung, wodurch die im Tauchbad gelösten Lackpartikel vom metallischen Bauteil angezogen werden und dort unter Bildung der Leichtmetall-KTL-Schicht haften bleiben. In einem weiteren Beschichtungsschritt wird dann eine Pulverbeschichtung aufgebracht. Dies erfolgt in einem Pulverbeschichtungsprozess unter angelegter Gleichspannung. Im Hinblick auf eine prozesssichere Beschichtung ist die bereits oben erwähnte spezielle schollenförmige Schichtmorphologie mit den Rissstrukturen von besonderer Bedeutung. Diese gewährleistet nämlich im Tauchverfahren und im Pulverbeschichtungsprozess eine ausreichende elektrische Restleitfähigkeit durch die Konversionsschicht hindurch.
Im Anschluß an den Bauteil-Beschichtungsprozess kann in einem möglichen Anwendungsfall das Leichtmetallbauteil, z. B. als ein sichtseitiges Außenteil, in einem Nietvorgang an die noch nicht lackierte Rohbaukarosserie gefügt werden. Die Rohkarosserie wird dann zusammen mit dem daran montierten Leichtmetallbauteil einem herkömmlichen Karosserie-Lackierprozess unterworfen. D. h. es erfolgt eine Kataphorese-Grundierung der Rohkarosserie im Tauchverfahren, bei dem unter angelegter elektrischer Gleichspannung die im Tauchbad gelösten Lackpartikel von der Rohkarosserie angezogen werden und dort unter Bildung einer Grundierung haften bleiben. Anschließend wird die grundierte Rohkarosserie in einen nachgeschalteten Durchlaufofen gefördert, in dem die Grundierung eingebrannt wird. Darauffolgend wird die mit der Grundierung versehene Rohkarosserie zu einer weiteren Beschichtungsstation geführt, in der ein KTL-Prozess erfolgt. Dem KTL-Prozess ist ebenfalls ein Durchlaufofen nachgeschaltet, in dem bei hoher Temperatur ein Einbrennen der KTL-Schicht erfolgt. Anschließend wird in einer weiteren Beschichtungsstation ein herkömmlicher automobiler Lackaufbau aufgebracht, der in einem nachfolgenden Trocknungsschritt ebenfalls unter hoher Temperatur eingebrannt wird.
Im obigen Karosserie-Lackierprozess ist das an der Rohkarosserie montierte Leichtmetallbauteil bereits mit einem Schichtaufbau vorbeschichtet, und zwar mit der Konversionsschicht, der Leichtmetall-KTL-Schicht und der Pulverbeschichtung. Das Leichtmetallbauteil ist somit elektrisch isoliert, so dass die im Rohkarosserie-Lackierprozess elektrisch applizierte KTL-Schicht nicht mehr haften bleiben, während sich der herkömmliche automobile Lackaufbau ohne weiteres auf das bereits beschichtete Leichtmetallbauteil applizieren lässt.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 den Schichtaufbau eines fertig lackierten Leichtmetallbauteils, das hier beispielhaft ein außenseitig an der Fahrzeugkarosserie anbringbares Außenteil darstellen soll;
2 bis 4 jeweils Ablaufpläne, die Beschichtungsprozesse zur Herstellung des in der 1 gezeigten Schichtaufbaus veranschaulichen; und
5 bis 7 jeweils stark vergrößerte Teilschnittansichten, die den Beschichtungsprozess bis zum Auftragen der Leichtmetall-KTL-Schicht veranschaulichen.
In der 1 ist in einer stark vergrößerten Teilschnittansicht beispielhaft der Schichtaufbau 1 einer Lackbeschichtung auf der Metalloberfläche 25 eines Karosserie-Bauteils 3 gezeigt. Beispielhaft ist hier das Karosserie-Bauteil 3 aus Leichtmetall gefertigt, etwa aus Aluminium, Magnesium oder eine Legierung davon. Demzufolge weist der Schichtaufbau 1 unmittelbar an der Werkstück-Oberfläche 25 des Leichtmetall-Bauteils 3 eine Konversionsschicht 5 auf, die zur Passivierung sowie zum Korrosionsschutz dient. Die Konversionsschicht 5 ist von einer Leichtmetall-KTL-Schicht 6 überzogen. Auf dieser ist eine Pulverbeschichtung 7 gebildet, auf der ein herkömmlicher automobiler Lackaufbau 9 aufgetragen ist. Wie aus der 1 weiter hervorgeht, weist die Konversionsschicht 5 eine schollenförmige Schichtmorphologie auf, bei der zwischen Einzelschollen 11 Risse 13 ausgebildet sind. Die Risse 13 sorgen in einem später beschriebenen KTL-Beschichtungsprozess für eine ausreichende Restleitfähigkeit zwischen einem KTL-Tauchbad und dem Leichtmetall-Werkstoff des Bauteils 3. Zudem kann während des mehrstufigen Beschichtungsprozesses die flüssige Ausgangskomponente der Leichtmetall-KTL-Schicht 6 in die Risse 13 eindringen und dadurch die Haftverbindung zur Konversionsschicht 5 steigern.
Die 1, wie auch die weiteren 2 bis 7, sind im Hinblick auf ein einfacheres Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Schichtaufbau 1 wiedergeben. So weist die Konversionsschicht 5 tatsächlich eine Schichtdicke auf, die im μm-Bereich liegen.
Nachfolgend wird anhand des in den 2 bis 4 gezeigten Ablaufplans ein in einer Lackieranlage durchgeführter Serienlackprozess beschrieben, in dem eine erfindungsgemäße Passivierungslösung Anwendung findet: Demzufolge erfolgt zunächst ein Passivierungsschritt P (2). Im Passivierungsschritt P wird eine Entfettung, ein Schleifen und/oder Beizen des Bauteils 3 durchgeführt. Das so gereinigte Bauteil 3 wird dann einer erfindungsgemäßen Passivierung unterworfen, bei der sie ein Tauchbad aus der Passivierungslösung eingetaucht wird.

Die Zusammensetzung der wässrigen Passivierungslösung orientiert sich grundsätzlich an der Zusammensetzung von menschlichem Blut. Vor diesem Hintergrund enthält die Passivierungslösung zumindest die folgenden Hauptbestandteile, deren Konzentrationen identisch mit den Konzentrationen in menschlichem Blut sind:

NaCl	mit 6400 mg/l
KCl	mit 400 mg/l
NaH₂PO₄	mit 124 mg/l
CaCl₂	mit 200 mg/l
NaHCO₃	mit 3700 mg/l
Na-Pyruvat	mit 110 mg/l
D-Ca-Pantothenat	mit 4 mg/l
Myo-Inositol	mit 7,2 mg/l
L-Isoleucin	mit 105 mg/l

Dabei dient NaCl und KCl in der Passivierungslösung zur Aktivierung der Metall-Oberfläche 25. Die Aminosäuren D-Ca-Pantothenat und Myo-Inositol sind hauptverantwortlich für den Beschichtungsprozess und weisen zudem eine katalysierende Wirkung auf. Die Komponenten NaH₂PO₄ und CaCl₂ unterstützen den Beschichtungsprozess durch Einbau der Ca²⁺- und PO₄ ^3–-Ionen in die Konversionsschicht 5.
Die erfindungsgemäße Konversionsschicht 5 weist zudem karbonathaltige Schichtbestandteile auf. Diese werden in der Passivierungslösung durch die Komponente NaHCO₃ und CO₂ (aus der Atmosphäre) bereitgestellt. Als weiterer Hilfsstoff für die Schichtbildung dient die Komponente Na-Pyruvat.

Von wesentlicher Bedeutung für das Beschichtungsverhalten sind die folgenden Bestandteile der Passivierungslösung:

L-Arginin·HCl	mit 84 mg/l
L-Cystin	mit 48 mg/l
L-Histidin·HCl·H₂O	mit 42 mg/l
L-Leucin	mit 105 mg/l
L-Lysin·HCl	mit 146 mg/l
L-Methionin	mit 30 mg/l
L-Phenylalanin	mit 66 mg/l
L-Threonin	mit 95 mg/l
L-Tryptophan	mit 16 mg/l
L-Tyrosin	mit 72 mg/l
L-Valin	mit 94 mg/l
L-Serin	mit 42 mg/l.

Die obigen Aminosäuren sind ebenfalls Bestandteile des menschlichen Blutes, deren Konzentrationen annähernd unverändert übernommen sind.
Insgesamt handelt es sich daher bei der erfindungsgemäßen Passivierungslösung um eine wässrige Behandlungsflüssigkeit, deren pH-Wert im Bereich von etwa 7 oder im sauren Bereich liegt. Die Passivierung erfolgt in dem Tauchbad bei einer Behandlungstemperatur im Bereich von 18 bis 25°C. Die Behandlungszeit richtet sich nach dem eingestellten pH-Wert, der Prozesstemperatur und gegebenenfalls einer zusätzlichen Polarisation sowie der geforderten Solldicke der Beschichtung. Nach der Passivierung wird das Bauteil 3 einem Spül-/Trocknungsvorgang zugeführt.
Das mit der Konversionsschicht 5 beschichtete Bauteil 3 wird im vorliegenden Anwendungsfall in der weiteren Prozeßabfolge (gemäß der 3) in einer Beschichtungsstation 17 mit einer Leichtmetall-KTL-Schicht 6 (d. h. einer organischen Schutzschicht) versehen. Die Leichtmetall-KTL erfolgt in gängiger Praxis im Tauchverfahren, bei dem zwischen der Karosserie 1 und dem Tauchbecken eine elektrische Gleichspannung angelegt wird, wodurch die im Tauchbad gelösten Lackpartikel vom Bauteil 3 angezogen werden und dort gleichmäßig haften bleiben. Zusätzlich erforderliche Vor- oder Nachbehandlungsschritte sind aus Gründen des einfacheren Verständnisses der Erfindung weggelassen.
In einer nachgeschalteten Trocknungsstation 18 durchläuft das Bauteil 3 mit vorgegebener Fördergeschwindigkeit einen Durchlaufofen, in dem die Leichtmetall-KTL-Schicht 6 bei Prozesstemperaturen im Bereich von zum Beispiel 180°C eingebrannt wird. Anschließend wird im Prozessschritt II in einer Beschichtungsstation 20 eine Pulverbeschichtung, bei der die Schicht 7 (1) auf das Bauteil 3 aufgetragen wird. Bei der Pulverbeschichtung 20 werden die Lackpartikel durch ein elektrostatisches Feld von unter Spannung stehenden Spitzköpfen zu dem geerdeten Bauteil 3 transportiert. Im Anschluss daran erfolgt in einer weiteren Trocknungsstation 19 abermals ein Einbrennvorgang in einem Durchlaufofen.
Im Anschluss an den Bauteil-Beschichtungsprozess L (d. h. Prozessschritte I und II der 3) wird das Leichtmetallbauteil 3 in einem beispielhaft möglichen Anwendungsfall als ein sichtseitiges Fahrzeug-Außenteil in einem Nietvorgang an eine noch nicht lackierte Rohbaukarosserie 15 gefügt. Die Rohkarosserie 15 wird in einem kontinuierlichen Prozess in eine Karosserie-Lackieranlage (siehe 4) gefördert. Dort erfolgt eine Kataphorese-Grundierung 25 im Tauchverfahren, bei dem unter angelegter elektrischer Gleichspannung die im Tauchbad gelösten Lackpartikel von der Rohkarosserie 15 angezogen werden und dort unter Bildung einer Grundierung haften bleiben. Anschließend wird die grundierte Rohkarosserie 15 in einen nachgeschalteten Durchlaufofen 27 gefördert, in dem die Grundierung eingebrannt wird. Darauffolgend wird die mit der Grundierung versehene Rohkarosserie 15 zu einer weiteren Beschichtungsstation 29 geführt, in der ein KTL-Prozess erfolgt. Dem KTL-Prozess 29 ist ebenfalls ein Durchlaufofen 31 nachgeschaltet, in dem bei hoher Temperatur ein Einbrennen der Beschichtung erfolgt. Anschließend wird in einer weiteren Beschichtungsstation 33 ein herkömmlicher automobiler Vierschicht-Lackaufbau 9 aufgebracht, der nachfolgend einem Einbrennvorgang 35 unterworfen wird.
Der in der 4 gezeigte Karosserie-Lackierprozess wird mit bereits vorbeschichtetem Leichtmetallbauteil 3 durchgeführt. D. h. das Leichtmetallbauteil 3 ist elektrisch isoliert, so dass die im Rohkarosserie-Lackierprozess applizierte KTL-Schicht nicht mehr haften bleiben, wogegen sich der herkömmliche automobile Lackaufbau 9 (d. h. ein Vierschichtaufbau) ohne weiteres auf der Pulverbeschichtung 7 des Leichtmetallbauteils 3 applizieren lässt.
In den 5 bis 7 ist in Ansichten entsprechend der 1 das Leichtmetall-Bauteil 3 in unterschiedlichen Prozessschritten gezeigt. So ist in der 5 das Leichtmetallbauteil 3 mit gereinigter sowie freigelegter metallischer Oberfläche 25 gezeigt. In der 6 ist das Leichtmetallbauteil 3 nach erfolgter Passivierung sowie Auslagerung gezeigt. Demzufolge ist die Konversionsschicht 5 auf der metallischen Oberfläche 25 des Leichtmetall-Bauteils appliziert, und zwar mit der erfindungsgemäßen Schollenmorphologie, das heißt mit schollenartigen Einzelfragmenten 11 sowie zwischengeordneten Rissen 13. In der 7 ist das Leichtmetallbauteil 3 nach erfolgtem Leichtmetall-KTL-Prozess gezeigt, bei der die Ausgangskomponente der Leichtmetall-KTL-Schicht 6 die Rissstruktur 13 der Konversionsschicht 5 durchtränkt, wodurch die Haftverbindung zwischen der Konversionsschicht 5 und der Leichtmetall-KTL-Schicht 6 wesentlich erhöht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19630289 C2 [0003]

Claims

Verfahren zur Passivierung einer metallischen Oberfläche (25) eines Leichtmetallbauteils (3), bei dem in einem Passivierungsschritt (P) eine Konversionsschicht (5) auf die Oberfläche (25) des Leichtmetallbauteils (3) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Passivierungsschritt (P) unter Verwendung einer wässrigen Passivierungslösung auf der metallischen Bauteiloberfläche (25) eine kalziumphosphathaltige Konversionsschicht (5) erzeugt wird, die Oxide und Hydroxide des Bauteil-Werkstoffes und der Passivierungslösung aufweist sowie Aminosäuren enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die metallische Oberfläche (25) des Bauteils (3) durch ein Leichtmetall, insbesondere Magnesium, Aluminium oder Legierungen davon, gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungslösung als Aktivatoren zur Aktivierung der Metalloberfläche (25) des Bauteils (3) zumindest die folgenden Bestandteile aufweist: NaCl mit einer Konzentration zwischen 5000 und 8000, insbesondere 6400 mg/l; und/oder KCl mit einer Konzentration zwischen 300 und 500, insbesondere 400 mg/l.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungslösung als Katalysatoren und Schichtbildner zumindest die folgenden Aminosäuren aufweist: D-Ca-Pantothenat mit einer Konzentration zwischen 2 und 20, insbesondere 4 mg/l; und/oder Myo-Inositol mit einer Konzentration zwischen 2 und 20, insbesondere 7,2 mg/l.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungslösung als Schichthaftmittel zumindest die folgende Aminosäure aufweist: L-Isoleucin mit einer Konzentration zwischen 90 und 150, insbesondere 105 mg/l.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungslösung zur Unterstützung der Schichtbildung zumindest die folgenden Bestandteile enthält, die als Fragmente (das heißt Ca²⁺ oder PO₄ ^3–) in die Konversionsschicht integriert werden: NaH₂PO₄ mit einer Konzentration zwischen 100 und 170, insbesondere 124 mg/l, und/oder CaCl₂ mit einer Konzentration zwischen 170 und 300, insbesondere 200 mg/l.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (5) zur Unterstützung der Schichtbildung karbonathaltige Bestandteile aufweist, und dass insbesondere zur Bereitstellung der karbonathaltigen Bestandteile die Passivierungslösung NaHCO₃ enthält, und zwar insbesondere mit einer Konzentration zwischen 3500 und 4500, insbesondere 3700 mg/l.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungslösung zur Unterstützung der Schichtbildung Na-Pyruvat enthält, und dass dessen Konzentration zwischen 90–170 mg/l, insbesondere bei 110 mg/l liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der Passivierungslösung in einem neutralen bis sauren Bereich liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Passivierungslösung zumindest die folgenden Bestandteile enthält, deren Konzentrationen ihren Konzentrationen in menschlichem Blut nachgebildet sind: NaCl mit insbesondere 6400 mg/l KCl mit insbesondere 400 mg/l NaH₂PO₄ mit insbesondere 124 mg/l CaCl₂ mit insbesondere 200 mg/l NaHCO3 mit insbesondere 3700 mg/l Na-Pyruvat mit insbesondere 110 mg/l D-Ca-Pantothenat mit insbesondere 4 mg/l Myo-Inositol mit insbesondere 7,2 mg/l L-Isoleucin mit insbesondere 105 mg/l
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungslösung zur Steigerung des Beschichtungsverhaltens zumindest eine oder mehrere, insbesondere alle der folgenden Bestandteile enthält: L-Arginin·HCl mit 50 bis 120, insbesondere 84 mg/l L-Cystin mit 30 bis 80, insbesondere 48 mg/l L-Histidin·HCl·H₂O mit 25 bis 65, insbesondere 42 mg/l L-Leucin mit 70 bis 140, insbesondere 105 mg/l L-Lysin·HCl mit 110 bis 170, insbesondere 146 mg/l L-Methionin mit 20 bis 50, insbesondere 30 mg/l L-Phenylalanin mit 40 bis 80, insbesondere 66 mg/l L-Threonin mit 60 bis 120, insbesondere 95 mg/l L-Tryptophan mit 13 bis 20, insbesondere 16 mg/l L-Tyrosin mit 40 bis 90, insbesondere 72 mg/l L-Valin mit 60 bis 120, insbesondere 94 mg/l L-Serin mit 20 bis 60 insbesondere 42 mg/l Cholinchlorid mit 2 bis 10, insbesondere 4 mg/l Folsäure mit 2 bis 10, insbesondere 4 mg/l Nicotinamid mit 2 bis 10, insbesondere 4 mg/l Pyridoxal·HCl mit 2 bis 10, insbesondere 4 mg/l Riboflavin mit 0,2 bis 1, insbesondere 0,4 mg/l Thiamin-HCl mit 2 bis 10, insbesondere 4 mg/l
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (5) des Bauteils (3) in einem folgenden Beschichtungsprozess (L) mit zumindest einer Schicht (6, 7, 9) überdeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsprozess (L) einen ersten Beschichtungsschritt (I) aufweist, bei dem eine Leichtmetall-KTL-Schicht (6), d. h. eine organische Schutzschicht, gebildet wird, und zwar insbesondere in einem Tauchverfahren unter angelegter Gleichspannung, wodurch die im Tauchbad gelösten Lackpartikel vom metallischen Bauteil (3) angezogen werden und dort unter Bildung der Leichtmetall-KTL-Schicht (6) haften bleiben, und/oder mit zumindest einem weiteren Beschichtungsschritt (II), bei dem zumindest eine Schicht (7) aufgebracht wird, und zwar insbesondere in einem Pulverbeschichtungsprozess unter angelegter Gleichspannung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (5) mit einer schollenförmigen Schichtmorphologie (11) mit Rissstrukturen (13) ausgebildet wird, und dass insbesondere die Schichtmorphologie (11) beim ersten Beschichtungsschritt (I) eine ausreichende elektrische Restleitfähigkeit zwischen dem Tauchbad und dem Bauteil-Werkstoff gewährleistet und/oder durch Eindringen der flüssigen Ausgangskomponente der Leichtmetall-KTL-Schicht (6) eine Haftverbindung zwischen der Konversionsschicht (5) und der Leichtmetall-KTL-Schicht (6) steigert.
Passivierungslösung zur Bildung einer Konversionsschicht (5) für eine metallische Oberfläche (25) eines Leichtmetallbauteils (3) in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.