DE102015215651B4

DE102015215651B4 - Verfahren und Behandlungslösung zur Behandlung von Aluminiumbeschichtungen vor der Passivierung mit Chrom(III)-haltigen Lösungen

Info

Publication number: DE102015215651B4
Application number: DE102015215651.6A
Authority: DE
Inventors: Lothar Zapf
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: DE102015215651A1

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Aluminiumbeschichtungen vor der Passivierung mit Chrom(III)-haltigen Lösungen, mit den Schritten:Bereitstellen (31, 41) einer Behandlungslösung (20), die als Bestandteile wenigstens ein wasserlösliches Salz der Phosphorsäure, Natrium- oder Kaliumnitrat, Natrium- oder Kaliumfluorid und ein anionisches Tensid aufweist;vollständiges oder teilweises Einbringen (32, 42) eines Werkstückes (10) in die Behandlungslösung (20) für eine vordefinierte Zeitdauer (33, 43);Spülen (34, 44) des Werkstückes (10) mit einer ersten Flüssigkeit (21) nach Entnahme des Werkstückes (10) aus der Behandlungslösung (20).

Description

Die Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Behandlungslösung zur Behandlung für Beschichtungen aus Reinaluminium vor der Passivierung mit Chrom(III)-haltigen Lösungen.
Unbehandelte Metalloberflächen neigen in der Regel dazu, Wechselwirkungen mit dem umgebenden Medium einzugehen. Als allgemein bekanntes Beispiel kann die rasche Korrosion von unbehandeltem Stahl bei einer Verwendung im Außenbereich angeführt werden. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Umgebungsbedingungen (Luftfeuchtigkeit, Temperatur etc.) korrodiert das Metall mehr oder weniger schnell und zersetzt sich mit der Zeit. Die Korrosion kann nur durch eine geeignete Beschichtung oder durch den Einsatz einer geeigneten Legierung (falls technisch möglich) eingedämmt werden. Insbesondere beim Korrosionsschutz von Magneten kommt lediglich eine geeignete Beschichtung zum Korrosionsschutz in Frage, denn der eingesetzte Werkstoff kann in diesen Fällen nicht ohne weiteres substituiert werden. Beispielsweise kommt hierfür eine IVD-Aluminiumbeschichtung (Ion Vapour Deposition) zum Einsatz. Für einen größtmöglichen Korrosionsschutz erfordert die Aluminiumbeschichtung eine nachfolgende Passivierung, welche mit Cr(VI)-haltigen Lösungen durchgeführt werden kann. Der Einsatz von Cr(VI)-haltigen Lösungen steht jedoch zunehmend in der Kritik, da es als krebserregend eingestuft wird. In jüngerer Zeit wurde die Passivierung deshalb vermehrt mit Cr(III)-haltigen Lösungen in Verbindung mit einer vorangehenden Vorbehandlung durchgeführt. Die bisher bekannten Verfahren zur Behandlung sind jedoch kompliziert im Hinblick auf die Prozessdurchführung und die Prozesskontrolle. Darüber hinaus schädigen sie die zuvor aufgebrachte Aluminiumbeschichtung, indem sie deren Schichtdicke reduzieren.
DE 43 17 217 A1 beschreibt eine chromfreie Konversionsbehandlung von Aluminium. In DE 199 21 842 A1 wird eine Vorbehandlung von Aluminiumoberflächen durch chromfreie Lösungen beschrieben. WO 85/01302 A1 illustriert ein Verfahren zur Behandlung von Aluminiumoberflächen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein kostengünstiges Behandlungsverfahren für Aluminiumbeschichtungen bereitzustellen, welches eine prozesssichere Abscheidung der Cr(III)-haltigen Passivierungsschichten erlaubt. Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung darin, das Behandlungsverfahren derart zu entwickeln, dass eine Schädigung der Aluminiumbeschichtung vermieden wird. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Behandlungslösung gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es wird ein Verfahren zur Behandlung von Aluminiumbeschichtungen auf einem Werkstück beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Behandlungslösung, die als Bestandteile wenigstens ein wasserlösliches Salz der Phosphorsäure, Natrium- oder Kaliumnitrat, Natrium- oder Kaliumfluorid und ein anionisches Tensid aufweist, sowie vollständiges oder teilweises Einbringen des Werkstückes in die Behandlungslösung für eine vordefinierte Zeitdauer und das Spülen des Werkstückes mit einer ersten Flüssigkeit nach Entnahme des Werkstückes aus der Behandlungslösung.
Eine Behandlungslösung zur Behandlung einer Aluminiumbeschichtung auf einem Werkstück weist wenigstens ein Salz der Phosphorsäure, Natrium- oder Kaliumnitrat, Natrium- oder Kaliumfluorid und ein anionisches Tensid auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen zur Veranschaulichung grundlegender Aspekte, wobei nur solche Merkmale dargestellt sind, die hierfür notwendig sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit jeweils gleicher oder ähnlicher Bedeutung. Es zeigt:

1 in einer schematischen Darstellung verschiedene Zeitabschnitte bei einem Verfahren zur Behandlung für Beschichtungen aus Reinaluminium;
2 in einer schematischen Darstellung verschiedene Zeitabschnitte bei einem Verfahren zur Behandlung für Beschichtungen aus Reinaluminium mit zwei Spülvorgängen;
3 in einem Ablaufdiagramm die Behandlung von Beschichtungen aus Reinaluminium; und
4 in einem Ablaufdiagramm die Behandlung von Beschichtungen aus Reinaluminium mit zwei Spülvorgängen.

Bei einem Beispiel ist ein Werkstück 10 mit einer Aluminiumbeschichtung versehen. Die Aluminiumbeschichtung kann eine IVD-Aluminiumbeschichtung sein und kann sowohl aus Reinaluminium, als auch aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Das Werkstück 10 kann beispielsweise metallisch und insbesondere weich- oder hartmagnetisch sein. Es ist jedoch auch möglich das nachfolgend beschriebene Verfahren und die zugehörige Behandlungslösung 20 auf andere aluminiumhaltige Beschichtungen anzuwenden, einschließlich Beschichtungen, die nicht durch ein IVD-Verfahren aufgebracht wurden.
1 zeigt schematisch den Ablauf eines beispielhaften Behandlungsverfahrens unter Einsatz einer Behandlungslösung 20. Zu Beginn wird ein Werkstück 10 bereitgestellt, welches ein mithilfe eines IVD-Verfahrens mit einer aluminiumhaltigen Beschichtung versehener Permanentmagnet sein kann. Darüber hinaus kann die Aluminiumbeschichtung noch zusätzlich bearbeitet worden sein, wie etwa durch Glasperlenstrahlen. Ein weiterer Korrosionsschutz der IVD-Aluminiumbeschichtung kann durch eine zusätzliche Passivierungsschicht erreicht werden. Diese Passivierungsschicht kann beispielsweise eine Cr(III)-haltige Passivierungsschicht sein. Das kontrollierte und prozesssichere Auftragen der Passivierungsschicht kann durch ein geeignetes Behandlungsverfahren und einer geeigneten Behandlungslösung begünstigt werden. Für die Behandlung kann deshalb eine Behandlungslösung 20 bereitgestellt werden. Anschließend kann das Werkstück 10 zumindest teilweise in die Behandlungslösung 20 eingebracht und für eine vordefinierte Zeitdauer in der Behandlungslösung 20 belassen werden. Die vordefinierte Zeitdauer, für die das Werkstück 10 in der Behandlungslösung 20 verbleibt, kann in einem vordefiniertem Bereich von 1s bis 300 s liegen. Das Einbringen des Werkstückes 10 kann über einen kontinuierlichen Prozess erfolgen, beispielsweise mithilfe eines Durchlaufverfahrens, bei dem das Werkstück 10 unter Einsatz eines Förderbandes durch die Behandlungslösung 20 bewegt wird. Es ist jedoch ebenso möglich, einzelne Werkstücke 10 in ein bestehendes Becken mit der Behandlungslösung 20 zu hängen und nach Ablauf der vordefinierten Zeit zu entnehmen. Prinzipiell wäre es auch möglich, das Werkstück 10 mit der Behandlungslösung 20 zu besprühen oder auf andere Weise mit der Behandlungslösung 20 in Berührung zu bringen. Nach der zeitlich vordefinierten Behandlung des Werkstückes 10 mit der Behandlungslösung 20 wird dieses aus der Behandlungslösung 20 entnommen und mit einer ersten Flüssigkeit 21 gespült. Die erste Flüssigkeit kann beispielsweise Leitungswasser, insbesondere unbehandeltes Leitungswasser sein, oder zumindest unbehandeltes Leitungswasser enthalten.
In einem weiteren, in 2 dargestellten Beispiel kann das Behandlungsverfahren um einen weiteren Spülvorgang ergänzt werden. Dieser Spülvorgang mit einer zweiten Flüssigkeit 22 kann beispielsweise nach dem Spülen mit der ersten Flüssigkeit 21 erfolgen. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Spülvorgänge mit der ersten Flüssigkeit 21 und der zweiten Flüssigkeit 22 in umgekehrter Reihenfolge oder auch nur einen Spülvorgang mit der zweiten Flüssigkeit 22 durchzuführen. Die zweite Flüssigkeit kann beispielsweise vollentsalztes Wasser sein oder zumindest vollentsalztes Wasser enthalten. Beispielsweise kann das vollentsalzte Wasser einen Leitfähigkeitswert von kleiner 20 µS/cm aufweisen.
Dem oben beschriebenen Verfahren kann sich beispielsweise, wie weiter oben bereits erwähnt, eine Passivierung mit einer Cr(III)-haltigen Passivierungslösung anschließen. Es ist jedoch jederzeit möglich, weitere Verfahrens- und/oder Bearbeitungsschritte einzufügen und auch deren Reihenfolge zu verändern. Es können auch nach der Anwendung des beanspruchten Verfahrens und vor der Passivierung weitere Verfahrens- und/oder Bearbeitungsschritte vorgesehen werden. Das beanspruchte Verfahren verursacht im Idealfall keinerlei oder zumindest nur einen sehr geringen Materialabtrag an der Aluminiumbeschichtung des Werkstücks 10.
Die Behandlungslösung 20 weist zumindest ein wasserlösliches Salz der Phosphorsäure auf. Als weitere Bestandteile weist die Behandlungslösung 20 zumindest Kalium- oder Natriumnitrat und zumindest Kalium- oder Natriumfluorid auf.
Zusätzlich weist die Behandlungslösung 20 zumindest ein anionisches Tensid auf. Darüber hinaus kann die Behandlungslösung 20 zumindest Natron- oder Kalilauge enthalten, welche für die Einstellung eines vordefinierten pH-Wertes eingesetzt werden kann. Die anionischen Tenside der Behandlungslösung 20 können beispielsweise langkettige Alkylsulfate und/oder langkettige aliphatische Sulfonate und/oder langkettige aromatische Sulfonate sein. Langkettige Alkylsulfate sind beispielsweise Natriumlaurylsulfat oder Laurylethersulfat. Langkettige aliphatische oder aromatische Sulfonate sind beispielsweise Dodecylbenzolsulfonat oder Carboxylate der Fettsäuren (Seifen).
Die Behandlungslösung 20 dient unter anderem dazu, die Aluminiumbeschichtung zu entfetten und deren Oberfläche zu aktivieren. Ein nachträgliches Auftragen einer Passivierungsschicht wird dadurch erleichtert.
Darüber hinaus kann die Behandlungslösung 20 auch noch weitere Stoffe enthalten. Beispielsweise können in der Behandlungslösung 20 anionische Lösungsvermittler (Hydrotrope) enthalten sein. Beispiele für Hydrotrope sind Cumolsulfonat, Xylolsulfonat und Toluolsulfonat. Die anionischen Tenside können außerdem in Kombination mit nichtionischen Tensiden in der Behandlungslösung 20 enthalten sein. Nichtionische Tenside sind beispielsweise Ethoxylate langkettiger Alkohole, wie Isotridecanolethoxylat und Nonylphenolethoxylat.
Die Behandlungslösung 20 kann einen pH-Wert zwischen 1,5 und 3 haben und kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 15°C und 30°C eingesetzt werden. Andere Einsatztemperaturbereiche sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Konzentrationen der einzelnen Bestandteile in der Behandlungslösung 20 können in vordefinierten Bereichen liegen. Der Phosphatgehalt der Behandlungslösung 20 kann zwischen 10 g/l und 300 g/l und der Nitratgehalt zwischen 10 g/l und 500 g/l liegen. Ferner kann der Gehalt an Fluorid zwischen 1 g/l und 100 g/l und der Gehalt an anionischen Tensiden in einem Bereich zwischen 0,5 g/l und 10 g/l liegen.
Bei einem beispielshaften Verfahren kann die vordefinierte Verweildauer des Werkstücks 10 in der Behandlungslösung 20 zwischen 1 min und 3 min gewählt werden. Die Behandlungslösung 20 kann dabei einen Phosphatgehalt zwischen 20 g/l und 200 g/l und einen Nitratgehalt zwischen 20 g/l und 300 g/l aufweisen. Der Fluoridgehalt kann im Bereich von 5 g/l bis 50 g/l und der Anteil der anionischen Tenside im Bereich zwischen 5 g/l und 10 g/l liegen. Die Temperatur für die Anwendung des Verfahrens kann zwischen 15°C und 25°C gewählt werden. Der pH-Wert der Behandlungslösung kann zwischen 1,8 und 2,8 liegen.
In der 3 ist in einem Ablaufdiagramm das oben beschriebene Verfahren mit den zugehörigen Verfahrensschritten nochmals im Einzelnen dargestellt. Nach dem Bereitstellen 31 einer Behandlungslösung 20 wird anschließend das Werkstück 10 vollständig oder teilweise in die Behandlungslösung 20 eingebracht 32 und für eine vordefinierte Zeitdauer in der Behandlungslösung 20 belassen 33. Nach Ablauf der vordefinierten Zeitdauer wird das Werkstück 10 aus der Behandlungslösung entnommen 34 und mit einer ersten Flüssigkeit 21 gespült 34.
In 4 ist in einem Ablaufdiagramm ein weiteres Beispiel dargestellt mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen 41 einer Behandlungslösung 20, das vollständige oder teilweise Einbringen 42 des Werkstückes 10 in die Behandlungslösung 20 und das Belassen 43 des Werkstückes 10 in der Behandlungslösung 20 für eine vordefinierte Zeitdauer. Ferner umfasst das Verfahren nach 4 das Spülen 44 des Werkstücks 10 mit einer ersten Flüssigkeit 21 nach der Entnahme des Werkstückes 10 aus der Behandlungslösung 20 und das Spülen 45 des Werkstückes mit einer zweiten Flüssigkeit 22.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Aluminiumbeschichtungen vor der Passivierung mit Chrom(III)-haltigen Lösungen, mit den Schritten: Bereitstellen (31, 41) einer Behandlungslösung (20), die als Bestandteile wenigstens ein wasserlösliches Salz der Phosphorsäure, Natrium- oder Kaliumnitrat, Natrium- oder Kaliumfluorid und ein anionisches Tensid aufweist; vollständiges oder teilweises Einbringen (32, 42) eines Werkstückes (10) in die Behandlungslösung (20) für eine vordefinierte Zeitdauer (33, 43); Spülen (34, 44) des Werkstückes (10) mit einer ersten Flüssigkeit (21) nach Entnahme des Werkstückes (10) aus der Behandlungslösung (20).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Behandlungslösung (20) zusätzlich zumindest Natron- oder Kalilauge zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Behandlungslösung (20) einen pH-Wert zwischen 1,5 und 3 aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Flüssigkeit unbehandeltes Leitungswasser enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Behandlungslösung (20) zusätzlich anionische Lösungsvermittler enthält.
Verfahren nach Anspruch 5 bei dem die zusätzlichen anionischen Lösungsvermittler der Behandlungslösung (20) langkettige Alkylsulfate, langkettige Sulfonate oder aromatische Sulfonate sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Behandlungslösung (20) zusätzlich nichtionische Tenside enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das zusätzlich aufweist: Spülen (45) mit einer zweiten Flüssigkeit (22).
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die zweite Flüssigkeit (22) vollentsalztes Wasser enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die vordefinierte Zeitdauer zwischen 1s und 300s liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Behandlungslösung (20) im Bereich von zumindest einem der folgenden Konzentrationsbereiche liegt: ein Phosphatgehalt von 10 bis 300 g/l; ein Nitratgehalt von 10 bis 500 g/l; ein Fluoridgehalt von 1 bis 100 g/l; ein Gehalt an anionischen Tensiden von 0,5 bis 10 g/l.
Behandlungslösung zur Behandlung einer Aluminiumbeschichtung vor der Passivierung mit Chrom(III)-haltigen Lösungen, aufweisend: wenigstens ein Salz der Phosphorsäure, Natrium- oder Kaliumnitrat, Natrium- oder Kaliumfluorid, und ein anionisches Tensid.
Behandlungslösung nach Anspruch 12, der zusätzlich Natronlauge oder Kalilauge zugegeben wurde.
Behandlungslösung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, welche einen pH-Wert im Bereich von 1,5 bis 3 aufweist.
Behandlungslösung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, welche zusätzlich anionische Lösungsvermittler enthält.
Behandlungslösung nach Anspruch 15 bei der die zusätzlichen anionischen Lösungsvermittler langkettige Alkylsulfate, langkettige Sulfonate oder aromatische Sulfonate sind.
Behandlungslösung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, welche zusätzlich nichtionische Tenside enthält.
Behandlungslösung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, welche zumindest in einem der folgenden Konzentrationsbereiche liegt: ein Phosphatgehalt von 10 bis 300 g/l; ein Nitratgehalt von 10 bis 500 g/l; ein Fluoridgehalt von 1 bis 100 g/l; ein Gehalt an anionischen Tensiden von 0,5 bis 10 g/l.