DE10211512A1 - Beschichtete umgeformte Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Beschichtete umgeformte Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie und betrifft beschichtete umgeformte Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile, die mit einem zweistufig härtbaren/vernetzbaren Beschichtungsmittel beschichtet sind und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, beschichtete umgeformte Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile anzugeben und herzustellen, die als Halbzeuge noch umformbar sind und bei höheren Temperaturen ausgehärtet werden. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch beschichtete umformbare Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile, die mit einem mindestens zweistufig härtbaren/vernetzbaren Beschichtungsmittel beschichtet und höchstens teilgehärtet/teilvernetzt sind, und der ausgebildete Beschichtungsfilm elastisch ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile mit mindestens einem Beschichtungsmittel beschichtet werden, und die Schicht(en) in einer ersten Stufe verfilmt und teilgehärtet/teilvernetzt und in einer mindestens zweiten Stufe während und/oder nach mindestens einem Umformprozess im wesentlichen ausgehärtet/vernetzt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Chemie, des Maschinenbaus und der Werkstofftechnik und betrifft beschichtete umgeformte Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile, die mit einem zweistufig härtbaren/vernetzbaren Beschichtungsmittel für eine umformstabile Beschichtung beschichtet sind und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Um Lackschichtsysteme auf Aluminium-Halbzeugen (Blechen) applizieren und mit den heute geforderten Eigenschaften, wie hohe Kratzfestigkeit, hoher Glanzgrad, Umweltverträglichkeit und hoher Ausnutzungsgrad realisieren zu können, werden die kommerziell eingesetzten Pulverlacksysteme bei Temperaturen zwischen 160 bis 220°C industriell eingebrannt. Dies hat zur Folge, dass sich der Grundwerkstoff Aluminium bei diesen Temperaturbereichen über Nachkristallisation verfestigt bzw. stark versprödet und für eine weitere umformtechnische Bearbeitung nicht mehr geeignet ist.
  • In DE 198 56 878/WO 00/34355 werden härtbare uretdiongruppenhaltige Massen beschrieben, die in Zweistufenreaktionen gehärtet werden können. Die erste Stufe läuft vorzugsweise über eine Allophanatbildung kleiner 160°C ab. Ab Temperaturen größer 170°C entstehen unter Urethanbindungen unter Ausbildung des vernetzten Endzustandes.
  • In DE 198 56 877/WO 00/34391 werden "härtbare Massen", vorzugsweise eingesetzt zur Herstellung von Pulverlacken und deren Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung beschrieben, die gezielt für Mehrstufenreaktionen und vorzugsweise für Zweistufenreaktionen eingesetzt werden. Diese Massen härten in Mehrstufenreaktionen aus, wobei die erste Stufe bei niedrigen Temperaturen katalysiert abläuft.
  • Nachteilig bei den bekannten Beschichtungen ist, dass im wesentlichen keine umformstabile Beschichtung erreicht werden kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, beschichtete umgeformte Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile anzugeben und herzustellen, die als Halbzeuge noch umformbar sind und dabei eine geschlossene Beschichtung erhalten bleibt und bei höheren Temperaturen ausgehärtet werden, so dass am Ende ebenfalls eine geschlossene Beschichtung erhalten wird.
  • Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäßen beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile sind mit einem mindestens zweistufig härtbaren/vernetzbaren Beschichtungsmittel in Form einer Schmelzebeschichtungsmasse oder als Pulverlack oder als Lackdispersion oder als Lösemittelsystem beschichtet und höchstens teilgehärtet/teilvernetzt. Dabei ist der ausgebildete Beschichtungsfilm elastisch und liegt während nachfolgender Umformprozesse im wesentlichen als geschlossener Beschichtungsfilm vor.
  • Die weiterhin erfindungsgemäßen beschichteten Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile sind mit mindestens einem, in mindestens einer zweiten Reaktionsstufe nach einem Umformprozess, im wesentlichen ausgehärteten/vernetzten Beschichtungsfilm versehen, wobei die Aushärtung/Vernetzung unter den Bedingungen der Nachkristallisation der Aluminium(legierung) erfolgt ist.
  • Vorteilhafterweise liegen die beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile in Form von Aluminiumfeinblech(en) oder Aluminiumrohr(en) oder Aluminiumsandwichhalbzeug(en) in Blech- oder Rohrform aus umformbaren Aluminium(legierungen) vor, die bei Temperaturen kleiner 150°C umformbar sind.
  • Weiterhin vorteilhafterweise sind die beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile vollständig oder teilweise oder einseitig oder innen oder außen mit dem Beschichtungsfilm beschichtet.
  • Es ist auch vorteilhaft, dass die beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile mit mindestens einer weiteren Schicht versehen sind.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei den beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeugen und/oder -bauteilen die Haftung durch adhäsive Wechselwirkungen und/oder durch chemische, vorzugsweise kovalente Bindungen erreicht ist.
  • Ferner ist vorteilhaft, wenn bei den beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeugen und/oder -bauteilen mindestens das eine Beschichtungsmittel aus einem Bindemittelsystem besteht, welches aus einer oder mehreren Harz- und Härterkomponente(n) mit oder ohne Additive(n) und/oder Katalysatore(n) zusammengesetzt ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeugen und/oder -bauteilen werden Aluminiumhalbzeuge in Form von Aluminiumfeinblech oder Aluminiumsandwichbauteilen oder Aluminiumrohr aus umformbarem Aluminium(legierung) und/oder Aluminiumbauteile mit mindestens einem Beschichtungsmittel in Form von Schmelzebeschichtungsmasse oder Pulverlack oder Lackdispersion oder Lösemittelsystem beschichtet. Die Schicht(en) werden in einer ersten Stufe verfilmt und teilgehärtet/teilvernetzt und in einer mindestens zweiten Stufe während und/oder nach mindestens einem Umformprozess im wesentlichen ausgehärtet/vernetzt.
  • Vorteilhafterweise wird die erste Stufe zur Verfilmung und Teilhärtung/Teilvernetzung bei Temperaturen ≤ 150°C durchgeführt.
  • Ebenfalls vorteilhafterweise wird zur Erhaltung der Umformbarkeit der Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile nach der ersten Stufe zur Verfilmung und Teilhärtung/Teilvernetzung der Schicht ein Temperatur/Zeit-Regime eingestellt. Ferner ist vorteilhaft, dass die Teilhärtung/Teilvernetzung thermisch und/oder photochemisch und/oder strahlenchemisch durchgeführt wird.
  • Es ist auch vorteilhaft, wenn die zweite Stufe zur Aushärtung/Vernetzung bei Temperaturen > 130°C durchgeführt wird.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, dass die zweite Stufe zur Aushärtung/Vernetzung während und/oder nach mindestens einem Umformprozess unter den Bedingungen der Nachkristallisation der Aluminium(legierung) durchgeführt wird.
  • Es ist auch von Vorteil, dass die beschichteten umgeformten Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile mit mindestens einer weiteren Schicht beschichtet werden und in der mindestens zweiten Stufe verfilmt und gemeinsam mit der ersten (Lack-)Schicht ausgehärtet/vernetzt werden.
  • Das Wesen der Erfindung besteht in der Herstellung von beschichteten umgeformten Aluminiumhalbzeugen und -bauteilen, die nach der Aluminiumhalbzeugherstellung beschichtet werden und in einem thermischen Prozess verfilmt und teilgehärtet/teilvernetzt werden. Die Teilhärtung/Teilvernetzung der Schicht beispielsweise thermisch und strahlenchemisch oder nur thermisch weist eine solche mechanische Stabilität auf, dass diese Halbzeuge problemlos zwischengelagert und zu einem späteren Zeitpunkt weiterverarbeitet werden können. Zur Erhaltung der Umformbarkeit der Aluminiumhalbzeuge und -bauteile muss ein entsprechendes Temperatur/Zeit-Regime in der ersten Stufe der Verfilmung und Teilhärtung/Teilvernetzung eingehalten werden. Dabei gilt, dass bei höheren Temperaturen kürzere Reaktionszeiten zu wählen sind. Bei niedrigen Temperaturen kann beispielsweise die Teilhärtung/Teilvernetzung strahlenchemisch durchgeführt werden.
  • Die Elastizität der teilgehärteten/teilvernetzten (Lack-)Schicht wird durch Kriterien einstellbar - erstens durch die Zusammensetzung des Bindemittelsystems und zweitens durch den Grad der Teilhärtung/Teilvernetzung, der über DSC-Messungen bestimmt werden kann. Bezüglich der Zusammensetzung des Bindemittelsystems können insbesondere elastische Strukturelemente in der Harzkomponente integriert sein. Der ausgebildete (Lack-)Film liegt dadurch während oder nach dem Umformprozess als geschlossener (Lack-)Film vor, wodurch insbesondere zusätzliche Verfahrensschritte entfallen können.
  • Nach dem Umformprozess können weitere Schichten, beispielsweise Top-Coats, Deck- oder Farbschichten oder Gleitschichten aufgebracht werden, die auch in der zweiten Stufe bei Temperaturen größer 130°C ausgehärtet/vernetzt werden können. Mit der Aushärtung/Vernetzung der Schicht(en) unter den Bedingungen der Nachkristallisation der Aluminium(legierung) wird die Steifigkeit des Bauteils erreicht.
  • Die Haftung zwischen den umformbaren Aluminiumhalbzeugen und -bauteilen und der Schicht und zwischen den Schichten wird vorteilhafterweise neben der adhäsiven Wechselwirkung durch chemische Bindungen erreicht. Eine weiter verbesserte Haftung wird durch Ausbildung kovalenter Bindungen erreicht. Durch die Teilhärtung/Teilvernetzung einer Schicht bleiben an der Oberfläche funktionelle und/oder reaktive Gruppen erhalten, die mit den funktionelle und/oder reaktiven Gruppen einer weiteren Schicht eine kovalente Bindung eingehen.
  • Im nachfolgenden wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    • Beispiele
  • In einem Laborkneter werden die Verbindungen (A) und (B) bei einer Massetemperatur von 90°C homogenisiert. Zu dieser Masse werden nacheinander die Verbindungen (E), (D) und (C) zugegeben.
  • Die Zusammensetzungen der Beispielmischungen sind in Tabelle 1 angegeben. Die homogenisierten Massen werden durch Einbringen in flüssigen Stickstoff abgeschreckt. Diese Massen werden in einer (Labor-)Mahlanlage mit Sichtereinrichtung zu einem Beschichtungspulver weiterverarbeitet. Tabelle 1 Zusammensetzung der Beispielmischungen

  • Das Beschichtungspulver wird auf ein Aluminiumfeinblech mittels Pulverlackierung aufgebracht und in einem Umluftofen bei 140°C, 15 Minuten verfilmt und teilgehärtet/teilvernetzt. Es wurde über DSC-Messungen festgestellt, dass unter isothermen Messbedingungen keine weiteren Reaktionen vom Uretdion zum Allophanat nachweisbar sind.
  • Über Tiefziehen wird das beschichtete Aluminiumfeinblech zu einem Becher als Modellbauteil bei Raumtemperatur umgeformt. Dabei traten keine Rissbildungen bzw. Schichtschädigungen auf und es lag ein geschlossener Beschichtungsfilm vor. Nach Aufbringen eines Pulverklarlackes als Top-Coat wird dieses Modellbauteil im Umluftofen bei 170°C in 20 Minuten ausgehärtet/vernetzt. Gleichzeitig erhöhte sich die Steifigkeit des Bauteils durch Nachkristallisation.
  • Die Charakterisierung des Vernetzungsgrades der Lackschichten erfolgt mittels Differential Scanning Calorimetrie (DSC). Im dynamischen DSC-Scan von 40 bis 220°C bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 K/min wurde kein Reaktionspeak mehr festgestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2 Ergebnisse der thermischen Untersuchungen

  • Beispiel 1 in den Tabellen ist das Vergleichsbeispiel analog zu kommerziellen Beschichtungsmitteln, in dem nach der Beschichtung und Teilhärtung/Teilvernetzung das Aluminiumhalbzeug nicht mehr umformbar ist.

Claims (14)

1. Beschichtete umformbare Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile, die mit einem mindestens zweistufig härtbaren/vernetzbaren Beschichtungsmittel in Form einer Schmelzebeschichtungsmasse oder als Pulverlack oder als Lackdispersion oder als Lösemittelsystem beschichtet und höchstens teilgehärtet/teilvernetzt sind, und der ausgebildete Beschichtungsfilm elastisch ist und während nachfolgender Umformprozesse im wesentlichen als geschlossener Beschichtungsfilm vorliegt.
2. Beschichtete Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile, mit mindestens einem, in mindestens einer zweiten Reaktionsstufe nach einem Umformprozess, im wesentlichen ausgehärteten/vernetzten Beschichtungsfilm, wobei die Aushärtung/Vernetzung unter den Bedingungen der Nachkristallisation der Aluminium(legierung) erfolgt ist.
3. Beschichtete umformbare Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile nach Anspruch 1, die in Form von Aluminiumfeinblech(en) oder Aluminiumrohr(en) oder Aluminiumsandwichhalbzeug(en) in Blech- oder Rohrform aus umformbaren Aluminium(legierungen) vorliegen, die bei Temperaturen kleiner 150°C umformbar sind.
4. Beschichtete umformbare Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile nach Anspruch 1 oder 2, die vollständig oder teilweise oder einseitig oder innen oder außen mit dem Beschichtungsfilm beschichtet sind.
5. Beschichtete umformbare Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile nach Anspruch 1, bei denen die beschichteten Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile mit mindestens einer weiteren Schicht versehen sind.
6. Beschichtete umformbare Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile nach Anspruch 1 oder 2, bei denen die Haftung durch adhäsive Wechselwirkungen und/oder durch chemische, vorzugsweise kovalente Bindungen erreicht ist.
7. Beschichtete umformbare Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile nach Anspruch 1 oder 2, bei denen mindestens das eine Beschichtungsmittel aus einem Bindemittelsystem besteht, welches aus einer oder mehreren Harz- und Härterkomponente(n) mit oder ohne Additive(n) und/oder Katalysatore(n) zusammengesetzt ist.
8. Verfahren zur Herstellung von beschichteten umformbaren Aluminiumhalbzeugen und/oder -bauteilen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Aluminiumhalbzeuge in Form von Aluminiumfeinblech oder Aluminiumsandwichbauteilen oder Aluminiumrohr aus umformbarem Aluminium(legierung) und/oder Aluminiumbauteile mit mindestens einem Beschichtungsmittel in Form von Schmelzebeschichtungsmasse oder Pulverlack oder Lackdispersion oder Lösemittelsystem beschichtet werden, und die Schicht(en) in einer ersten Stufe verfilmt und teilgehärtet/teilvernetzt werden und in einer mindestens zweiten Stufe während und/oder nach mindestens einem Umformprozess im wesentlichen ausgehärtet/vernetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die erste Stufe zur Verfilmung und Teilhärtung/Teilvernetzung bei Temperaturen ≤ 150°C durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zur Erhaltung der Umformbarkeit der Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile nach der ersten Stufe zur Verfilmung und Teilhärtung/Teilvernetzung der Schicht ein Temperatur/Zeit-Regime eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Teilhärtung/Teilvernetzung thermisch und/oder photochemisch und/oder strahlenchemisch durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die zweite Stufe zur Aushärtung/Vernetzung bei Temperaturen > 130°C durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die zweite Stufe zur Aushärtung/Vernetzung während und/oder nach mindestens einem Umformprozess unter den Bedingungen der Nachkristallisation der Aluminium(legierung) durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die beschichteten umgeformten Aluminiumhalbzeuge und/oder -bauteile mit mindestens einer weiteren Schicht beschichtet werden und in der mindestens zweiten Stufe verfilmt und gemeinsam mit der ersten (Lack-)Schicht ausgehärtet/vernetzt werden.
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