DE19643082C2 - Verfahren zum Innen- und Außenbeschichten einer Karosserie mit Hohlräumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Karosserie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch elektrophoretische Ablagerung von z. B. Gummi, Lacken oder Harz lassen sich auf leitenden Gegenständen porenfreie Oberflächen erzeugen (Davis, Rideal, Interfacial Phenomena, Academie Press, New York and London). Die Porenfreiheit wird insbesondere dadurch erreicht, daß mit zunehmender Deposition der elektrisch nicht leitenden Partikel (Bindemittel) der Durchgangswiderstand der zu beschichtenden Oberfläche ansteigt, so daß nicht oder nur gering beschichtete Oberflächen bevorzugt beschichtet werden (Griffin, Emulsions, Encyclopedia of Chemical Technology 5.692 New York). Hierdurch wird erreicht, daß auch Hohlräume, also auch Faradaysche Käfige, gegen Ende des Beschichtungsprozesses in ihrem Inneren beschichtet werden.

Bei der elektrophoretischen Beschichtung wandert das Bindemittel, das in dem Elektrotauchlackbad (ETL-Bad) als Ion vorliegt, eng analog der Sedimentation im Gravitationsfeld, wobei noch weiteren Effekten, beispielsweise dem Zeta-Potential bzw. der Doppelschicht, Rechnung getragen werden muß (Perrey, Chilton, Chemical Engineers Handbook, Mc Graw-Hill Kogakusha Ltd, Tokyo e. r.; Kortüm, Lehrbuch der Elektrochemie, Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstr.). Grundsätzlich ist die Wanderungsgeschwindigkeit der Beschichtungsteilchen im ETL-Bad analog der anliegenden äußeren Feldstärke, da die sonstigen, die Wanderungsgeschwindigkeit bestimmenden Parameter, wie beispielsweise die Dielektrizitätskonstante der Badflüssigkeit sowie deren Viskosität im Regelfall nicht variabel sind.

Bedingt durch die Ablagerung der elektrisch nicht leitenden Beschichtungspartikel und der damit verbundenen Erhöhung des Durchgangswiderstandes der beschichteten Oberfläche kann jedoch die anliegende Spannung (äußere Feldstärke) nicht beliebig erhöht werden, da es sonst an der Beschichtung zu vielen Durchbrüchen kommt mit lokaler Überbeschichtung (Lackfehler), die zu einer aufwendigen Nachbehandlung führt.

Die Elektrotauchlackierung ist an sich ein sehr umweltfreundliches Lackierverfahren, da sie zum einen in wässerigem System stattfindet und zum anderen nahezu abfallfrei durchgeführt werden kann. Insbesondere der zweite Punkt ist bei Sprayverfahren aufgrund des sprühbedingten Oversprays kaum möglich.

Heutige, hochwertige Kraftfahrzeugserienlackierungen bestehen im allgemeinen aus einer elektrophoretisch aufgebrachten vor Korrosion schützenden Grundierung und nachfolgend durch Spritzlackierung aufgebrachten Folgeschichten bestehend aus einer Füllerschicht und einer anschließend aufgebrachten dekorativen Zwecken dienenden einschichtigen Decklackierung oder einer zweischichtigen Decklackierung aus farb- und/oder effektgebender Basislackschicht und einer die Oberfläche versiegelnden schützenden Klarlackschicht.

Auf dem 14. Fatipec-Kongreß 1988 in Aachen wurde berichtet über die Mehrfach- Elektrotauchlackierung bestehend aus Applikation einer ersten im eingebrannten Zustand elektrisch leitfähigen Elektrotauchlackschicht, auf die anschließend eine zweite Elektrotauchlackschicht abgeschieden wird (H.-J. Streitberger, F. Beck, H. Guder, "Mehrfach-Elektrotauchlackierung mit Hilfe von rußgefüllten Systemen", 14. Fatipec- Kongreß, 1988, Aachen, Buch 2, Seite 177-189).

WO 93/09191 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine einen Binder und ein Pigment enthaltende Zusammensetzung elektrophoretisch auf ein Substrat gebracht, die Leitfähigkeit herstellend getrocknet und anschließend mit einem Klarlack elektrophoretisch beschichtet wird. In dieser Druckschrift wird darüberhinaus erwähnt, daß diese Beschichtungen auch einen zusätzlichen Schutz für u. a. schwer zugängliche Stellen und innere Hohlräume bieten. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß die entstehenden Schichten in den Hohlräumen nicht gleichmäßig aufgetragen werden und dies für anspruchsvolle Beschichtungen/Lackierungen unzureichend ist.

In der EP 0 409 821 B1 und der EP 0 426 327 A2 werden ebenfalls Beschichtungsverfahren beschrieben, bei denen über elektrophoretisch abgeschiedenen Schichten weitere Schichten, ebenfalls elektrophoretisch, aufgebracht werden. Zum technologischen Hintergrund wird ferner auf das Buch "Elektrotauchlackierung" von W. Machu (Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstrasse, 1974) verwiesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Elektrotauchlackierung vermehrt bei der Karosseriebeschichtung einzusetzen und damit die heute übliche Spritzapplikation von Lackschichten weitgehend zu ersetzen. Das zu findende Lackierverfahren soll es ermöglichen, Kraftfahrzeuglackierungen mit im Vergleich zum Stand der Technik vergleichbarem Gesamteigenschaftsniveau bereitzustellen, insbesondere hinsichtlich der optischen Oberflächenqualität, insbesondere bei Hohlräumen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden auf eine, insbesondere fast geschlossene Hohlräume aufweisende, Karosserie ein oder mehrere jeweils nach dem Einbrennen elektrisch leitfähige Elektrotauchlackschichten aufgebracht, auf diese elektrisch leitfähige Lackschicht oder Lackschichten wird eine farbbestimmende Elektrotauchlackschicht aufgebracht und eingebrannt, worauf anschließend vorteilhaft eine Klarlackschicht aufgebracht wird, die bei erhöhter Temperatur chemisch ausgehärtet wird. Die definierten Hohlräume besitzen definierte Öffnungen, wobei die Summe der Öffnungsflächen zur Innenfläche des jeweiligen zu beschichtenden Hohlraums im Verhältnis 1 : 30 bis 1 : 1000, insbesondere im Verhältnis 1 : 50 bis 1 : 300 steht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die allgemein bekannte Elektrotauchlackierung zweimal durchgeführt wird. Hierbei wird auf eine erste eingebrannte, durch Elektrotauchlackierung erhaltene Beschichtung eine weitere, farbbestimmende Beschichtung durch Elektrotauchlackierung aufgebracht, wobei die beiden Elektrotauchlackierungen vorzugsweise vollflächig die gleichen Bereiche bedecken. Die vor dem Aufbringen der farbbestimmenden Elektrotauchlackierung aufgebrachte erste Beschichtung kann durch Aufbringen mehrerer nach dem jeweiligen Einbrennen elektrisch leitfähiger Elektrotauchlackschichten erzeugt werden, bevorzugt wird nur eine elektrisch leitfähige Elektrotauchlackschicht vor dem Aufbringen der farbbestimmenden Beschichtung aufgebracht.

Die bei der ersten Elektrotauchlackierung erhaltene Beschichtung ist elektrisch leitfähig und sie wird anschließend erneut elektrotauchlackiert. Die elektrische Leitfähigkeit wird bei der ersten Elektrotauchlackierung dadurch erreicht, daß Partikel mit in die Beschichtung abgeschieden werden, die weniger während des Abscheidens, sondern nach dem Einbrennen der Beschichtung (dies führt zu einer Verfestigung der Beschichtung) dieser eine genügende elektrische Leitfähigkeit verleihen. Dies kann beispielsweise durch Zufügen von Leitfähigkeitsruß, Leitfähigkeitsgraphit oder anderen leitfähigen Teilchen als ETL- Bestandteile in das erste Beschichtungsbad erfolgen. Während der Elektroabscheidung liegen diese leitfähigen Teilchen in der Beschichtung in einem größeren Abstand vor als nach dem Einbrennen der ersten Beschichtung. Hierdurch wird erreicht, daß im Laufe der ersten Beschichtung sich eine isolierende Rohbeschichtung über die Außenfläche der Karosserie legt, so daß ein weiterer Stromfluß nur noch an noch nicht beschichteten Flächen, insbesondere an Innenflächen von Hohlräumen, stattfinden kann. Nach einiger Zeit (meist wenige Minuten) ist praktisch die gesamte zuvor leitfähige Oberfläche der Karosserie beschichtet und wirkt damit isolierend, so daß praktisch kein weiterer Schichtaufbau mehr erfolgt. Durch das Kompaktieren der Beschichtung beim Einbrennen rücken die leitfähigen Partikel näher zusammen, so daß eine für die Elektroabscheidung einer weiteren Beschichtung ausreichende Leitfähigkeit der ersten Beschichtung resultiert.

Die zweite, durch Elektrotauchlackierung erhaltene farbbestimmende und im eingebrannten Zustand elektrisch isolierende Beschichtung (sowie auch die erste) muß sich nicht ganzflächig über die Karosserie erstrecken; eine mögliche Doppelbeschichtung ist entsprechend beispielsweise eine ganzflächige erste Beschichtung durch Elektrotauchlackierung und eine farbbestimmende Beschichtung durch Elektrotauchlackierung im wesentlichen nur an äußeren Bereichen, insbesondere sichtbaren Flächen, d. h. nicht in engen Hohlräumen der Karosserie. Wesentlich ist jedoch, daß über definierten Karosseriebereichen eine doppelte jeweils durch Elektrotauchlackierung erhaltene Beschichtung vorliegt. Die definierten Bereiche betreffen vorzugsweise mindestens 10% der Karosserieoberfläche, insbesondere mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 60% der Karosserieoberfläche. In besonderen Ausführungsformen können sogar 90% bis 100% der Karosserieoberfläche (Oberfläche immer incl. der Oberfläche beschichtbarer Hohlräume) mit mehreren Elektrotauchlackschichten versehen sein.

Die erste Elektrotauchlackierung kann mehrfach aufgebracht werden, um beispielsweise eine besonders dicke Grundierung zu erhalten. Die zweite Elektrotauchlackierung (bzw. die letzte oder später sichtbare) wird als farbbestimmende Beschichtung ausgeführt. Solche farbgebenden Beschichtungen durch Elektrotauchlackierung sind beispielsweise aus EP 00 82 503 B bekannt, in der auch grundierende Elektrotauchlackierungen und weitere Fundstellen hierzu beschrieben sind. Die in der EP ebenfalls beschriebenen Elektrotauchlackierungen mit Metallpulver, insbesondere Aluminium eignen sich bei einem entsprechenden Metallgehalt auch für die im erfindungsgemäßen Verfahren zuerst aufgebrachte Elektrotauchlackierung, die nach dem Einbrennen ausreichend elektrisch leitfähig ist für eine erneute Elektrotauchlackierung. Ansonsten können - wie oben beschrieben - die in der EP beschriebenen Elektrotauchlackbäder durch Zusatz von Leitfähigkeitsstoffen wie beispielsweise Leitfähigkeitsgraphit oder -ruß für die vorliegende Erfindung modifiziert werden. Solche leitfähigen Elektrotauchlacke sind bekannt aus EP-A 0 409 821 und 0 426 327 sowie US-A 3,674,671 und GB-A 2 129 807.

Die definierten, fast geschlossenen Hohlräume innerhalb der Karosserie, beispielsweise Schweller, werden mit definierten Öffnungen versehen, durch die eine Beschichtung der Innenflächen erfolgt. Dies ist insbesondere für die erste elektrisch leitfähige Beschichtung von Vorteil. Die Öffnungen werden in einer solchen Größe ausgeführt, daß die Summe ihrer Öffnungsflächen zur Innenfläche des jeweiligen zu beschichtenden definierten Hohlraums im Verhältnis 1 : 30 bis 1 : 1000, vorzugsweise 1 : 40 bis 1 : 500 und insbesondere 1 : 50 bis 1 : 300 liegt. Auch das Verhältnis der hydraulisch äquivalenten Durchmesser (4 × Querschnittsfläche : Umfang der Querschnittsfläche) des jeweiligen definierten Hohlraums zu seiner Öffnungsquerschnittsfläche wird in einen bestimmten Bereich gesetzt, der bei 0,2 bis 5 cm^-1 und vorzugsweise bei 0,3 bis 2 cm^-1 liegt.

Bereits die erste Elektrotauchlackierung erfolgt üblicherweise nicht auf einem blanken Blech, sondern auf einem vorbehandelten Blech, um einen möglichst hohen Korrosionsschutz zu erhalten. Solche Vorbeschichtungen können insbesondere Phosphatierungen, beispielsweise Zinkphosphatierungen sein, die eine genügende elektrische Leitfähigkeit haben. Auch die Vorbehandlung kann auf einer bereits behandelten Fläche aufgebracht sein. Hierfür kann z. B. das Blechband, aus dem Teile der Karosserie herausgetrennt werden, bereits im Coil-Coating-Verfahren vorbeschichtet sein, z. B. mit einer nur wenige µm dicken Zinkfarbe. Die erste durch Elektrotauchlackierung erhaltene Beschichtung dient insbesondere der Schutzwirkung gegen chemischen und korrosiven Angriff, so daß es vorteilhaft ist, möglichst die gesamte Oberfläche der Karosserie zu beschichten. Diese erste Beschichtung wird insbesondere an Außenflächen üblicherweise in einer Mindeststärke von 2 µm ausgeführt, wobei 30 µm als maximale Beschichtungsstärke gewählt werden (alle Beschichtungsdicken im eingebrannten Zustand). Vorzugsweise liegt die Beschichtung im Bereich von 3 bis 25 µm und insbesondere bei 5 bis 20 µm. Die erste Elektrobeschichtung (wie auch die farbbestimmende) kann mit einer konstanten Spannung oder auch mit einem Spannungsprofil durchgeführt werden, wobei beispielsweise während oder nach dem Eintauchen der Karosserie in das Elektrotauchlackbad eine verhältnismäßig niedrige Spannung bis 200 V, insbesondere 100 bis 150 V, anschließend eine verhältnismäßig hohe Spannung, beispielsweise 200 bis 400 V und anschließend wiederum eine verhältnismäßig niedrige Spannung bis beispielsweise 150 bis 250 V angelegt wird. Im Gegensatz zur üblichen Elektrotauchlackierung, bei der zumindest über einen gewissen längeren Zeitabschnitt eine möglichst hohe Spannung angelegt wird, erfolgt bevorzugt die erste Beschichtung durch Elektrotauchlackierung bei einer Spannung, die vorteilhaft mindestens 20% und insbesondere mindestens 35% unter der höchstmöglichen Spannung liegt. Die höchstmögliche Spannung, welche mit der maximal erreichbaren Schichtdicke korreliert, hängt von der verwendeten Karosserie (Aufbau, Vorbeschichtung, Stahl) wie auch von dem verwendeten ETL-Bad ab und ist die Spannung, bei der - wie eingangs beschrieben - noch keine Spannungsdurchbrüche, die zu deutlichen Lackfehlern führen, vorliegen. Die Spannung, bei der die erste Beschichtung zu mindestens 50%, insbesondere mindestens 70% der maximal erreichbaren Schichtdicke abgeschieden wird, beträgt vorteilhaft 40 bis 200 V und insbesondere 50 bis 150 V und liegt damit insbesondere bei der kathodischen Beschichtung deutlich unter den üblicherweise verwendeten Spannungen. Die Beschichtungszeiten liegen bei der ersten Elektrobeschichtung, bei 0,5 bis 8 Minuten, vorzugsweise bei 2 bis 5 Minuten.

Im Verlauf der farbbestimmenden Elektrotauchlackierung wird die Karosserie in Abhängigkeit vom jeweiligen Farbton in einer Schichtdicke von 15 bis 60 µm, insbesondere 20 bis 40 µm beschichtet. Hieran schließt sich der Klarlackauftrag an.

Als Klarlacküberzugsmittel sind grundsätzlich alle üblichen Klarlacke geeignet. Dabei kann es sich um ein- oder mehrkomponentige Klarlacküberzugsmittel handeln. Sie können lösemittelfrei (flüssig oder als Pulverklarlack) sein, oder es kann sich um Systeme auf der Basis von Lösemitteln handeln oder es handelt sich um wasserverdünnbare Klarlacke, deren Bindemittelsysteme in geeigneter Weise, z. B. anionisch, kationisch oder nicht-ionisch, stabilisiert sind. Bei den wasserverdünnbaren Klarlacksystemen kann es sich um wasserlösliche oder in Wasser dispergierte Systeme, beispielsweise Emulsionssysteme oder Pulverslurry-Systeme handeln. Die Klarlacküberzugsmittel härten bei erhöhten Temperaturen unter Ausbildung kovalenter Bindungen infolge chemischer Vernetzung aus.

Der Klarlacküberzug wird in einer Trockenschichtdicke zwischen 30 und 80 µm aufgebracht, er kann in einer einzigen Schicht oder in Form von mehreren Schichten aus dem gleichen oder aus mehreren verschiedenen Klarlacküberzugsmitteln aufgebracht werden. Zweckmäßig wird die Klarlackschicht jedoch aus nur einem Klarlacküberzugsmittel aufgebracht.

Der Klarlackauftrag erfolgt beispielsweise nach den üblichen Verfahren aus einem üblichen flüssigen oder Pulverklarlack. Die Klarlackschicht wird bei erhöhten Temperaturen von beispielsweise 80 bis 160°C chemisch ausgehärtet.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtete Karosserie besitzt eine optisch hervorragende Oberfläche und hat einen Lackaufbau, der eine Grundierung und eine über der Grundierung liegende, die Karosserieaußenfarbe bestimmende Schicht sowie eine Klarlackschicht aufweist, wobei die Grundierung und die farbbestimmende Schicht durch Elektrotauchlackierung aufgebracht worden sind und die Klarlackschicht den vorstehend beschriebenen Trocknungsprozeß durchlaufen hat.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels näher beschrieben.

Ein einem Kfz-Schweller nachgebildeter länglicher Hohlkörper mit Bohrungen mit einem hydraulisch äquivalenten Durchmesser von 50 mm, wobei jeder Bohrung eine zu beschichtende innere Oberfläche von 2200 cm² zugeordnet ist, wurde in einem KTL-Bad, dem Leitfähigkeitsruß zugefügt war, bei einer Spannung von 80 V über 3 min beschichtet. Nach dem Trocknen bei 180°C über 20 min wurde die erhaltene Beschichtung außen wie innen vermessen. Die Beschichtung hat über mindestens 90% der Oberfläche des Hohlkörpers innen wie außen eine Stärke von 10 µm bis 12 µm. Der so beschichtete Hohlkörper wurde anschließend in einem ATL-Bad 3 min bei 120 V dunkelblau beschichtet, wobei diese Beschichtung im wesentlichen nur auf der äußeren Oberfläche erfolgte. Die Trockenschichtdicke der blauen ATL-Schicht betrug 30 µm. Nach dem Einbrennen (20 min, 170°C) wurde der Hohlkörper mit einem handelsüblichen 2K-Autoserienklarlack in 50 µm Trockenschichtdicke sprühlackiert. Die Klarlacktrocknung erfolgte durch 10minütige Einwirkung von Infrarotstrahlung und anschließend nach Überführung in einen Einbrennofen durch 15minütiges Einbrennen bei 130°C Objekttemperatur.

Claims (13)

1. Verfahren zum Beschichten einer Karosserie, die mindestens einen überwiegend geschlossenen Hohlraum aufweist, durch Elektrotauchlackierung, bei der die Karosserie in eine Elektrotauchlackierungsflüssigkeit eingetaucht, durch Anlegen einer Spannung an die Karosserie und die Elektrotauchlackierungsflüssigkeit mit einem Bindemittel aus der Elektrotauchlackierungsflüssigkeit unter Bildung einer unteren Beschichtung beschichtet, anschließend aus der Elektrotauchlackierungsflüssigkeit herausgeholt und erneut durch Elektrotauchlackierung mit einer oberen Beschichtung beschichtet wird, wobei die erneute Elektrotauchlackierung mit einer zweiten Elektrotauchlackierungsflüssigkeit erfolgt, die sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung von der zuvor eingesetzten Elektrotauchlackierungsflüssigkeit unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegend geschlossene Hohlraum zumindest mit der unteren Beschichtung vollständig beschichtet wird, wobei die Innenfläche des überwiegend geschlossenen Hohlraums zu der Öffnungsfläche des Hohlraums im Verhältnis 30 : 1 bis 1.000 : 1 steht, und dass die erneute Elektrotauchlackierung zu einer farbbestimmenden Beschichtung führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des überwiegend geschlossenen Hohlraums zu der Öffnungsfläche des Hohlraums im Verhältnis 50 : 1 bis 300 : 1 steht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der erneuten Elektrotauchlackierung die durch die erste Elektrotauchlackierung erhaltene untere Beschichtung getrocknet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrotauchlackierung zu einer stromleitfähigen unteren Beschichtung führt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitfähigkeit durch Trocknung der unteren Beschichtung erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die obere Beschichtung ein Klarlack aufgetragen, insbesondere sprühaufgetragen, wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Beschichtung in einer Schichtdicke aufgetragen wird, die nach dem Trocknen und Verfestigen zwischen 2 und 30 µm, insbesondere 5 bis 20 µm liegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erneute Elektrotauchlackierung zu einer oberen Beschichtung mit einer Dicke im trockenen und verfestigten Zustand von 15 bis 60 µm, insbesondere 20 bis 40 µm führt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrotauchlackierung über mindestens 2,5 min bei 40 bis 200 V, insbesondere 50 bis 150 V durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrotauchlackierung über 0,5 bis 8 min, insbesondere 2 bis 5 min durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrotauchlackierung eine kathodische Tauchlackierung ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrotauchlackierung eine anodische Tauchlackierung ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrotauchlackierung auf einem vorbeschichteten Blech, insbesondere einem phosphatierten Blech erfolgt.