DE19828811C1 - Beizaktivierungslösung für die Vorbehandlung von Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffen vor einer Tauchverzinnung und Beizaktivierungsverfahren - Google Patents
Beizaktivierungslösung für die Vorbehandlung von Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffen vor einer Tauchverzinnung und BeizaktivierungsverfahrenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine wäßrige Zubereitung für die Beizung und Aktivierung von Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffen von einer außenstromlosen Tauchverzinnung. Beispiele für Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffe sind Gleitlager, Buchsen, Anlaufscheiben, Trockengleitlager usw. für Pumpen, Motoren und Getriebe. DOLLAR A Die Beizaktivierungslösung für die Vorbehandlung von Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffen vor einer Tauchverzinnung, sind dadurch gekennzeichnet, daß sie Schwefelsäure, Hexafluorokieselsäure, Netzmittel, Nebengruppenmetallkationen und Nitrat- und/oder Nitrit-Ionen enthalten.
Description
Die Erfindung betrifft eine wäßrige Zubereitung für die Bei
zung und Aktivierung von Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffen
vor einer außenstromlosen Tauchverzinnung. Beispiele für Alu
minium-Stahl-Verbundwerkstoffe sind Gleitlager, Buchsen, An
laufscheiben, Trockengleitlager usw. für Pumpen, Motoren und
Getriebe. Nach der Beizaktivierung werden auf den Aluminium-
und Stahloberflächen des Substrates bei einer anschließenden
Tauchverzinnung gleichmäßige, besonders haftfeste Zinnüberzü
ge erzielt.
Aus EP-A-0 278 752 ist bekannt, Substrate aus reinen Alumini
umlegierungen nach einer Vorbehandlung, bestehend aus Entfet
tung und Beizung, mit sauren Zinnsalzelektrolyten im Aus
tauschverfahren zu verzinnen.
Die bekannten Systeme aus Entfettung, Beize und Verzinnung,
zeigen, angewandt auf Substrate aus Aluminium-Stahl-Verbund
werkstoffen unzureichende Ergebnisse:
- - die Reinigung, Beizung und Verzinnung der Stahloberflächen und der Aluminiumoberflächen erfolgt ungleichmäßig,
- - die Zinnabscheidung auf den Stahloberflächen erfolgt un gleichmäßig und ergibt keine geschlossene Oberfläche,
- - die Haftfestigkeit der auf dem Aluminium abgeschiedenen Zinnschicht ist unzureichend.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich deshalb mit dem techni
schen Problem, die Vorbehandlung des Aluminium-Stahl-Verbund
werkstoffes zu optimieren. Insbesondere besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, bei Anwendung der bekannten
Tauchverzinnungsbäder gleichmäßige, haftfeste Zinnüberzüge
sowohl auf den Aluminium- als auch auf den Stahloberflächen
des Substrats herzustellen.
Das vorgenannte Problem wird erfindungsgemäß gelöst, indem
für die Vorbehandlung des Substrats eine neue Beizaktivierung
verwendet wird, die folgende Komponenten und Zusätze enthält:
- - Schwefelsäure zur Beheizung der Aluminiumoberflächen,
- - Hexafluorokieselsäure zur Beizung der Aluminiumoberflächen,
- - Tenside zur gleichmäßigen Benetzung der Substratoberflächen mit der Lösung,
- - Nebengruppenmetallkationen zur Optimierung der Beizung und Aktivierung der Aluminiumoberfläche,
- - Nitrat- und/oder Nitrit-Ionen zur Optimierung der Beizung und Aktivierung der Aluminiumoberfläche.
Bei Versuchen zur Beizvorbehandlung von Aluminium-Stahl-
Verbundwerkstoffen wurde gefunden, daß eine Beizaktivierung
enthaltend Schwefelsäure und Hexafluorokieselsäure (wobei die
Gehalte der beiden Mineralsäuren jeweils einer der beiden
Substratlegierungen angepaßt sind) deutlich besser wirksam
war als andere Vorbehandlungen. Der Gehalt an Schwefelsäure
beträgt daher vorzugsweise 50 bis 150 g/l. Der Gehalt an
Hexafluorokieselsäure beträgt daher vorzugsweise 5 bis 25
g/l.
Verdünnte Schwefelsäure eignet sich zur Beizung von Eisenle
gierungen, bewirkt aber, bei Temperaturen von bis zu 70°C und
Tauchzeiten von wenigen Minuten, keinen merklichen Angriff
auf Aluminium. Hexafluorokieselsäure reinigt und aktiviert
Aluminiumlegierungen, ohne Eisenoberflächen signifikant anzu
greifen. Die Kombination beider Säuren wird der komplexen
Substratstruktur aus zwei Legierungen mit stark unterschied
lichen chemischen und physikalischen Eigenschaften gerecht.
Beispiele für Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffe sind Gleitla
ger, Buchsen, Anlaufscheiben, Trockengleitlager usw. für Pum
pen, Motoren und Getriebe.
Um im folgenden sauren, außenstromlosen Tauchverzinnungsbad
eine gleichmäßige und haftfeste Zinnabscheidung zu erreichen,
müssen dieser Beizaktivierung aber noch weitere geeignete Ad
ditive zugefügt werden.
Zur weiteren Optimierung der Beizwirkung und insbesondere zur
weitergehenden Aktivierung der Aluminiumoberflächen des Sub
strats müssen der Säuremischung aber noch Nebengruppenmetall
kationen, wie z. B. Mangan(II)-, Nickel(II)-, Eisen(III)-
Ionen, in Konzentrationen von 0,05 bis 1 Gew.-% zugegeben
werden. Besonders vorteilhaft sind Mangan(II)-Ionen in einer
Konzentration von 0,1 Gew.-% bei einer Beiztemperatur von
40°C und Beizzeiten von 5 Minuten.
Weiterhin hat sich die Zugabe von Nitrat- und/oder Nitritio
nen als positiv erwiesen. Zusätze von Alkalimetallnitrat- und
Alkalimetallnitritsalzen, wie Natriumnitrat, Kaliumnitrat,
Natriumnitrit oder Kaliumnitrit in Konzentrationen von 0,05
bis 3 Gew.-%, wobei eine Zugabe von 0,5 Gew.-% Kaliumnitrat
optimal ist, verbessern die Beiz- und Reinigungsergebnisse
der Beizaktivierungslösung deutlich.
Zur Erzielung einer gleichmäßigen Beizaktivierung ist außer
dem eine gleichmäßige Oberflächenbenetzung erforderlich, die
durch Zugabe von Netzmitteln erreicht wird. Geeignet sind
grundsätzlich alle das Substrat gut benetzenden Tenside, wel
che eine ausreichende chemische Beständigkeit in dem Beizak
tivierungselektrolyten besitzen. Besonders geeignet sind,
Netzmittel, wie sie in Tauchverzinnungsbädern angewendet wer
den, die in EP-A-0 278 752 offenbart sind, beispielsweise Po
lyoxyethylenethertenside. Die Menge der Netzmittel beträgt
vorzugsweise 1 bis 20 g/l.
Gegenstand der Erfindung sind somit wäßrige Beizaktivierungs
lösungen für die Vorbehandlung von Aluminium-Stahl-Verbund
werkstoffen vor einem sauren Tauchverzinnungsbad, die dadurch
gekennzeichnet sind, daß sie Schwefelsäure, Hexafluorokiesel
säure, Netzmittel, Nebengruppenmetallkationen und Nitrat-
und/oder Nitrit-Ionen enthalten, insbesondere daraus bestehen
und die Substratoberfläche derart vorbereiten, daß im An
schluß eine gleichmäßige, haftfeste Verzinnung erhalten wird.
Die Menge der Nebengruppenmetallkationen, die insbesondere
aus der Gruppe 1 und 2 sowie 5 bis 8 des Periodensystems der
Elemente ausgewählt sind, beträgt vorzugsweise 0,05 bis 1
Gew.-%. Die Menge an Nitritionen beträgt vorzugsweise 0,05
bis 3 Gew.-%, während die Menge der Nitrationen vorzugsweise
in dem gleichen Bereich liegt.
Ein weitere Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Verfah
ren zur Beizaktivierung von Aluminium-Stahl-Verbundwerk
stoffen, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß man Beizaktivie
rungslösungen mit dem Verbund bei Temperaturen im Bereich von
15 bis 70°C im Verlauf von 1 bis 9 min in Kontakt bringt.
Als Probestücke wurden handelsübliche Aluminium-Stahl-Ver
bundlager verwendet. Dies sind Halbschalen aus Stahl, welche
auf der Innenseite mit einer Aluminiumlegierung (ca. 80-90%
Aluminium, legiert im wesentlichen mit Zinn und Silicium)
walzplattiert sind.
Die Substrate wurden in an sich bekannter Weise entfettet und
gespült.
Die Substrate wurden für die Dauer von 5 Minuten in die Lö
sung getaucht. Die Temperatur der Beizlösung betrug 40°C.
Nach der Aktivierung wurden die Substrate eine Minute ge
spült.
100 g/l H2
SO4
20 g/l H2
SiF6
10 g/l Polyoxyethylenether des Decylalkohols mit 5 Oxyethy
leneinheiten
5 g/l KNO3
5 g/l KNO3
1 g/l MnSO4
. 1H2
O
100 g/l H2
SO4
20 g/l H2
SiF6
10 g/l Polyoxyethylenether des Hexylalkoholsilans
(CH3
)3
Si(CH2
)6
OH mit 4 Oxyethyleneinheiten
5 g/l NaNO2
5 g/l NaNO2
1 g/l NiSO4
. 6H2
O
100 g/l H2
SO4
20 g/l H2
SiF6
10 g/l Polyoxyethylenether des Decylalkohols mit 5 Oxyethy
leneinheiten
5 g/l NaNO2
5 g/l NaNO2
3 g/l Fe2
(SO4
)3
. xH2
O
120 g/l HNO3
20 g/l H2
SiF6
5 g/l Polyoxyethylenether des Stearylalkohols mit 20 Oxyethy
leneinheiten
2 g/l Gelatine
2 g/l Gelatine
Die Substrate der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbei
spiels wurden jeweils für die Dauer von 5 Minuten in ein han
delübliches, saures, außenstromloses Tauchverzinnungsbad ana
log Beispiel 1 bis 3 und dem Vergleichsbeispiel getaucht. Es
wurde bei 30-40°C gearbeitet.
100 g/l H2
SO4
40 g/l SnSO4
3,5 g/l HBF4
2 g/l Gelatine
1 g/l Polyoxyethylenether des Decylalkohols mit 5 Oxyethylen einheiten
1 g/l Polyoxyethylenether des Decylalkohols mit 5 Oxyethylen einheiten
100 g/l H2
SO4
40 g/l SnSO4
7 g/l KBF4
2 g/l Gelatine
0,1 g/l Polyoxyethylenether des Stearylalkohols mit 20 Oxye thyleneinheiten
0,1 g/l Polyoxyethylenether des Stearylalkohols mit 20 Oxye thyleneinheiten
100 g/l CH3
SO3
H
30 g/l CH3
30 g/l CH3
SO3
Sn
2 g/l H2
2 g/l H2
SiF6
1 g/l Gelatine
0,1 g/l Polyoxyethylenether des Hexylalkoholsilans (CH3
0,1 g/l Polyoxyethylenether des Hexylalkoholsilans (CH3
)3
Si(CH2
)6
OH mit 4 Oxyethyleneinheiten
Nach einer Beizaktivierung mit Lösung 1, Lösung 2 oder Lösung
3 wurden mit einem Tauchverzinnungsbad 1, 2 oder 3 gleichmä
ßige, glatte, geschlossene und sehr haftfeste Zinnschichten
auf Stahl- und Aluminiumoberflächen abgeschieden. Die
Schichtdicken des Zinnüberzugs betrugen 1,8 bis 4,2 mm auf
Aluminium- und 0,4 bis 0,8 mm auf den Stahlflächen. Zur Kon
trolle der Haftfestigkeit wurde auf die verzinnten Substrato
berflächen ein transparenter Klebefilmstreifen (Tesa) auf
geklebt und unter Zuhilfenahme eines Bleistifts so fest wie
möglich angedrückt und ruckartig unter einem Winkel von 45°
abgerissen. In allen drei Fällen wurde kein Zinn abgelöst.
Die Zinnschichten nach dem Test betrugen wiederum 1,8 bis 4,2
mm auf Aluminium- und 0,4 bis 0,8 mm auf den Stahloberflä
chen.
Die Beizung mit der salpetersauren Vorbehandlung bewirkte ei
nen starken Angriff auf die Eisenflächen. Die folgende Tauch
verzinnung mit Tauchverzinnungsbad 1, 2 oder 3 ergab un
gleichmäßige Zinnabscheidungen auf den Substratoberflächen.
Die Eisenoberfläche wies keine geschlossene Zinnoberfläche
auf. Die Kontrolle der Haftfestigkeit erfolgte wie oben. Der
Klebefilm-Test ergab deutliche Zinnablösungen von der Alumi
niumoberfläche. Die Zinnschichtdicke auf der Aluminiumlegie
rung betrug vor dem Test 1,8 bis 4,2 mm und nach dem Test nur
0,2 bis 0,5 mm.
Claims (10)
1. Beizaktivierungslösungen für die Vorbehandlung von Alumi
nium-Stahl-Verbundwerkstoffen vor einer Tauchverzinnung,
dadurch gekennzeichnet, daß sie Schwefelsäure, Hexafluoro
kieselsäure, Netzmittel, Nebengruppenmetallkationen und Ni
trat- und/oder Nitrit-Ionen enthalten.
2. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt an Schwefelsäure 50 bis 150 g/l beträgt.
3. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt an Hexafluorokieselsäure 5 bis 25 g/l beträgt.
4. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt an Netzmittel 1 bis 20 g/l beträgt.
5. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Netzmittel ausgewählt sind aus Polyoxyethylenethertensiden.
6. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt an Nebengruppenmetallkationen 0,05 bis 1 Gew.-% be
trägt.
7. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nebengruppenmetallkationen ausgewählt sind aus den Neben
gruppen 1 bis 2 und 5 bis 8.
8. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt an Nitritionen 0,05 bis 3 Gew.-% beträgt.
9. Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt an Nitrationen 0,05 bis 3 Gew.-% beträgt.
10. Verfahren zur Beizaktivierung von Aluminum-Stahl-
Verbundwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man Beizak
tivierungslösungen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 9 mit dem Verbund bei Temperaturen im Bereich von 15
bis 70°C im Verlauf von 1 bis 9 min in Kontakt bringt.
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