DE19924687A1

DE19924687A1 - Schichtsystem zum Korrosionsschutz von Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen

Info

Publication number: DE19924687A1
Application number: DE19924687A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dietz; Hansjoerg Lipowsky
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Audi AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Audi AG
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: WO1999061182A3; WO1999061182A2; DE19924687C2; EP1090165A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein korrosionsbeständiges Leichtmetallschichtsystem, das ein Substrat aus einem Leichtmetall, wie z. B. Aluminium, Titan oder Magnesium, enthält, auf das eine Schutzschicht aufgebracht ist, in der Mikropartikel eingebaut sind, die einen flüssigen Wirkstoff enthalten, wobei sich der Wirkstoff bei Freisetzung über die Oberfläche einer Beschädigung in dem Schichtsystem verteilt und so diese Oberfläche vor äußeren Einflüssen schützt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem zum Korrosionsschutz von metallischen Oberflächen, insbesondere solchen aus Leichtmetallen und Leichtmetall legierungen. Das erfindungsgemäße Schichtsystem kann vorteilhaft im Korro sionsschutz von metallischen Bauteilen in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt werden.

Korrosionsschutz von Metallen ist ein extrem wichtiges Thema für die metallver arbeitende Industrie im allgemeinen und insbesondere für die Kraftfahrzeug industrie. Die Standards für die Kraftfahrzeugindustrie stellen hohe Anfor derungen an die Beständigkeit der Fahrzeuge und Fahrzeugteile in Bezug auf Korrosion und Lochfraß.

Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium sowie deren Legierungen finden in der Industrie und im Automobilbau immer mehr Verwendung. Von Nachteil ist, daß diese Werkstoffe aufgrund ihres negativen elektrochemischen Potentials sehr korrosionsanfällig sind. Es wurden daher unterschiedliche Methoden ent wickelt, diese Metalle vor Korrosion zu schützen.

So wurden Leichtmetallbleche mit Konversionsschichten auf Chromatbasis ver sehen, die in Verbindung mit KTL(kathaphoretischen Tauchlackierungs)- oder Pulverlacken wirken. Diese Konversionsschichten werden insbesondere für den Sichtbereich eingesetzt, also für Oberflächen, die für einen Betrachter sichtbar sind. Wird jedoch bei einer mechanischen Beschädigung der Schutzschicht das darunter liegende Substrat aus Leichtmetall freigelegt, ist das Grundmaterial ungeschützt und korrosiven Einflüssen ausgesetzt.

Als Korrosionsschutz für Stahlbleche schlägt die EP 0 323 756 A1 vor, auf diesen Stahlblechen galvanisch eine Schutzschicht aus Zink oder einer Zink legierung abzuscheiden, wobei diese Schutzschicht korrosionsverhindernde feste Teilchen enthält, die mit einer dünnen Beschichtung aus beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ oder TiO₂ verkapselt sind. Als korrosionsverhindernde feste Teilchen finden Chromate, Aluminiumverbindungen, Phosphate, Molybdänver bindungen und Titanverbindungen Verwendung.

Derartige Verbindungen lassen sich jedoch aufgrund Ihres Oberflächen potentials nur ungenügend galvanisch auf Stahlblechen abscheiden. Daher werden diese Teilchen gemäß der Europäischen Patentanmeldung mit einem Material wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ oder TiO₂ verkapselt, wobei dieses Material zur Kontrolle des Oberflächenpotentials der korrosionshemmenden Partikel dient und deren galvanische Abscheidung auf einem Stahlblech unterstützt. Weiter wird beschrieben, daß aufgrund der Verkapselung die Beständigkeit gegen Lochfraß erhöht wird, da die korrosionsverhindernden Ionen nur langsam durch das Kapselmaterial diffundieren können und so eine kontinuierliche und gleichmäßige Freisetzung über einen längeren Zeitraum stattfindet.

Erfindungsgemäß soll ein Korrosionsschutz zur Verfügung gestellt werden, mit dem mechanische Beschädigungen von Oberflächen von Leichtmetallbauteilen sicher versiegelt und vor korrosiven Einflüssen geschützt werden können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Leichtmetallsubstrat bei einer mechanischen Beschädigung des Werkstückes auf selbstheilende Weise vor Korrosion zu schützen.

Diese Aufgabe wird durch ein korrosionsbeständiges Leichtmetallschichtsystem gelöst, das ein Substrat aus einem Leichtmetall enthält und auf mindestens einer Oberfläche des Leichtmetallsubstrats eine Schutzschicht aufgebracht ist, wobei die Schutzschicht Mikropartikel aufweist, die einen flüssigen Wirkstoff enthalten.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die Oberfläche von Leichtmetallen vor Korrosion geschützt werden kann, indem auf die Oberfläche eine Metallmatrix aufgebracht wird, welche Mikrokapseln enthält. Diese Mikrokapseln bestehen aus einer Polymerhülle mit einem darin enthaltenen Wirkstoff. Im Fall einer me chanischen Beschädigung der Schicht werden die Mikrokapseln zerstört und setzen den darin enthaltenen Wirkstoff frei, der die beschädigte Stelle durch Ausbildung einer Schicht vor äußeren Einflüssen und damit vor Korrosion schützt.

Als Wirkstoff werden Stoffe eingesetzt, die nach Zerstörung der Mikrokapseln und Freisetzung die beschädigte Stelle vor äußeren Einflüssen schützen, indem sie darauf eine Schutzschicht ausbilden. Beispiele hierfür sind Lacke und Inhi bitoren. Die Wirkstoffe müssen ausreichend dünnflüssig sein, um sich schnell und sicher über die beschädigte Stelle verbreiten zu können und dort die Schutzschicht ausbilden zu können.

Bevorzugte Wirkstoffe sind flüssige Lacke. Beispiele dafür sind Alkydharze mit langkettigen ungesättigten Fettsäuren, die allein durch Luftoxidation aushärten können, und ein Zwei-Komponenten-Epoxidharz, das durch den Zusatz von Aminverbindungen aushärten kann, wobei die beiden Komponenten durch die Mikroverkapselung getrennt voneinander in der Schicht vorhanden sind.

Als Kapselhülle kann ein beliebiges Polymer eingesetzt werden, das mit dem Matrixmaterial verträglich ist und sich zusammen mit dem Matrixschichtmaterial auf das Substrat aufbringen läßt. Das Polymer kann ein Kunststoff sein. Ein bevorzugtes Kapselmaterial ist z. B. ein Melamin-Formaldehydharz. Die Kapseln können einen Durchmesser in einem Bereich von 0,5 bis 7 µm haben.

Die Herstellung der Mikrokapseln ist allgemein bekannt und kann mit üblichen Verkapselungstechniken erfolgen.

Als Material für die Schutzschicht eignen sich prinzipiell alle stromlos oder gal vanisch auf dem betreffenden Leichtmetallsubstrat abscheidbaren Metalle ins besondere Kupfer, Nickel und Titan sowie deren Legierungen, wobei Nickel und Nickellegierungen besonders bevorzugt sind.

Diese Metalle bilden erfindungsgemäß Dispersionsschichten aus, in denen die Mikropartikel oder Mikrokapseln dispergiert vorliegen.

Da eine direkte Abscheidung der Schutzschicht auf einem Leichtmetallsubstrat aufgrund der elektrischen Potentiale in den meisten Fällen nicht möglich ist, wird eine Zwischenschicht, üblicherweise aus Zink oder einer Zinklegierung, vorge sehen. Im Fall von Zink oder Zinklegierung wird die Zwischenschicht mittels einer Zinkatbeize aufgebracht.

Daneben können weitere Schichten vorgesehen sein, wie weitere Zwischen schichten zwischen dem Substrat und der Schutzschicht oder Deckschichten z. B. als weitere Schutzschicht oder zu Dekorationszwecken. Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Schichtsystem als Deckschicht eine dekorativ wirkende Glanzchromschicht.

Die Dicke der erfindungsgemäßen Schutzschicht kann je nach Anwendung ge wählt werden und liegt üblicherweise zwischen 3 µm und 50 µm.

In dieser Schutzschicht liegen die Mikrokapseln in einer Konzentration von üb licherweise 5 bis 50 Vol% vor. Bei Bedarf kann dieser bevorzugte Wert selbst verständlich über- oder unterschritten werden. Ist die Konzentration jedoch zu gering, kann der erfindungsgemäße selbstheilende Effekt nicht mehr sicher gestellt werden.

In den beiliegenden Figuren ist das erfindungsgemäße Schichtsystem anhand von konkreten Ausführungsformen näher veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Schichtsystem mit einem Magnesium substrat;

Fig. 2a ein erfindungsgemäßes intaktes Schichtsystem mit einem Alu miniumsubstrat; sowie

Fig. 2b ein Schichtsystem gemäß Fig. 2a mit einer Beschädigung und einer dünnen Schicht aus freigesetztem Lack, die sich über die Oberfläche der Beschädigung gelegt hat.

In Fig. 1 ist ein Schichtsystem mit einem Magnesiumsubstrat (1) gezeigt. Auf dem Substrat ist eine Zwischenschicht (2) aufgebracht, auf der eine Nickel schicht (3) mit darin enthaltenen Mikrokapseln (4) abgeschieden ist. Als Deck schichten enthält dieses Schichtsystem eine Glanznickelschicht (5) sowie eine Deckschicht aus Glanzchrom (6).

In Fig. 2a und 2b ist die Wirkweise der vorliegenden Erfindung dargestellt. Auch die in Fig. 2a und 2b gezeigte Ausführungsform enthält eine Zwischenschicht (2), die jedoch in der Darstellung weggelassen worden ist.

Fig. 2a zeigt ein intaktes Schichtsystem mit einem Aluminiumsubstrat (1) und darauf aufgebracht einer Schutzschicht aus Nickel (3), die Mikrokapseln (4) mit einem Wirkstoff enthalten. Als weitere Schichten sind Deckschichten aus Glanz nickel (5) und Glanzchrom (6) vorgesehen. In Fig. 2b zeigt das Schichtsystem gemäß Fig. 2a eine rißförmige Beschädigung (7) die bis in das Aluminium substrat (1) reicht und das Substrat äußeren Einflüssen zugänglich macht. Durch die mechanische Einwirkung, die zu der rißförmigen Beschädigung (7) führt, werden die Mikrokapseln in dem Bereich der Beschädigung zerstört und deren flüssige Wirkstoffe freigesetzt. Diese flüssigen Wirkstoffe können sich über die Oberfläche der Beschädigung legen und dort eine Schicht ausbilden, die den Zutritt von beispielsweise Feuchtigkeit und Salz verhindert. Auf diese Weise wird das erfindungsgemäße Schichtsystem auf einfache Weise schnell und effektiv vor Korrosion geschützt.

Da die Wirkstoffe in flüssiger Form verkapselt sind, können sie sich nach Frei setzung sofort über die beschädigte Oberfläche verteilen und wirksam werden, ohne einem vorgeschalteten Lösevorgang, wie er für feste Partikel erforderlich ist, der zudem das Vorhandensein von ausreichender Flüssigkeit voraussetzt.

Das erfindungsgemäße korrosionsbeständige Leichtmetallschichtsystem kann vorteilhafterweise für Leichtmetallbauteile in der Automobilindustrie oder auch Sanitärindustrie eingesetzt werden. Es eignet sich insbesondere auch für Bau teile, die starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie Felgen. Es ist z. B. bekannt, daß herkömmliche Alufelgen durch Steinschlag oder unvor sichtiges Touchieren von Randsteinen schnell mechanische Beschädigungen aufweisen, die korrodieren können. Mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem können derartige beschädigte Stellen schnell und zuverlässig vor Korrosion ge schützt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter ver anschaulicht.

Erstes Beispiel

Auf ein Substrat aus Magnesium (1) wird mittels einer Zinkatbeize eine dünne Zinkschicht (2) aufgebracht. Darauf wird galvanisch eine Nickel-Dispersions schicht (3) in einer Dicke von 20 µm abgeschieden, in der sich Mikrokapseln (4) befinden. Darauf wird eine einebnende Glanznickelschicht (5) in einer Dicke von 10 µm aufgebracht, gefolgt von einer dekorativen Glanzchromschicht (6).

Bei einer mechanischen Beschädigung der Oberfläche werden die Mikrokapseln (4) zerstört und setzen ihren Wirkstoff frei. Der freigesetzte Wirkstoff schützt ohne weiteres Zutun, d. h. auf selbstheilende Weise, durch Ausbildung einer schützenden Schicht, die die beschädigte Stelle abdeckt, das Magnesium substrat (1) wirksam vor Korrosion.

Zweites Beispiel

Auf einer Aluminiumfelge wird mittels einer Zinkatbeize eine dünne Zinkschicht (2) aufgebracht. Darauf wird auf der Sichtseite der Felge galvanisch eine Nickel- Dispersionsschicht in einer Dicke von 20 µm abgeschieden, die Mikrokapseln eingebaut enthält.

Die Mikrokapseln enthalten einen Korrosionsschutzlack aus einem Alkydharz mit langkettigen ungesättigten Fettsäuren, die durch Luftoxidation aushärten können. Die Viskosität des Lackes ist so eingestellt, daß sich der Lack nach dem Freisetzen auf der Oberfläche leicht verteilt.

Als Kapselhülle wurde ein Melamin-Formaldehydharz verwendet. Die Kapseln hatten einen Durchmesser von 5 µm und waren in der Schicht in einer Menge von 10 Gew.-% enthalten.

Auf der Nickel-Dispersionsschicht wurde eine einebnende Glanznickelschicht in einer Dicke von 10 µm aufgebracht, gefolgt von einer dekorativen Glanzchrom schicht.

Solange das aufgebrachte Schichtsystem intakt war, trat keine Korrosion des Aluminiums auf. Bei Beschädigung des Schichtsystems wurden auch die Mikro kapseln zerstört, und der Inhalt der Kapseln, der Korrosionsschutzlack, verteilte sich über die beschädigte Oberfläche. Dadurch wurde sowohl die Schicht wie auch das Aluminium an dieser Stelle vor Korrosion geschützt, da weder Feuch tigkeit noch das, die Korrosion beschleunigende Salz aus der Umgebung an die beschädigte Oberfläche gelangen konnte.

Bezugszeichenliste

1

Metallsubstrat

2

Zwischenschicht

3

Schutzschicht

4

Mikrokapseln

5

,

6

Deckschicht/Deckschichten

7

Beschädigung

8

Schicht aus Wirkstoff

Claims

1. Korrosionsbeständiges Leichtmetallschichtsystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtsystem ein Substrat aus einem Leichtmetall (1) enthält, wo bei auf mindestens einer Oberfläche des Substrats (1) eine Schutzschicht (3) aufgebracht ist, die Mikropartikel (4) mit einem flüssigen Wirkstoff enthält.

2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall ausgewählt ist unter Aluminium, Magnesium, Titan so wie deren Legierungen.

3. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (3) aus einem galvanisch oder stromlos abscheid baren Metall gebildet ist.

4. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (3) aus einem Metall ausgewählt unter Nickel, Kupfer oder deren Legierungen besteht.

5. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat (1) und der Schutzschicht (3) mindestens eine Zwischenschicht (2) vorgesehen ist.

6. Schichtsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindenstens eine Zwischenschicht (2) aus Zink oder einer Zink legierung gebildet ist.

7. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schutzschicht (3) mindestens eine weitere Schicht (5, 6) aufge bracht ist.

8. Schichtsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese mindestens eine Deckschicht (5, 6) eine Glanznickelschicht (5) und/oder eine Glanzchromschicht (6) ist.

9. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Wirkstoff ein Lack oder ein Inhibitor ist.

10. Schichtsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lack ein Alkydharz mit langkettigen ungesättigten Fettsäuren ver wendet wird, das an der Luft aushärtbar ist.

11. Schichtsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lack ein Zwei-Komponenten-Epoxidharz eingesetzt wird, und die beiden Komponenten getrennt voneinander in den Mikrokapseln (4) vor liegen.

12. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle der Mikropartikeln aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.

13. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hülle für die Mikropartikeln (4) ein Melamin-Formaldehydharz ver wendet wird.

14. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthaltend ein Substrat aus einem Leichtmetall (1) darauf aufgebracht eine Zwischenschicht aus Zink (2), eine Schutzschicht aus Nickel (3) enthaltend Mikropartikeln (4) mit einem flüssigen Wirkstoff, eine erste Deckschicht (5) aus Glanznickel und eine zweite Deckschicht (6) aus Glanzchrom in dieser Reihenfolge.

15. Verwendung eines Schichtsystems nach einem der vorhergehenden An sprüche in der Automobilindustrie oder Sanitärindustrie.

16. Verwendung eines Schichtsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einem Aluminiumsubstrat zur Herstellung von Aluminiumautofelgen.