DE19934323A1

DE19934323A1 - Metallisiertes Bauteil und seine Verwendung

Info

Publication number: DE19934323A1
Application number: DE19934323A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dietz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: WO2001007688A1; DE19934323B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisiertes Bauteil, aufweisend ein Substrat aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, darauf eine Schicht aus einem Elektrotauchlack und darauf eine Metallschicht. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Radfelgen für Kraftfahrzeuge und Fahrräder, aber auch Fassadenbauteile. Weiterhin kann das metallisierte Bauteil auch mit Vorteil im Sanitärbereich und dort besonders für Duschkabinen eingesetzt werden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein korrosionsgeschütztes, metallisiertes Bauteil mit einem Grundwerkstoff aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung. Das Bauteil eignet sich besonders für Anwendungsfälle, bei denen der vor Korrosion zu schützende Grundwerkstoff zusätzlich mit einer dekorativen oder tribologisch wirksamen Schicht versehen werden soll. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Radfelgen für Kraftfahrzeuge und Fahrräder, aber auch Fassadenbauteile. Weiterhin kann das metallisiertes Bauteil auch mit Vorteil im Sanitärbereich, und dort besonders für Duschkabinen eingesetzt werden.

Stand der Technik

Leichtmetalle, insbesondere Aluminium, finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichtes in immer mehr Technologien Verwendung. Nachteilig dabei ist, dass sie aufgrund ihres elektrochemisch unedelen Charakters sehr korrosionsanfällig sind. Sie werden daher mit Korrosionsschutzschichten verschiedenster Art versehen. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das stromlose oder galvanische Abscheiden von Metallschichten auf dem Leichtmetall. Dies ist besonders dann von Interesse, wenn zusätzlich hohe dekorative Ansprüche an die Oberfläche gestellt werden.

Ein Beispiel hierfür sind Leichtmetallfelgen für Kraftfahrzeuge oder Fahrräder. Aufgrund der hohen dekorativen Ansprüche bei diesem Produkt wäre es hierbei wünschenswert, wenn die Felge zusätzlich verchromt wäre. Verchromte Felgen genügen zwar den dekorativen Ansprüchen, sind jedoch sehr beschädigungsanfällig, rosten, und verlieren dadurch rasch an Attraktivität.

In der DE 195 39 645 A1 wird daher vorgeschlagen, eine Ganzlackierung der Felge zur elektrischen Trennung von Substrat und Schicht vorzunehmen. Auf diese erste Lackschicht kommt dann zusätzlich eine Pulverlackschicht, welche die vom Substrat herrührenden Unebenheiten ausgleichen soll. Auf der zweiten Lackschicht wird dann galvanisch eine Metallschicht abgeschieden. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass insgesamt zwei Schichten aufgetragen werden müssen. Dies erfordert zum einen einen erhöhten Zeit- und Kostenaufwand, zum anderen leidet bei mehr als einer Schicht die Haftfestigkeit des metallischen Überzugs. Weiterhin versagt das Verfahren bei kompliziert geformten Oberflächen wie z. B. Sacklöchern oder Ecken, da dann keine ausreichend homogene und dichte Oberfläche erzielt werden kann. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass beim Pulverlackieren sehr hohe Schichtdicken (ca. 60 µm) benötigt werden, so dass das Verfahren sehr umweltbelastend ist.

In der DE 196 21 881 A1 wird vorgeschlagen, bei einem Verfahren zum Verchromen von Autofelgen aus einer Aluminiumlegierung zunächst eine Grundierungsschicht aus Pulver oder Nasslack aufzubringen, dann die Felge zu trocknen, eine Kunststoffnass lackschicht aufzubringen, nochmals zu trocknen, und letztlich eine galvanische Verchromung vorzunehmen. Diese unterschiedlichen Verfahrensschritte sind recht aufwendig und erfordern eine mehrfache Umlagerung der Zwischenprodukte in andere Vorrichtungen. Hinzu kommt der Zeitaufwand für das Trocknen. Ausserdem muss das Verfahren in organischen Lösungsmitteln durchgeführt werden und ist daher äusserst umweltbelastend.

Die nach dem Stand der Technik in der Praxis eingesetzten Verfahren zur Herstellung dekorativer Schichten mit gutem Korrosionsschutz zum Beispiel auf Aluminium sehen etwa wie folgt aus: Auf dem Aluminiumsubstrat wird stromlos eine dünne Zinkschicht mit einer Zinkatbeize aufgetragen. Anschließend erfolgt ein galvanisches Direktverkupfern und danach ein galvanisches Aufbringen einer Duplex- oder Tri-Nickelschicht mit dem Ziel der Einebnung und des Korrosionsschutzes. Darüber wird galvanisch einer dünne Glanzchromschicht aufgebracht.

Dieses metallisiertes Bauteil genügt den hohen dekorativen Ansprüchen solange bis es zu Beschädigungen kommt. Bei einer bis zum Metallsubstrat reichenden Beschädigung des metallisierten Bauteils entsteht ein galvanisches Element, bei dem die äussere Schicht als Kathode wirkt und das Substrat als Anode, welche oxidiert wird.

Wenngleich Chrom an sich ein sehr unedeles Metall ist, bekommt es durch die Bildung einer dünnen Oxidschicht an der Oberfläche (Passivierung genannt) ein sehr positives Potential. An dieser, im Vergleich zum freigelegten Aluminium sehr grossen Oberfläche wird anschließend Sauerstoff reduziert. Aufgrund des Oxidationsprozesses kommt es zur Umwandlung von metallischem Aluminium zu Al³⁺. Aufgrund der sehr grossen Kathodenoberfläche des Chromoxids ist die Korrosion des Aluminiums an dieser beschädigten Stelle dramatisch. Man spricht hier von einem katastrophalen Versagen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein metallisiertes Bauteil mit einem Grundwerkstoff bzw. Substrat aus einem Leichtmetall oder aus mindestens einer Leichtmetalllegierung vorzuschlagen welches die Nachteile nach dem Stand der Technik weitestgehend vermeidet. Insbesondere soll sich zwischen Grundwerkstoff und metallischem Überzug nur eine einzige Schicht befinden, die sowohl vor Korrosion schützt, als auch die vom Substrat herrührende Unebenheiten ausgleicht.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich dieses technische Problem dadurch lösen lässt, dass zunächst eine Schicht aus einem Elektrotauchlack auf das Substrat aufgebracht wird, und anschließend auf diese Elektrotauchlackschicht die metallische zweite Schicht abgeschieden wird.

Der Vorzug des erfindungsgemäßen metallisierten Bauteils besteht darin, dass nur eine einzige Schicht für die Vermeidung von Korrosion und für die Einebnung der vom Substrat herrührenden Unebenheiten erforderlich ist. Die Schicht aus einem Elektrotauchlack erfüllt beide Funktionen. Zum einen stellt sie einen elektrischen Isolator zwischen metallischem Substrat und metallischem Überzug dar, durch welche die Ausbildung eines galvanischen Elements verhindert werden kann. Dies gilt auch für den Fall, dass eine mechanische Beschädigung bis auf das Substrat reicht. Zum anderen vermag die Schicht aus einem Elektrotauchlack die Substratunebenheiten einzuebnen. Die Einebnung der Substratunebenheiten durch den Elektrotauchlack geschieht dadurch, dass bei der Abscheidung des Elektrotauchlacks spezielle Abscheide bedingungen eingehalten werden. Konkret kann dies dadurch erfolgen, dass während des Temperprozesses sichergestellt wird, dass der Lack dann auf der Oberfläche des Substrats verläuft bzw. sich verteilt, wenn er sein Viskositätsminimum durchläuft. Durch eine derartige Prozessführung bei der Abscheidung des Elektrotauchlacks können die Substratunebenheiten ausgeglichen und eine glatte Oberfläche für die nachfolgende Metallisierung bereitgestellt werden. Wird darauf eine Metallschicht abgeschieden, so weist diese eine glatte, d. h. strukturfreie Oberfläche auf. Der Grundwerkstoff ist damit kostengünstiger als beim Stand der Technik metallisierbar und die zu erwartende Lebensdauer der Metallisierung länger.

Um eine möglichst gute Einebnung von Substratunebenheiten durch den Elektrotauchlack zu erhalten sollte der Lack möglichst keine grossen Pigmente enthalten. Derartige Pigmente sind den Elektrotauchlacken bewusst als festes Korrosionsschutzmittel beigemischt. Sind die Pigmente jedoch zu gross, ist der Einebnungseffekt zu klein um eine optische glatte Oberfläche zu erhalten. Die Grössenverteilung der Pigmente im Elektrotauchlack ist gaussartig, und der Schwerpunkt dieser Grössenverteilung, nachfolgend als Pigmentgrösse bezeichnet, sollte aus den oben genannten Gründen möglichst unter 3 µm liegen. Besser noch ist es, wenn die Pigmentgrösse unter 1 µm liegt. Beste Ergebnisse erhält man mit pigmentfreien Elektrotauchlacken.

Die Elektrotauchlackschicht, die sowohl einebnet bzw. glättet, als auch eine Korrosionsschicht darstellt, vermeidet vorteilhafterweise den Einsatz von zwei Schichten, bei der die erste Schicht gegen Korrosion schützt, und die zweite Schicht einebnet bzw. glättet. Durch die Elektrotauchlackschicht kann somit eine weitere Schichtgrenze vermieden werden, die einen Schwachpunkt bei der Haftung des metallischen Überzugs darstellen kann. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Haftfestigkeit der Metallisierung zusätzlich dadurch gesteigert, dass vorliegend ein wasserlöslicher Lack eingesetzt wird. Die wasserlöslichen und damit sehr umweltfreundlichen Elektrotauch lacke besitzen überwiegend polare funktionelle chemischen Gruppen. Diese polaren funktionellen Gruppen gewährleisten jedoch, dass Elektrotauchlacke auf Metallen besser haften als Lacke auf Basis organischer Lösungsmitteln. Bei kataphoretisch abgeschiedenen Elektrotauchlacken rührt dies von der sehr sauberen und äusserst reaktiven Metalloberfläche her. Bei anaphoretisch abgeschiedenem Elektrotauchlack auf einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere auf Aluminium, bildet sich bei der Abscheidung zusätzlich eine Eloxalschicht auf der metallischen Oberfläche. Die Eloxalschicht stellt zum einen einen hervorragenden Haftgrund für die nachfolgende Metallisierung dar, zum anderen ist wegen der gebildeten Oxidschicht der Korrosionsschutz besser. Aus diesem Grund sind für die erfindungsgemäßen metallisierten Bauteile anaphoretisch abgeschiedene Elektrotauchlacke besonders geeignet. Beide Arten der Aufbringung liefert Elektrotauchlackschichten, die besonders homogen und defektfrei sind, und zum Beispiel auch Sacklöcher oder schwer erreichbare Ecken zuverlässig bedecken.

Die Dicke der Elektrotauchlackschicht liegt typischerweise zwischen 1 µm und 50 µm. Zur Verbesserung von Haftung und Korrosion kann sich zwischen dem Grundwerkstoff und dem metallischen Überzug eine Konversionsschicht befinden.

Auf der Schicht aus einem Elektrotauchlack befindet sich die Funktionsschicht. Diese kann eine dekorativ wirkende Metallschicht sein. Im Hinblick auf das Anwendungsgebiet Radfelgen kann es sich dabei insbesondere um eine dekorativ wirkende Glanzchromschicht handeln. Alternativ kann es sich bei der Funktionsschicht auch um eine tribologisch wirksame Schicht handeln, welche das Bauteil verschleissfest macht und/oder dessen Reibungskoeffizient reduziert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.

Eine Kraftfahrzeugfelge aus der Aluminium-Schmiedelegierung AlMgSi1 wird mit einem anaphoretischen Tauchlack der Schichtdicke 20 µm beschichtet. Die unbeschichtete Felge weist eine Rauhigkeit von r_z = 4 µm gemäß DIN 4768 auf. Nach der Abscheidung wird der Elektrotauchlack bei ca. 100°C ca. 30 Minuten getrocknet. Die Rauigkeit beträgt nun r_z = 1 µm. Danach folgte eine konventionelle chemische Metallisierung mit den Arbeitsschritten Anquellen, Anätzen, Bekeimung mit Palladium, Metallisieren mit chemisch Nickel in einer Schichtstärke von 1 µm, Aufbringen einer Mattnickelschicht der Dicke 10 µm, Aufbringen einer Glanznickelschicht der Dicke 10 µm und Aufbringen einer 0,5 µm dicken Top-Schicht aus Glanzchrom.

Claims

1. Metallisiertes Bauteil, aufweisend

- ein Substrat aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung,
- darauf eine Schicht aus einem Elektrotauchlack
- darauf eine Metallschicht.

2. Metallisiertes Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrotauchlack nur Pigmente enthält die kleiner als 3 µm sind.

3. Metallisiertes Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrotauchlack nur Pigmente enthält die kleiner als 1 µm sind.

4. Metallisiertes Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrotauchlack keine Pigmente enthält.

5. Metallisiertes Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein anaphoretisch abgeschiedener Elektrotauchlack vorgesehen ist.

6. Metallisiertes Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Lackschicht zwischen 1 µm und 50 µm liegt.

7. Metallisiertes Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Grundwerkstoff und Elektrotauchlack eine Konversionsschicht vorgesehen ist.

8. Metallisiertes Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dekorativ wirkende Metallschicht vorgesehen ist.

9. Metallisiertes Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine dekorativ wirkende Glanzchromschicht vorgesehen ist.

10. Metallisiertes Bauteil nach mindestens einem der Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine tribologisch wirksame Metallschicht vorgesehen ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Bauteils, insbesondere zur Herstellung eines metallisierten Bauteils nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Substrat aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung eine Schicht aus einem Elektrotauchlack abgeschieden wird, und darauf eine Metallschicht abgeschieden wird.

12. Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1-10 für Radfelgen und/oder Fassadenbauteile.