DE202012009726U1

DE202012009726U1 - Einrichtung zur Herstellung einer Sol-Gel-Beschichtung auf einer zu beschichtenden Oberfläche eines Bauteils sowie Bauteil mit einer Sol-Gel-Beschichtung

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Publication number: DE202012009726U1
Application number: DE201220009726
Authority: DE
Original assignee: Sueddeutsche Aluminium Manufaktur GmbH
Current assignee: Sueddeutsche Aluminium Manufaktur GmbH
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2012-10-26
Anticipated expiration: 2022-10-09

Abstract

Einrichtung zur Herstellung einer Sol-Gel-Beschichtung auf einer zu beschichtende Oberfläche eines Bauteils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die folgenden Schritte durchzuführen:
– Eloxieren der Oberfläche durch Anlegen einer elektrischen Spannung über einen bestimmten Eloxierzeitraum zum Ausbilden einer Schutzschicht an der Oberfläche, und
– Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung auf der Oberfläche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, die zum Eloxieren angelegte Spannung zu Beginn des Eloxierzeitraums kontinuierlich mit einem bestimmten Spannungsgradient in Richtung einer über den Rest des Eloxierzeitraums beibehaltenen Haltespannung, insbesondere bis auf die Haltespannung, zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herstellung einer Sol-Gel-Beschichtung auf einer zu beschichtenden Oberfläche eines Bauteils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die folgenden Schritte durchzuführen: Eloxieren der Oberfläche durch Anlegen einer elektrischen Spannung über einen bestimmten Eloxierzeitraum zum Ausbilden einer Schutzschicht an der Oberfläche; und Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung auf der Oberfläche. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Sowohl das Eloxieren als auch das Aufbringen einer Sol-Gel-Beschichtung auf die Oberfläche eines aus Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung bestehenden Bauteils zum Schutz der Oberfläche vor Umgebungseinflüssen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Mittels beiden Vorgehensweisen kann eine, insbesondere gegenüber Oxidation unempfindliche, aber dennoch reinigungsfreundliche und optisch ansehnliche Oberfläche erzielt werden. Die Schichthaftung der Sol-Gel-Beschichtung wird einerseits durch eine chemische und andererseits durch eine mechanische Bindung begründet. Die mechanische Anbindung wird durch die Struktur beziehungsweise Topographie der eloxierten Oberfläche beeinflusst.
Es nun Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Herstellen einer Sol-Gel-Beschichtung vorzuschlagen, welche den Vorteil aufweist, dass eine damit hergestellte Sol-Gel-Beschichtung besser auf der Oberfläche haftet. Zudem soll eine die Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche weiter erhöht werden.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die zum Eloxieren angelegte Spannung zu Beginn des Eloxierzeitraums kontinuierlich mit einem bestimmten Spannungsgradient in Richtung einer über den Rest des Eloxierzeitraums beibehaltenen Haltespannung, insbesondere bis auf die Haltespannung, zu erhöhen. Mit Hilfe des Eloxierens wird das im Bereich der Oberfläche vorliegende Material gezielt oxidiert beziehungsweise derart umgewandelt, dass eine oxidische Schicht vorliegt. Durch das Eloxieren bildet sich mithin an der Oberfläche eine Schutzschicht, insbesondere eine Oxidschicht, aus, welche tiefere Schichten des Bauteils vor Korrosion schützt.
Zum Eloxieren wird das Bauteil wenigstens bereichsweise, insbesondere jedoch vollständig, in ein Bad aus einem Elektrolyt eingetaucht. Anschließend wird an das Bauteil über den bestimmten Eloxierzeitraum hinweg eine elektrische Spannung angelegt, wobei bevorzugt das Bauteil als Anode und ein den Elektrolyt aufnehmender Badbehälter als Kathode verwendet wird. Entsprechend kann das Eloxieren auch als anodisches Oxidieren bezeichnet werden.
Bei herkömmlichen Verfahren beziehungsweise Einrichtungen wird nun die elektrische Spannung zu Beginn des Eloxierzeitraums auf die Haltespannung eingestellt, sodass ein plötzlicher Spannungssprung vorliegt. Erfindungsgemäß soll dagegen die angelegte Spannung kontinuierlich in Richtung der Haltespannung erhöht werden, insbesondere ausgehend von einer Spannung von 0 V zu Beginn des Eloxierzeitraums. Dies erfolgt besonders bevorzugt mit dem bestimmten Spannungsgradient, welcher beispielsweise konstant ist. Der Spannungsgradient ist insbesondere endlich, es liegt also kein Spannungssprung wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen beziehungsweise Verfahren vor. Es kann entweder vorgesehen sein, die Spannung zunächst lediglich in Richtung der Haltespannung zu erhöhen oder mit dem bestimmten Spannungsgradient bis auf die Haltespannung zu vergrößern. Der Spannungsgradient beträgt beispielsweise höchstens 20 V/s, höchstens 10 V/s, höchstens 7,5 V/s, höchstens 5 V/s, höchstens 3 V/s, höchstens 2 V/s oder höchstens 1 V/s.
Die Haltespannung ist dabei diejenige Spannung, welche über den Rest des Eloxierzeitraums beibehalten wird. Dieser Rest des Eloxierzeitraums weist eine Dauer von länger als null Sekunden auf. Beispielsweise ist der Rest des Eloxierzeitraums – der auch als Spannungshaltezeitraum bezeichnet werden kann – mindestens so lang wie der Zeitraum von dem Beginn des Eloxierzeitraums bis zu einem erstmaligen Erreichen der Haltespannung. Der letztere Zeitraum kann auch als Spannungsaufbauzeitraum verwendet werden. Der Eloxierzeitraum setzt sich also insgesamt aus zwei Bereichen, nämlich dem Spannungsaufbauzeitraum und dem Spannungshaltezeitraum zusammen. Bevorzugt beträgt die Dauer des Spannungshaltezeitraums ein Mehrfaches der Dauer des Spannungsaufbauzeitraums, ist also beispielsweise mindestens doppelt, mindestens dreimal, mindestens viermal oder mindestens fünfmal so lang.
Unter der zum Eloxieren angelegten Spannung wird bevorzugt eine Sollspannung verstanden, welche an einer zum Eloxieren verwendeten Eloxiereinrichtung eingestellt wird. Eine tatsächlich vorliegende Istspannung kann nun entweder der Sollspannung entsprechen oder dieser zeitverzögert hinterherlaufen. Bevorzugt entspricht also die Istspannung ständig der Sollspannung; sie kann jedoch zeitweise zumindest geringfügig von dieser abweichen. Alternativ kann die angelegte Spannung jedoch auch als die tatsächlich vorliegende Istspannung angesehen werden.
Das Verändern, insbesondere das Erhöhen der Spannung zu Beginn des Eloxierzeitraums kann als „Auframpen” der Spannung bezeichnet werden. Dieses Auframpen wird während des Spannungsaufbauzeitraums durchgeführt, nach welchem die Haltespannung erreicht ist und anschließend während des Spannungshaltezeitraums beibehalten wird. Der Spannungsaufbauzeitraum weist beispielsweise eine Dauer von wenigstens einer Sekunde, wenigstens zwei Sekunden, wenigstens drei Sekunden, wenigstens vier Sekunden, wenigstens fünf Sekunden, wenigstens 7,5 Sekunden oder wenigstens 10 Sekunden auf.
Je geringer die zum Eloxieren der Oberfläche angelegte elektrische Spannung ist, umso kleiner sind die zu Beginn des Eloxierzeitraums ausgebildeten Zellen. Folglich entstehen bei geringerer Spannung mehr Zellen je Flächeneinheit der Oberfläche und entsprechend auch eine größere Anzahl Poren. Diese vergrößerte Porenanzahl begünstigt die mechanische Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung an die eloxierte Oberfläche. Durch eine Variation der zum Eloxieren der Oberfläche verwendeten Parameter, insbesondere also der Spannung, werden mithin topographisch unterschiedliche Schutzschichten an der Oberfläche ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann als Parameter die Stromdichte gewählt werden. Auch diese kann also gemäß einer alternativen Ausführung der Einrichtung beziehungsweise des Verfahrens während des bestimmten Zeitraums, welcher eine gewisse Länge aufweist, in Richtung einer Haltestromdichte beziehungsweise bis auf die Haltestromdichte erhöht werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, die Oberfläche des Bauteils vor dem Eloxieren zu reinigen. Dieses Reinigen kann beispielsweise durch Beizen, Polieren, Schleifen und/oder Bürsten erfolgen. Bevorzugt erfolgt das Reinigen unmittelbar vor dem Eloxieren. Die Einrichtung ist dementsprechend ausgebildet.
Beispielsweise umfasst das Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung auf der Oberfläche die folgenden Schritte, zu deren Durchführung die Einrichtung ausgebildet ist: Aufbringen einer Dispersion auf die Oberfläche, wobei in der Dispersion ein Beschichtungsmaterial kolloidal dispergiert vorliegt; Trocknen der Dispersion zum Ausbilden eines Gelfilms auf der Oberfläche; und Aushärten des Gelfilms zum Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung. Das Aufbringen der Dispersion auf die Oberfläche erfolgt beispielsweise unmittelbar nach dem Eloxieren. In der Dispersion liegt ein Beschichtungsmaterial als Kolloid vor. Das Beschichtungsmaterial wird beispielsweise durch Hydrolyse und Kondensation aus wenigstens einem Präkursor beziehungsweise einer Vorläuferverbindung der Dispersion ausgebildet. Die Hydrolyse und die Kondensation laufen dabei beispielsweise teilweise gleichzeitig und konkurrierend ab.
Als Präkursor für die Dispersion können beispielsweise Alkoholate von Metallen beziehungsweise Nichtmetallen verwendet werden. Insbesondere kommt ein Silizium-Präkursor zum Einsatz, beispielsweise Tetramethylorthosilikat (TMOS), Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Tetraisopropylorthosilikat (TPOT). Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch Alkoholate von anderen Metallen, Übergangsmetallen oder Nichtmetallen eingesetzt werden, beispielsweise Alkoholate von Aluminium oder Titan. Neben dem Alkoholat weist die Dispersion ein Lösungsmittel auf, beispielsweise Ethanol und/oder Wasser. Als weiterer Bestandteil kann ein Katalysator, insbesondere ein saurer oder basischer Katalysator, vorgesehen sein. Als saurer Katalysator wird beispielsweise Chlorwasserstoff beziehungsweise Salzsäure und als basischer Katalysator beispielsweise Natriumhydroxid beziehungsweise Natronlauge eingesetzt.
Die Hydrolyse kann beispielsweise durch die Reaktionsgleichung M(OR)_n + H₂O → M(OR)_n-1OH + ROH beschrieben werden, während die Kondensation durch (RO)_mM – OH + HO – M(OR)_m → (RO)_mM – O – M(OR)_m + H₂O angegeben wird. Hierbei ist M ein Metall beziehungsweise Halbmetall, beispielsweise Silizium.
Die Dispersion liegt in Form eines Sols vor. Je nach verwendetem Lösungsmittel kann zwischen einem alkoholischen Sol (als Lösungsmittel kommt Ethanol zum Einsatz) und einem Hydrosol (es wird Wasser als Lösungsmittel verwendet) unterschieden werden. In der Dispersion beziehungsweise in dem Sol wird durch die ablaufenden Reaktionen, insbesondere also die Hydrolyse und die Kondensation, das Beschichtungsmaterial ausgebildet, welches nachfolgend kolloidal, das heißt in Form von Kolloiden, vorliegt.
Nach dem Aufbringen der Dispersion wird diese getrocknet, sodass sich ein Gelfilm, insbesondere Xerogelfilm, auf der Oberfläche ausbildet. Unter dem Trocknen ist dabei ein zumindest teilweises, insbesondere vollständiges, Ausbringen beziehungsweise Entfernen des verwendeten Lösungsmittels aus der Dispersion zu verstehen. In Abhängigkeit von dem zum Aufbringen verwendeten Verfahren kann sich bereits durch das Aufbringen ein Trocknen der Dispersion ergeben, weil die Schichtdicke der Dispersion üblicherweise, zumindest bei geringer Viskosität der Dispersion, im Vergleich zu der Erstreckung der Oberfläche gering ist. Entsprechend kann das Lösungsmittel auch bei normalen Umgebungsbedingungen rasch verdunsten.
Das Trocknen der Dispersion wird beispielsweise unmittelbar nach dem Aufbringen der Dispersion eingeleitet beziehungsweise ergibt sich automatisch. Bei dem Trocknen der Dispersion entsteht der Gelfilm auf der Oberfläche beziehungsweise der Schutzschicht, in welchem ein loses Netzwerk aus dem Beschichtungsmaterial vorliegt. Das Netzwerk ist häufig noch nicht vollständig verknüpft und weist eine entsprechend hohe Porosität von beispielsweise mindestens 50% auf. Das bedeutet insbesondere, dass bei zumindest einem Teil der Partikel des Beschichtungsmaterials keine Anbindung, beispielsweise über Sauerstoff, zu einem weiteren Partikel vorliegt.
Aus diesem Grund kann der Gelfilm zum endgültigen Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung ausgehärtet werden. Dieses Aushärten erfolgt üblicherweise bei einer hohen Temperatur von mindestens 150°C, mindestens 200°C, mindestens 250°C, mindestens 300°C, mindestens 350°C, mindestens 400°C, mindestens 450°C oder mindestens 500°C. Durch dieses Aushärten wird der Gelfilm bevorzugt in eine massive Keramikschicht mit geringer Porosität, nämlich in die Sol-Gel-Beschichtung, überführt.
Die resultierende Schichtdicke der Sol-Gel-Beschichtung soll beispielsweise 0,5 μm bis 10 μm, insbesondere 1 μm bis 5 μm, besonders bevorzugt 1 μm bis 2 μm, betragen. Das Aufbringen der Dispersion erfolgt entsprechend mit einer Schichtdicke, mit welcher die gewünschte resultierende Schichtdicke erzielt wird. Auch das Trocknen und das Aushärten werden mit Parametern durchgeführt, mit welchen die gewünschte Schichtdicke der Sol-Gel-Beschichtung erzielt werden kann. Besonders bevorzugt erfolgt das Aushärten des Gelfilms unmittelbar nach dem Trocknen der Dispersion, bei welchem der Gelfilm ausgebildet wird. Die Einrichtung ist jeweils entsprechend ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die Spannung in zu Beginn des Eloxierzeitraums aufeinander folgenden Zeiträumen mit bestimmten Spannungsgradienten bis auf die Haltespannung erhöht wird, wobei die Spannungsgradienten für unmittelbar aufeinanderfolgende Zeiträume voneinander verschieden sind. Die genannten Zeiträume sind Teile des Spannungsaufbauzeitraums, der an dem Beginn des Eloxierzeitraums beginnt und bis zum erstmaligen Erreichen der Haltespannung durch die angelegte Spannung andauert.
Die Haltespannung wird also nicht während eines einzigen Zeitraums erreicht, während welchen die Spannung kontinuierlich erhöht wird. Vielmehr sind mehrere derartige Zeiträume vorgesehen, wobei in jedem die Spannung mit einem jeweiligen, bestimmten Spannungsgradient erhöht wird. Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist der Spannungsgradient bevorzugt endlich und kann zudem zumindest während des jeweiligen Zeitraums konstant sein. Zu Beginn des ersten Zeitraums, welcher am Anfang des Eloxierzeitraums liegt, ist die Spannung gleich Null. Am Ende des letzten der aufeinanderfolgenden Zeiträume entspricht sie der Haltespannung. Zusätzlich oder alternativ kann jedoch auch wenigstens ein Zeitraum mit konstanter oder sogar rückläufiger Spannung vorgesehen sein.
Die Zeiträume folgen bevorzugt unmittelbar aufeinander. Grundsätzlich ist dabei vorgesehen, dass die Spannungsgradienten für aufeinanderfolgende, insbesondere unmittelbar aufeinanderfolgende, Zeiträume voneinander verschieden sind. Der Spannungsgradient beträgt auch hier beispielsweise höchstens 20 V/s, höchstens 10 V/s, höchstens 7,5 V/s, höchstens 5 V/s, höchstens 3 V/s, höchstens 2 V/s oder höchstens 1 V/s. Der durchschnittliche Spannungsgradient über den gesamten Spannungsaufbauzeitraum beträgt beispielsweise höchstens 5 V/s, höchstens 3 V/s, höchstens 2 V/s oder höchstens 1 V/s.
Es kann vorgesehen sein, das der Spannungsgradient in einem ersten der Zeiträume kleiner als in einem unmittelbar folgenden zweiten der Zeiträume gewählt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Spannungsgradient des jeweiligen der beiden Zeiträume konstant ist. Wie bereits vorstehend erläutert, kann durch eine zu Beginn des Eloxierzeitraums vorliegende niedrige beziehungsweise niedrigere Spannung erreicht werden, dass die durch das Eloxieren ausgebildeten Zellen beziehungsweise Poren geringere Abmessungen aufweisen als bei einer größeren Spannung. Liegt nun beispielsweise der erste der Zeiträume, welcher den kleineren Spannungsgradient aufweist, am Anfang des Eloxierzeitraums, so bildet sich auf der Oberfläche eine große Anzahl von Poren aus, weil die Spannung lediglich langsam ansteigt.
Auch durch das während des zweiten der Zeiträume schnellere Ansteigen der Spannung wird die Anzahl der Poren nun nicht mehr reduziert, vielmehr wird lediglich die Geschwindigkeit des Wachstums der durch das Eloxieren ausgebildeten Schutzschicht erhöht. Es kann vorgesehen sein, dass das Erhöhen der Spannung auf die Haltespannung lediglich in dem ersten und dem zweiten der Zeiträume erfolgt, sodass also keine weiteren Zeiträume vorgesehen sind und in dem zweiten der Zeiträume die Spannung die Haltespannung erreicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die Schutzschicht nach dem Eloxieren und vor dem Aufbringen der Dispersion bei einer bestimmten Verdichtungstemperatur zu verdichten, insbesondere nur teilzuverdichten. Selbstverständlich kann es vorgesehen sein, dass die Dispersion unmittelbar nach dem Eloxieren auf die Oberfläche beziehungsweise die Schutzschicht aufgebracht wird. Vorteilhafterweise wird jedoch zunächst das Verdichten beziehungsweise Teilverdichten vorgenommen, um die Poren zumindest auf einer, einer Umgebung des Bauteils zugewandten Seite wenigstens teilweise zu verschließen beziehungsweise die Abmessungen ihrer der Umgebung zugewandten Öffnung zu verkleinern. Das Verdichten wird beispielsweise als Heißverdichten in vollentsalztem Wasser oder als Kaltverdichten durchgeführt.
Nach dem Verdichten liegen an der Schutzschicht aktive Hydroxylgruppen vor, welche eine chemische Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung, insbesondere von in dieser enthaltenen Silanen, begünstigen. Aus diesem Grund ist das Verdichten grundsätzlich von Vorteil. Wird die Schutzschicht jedoch vollständig verdichtet, so kann es bei dem Trocknen der Dispersion beziehungsweise dem Aushärten des Gelfilms zur Entstehung von Schichtrissen in der Sol-Gel-Beschichtung kommen. Diese verringern den vorteilhaften Effekt der Sol-Gel-Beschichtung. Aus diesem Grund wird die Schutzschicht bevorzugt lediglich teilverdichtet.
Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass in Abhängigkeit von der Stärke der Schutzschicht ein Gesamtverdichtungszeitraum bestimmt wird, nach welchem erfahrungsgemäß ein vollständiges Verdichten vorliegt, und für das Teilverdichten das Verdichten lediglich über einen Teil des Gesamtverdichtungszeitraums, insbesondere höchstens 90%, höchstens 75%, höchstens 50%, höchstens 25% oder höchstens 10%, vorgenommen wird. Die Einrichtung ist hierzu entsprechend ausgebildet.
Der Gesamtverdichtungszeitraum wird üblicherweise umso länger gewählt, je größer die Stärke der Schutzschicht ist. Er bezeichnet den Zeitraum, nach welchem erstmalig ein bestimmter Anteil der Poren vollständig verdichtet, also gegenüber einer Umgebung verschlossen ist. Der Anteil beträgt beispielsweise wenigstens 90%, wenigstens 95%, wenigstens 99% oder 100%.
Wird das Verdichten als Heißverdichten durchgeführt, also beispielsweise in Wasser, insbesondere vollentsalztem Wasser, mit einer Temperatur von mehr als 60°C, insbesondere einer Temperatur von mehr als 70°C, mehr als 80°C, mehr als 90°C oder mehr als 95°C, so berechnet sich die Dauer t_V des Gesamtverdichtungszeitraum beispielsweise gemäß der Beziehung t_V = 3 min/μm·s, wobei s die Stärke der Schutzschicht bezeichnet. Alternativ kann die Dauer t_V des Gesamtverdichtungszeitraums als 2,2 min/μm·s ≤ t_V ≤ 3,2 min/μm angegeben werden. Wird das Verdichten als Kaltverdichten, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 20°C und 40°C, vorgenommen, so beträgt die Dauer t_V des Gesamtverdichtungszeitraums beispielsweise 0,8 min/μm·s ≤ t_V ≤ 1,2 min/μm·s.
Für das Teilverdichten wird das Bauteil oder zumindest die Schutzschicht lediglich über den angegebenen Teil des Gesamtverdichtungszeitraums behandelt, also im Falle des Heißverdichtens beispielsweise durch Eintauchen in vollentsalztes Wasser, welches eine Temperatur von größer als 60°C aufweist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, als Beschichtungsmaterial oder als Teil des Beschichtungsmaterials Partikel, insbesondere Polymerpartikel, beispielsweise Siliziumdioxidpartikel, mit einer Partikelgröße von höchstens 30 nm, insbesondere höchstens 20 nm, bevorzugt höchstens 10 nm, besonders bevorzugt höchstens 6 nm oder höchstens 4 nm, zu verwenden. Die Partikel entstehen beispielsweise, wie vorstehend erläutert, durch die in der Dispersion beziehungsweise in dem Sol ablaufenden Reaktionen, nämlich der Hydrolyse und der Kondensation. Wird als Präkursor ein Siliziumalkoholat verwendet, so liegen die Partikel als Polysilikatpartikel, insbesondere Siliziumdioxidpartikel, vor. Zusätzlich oder alternativ können die Partikel selbstverständlich zum Herstellen der Dispersion zugegeben, insbesondere zusätzlich zugegeben, werden.
Die Partikelgröße ist dabei beispielsweise als Ausdehnung in der Richtung der größten Erstreckung der Partikel definiert oder alternativ als Partikeldurchmesser im Falle von runden beziehungsweise kugelförmigen Partikeln. Die Partikelgröße kann alternativ als mittlerer Partikeldurchmesser verstanden werden. Bevorzugt weisen alle Partikel des Beschichtungsmaterials, also alle in der Dispersion enthaltenen Partikel die angegebenen Partikelgrößen auf. Alternativ kann dies jedoch auch für lediglich einen Teil des Beschichtungsmaterials vorgesehen sein, sodass Partikel mit den angegebenen Partikelgrößen, jedoch auch beispielsweise größere Partikel vorliegen können.
Während die Partikel durch die vorstehend angegebenen Werte in ihrer Größe nach oben begrenzt sind, weisen sie beispielsweise eine Partikelgröße von wenigstens 2 nm, bevorzugt wenigstens 4 nm auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen alle Partikel des Beschichtungsmaterials Partikelgrößen zwischen 4 nm und 6 nm auf.
Es hat sich gezeigt, dass die hergestellten Dispersionen beziehungsweise Sole umso stabiler sind, je kleiner die Partikelgröße ist. Bei größeren Partikeln neigt die Dispersion dagegen zu Ausfällungen. Zudem nimmt die Korrosionsbeständigkeit der hergestellten Sol-Gel-Beschichtung mit sinkender Partikelgröße zu. Dies wird beispielsweise beim Durchführen eines Kesternichtests des Bauteils beziehungsweise der Oberfläche deutlich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die Dispersion durch Mischen mehrerer Ausgangsdispersionen mit verschiedene Partikelgrößen aufweisenden Partikeln herzustellen. In Abhängigkeit von dem Präkursor und der Konzentration stellen sich in unterschiedlichen Dispersionen unterschiedliche Partikelgrößen ein. Diese Dispersionen werden als Ausgangsdispersionen bezeichnet. Die zum Herstellen der Sol-Gel-Beschichtung verwendete Dispersion soll nun durch Mischen mehrerer dieser Ausgangsdispersionen hergestellt werden, sodass in der Dispersion Partikel mit unterschiedlichen Partikelgrößen vorliegen.
Das bedeutet also, dass in der Dispersion sowohl „kleine” als auch „große” Partikel vorliegen können, wobei die „kleinen” Partikel beispielsweise Partikelgrößen von 2 nm bis 10 nm, bevorzugt von 4 nm bis 6 nm, und die „großen” Partikel Partikelgrößen von 10 nm bis 30 nm, beispielsweise von 15 nm bis 20 nm, aufweisen. Die Ausgangsdispersionen werden zum Herstellen der Dispersion in einem bestimmten Mischungsverhältnis miteinander vermischt.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, den Spannungsgradient, insbesondere den Spannungsgradient zu Beginn des Eloxierzeitraums, in Abhängigkeit von der Partikelgröße zu bestimmen, wobei der Spannungsgradient für kleinere Partikelgrößen kleiner gewählt wird. Vorstehend wurde bereits ausgeführt, dass die durch das Eloxieren ausgebildeten Poren bei geringeren Spannungen kleinere Abmessungen aufweisen als bei größeren Spannungen. Dies gilt analog für einen kleineren Spannungsgradient, welcher ab Beginn des Eloxierzeitraums vorliegt, weil die Spannung vergleichsweise langsam ansteigt.
Je kleiner die Partikelgrößen der in der Dispersion enthaltenen Partikel sind, umso kleiner sollen auch die Poren sein, um die Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung zu verbessern, weil sich kleinere Partikel bevorzugt unmittelbar benachbart zu der eloxierten Oberfläche ansammeln und somit die Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung an die Oberfläche verschlechtern. Dieser Effekt wird durch die kleineren Poren, die durch die niedrigere Spannung beziehungsweise den langsameren Spannungsanstieg erzielt werden, zumindest teilweise ausgeglichen. Insgesamt wird daher durch die kleineren Partikelgrößen die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils verbessert, ohne dass dadurch jedoch eine verschlechterte Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung an die Oberfläche in Kauf genommen werden muss.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Dispersion ein Fluorsilan mit einem bestimmten Volumenanteil, bevorzugt höchstens 25 Vol.-%, höchstens 20 Vol.-%, höchstens 15 Vol.-%, höchstens 10 Vol.-% oder höchstens 5 Vol.-%, als Additiv beigemengt wird. Fluorhaltige Substanzen wirken hydrophob. Bei bekannten Einrichtungen beziehungsweise Verfahren wird das Fluorsilan nach dem Aushärten auf die Sol-Gel-Beschichtung in Form eines Top-Coats aufgetragen, um diese Eigenschaft zu erzielen. Dies ist jedoch von Nachteil, weil das Fluorsilan mit der Zeit von der Oberfläche abgetragen wird, beispielsweise durch Abrasion, und zudem unter Umständen gesundheitsschädigend wirken kann.
Aus diesem Grund wird das Fluorsilan unmittelbar der Dispersion zugegeben, sodass es auch nach dem Aushärten direkt in der Sol-Gel-Beschichtung vorliegt. Auch auf diese Weise kann die hydrophobe Wirkung erzielt werden. Nachteilig ist jedoch, dass sich das Fluorsilan negativ auf die Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung an die Oberfläche auswirken kann. Dies ist ebenfalls durch seine hydrophobe beziehungsweise „abstoßende” Wirkung bedingt. Versuche haben nun jedoch überraschend gezeigt, dass durch die Verwendung von Partikeln mit einer geringen Partikelgröße gemäß den vorstehenden Ausführungen dieser negative Effekt des Fluorsilans reduziert werden kann.
Scheinbar verdrängen die Partikel das Fluorsilan von der eloxierten Oberfläche, sodass es nachfolgend nicht mehr in einer an die Schutzschicht grenzenden Grenzschicht der Sol-Gel-Beschichtung vorliegt. Vielmehr wird es in Richtung der Umgebung verlagert. Dies bewirkt zudem eine äußerst vorteilhafte Erhöhung der Konzentration des Fluorsilans auf der der Umgebung zugewandten Seite der Sol-Gel-Beschichtung, wodurch die hydrophobe Wirkung dort noch verbessert wird.
Insgesamt wird durch die Zugabe des Fluorsilans somit eine sehr reinigungsfreundliche Oberfläche geschaffen, ohne dass Nachteile bei der Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung an die Oberfläche in Kauf genommen werden müssen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn geringe Partikelgrößen gemäß den vorstehenden Ausführungen, insbesondere Partikelgrößen von höchstens 10 nm, höchstens 8 nm, höchstens 6 nm oder höchstens 4 nm verwendet werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere ein Kraftfahrzeugbauteil, mit einer auf einer Oberfläche des Bauteils aufgebrachten Sol-Gel-Beschichtung, wobei an der Oberfläche eine durch Eloxieren ausgebildete Schutzschicht mit einer Porenstruktur vorliegt und das Eloxieren durch Anlegen einer elektrischen Spannung über einen bestimmten Eloxierzeitraum zum Ausbilden der Schutzschicht an der Oberfläche erfolgt. Dabei ist vorgesehen, dass die Porenstruktur ausgebildet ist, indem die zum Eloxieren angelegte Spannung zu Beginn des Eloxierzeitraums kontinuierlich mit einem bestimmten Spannungsgradient in Richtung einer über den Rest des Eloxierzeitraums beibehaltenen Haltespannung, insbesondere bis auf die Haltespannung, erhöht wird. Das Bauteil wird bevorzugt mittels der vorstehend beschriebenen Einrichtung beziehungsweise des erläuterten Verfahrens hergestellt. Das Bauteil und die Einrichtung beziehungsweise das Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Durch die spezielle Durchführung des Eloxierens ergibt sich eine Porenstruktur, die eine sehr hohe Porendichte aufweist. Sie ist entsprechend gut dazu geeignet, eine hervorragende Anbindung der Sol-Gel-Beschichtung zu erzielen.
Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch ein Verfahren zum Herstellen einer Sol-Gel-Beschichtung auf einer zu beschichtenden Oberfläche eines Bauteils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die vorstehend beschriebene Einrichtung ist zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet. Entsprechend können die vorstehenden Ausführungen, insbesondere die die Einrichtung betreffenden Ausführungen, analog für das Verfahren herangezogen werden, welches entsprechend ausgebildet oder weitergebildet sein kann. Dabei kann jeder möglichen Ausgestaltung der Einrichtung eine entsprechende Ausführungsform des Verfahrens zugeordnet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen die
1 bis 7 Diagramme, in welchen jeweils der Verlauf der zum Eloxieren angelegten Spannung über der Zeit für verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung aufgetragen ist.
In jeder der 1 bis 7 ist ein Verlauf einer Spannung U über der Zeit t für zumindest einen Teil eines Eloxierzeitraums aufgetragen. Die Spannung U wird zum Eloxieren einer Oberfläche eines aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Bauteils während eines Eloxierzeitraums mit der Dauer Δt_E angelegt, um eine Schutzschicht an der Oberfläche auszubilden. Zu Beginn des Eloxierzeitraums ist es nun vorgesehen, die Spannung kontinuierlich mit einem bestimmten Spannungsgradient in Richtung einer über einen Rest des Eloxierzeitraums mit der Dauer Δt_H beibehaltenen Haltespannung U_H zu erhöhen, insbesondere bis auf diese zu erhöhen. Am Ende des Eloxierzeitraums, wird der Stromfluss unterbrochen, die Spannung U also gleich Null eingestellt.
Dabei kann es nun vorgesehen sein, dass zu Beginn des Eloxierzeitraums mehrere aufeinanderfolgende Zeiträume mit den Dauern Δt₁, Δt₂ und so weiter vorgesehen sind, in welchen die Spannung U einem bestimmten Verlauf folgt, also beispielsweise mit einem bestimmten Spannungsgradienten in Richtung der Haltespannung U_H beziehungsweise bis auf die Haltespannung U_H erhöht wird. Ebenso kann es selbstverständlich vorgesehen sein, dass die Spannung in wenigstens einem der Zeiträume konstant oder sogar rückläufig ist.
Der Zeitraum von dem Beginn des Eloxierzeitraums, bei welchem die Spannung bevorzugt gleich Null ist, bis zum erstmaligen Erreichen der Haltespannung U_H, kann als Spannungsaufbauzeitraum bezeichnet werden. Dieser setzt sich aus den aufeinanderfolgenden Zeiträumen mit den Dauern Δt₁, Δt₂ und so weiter zusammen. An den Spannungsaufbauzeitraum schließt sich unmittelbar der Rest des Eloxierzeitraums an, der auch als Spannungshaltezeitraum bezeichnet werden kann. Die Dauer des Spannungshaltezeitraums entspricht beispielsweise mindestens der Dauer des Spannungsaufbauzeitraums oder stellt sogar ein Mehrfaches von dieser dar. Beispielsweise ist der Spannungshaltezeitraum wenigstens doppelt, dreimal, viermal oder fünfmal solang wie der Spannungsaufbauzeitraum.
In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Spannungsaufbauzeitraum lediglich über den einzigen Zeitraum mit der Dauer Δt₁, während welchem die Spannung mit einem konstanten Spannungsgradient kontinuierlich bis auf die Haltespannung U_H erhöht wird. Nachfolgend ist die Spannung über den Spannungshaltezeitraum konstant. In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 7 sind jeweils zwei Zeiträume, nämlich mit den Dauern Δt₁ und Δt₂ vorgesehen, welche den Spannungsaufbauzeitraum gemeinsam ausbilden. Auch hier schließt sich an den Spannungsaufbauzeitraum der Spannungshaltezeitraum an.
Für die Ausführungsbeispiele der 2 und 6 ist der erste Zeitraum kürzer als der zweite Zeitraum (Δt₁ < Δt₂), während dies für die Ausführungsbeispiele der 4, 5 und 7 umgekehrt ist (Δt₁ > Δt₂). Für die Ausführungsbeispiele der 2, 3 und 6 ist der Spannungsgradient in dem ersten Zeitraum größer als in dem zweiten Zeitraum. Dies ist wiederum in den Ausführungsbeispielen der 4, 5 und 7 umgekehrt. Der Spannungsaufbauzeitraum erstreckt sich in allen Ausführungsbeispielen beispielsweise über einen Zeitraum von mindestens 1 Sekunden, mindestens 2 Sekunden, mindestens 3 Sekunden, mindestens 4 Sekunden oder mindestens 5 Sekunden. Er dauert jedoch höchstens 25 Sekunden, höchstens 20 Sekunden, höchstens 15 Sekunden oder höchstens 10 Sekunden. Die Haltespannung beträgt beispielsweise 10 Volt bis 20 Volt, insbesondere 15 Volt.
An das Eloxieren der Oberfläche schließt sich bevorzugt ein Teilverdichten der durch das Eloxieren erzeugten Schutzschicht an. Dieses Teilverdichten erfolgt über einen bestimmten Verdichtungszeitraum, welcher einen Teil eines Gesamtverdichtungszeitraums darstellt. Dieser Gesamtverdichtungszeitraum wird in Abhängigkeit der Stärke der Schutzschicht anhand von dazu geeigneten Beziehungen bestimmt. Der Gesamtverdichtungszeitraum beschreibt dabei den Zeitraum, über welchen ein Verdichten durchgeführt werden muss, um die Schutzschicht vollständig zu verdichten, also die Zeitdauer bis zu demjenigen Zeitpunkt, bei welcher ein Großteil, also mindestens 90%, mindestens 95% oder mindestens 99% der Poren der Schutzschicht erstmalig vollständig gegenüber einer Umgebung des Bauteils verschlossen sind.
Für das Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt das Teilverdichten über einen Verdichtungszeitraum von 30 Sekunden bei einer Temperatur eines zum Verdichten verwendeten Fluids, beispielsweise vollentsalztem Wasser, von 70°C. Für die Ausführungsbeispiele der 2 bis 7 betragen die Verdichtungszeiten jeweils 30 Sekunden, 80 Sekunden, 60 Sekunden, 180 Sekunden, 60 Sekunden beziehungsweise 200 Sekunden, während die Temperaturen 65°C, 70°C, 98°C, 95°C, 90°C beziehungsweise 80°C betragen.
Nach dem Teilverdichten wird eine Dispersion auf die Oberfläche beziehungsweise die auf dieser vorliegende Schutzschicht aufgebracht. In der Dispersion liegt ein Beschichtungsmaterial kolloidal dispergiert vor, wobei als Beschichtungsmaterial Partikel, insbesondere Siliziumdioxidpartikel, mit einer bestimmten Partikelgröße verwendet werden. Die bevorzugte Partikelgröße beträgt für die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3, 6 und 7 10 nm bis 20 nm und für die Ausführungsbeispiele der 4 und 5 4 nm bis 6 nm. Vorzugsweise wird die Dispersion anschließend an das Aufbringen zum Ausbilden eines Gelfilms getrocknet und der Gelfilm zum Herstellen der Sol-Gel-Beschichtung ausgehärtet.

Claims

Einrichtung zur Herstellung einer Sol-Gel-Beschichtung auf einer zu beschichtende Oberfläche eines Bauteils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, die folgenden Schritte durchzuführen: – Eloxieren der Oberfläche durch Anlegen einer elektrischen Spannung über einen bestimmten Eloxierzeitraum zum Ausbilden einer Schutzschicht an der Oberfläche, und – Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung auf der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, die zum Eloxieren angelegte Spannung zu Beginn des Eloxierzeitraums kontinuierlich mit einem bestimmten Spannungsgradient in Richtung einer über den Rest des Eloxierzeitraums beibehaltenen Haltespannung, insbesondere bis auf die Haltespannung, zu erhöhen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung die folgenden Schritte umfasst, zu deren Durchführung die Einrichtung ausgebildet ist: – Aufbringen einer Dispersion auf die Oberfläche, wobei in der Dispersion ein Beschichtungsmaterial kolloidal dispergiert vorliegt, – Trocknen der Dispersion zum Ausbilden eines Gelfilms auf der Oberfläche, und – Aushärten des Gelfilms zum Ausbilden der Sol-Gel-Beschichtung.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, die Spannung in zu Beginn des Eloxierzeitraums aufeinanderfolgenden Zeiträumen mit bestimmten Spannungsgradienten bis auf die Haltespannung zu erhöhen, wobei die Spannungsgradienten für unmittelbar aufeinanderfolgende Zeiträume voneinander verschieden sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, den Spannungsgradient in einem ersten der Zeiträume kleiner als in einem unmittelbar folgenden zweiten der Zeiträume zu wählen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, die Schutzschicht nach dem Eloxieren und vor dem Aufbringen der Dispersion bei einer bestimmten Verdichtungstemperatur zu verdichten, insbesondere nur teilzuverdichten.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Stärke der Schutzschicht einen Gesamtverdichtungszeitraum zu bestimmen, nach welchem ein vollständiges Verdichten vorliegt, und für das Teilverdichten das Verdichten lediglich über einen Teil des Gesamtverdichtungszeitraums, insbesondere höchstens 90%, höchstens 75%, höchstens 50%, höchstens 25% oder höchstens 10%, vorzunehmen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, als Beschichtungsmaterial oder als Teil des Beschichtungsmaterials Partikel, insbesondere Polysilikatpartikel, mit einer Partikelgröße von höchstens 30 nm, insbesondere höchstens 20 nm, bevorzugt höchstens 10 nm, besonders bevorzugt höchstens 6 nm, zu verwenden.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, den Spannungsgradient, insbesondere den Spannungsgradient zu Beginn des Eloxierzeitraums, in Abhängigkeit von der Partikelgröße zu bestimmen, wobei der Spannungsgradient für kleinere Partikelgrößen kleiner gewählt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, der Dispersion ein Fluorsilan mit einem bestimmten Volumenanteil, bevorzugt höchstens 25 Vol.-%, höchstens 20 Vol.-%, höchstens 15 Vol.-%, höchstens 10 Vol.-% oder höchstens 5 Vol.-% als Additiv beizumengen.
Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere Kraftfahrzeugbauteil, mit einer auf einer Oberfläche des Bauteils aufgebrachten Sol-Gel-Beschichtung, wobei an der Oberfläche eine durch Eloxieren ausgebildete Schutzschicht mit einer Porenstruktur vorliegt und das Eloxieren durch Anlegen einer elektrischen Spannung über einen bestimmten Eloxierzeitraum zum Ausbilden der Schutzschicht an der Oberfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur ausgebildet ist, indem die zum Eloxieren angelegte Spannung zu Beginn des Eloxierzeitraums kontinuierlich mit einem bestimmten Spannungsgradient in Richtung einer über den Rest des Eloxierzeitraums beibehaltenen Haltespannung, insbesondere bis auf die Haltespannung, erhöht wird.
Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht verdichtet, insbesondere nur teilverdichtet, ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial Partikel, insbesondere Polysilikatpartikel, mit einer Partikelgröße von höchstens 30 nm, insbesondere höchstens 20 nm, bevorzugt höchstens 10 nm, besonders bevorzugt höchstens 6 nm, aufweist oder aus diesen besteht.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Beschichtung und/oder eine zur Herstellung der Sol-Gel-Beschichtung verwendete Dispersion ein Fluorsilan mit einem bestimmten Volumenanteil, bevorzugt höchstens 25 Vol.-%, höchstens 20 Vol.-%, höchstens 15 Vol.-%, höchstens 10 Vol.-% oder höchstens 5 Vol.-% als Additiv aufweist.