DE202013009714U1

DE202013009714U1 - Werkstück beschichtet mit einem Elektrotauchlack

Info

Publication number: DE202013009714U1
Application number: DE201320009714
Authority: DE
Original assignee: BASF Coatings GmbH
Current assignee: BASF Coatings GmbH
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2023-03-02
Also published as: DE102013003377A1

Abstract

Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren zur elektrophoretischen Beschichtung von Werkstücken mit einem Elektrotauchlack, wobei das in den Elektrotauchlack eingetauchte Werkstück als eine Elektrode eines gleichgerichteten Stromkreises fungiert, dadurch gekennzeichnet, dass I) in einem Konstant-U-Bereich I) mindestens einmal die an das eingetauchte Werkstück angelegte Abscheidespannung vorgegeben worden ist und anschliessend II) in einem Konstant-I-Bereich II) nach einem Moduswechsel mindestens einmal die Abscheidestromstärke für die Beschichtung vorgegeben worden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück beschichtet nach einem Verfahren zur elektrophoretischen Beschichtung von Werkstücken mit einem Elektrotauchlack, wobei das in den Elektrotauchlack eingetauchte Werkstück als eine Elektrode eines gleichgerichteten Stromkreises fungiert hat.
Stand der Technik
Die Elektrotauchlackierung (ETL) ist ein Verfahren zur Applikation wasserverdünnbarer Lacke (Elektrotauchlacke) auf elektrisch leitfähigen Substraten. Das elektrisch leitfähige Substrat, Werkstück genannt, wird in ein Lackbad eingetaucht, zwischen dem Werkstück und einer Gegenelektrode wird ein elektrisches Gleichspannungsfeld angelegt, der ionisierte Lack entlädt sich und koaguliert dabei auf dem Werkstück, wodurch die Beschichtung des Werkstückes aufgebaut wird. Der abgeschiedene Lackfilm hat häufig einen Festkörpergehalt von 80–90% und ist nicht mehr wasserverdünnbar, so dass die anhaftende Badflüssigkeit mit Wasser abgewaschen werden kann. Der Lackfilm wird durch Einbrennen gehärtet.
Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes laufen einige Vorgänge nacheinander und nebeneinander ab: Elektrophorese, Elektrolyse und Elektroosmose (Elektrokoagulation). An dem Werkstück, das in Abhängigkeit von der Badzusammensetzung als Anode oder Kathode geschaltet ist, scheidet sich dann das verwendete Bindemittel zusammen mit Pigmenten, Füllstoffen und weiteren Bestandteilen des Lacks ab. Der abgeschiedene Film hat eine geringe elektrische Leitfähigkeit, also hohen elektrischen Widerstand. Dadurch wird im Laufe der Abscheidung seine Schichtdicke in Abhängigkeit zur angelegten Spannung begrenzt. Das elektrische Feld verschiebt sich zu Stellen geringeren Widerstandes, so dass mit dem Verfahren der Elektrotauchlackierung normalerweise auch eine Beschichtung von zunächst elektrisch abgeschirmten Bereichen in Ecken und Hohlräumen möglich ist. Dieses Phänomen wird auch als Umgriff oder Umgriffverhalten bezeichnet.
Ist das Werkstück als Anode geschaltet, spricht man von anodischer Elektrotauchlackierung (ATL), ist es als Kathode geschaltet, von kathodischer Elektrotauchlackierung (KTL). Sowohl bei der anodischen als auch der kathodischen Elektrotauchlackierung ist für das Ergebnis der Lackierung wichtig, wie der Prozess der Elektrotauchlackierung durchgeführt wird. Dass heisst, dass die Güte und Qualität der resultierenden Lackierung auf dem Werkstück stark davon abhängt, wie der Stromfluss während des elektrophoretischen Beschichtungsprozess geregelt wird. Standardmäßig wird dabei ein Konstant-U-Modus verwendet, wie es zum Beispiel in EP 0 255 268 A2 beschrieben wird. Bei einem Konstant-U-Verfahren wird mit einer festen Beschichtungsspannung bis zur gewünschten Schichtdicke beschichtet. Aufgrund der zunächst hohen Leitfähigkeit können starke Ströme fliessen, die in einem Anfangsbereich der Beschichtung vorwiegend durch eine lineare, nichtlineare, rampenförmige oder stufenweise Erhöhung der Spannung bis zur gewünschten Beschichtungsspannung reguliert werden können. Da die Abscheidegeschwindigkeit des Beschichtungsmittels von zahlreichen Faktoren abhängt, wie zum Beispiel der Leitfähigkeit des Beschichtungsbades, der Badtemperatur, dem Substrat und der Konzentration des Beschichtungsmittels im Bad, kann die Zeit bis zum Aufbau der gewünschten Schichtdicke variieren, weshalb bei Konstant-U-Verfahren am Ende der Beschichtungszeit eine variable Pufferzeit/Pufferzone verwendet wird, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen.
Um ein optimales Verhältnis zwischen Außen- und Innenschichtdicke (Umgriffverhalten) bei einem Konstant-U-Verfahren zu erreichen, sollte möglichst mit maximalen Applikationsspannungen gearbeitet werden, da sich das Umgriffverhalten mit Erhöhung der Spannung verbessert. Dies ist aber in vielen Fällen nicht möglich, da bei zu hohen Spannungen gerade am Anfang der Beschichtung ETL-typische Lackstörungen, z. B. lokale Spannungsdurchbrüche, die meist als kleine Pieken (pinholes) sichtbar sind, auftreten können. In den meisten Fällen müssen die Applikationsspannung gesenkt und die Badtemperatur erhöht sowie gegebenenfalls ein Kompromiss zwischen Innen- und Außenschichtdicke eingegangen werden, was zu einem höheren Lackverbrauch führt.
Anstrengungen eine Optimierung durch einen Konstant-Strom(I)-Betrieb zu erreichen, sind schwierig zu realisieren, da gerade der Anfang des Beschichtungsvorgangs sehr dynamisch ist und sich Parameter wie Stromfluss, Schichtwiderstand, Werkstücktemperatur, Nassfilmviskosität sowie Elektrolysevorgänge sehr schnell ändern. Aufgrund der starken Dynamik im Anfangsbereich ist es schwierig, störungsfreie Beschichtungen mit einem Konstant-I-Verfahren zu erhalten. In der DE 10 2006 044 050 A1 wird ein Verfahren zur elektrophoretischen Beschichtung von Werkstücken offenbart, bei dem die Beschichtungsstromdichte während nahezu der gesamten Beschichtungszeit konstant gehalten wird. Dadurch, dass die Beschichtungsstromdichte I während der Beschichtungsdauer konstant gehalten wird, ist die Spannung U anfangs gering und erhöht sich im Laufe der Beschichtung. Aufgrund der anfänglichen geringen Spannung U weisen die Konstant-I-Verfahren jedoch oft ein unzureichendes Umgriffverhalten auf. Vor allem in der Anfangsphase eines Konstant-I-Verfahrens besteht zudem die Gefahr, dass es bei einem kurzzeitigen schlechten bzw. gar keinem elektrischen Kontakt, z. B. beim Aufschwimmen des Werkstücks während des Eintauchens, die Spannung hochgefahren wird und es bei besserem Kontakt infolge der zu hohen (maximalen) Spannung zu massiven Störungen, wie z. B. einer lokal begrenzten Überbeschichtung (Abriss), kommen kann.
Aufgabe
Bei der Elektrotauchlackierung ist das Umgriffverhalten ein wichtiger Parameter, um eine für den Korrosionsschutz ausreichende Lackschichtdicke zu erreichen. Daher besteht die Aufgabe darin, ein Werkstück beschichtet nach einem Beschichtungsverfahren bereitzustellen, bei dem das Umgriffverhalten optimiert worden ist und zudem qualitativ hochwertige und störungsfreie Beschichtungen bei möglichst minimalem Lackverbrauch bereitgestellt werden konnten. Hierbei ist zu beachten, dass oft minimale Innen- und Außenschichtdicken spezifiziert werden.
Lösung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Werkstück beschichtet nach einem Verfahren zur elektrophoretischen Beschichtung von Werkstücken mit einem Elektrotauchlack, wobei das in den Elektrotauchlack eingetauchte Werkstück als eine Elektrode eines gleichgerichteten Stromkreises fungierte, wobei

–I) in einem Konstant- U-Bereich I) mindestens einmal die an das eingetauchte Werkstück angelegte Abscheidespannung vorgegeben worden ist und anschließend
–) in einem Konstant- III-Bereich II) nach einem Moduswechsel mindestens einmal die Abscheidestromstärke für die Beschichtung vorgegeben worden ist.

Der Bereich I) wird als Konstant-U-Bereich bezeichnet, wobei in diesem Bereich mindestens einmal eine Vorgabe für die Abscheidespannung für die Beschichtung auf dem erfindungsgemäßen Werkstück existiert hat. Diese Abscheidespannung konnte innerhalb dieses Bereiches auch variieren. Dabei wurde jede der vorgegebenen Abscheidespannungen bevorzugt für mindestens 10 Sekunden konstant gehalten. Innerhalb des Konstant-U-Bereiches I) konnte die Abscheidespannung für verschieden Phasen einen anderen konstanten Wert annehmen. Dabei konnte diese Spannung linear, nichtlinear, rampenförmig oder stufenweise zwischen den verschiedenen Phasen angepasst werden. So konnte der Konstant-U-Bereich vorzugsweise mehrere Phasen mit vorgegebener konstanter Spannung enthalten, wobei die Spannung von Phase zu Phase bevorzugt stufenweise erhöht wurde. In einer Durchlaufanlage (siehe ) konnten so bevorzugt für verschiedene gleichgerichtete Spannungs-/Stromquellen (Gleichrichter) unterschiedliche Abscheidespannungen vorgegeben worden sein, die bevorzugt von Gleichrichter zu Gleichrichter innerhalb des Konstant-U-Bereiches stufenweise erhöht wurden. Besonders bevorzugt bestand der Konstant-U-Bereich I) jedoch aus einer einzigen Konstant-U-Phase mit einer vorgegebenen Abscheidespannung, die in der gesamten Phase und damit über den gesamten Bereich I) konstant gehalten wurde.
Bevorzugt entsprach die gewünschte Abscheidespannung 50 bis 95% der kritischen Abscheidespannung Uc, bei der gerade noch keine Beschichtungsstörungen aufgetreten sind. Ab einer kritischen Abscheidespannung Uc sind in Abhängigkeit von verschieden Faktoren, wie dem Material des Werkstückes oder dem Beschichtungsmittel, Beschichtungsstörungen wie Krater aufgetreten. Mittels Testreihen ließ sich die kritische Abscheidespannung Uc für das jeweilige Beschichtungssystem ermitteln.
Der Bereich II) wird als Konstant-I-Bereich bezeichnet, wobei in diesem Bereich mindestens eine Vorgabe für die Stromstärke für die Beschichtung existiert hat. Diese Abscheidestromstärke konnte jedoch innerhalb dieses Bereiches auch variieren. Innerhalb des Konstant-I-Bereiches konnte die Stromstärke für verschieden Phasen einen anderen konstanten Wert annehmen, wobei jede vorgegebene Stromstärke vorzugsweise mindestens für 10 Sekunden konstant gehalten worden ist. Dabei konnte die Stromstärke linear, nichtlinear, rampenförmig oder stufenweise zwischen den verschiedenen Phasen angepasst worden sein. Bevorzugt hat der Konstant-I-Bereich II) jedoch aus einer einzigen Konstant-I-Phase mit einer vorgegebenen Stromstärke bestanden, die in der gesamten Phase und damit über den gesamten Bereich II) konstant gehalten worden ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück beschichtet nach dem Verfahren wurde ein kombiniertes Konstant-U/Konstant-I-Verfahren angewendet, wobei zwischen den beiden Bereichen I) und II) mindestens ein, vorzugsweise ein Moduswechsel erfolgt ist. Dabei wurde die bei der Beschichtung sehr dynamische, bezüglich Schichtwiderstand und Stromfluss schnellen Veränderungen unterliegende erste Phase im Konstant-U-Modus durchlaufen. Nach einer variablen Zeit wurde dann auf Konstant-I-Modus umgeschaltet, wobei dann die Abscheidestromstärke vorzugsweise bis zum Ende der Beschichtungszeit konstant gehalten wurde und deshalb die Abscheidespannung in Folge der Erhöhung des Schichtwiderstandes sich kontinuierlich erhöht hat.
Auf einem Werkstück beschichtet durch ein Verfahren konnten beschichtete Werkstücke erzielt werden, die hochwertig und störungsfrei sind und außerdem einen hervorragenden Umgriff aufweisen. Der für ETL-typische Störungen empfindliche erste Abschnitt der Beschichtungszeit wurde in diesem Verfahren im Konstant-U-Modus sicher durchlaufen und nach Ausbildung von ausreichendem Schichtwiderstand wurde das Beschichtungsergebnis im Konstant-I-Modus weiter optimiert, da hierbei die benötigte Spannung automatisch nachgeführt wurde und somit in der Regel höhere Abscheidespannungen als im vorherigen Konstant-U-Modus erzielt worden sind.
Dabei war die Beschichtungszeit diejenige Zeit, in der aufgrund des elektrophoretischen Verfahrens Beschichtungsmittel auf dem Werkstück abgeschieden wurde, bzw. die Zeit, in der Strom an das eingetauchte Werkstück angelegt war. Bevorzugt hat die Beschichtungszeit zwischen 150 Sekunden und 300 Sekunden betragen. Eingetaucht bedeutete in diesem Zusammenhang, dass mindestens ein Teil des Werkstückes in das Bad eingetaucht war und daher ein Stromkreis geschlossen werden konnte. Das Werkstück konnte bei Beschichtungsbeginn und -ende schrittweise oder kontinuierlich eingetaucht werden bzw. schrittweise oder kontinuierlich herausgenommen werden. Bevorzugt wurde die Beschichtungszeit beendet bevor das Werkstück aus dem Bad herausgenommen wurde. Besonders bevorzugt war das eingetauchte Werkstück während der gesamten Beschichtungszeit vollständig in das Bad eingetaucht.
Die Umschaltung vom Konstant-U-Modus zum Konstant-I-Modus erfolgte nach einer variablen Zeit. Dabei sollte der Zeitanteil des Konstant-U-Bereiches I) an der Beschichtungszeit vorzugsweise nicht weniger als 10% betragen. Vorzugsweise betrug der Konstant-U-Bereich I) zwischen 10 und 80%, bevorzugt zwischen 15 und 50% der Beschichtungszeit.
Ab wann vom Konstant-U-Modus auf den Konstant-I-Modus umgeschaltet werden konnte, konnte anhand der nachlassenden Abscheidedynamik bestimmt werden. Sobald in einem Bereich konstanter Spannung die Veränderung der Stromstärke pro Zeit nur noch einen geringen Wert ΔI aufgewiesen hat, konnte auf den Konstant-I-Modus umgestellt werden. Bevorzugt wurde der Moduswechsel durchgeführt, sobald die Abscheidestromstärke sich weniger als 10% pro 10 Sekunden, besonders bevorzugt weniger als 5% pro 10 Sekunden geändert hat.
Nach dem Moduswechsel konnte der fließende Strom konstant bei dem Wert gehalten werden, der am Ende des Konstant-U-Bereiches vorgegeben war, oder aber auf einen anderen Wert variiert werden. Dabei konnte die Abscheidespannung einen höheren oder niedrigeren Wert als zum Ende des Konstant-U-Bereiches annehmen, wobei der Wert vorzugsweise mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% des Wertes zum Ende des vorherigen Konstant-U-Bereiches war. Durch die weitere Abscheidung war der Schichtwiderstand angestiegen, weshalb die Abscheidespannung sich aufgrund der konstanten Abscheidestromstärke kontinuierlich erhöht hat. Bevorzugt wurde die Abscheidestromstärke während der Konstant-I-Bereichs so ausgewählt, dass über die Beschichtungszeit eine vorher bestimmte Ladungsmenge pro Fläche des Werkstückes geflossen war. Die Schichtdicke der abgeschiedenen Beschichtung hing direkt proportional mit der geflossenen Ladungsmenge zusammen. Je mehr Ladung geflossen war, desto grösser war die Schichtdicke. Durch Bestimmung der geflossenen Ladungsmenge während der vorhergehenden Beschichtungszeit konnte errechnet werden, welche Abscheidestromstärke bzw. Abscheidestromstärken für welche Zeit während des Konstant-I-Bereichs II) vorzugeben war bzw. waren, damit über die Beschichtungszeit eine vorherbestimmte Ladungsmenge pro Fläche geflossen war. Bevorzugt wurde eine Abscheidestromstärke für den gesamten Bereich II) so vorgegeben, dass über die gesamte Beschichtungszeit eine vorherbestimmte Ladungsmenge pro Fläche geflossenen war.
Die im Bereich II) vorherrschende Abscheidespannung ergab sich daraus, dass die eine Gleichstromquelle oder mehrere Gleichstromquellen, die für die Aufrechterhaltung der vorgegebenen Abscheidestromstärke notwendige Spannung zur Verfügung stellen mussten. Die für den Bereich II) vorgegebene Abscheidestromstärke sollte vorzugsweise 80% des Wertes der Abscheidestromstärke aus Bereich I) unmittelbar vor dem Moduswechsel nicht unterschreiten.
Bezüglich der vorteilhaften Einstellung der Abscheidespannungen im Konstant-U-Bereich und der vorteilhaften Einstellung der Abscheidestromstärke im Konstant-I-Bereich konnte der Fachmann den Zeitanteil der einzelnen Bereiche entsprechend einstellen, damit alle Vorteile gewahrt blieben. So wusste der Fachmann, dass er den Zeitanteil des Konstant-U-Bereiches erhöhen und den Zeitanteil des Konstant-I-Bereiches verringern konnte, um im Konstant-I-Bereich eine hohe Abscheidestromstärke für die Einhaltung einer vorgegebenen Ladungsmenge pro Fläche zu gewährleisten.
In der vorteilhaften Ausführung mit einer vorgegebenen Ladungsmenge pro Fläche hat die Möglichkeit bestanden, die prozessbedingten Schichtdickenunterschiede, wie sie z. B. durch Schwankungen der Badtemperatur entstehen, auszugleichen. Durch die Messung der ausgetauschten Ladungsmenge bis zum Moduswechsel konnte die noch fehlende Ladung zum Sollwert durch Einstellen einer entsprechenden Abscheidestromstärke über die restliche Beschichtungszeit ausgetauscht werden. So konnte jedes Werkstück mit der gleichen Lackmenge beschichtet werden und damit wurde der Lackverbrauch minimiert. Prinzipiell konnten auch Werkstücke bei den herkömmlichen Verfahren mit konstanter Ladungsmenge beschichtet werden, indem nach Erreichen der Sollladungsmenge der Strom abgeschaltet wurde. Allerdings hat man in diesem Fall für optimalen Umgriff wichtige Beschichtungszeit verschwendet und zudem musste eine Pufferzeit/Pufferzone im Verfahren eingeplant werden.
Somit wurde gewährleistet, dass ein Werkstück beschichtet nach einem Verfahren bei einer fixierten Beschichtungszeit mit einem konstanten Austausch der Ladungsmenge pro Fläche immer die gleiche Schichtdicke erreicht worden ist, auch wenn unterschiedlich große Werkstücke verwendet wurden. Durch die fixierte Beschichtungszeit mit einer konstanten ausgetauschten Ladungsmenge ist die Notwendigkeit einer Pufferzone entfallen, um eine gleichbleibende Schichtdicke und Güte der Beschichtung zu erhalten. In einer Beschichtungsanlage hat sich somit gegenüber einem Werkstück, welches nach einem herkömmlichen Verfahren beschichtet wurde ein Zeitvorteil ergeben, eine Optimierung hinsichtlich der Materialaufwandes und der Badgröße, und somit sowohl ein ökologischer als auch ökonomischer Vorteil, wobei diese Vorteile vor allem in einer Durchlaufbeschichtungsanlage zum Tragen kommen.
Vorzugsweise hat der Konstant-I-Bereich II) zwischen 10% und 85%, bevorzugt zwischen 40% und 80% der Beschichtungszeit betragen.
Neben den Bereichen I) und II) sind in dem Verfahren mit dem ein Werkstück beschichtet worden ist noch weitere Bereiche enthalten, nämlich zwischen und nach den Bereichen I) und II). Bevorzugt hat das Verfahren für die Beschichtung eines Werkstücks mit einem Anfangsbereich begonnen, indem die Abscheidespannung für die Beschichtung auf eine vorgegebene Spannung erhöht worden ist, wobei diese Spannung vorzugsweise die zu Anfang des Bereiches I) vorgegeben Abscheidespannung war. Wurde zu Beginn der Beschichtungszeit eine ansteigende Abscheidespannung gewählt, so erfolgte dieser Anstieg vorzugsweise linear, nichtlinear, rampenförmig oder stufenweise und bevorzugt von 0 V bis auf die erwünschte Abscheidespannung für den Anfang des Konstant-U-Modus. Besonders bevorzugt wurde ein linearer Anstieg von 0 V bis auf die bevorzugte Abscheidespannung für den Bereich I) verwendet. Vorzugsweise hat der Anstieg der Abscheidespannung zwischen 1% und 15%, bevorzugt zwischen 5% und 10% der Beschichtungszeit, bzw. bevorzugt 1 Sekunden bis 60 Sekunden, besonders bevorzugt 5 Sekunden bis 30 Sekunden betragen.
Der Vorteil eines Anfangsbereichs mit einer Erhöhung der Spannung hat darin gelegen, dass durch Variation der Dauer des bevorzugt linearen Anstiegs der Spannung und Größe der Abscheidespannung starke Stromspitzen und ETL-typische Störungen, wie Krater oder Pieken (pinholes), besser vermieden werden konnten.
Somit ist ein Werkstück beschichtet nach einem Verfahren zur elektrophoretischen Beschichtung von Werkstücken mit einem Elektrotauchlack bevorzugt, wobei

– in einer Anfangsbereich die Abscheidespannung bevorzugt linear von vorzugsweise 0 V auf eine vorgegebene Abscheidespannung erhöht wurde,
– I) in einem Konstant-U-Bereich I) mindestens einmal die an das eingetauchte Werkstück angelegte Abscheidespannung vorgegeben worden ist und anschließend
– II) in einem Konstant-I-Bereich II) nach einem Moduswechsel mindestens einmal die Abscheidestromstärke für die Beschichtung vorgegeben worden ist.

Besonders bevorzugt ist ein Werkstück beschichtet nach einem Verfahren, welches aus diesen drei Bereichen bestand, wobei auch die oben genannten Ausgestaltungen der einzelnen Bereiche vorteilhaft und bevorzugt waren.
Bei diesem Werkstück beschichtet nach einem Verfahren kann das eingetauchte Werkstück sowohl als Anode (anodische Elektrotauchlackierung (ATL)) oder auch als Kathode (kathodische Elektrotauchlackierung (KTL)) fungieren. Bevorzugt wurde das Werkstück beschichtet nach dem Verfahren der kathodischen Elektrotauchlackierung (KTL) hergestellt.
Dieses Werkstück beschichtet nach dem Verfahren konnte mit allen Beschichtungsmittelzusammensetzungen eingesetzt werden, die elektrophoretisch abgeschieden werden können. Somit konnte das Werkstück nach einem Verfahren sowohl für anodisch, als auch kathodisch abscheidbaren Beschichtungsmittelzusammensetzungen beschichtet werden. Bevorzugt wurde das Werkstück nach einem Verfahren zur Abscheidung von kathodisch abscheidbaren Beschichtungsmittelzusammensetzungen beschichtet. Ganz besonders bevorzugt wurde dabei eine Beschichtungsmittelzusammensetzung verwendet, die ein aminmodifiziertes Epoxidharz und vorzugsweise zusätzlich ein blockiertes Polyisocyanat enthalten hat. Die kathodisch abscheidbaren Beschichtungsmittelzusammensetzungen, enthaltend ein aminmodifiziertes Epoxidharz und vorzugsweise zusätzlich ein blockiertes Polyisocyanat, sind in Verbindung mit dem beschriebenen Werkstück beschichtet nach dem Verfahren durch einen optimalen Umgriff besonders für einen hervorragenden Korrosionsschutz und eine sehr gute Haftung der Beschichtung am Werkstück geeignet.
Als Werkstücke können alle leitenden Substrate verwendet werden, die für eine Elektrotauchlackierung geeignet sind. Vorzugsweise werden Substrate aus Eisen, Stahl, Aluminium oder Magnesium verwendet. Besonders bevorzugt sind unvorbehandelte oder vorbehandelte, vorzugsweise verzinkte Stahlbleche. Bei dem Werkstück handelt es sich vorzugsweise um Autokarosserien oder Teilen davon.
Ein Werkstück beschichtet nach diesem Verfahren kann in sämtlichen Taktanlagen und Durchlaufbeschichtungsanlagen hergestellt werden. Vorteilhaft ist vor allem die Herstellung eines Werkstücks unter Verwendung des Verfahrens in einer Durchlaufbeschichtungsanlage, da hier die Vorteile des kombinierten Konstant-U/Konstant-I-Verfahrens besonders hervortreten. Besonders bevorzugt wurde das Werkstück beschichtet nach einem Verfahren in kathodengesteuerte Anlagen hergestellt, bei denen das elektrisches Potential am zu beschichtenden Objekt angelegt worden ist und für jedes Werkstück im Becken eine separat steuerbare gleichgerichtete Spannungs-/Stromquelle (Gleichrichter) zur Verfügung gestanden hat.
Gegenstand sind die nach den oben beschriebenen Verfahren beschichteten Werkstücke, bei denen es sich vorzugsweise um Autokarosserien oder Teilen davon handelt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Abbildungen und der Beispiele näher erläutert. Es zeigen:
Abbildungen:
: Eine schematische Darstellung einer Durchlaufbeschichtungsanlage geeignet zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstücks beschichtet nach dem Verfahren.
Bei der in dargestellten Durchlaufbeschichtungsanlage wurde das elektrische Potenzial an das zu beschichtende Objekt angelegt. Für jedes Werkstück im Becken hat eine separat steuerbare gleichgerichtete Spannungs-/Stromquelle (Gleichrichter) zur Verfügung gestanden.
: Eine Beschichtungsapparatur zur Untersuchung des Umgriffverhaltens.
gibt eine schematische Darstellung einer Beschichtungsapparatur wieder, die zur Untersuchung des Umgriffverhaltens verwendet wird (analog der FORD-Methode oder VDA 621-180), in diesem Fall für eine kathodische Elektrotauchlackierung. In einem mit einem Elektrotauchlack gefüllten und mit Rührer ausgestatteten Behälter wird ein Simulationskörper bestehend aus zwei parallel im Abstand von 5 Millimeter angeordneten, elektrolytisch verzinkten Stahlblechen eingetaucht. Die beiden Stahlbleche werden am äußeren Rand mit einem Verbindungsstück auf Abstand gehalten, so dass sich im Inneren zwischen den Stahlblechen ein Hohlraum bildet. Durch Anlegen eines Gleichstroms, wobei in diesem Fall der Simulationskörper als Kathode fungiert, wird auf dem Simulationskörper der Elektrotauchlack abgeschieden. Während der Beschichtung kann nur von unten ”frischer” Elektrotauchlack in den Hohlraum gelangen.
: Verlauf der Spannung und der Stromstärke bei der Beschichtung eines Werkstücks im Vergleichsversuch A
: Verlauf der Spannung und der Stromstärke bei der Beschichtung eines Werkstücks im erfindungsgemäßen Versuch B
und zeigen jeweils den Strom- und Spannungsverlauf während der Elektrotauchlackierung in den Versuch A und B.
: Vergleich der Schichtdicken auf den Werkstücken aus den Versuchen A und B
In ist der Vergleich der Schichtdicken auf den Werkstücken aus den Versuchen A und B dargestellt, wobei die Schichtdicke bei 0 cm der Schichtdicke auf den Prüfblechen an der unteren Öffnung aus den Umgriffsversuchen entspricht. Reichweite gibt dabei die Eindringtiefe der erfolgten Beschichtung in den Hohlraum zwischen den Prüfblechen bzw. den Abstand zur unteren Kante des Prüfbleches an.
: Verteilung der Gesamtladungsmenge auf den Beschichtungsprozess
Dargestellt ist die Verteilung der vorher bestimmten Gesamt-Ladungsmenge Q0-180sec auf die beiden Bereiche Konstant-U-Modus (Q0-62sec) und Konstant-I-Modus (Q62-180sec). Wenn Q0-62sec variiert, kann im Konstant-I-Modus die Stromstärke I62-180sec so angepasst werden, dass die vorgegebene Gesamt-Ladungsmenge Q0-180sec erreicht wird.
Beispiele:
Herstellung des Elektrotauchlacks I:
Als Bindemittel für den kathodischen Elektrotauchlack wurde ein Reaktionsprodukt aus einem Bisphenol-A-basierten Epoxydharz, Phenol, Bisphenol-A, Diethanolamin und N,N-Dimethylaminopropylamin verwendet. Das Bindemittel wurde mit einem blockierten Polyisocyanat auf Basis von Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) gemischt und in Gegenwart von Ameisensäure in VE-Wasser dispergiert. Die entstandene Bindemittel-Dispersion wurde mit einer Pigmentpaste aus einem Epoxid-Reibharz, einem Aluminiumsilikat-Füllstoff (ASP 200), Russ, Titandioxid (TI-PURE R900) und Bismuthsubnitrat gemischt. Der entstandene Tauchlack hatte einen Festkörpergehalt von 18 Gew.-% und einen Aschegehalt vom Festkörper von 14,5 Gew.-%.
Die Bestimmung des Festkörpergehalts ist erfolgt, indem ca. 1 g Probe in einem Weissblechdeckel eingewogen wurde. Nach Zugabe von ca. 3 ml Butylacetat wurde die Probe im Trockenschrank für 30 Minuten bei 180°C getrocknet, im Exsikkator abgekühlt und dann zurückgewogen. Der Rückstand hat dem Festkörperanteil entsprochen.
Die Bestimmung des Aschegehalts ist erfolgt, indem ca. 2 g Probe in einen Porzellantiegel eingewogen wurden. Bei 180°C für 30 Minuten im Trockenschrank wurde die Probe zunächst getrocknet und anschließend ist die Veraschung der Probe bei 900°C für 30 Minuten im Muffelofen erfolgt. Nach dem Erkalten im Exsikkator wurde der Rückstand der Probe zurückgewogen. Der Rückstand hat dem Aschegehalt entsprochen.
Umgriffsversuch (analog der FORD-Methode oder VDA 621-180):
Für den Umgriffsvergleich wurden Simulationskörper bestehend aus zwei, parallel im Abstand von 5 Millimeter angeordneten, am äusseren Rand mit einem Verbindungsstück verbundenen und so im Inneren einen Hohlraum bildenden, elektrolytisch verzinkten Stahlblechen mit den Maßen 105·300 Millimeter (Gardobond 26S 6800 OG) mit dem kathodischen Elektrotauchlack I beschichtet. Dazu wurde der Elektrotauchlack I in dem Beschichtungsbad gemäß auf eine Badtemperatur von 28°C eingestellt und die Gesamtbeschichtungszeit auf 180 Sekunden festgelegt. Nach der Gesamtbeschichtungszeit wurden die Prüfbleche für 25 Minuten bei 175°C eingebrannt.
Vergleichsversuch A:
Im Vergleichsversuch A wurde ein Werkstück mit einer Beschichtung gemäß dem Standard-Verfahren im Konstant-U-Modus hergestellt. Dabei wurde die Abscheidespannung in den ersten 15 Sekunden linear von 0 V auf 300 V hochgeregelt und anschließend bei einer konstanten Spannung von 300 V bis zum Ende der gesamten Beschichtungszeit von 180 Sekunden beschichtet (siehe ).
Außenschichtdicke [μm]: 17,2
Reichweite [cm]: vollständig beschichtet
Ladung Q [As]: 88,0
Endstrom I [A]: 0,28
Endspannung U [V]: 300
Störungen (Pieken) [n/dm²]: 118 ± 30
Erfindungsgemäßer Versuch B:
Im erfindungsgemäßen Versuch B wurde ein Werkstück mit einer Beschichtung dadurch hergestellt, dass in den ersten 15 Sekunden die Abscheidespannung linear von 0 V auf 240 V hochgeregelt worden ist (Anfangsbereich). Im Anschluss wurde die Abscheidespannung U konstant gehalten (Konstant-U-Bereich). Nach einer Beschichtungszeit von 62 Sekunden ist die Stromstärke auf einen Wert von 0,424 A abgefallen (Änderung von der Stromstärke < 5% pro 10 Sekunden; 1,5 facher Wert des Endstroms aus dem Vergleichsversuch A) und die Stromstärke wurde daraufhin bis zum Ende der Beschichtungszeit von 180 Sekunden konstant bei 0,424 A gehalten (Konstant-I-Bereich) (siehe ).
Außenschichtdicke [μm]: 17,8
Reichweite [cm]: vollständig beschichtet
Ladung Q [As]: 90,2
Endstrom I [A]: 0,42
Stromdichte beim Moduswechsel 4,2 A/m²
Endspannung U [V]: 371
Störungen (Pieken) [n/dm²]: 0
Vergleich der Ergebnisse aus Versuch A und B:
Bezüglich der Schichtdickenverteilung (Außenschichtdicke, Reichweite, Keilausbildung) sind durch den Versuch B mit der kombinierten Konstant-U/Konstant-I-Methode erhaltenen Beschichtungen und die Ergebnisse des Vergleichsversuchs A mit der üblichen Konstant-U-Methode vergleichbar im Ergebnis (siehe ).
Allerdings zeigen die Außenflächen der Prüfbleche aus dem Versuch B keine KTL-typischen Oberflächenstörungen, sogenannte Pieken (pinholes), während die Außenflächen aus dem Vergleichsversuch A starke Störungen aufweisen. Im erfindungsgemäßen Versuch B wird durch Einstellen einer geringeren Anfangsspannung während der Konstant-U-Phase die Bildung von Pieken vermieden, wobei jedoch durch die Umschaltung auf den Konstant-I-Modus und Einhaltung eines gleichen Stromflusses dennoch eine vergleichbare Schichtdickenverteilung erreicht werden kann. Durch das erfindungsgemäße Werkstück beschichtet nach dem Verfahren kann in der gleichen Beschichtungszeit eine vergleichbare gute Schichtdickenverteilung erzielt werden, ohne dass Pieken resultieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0255268 A2 [0004]
DE 102006044050 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

VDA 621-180 [0036]

Claims

Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren zur elektrophoretischen Beschichtung von Werkstücken mit einem Elektrotauchlack, wobei das in den Elektrotauchlack eingetauchte Werkstück als eine Elektrode eines gleichgerichteten Stromkreises fungiert, dadurch gekennzeichnet, dass I) in einem Konstant-U-Bereich I) mindestens einmal die an das eingetauchte Werkstück angelegte Abscheidespannung vorgegeben worden ist und anschliessend II) in einem Konstant-I-Bereich II) nach einem Moduswechsel mindestens einmal die Abscheidestromstärke für die Beschichtung vorgegeben worden ist.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Anfangsbereich vor dem Konstant-U-Bereich die Abscheidespannung erhöht worden ist.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidespannung im Anfangsbereich linear von 0 V auf die für den Anfang des Konstant-U-Bereiches I) vorgegebene Abscheidespannung erhöht worden ist.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidespannung über den gesamten Konstant-I-Bereich I) konstant bei einem Wert gehalten worden ist.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Abscheidestromstärke über den gesamten Konstant-U-Bereich II) konstant bei einem Wert gehalten worden ist.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Moduswechsel zwischen den Bereichen I) und II) erfolgt ist, sobald sich die Abscheidestromstärke im Konstant-U-Bereich I) weniger als 10% pro 10 s geändert hat.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidestromstärke im Konstant-I-Bereich II) so gewählt worden ist, dass die ausgetauschte Ladungsmenge pro Fläche über die Beschichtungszeit einen vorher bestimmten konstanten Wert angenommen hat.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nur aus den drei Bereichen Anfangsbereich, Konstant-I-Bereich I), Konstant-U-Bereich II) bestanden hat.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Konstant-U-Bereich I) zwischen 10% und 80% der Beschichtungszeit und der Konstant-I-Bereich zwischen 10% und 85% der Beschichtungszeit umfasst hat.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verfahren um eine kathodische Elektrotauchlackierung handelt hat.
Werkstück, beschichtet nach einem Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der kathodischen Elektrotauchlackierung eine Beschichtungsmittelzusammensetzung, enthaltend ein aminmodifiziertes Epoxidharz und vorzugsweise zusätzlich ein blockiertes Polyisocyanat, verwendet worden ist.