DE2500075C3 - Verfahren zur Ausbildung von farblosen Überzügen auf Aluminiumoberflächen und Lösung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Ausbildung von farblosen Überzügen auf Aluminiumoberflächen und Lösung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines Überzuges auf einer Aluminiumoberfiäche, wobei
eine saure, wäßrige Lösung mit einem pH-Wert von 3 bis 5, welche aufgelöstes Zirkonium und Fluorid enthält
und frei von sechswertigem Chrom, Ferro- und Ferricyanid und irgendeinem organischen, polymeren
Material ist, auf die Aluminiumoberfiäche aufgebracht wird, sowie eine saure, wäßrige Lösung mit einem
pH-Wert von 3 bis 5 zur Ausbildung eines Überzugs auf einer Aluminiumoberfiäche, weiche aufgelöstes Zirkonium
und Fluorid enthält und frei von sechswertigem Chrom, Ferro- und Fenricyanid und irgendeinem
organischen, polymeren Material ist.
Das erfindungsgevnäße Verfahren dient der Herstellung
von korrosionsfesten Überzügen auf Aluminiumoberflächen, an welchen darüherliegende Überzüge
bzw. Beschichtungen, ζ. B. aus Farben, Lacken und Anstrichen gebildete Beschichtungen, ausgezeichnet
haften, wobei sie unter Verwendung von wäßrigen Überzugslösungen gebildet werden können, die frei von
toxischen Materialien wie Chromaten und Ferricyanid sind.
Es ist bereits bekannt, Aluminiumoberflächen mit wäßrigen Überzugslösungen zu behandeln, die bei der
Ausbildung von Überzügen, welche korrosionsfest sind (und dadurch die Oberfläche vor einer Beschädigung als
Folge des Angriffs durch korrodierende Materialien schützen), auf der Oberfläche wirksam sind. Im
allgemeinen sollen aus solchen Lösungen gebildete Überzüge ebenfalls Eigenschaften besitzen, daß anschließend
aufgebrachte, dekorative oder funktionell Überzüge bzw. Beschichtungen (welche aus Materialien
wie Farben, Lacken und Anstrichmitteln gebildet werden und als »trocknende Überzüge« bezeichnet
werden) dicht und fest auf dem Grundüberzug haften.
Ein Beispiel für einen Beschichtungsvorgang auf Aluminium und ein Beispiel, bei welchem die Erfindung
besonders gut anwendbar ist, ist das Überziehen von Aluminiumdosen. Im allgemeinen sollen die korrosionsfesten
und haftenden Überzüge, welche auf Aluminiumdosen aufgebracht werden, auch gleichförmig klar und
farblos sein, so daß die überzogenen Dosen ein glänzendes, scheinendes, natürliches Aussehen des
darunterliegenden Aluminiums aufweisen, wobei dies im Endprodukt erwünscht ist, obwohl Teile der Dose mit
farbigen Anstrichen oder Lacken bedeckt sein können. Ferner sollen die mit einem Überzug versehenen
bo Aluminiumdosen einer Verfärbung widerstehen, wenn
sie mäßig heißem Wasser ausgesetzt werden, z. B. Wasser mit einer Temperatur im Bereich von 60,50C bis
770C. Zum Verständnis sei darauf hingewiesen, daß Aluminiumdosen bei bestimmten Anwendungen auf
bi diese Weise behandelt werden, wobei ein solcher
Arbeitsvorgang in der Konservenindustrie irn allgemeinen als »Pasteurisierung« bezeichnet wird, und daß bei
dieser Behandlung die Neigung besteht, daß nicht mit
einem Oberzug versehene oder sogar mit einem Überzug versehene Aluminiumoberflächen schwarz
werden oder sich in anderer Weise verfärben, wodurch eine Dose mit einem nicht attraktiven Aussehen
erhalten wird. Wenn im folgenden der Ausdruck »Korrosionsfestigkeit« in Verbindung mit Überzügen
für Aluminiumdosen verwendet wird, umfaßt dieser Ausdruck im allgemeinen auch die Eigenschaft der
überzogenen Oberfläche, einem Schwarzwerden oder einer anderen Verfärbung zu widerstehen, wenn sie
einer Heißwasserbehandlung ausgesetzt wird.
Es sind derzeit Überzugslösungen erhältlich, welche auf Aluminiumoberflächen gleichförmig klare und
farblose Überzüge bilden. Eine dieser am meisten angewandten Überzugslösungen enthält Chromsäure,
Phosphorsäure und Fluorwasserstoffsäure. Obwohl es mit einer solchen Überzugslösung tatsächlich möglich
ist, Überzüge des gewünschten Typs herzustellen, sind bei ihrer Verwendung schwierige Probleme der
Abfallbeseitigung gegeben, da hierin sechswertiges Chrom enthalten ist, ein sehr toxisches Material. Es
wäre von großem Vorteil für die Dosenindustrie, über Überzugslösungen zu verfugen, welche kein sechswertiges
Chrom enthalten oder auch keine anderen toxischen Materialien wie Ferro- oder Ferricyanid und Salze von
Mangan, Kobalt, Eisen und Nickel oder irgendein Übergangselement von Vanadium bis einschließlich
Kupfer enthalten.
Zwar sind aus der US-Patentschrift 36 82 713 Lösungen zur Herstellung von Überzügen unter
anderem auch auf Aluminium bekannt, wobei diese Zirkonium und Fluorid und Kobalt enthalten, diese
vorbekannten Überzugslösungen enthalten jedoch immer ein Oxidationsmittel, nämlich m-Nitrobenzolsulfonat.
Wie weiterhin in dieser US-Patentschrift ausgeführt, sind die hiermit erhaltenen Überzüge auf
Aluminium matt-hellgrau bis gelb-irisierend. Wie sich aus dem folgenden Vergleichsversuch 9a ergibt, lassen
sich zwar auch mit den bei dem vorbekannten Verfahren verwendeten Lösungen farblose and klare
Überzüge herstellen, die bei einem späteren Pasteurisieren nicht schwarz werden, jedoch muß die Lösung dann
Kobaltionen enthalten, d. h. ein Metall, das bei den erfindungsgemäßen Lösungen vermieden werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer wäßrigen Überzugslösung, die frei von sechswertigem
Chrom und anderen toxischen Materialien ist und die auf einer Aluminiumoberfläche einen gleichförmig
klaren und farblosen Überzug zu bilden vermag, der korrosionsfest ist und ausgezeichnet an später aufgetra- so
genen, trocknenden Überzügen bzw. Beschichtungen haftet, sowie die Bereitstellung eines Überzugsverfahrens
unter Verwendung einer solchen Lösung.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung eines Überzuges der
zuvor beschriebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf die Aluminiumoberfläche zur Ausbildung
eines gleichförmig klären und farblosen, gegenüber Schwarzwerden bei Behandlung von 2 Minuten Dauer
in siedendem Wasser beständigen und praktisch bo unsichtbaren Überzuges auf einer glänzenden, scheinenden
Aluminiumoberfläche eine wäßrige Lösung aufgebracht wird, die wenigstens 3 ppm aufgelöstes Zirkonium
und Fluorid in einer Menge von wenigstens 5 ppm, jedoch nicht in einer Menge, die eine sichtbare Ätzung
hervorruft, sowie wenigstens 10 ppm aufgelöstes Bor enthält und frei von den Übergangselementen Vanadium
bis einschließlich Kupfer ist.
Die erfindungsgemäBe, saure, wäßrige Lösung der zuvor genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Lösung wenigstens 3 ppm aufgelöstes Zirkonium und Fluorid in einer Menge von wenigstens 5 ppm,
jedoch nicht in einer Menge, die eine sichtbare Ätzung auf der Aluminiumoberfläche hervorruft, sowie wenigstens
10 ppm aufgelöstes Bor enthält und frei von den Übergangselementen Vanadium bis einschließlich Kupfer
ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Überziehen der Oberfläche von reinem Aluminium oder von
Alumiriiumlegiemngen verwendet werden, z. B. von
Aluminiumlegierungen, die kleinere Mengen von Stoffen wie Magnesium, Mangan, Kupfer und Silizium
enthalten. Zwei der derzeit gebräuchlichsten Legierungen, die in der Aluminiumdosenindustrie verwendet
werden, sind die Aluminiuiulegierungen 3003 und 3004,
d. h. Al, 1,2% Mn, Rest Verunreinigungen bzw. Al, 1,2%
Mn, 1,0% Mg, Rest Verunreinigungen.
Wie bereits zuvor beschrieben, gibt es Bedingungen, unter denen eine Aluminiumoberfläche, welche anfänglich
glänzend und scheinend aussieht, die Neigung zum Dunkelwerden oder zum Schwarzwerden besitzt,
typischerweise wenn sie heißem Wasser ausgesetzt wird. Dies kann wie folgt erklärt werden: Aluminium ist
im allgemeinen mit einem dünnen, kontinuierlichen Schutzfilm von AI2O3 bedeckt, der üblicherweise als
»Barrierefilm« bezeichnet wird. Wenn jedoch Aluminium in Wasser eingetaucht wird, wird die äußere
Oberfläche des AI2O3-Filmes zu den verschiedenen
Hydroxiden hydroxyliert. Während der Anfangsstufen wird ein dichter, protonierter Film von AIOOH auf der
äußeren Oberfläche des Al2O3-BarrierefiImes gebildet,
der immer noch fest an dem Aluminiummetall haften bleibt, und zwar nach folgender Reaktion:
AI2O3 + H2O - 2A1OOH
Während der Reaktion wandern Al3+-Ionen aus dem
darunterliegenden Metall durch den Al2O3-Film als
Folge des Potentialgradienten und des Konzentrationsgradienten von Ionen, und die Al3+-Ionen nehmen
OH --Ionen an der Al2O3/H2O-Grenzfläche auf, was zur
Bildung von weiterem AlOOH nach folgender Reaktionsgleichung führt:
Al3+ + 3OH-- AlOOH + H2O
wobei das auf diese Weise gebildete AlOOH ein Teil des dichten AIOOH-Filmes wird. Zur gleichen Zeit diffundieren
Protonen (H+-Ionen) in dem hydratisierten Oxidfilm nach innen und sie werden durch H +-Ionen aus
dem Elektrolyten ersetzt. Daher kann eine Veränderung des pH-Wertes im Wasser nach oben während der
Reaktion beobachtet werden.
Wenn die Reaktion fortschreitet, wächst der »Oxid«- FiIm in seiner Stärke durch die zuvor genannte
Ionenwanderung. Jedoch erreicht der dichte, protonierte »Oxid«-Film (AI2O3/AIOOH) eine Grenzstärke
(Gleichgewichtszustand), wobei die Diffusionsrate von aktivem H+ und von Al3+-Ionen durch den Film der
Geschwindigkeit der Umwandlung der äußeren Schicht in Al(OH)3 nach der Reaktion:
AlOOH + H2O - Al(OH)3
gleich wird, wenn die Gesamtstärke des Filmes größer wird. Wenn nun mehr AI(OH)3 gebildet wird, wird
11- 'liicklicherweise die Kontinuität des Al(OH)3 mit dem
Oberflächenfilm (AI2O3/AIOOH) gestört, und die äußere
A1(OH)3-Schicht wird kolloidal und porös. Die Reflexion
von Licht durch diesen porösen A1(OH)3-Film gibt der
Oberfläche ihr dunkles oder geschwärztes Aussehen.
Auf diese Weise werden zwei Arten von Überzügen auf einer Aluminiumoberfläche gebildet, wenn sie
heißem Wasser ausgesetzt wird. Ein innerer Oberzug
von AI2O3/AIOOH ist kontinuierlich und dicht. Dieser
Überzug ist korrosionsfest und bildet eine ausgezeichnete Grundlage zur Verankerung einer Farbe oder eines
Lackes. Andererseits ist die äußere Al(Ol 1)3-Schicht aus unregelmäßig orientierten, nur lose miteinander verbundener?
Plättchen zusammengesetzt Diese poröse Schicht besitzt eine schlechte Korrosionsfestigkeit und
schlechte Haftungseigenschaften.
Es wird angenommen, daß die Behandlung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Einführung von
Zirkonium in die Oberflächenschichten des AI(OH)3-Überzuges,
während dieser gebildet wird, ergibt, und daß der so gebildete Komplex irgendwelchen weiteren
Aufbau von A1(OH)3-Schichten verhindert, in erster Linie durch Abblocken der Ionen war derung und damit
Abstoppen einer weiteren Bildung von AlOOH und seiner nachfolgenden Umwandlung zu A1(OH)3.
Man nimmt an, daß in H2O nur (OH)--Ionen ein Teil
der Filmstruktur werden, und daß die Protonen des hydratisierten Filmes nach innen als Folge des
Konzentrationsgradienten und des Potentialgradienten diffundieren, und daß das H+-lon unmittelbar aus dem
Elektrolyt ersetzt wird. Bei den erfindungsgemäßen Lösungen wird jedoch angenommen, daß vier solche
Protonen durch ein einzelnes Zr4+-IOn ersetzt werden,
welches seinerseits die (OH)--Ionenkonzentration an der Oberfläche des Filmes herabsetzt. Wenn das Zr
chemisch an den hydratisierten Aluminiumoxidfilm gebunden wird, wird der Konzentrationsgradient von
Protonen quer über den Film reduziert und damit die Ausbildung von AI(0H)3 verhindert. Dies verbessert
seinerseits die Korrosionsbeständigkeit des Filmes insgesamt. Eine Auger-Elektronenemissionsanalyse von
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Überzügen zeigt die Anwesenheit sowohl von Zirkonium
als auch von Fluor in dem Überzug.
Aus den im folgenden aufgeführten Untersuchungsergebnissen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße
Verfahren die Ausbildung von überzogenen Oberflächen möglich macht, die nicht nur anfänglich gleichförmig
glänzend und scheinend sind, sondern auch so bleiben, selbst wenn die überzogene Aluminiumoberfläche
siedendem Wasser ausgesetzt wird.
Das Zirkonium in den erfindungsgemäßen Überzugslösungen kann aus beinahe jeder wasserlöslichen
Zirkoniumverbindung erhalten werden. Typische Beispiele hierfür sind Zirkoniumnitrat oder -sulfat, Zirkoniumfluorid
oder ein Zirkoniumkomplex wie ein Ammonium- oder Alkalimetallfluorzirkonat. Die Verwendung
von Zirkoniumfluorid (ZrF4) oder einem Fiuozirkonat ist oft vorteilhaft, da es ebenfalls als Quelle des
erforderlichen Fluorids dienen kann. Wie im folgenden noch näher ausgeführt wird, kann die Zirkoniummenge
im allgemeinen von einem unteren Grenzwert von 3 ppm bis zur Löslichkeitsgrenze der Zirkoniumverbindung
in der Lösung reichen. Bei einem Ansatzbad ist der bevorzugte untere Grenzwert jedoch 50 ppm.
Das Fluorid in den erfindungsgemäßen Überzugslösungen kann ebenfalls aus beinahe jeder wasserlöslichen
Fluorverbindung erhalten werden. Typische Beispiele hierfür sind Fluorwasserstoffsäure und ihre Salze (wie
Zirkoniumfluorid) und Komplexe wie ein Ammonium- oder Alkalimetallfluoziikonat. Die Verwendung von
Zirkoniumfluorid oder einem Fiuozirkonat ist im allgemeinen vorteilhaft, da es ebenfalls als Quelle für
Zirkonium dient Wie im folgenden ebenfalls noch gezeigt wird, kann die Fluoridmenge im allgemeinen
von dem unteren Grenzwert von 5 ppm bis zu dem Punkt reichen, bei welchem so viel Fluorid vorhanden
ist, daß ein unerwünschtes Ausmaß des Ätzens der Aluminiumoberfläche auftritt was den Verlust des
glänzenden, scheinenden Aussehen«; der Oberfläche und das Mattwerden hiervon bedingt Bei einem Ansatzbad
ist ein bevorzugter unlerer Grenzwert 75 ppm und ein bevorzugter oberer Grenzwert beträgt 200 ppm, jedoch
können in einem benutzten Bad so hohe Mengen wie 1000 ppm Fluorid ohne Schaden vorliegen.
Die erfindungsgemäßen Überzugslösungen enthalten aufgelöstes Bor.
Das Bor kann geeigneterweise als Borsäure, Boroxid oder ein wasserlösliches Salz von Borsäure, z. B. ein
Ammonium- oder Alkalimetallborat, zugesetzt werden. Wie bereits beschrieben, zeigte die Auger-Elektronenemissionsanalyse
von mittels erfindungsgemäßen Lösungen gebildeten Überzügen die Anwesenheit von
Zirkonium in dem Überzug, und es wurde gefunden, daß die Zirkoniummenge in dem Überzug stark erhöht wird,
wenn die Lösung Bor enthält Beispielsweise zeigte eine Reihe von Testanalysen 20- bis 50fach höhere relative
Zirkoniumintensitätswerte, wenn die Lösung Borsäure enthielt, im Vergleich zu Werten bei der Lösung, die
kein Bor enthielt Die Bormenge in der Lösung kann im allgemeinen von einem unteren Grenzwert von 10 ppm
bis zur Löslichkeitsgrenze der Borverbindung in der Lösung reichen. Normalerweise ergeben jedoch Bormengen
oberhalb von 200 ppm keine proportionalen Verbesserungen der gewünschten Eigenschaften, und
für gute Gesamtergebnisse ist ein bevorzugter, oberer Konzentrationsgrenzwert etwa 125 ppm.
Der pH-Wert der erfindungsgemäßen Lösungen beträgt von 3 bis 5. Falls die Lösung zu sauer ist, wird die
ihr ausgesetzte Aluminiumoberfläche geätzt, und sie besitzt eine grau bis blaue Tönung anstelle des
natürlichen glänzenden und scheinenden Aussehens, das im allgemeinen gewünscht wird. Da eine zu saure
Lösung weiterhin bewirkt, daß eine relativ große Menge an Aluminium aufgelöst wird, werden in diesem Falle
relativ große Mengen an AI(OH)3 auf der Aluminiumoberfläche
gebildet, wobei — wie zuvor beschrieben — angenommen wird, daß AI(OH)3 die Ursache für
schlechte Haftungseigenschaften und ein Schwarzwerden einer Aluminiumoberfläche, nachdem diese siedendem
Wasser ausgesetzt worden ist, sein kann.
Andererseits sollte die Azidität der Lösungen ausreichend hoch sein, daß das Zirkonium in der
Überzugslösung in aufgelöster Form verbleibt. Im allgemeinen wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen
Lösungen einen pH-Wert innerhalb des Bereiches von 3 bis 5 besitzen sollten, damit die Lösung farblose
und klare Überzüge bildet und damit das Zirkonium in aufgelöster Form in der Lösung verbleibt.
Falls der pH-Wert der Überzugslösung eingeregelt werden soll, wird dies besonders bevorzugt durch
Zugabe von Salpetersäure durchgeführt Es können Probleme auftreten, falls eine Säure wie Phosphorsäure
verwendet wird, da diese Säure die Neigung besitzt, Zirkonium aus der Lösung als Zirkoniumphosphat
auszufällen. Darüber hinaus kann die Verwendung von Fluorwasserstoffsäure zur Einregelung des pH-Wertes
ebenfalls zu Problemen führen, da es schwierig ist, die pH-Einstellung mit dieser Substanz zu steuern, und sie
kann die Neigung besitzen, die Aluniiniumoberfläche
anzugreifen und auszuhöhlen. Dennoch kann es vorteilhaft sein, Fluorwasserstoffsäure zu einem bereits
benutzten Bad der IJberzugslösung zum Komplexieren von Aluminium, das während der Überzugsausbildung
aufgelöst wird, hl· uzusctzen. Geeignete Mengen von
HF können zu dic-,i_in Zweck zugesetzt werden, wobei
jedoch die Verwendung von solchen Mengen vermieden wird, welche die Neigung /mn Aushöhlen oder zur
Löcherbildung auf der Aluniiniumoberfläche besitzen. Beispielsweise kann ein bereits benutztes Bad bis zu
1000 ppm oder mehr Fluorid enthalten.
Obwohl unterschiedliche Bereiche an Zirkonium- und Fluoridmengen in der Lösung zuvor genannt wurden,
häng: die tatsächliche, wirksame Menge dieser Materialien von verschiedenen Faktoren wie dem Alter der
Lösung, der Temperatur der Lösung, der Menge an vorhandenem Bor. der Kontaktzeit mit der Aluminiumoberfläche
und der Auftragmethode ab. Line frisch hergestellte Überzugslösung mit einem pH-Wert von
etwa 4. die eine so geringe Menge wie 3 ppm Zirkonium und 5 ppm Fluorid enthält und durch Aufsprühen bei
rela:i\ hohen Temperaturen, z. B. 55 bis 66' C.
aufgetragen wird, kann in wirksamer Weise verwendet werden. Fin Ansatzbad !>,,· den Finsat/ im industriellen
Maßstab soll die Übeizugslösung wenigstens 50 ppm
Zirkonium und wenigstens 75 ppm Fluorid enthalten. Der obere Grenzwert der Menge an Zr wird durch seine
Löslichkeit in dci Lösung bcMimmt. jedoch wird der
obere Grenzwert des ITuorids (einschließlich ITuozirkonalvcrbindungen)
hauptsächlich durch die Menge bestimmt, bei welcher das Fluorid das Ätzen der
Aluminiumobcrfläche bewirkt, welches zur Erzeugung
einer matten und gemusterten Oberfläche führt. Die Konzentration an Fluorid. bei welcher dies auftritt,
hängt son Faktoren wie dem pH-Wert, der Temperatur bei der Anwendung und der Kontaktzeit ab. Im
allgemeinen wird empfohlen, dall die Konzentralion an
Fluorid in dem Ansatzbad nicht größer als etwa 200 ppm ist. wobei die Lösung kein llbergangsclcnicnt
von Vanadium bis einschließlich Kupfer (oder keine beachtliche Meng.; eines derartigen Übergangselcmcntcs)enthäh.
Die Lösung kann aiii die Aluniiniumoberfläche nach
einer beliebigen gceigncH-i. Methode aufgebracht
werden. Vorzugsweise kann die Lösung durch Sprühen aufgetragen werden, jedoch kann die Muniiniumoberfläche
ebenfalls in die Lösung eingetaucht oder nach
Arbeitsweisen des Siiömungsüber/iehens behandelt
werden.
Die Temperatur der IJberzugslösung sollte so sein.
J..!'. .;.,··, Zirkonium chemisch an das Giücr des
hvdraiisiertcn Aluminiumoxid·, gebunden wird. Im
allgemeinen sollte die Temperatur der Lösung oberhalb \on 38 C liegen, obwohl die Lösung vorzugsweise eine
Temperatur von 50 bis bb C besitzt. Temperaturen oberhalb von 71 C führen zur Bildung einer matten.
gemusterten Oberfläche.
Die gewünschten Überzüge können durch Inkontaktl.rmgen
der Ahiminiumoberflächc mit der Überzugslösung
von wenigstens 1) Sekunden Dauer gebildet werden. Im allgemeinen muH die Kontaki/cit um so
langer scm. ic niedriger die Temperatur der Übcrzugslösung
ist. Normalerweise ist es nicht erforderlich, die
Oberfläche mit der I iber/tigsiösuns mehr .ils 1 Minute .
lang in Kontakt zu bringen.
Vor dem Auftrag der Lösung sollle die Aluminiumiibcrflache
gereinigt werden, Geeignete saure oder alkalische Reinigungsmittel können eingesetzt werden.
Nach dem Reinigen sollte die Oberfläche mit Wasser gespült werden. Ebenfalls sollte die Aluminiumoberfläche
nach dem Auftrag der IJberzugslösung mit Wasser gespült werden, einschließlich eines Spülens mit
entionisiertem Wasser, da ein Spülen mit Wasser, das größere Mengen an Metallionen enthält, zu einem
überzug führen kann, der schlechte Haftungseigensehafien
besitzt. Nachdem die überzogene Oberfläche mil Wasser gespült wurde, sollte der Überzug
getrocknet werden. Dies kann in geeigneter Weise in einem Ofen mit Heißluftzwangsumwälzung durchgeführt
werden, obwohl auch andere geeignete Trocknungsmethoden angewandt werden können. Nachdem
der Überzug getrocknet wurde, kann er mit einem trocknenden Fndüberzug versehen werden, falls dies
gewünscht wird. Schließlich können die Dosen, nachdem sie den trocknenden F.ndüberzug erhalten haben,
gegebenenfalls den Pasteurisierbedingungen unterworfen werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
behandelte Dosen sind gegenüber einem Schwarzwerden unter Pasteurisicrungsbedingungen wenigstens
zwei und im allgemeinen 15 Minuten lang beständig.
Wie bereits zuvor beschrieben, scheint es so zu sein,
daß die Behandlung einer Oberfläche mit einer erfindtingsgemäßcn Lösung die Oberfläche derart
modifiziert, daß Zirkonium chemisch an die hydratisiertcn
Aluminiumoxide auf der Oberfläche gebunden wird. Fine Reihe von Untersuchungen hat die Ausbildung von
Überzügen mit einer Stärke innerhalb des Bereiches von 200 bis 750 A und einem Gewicht innerhalb des
Bereiches von 108 bis 376.5 mg/m2 gezeigt, wobei das Zirkonium 5 bis 35 Gcw.-% des Überzuges ausmacht.
Die Frfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert.
Hierzu sei zunächst auf folgendes hingewiesen:
1) Falls nichts anderes angegeben ist. waren die mit
den in den Beispielen angegebenen Lösungen behandelten Aluminiumoberflächen Oberflächen
von gezogenen und gewalzten Dosen, welche zuerst, falls erforderlich, in einem milden, wäßrigen,
alkalischen Reiniger (der 25 Gew.-% Natriumtripo-Ivphosphat. 58 Gew.-% Borax. 4 Gew.-% Natriumglukonat
und als Rest andere grenzflächenaktive Mittel enthielt) entfettet wurden, mit Leitungswasser
gespült wurden.durch Sprühen in einem heißen, wäßrigen Schwefclsäurereiniger gereinigt und
schließlich mit Leitungswasser gespült wurden. Die auf diese Weise gereinigten Dosenoberflächen
besaßen ein glänzendes \ιν.ά scheinendes Aussehen.
2) Nach der Behandlung mit den in den Beispielen angegebenen Lösungen wurden die behandelten
Dosen mit entionisiertem Wasser gespült, und dann in einem Ofen 2 Minuten lang bei 204cC
getrocknet.
3) Die behandelten, gespülten und getrockneten Dosen w urden auf Korrosionsfestigkeit nach einem
üblicherweise angewandten Test untersucht, der in der Dosenindustrie als »Pasteurisiertest« bezeichnet
wird. Dieser bestand darin, daß die Dosen in siedendes Leitungswasser 15 Minuten lang eingetaucht
wurden. Fine lediglich gereinigte Dosenoberfläche, die hierauf einen natürlich gebildeten
AM)1-FiIm besaß, wurde in wenigen Minuten
schwär/. Die Behandlung der Dosenoberflächen mit erfindiingsgemäßen Überzugslösungen ergab
Überzüge, welche bei diesem Test nicht geschwärzt oder sonst verfärbt wurden.
4) Die mit den in den Beispielen beschriebenen Lösungen behandelten Aluminiumdosen wurden
ebenfalls auf die Haftung von Farbe untersucht. Hierzu wurde die überzogene Oberfläche, nachdem
die Dosen wie zuvor beschrieben getrocknet worden waren, mit einer weißen Grundfarbe
modifizierte Acrylfarbe angestrichen und danach in einem Ofen 1 Minute: lang eingebrannt. Die mit
Farbe versehenen Dosen wurden dann in eine siedende l°/oige Deiergenslösung 30 Minuten lang
eingetaucht. Unmittelbar nach dem Herausnehmen der mit Farbe versehenen Dosen aus der
Detergenslösung wurden sie in Wasser gespült und das überschüssige Wasser wurde von der Oberfläche
durch Abwischen entfernt. Die mit Farbe versehenen Dosen wmrden dann kreuzweise geritzt,
mit Klebband abgedeckt und durch rasches Abziehen des Bandes auf Farbhaftung untersucht.
Dieser Test wurde als »ausgezeichnet« eingestuft,
-1Il wenn das Band überhaupt keine Farbe auf der
Oberfläche abzog, ansonsten wurde er als »ungenügend«, »gering« oder »gut« in Abhängigkeit von
der Menge an abgeschälter Farbe eingestuft.
Beispiele I bis 6
In der ersten Gruppe von Beispielen wurden die Dosen mit verschiedenen sauren, wäßrigen Lösungen
behandelt, welche Kaliumfluozirkonat (K2ZrFb) enthielten
und einen pH-Wert, wie er sich aus der folgenden Tabelle I ergibt, besaßen. Borsäure wurde zu einigen der
Lösungen zugesetzt, wie dies ebenfalls aus der Tabelle I ersichtlich ist.
Jede der Dosen wurde mit der geeigneten Überzugslösung für eine Zeitspanne von 45 Sekunden besprüht.
Die Temperaturen der Überzugslösungen sind ebenfalls in der Tabelle I angegeben.
Die Überzugslösungen enthielten weiterhin HNOi in den Mengen, die den Lösungen die angegebenen
pH-Werte erteilten.
Hsp. K2ZrF,, Zr F Borsäure Bor pH
(g/l) (ppm) (ppm) (g/l) (ppm)
Temp.
Lösung
Pasteurisieren
Farbadhiisionstest
1 | 0,1 | 32 | 40 | keine | - | 3.7 | 44 |
2 | 0,1 | 32 | 40 | keine | - | 3,7 | 55 |
3 | 0,1 | 32 | 40 | keine | - | 3,7 | 66 |
4 | 0,1 | 32 | 40 | 1.0 | 180 | 3,8 | 44 |
5 | 0,1 | 32 | 40 | 1,0 | 180 | 3,8 | 55 |
6 | 0,1 | 32 | 40 | 1.0 | 180 | 3.8 | 66 |
schwaches Schwarzwerden sehr schwaches
Schwarzwerden
Schwarzwerden
sehr schwaches
Schwarzwerden
Schwarzwerden
kein Schwarzwerden
kein Schwarzwerden
kein Schwarzwerden
kein Schwarzwerden
kein Schwarzwerden
gering gut
gut
ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet
Die aus in Tabelle I angegebenen Überzugslösungen gebildeten Überzüge waren gleichförmig klar und
farblos, und die überzogenen Oberflächen besaßen ein glänzendes und scheinendes Aussehen. Dies bedeutet,
daß die Überzüge ohne Veränderung des glänzenden und scheinenden Aussehens der Aluminiumoberfläche
gebildet wurden. Aus der Tabelle I ist weiterhin ersichtlich, daß die Verwendung von Kaliumfluozirkonat
in der Menge von 0,1 g/l bei den angegebenen Bedingungen Überzüge ausbildet, welche zum schwachen
Schwarzwerden bei der Durchführung des Pasteurisiertests neigen, siehe Beispiele 1 bis 3.
Andererseits zeigen die Beispiele 4 bis 6, daß die Verwendung von Borsäure zusammen mit 0,1 g/l
Kaliumfluozirkonat Überzüge ergibt, welche nicht schwarz werden und welche bessere Eigenschaften bei
der Farbhaftung besitzen.
Dieses Beispiel zeigt den Einfluß der mehrmaligen Verwendung einer erfindungsgemäßen Überzugslösung
auf den pH-Wert der Lösung. 41 Uberzugslösung, 4"> welche die im folgenden angegebenen Bestandteile
enthielten, wurden bei dieser Untersuchungsreihe angewandt.
Bestandteile
K2ZrF6
H3BO3
KNO3
HNOj(4n)
H3BO3
KNO3
HNOj(4n)
0.4 g/l (Zr = 128 ppm; F
5 0 g/l (B = 900 ppm)
1ΛΛ ™ /I
ι v/.v 5/ ι
0.4 ml/l
160 ppm)
Aluminiumdosen wurden 45 Sekunden mit der oben angegebenen Überzugslösung besprüht, die auf eine
Temperatur von 55° C erwärmt war und hierauf gehalten wurde. Überschüssige Überzugslösung, die
nicht auf den Dosen blieb, wurde aufgefangen und in das Überzugsbad rückgeführt, aus welchem die Lösung
während des Sprühvorganges abgezogen wurde. In dem Bad wurde zur Aufzeichnung des pH-Wertes ein
pH-Monitor angebracht. In der folgenden Tabelle il ist
der pH-Wert des Bades angegeben, nachdem die angegebene Anzahl von Dosen behandelt worden war,
weiterhin sind die Ergebnisse bei der Durchführung des Pasteurisiertests an den Dosen angegeben.
Dosenanzahl
pll
Pasteurisieren
1 | 4,20 |
6 | 4,70 |
10 | 4,90 |
12 | 4,99 |
16 | 5,01 |
22 | 5,20 |
28 | 5,30 |
Bestandteile
K2ZrFt, Borsäure
Kaliumnitrat
kein Schwarzwerden
kein Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
kein Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
schwaches Schwarzwerden
Aus der Tabelle Il ist ersichtlich, daß bei Verwendung r, des Bades der Überzugslösung Wasserstoffionen
verbraucht werden. Wenn der pH-Wert ansteigt, wird das Kaliumfluozirkonat zunehmend ausgefällt, und die
Überzugslösung wird wolkig. Die Ausfällung des Kaliumfluozirkonates setzt die Aktivität der Überzugs- ;»
lösung herab, wobei dann die Neigung zur Bildung von überzogenen Oberflächen besteht, die zum Schwarzwerden
bei der Durchführung des Pasteurisiertests neigen. Dies kann durch Wiederauffrischen der Lösung
mit Fluozirkonat und/oder einer Säure (wie Salpeter- _>·> säure) in solchen Mengen erreicht werden, daß der
pH-Wert auf Werte innerhalb des zuvor genannten Bereiches erniedrigt wird.
Die folgende Überzugslösung wurde zum Überziehen r>
von Aluminiumoberflächen gemäß der Erfindung verwendet.
0,4 g/l (Zr = 128 ppm; F = 160 ppm) 5,0 g/l (B = 900 ppm)
10,0 g/l
Diese Überzugslösung, die einen pH-Wert von 4 besaß, wurde 45 s lang auf die Oberfläche von
Aluminiumdosen bei einer Temperatur von 49°C aufgesprüht. Die Auger-Elektronenemissionsanalyse
der überzogenen Oberfläche zeigte, daß der aus der oben genannten Überzugslösung gebildete Überzug
hauptsächlich Zr, F und AI?Oj und etwas Ca enthielt, das
offensichtlich aus dem Leitungswasser herrührte, mit welchem die Lösung hergestellt worden war, und daß
eine gewisse Kohlenstoffspitze an der Oberfläche vorlag.
Vergleichsversuche la bis 7a
Wie bereits angegeben, wird Borsäure in den erfindungsgemäßen Überzugslnsungen angewandt. Für
Vergleichszwecke zeigen die folgenden Vergleichsversuche die Ergebnisse eines Sprühauftrages von 45
Sekunden Dauer bei 49°C mit einer Behandlungslösung, welche Borsäure und Natriumnitrat, jedoch kein Zirkon
oder Fluorid enthielt, d. h. die nicht gemäß der Erfindung angesetzt war, bei der Behandlung von
Aluminiumdosen, die anschließend den Untersuchungen der Pasteurisierung und der Farbhaftung unterzogen
wurden. Die Menge an hergestellter Behandlungslösung betrug 1 I, und sie enthielt 0,1 mol Borsäure und 0,1 mol
Natriumnitrat. Die Lösung wurde bei verschiedenen pH-Werten, die in der folgenden Tabelle III angegeben
sind, untersucht. Der pH-Wert der ursprünglich angesetzten Lösung betrug 7,2. Anschließend wurde er
durch Zugabe von Salpetersäure in einer Menge, um die in der Tabelle III angegebenen pH-Werte zu erreichen,
variiert.
Vergleichsversuch
pH-Wert Pasteurisiertest
Untersuchung der Farbhaftung
la (Kontrolle) | (ke |
2a | 7,2 |
3a | 7,2 |
4a | 6,2 |
5a | 6,2 |
6a | 3,2 |
7a | 3,2 |
(keine Behandlung) dunkelbraun oder
schwarz
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
schwarz
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
schwach gelb
ungenügend
ungenügend ungenügend ungenügend ungenügend ungenügend ungenügend
Im Hinblick auf die Verwendung einer Behandlungslösung, welche Borsäure und Natriumnitrat enthält, war
es bereits bekannt, daß eine Borsäurelösung zur Bildung eines anodischen Oxidfilmes vom Barriere typ auf
Aluminium durch elektrochemische Reaktionen verwendet werden kann. Ebenfalls wurde bereits vorgeschlagen,
daß eine Borat und Nitrat enthaltende Lösung bei der Steigerung der Korrosionsfähigkeit eines
solchen Filmes wirksam ist, da sie zur Verminderung der Oberfläche in der Kompaktregion des Oxidfilmes
beiträgt, siehe »Some Physical and Dielektric Properties
b5 of Hydrous Alumina Films« von Alwitt, R.S., J.
Electrochem. Soe, VoL 118, S. 1730(1971). Jedoch ist aus
den in Tabelle III angegebenen Untersuchungsergebnissen ersichtlich, daß solche Behandlungslösungen nicht in
der Lage sind, bei Aluminiumoberflächen Oberzüge herzustellen, welche die Korrosionsfestigkeit und die
Farbhaftung besitzen, wie sie bei Verwendung von erfindungssemäßen Überzugslösungen erreicht wird.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die Behandlungslösungen des in der Tabelle III beschriebenen Typs
durch Zugabe von Fluorid (Quelle Ammoniumfluorid,
Claims (11)
1. Verfahren zur Ausbildung eines Oberzuges auf einer Aluminiumoberfiäche, wobei eine saure,
wäßrige Lösung mit einem pH-Wert von 3 bis 5, welche aufgelöstes Zirkonium und Fluorid enthält
und frei von sechswertigem Chrom, Ferro- und Ferricyanid und irgendeinem organischen, polymeren
Material ist, auf die Aluminiumoberfiäche aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Aluminiumoberfiäche zur Ausbildung eines gleichförmig klaren und farblosen,
gegenüber Schwarzwerden bei Behandlung von 2 Minuten Dauer in siedendem Wasser beständigen
und praktisch unsichtbaren Überzuges auf einer glänzenden, scheinenden Aluminiumoberfiäche eine
wäßrige Lösung aufgebracht wird, die wenigstens 3 ppm aufgelöstes Zirkonium und Fluorid in einer
Menge von wenigstens 5 ppm, jedoch nicht in einer Menge, die eine sichtbare Ätzung hervorruft, sowie
wenigstens 10 ppm aufgelöster Bor enthält und frei von den Übergangselementen Vanadium bis einschließlich
Kupfer ist
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung aufgebracht wird, die
wenigstens 50 ppm Zirkonium enthält.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Lösung aufgebracht wird, die 75 bis 200 ppm Fluorid enthält.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Lösung aufgebracht wird, die nicht mehr als 125 ppm Bor enthält.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberzugslösung einer Temperatur von wenigstens
38° C aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überzugslösung einer Temperatur
von 50° C bis 66° C aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoberfiäche
mit der Überzugslösung 15 Sekunden bis 1 Minute lang behandelt wird.
8. Saure, wäßrige Lösung mit einem pH-Wert von 3 bis 5 zur Ausbildung eines Oberzugs auf einer
Aluminiumoberfiäche, weiche aufgelöstes Zirkonium und Fluorid enthält und frei von sechswertigem
Chrom, Ferro- und Ferricyanid und irgendeinem organischen, polymeren Material ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lösung wenigstens 3 ppm aufgelöstes Zirkonium und Fluorid in einer Menge
von wenigstens 5 ppm, jedoch nicht in einer Menge, die eine sichtbare Ätzung auf der Aluminiumoberfiäche
hervorruft, sowie wenigstens 10 ppm aufgelöstes Bor enthält und frei von den Übergangselementen
Vanadium bis einschließlich Kupfer ist
9. Lösung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung wenigstens 50 ppm Zirkonium
enthält.
10. Lösung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung 75 bis
200 ppm Fluorid enthält.
11. Lösung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung nicht mehr als 125 ppm Bor enthält.
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