EP0410497B1 - Verfahren zur passivierenden Nachspülung von Phosphatschichten - Google Patents

Verfahren zur passivierenden Nachspülung von Phosphatschichten Download PDF

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EP0410497B1
EP0410497B1 EP90201689A EP90201689A EP0410497B1 EP 0410497 B1 EP0410497 B1 EP 0410497B1 EP 90201689 A EP90201689 A EP 90201689A EP 90201689 A EP90201689 A EP 90201689A EP 0410497 B1 EP0410497 B1 EP 0410497B1
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EP
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rinsing
aqueous solutions
rinsed
metal surfaces
passivating
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Dieter Hauffe
Thomas Kolberg
Gerhard Müller
Horst Dr. Gehmecker
Werner Dr. Rausch
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Chemetall GmbH
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Metallgesellschaft AG
Continentale Parker SA
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/82After-treatment
    • C23C22/83Chemical after-treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D13/00Electrophoretic coating characterised by the process
    • C25D13/20Pretreatment

Definitions

  • the invention relates to a process for the passivating rinsing of phosphate layers on metals, in particular steel, galvanized steel, alloy galvanized steel and aluminum, before painting or applying adhesives using chromium-free, zirconium and fluoride-containing aqueous solutions.
  • the process of phosphating is widely used industrially to prepare metal surfaces for subsequent painting.
  • the phosphate layers generated with this cause u. a. better adhesion of the paint films to the metal, increase the corrosion resistance and inhibit the penetration of paint from damage points in the paint film when exposed to corrosion.
  • the protective properties of the phosphate layers are further improved if they are subjected to an aqueous passivating rinse.
  • the passivating rinsing agents based on hexavalent and / or trivalent chromium offer good application properties.
  • the toxicity of the tri- and especially the hexavalent chromium compounds is disadvantageous.
  • US-A-4376000 describes a chrome-free rinse aid based on polyvinylphenol. However, this must be used in a comparatively high concentration, which causes an undesirable wastewater pollution, in particular due to the high oxygen requirement required for the breakdown.
  • soluble zirconium compounds for the aftertreatment of conversion layers.
  • the rinsing agents contain alkali and ammonium as cations. The presence of alkaline earth metal cations is expressly warned. They are used at a pH of 3 to 8.5. However, these rinsing agents do not reach the quality level of the chrome-containing agents.
  • US-A-3895970 describes acidic, aqueous rinsing agents for phosphate layers based on simple or complex fluorides and names chromium zirconium fluoride and zirconium fluoride from the group of zirconium compounds. With the exception of chrome zirconium fluoride, the products mentioned in this patent only meet moderate requirements. Chromium zirconium fluoride, however, has the disadvantage of toxicity already mentioned above.
  • the object of the invention is to provide a method for passivating rinsing of phosphate layers on metals before painting or applying adhesives, which does not have the disadvantages of the known methods and is characterized by higher corrosion protection and very good paint and adhesive adhesion and the Does not pollute the environment or only to a very small extent.
  • the object is achieved by designing the method of the type mentioned at the outset in accordance with the invention in such a way that the phosphated metal surfaces are rinsed with aqueous solutions, the Al / Zr / F compound with a molar ratio of Al: Zr: F of (0, 15 to 0.67): 1: (5 to 7), the total concentration of Al + Zr + F being 0.1 to 2.0 g / l and the pH adjusted to 3 to 5.
  • the phosphated metal surfaces are rinsed with aqueous solutions whose total concentration of Al + Zr + F is 0.2 to 0.8 g / l.
  • the method according to the invention is suitable for all types of phosphate layers which can be produced on metals, in particular steel, galvanized and alloy-galvanized steel, aluminized steel, zinc, zinc alloys, aluminum and aluminum alloys.
  • metals in particular steel, galvanized and alloy-galvanized steel, aluminized steel, zinc, zinc alloys, aluminum and aluminum alloys.
  • These include zinc phosphate, iron phosphate, manganese phosphate, calcium phosphate, magnesium phosphate, nickel phosphate, cobalt phosphate, zinc iron phosphate, zinc manganese phosphate, zinc calcium phosphate and other layer types with two or more divalent cations.
  • the metal surfaces are expediently rinsed with water before z. B. by dipping, spraying, flooding or rolling according to the inventive method.
  • the rinsing agents used in the process according to the invention can be chemically classified into the group of weakly acidic aluminum fluorozirconates.
  • Their manufacture can e.g. B. done so that metallic zirconium or zirconium carbonate is first dissolved in aqueous hydrofluoric acid, complex fluorozirconic acid being formed. Then metallic aluminum or aluminum hydroxide is introduced and dissolved.
  • the rinsing agents can also be prepared in other ways.
  • the phosphated metal surfaces are rinsed with aqueous solutions which additionally contain at least one of the anions benzoate, caprylate, ethylhexoate, salicylate in a total concentration of 0.05 to 0.5 g / l.
  • aqueous solutions which additionally contain at least one of the anions benzoate, caprylate, ethylhexoate, salicylate in a total concentration of 0.05 to 0.5 g / l.
  • the anions can be introduced via the corresponding acids or salts.
  • the pH of the rinse solutions is preferably adjusted with cations of volatile bases. These include in particular ammonium, ethanolammonium and di- and tri-ethanolammonium.
  • the application of the passivating rinse on the phosphated metal surfaces can be done in dipping, flooding, spraying and wetting, e.g. B. done by roller application. Treatment times are between about 1 sec to 2 min.
  • the application temperature can range from room temperature to about 80 ° C. Temperatures between 20 and 50 ° C are usually preferred. Demineralized or low-salt water is preferably used for the preparation of the rinse baths. Water with a high salt content is less suitable for bathing.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the phosphated metal surfaces are rinsed with deionized water.
  • the method according to the invention is used to prepare the phosphated metal surfaces before painting or applying adhesives. It increases the adhesion of the organic films to the metallic substrate, improves the resistance of the organic films to blistering when exposed to corrosion, and inhibits corrosion penetration from damage points in the film.
  • the method has proven to be particularly advantageous in connection with cathodic electrocoating materials, powder coatings, low-solvent high-solid coatings and with coatings in which water is the main solvent.
  • Fine-crystalline, uniformly covering phosphate layers with a basis weight of 2.5 to 3 g / m 2 were produced on the three metal substrates.
  • the sheets were then rinsed with water and then rinsed passively.
  • the passivating rinsing was carried out by spraying at 30 ° C and 1 min treatment time.
  • the final treatment was a rinse with deionized water.
  • a cathodic electrodeposition primer, a filler and a topcoat were used to paint the sheets. Each layer of paint was baked separately. The total layer thickness was approx. 90 ⁇ m.
  • the rinse aid used in the process according to the invention was prepared by diluting 1.6 g of an aqueous concentrate with 0.855% Al + 8.62% Zr + 10.7% F using deionized water. The pH was then brought to 3.5-4.0 with ammonia. The rinse aid then had the following composition: 0.014 g / l Al + 0.14 g / l Zr + 0.17 g / l F + 0.026 g / l NH3.
  • the individual sample sheets were tested according to the salt spray test according to DIN 50021 SS (1008 h), the filiform test according to ASTM D 2803 (1008 h) and the General Motors Test Method TM 54-26 with 20 cycles (GM-Scab-Test).
  • the paint infiltration was measured in mm.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur passivierenden Nachspülung von Phosphatschichten auf Metallen, insbesondere Stahl, verzinktem Stahl, legierungsverzinktem Stahl und Aluminium, vor der Lackierung bzw. dem Auftrag von Klebern mittels chromfreier, Zirkonium und Fluorid enthaltender wässriger Lösungen.
  • Das Verfahren der Phosphatierung wird in großem Umfang industriell zur Vorbereitung von Metalloberflächen für eine anschließende Lackierung eingesetzt. Die damit erzeugten Phosphatschichten bewirken u. a. eine bessere Haftung der Lackfilme auf dem Metall, erhöhen die Korrosionsbeständigkeit und hemmen die von Beschädigungsstellen im Lackfilm bei Korrosionsbeanspruchung ausgehende Lackunterwanderung. Die Schutzeigenschaften der Phosphatschichten werden weiter verbessert, wenn sie einer wässrigen passivierenden Nachspülung unterzogen werden.
  • Gute anwendungstechnische Eigenschaften bieten die passivierenden Nachspülmittel auf Basis von sechs- und/oder dreiwertigem Chrom. Nachteilig ist jedoch die Toxizität der drei- und insbesondere der sechswertigen Chromverbindungen.
  • In der US-A-4376000 wird ein chromfreies Nachspülmittel auf Basis von Polyvinylphenol beschrieben. Dieses muß aber in vergleichsweise hoher Konzentration angewendet werden, wodurch eine unerwünschte Abwasserbelastung, insbesondere durch den hohen zum Abbau erforderlichen Sauerstoffbedarf, hervorgerufen wird.
  • Aus der US-A-3695942 ist es bekannt, lösliche Zirkonverbindungen zur Nachbehandlung von Konversionsschichten einzusetzen. Die Nachspülmittel enthalten außer Zirkonium als Kationen Alkali und Ammonium. Vor der Anwesenheit von Erdalkalimetallkationen wird ausdrücklich gewarnt. Sie werden bei einem pH-Wert von 3 bis 8,5 eingesetzt. Diese Nachspülmittel erreichen jedoch nicht das Qualitätsniveau der chromhaltigen Mittel.
  • Die US-A-3895970 beschreibt saure, wässrige Nachspülmittel für Phosphatschichten auf Basis von einfachen oder komplexen Fluoriden und nennt aus der Gruppe der Zirkoniumverbindungen Chromzirkonfluorid und Zirkonfluorid. Mit Ausnahme des Chromzirkonfluorides genügen die in dieser Patentschrift genannten Produkte nur mittleren Ansprüchen. Chromzirkonfluorid hat jedoch den bereits oben genannten Nachteil der Toxizität.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur passivierenden Nachspülung von Phosphatschichten auf Metallen vor der Lackierung bzw. dem Auftrag von Klebern bereitzustellen, das die Nachteile der bekannten Verfahren nicht aufweist und sich durch höheren Korrosionsschutz sowie durch sehr gute Lack- und Kleberhaftung auszeichnet und die Umwelt nicht bzw. nur in sehr geringem Ausmaße belastet.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen spült, die Al/Zr/F-Verbindung mit einem Molverhältnis von Al:Zr:F von (0,15 bis 0,67): 1: (5 bis 7) enthalten, wobei die Gesamt-Konzentration von Al + Zr + F 0,1 bis 2,0 g/l beträgt und der pH-Wert auf 3 bis 5 eingestellt ist.
  • Zwar ist es aus EP-A-161 667 bekannt, Metalloberflächen aus Eisen oder Stahl mit Lösungen in Kontakt zu bringen, die Aluminium- und Fluoridionen enthalten und u.a. auch Zirkoniumionen enthalten können. Hierbei handelt es sich jedoch um die Behandlung blanker.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung spült man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen, deren Gesamtkonzentration von Al + Zr + F 0,2 bis 0,8 g/l beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle Phosphatschichttypen, die auf Metallen, insbesondere Stahl, verzinktem und legierungsverzinktem Stahl, aluminiertem Stahl, Zink, Zinklegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen erzeugt werden können. Hierzu zählen u. a. Zinkphosphat, Eisenphosphat, Manganphosphat, Calciumphosphat, Magnesiumphosphat , Nickelphosphat, Cobaltphosphat, Zinkeisenphosphat, Zinkmanganphosphat, Zinkcalciumphosphat und andere Schichttypen mit zwei oder auch mehr zweiwertigen Kationen. Besonders eignet es sich für die Phosphatschichten, die mit Niedrigzink-Phosphatierverfahren mit und ohne Zusatz weiterer Kationen, wie Mn, Ni, Co, Mg, ausgebildet werden.
  • Nach der Phosphatierung werden die Metalloberflächen zweckmäßigerweise mit Wasser gespült, ehe sie z. B. durch Tauchen, Spritzen, Fluten oder Aufwalzen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nachbehandelt werden.
  • Die im erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung kommenden Nachspülmittel können chemisch in die Gruppe der schwach sauren Aluminiumfluorozirkonate eingestuft werden. Ihre Herstellung kann z. B. so erfolgen, daß zunächst metallisches Zirkonium oder Zirkoniumcarbonat in wässriger Flußsäure aufgelöst wird, wobei sich komplexe Fluorozirkonsäure bildet. Dann wird metallisches Aluminium oder Aluminiumhydroxid eingetragen und aufgelöst. Obgleich der beschriebene Herstellweg bevorzugt wird, lassen sich die Nachspülmittel auch auf andere Weise zubereiten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung spült man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen, die zusätzlich mindestens eines der Anionen Benzoat, Caprylat, Ethylhexoat, Salicylat in einer Gesamt-Konzentration von 0,05 bis 0,5 g/l enthalten. Hierdurch wird insbesondere eine weitere Steigerung des Blankkorrosionsschutzes bewirkt. Das Einbringen der Anionen kann über die entsprechenden Säuren bzw. die Salze erfolgen.
  • Die Einstellung des pH-Wertes der Nachspüllösungen geschieht vorzugsweise mit Kationen flüchtiger Basen. Hierzu zählen insbesondere Ammonium, Ethanolammonium sowie Di- und Tri-Ethanolammonium.
  • Die Anwendung der passivierenden Nachspülung auf die phosphatierten Metalloberflächen kann im Tauchen, Fluten, Spritzen und Benetzen, z. B. durch Walzenauftrag erfolgen. Die Behandlungszeiten liegen zwischen etwa 1 sec bis 2 min. Die Anwendungstemperatur kann von Raumtemperatur bis etwa 80°C reichen. Üblicherweise werden Temperaturen zwischen 20 und 50°C bevorzugt. Für den Ansatz der Nachspülbäder wird vorzugsweise vollentsalztes bzw. salzarmes Wasser verwendet. Wässer mit hohem Salzgehalt sind zum Badansatz weniger geeignet.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die phosphatierten Metalloberflächen mit vollentsalztem Wasser nachzuspülen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird als Vorbereitung der phosphatierten Metalloberflächen vor der Lackierung bzw. dem Auftrag von Klebern eingesetzt. Es erhöht die Haftung der organischen Filme auf dem metallischen Untergrund, verbessert die Beständigkeit der organischen Filme gegen Blasenbildung bei Korrosionsbeanspruchung und hemmt die von Beschädigungsstellen im Film ausgehende Korrosionsunterwanderung. Besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren in Verbindung mit kathodischen Elektrotauchlacken, Pulverlacken, lösemittelarmen High-Solid-Lacken und mit Lacken, bei denen Wasser das wesentlichen Lösemittel ist, erwiesen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand des folgenden Beispieles näher und beispielsweise erläutert.
  • Beispiel
  • Entfettete Bleche aus Stahl, elektrolytisch verzinktem Stahl und AlMgSi wurden mit einem manganmodifizierten Niedrigzink-Phosphatierverfahren 2 min bei 55°C im Spritzen behandelt. Die Phosphatierlösung hatte folgende Zusammensetzung:
    Figure imgb0001
  • Auf den drei Metallsubstraten wurden feinkristalline, gleichmäßig deckende Phosphatschichten mit einem Flächengewicht von 2,5 bis3 g/m² erzeugt. Die Bleche wurden anschließend mit Wasser gespült und danach passivierend nachgespült. Die passivierende Nachspülung erfolgte im Spritzen bei 30°C und 1 min Behandlungszeit. Als Schlußbehandlung diente ein Abbrausen mit vollentsalztem Wasser. Zur Lackierung der Bleche diente ein kathodischer Elektrotauchgrund, ein Füller und ein Decklack. Jede Lackschicht wurde gesondert eingebrannt. Die Gesamtlackschichtdicke betrug ca. 90 µm.
  • Anschließend wurden die Bleche mit einer Stahlnadel bis zum Metalluntergrund angeritzt und verschiedenen Prüfungen ausgesetzt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 3 zusammengefaßt.
  • Das im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommende Nachspülmittel wurde durch Verdünnen von 1,6 g eines wässrigen Konzentrates mit 0,855 % Al + 8,62 % Zr + 10,7 % F unter Verwendung von vollentsalztem Wasser hergestellt. Anschließend wurde der pH-Wert durch Ammoniak auf 3,5 - 4,0 gebracht. Das Nachspülmittel wies dann folgende Zusammensetzung auf: 0,014 g/l Al + 0,14 g/l Zr + 0,17 g/l F + 0,026 g/l NH₃.
  • Zu Vergleichsversuchen dienten
       eine CrVI-CrIII-haltige Nachspüllösung mit 0,2 g/l CrO₃ und 0,037 g/l CrIII (pH-Wert 3,5-4,0)
       eine Chromfluorozirkonatlösung mit
       0,047 g/l CrIII, 0,083 g/l Zr und
       0,121 g/l F (pH-Wert 3,5 - 4,0)
       sowie eine Polyvinylphenollösung einer Konzentration von 0,6 g/l (pH-Wert 3,5-4,0)
  • Die Prüfungen der einzelnen Musterbleche erfolgte nach dem Salzsprühtest gemäß DIN 50021 SS (1008 h), dem Filiformtest gemäß ASTM D 2803 (1008 h) sowie nach General Motors Test Method TM 54-26 mit 20 Zyklen (GM-Scab-Test). Gemessen wurde die Lackunterwanderung in mm.
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
  • Ein Vergleich der Tabellenwerte zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren in jedem Fall mindestens so gute Werte lieferte wie das beste der drei mitgeprüften Vergleiche.

Claims (10)

  1. Verfahren zur passivierenden Nachspülung von Phosphatschichten auf Metallen, insbesondere Stahl, verzinktem Stahl, legierungsverzinktem Stahl und Aluminium vor der Lackierung bzw. dem Auftrag von Klebern mittels chromfreier, Zirkonium und Fluorid enthaltender wässriger Lösungen, dadurch gekennzeichnet, daß man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen spült, die Al/Zr/F-Verbindung mit einem Molverhältnis von Al : Zr : F von (0,15 bis 0,67) : 1 : (5 bis 7) enthalten, wobei die Gesamt-Konzentration von Al + Zr + F 0,1 bis 2,0 g/l beträgt und der pH-Wert auf 3 bis 5 eingestellt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen spült, deren Gesamtkonzentration von Al + Zr + F 0,2 bis 0,8 g/l beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen spült, die zusätzlich mindestens eines der Anionen Benzoat, Caprylat, Ethylhexoat, Salicylat in einer Gesamt-Konzentration 0,05 bis 0,5 g/l enthalten.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen spült, deren pH-Wert mit Kationen flüchtiger Basen eingestellt ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die phosphatierten Metalloberflächen mit wässrigen Lösungen spült, deren pH-Wert mit Ammonium, Ethanolammonium, Di- und Tri-Ethanolammonium eingestellt ist.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anschluß an die passivierende Nachspülung mit vollentsalztem Wasser nachspült.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anschluß an die passivierende Nachspülung einen kathodischer Elektrotauchlack aufbringt.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anschluß an die passivierende Nachspülung einen Pulverlack aufbringt.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anschluß an die passivierende Nachspülung einen lösemittelarmen High-Solid-Lack aufbringt.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anschluß an die passivierende Nachspülung einen Lack mit Wasser als wesentliches Lösemittel aufbringt.
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