EP1960484A2 - Beschichtungsmaterial für substrate enthaltend ein schmiermittel für umformprozesse - Google Patents

Beschichtungsmaterial für substrate enthaltend ein schmiermittel für umformprozesse

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Publication number
EP1960484A2
EP1960484A2 EP06828637A EP06828637A EP1960484A2 EP 1960484 A2 EP1960484 A2 EP 1960484A2 EP 06828637 A EP06828637 A EP 06828637A EP 06828637 A EP06828637 A EP 06828637A EP 1960484 A2 EP1960484 A2 EP 1960484A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating material
zinc
substrate
aluminum
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06828637A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Sepeur
Stefan Goedicke
Nicole Reuter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nano X GmbH
Original Assignee
Nano X GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nano X GmbH filed Critical Nano X GmbH
Publication of EP1960484A2 publication Critical patent/EP1960484A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/08—Anti-corrosive paints
    • C09D5/082—Anti-corrosive paints characterised by the anti-corrosive pigment
    • C09D5/084—Inorganic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09D183/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D183/04—Polysiloxanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09D5/08—Anti-corrosive paints
    • C09D5/10—Anti-corrosive paints containing metal dust
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    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/18—Fireproof paints including high temperature resistant paints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working

Definitions

  • the invention relates to a coating material for substrates.
  • lubricants are used for forming processes in many areas. Generally, these lubricants are sprayed into the molds to form a release layer between substrate and mold during the forming processes.
  • the disadvantage is that at high degrees of deformation and very stressed areas, the lubricant is removed unevenly. Relubrication, problems with subsequent treatments due to uneven surfaces, etc.
  • scaling In the prior art, in particular steel systems are known which avoid oxidation at high temperatures, the so-called scaling.
  • scaling or scaling is meant the oxidation of metals by direct reaction with atmospheric oxygen at higher temperatures.
  • the resulting scale layer is hard and brittle and preferably bursts from the base material when cooled again, resulting in a relatively large surface roughness.
  • EP 1 013 785 A1 describes the coating of hot-rolled sheet with a metal or a metal alloy. It is a layer of aluminum or an alloy of aluminum, iron and silicon, which is applied by hot dip (Feueralum réelle). While such a protective layer provides effective protection against scaling on heating to austenitizing temperature, it is limited in its practical use in press-hardening, which is particularly noticeable when molding complex geometries.
  • DE 102 46 614 A1 mentions that in the dipping method described in EP 1 013 785 A1 an intermetallic alloy phase would form during the coating process between the steel and the actual coating, which would be hard and brittle and would break during cold working. The resulting microcracks would cause the coating to dissolve away from the base material and thus lose its protective function. From this description and practical experience in forming steel blanks or parts it follows that the fire aluminizing is not for the Cold forming and thus not suitable for a two-stage cold and hot forming process, as it comes in the molding of complex geometries used.
  • WO 2005/021820 A1 WO 2005/021821 A1 and WO 2005/021822 A1 describe processes for producing various hardened steel parts.
  • a protective layer consisting of zinc is applied to the steel together with another oxygen-affine element (especially aluminum).
  • This protective layer is applied in WO 2005/021821 A1 in a hot-dip process, in WO 2005/021820 A1 and WO 2005/021822 A1 in a hot-dip or galvanic process.
  • all coatings that contain zinc as the main element have in common that they are very sensitive to oxidation and evaporation at the temperatures required for a mold hardening process (eg 900 ° C.
  • the corresponding protective layers do not result in a significant improvement in tribological properties compared to an unprotected steel surface in both cold and hot forming.
  • the object of the invention is thus to provide a coating material which has both a protective effect against corrosion and a tribological effect.
  • the coating material contains between 0.5 and 90% by weight, preferably 5 to 60% by weight, of lubricant for reducing the frictional resistance of the surface during deformation processes,
  • the coating material contains up to 95% by weight, preferably from 10 to 75% by weight, of a suitable binder,
  • the coating material contains between 0 and 90% by weight of pigments or fillers,
  • the coating material can be attached firmly to the surface of the substrate,
  • the coating material with the substrate in cold or hot forming processes is deformable.
  • the pigments and fillers are used here either for coloring or for additional technical functions, in particular for corrosion protection or as anti-scaling.
  • the lubricants are selected from the group consisting of natural and synthetic waxes, oils, polymers, in particular polytetrafluoroethylene and fluorinated ethylene propylene, thermoplastics, in particular polyethylenes and polyamide, Stearates, aluminum, zinc, magnesium and lithium soaps, higher fatty acids, organic compounds of chlorine, phosphorus and sulfur, fluorides of calcium or barium, phosphates, oxides, hydroxides and sulphides of calcium and zinc and metals, especially lead, copper, Tin, silver, gold, indium and nickel is selected.
  • the lubricants are inorganic solid lubricants such as graphite, carbon black, boron nitride, titanium nitride, molybdenum disulfide and tungsten disulfide.
  • the binders organic compounds especially polyurethanes, polyesters, epoxy resins, alkyd resins, phenolic resins, melamine resins, acrylates, methacrylates, organic-inorganic compounds, in particular oligo- and polysiloxanes from hydrolysis and condensation of alkylalkoxysilanes, alkoxysilanes or Mixtures of these or silicones or silicone resins are, or purely inorganic compounds, in particular silicates, polyphosphates, aluminosilicates or metals, metal alkoxides and their condensation products, metal oxides and metal salts.
  • binders or fillers which maintain the composite layer after burning out of organic constituents, such as the above-mentioned oligo- and polysiloxanes.
  • the invention provides that the coating material contains inorganic or organic color pigments.
  • the coating material contains metal pigments, in particular aluminum, zinc, iron, tin, copper, magnesium, stainless steel, silver and other precious metal pigments. These can give the coating further functionalities.
  • metal pigments in particular aluminum, zinc, iron, tin, copper, magnesium, stainless steel, silver and other precious metal pigments. These can give the coating further functionalities.
  • aluminum and zinc pigments can serve as corrosion inhibitors, the aluminum pigments also in high-temperature processes to avoid scale.
  • the coating material contains one or more anticorrosive pigments or corrosion inhibitors, in particular silicates, polyphosphates, tannin derivatives, basic sulfonates of alkali and alkaline earth metals, zinc salts of organic nitrogen acids, phosphates, chromates, Molybdate of calcium, zinc and aluminum.
  • anticorrosive pigments or corrosion inhibitors in particular silicates, polyphosphates, tannin derivatives, basic sulfonates of alkali and alkaline earth metals, zinc salts of organic nitrogen acids, phosphates, chromates, Molybdate of calcium, zinc and aluminum.
  • the coating material according to the invention is also a use of the coating material according to the invention, wherein the coating material is applied to a substrate, which then undergoes at least one forming process.
  • the forming process is a cold-forming process at temperatures between room temperature and 100 0 C.
  • Umforrnungsprozeß is a high-temperature deformation process at temperatures between 100 and 1000 ° C or a Formhärtungsprozeß at temperatures of 800 to LlOO 0 C.
  • the friction during the forming process is reduced by at least 20%.
  • the evaporation of metals is reduced by a dense layer on the surface by 20 to 100%.
  • the coating material when applied to a metallic substrate and subjected to a high temperature deformation process, is weldable, especially in the resistance spot welding process.
  • the layer of the coating material according to the invention applied to the substrate can also serve as a primer for further processes, for example a cataphoretic dip coating (KTL) or another coating.
  • KTL cataphoretic dip coating
  • the substrate consists of polymers, metals, in particular steel, or natural materials, in particular straw, hemp, sisal and leather.
  • the substrate consists of steel which is coated with an additional galvanic or hot-dip coating metal coating of a different material from the substrate material, in particular aluminum, zinc, magnesium, tin or corresponding alloys of these metals such as aluminum-silicon, aluminum Iron, zinc-iron, zinc-silicon, zinc-aluminum-silicon, is provided.
  • an additional galvanic or hot-dip coating metal coating of a different material from the substrate material in particular aluminum, zinc, magnesium, tin or corresponding alloys of these metals such as aluminum-silicon, aluminum Iron, zinc-iron, zinc-silicon, zinc-aluminum-silicon, is provided.
  • the coating material may perform additional functions there compared to the uncoated substrate, e.g. increase the scratch resistance, improve the corrosion protection, influence the design (for example by coloring or anti-fingerprint effect), serve as tarnish protection (in the case of metal or PVD surfaces which change electrical conductivity (antistatic effect, conductive, insulating effect) etc.
  • the invention also relates to a component provided with a coating material according to the invention.
  • Such devices may be, for example, parts of automobiles (e.g., body or engine parts), trains or aircraft, machinery, industrial equipment, agricultural equipment, and construction or mining components.
  • the coating material can be adapted in its composition to all deformable substrates (e.g., polymers, natural products, metals).
  • the coating material for use on steel surfaces where it is equally applicable for cold and hot forming processes.
  • the coating may be applied to manganese-boron steel for a two-step process consisting of preforming at room temperature (cold working) followed by hot working at> 900 ° C and mold cooling (tempering).
  • room temperature cold working
  • hot working hot working
  • mold cooling mold cooling
  • supporting body parts such as tunnels, frame and support parts are produced in the automotive industry.
  • the process of two-stage cold and hot forming in conjunction with a protective coating against scaling based on a metal-particle-pigmented inorganic-organic sol-gel material is described in the patent application EP 2005/010622.
  • phosphoric acid 30 g of 2.5% strength phosphoric acid are added to a mixture of 100 g of methyltriethoxysilane (MTES, Degussa) and 20 g of tetraethoxysilane (TEOS, Degussa) and vigorously stirred for 1 h. Thereafter, 10 g of graphite powder (particle size ⁇ 10 ⁇ m) and 10 g of a polyethylene wax dispersion (solids content 40% by weight in butyl acetate) are added to the monophasic hydrolyzate formed and homogeneously dispersed in. 50 g of aluminum pigment paste (for example Decomet high gloss, Al 1002/10, Schlenk) and 30 g of ethanol are added to the mixture and stirred with a paddle stirrer until the pigment is completely homogeneous.
  • MTES methyltriethoxysilane
  • TEOS tetraethoxysilane
  • the finished lacquer is applied to a clean and grease-free substrate by means of a flow cup spray gun (eg Sata Jet, nozzle 1.2 mm) or applied with a suitable substrate geometry (flat plate or plastic plate) with a squeegee, so that the entire surface of a thin Wet film (about 20-40 microns thick) is covered.
  • the lacquer layer is allowed to flash for about 5 minutes at room temperature and then, depending on the required abrasion resistance and thermal resistance of the substrate either further 2h dried at room temperature or thermally cured (eg 30min at 80 ° C or 5min at 250 ° C).
  • the final varnish is applied to a grease-free galvanized steel substrate using a flow cup spray gun (eg Sata Jet, nozzle 1.2 mm) or, with a suitable substrate geometry (flat sheet or blank), applied with a doctor blade, so that a wet film thickness of about 10-40 ⁇ m is achieved.
  • the lacquer layer is cured for about 10 minutes at a surface temperature of 220 ° C.
  • the paint can also be applied to the galvanized steel sheet by roller coating (for example coil coating) and is baked at a PMT (Peak Mean Temperature) of 230-240 ° C.
  • the tribologically active coating material is coated with a flow cup spray gun (eg Sata Jet, nozzle 1.4 mm) on an alkaline degreased steel substrate or applied with a suitable substrate geometry (flat sheet or plate) with a doctor, so that a wet film thickness of about 10 -40 ⁇ m is achieved.
  • a flow cup spray gun eg Sata Jet, nozzle 1.4 mm
  • the lacquer layer is cured for 10 minutes at a surface temperature of 200-250 ° C.
  • an additional coloring layer to 100 g of a polyester resin solution (for example, available under the trade name Desmotherm VP LS 2218) 220 g of a suitable solvent (eg, Aromatics Solvesso 150) and 20 g of a suitable pigment (eg iron oxide pigment, available under the trade name Bayferrox 645 T) was added and dispersed in with a dissolver. 25 g of a polyethylene wax dispersion (solids content 40% by weight in butyl acetate) are added to the mixture and stirred in homogeneously.
  • a polyester resin solution for example, available under the trade name Desmotherm VP LS 2218
  • a suitable solvent eg, Aromatics Solvesso 150
  • a suitable pigment eg iron oxide pigment, available under the trade name Bayferrox 645 T
  • the finished lacquer is applied to an alkaline degreased steel substrate by means of a flow cup spray gun (eg Sata Jet, nozzle 1.4 mm) or, with suitable substrate geometry (flat sheet or blank), applied with a doctor blade so that a wet film thickness of about 10 40 ⁇ m is achieved.
  • a flow cup spray gun eg Sata Jet, nozzle 1.4 mm
  • suitable substrate geometry flat sheet or blank
  • the paint can also be applied to the sheet by roller coating (for example coil coating) and is baked at a PMT (Peak Metal Temperature) of 230-240 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmaterial für Substrate. Um ein Beschichtungsmaterial zu schaffen, das sowohl eine Schutzwirkung gegen Korrosion als auch eine tribologische Wirkung aufweist, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß das Beschichtungsmaterial zwischen 0,5 und 90 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 60 Gew.-%, Schmiermittel zur Verminderung des Reibwiderstandes der Oberfläche bei Verformungsprozessen enthält, daß das Beschichtungsmaterial bis 95 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 75 Gew.-%, eines geeigneten Bindemittels enthält, daß das Beschichtungsmaterial zwischen 0 und 90 Gew.-% Pigmente oder Füllstoffe enthält, daß das Beschichtungsmaterial fest an der Oberfläche des Substrates anbindbar ist, und daß das Beschichtungsmaterial mit dem Substrat in Kalt- oder Warmumformungsprozessen verformbar ist.

Description

BESCHREIBUNG
Beschichtungsmaterial für Substrate
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmaterial für Substrate.
Im Stand der Technik werden in vielen Bereichen Schmiermittel für Umformprozesse eingesetzt. Im Allgemeinen werden diese Schmiermittel in die Formen gesprüht, so daß während der Verformungsprozesse eine Trennschicht zwischen Substrat und Form entsteht. Nachteilig ist, daß bei hohen Verformungsgraden und sehr beanspruchten Stellen das Schmiermittel ungleichmäßig abgetragen wird. Nachschmierung, Probleme bei nachträglichen Behandlungen durch ungleichmäßige Oberflächen folgen usw.
Im Stand der Technik sind insbesondere auf Stahl Systeme bekannt, die eine Oxidation bei hohen Temperaturen, das so genannte Verzundern, vermeiden. Unter Verzundern bzw. Verzunderung versteht man die Oxydation von Metallen durch direkte Reaktion mit Luftsauerstoff bei höheren Temperaturen. Die dabei entstehende Zunderschicht ist hart und spröde und platzt bevorzugt beim Wiederabkühlen schollenförmig vom Grundwerkstoff ab, was zu einer relativ großen Oberflächenrauhigkeit führt.
In der Anmeldung EP 1 013 785 Al ist die Beschichtung von warmgewalztem Blech mit einem Metall bzw. einer Metallegierung beschrieben. Es handelt sich dabei um eine Schicht aus Aluminium bzw. einer Legierung aus Aluminium, Eisen und Silizium, die im Schmelztauchverfahren (Feueraluminierung) appliziert wird. Eine solche Schutzschicht bietet zwar einen wirkungsvollen Schutz gegenüber Verzunderung beim Erhitzen auf Austenitisierungstemperatur, ist jedoch in ihrer praktischen Anwendung beim Preßhärten eingeschränkt, was sich besonders beim Formen komplexer Geometrien bemerkbar macht. In der DE 102 46 614 Al wird erwähnt, daß sich bei dem in EP 1 013 785 Al beschriebenen Tauchverfahren schon beim Beschichtungsvorgang zwischen dem Stahl und der eigentlichen Beschichtung eine intermetallische Legierungsphase bilden würde, welche hart und spröde sei und beim Kaltverformen reißen würde. Die dabei entstehenden Mikrorisse würden dazu führen, dass sich die Beschichtung vom Grundwerkstoff löst und somit ihre Schutzfunktion verliert. Aus dieser Beschreibung und praktischen Erfahrungen beim Umformen von Stahlplatinen bzw. -teilen ergibt sich, daß die Feueraluminierung nicht für die Kaltumformung und somit auch nicht für einen zweistufigen Kalt- und Warmumformprozeß geeignet ist, wie er bei der Abformung komplexerer Geometrien zum Einsatz kommt.
In der DE 102 46 614 Al sollen diese Probleme durch das Aufbringen einer metallischen Schutzschicht mit einem galvanischen Verfahren aus einer organischen, nicht wäßrigen Lösung gelöst werden. Es sollen hierbei Schichten aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder Zink- bzw. Zinklegierung abgeschieden werden. Ein derartig beschichtetes Blech soll kalt vorgeformt und warm fertig geformt werden können. Allerdings besitzen diese Oberflächen keine tribologische Wirkung beim Kalt- und Warmumformen. Bei der Verwendung von Zink- und Zinklegierungen wird der Einsatz in der Warmumformung darüber hinaus stark eingeschränkt, da das Zink beim Aufheizen größtenteils oxydiert bzw. unter Schutzgasatmosphäre abdampft.
Auch die in der EP 1 013 785 Al beschriebene Schmierwirkung der Schutzbeschichtung bei der Warmumformung (Formhärten) kann aus der praktischen Anwendung heraus nicht bestätigt werden. Tatsächlich beobachten viele Anwender hohe abrasive Kräfte beim Formhärten, was sowohl die Formen als auch die Formteile selbst belastet und die maximalen Umformgrade auch bei einem einstufigen Formhärteprozeß weiter einschränkt.
Eine zusätzlich beim Formhärten von feueraluminiertem Stahl auftretende Problematik ergibt sich aus dem Abdampfen von Aluminium, welches sich mit der Zeit auf den Formen, aber auch in den Öfen, auf Transport- und Anbauteilen festsetzt und durch Oxydation mit Luftsauerstoff zu harten keramischen Abscheidungen führt, die nur mit hohem Aufwand zu entfernen sind mit der Konsequenz, daß Teile oftmals frühzeitig ausgetauscht werden müssen.
In WO 2005/021820 Al, WO 2005/021821 Al und WO 2005/021822 Al werden Verfahren zur Herstellung verschiedener gehärteter Stahlteile beschrieben. Dabei wird auf den Stahl jeweils eine Schutzschicht bestehend aus Zink in Verbindung mit einem weiteren sauerstoffaffinen Element (v.a. Aluminium) aufgebracht. Diese Schutzschicht wird in WO 2005/021821 Al in einem Schmelztauchverfahren, in WO 2005/021820 Al und WO 2005/021822 Al in einem Schmelztauch- oder galvanischen Verfahren aufgebracht. Allen Beschichtungen, die als Hauptelement Zink enthalten ist jedoch gemeinsam, daß diese bei den für einen Formhärteprozeß benötigten Temperaturen (z.B. 900°C oder mehr) sehr empfindlich gegenüber Oxidation und Abdampfen sind und bei den geringsten Verschmutzungen (z.B. Staub) an der Oberfläche Brandstellen entstehen, welche zu Bauteileausschuß führen. Auch fuhren die entsprechenden Schutzschichten nicht zu einer signifikanten Verbesserung der tribologischen Eigenschaften im Vergleich zu einer ungeschützten Stahloberfläche sowohl bei der Kalt- als auch bei der Warmumformung.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Beschichtungsmaterial zu schaffen, das sowohl eine Schutzwirkung gegen Korrosion als auch eine tribologische Wirkung aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
• das Beschichtungsmaterial zwischen 0,5 und 90 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 60 Gew.-%, Schmiermittel zur Verminderung des Reibwiderstandes der Oberfläche bei Verformungsprozessen enthält,
• das Beschichtungsmaterial bis 95 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 75 Gew.-%, eines geeigneten Bindemittels enthält,
• das Beschichtungsmaterial zwischen 0 und 90 Gew.-% Pigmente oder Füllstoffe enthält,
• das Beschichtungsmaterial fest an der Oberfläche des Substrates anbindbar ist,
• das Beschichtungsmaterial mit dem Substrat in Kalt- oder Warmumformungsprozessen verformbar ist.
Überraschenderweise zeigte sich, daß durch Aufbringen eines Beschichtungsmaterials, in dem Festschmierstoffe enthalten sind, welche somit an die Oberflächen umzuformender flacher oder profilierter Grundmaterialien bzw. auch Vorformteile angebunden werden, die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche so drastisch verbessert werden können, daß eine Umformung ohne zusätzlichen Einsatz von Schmiermitteln im Prozeß durchgeführt werden kann.
Die Pigmente und Füllstoffe werden hierbei entweder zur Farbgebung oder für zusätzliche technische Funktionen, insbesondere zum Korrosionsschutz bzw. als Verzunderungsschutz eingesetzt.
Es ist erfmdungsgemäß vorgesehen, daß die Schmiermittel aus der Gruppe bestehend aus natürlichen und synthetischen Wachsen, Ölen, Polymeren, insbesondere Polytetrafluorethylen und Fluorethylenpropylen, Thermoplasten, insbesondere Polyefhylen und Polyamid, Stearaten, Aluminium-, Zink-, Magnesium- und Lithiumseifen, höheren Fettsäuren, organischen Verbindungen von Chlor, Phosphor und Schwefel, Fluoride von Calcium oder Barium, Phosphate, Oxide, Hydroxide und Sulfide von Calcium und Zink sowie Metallen, insbesondere Blei, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Indium und Nickel ausgewählt ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schmiermittel anorganische Festschmierstoffe wie Graphit, Ruß, Bornitrid, Titannitrid, Molybdändisulfid und Wolframdisulfid sind.
Diese sind insbesondere für Prozesse, die bei höheren Temperaturen stattfinden, geeignet.
Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Bindemittel organische Verbindungen, insbesondere Polyurethane, Polyester, Epoxidharze, Alkydharze, Phenolharze, Melaminharze, Acrylate, Methacrylate, organisch-anorganische Verbindungen, insbesondere Oligo- und Polysiloxane aus Hydrolyse und Kondensation von Alkylalkoxysilanen, Alkoxysilanen oder Mischungen hieraus oder Silikone oder Silikonharze sind, oder rein anorganische Verbindungen, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Aluminosilikate oder Metalle, Metallalkoxide und deren Kondensationsprodukte, Metalloxide und Metallsalze sind.
Insbesondere für Umformprozesse bei höheren Temperaturen ist es vorteilhaft, Bindemittel bzw. Füllstoffe einzusetzen, die nach Ausbrennen organischer Bestandteile den Schichtverbund aufrecht erhalten, wie die oben genannten Oligo- und Polysiloxane.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Beschichtungsmaterial anorganische oder organische Farbpigmente enthält.
Diese dienen der Farbgebung der Beschichtung.
Weiterhin ist zur Erfindung gehörig, daß das Beschichtungsmaterial Metallpigmente, insbesondere Aluminium-, Zink-, Eisen-, Zinn-, Kupfer-, Magnesium-, Edelstahl-, Silber- und andere Edelmetallpigmente enthält. Diese können der Beschichtung weitere Funktionalitäten verleihen. Insbesondere Aluminium- und Zinkpigmente können als Korrosionsschutzmittel dienen, die Aluminiumpigmente zudem bei Hochtemperaturprozessen zur Vermeidung von Zunder.
Ebenso ist es zweckmäßig, daß das Beschichtungsmaterial ein oder mehrere Korrosionsschutzpigmente oder Korrosionsinhibitoren enthält, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Tannin-Derivate, basische Sulfonate von Alkali- und Erdalkalimetallen, Zinksalze organischer Stickstoffsäuren, Phosphate, Chromate, Molybdate von Calcium, Zink und Aluminium.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterials, wobei das Beschichtungsmaterial auf ein Substrat aufgebracht wird, welches dann mindestens einen Umformungsprozeß durchläuft.
Hierbei ist es möglich, daß der Umformungsprozeß ein Kaltverformungsprozeß bei Temperaturen zwischen der Raumtemperatur und 1000C ist.
Ebenso ist es möglich, daß der Umforrnungsprozeß ein Hochtemperaturverformungsprozeß bei Temperaturen zwischen 100 und 1.000°C oder ein Formhärtungsprozeß bei Temperaturen von 800 bis LlOO0C ist.
Insbesondere bei Hochtemperaturverformungsprozessen über 6000C wird durch die Beschichtung während des Umformprozesses der Reibwiderstand um mindestens 20% reduziert. Zudem wird das Abdampfen von Metallen durch eine dichte Schicht an der Oberfläche um 20 bis 100% reduziert. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß das Beschichtungsmaterial, wenn es auf ein metallisches Substrat aufgebracht ist und mit diesem einem Hochtemperaturverformungsprozeß unterzogen wurde, schweißbar ist, insbesondere auch im Widerstandspunktschweißverfahren. Nach dem Hochtemperaturverformungsprozeß kann die auf das Substrat aufgebrachte Schicht aus dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial auch als Haftgrund für weitere Prozesse, z.B. eine kataphoretische Tauchlackierung (KTL) bzw. eine anderweitige Lackierung, dienen.
Es können auch verschiedene Umformprozesse miteinander kombiniert werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das Substrat aus Polymeren, Metallen, insbesondere Stahl, oder Naturstoffen, insbesondere Stroh, Hanf, Sisal und Leder besteht.
Eine Weiterbildung hierzu besteht darin, daß das Substrat aus Stahl besteht, der mit einem zusätzlichen galvanisch oder im Schmelztauchverfahren aufgebrachten Metallüberzug aus einem vom Substratmaterial unterschiedlichen Material, insbesondere Aluminium, Zink, Magnesium, Zinn oder entsprechenden Legierungen dieser Metalle wie Aluminium-Silizium, Aluminium-Eisen, Zink-Eisen, Zink-Silizium, Zink- Aluminium-Silizium, versehen ist.
Es kann sowohl sinnvoll sein, daß nach dem Umformprozeß das Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche des Substrates verbleibt als auch daß nach dem Umformprozeß das Beschichtungsmaterial von der Oberfläche des Substrates entfernt wird. Wenn das Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche des Substrates verbleibt, kann es dort Zusatzfunktionen im Vergleich zum unbeschichteten Substrat ausüben, z.B. die Kratzfestigkeit erhöhen, den Korrosionsschutz verbessern, das Design beeinflussen (z.B. durch Farbgebung oder Antifingerprinteffekt), als Anlaufschutz dienen (bei Metall- oder PVD-Oberfiächen, die elektrische Leitfähigkeit verändern (antistatische Wirkung, leitfähig, isolierende Wirkung), etc.
Die Erfindung betrifft auch ein mit erfindungsgemäßem Beschichtungsmaterial versehenes , Bauelement.
Ebenso betrifft sie ein solches Bauelement, auf das Beschichtungsmaterial gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht ist.
Solche Bauelemente können beispielsweise Teile von Kraftfahrzeugen (z.B. Karosserie- oder Motorteile), Zügen oder Luftfahrzeugen, Maschinen, Industrieanlagen, landwirtschaftlichen Geräten sowie im Bauwesen oder im Bergbau verwendete Bauelemente sein.
Das Beschichtungsmaterial kann in seiner Zusammensetzung auf alle verformbaren Substrate (z.B. Polymere, Naturstoffe, Metalle) angepaßt werden.
Insbesondere geeignet ist das Beschichtungsmaterial für die Anwendung auf Stahloberflächen, wo es gleichermaßen für Kalt- und Warmumformprozesse einsetzbar ist. So kann die Beschichtung beispielsweise auf Mangan-Bor-Stahl für ein zweistufiges Verfahren bestehend aus einer Vorformung bei Raumtemperatur (Kaltumformung) gefolgt von einer Warmumformung bei >900°C und Abkühlen in der Form (Formhärten) eingesetzt werden. Mit einem solchen zweistufigen Verfahren werden in der Automobilindustrie beispielsweise tragende Karosserieteile wie Tunnel, Rahmen- und Trägerteile hergestellt. Das Verfahren der zweistufigen Kalt- und Warmumformung in Verbindung mit einer Schutzbeschichtung gegen Verzunderung auf Basis eines mit Metallpartikeln pigmentierten anorganisch-organischen Sol-Gel-Materials ist in der Patentanmeldung EP 2005/010622 beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Beispiel 1
Zu einem Gemisch aus 100g Methyltriethoxysilan (MTES, Fa. Degussa) und 20g Tetraethoxysilan (TEOS, Fa. Degussa) werden 30g 2,5%ige Phosphorsäure gegeben und Ih kräftig gerührt. Danach werden zu dem gebildeten einphasigen Hydrolysat 10g Graphitpulver (Teilchengröße <10μm) sowie 10g einer Polyethylenwachsdispersion (Feststoffgehalt 40 Gew.-% in Butylacetat) zugegeben und homogen eindispergiert. Zu der Mischung werden 50g Aluminiumpigmentpaste (z.B. Decomet Hochglanz, Al 1002/10, Fa. Schlenk) sowie 30g Ethanol zugegeben und mit einem Flügelrührer bis zur vollständig homogenen Verteilung des Pigmentes gerührt.
Der fertige Lack wird mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,2mm) auf ein sauberes und fettfreies Substrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Kunststoffplatte) mit einer Rakel appliziert, so daß die gesamte Oberfläche von einem dünnen Naßfilm (ca. 20-40 μm Dicke) bedeckt ist. Die Lackschicht wird ca. 5min bei Raumtemperatur ablüften gelassen und danach je nach geforderter Abriebbeständigkeit und thermischer Belastbarkeit des Substrats entweder weitere 2h bei Raumtemperatur getrocknet oder thermisch (z.B. 30min bei 80°C oder 5min bei 250°C) ausgehärtet. Beispiel 2:
Zu 100g einer 60%igen Silikonpolyesterlösung (beispielsweise in Xylol erhältlich unter dem Handelsnamen Silikoftal) werden 30g Graphitpulver (Teilchengröße <10μm) gegeben und mit einem Dissolver gut eindispergiert. Zu dem Gemisch werden 70g Xylol, 10g Carnaubawachsdispersion (Feststoffgehalt 20Gew.-% in Testbenzin) sowie 30g Aluminiumpigmentpaste (z.B. Decomet Hochglanz, Al 1002/10, Fa. Schlenk) gegeben und mehrere Stunden mit einem Flügelrührer bei geringer Scherung homogen eingerührt.
Der fertige Lack wird nach entsprechender Verdünnung mit Butylglykol mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,2mm) auf ein fettfreies verzinktes Stahlsubstrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Platine) mit einer Rakel appliziert, so daß eine Naßfilmdicke von ca. 10-40μm erreicht wird. Die Lackschicht wird ca. 10min bei einer Oberflächentemperatur von 220°C ausgehärtet. Der Lack kann auch im Walzenauftrag (z.B. Coil Coating) auf das verzinkte Stahlblech appliziert werden und wird bei einer PMT (Peak Mean Temperature) von 230-240°C eingebrannt.
Beispiel 3 :
Zu 100g einer 60%igen Methylsilikonharzlösung (in Xylol, beispielsweise erhältlich unter dem Handelsnamen Baysilone) werden 50g Butylglykol sowie 10g Graphitpulver (Teilchengröße <10μm) zugegeben und homogen eindispergiert.
Das tribologisch aktive Beschichtungsmaterial wird mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,4mm) auf ein alkalisch entfettetes Stahlsubstrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Platine) mit einer Rakel appliziert, so daß eine Naßfilmdicke von ca. 10-40μm erreicht wird. Die Lackschicht wird 10min bei einer Oberflächentemperatur von 200-250°C ausgehärtet.
Beispiel 4 :
Als Beispiel für eine zusätzlich farbgebende Schicht werden zu 100g einer Polyesterharzlösung (beispielsweise erhältlich unter dem Handelsnamen Desmotherm VP LS 2218) 220g eines geeigneten Lösungsmittels (z.B. Aromatengemisch Solvesso 150) sowie 20g eines geeigneten Pigments (z.B. Eisenoxidpigment, erhältlich unter dem Handelsnamen Bayferrox 645 T) zugegeben und mit einem Dissolver eindispergiert. Zu dem Gemisch werden 25g einer Polyethylenwachsdispersion (Feststoffgehalt 40Gew.-% in Butylacetat) zugegeben und homogen eingerührt.
Der fertige Lack wird mit einer Fließbecher-Lackierpistole (z.B. Sata Jet, Düse 1,4mm) auf ein alkalisch entfettetes Stahlsubstrat auflackiert oder bei geeigneter Substratgeometrie (flaches Blech bzw. Platine) mit einer Rakel appliziert, so daß eine Naßfilmdicke von ca. 10- 40μm erreicht wird. Der Lack kann auch im Walzenauftrag (z.B. Coil Coating) auf das Blech appliziert werden und wird bei einer PMT (Peak Metal Temperature) von 230-240°C eingebrannt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Beschichtungsmaterial für Substrate, dadurch gekennzeichnet, daß
• das Beschichtungsmaterial zwischen 0,5 und 90 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 60 Gew.-%, Schmiermittel zur Verminderung des Reibwiderstandes der Oberfläche bei Verformungsprozessen enthält,
• das Beschichtungsmaterial bis 95 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 75 Gew.-%, eines geeigneten Bindemittels enthält,
• das Beschichtungsmaterial zwischen 0 und 90 Gew.-% Pigmente oder Füllstoffe enthält,
• das Beschichtungsmaterial fest an der Oberfläche des Substrates anbindbar ist,
• das Beschichtungsmaterial mit dem Substrat in Kalt- oder Warmumformungsprozessen verformbar ist.
2. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittel aus der Gruppe bestehend aus natürlichen und synthetischen Wachsen, Ölen, Polymeren, insbesondere Polytetrafluorethylen und Fluorethylenpropylen, Thermoplasten, insbesondere Polyethylen und Polyamid, Stearaten, Aluminium-, Zink-, Magnesium- und Lithiumseifen, höheren Fettsäuren, organischen Verbindungen von Chlor, Phosphor und Schwefel, Fluoride von Calcium oder Barium, Phosphate, Oxide, Hydroxide und Sulfide von Calcium und Zink sowie Metallen, insbesondere Blei, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Indium und Nickel ausgewählt ist.
3. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiermittel anorganische Festschmierstoffe wie Graphit, Ruß, Bornitrid, Titannitrid, Molybdändisulfid und Wolframdisulfid sind.
4. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel organische Verbindungen, insbesondere Polyurethane, Polyester, Epoxidharze, Alkydharze, Phenolharze, Melaminharze, Acrylate, Methacrylate, organisch-anorganische Verbindungen, insbesondere Oligo- und Polysiloxane aus Hydrolyse und Kondensation von Alkylalkoxysilanen, Alkoxysilanen oder Mischungen hieraus oder Silikone oder Silikonharze sind, oder rein anorganische Verbindungen, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Aluminosilikate oder Metalle, Metallalkoxide und deren Kondensationsprodukte, Metalloxide und Metallsalze sind.
5. Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial anorganische oder organische Farbpigmente enthält.
6. Beschichtungsmaterial gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Beschichtungsmaterial Metallpigmente, insbesondere Aluminium-, Zink-, Eisen-, Zinn-, Kupfer-, Magnesium-, Edelstahl-, Silber- und andere Edelmetallpigmente enthält.
7. Beschichtungsmaterial gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Beschichtungsmaterial ein oder mehrere Korrosionsschutzpigmente oder Korrosionsinhibitoren enthält, insbesondere Silikate, Polyphosphate, Tannin-Derivate, basische Sulfonate von Alkali- und Erdalkalimetallen, Zinksalze organischer Stickstoffsäuren, Phosphate, Chromate, Molybdate von Calcium, Zink und Aluminium.
8. Verwendung des BescMchtungsmaterials gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial auf ein Substrat aufgebracht wird, welches dann mindestens einen Umformungsprozeß durchläuft.
9. Verwendung gemäß Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformungsprozeß ein Kaltverformungsprozeß bei Temperaturen zwischen der Raumtemperatur und 1000C ist.
10. Verwendung gemäß Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformungsprozeß ein Hochtemperaturverformungsprozeß bei Temperaturen zwischen 100 und 1.0000C oder ein Formhärtungsprozeß bei Temperaturen von 800 bis LlOO0C ist.
11. Verwendung gemäß Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Polymeren, Metallen, insbesondere Stahl, oder Naturstoffen, insbesondere Stroh, Hanf, Sisal und Leder besteht.
12. Verwendung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Stahl besteht, der mit einem zusätzlichen galvanisch oder im Schmelztauchverfahren aufgebrachten Metallüberzug aus einem vom Substratmaterial unterschiedlichen Material, insbesondere Aluminium, Zink, Magnesium, Zinn oder entsprechenden Legierungen dieser Metalle wie Aluminium-Silizium, Aluminium-Eisen, Zink-Eisen, Zink-Silizium, Zink-Aluminium-Silizium, versehen ist.
13. Verwendung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Umformprozeß das Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche des Substrates verbleibt.
14. Verwendung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Umformprozeß das Beschichtungsmaterial von der Oberfläche des Substrates entfernt wird.
15. Mit Beschichtungsmaterial gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 versehenes Bauelement.
16. Bauelement gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das
Beschichtungsmaterial gemäß einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 14 aufgebracht ist.
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