EP2729604B1 - Verfahren zur herstellung einer haftvermittelnden schicht auf einer oberfläche eines titanwerkstoffs - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer haftvermittelnden schicht auf einer oberfläche eines titanwerkstoffs Download PDF

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EP2729604B1
EP2729604B1 EP12791239.2A EP12791239A EP2729604B1 EP 2729604 B1 EP2729604 B1 EP 2729604B1 EP 12791239 A EP12791239 A EP 12791239A EP 2729604 B1 EP2729604 B1 EP 2729604B1
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EP
European Patent Office
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range
concentration
specifically
adhesion
titanium material
Prior art date
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EP12791239.2A
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English (en)
French (fr)
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EP2729604A2 (de
Inventor
Tobias Mertens
Franz Gammel
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
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Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space GmbH filed Critical Airbus Defence and Space GmbH
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Publication of EP2729604B1 publication Critical patent/EP2729604B1/de
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/26—Anodisation of refractory metals or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an adhesion-promoting layer on a surface of a titanium material, to a process-promoting adhesion-promoting layer on the surface of the titanium material and to the use of an alkaline solution.
  • adhesion-promoting layers on a surface of a titanium material is known.
  • organic materials such as, for example, adhesive, lacquer, sealant and / or the like can be bonded to the titanium material.
  • the adhesion-promoting layer on the surface of the titanium material can be produced, for example, by means of an anodic oxidation, that is, for example, consist of an oxide layer. This oxide layer may be used as the primer layer for subsequent coating of the titanium material with the organic material.
  • the US 4,473,446 discloses a method of surface treating titanium parts prior to bonding by anodizing in a chromic hydrofluoric acid bath at an anodization voltage between one volt and 5 volts.
  • the US 4,394,224 discloses a method of treating titanium parts or titanium alloy parts to produce an adhesion promoting oxide layer. It is the steps of applying to the surface and treating the surface with a mixture of aqueous solutions of sodium hydroxide and hydrogen peroxide, maintaining the applied mixture within a temperature range in which the hydrogen peroxide is relatively stable and causing an increased oxidation rate on the surface area.
  • the DE 34 27 543 A1 refers to an alkaline bath for treating titanium. The bath consists of an alkali hydroxide, a titanium complexing agent and an impurity complexing agent.
  • the US 3,907,609 discloses a chemical conversion process and composition for producing an adhesive conversion coating on titanium and titanium alloys.
  • 6,037,060 relate to a surface treatment, preferably for titanium and aluminum alloys, for forming a sol-gel film adhered to the metal surface by means of covalent bonds, for producing a strong and durable adhesive bond between the metal and an organic adhesive without the use of toxic chemicals and significantly reducing and / or eliminating rinse water requirements of conventional anodization and / or etching processes.
  • the DE 38 02 043 C1 relates to a method of preparing a metal surface.
  • amorphous silicon-containing material having a particle size less than 1 micron and the remainder of a sandblasting medium having an average particle size greater than 1 micron applied a layer and then optionally silanized.
  • the DE 10 2006 045 951 A1 relates to a process for the chemical modification and / or activation of solid surfaces.
  • the object of the invention is to provide an alternative method for producing an adhesion-promoting layer on a surface of a titanium material, for the implementation of which only or at least predominantly environmentally friendly chemicals are needed.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • the method for producing an adhesion-promoting layer on a surface of a titanium material comprises introducing the surface into an aqueous alkaline solution comprising sodium hydroxide having a concentration in a range of 100-300 g / l, Sodium tartrate having a concentration in a range of 20-200 g / l, methylglycinediacetic acid Na3 having a concentration in a range of 5 g / l - 60 g / l, pentasodium triphosphate having a concentration in a range of 2 g / l - 20 g / l, and applying a voltage between solution and titanium material for a predetermined period of time to produce the layer by anodic oxidation of the surface.
  • Sodium hydroxide is preferably in the range of 150-285 g / l, more preferably 175-270 g / l, 195-250 g / l, 210-240 g / l, 238-242 g / l, and especially of 240 g / l before.
  • Sodium tartrate is preferably at a concentration in a range of 20-200 g / l, more preferably 60-140 g / l, 75-125 g / l, 85-110 g / l, 90-105 g / l, especially of 100 g / l before.
  • Methylglycinediacetic acid Na3 is preferably present at a concentration in the range of 10-50 g / l, more preferably 15-40 g / l, 20-35 g / l, 25-33 g / l, 28-32 g / l, especially of 30 g / l before.
  • Pentasodium triphosphate is preferably present at a concentration of 3-17 g / l, more preferably 4.5-13 g / l, or 6-10 g / l, or 7-8 g / l, especially 7.5 g / l ,
  • Each of the above concentration ranges or concentrations of one of the constituents of the solution may be combined with any concentration range or concentration of any other constituent.
  • an adhesion-promoting layer in the form of an oxide layer can be provided on the surface of the titanium material, which has at least as good adhesion-promoting properties as in the prior art.
  • Sodium hydroxide contains Na + ions, which are known from conventional saline.
  • Pentasodium triphosphate also known as triphosphate, is a component of biological compounds such as adenosine triphosphate.
  • pentasodium triphosphate is approved as a food additive, so compared to chemicals used in the prior art is a particularly harmless substance.
  • Methylglycinediacetic acid Na 3 also known as the sodium salt of methylglycinediacetic acid, is used in particular as a cleaning agent, in particular as a dishwashing detergent, and is insofar harmless from an environmental point of view.
  • Methylglycinediacetic acid is also known as MGDA.
  • Sodium tartrate is a sodium salt of tartaric acid, also approved as a food additive and therefore also particularly harmless from an environmental point of view. The sodium tartrate acts as a titanium complexing agent in the alkaline solution and can thus advantageously improve the return properties.
  • Methylglycinediacetic acid Na 3 acts as a foreign ion complexing agent and pentasodium triphosphate as a scaffolding agent.
  • the alkaline solution is completely fluoride-free and yet allows optimum pretreatment of the surface of the titanium material for long-term stable, high-strength bonds of organic coatings.
  • a titanium material may be understood to be pure titanium or a titanium alloy, for example a titanium alloy with the designation Ti6Al4V.
  • the anodization is advantageously carried out with a voltage in a range of 2 to 50 V, preferably 3 to 45 V, 5 to 35 V, 7 to 25 V, 9 to 20 V, 9 to 15 V, 10 - 12 V, specially made by 10 V.
  • the advantageous oxide layer can be produced.
  • the anodic oxidation of the surface is advantageously carried out for a period of time in which the advantageous adhesion-promoting layer can be produced on the surface of the titanium material.
  • the period of time is in a range of 5 to 60 minutes, preferably 8 to 50 minutes, 11 to 40 minutes, 15 to 30 minutes, 18 to 25 minutes, 19 to 22 minutes, especially 20 minutes.
  • the anodic oxidation is advantageously provided at a maximum current density at which the advantageous adhesion-promoting layer can be produced on the surface of the titanium material.
  • the maximum current density is in a range of 0.2 - 10 A / dm 2 , preferably 0.4 - 8 A / dm 2 , 0.6 - 4 A / dm 2 , 0.8 - 2 A / dm 2 , 1 , 0-1.5 A / dm 2 , 1.1-1.3 A / dm 2 , especially of 1.2 A / dm 2 .
  • the anodization is advantageous at a temperature at which the advantageous adhesion-promoting layer can be produced on the surface of the titanium material.
  • the temperature is in a range of 5 to 60 ° C, preferably 10 to 50 ° C, 15 to 40 ° C, 20 to 35 ° C, 25 to 33 ° C, 28 to 32 ° C, especially 30 ° C.
  • anodic oxidation of the surface of the alkaline solution and thereby the production of an oxide layer of the layer thickness in a range of 50-600 nm, preferably 70-400 nm, 100-250 nm, especially of 150 nm is provided.
  • a particularly good adhesion promotion can be generated at the specified layer thickness.
  • the object is also achieved by an adhesion-promoting layer on a surface of a titanium material, produced or prepared according to a previously described Method solved according to claim 11.
  • the surface of the titanium material has in particular a porous nanostructure with juxtaposed elevations with undercuts and in particular an interference coloring on.
  • the individual structures are on the order of 50-300 nm.
  • the adhesion-promoting layer on the surface of the titanium material can be coated and / or provided with organic material with long-term stability and with particularly good adhesive properties.
  • it can be recognized by means of interference coloring that the desired adhesion-promoting layer is actually present on the surface of the titanium material or that the titanium material has the adhesion-promoting layer on its surface.
  • FIG. 1 1 shows a schematic view of a device 1 for producing an adhesion-promoting layer on a surface 3 of a titanium material 5.
  • the device 1 has a bath 7 with an electrolyte 9.
  • the electrolyte 9 comprises sodium hydroxide, sodium tartrate, methylglycinediacetic acid-Na 3 and pentasodium triphosphate in an aqueous solution.
  • oxide layer of the titanium material 5 and the bath 7 are connected to an electrical energy source 11, wherein via the electrolyte 9 of the bath 7, a circuit is closed.
  • the electrical energy source 11 supplies a voltage 13, which causes a current 15 in the closed circuit via the electrolyte 9.
  • control and / or regulating devices for adjusting the voltage 13 and / or the current 15 may be provided.
  • the device 1 can by anodizing an in the Figures 2 and 3 shown oxide layer 17 are generated on the surface 3 of the titanium material 5.
  • Standards are in the Figures 2 and 3 each with a line, which are labeled with a length in nm, drawn.
  • the adhesion-promoting layer is produced on the surface 3 of the titanium material 5.
  • the surface 3 is first introduced into the alkaline solution or the electrolyte 9 containing bath 7, for example, by at least partial immersion of the titanium material 5 in the electrolyte 9.
  • the voltage 13 between the electrolyte 9 and the Titanium material 5 for a predetermined period of time for the preparation of the layer by anodic oxidation of the surface 3 of the titanium material 5 produced.
  • FIG. 2 shows a thirst for the surface 3 of the titanium material. 5
  • FIG. 3 shows a cryogenic fracture of the titanium material 5 together with the surface 3, wherein the oxide layer 17 can be seen.
  • a thickness of the oxide layer 17 symbolizes, which is about 150 nm.
  • the oxide layer 17 has a pronounced microporous nanostructure, with these bulbous outgrowths arranged side by side.
  • the bulbous outgrowths have a dimension of less than 300 nm, in particular less than 250 nm, in particular less than 200 nm, in particular less than 150 nm, preferably less than 50 nm to 100 nm, and form an advantageous microporous surface.
  • the surface 3 of the titanium material 5 is at least partially introduced into the bath 7, in particular immersed.
  • the voltage 13 is applied by 10 V by means of the electric power source 11.
  • the current 15 is adjusted so that a current density of at most 1.2 A / dm 2 occurs on the surface 3 of the titanium material 5.
  • the voltage 13 and the current 15 and thus the current density of 1.2 A / dm 2 are maintained for a period of 20 minutes.
  • the bath 7 is heated to a temperature of 30 ° C.
  • a heater and / or cooling can be provided.
  • the desired nanostructured surface 3, ie the oxide layer 17, can be achieved in a completely fluoride-free process for the pretreatment of the titanium material 5 in order to achieve long-term stable, high-strength bonds of organic coatings.
  • the described porous surface morphology can be produced on the titanium material 5.
  • This can be adherent coated, for example with organic materials such as adhesive, paint, sealant and / or the like.
  • the electrolyte 9 is not only fluoride-free, but contains exclusively or at least predominantly environmentally friendly ingredients that are particularly biodegradable.
  • the interference coloring can serve as proof of the treatment carried out and / or as an identification feature for corresponding treated components made of the titanium material 5.
  • the oxide layer 17 on the surface 3 of the titanium material 5 can also be used for bonding biological material, for example on implants.
  • the solution has at least in traces and / or as at least partial replacement of existing ions further constituents, in particular ions of the same period of a periodic table.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer haftvermittelnden Schicht auf einer Oberfläche eines Titanwerkstoffs, eine verfahrensgemäße haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs sowie eine Verwendung einer alkalischen Lösung.
  • Das Herstellen von haftvermittelnden Schichten auf einer Oberfläche eines Titanwerkstoffs ist bekannt. Mittels der haftvermittelnden Schicht können organische Materialien wie beispielsweise Klebstoff, Lack, Dichtmittel und/oder Ähnliches mit dem Titanwerkstoff verbunden werden. Die haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs kann beispielsweise mittels eines anodischen Oxidierens hergestellt werden, also beispielsweise aus einer Oxidschicht bestehen. Diese Oxidschicht kann als die Haftvermittlungsschicht für eine nachfolgende Beschichtung des Titanwerkstoffs mit dem organischen Material verwendet werden. Die US 4 473 446 offenbart ein Verfahren zum Oberflächen behandeln von Titanteilen vor einem Verkleben mittels Anodisieren in einem Chromflusssäurebad bei einer Anodisierspannung zwischen einem Volt und 5 Volt. Die US 4 394 224 offenbart eine Methode zum Behandeln von Titanteilen oder Titanlegierungsteilen zum Erzeugen einer haftvermittelnden Oxidschicht. Es sind die Schritte Auftragen auf die Oberfläche und Behandeln der Oberfläche mit einer Mischung von wässrigen Lösungen aus Natriumhydroxid und Wasserstoffperoxid, Halten der aufgetragenen Mischung innerhalb eines Temperaturbereiches in dem das Wasserstoffperoxid relativ stabil ist und bewirken einer erhöhten Oxidationsrate auf dem Oberflächenbereich. Die DE 34 27 543 A1 bezieht sich auf ein alkalisches Bad zum Behandeln von Titan. Das Bad besteht aus einem Alkalihydroxid, einem Titankomplexbildner und einem Fremdionenkomplexbildner. Die US 3 907 609 offenbart einen chemischen Konversionsprozess und eine Zusammensetzung zum Produzieren einer haftenden Konversionsbeschichtung auf Titan und Titanlegierungen. Die US 5 814 137 sowie die US 6 037 060 betreffen eine Oberflächenbehandlung, vorzugsweise für Titan- und Aluminiumlegierungen, zum Ausbilden eines Sol-Gel-Films, der mittels kovalenten Bindungen an der Metalloberfläche haftet, zum Erzeugen einer starken, und langlebigen Klebeverbindung zwischen dem Metall und einem organischen Klebstoff ohne Verwendung von giftigen Chemikalien und unter signifikanten Reduzierung und/oder Eliminierung von Spülwassererfordernissen von herkömmlichen Anodisierungs- und/oder Ätzprozessen. Die DE 38 02 043 C1 betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Metalloberfläche. Dazu wird für die Verbindung mit Kunststoff auf eine Metalloberfläche durch Sandstrahlen mit einem Mittel aus 0,1 bis 30 Gewichtsprozent gegebenenfalls silanisiertem, amorphen siliziumhaltigen Material mit einer Korngröße kleiner 1 µm und zum Rest aus einem Sandstrahlmedium mit einer mittleren Korngröße größer 1 µm eine Schicht aufgebracht und diese gegebenenfalls anschließend silanisiert. Die DE 10 2006 045 951 A1 betrifft ein Verfahren zur chemischen Modifizierung und/oder Aktivierung von Festkörperoberflächen. Es wird bei dem Verfahren unter Verwendung von mindestens einem Trägermedium, das der Energiezufuhr in die Oberfläche hinein dient und der Oberfläche eine oder mehrere halogenhaltige Verbindungen zuführt, die Zuführung der halogenhaltigen Verbindungen erfolgt unter gleichzeitigem Zusatz von siliziumorganischen Verbindungen oder Silanen oder metallorganischen Verbindungen oder Siliziumhydriden oder Metallhydriden in das Trägermaterial. Eine Anmeldung derselben Anmelderin mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2010 054 473.6 betrifft ein Verfahren zum Haftvermitteln einer Fläche eines Titanwerkstoffs, wobei das Verfahren Erzeugen einer mit der Fläche des Titanwerkstoffs fest verbundenen und Titandioxid (TiO2) aufweisende Nanotubes aufweisenden Haftvermittlungsschicht auf der Fläche und Haftfestes Aufbringen eines organischen Werkstoffs auf die die Nanotubes aufweisende Haftvermittlungsschicht aufweist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer haftvermittelnden Schicht auf einer Oberfläche eines Titanwerkstoffs bereit zu stellen, für dessen Durchführung ausschließlich oder zumindest überwiegend umweltfreundliche Chemikalien benötigt werden.
  • Die Aufgabe ist gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Das Verfahren zur Herstellung einer haftvermittelnden Schicht auf einer Oberfläche eines Titanwerkstoffs, umfasst das Einbringen der Oberfläche in eine wässrige alkalische Lösung umfassend Natriumhydroxid mit einer Konzentration in einem Bereich von 100 - 300 g/l, Natriumtartrat mit einer Konzentration in einem Bereich von 20 - 200 g/l, Methylglycindiessigsäure-Na3 mit einer Konzentration in einem Bereich von 5 g/l - 60 g/l, Pentanatriumtriphosphat mit einer Konzentration in einem Bereich von 2 g/l - 20 g/l, und das Anlegen einer Spannung zwischen Lösung und Titanwerkstoff für eine vorgegebene Zeitdauer zur Herstellung der Schicht durch anodische Oxidation der Oberfläche.
  • Natriumhydroxid liegt bevorzugt mit einer Konzentration in einem Bereich von 150 - 285 g/l, weiter bevorzugt von 175 - 270 g/l, 195 - 250 g/l, 210 - 240 g/l, 238 - 242 g/l, und speziell von 240 g/l vor.
  • Natriumtartrat liegt bevorzugt mit einer Konzentration in einem Bereich von 20 - 200 g/l, weiter bevorzugt von 60 - 140 g/l, 75 - 125 g/l, 85 - 110 g/l, 90 - 105 g/l, speziell von 100 g/l vor.
  • Methylglycindiessigsäure-Na3 liegt bevorzugt mit einer Konzentration in einem Bereich von 10 - 50 g/l, weiter bevorzugt 15 - 40 g/l, 20 - 35 g/l, 25 - 33 g/l, 28 - 32 g/l, speziell von 30 g/l vor.
  • Pentanatriumtriphosphat liegt bevorzugt mit einer Konzentration von 3 - 17 g/l, weiter bevorzugt von 4,5 - 13 g/l, oder 6 - 10 g/l, oder 7 - 8 g/l, speziell 7,5 g/l vor.
  • Jeder der vorstehenden Konzentrationsbereiche oder jede Konzentration einer der Bestandteile der Lösung kann mit einem beliebigen Konzentrationsbereich oder einer beliebigen Konzentration eines jeden anderen Bestandteils kombiniert werden.
  • Es wurde herausgefunden, dass mit Hilfe eines anodischen Oxidierens der Oberfläche des Titanwerkstoffs in der angegebenen alkalischen Lösung eine als Oxidschicht ausgebildete haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs geschaffen werden kann, die im Vergleich zum Stand der Technik zumindest gleich gute Haftvermittlungseigenschaften aufweist. Vorteilhaft sind dazu ausschließlich oder zumindest überwiegend umweltfreundliche Inhaltsstoffe notwendig. Natriumhydroxid enthält Na+ Ionen, die von herkömmlichem Kochsalz bekannt sind. Pentanatriumtriphosphat, auch bekannt als Triphosphat ist ein Bestandteil biologischer Verbindungen wie zum Beispiel Adenosintriphosphat. Außerdem ist Pentanatriumtriphosphat als Nahrungsmittelzusatzstoff zugelassen, also im Vergleich zu beim Stand der Technik verwendeten Chemikalien ein besonders harmloser Stoff. Methylglycindiessigsäure-Na3, auch bekannt als Natriumsalz der Methylglycindiessigsäure findet insbesondere als Reinigungsmittel, insbesondere als Geschirrreinigungsmittel Verwendung und ist insofern hinsichtlich Umweltgesichtspunkten unbedenklich. Methylglycindiessigsäure ist auch unter der Bezeichnung MGDA bekannt. Natriumtartrat ist ein Natriumsalz der Weinsäure, ebenfalls als Nahrungsmittelzusatzstoff zugelassen und daher ebenfalls hinsichtlich Umweltgesichtspunkten besonders unbedenklich. Das Natriumtartrat wirkt in der alkalischen Lösung als Titankomplexbildner und kann damit vorteilhaft Rücklöseeigenschaften verbessern. Methylglycindiessigsäure-Na3 wirkt als Fremdionenkomplexbildner und Pentanatriumtriphosphat als Gerüstbildner. Vorteilhaft ist die alkalische Lösung gänzlich fluoridfrei und ermöglicht dennoch eine optimale Vorbehandlung der Oberfläche des Titanwerkstoffs für Langzeitbeständige, hochfeste Anbindungen von organischen Beschichtungen. Unter einem Titanwerkstoff kann reines Titan oder einen Titanlegierung, beispielsweise eine Titanlegierung mit der Bezeichnung Ti6Al4V, verstanden werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die anodische Oxidation vorteilhaft mit einer Spannung in einem Bereich von 2 - 50 V, bevorzugt 3 - 45 V, 5 - 35 V, 7 - 25 V, 9 - 20 V, 9 - 15 V, 10 - 12 V, speziell von 10 V vorgenommen. Bei der angegebenen Spannung kann die vorteilhafte Oxidschicht erzeugt werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die anodische Oxidation der Oberfläche vorteilhaft für eine Zeitdauer vorgenommen, in der die vorteilhafte haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs erzeugt werden kann. Die Zeitdauer liegt dabei in einem Bereich von 5 - 60 min, bevorzugt 8 - 50 min, 11 - 40 min, 15 - 30 min, 18 - 25 min, 19 - 22 min, speziell 20 min.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die anodische Oxidation vorteilhaft bei einer maximale Stromdichte vorgesehen, bei der die vorteilhafte haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs erzeugt werden kann. Die maximale Stromdichte liegt in einem Bereich von 0,2 - 10 A/dm2, bevorzugt 0,4 - 8 A/dm2, 0,6 - 4 A/dm2, 0,8 - 2 A/dm2, 1,0 - 1,5 A/dm2, 1,1 - 1,3 A/dm2, speziell von 1,2 A/dm2.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die anodische Oxidation vorteilhafte bei einer Temperatur vorgesehen, bei der die vorteilhafte haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs erzeugt werden kann. Die Temperatur liegt in einem Bereich von betragen 5 - 60 °C, bevorzugt 10 - 50 °C, 15 - 40 °C, 20 - 35 °C, 25 - 33 °C, 28 - 32 °C, speziell 30 °C.
  • Jeder Bereich oder Wert eines der vorstehenden Merkmale kann mit einem beliebigen Bereich oder Wert eines jeden anderen Merkmals oder einer beliebigen Kombination von Konzentrationsbereichen oder Konzentrationen der gelösten Bestandteile kombiniert werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist eine anodische Oxidation der Oberfläche der alkalischen Lösung und dadurch das Erzeugen einer Oxidschicht der Schichtdicke in einem Bereich von 50 - 600 nm, bevorzugt 70 - 400 nm, 100 - 250 nm, , speziell von 150 nm vorgesehen. Vorteilhaft kann bei der angegebenen Schichtdicke eine besonders gute Haftvermittlung erzeugt werden.
  • Die Aufgabe wird außerdem durch eine haftvermittelnde Schicht auf einer Oberfläche eines Titanwerkstoffs, herstellbar oder hergestellt nach einem vorab beschriebenen Verfahren gelöst, gemäß Anspruch 11. Die Oberfläche des Titanwerkstoffs weist insbesondere eine poröse Nanostruktur mit nebeneinander angeordneten Erhebungen mit Hinterschnitten sowie insbesondere eine Interferenzfärbung auf. Die einzelnen Strukturen sind in der Größenordnung von 50-300 nm. Vorteilhaft kann die haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs langzeitstabil und mit besonders guten Hafteigenschaften mit organischem Material beschichtet und/oder versehen werden. Außerdem kann mittels der Interferenzfärbung erkannt werden, dass die gewünschte haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche des Titanwerkstoffs auch tatsächlich vorhanden ist bzw. dass der Titanwerkstoff auf seiner Oberfläche die haftvermittelnde Schicht aufweist. Im Übrigen ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum anodischen Oxidieren einer Oberfläche eines Titanwerkstoffs in einer alkalischen Lösung;
    Fig. 2
    eine Draufsicht auf eine mittels anodischen Oxidierens nanostrukturierte Oxidschicht auf der Oberfläche eines Titanwerkstoffs; und
    Figur 3
    einen Kryobruch der in Figur 2 gezeigten Oberfläche auf dem Titanwerkstoff.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zur Herstellung einer haftvermittelnden Schicht auf einer Oberfläche 3 eines Titanwerkstoffs 5. Die Vorrichtung 1 weist ein Bad 7 mit einem Elektrolyt 9 auf. Der Elektrolyt 9 weist Natriumhydroxid, Natriumtartrat, Methylglycindiessigsäure-Na3 sowie Pentanatriumtriphosphat in einer wässrigen Lösung auf. Zum Erzeugen einer in Figur 1 nicht näher dargestellten Oxidschicht sind der Titanwerkstoff 5 und das Bad 7 an eine elektrische Energiequelle 11 angeschlossen, wobei über den Elektrolyt 9 des Bades 7 ein Stromkreis geschlossen wird. Die elektrische Energiequelle 11 liefert eine Spannung 13, die einen Strom 15 in dem über den Elektrolyt 9 geschlossenen Stromkreis bewirkt. Gegebenenfalls können nicht näher dargestellte Steuer- und/oder Regelvorrichtungen zum Einstellen der Spannung 13 und/oder des Stromes 15 vorgesehen sein.
  • Mittels der Vorrichtung 1 kann durch anodisches Oxidieren eine in den Figuren 2 und 3 dargestellte Oxidschicht 17 auf der Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5 erzeugt werden. Maßstäbe sind in den Figuren 2 und 3 jeweils mit einer Linie, die mit einer Längenangabe in nm beschriftet sind, eingezeichnet.
  • Mittels des anodischen Oxidierens wird die haftvermittelnde Schicht auf der Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5 hergestellt. Dazu wird zunächst die Oberfläche 3 in das die alkalische Lösung bzw. den Elektrolyt 9 enthaltende Bad 7 eingebracht, beispielsweise durch zumindest teilweises Eintauchens des Titanwerkstoffs 5 in den Elektrolyt 9. Im eingebrachten Zustand der Oberfläche 3 wird die Spannung 13 zwischen dem Elektrolyt 9 und dem Titanwerkstoff 5 für eine vorgegebene Zeitdauer zur Herstellung der Schicht durch anodische Oxidation der Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5 hergestellt.
  • Figur 2 zeigt eine Draufsucht auf die Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5.
  • Figur 3 zeigt einen Kryobruch des Titanwerkstoffs 5 zusammen mit der Oberfläche 3, wobei die Oxidschicht 17 zu erkennen ist. Mittels eines Doppelpfeiles 19 ist in Figur 3 eine Dicke der Oxidschicht 17 symbolisiert, wobei diese ungefähr 150 nm beträgt.
  • In den Figuren 2 und 3 ist zu erkennen, dass die Oxidschicht 17 eine ausgeprägte Mikroporöse Nanostruktur aufweist, wobei diese knollenartige Auswüchse, die nebeneinander angeordnet sind, aufweist. Die knollenartigen Auswüchse weisen eine Dimension von kleiner als 300 nm, insbesondere kleiner als 250 nm, insbesondere kleiner als 200 nm, insbesondere kleiner als 150 nm, vorzugsweise kleiner als 50 nm bis 100 nm auf und bilden eine vorteilhafte mikroporöse Oberfläche.
    • Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • Zum Herstellen der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Oxidschicht 17 auf der Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5 wird das Bad 7 mit dem Elektrolyt 9 der Zusammensetzung 240 g/l Natriumhydroxid, 100 g/l Natriumtartrat, 30 g/l Methylglycindiessigsäure-Na3, und 7,5 g/l Pentanatriumtriphosphat gefüllt.
  • Die Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5 wird zumindest teilweise in das Bad 7 eingebracht, insbesondere eingetaucht.
  • An den zumindest teilweise eingetauchten Titanwerkstoff 5 und das Bad 7 wird mittels der elektrischen Energiequelle 11 die Spannung 13 mit 10 V angelegt. Der Strom 15 wird so eingestellt, dass auf der Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5 eine Stromdichte von maximal von 1,2 A/dm2 auftritt. Die Spannung 13 und der Strom 15 und damit die Stromdichte von 1,2 A/dm2 werden für eine Zeitdauer von 20 Minuten aufrechterhalten. Das Bad 7 wird auf eine Temperatur von 30 °C temperiert. Gegebenenfalls können zum Einstellen der Temperatur von 30 °C nicht näher dargestellte Temperatureinstellvorrichtungen, beispielsweise eine Heizung und/oder eine Kühlung vorgesehen sein.
  • Zusammenfassend kann die gewünschte nanostrukturierte Oberfläche 3, also die Oxidschicht 17 in einem gänzlich fluoridfreien Verfahren zur Vorbehandlung des Titanwerkstoffes 5 zum Erzielen von langzeitbeständigen, hochfesten Anbindungen von organischen Beschichtungen erzielt werden.
  • Vorteilhaft kann dies durch die mikro-/nanostrukturierte Oxidschicht 17 erzielt werden. Vorteilhaft kann die beschriebene poröse Oberflächenmorphologie auf dem Titanwerkstoff 5 erzeugt werden. Diese kann haftfest beschichtet werden, beispielsweise mit organischen Materialien wie Klebstoff, Lack, Dichtstoff und/oder Ähnlichem.
  • Vorteilhaft ist der Elektrolyt 9 nicht nur fluoridfrei, sondern enthält ausschließlich oder zumindest überwiegend umweltfreundliche Inhaltsstoffe, die insbesondere biologisch abbaubar sind.
  • Die Interferenzfärbung kann als Nachweis für die durchgeführte Behandlung und/oder als Identifikationsmerkmal für entsprechende behandelte Bauteile aus dem Titanwerkstoff 5 dienen.
  • Alternativ und/oder zusätzlich kann die Oxidschicht 17 auf der Oberfläche 3 des Titanwerkstoffs 5 auch zur Anbindung von biologischem Material verwendet werden, beispielsweise auf Implantaten.
  • Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Lösung zumindest in Spuren und/oder als zumindest teilweiser Ersatz vorhandener Ionen weitere Bestandteile aufweist, insbesondere Ionen derselben Periode eines Periodensystems.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    3
    Oberfläche
    5
    Titanwerkstoff
    7
    Bad
    9
    Elektrolyt
    11
    elektrische Energiequelle
    13
    Spannung
    15
    Strom
    17
    Oxidschicht
    19
    Doppelpfeil

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung einer haftvermittelnden Schicht auf einer Oberfläche (3) eines Titanwerkstoffs (5), umfassend:
    - Einbringen der Oberfläche (3) in eine wässrige alkalische Lösung umfassend Natriumhydroxid mit einer Konzentration in einem Bereich von 100 - 300 g/l, Natriumtartrat mit einer Konzentration in einem Bereich von 20 - 200 g/l, Methylglycindiessigsäure-Na3 mit einer Konzentration in einem Bereich von 5 g/l - 60 g/l, Pentanatriumtriphosphat mit einer Konzentration in einem Bereich von 2 g/l - 20 g/l, und
    - Anlegen einer Spannung (13) zwischen Lösung und Titanwerkstoff (5) für eine vorgegebene Zeitdauer zur Herstellung der Schicht durch anodische Oxidation der Oberfläche (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
    Natriumhydroxid mit einer Konzentration in einem Bereich von 150 - 285 g/l, weiter bevorzugt von 175 - 270 g/l, 195 - 250 g/l, 210 - 240 g/l, 238 - 242 g/l, speziell von 240 g/l vorliegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
    Natriumtartrat mit einer Konzentration in einem Bereich von 20 - 200 g/l, weiter bevorzugt von 60 - 140 g/l, 75 - 125 g/l, 85 - 110 g/l, 90 - 105 g/l, speziell von 100 g/l vorliegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Methylglycindiessigsäure-Na3 mit einer Konzentration in einem Bereich von 10 - 50 g/l, weiter bevorzugt 15 - 40 g/l, 20 - 35 g/l, 25 - 33 g/l, 28 - 32 g/l, speziell von 30 g/l vorliegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Pentanatriumtriphosphat mit einer Konzentration von 3 - 17 g/l, weiter bevorzugt von 4,5 - 13 g/l, oder 6 - 10 g/l, oder 7 - 8 g/l, speziell 7,5 g/l vorliegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die anodische Oxidation mit einer Spannung (13) in einem Bereich von 2 - 50 V, bevorzugt 3 - 45 V, 5 - 35 V, 7 - 25 V, 9 - 20 V, 9 - 15 V, 10 - 12 V, speziell 10 V vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem die anodische Oxidation für eine Zeitdauer in einem Bereich von 5 - 60 min, bevorzugt 8 - 50 min, 11 - 40 min, 15 - 30 min, 18 - 25 min, 19 - 22 min, speziell 20 min vorgenommen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die anodische Oxidation bei einer maximalen Stromdichte in einem Bereich von 0,2 - 10 A/dm2, bevorzugt 0,4 - 8 A/dm2, 0,6 - 4 A/dm2, 0,8 - 2 A/dm2, 1,0 - 1,5 A/dm2, 1,1 - 1,3 A/dm2, speziell von 1,2 A/dm2 vorgenommen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die anodische Oxidation bei einer Temperatur in einem Bereich von 5 - 60 °C, bevorzugt 10 - 50 °C, 15 - 40 °C, 20 - 35 °C, 25 - 33 °C, 28 - 32 °C, speziell von 30 °C vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die anodische Oxidation der Oberfläche in der alkalischen Lösung unter Erzeugung einer Oxidschicht mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 50 - 600 nm, bevorzugt 70 - 400 nm, 100 - 250 nm, , speziell von 150 nm vorgenommen wird.
  11. Haftvermittelnde Schicht auf einer Oberfläche (3) eines Titanwerkstoffs (5), herstellbar oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die haftvermittlende Schicht eine poröse Nanostruktur mit nebeneinander angeordneten Erhebungen mit Hinterschnitten sowie eine Interferenzfärbung aufweist.
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