EP3020852A1

EP3020852A1 - Verfahren zur herstellung einer verkratzungs- und verschmutzungstoleranten oberfläche eines metallbauteils und damit versehenes metallbauteil

Info

Publication number: EP3020852A1
Application number: EP15003222.5A
Authority: EP
Inventors: Markus Temming
Original assignee: Markus Temming Holding GmbH
Current assignee: Markus Temming Holding GmbH
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2035-11-11
Also published as: EP3020852B1; DE102014116403A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils (1) mit einer verkratzungs- und verschmutzungstoleranten Oberfläche sowie ein mit einer solchen Oberfläche versehenes Metallbauteil (1) zur Verfügung gestellt, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Metallbauteil (1) zur vollständigen Befreiung von einer Oxidschicht in einer Beize gereinigt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt das Metallbauteil (1) zur Farbgebung durch anodische Oxidation mit einer Farbschicht versehen wird, in einem dritten Verfahrensschrift das Metallbauteil (1) zur teilweisen Beschichtung mit einer Schichtdicke, die geringer ist als die Rauigkeit der Oberfläche des Metallbauteils (1) hoch ist, in einem kathodischen Tauchlackierungsverfahren (KTL-Verfahren) mit einem transparenten Lack (3) beschichtet wird, der sich von einem Profilgrund (4) bis unter die freibleibenden Profilspitzen (5) der Rauigkeit erstreckt und in einem vierten Verfahrensschritt zum Einbrennen des Lackes (3) das Metallbauteil (1) in einem Trockenofen erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verkratzungs- und verschmutzungstoleranten Oberfläche eines Metallbauteils, wie etwa aus Titan oder einer Titanlegierung, und ein mit einer solchen Oberfläche versehenes Metallbauteil.
Bekannte Verfahren zur Farbgebung von Metallbauteilen aus Titan bestehen etwa aus einer Hochvakuumbeschichtung (PVD), dem Einfärben der Teile durch anodische Oxidation (Anodisieren) oder durch das Lackieren der Metallbauteile mit Farblacken.
Problematisch bei der Hochvakuumbeschichtung (PVD) ist, dass das Farbspektrum sehr begrenzt ist, da damit nur Schwarztöne, Grautöne und Goldtöne erzeugt werden können. Zudem sind solche Oberflächen sehr fingerprintempfindlich, da beispielsweise Kontakt mit Hautkörperfetten bei diesen Oberflächen sofort zu Farbveränderungen des Metallbauteiles im Kontaktbereich führt, was nur durch gründliches Reinigen des Oberfläche wieder behoben werden kann. Die Problematik bei der anodischen Oxidation liegt ebenfalls in der sehr hohen Fingerprintempfindlichkeit der gefärbten Oberfläche, die noch größer ist als bei einer PVD-Beschichtung. Ein weiterer Nachteil der anodischen Oxidation besteht in der Empfindlichkeit der erzeugten Oberfläche gegen Kratzer und Druck, der in dem entsprechenden Bereich sofort zu einer bleibenden Farbveränderung führt. Das Problem beim Lackieren von Metallbauteilen aus Titan mit Farblacken besteht darin, dass es sehr schwierig ist, eine gute Haftung eines Lackes auf der Titanoberfläche zu erzielen, weil sich das Titanmaterial an der Luft sehr schnell mit einer Oxidschicht überzieht. Nachteilig ist zudem, dass eine solche Lackschicht, sobald sie durch einen Kratzer verletzt ist, beginnt weiter abzublättern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils wie aus Titan oder Titanlegierungen mit einer verkratzungs- und verschmutzungstoleranten Oberfläche sowie ein mit einer solchen Oberfläche versehenes Metallbauteil zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich in Verbindung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 11 erfindungsgemäß durch die technischen Merkmale deren kennzeichnender Teile.
Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zunächst, dass die Vorteile der bisher bekannten Beschichtungsverfahren zur Farbgebung bei dem erfinderischen Verfahren und bei dem beschichteten Metallbauteil erhalten bleiben, etwa der Vorteil einer PVD-Beschichtung, dass die Farbgebung eine Verbindung mit der Metalloberfläche eingeht, sodass auch eine verletzte Farbschicht nicht weiter abblättert. Der Vorteil der anodischen Oxidation, die ganz ohne Einlagerung zusätzlicher Farbkörper, je nach Schichtdicke, eine sehr große Farbpalette von Interferenzfarben aufweist, bleibt ebenfalls erhalten, wobei insbesondere der dritte Verfahrensschritt einen wesentlichen Beitrag dazu leistet, indem das Metallbauteil zur nur teilweisen Beschichtung mit einer Schichtdicke, die geringer ist als die Rauigkeit der Oberfläche des Metallbauteils hoch ist, in einem kathodischen Tauchlackierungsverfahren (KDL-Verfahren) mit einem transparenten Lack beschichtet wird, der sich von einem Profilgrund bis kurz unter die freibleibenden Profilspitzen der Rauigkeit erstreckt, sodass keine sich bis zum Profilgrund erstreckenden Verschmutzungen der Oberfläche des Metallbauteils einstellen können, da diese Fläche größtenteils von dem transparentem Lack bedeckt ist. Maßänderungen des Metallbauteils finden dabei nicht statt, sodass seine ursprüngliche Passgenauigkeit unverändert erhalten bleibt.
Dieser Lack wird in einem vierten Verfahrensschritt in einem Trockenofen eingebrannt, sodass sich nach einem vorherigen ersten Verfahrensschritt des Beizens des Metallbauteils zu einer vollständigen Befreiung von einer Oxidschicht und einer anschließenden anodischen Oxidation zur Farbgebung des Metallbauteils mit unterschiedlichen Interferenzfarben eine Farbschicht auf dem Metallbauteil erzeugen lässt, die gemeinsam mit der kathodischen Tauchlackierung mit Klarlack zu der gewünschten Oberflächenfunktion des Metallbauteils führt, die verkratzungs- und verschmutzungstolerant ist.
Durch dieses Verfahren erhält man in der gewünschten Farbgebung eine matte Oberfläche des Metallbauteils, die in der Haptik noch sehr stark einer Metalloberfläche ähnelt, da beim Anfassen eines solchen Metallbauteils nur die beschichteten Profilspitzen des metallischen Grundmaterials erfühlt werden. Die Fingerprintempfindlichkeit wird durch den transparenten Lack vollständig behoben, weil sich dieser Lack auf dem Profilgrund abgesetzt hat und dort eine Verbindung mit der Metalloberfläche eingegangen ist. Dies wird über eine elektrophoretische Abscheidung erzielt, bei der durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Wanderung kolloidal gelöster Lackpartikel und die Abscheidung auf dem Metallbauteil als Elektrode genau kontrolliert werden kann. Mit der präzisen Steuerung dieses elektrochemischen Verfahrens wird eine minimale Abscheidung des Lackes ausschließlich in den tiefer liegenden Bereichen der Oberflächenrauigkeiten des Metallbauteils erreicht.
Durch die elektrophoretische Abscheidung des Schutzlackes wird die darunter liegende Oxidschicht gegen äußere Einflüsse geschützt. Schweiß oder Körperfette, die eine Farbveränderung in Folge von unterschiedlicher Lichtbrechung verursachen würden, können durch diesen Schutzlack nicht mehr bis auf den Profilgrund vordringen, sodass sichergestellt werden kann, dass das Aussehen eines mit einer solchen Beschichtung versehendes Metallbauteils stets identisch bleibt. Der transparente Lack stellt demnach einen Platzhalter für sich ansonsten dort absetzen könnenden Schmutz dar und ist zudem durchsichtig, sodass keine Farbveränderungen bei der Benutzung eines mit einer solchen Oberfläche versehenden Bauteils erfolgen kann. Dadurch, dass der Lack gegenüber den Profilspitzen zurückgesetzt nur in den Werkstofftälern angeordnet ist, trägt er nicht auf, ist quasi unendlich dünn und lässt er sich nicht verkratzen und / oder beschädigen, wodurch insgesamt eine Oberfläche eines Metallbauteils zur Verfügung gestellt wird, mit einer sehr großen Farbpalette des Anodisierens und einer Festigkeit einer PVD-Beschichtung, jedoch ohne jegliche Fingerprintempfindlichkeit. Weiterhin umgibt der Lack auch komplizierte Strukturen gleichmäßig und ohne Läufer oder Tropfenbildung, sodass mit ihm alle Kanten und Ecken einen glatten Verlauf erhalten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich mit und in Kombination aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
Zur Sicherstellung eines zum gewünschten Fertigungsziel führenden Herstellungsverfahrens können zwischen den einzelnen Verfahrensschritten weitere Zwischenschritte eingefügt werden, die jeweils Spülvorgänge betreffen, insbesondere mit voll entsalztem Wasser, sogenanntem VE-Wasser, wobei diese Zwischenschritte in Standspülen oder Fließspülen erfolgen können und dem VE-Wasser zusätzlich auch Benetzungsmittel beigefügt werden können.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens ist dem ersten Verfahrensschritt ein Verfahrensschritt vorgeschaltet, in dem zur Aufrauhung der Oberfläche und Entfernung einer möglichen Oxidschicht der Oberfläche des Metallbauteils dieses mit einem grobkörnigen Strahlgut gestrahlt wird, wobei als Strahlgut bevorzugt Edelkorund (EK080) oder scharfkantiger Edelstahl (EDK080) verwandt wird. Durch dieses Strahlen wird gewährleistet, dass die bevorzugte Rauigkeit der Oberfläche des Metallbauteils an allen Stellen gewährleistet ist, sodass das Produktergebnis auf allen Oberflächen des Metallbauteils sicher erzielt werden kann.
Der dritte Verfahrensschritt des kathodischen Tauchlackierungsverfahrens kann so lange erfolgen, bis das etwa 75% bis maximal 98% der Oberfläche des Metallbauteiles sich vom Profilgrund nach außen aufbauend mit der Lackschicht aus dem transparenten Lack beschichtet ist, sodass sich die restlichen 25% bis 2% des Grundmaterials frei nach oben aus dem Lack erstrecken, wodurch für eine Person, die das Metallbauteil anfasst, ein metallisches Oberflächengefühl verbleibt, ohne dass körpereigene Ausdünstungen, Fett oder Schweiß bis zum Profilgrund der Rauigkeit der Oberfläche des Metallbauteils gelangen können, da dieser Zwischenraum mit dem Lack ausgefüllt ist.
Eine vorteilhafte Erweiterung der Farbpallette wird durch Tauchfärben mit farbigem Lack erzielt.
Nachfolgend ist ein Metallbauteil anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1.: einen starkvergrößerten Bereich der mit dem erfinderischen Verfahren beschichteten Oberfläche eines Metallbauteils.

Die Oberfläche des Metallbauteils 1 weist eine Rauigkeit auf, mit benachbarten Profilspitzen 5 und dazwischen befindlichen Tälern mit einem Profilgrund 4, wobei die talförmigen Zwischenräume mit einem transparenten Lack 3 soweit ausgefühlt sind, dass nur noch die Profilspitzen 5 weiter aus dieser Lackschicht hervorstehen.
Der transparente Lack 3 ermöglicht das Durchscheinen der auf der Oberfläche des Metallbauteiles 1 durch anodische Oxidation erzeugten Farbschicht 2.
Die Rauheitskennzahl der Oberfläche des Metallbauteils 1 kann etwa N7 betragen, mit einem arithmetischen Mittelrauwert Ra von 1,6 und eine Rautiefe von etwa 10 µm aufweisen. Die Rauheitskennzahlen können jedoch auch um +/- 1 abweichen, mit arithmetischen Mittelrauwerten von 0,8 bei N6 und 3,2 bei N8 als Rauheitskennzahlen und mit entsprechenden Rautiefen von 4 - 6,3 µm oder 16 - 25 µm.
Dieses Färbeverfahren für Metalle, insbesondere für Titan, führt mit seiner gesteuerten anodischen Oxidation und der elektrophoretischen Abscheidung zu einer extrem widerstandsfähigen Oberfläche mit einer großen Farbenvielfalt, wobei die Farben durch eine definiert erzeugte Oxidschicht erzeugt werden und die widerstandsfähige Oberflächen durch die partielle Oberflächenversiegelung mit Schutzlack. Eine Erweiterung der Farbpallette ist durch Tauchfärben mit farbigem Lack 3 möglich.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer verkratzungs- und verschmutzungstoleranten Oberfläche eines Metallbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt das Metallbauteil (1) zur vollständigen Befreiung von einer Oxidschicht in einer Beize gereinigt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt das Metallbauteil (1) zur Farbgebung durch anodische Oxidation mit einer Farbschicht versehen wird, in einem dritten Verfahrensschrift das Metallbauteil (1) zur teilweisen Beschichtung mit einer Schichtdicke, die geringer ist als die Rauigkeit der Oberfläche des Metallbauteils (1) hoch ist, in einem kathodischen Tauchlackierungsverfahren (KTL-Verfahren) mit einem transparenten Lack (3) beschichtet wird, der sich von einem Profilgrund (4) bis unter die freibleibenden Profilspitzen (5) der Rauigkeit erstreckt und in einem vierten Verfahrensschritt zum Einbrennen des Lackes (3) das Metallbauteil (1) in einem Trockenofen erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Metallbauteilen aus Titan oder Titanlegierungen angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbrennen des Lackes (3) für 10 - 30 Minuten bei 130°C bis 190°C erfolgt, insbesondere für 20 Minuten bei 160°C.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Zwischenschritten zwischen zwei oder mehreren Verfahrensschritten das Metallbauteil (1) mit einer Flüssigkeit gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und zweiten Verfahrensschritt in einem Zwischenschritt ein Spülvorgang mit VE-Wasser in einer Standspüle und anschließend/ oder zwischen ersten und zweitem Verfahrensschritt in einem Zwischenschritt ein Spülvorgang mit VE-Wasser in einer Fließspüle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten und dritten Verfahrensschritt in einem Zwischenschritt ein Spülvorgang mit VE-Wasser in einer Standspüle und anschließend/ oder in einem Zwischenschritt ein Spülvorgang mit VE-Wasser in einer Fließspüle und anschließend/ oder in einem Zwischenschritt ein Spülvorgang mit VE-Wasser und einem Benetzungsmittel in einer Standspüle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten und vierten Verfahrensschritt in einem Zwischenschritt ein Spülvorgang mit VE-Wasser in einer Standspüle und anschließend/ oder in einem Zwischenschritt ein Spülvorgang mit VE-Wasser und einem Benetzungsmittel in einer Standspüle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem ersten Verfahrensschritt vorgeschalteten Verfahrensschritt zur Aufrauhung der Oberfläche und Entfernung einer Oxidschicht die Oberfläche des Metallbauteils (1) mit einem grobkörnigen Strahlgut gestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlgut Edelkorund (EK080) oder scharfkantiger Edelstahl (EDK080) verwandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kathodische Tauchlackierungsverfahren so lange durchgeführt wird, bis mindestens 75% bis maximal 98% der Oberfläche mit einer sich vom Profilgrund (4) nach außen aufbauenden Lackschicht mit Lack (3) beschichtet ist.
Metallbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer verkratzungs- und verschmutzungstoleranten Oberfläche versehen ist, die durch anodische Oxidation mit einer vollflächigen Farbgebung und durch kathodische Tauchlackierung mit einer teilweisen Lackschicht aus einem transparenten Lack (3) versehen ist, der sich vom Profilgrund (4) eines Rauhigkeitsprofils der Oberfläche des Metallbauteils (1) bis kurz unter die Profilspitzen (5) des Rauhigkeitsprofils erstreckt, die über die Lackschicht hervorstehen.
Metallbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Titan oder einer Titanlegierung besteht.
Metallbauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass 75% - 98% der Oberfläche des Metallbauteils (1) mit Lack (3) beschichtet sind.
Metallbauteil nach einem der vorgenannten Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack (3) eine Farblack ist.