EP3392375A1 - Method for sludge-free layer-forming zinc phosphatizing of metallic components in series - Google Patents
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Abstract
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schichtbildenden Zinkphosphatierung von Bauteilen umfassend Oberflächen von Stahl mit hoher Toleranz gegenüber im Zinkphosphatierbad gelöstem Aluminium, bei dem die Ausfällung schwerlöslicher Aluminiumsalze weitgehend vermieden werden kann. In dem Verfahren wird auf eine Aktivierung der Zinkoberflächen mittels Dispersionen enthaltend partikuläres Hopeit, Phosphophyllit, Scholzit und/oder Hureaulith zurückgegriffen, wobei der Anteil an partikulären Phosphaten in der Aktivierung der Menge an freiem Fluorid und gelöstem Aluminium in der Zinkphosphatierung angepasst werden muss.The present invention relates to a process for the layer-forming zinc phosphating of components comprising surfaces of steel with high tolerance to dissolved in the zinc phosphating aluminum, in which the precipitation of sparingly soluble aluminum salts can be largely avoided. In the process, activation of the zinc surfaces by means of dispersions containing particulate hopeite, phosphophyllite, scholzite and / or hureaulite is resorted to, wherein the proportion of particulate phosphates must be adjusted in the activation of the amount of free fluoride and dissolved aluminum in the zinc phosphating.
Description
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schichtbildenden Zinkphosphatierung von Bauteilen umfassend Oberflächen von Stahl mit hoher Toleranz gegenüber im Zinkphosphatierbad gelöstem Aluminium, bei dem die Ausfällung schwerlöslicher Aluminiumsalze weitgehend vermieden werden kann. In dem Verfahren wird auf eine Aktivierung der Zinkoberflächen mittels Dispersionen enthaltend partikuläres Hopeit, Phosphophyllit, Scholzit und/oder Hureaulith zurückgegriffen, wobei der Anteil an partikulären Phosphaten in der Aktivierung der Menge an freiem Fluorid und gelöstem Aluminium in der Zinkphosphatierung angepasst werden muss.The present invention relates to a process for the layer-forming zinc phosphating of components comprising surfaces of steel with high tolerance to dissolved in the zinc phosphating aluminum, in which the precipitation of sparingly soluble aluminum salts can be largely avoided. In the process, activation of the zinc surfaces by means of dispersions containing particulate hopeite, phosphophyllite, scholzite and / or hureaulite is resorted to, wherein the proportion of particulate phosphates must be adjusted in the activation of the amount of free fluoride and dissolved aluminum in the zinc phosphating.
Die Zinkphosphatierung ist ein seit Jahrzehnten ausgeübtes und hervorragend untersuchtes schichtbildendes Verfahren zur Aufbringung kristalliner korrosionsschützender Überzüge auf metallischen Oberflächen, insbesondere auf Werkstoffen der Metalle Eisen, Zink und Aluminium. Die Zinkphosphatierung erfolgt in einer Schichtdicke von einigen wenigen Mikrometern und beruht auf einer korrosiven Beize des metallischen Werkstoffes in einer sauren wässrigen Zusammensetzung enthaltend Zink-Ionen und Phosphate, die sich als schwerlösliche Kristallite in einer alkalischen Diffusionsschicht unmittelbar an der metallischen Oberfläche Phasengrenze niederschlagen und dort weiter aufwachsen. Zur Unterstützung der Beizreaktion auf Werkstoffen des Metalls Aluminium sowie zur Maskierung des Badgiftes Aluminium, das in gelöster Form die Schichtbildung auf Werkstoffen des Metalls stört, werden häufig wasserlösliche Verbindungen hinzugesetzt, die eine Quelle für Fluorid-Ionen darstellen. Die Zinkphosphatierung wird stets mit einer Aktivierung der metallischen Oberflächen des zu phosphatierenden Bauteils eingeleitet. Die nasschemische Aktivierung erfolgt dabei konventionell durch In-Kontakt-Bringen mit kolloidalen Dispersionen von Phosphaten, die insofern auf der Metalloberfläche immobilisiert, in der nachfolgenden Phosphatierung als Wachstumskeim für die Ausbildung eines kristallinen Überzuges dienen. Geeignete Dispersionen sind dabei kolloidale zumeist alkalische wässrige Zusammensetzungen auf Basis von Phosphat-Kristalliten, die in ihrer Kristallstruktur nur geringe kristallographische Abweichungen von der Art der abzuscheidenden Zinkphosphatschicht aufweisen. Neben dem in der Literatur häufig als Jernstedt Salz bezeichnetem Titanphosphat eignen sich auch wasserunlösliche bi- und trivalente Phosphate als Ausgangsmaterialien für die Bereitstellung einer kolloidalen Lösung, die geeignet ist, eine Metalloberfläche für die Zinkphosphatierung zu aktivieren. So lehrt die
Jede Art der schichtbildenden Phosphatierung als Prozessfolge von Aktivierung und Zinkphosphatierung weist ihre Eigenart auf, die speziell bei der Behandlung von Bauteilen, die aus einem Mix verschiedener metallischer Materialien zusammengesetzt sind, oder auch bei der Behandlung neuartiger Werkstoffe bedeutsam wird. So ist bekannt, dass eine homogene Schichtbildung auf den Oberflächen des Werkstoffes Eisen in Gegenwart von Aluminium-Ionen nicht gelingt und eine Maskierung mit Fluorid-Ionen erforderlich macht. Die Maskierung der Aluminium-Ionen gerät jedoch dort an ihre Grenzen, wo hohe Anteile an Aluminium in das Zinkphosphatierbad gelangen und wiederum im Gleichwicht stehende Aluminium-Ionen die Ausbildung defektfreier Überzüge auf den Stahloberflächen stören. Im Stand der Technik wird daher das in der Zinkphosphatierung gelöste Aluminium zumindest teilweise dem Zinkphosphatierbad entzogen. Häufig werden hohe Gehalte von in Wasser gelöstem Aluminium auch durch die Ausfällung von Kryolith bzw. Elpasolith in Gegenwart von Natrium- und/oder KaliumIonen limitiert. Die Kryolith- bzw. Elpasolith-Fällung ist verfahrenstechnisch aufwendig zu kontrollieren und erfordert einerseits zur Vermeidung von Verkrustungen eine Entfernung des Schlammes aus dem Bad und anderseits zur Vermeidung von Defekten in der Tauchlackierung eine intensive Spüle nach der Zinkphosphatierung, um feinste Ablagerung von Kryolith- bzw. Elpasolith-Kristalliten von den phosphatierten Oberflächen zu entfernen. Die
Es besteht vorliegend die Aufgabe, für ein Verfahren zur Zinkphosphatierung von metallischen Bauteilen, das hohe Anteile an gelösten Aluminium toleriert, geeignete Bedingungen aufzufinden, für die auf den Stahloberflächen weitestgehend defektfreie Zinkphosphatüberzüge gelingen, so dass insgesamt eine hervorragende Lackhaftung resultiert. Insbesondere soll ein Verfahren bereitgestellt werden, bei dem metallische Bauteile in der Phosphatierstufe schichtbildend behandelt werden können, deren Oberflächen sowohl von metallischen Werkstoffen des Elements Eisen als auch metallischen Werkstoffen des Elements Aluminium gebildet werden. Auch soll der Pflegebedarf des Zinkphosphatierbades möglichst niedrig und idealerweise die sich durch Beizeintrag und Ausschleppung einstellende stationäre Gleichgewichtskonzentration bei der Behandlung einer Serie von Bauteilen unproblematisch für den Phosphatiererfolg auf den Stahloberflächen der Bauteile sein. Wünschenswert ist zudem, dass das Verfahren trotz der hohen Aluminiumgehalte nicht zur Abscheidung von schwerlöslichen Aluminiumsalzen, beispielsweise in Form von Kryolith und/oder Elpasolith, neigt, da mit einer solchen Ausfällung hohe verfahrenstechnische Nachteile aufgrund der Schlammbildung und häufig ein schlechterer Korrosionsschutz nach Beschichtung mit einem Tauchlack aufgrund feinster Einschlüsse von Kryolith- bzw. Elpasolith-Kristalliten Einschlüssen einhergehen.In the present case, the object is to find suitable conditions for a process for zinc phosphating of metallic components which tolerates high proportions of dissolved aluminum, for which zinc phosphate coatings largely defect-free on the steel surfaces result, so that an overall excellent paint adhesion results. In particular, a method is to be provided in which metallic components in the phosphating can be treated layer-forming, the surfaces of which are formed both of metallic materials of the element iron and metallic materials of the element aluminum. Also, the care needs of Zinkphosphatierbades should be as low as possible and ideally be adjusted by pickling and pickling stationary equilibrium concentration in the treatment of a series of components unproblematic for the Phosphatiererfolg on the steel surfaces of the components. It is also desirable that the process, in spite of the high aluminum contents, is not prone to precipitate sparingly soluble aluminum salts, for example in the form of cryolite and / or elpasolite, since with such precipitation there are high procedural disadvantages due to sludge formation and often poorer corrosion protection after coating with a Dipping paint due to the finest inclusions of cryolite or elpasolite crystallite inclusions.
Diese Aufgabe wird überraschenderweise dadurch gelöst, dass der Anteil an zur Aktivierung beitragenden partikulären Phosphaten auf die Menge an freiem Fluorid und in Wasser gelösten Aluminium-Ionen in der Zinkphosphatierung anzupassen ist.This object is surprisingly achieved in that the proportion of contributing to the activation of particulate phosphates on the amount of free fluoride and dissolved in water aluminum ions in the zinc phosphating is to be adjusted.
Die vorliegende Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur korrosionsschützenden Behandlung einer Serie von metallischen Bauteilen, wobei die Serie Bauteile umfasst, die zumindest teilweise Oberflächen von Eisen aufweisen, bei dem die metallischen Bauteile der Serie nacheinander die folgenden nasschemischen Behandlungsschritte durchlaufen:
- (I) Aktivierung durch In-Kontakt-Bringen mit einer alkalischen wässrigen Dispersion, die einen D50 Wert von weniger als 3 µm aufweist und deren anorganischer partikulärer Bestandteil Phosphate umfasst, wobei die Gesamtheit dieser Phosphate zumindest teilweise aus Hopeit, Phosphophyllit, Scholzit und/oder Hureaulith zusammengesetzt ist;
- (II) Zinkphosphatierung durch In-Kontakt-Bringen mit einer sauren wässrigen Zusammensetzung enthaltend
- (a) 5-50 g/l an Phosphat-Ionen,
- (b) 0,3-3 g/l an Zink-Ionen,
- (c) mindestens 15 mmol/kg an Aluminium-Ionen in gelöster Form, und
- (d) mindestens eine Quelle für Fluorid-Ionen,
- [AI]:
- Konzentration der Aluminium-Ionen in gelöster Form in mmol/kg
- [F]:
- Konzentration freies Fluorid in mmol/kg
- pH:
- pH-Wert der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung
- (I) activation by contacting with an alkaline aqueous dispersion having a D50 value of less than 3 microns and their inorganic particulate constituent comprises phosphates, wherein the totality of these phosphates is at least partially composed of hopeite, phosphophyllite, scholzite and / or hureaulite;
- (II) containing zinc phosphating by contacting with an acidic aqueous composition
- (a) 5-50 g / L of phosphate ions,
- (b) 0.3-3 g / l of zinc ions,
- (c) at least 15 mmol / kg of aluminum ions in dissolved form, and
- (d) at least one source of fluoride ions,
- [AI]:
- Concentration of aluminum ions in dissolved form in mmol / kg
- [F]:
- Concentration free fluoride in mmol / kg
- pH:
- pH of the acidic aqueous composition of zinc phosphating
Die gemäß vorliegender Erfindung behandelten Bauteile können alle beliebig geformten und gestalteten räumlichen Gebilde sein, die einem Fabrikationsprozess entstammen, insbesondere auch Halbzeuge wie Bänder, Bleche, Stangen, Rohre, etc. und Verbundkonstruktionen zusammengefügt aus vorgenannten Halbzeugen, wobei die Halbzeuge vorzugsweise durch Kleben, Schweißen und/oder Bördeln zur Verbundkonstruktion miteinander verbunden sind. Ein Bauteil ist im Sinne der vorliegenden Erfindung dann metallisch, wenn dessen geometrische Oberfläche mindestens zu 10% von metallischen Oberflächen gebildet wird.The treated according to the present invention components can be any arbitrarily shaped and designed spatial structures, which originate from a fabrication process, in particular also semi-finished products such as strips, sheets, rods, tubes, etc. and composite structures assembled from the aforementioned semi-finished products, wherein the semi-finished products preferably by gluing, welding and / or flanging to the composite structure are connected together. For the purposes of the present invention, a component is metallic if its geometric surface is formed by at least 10% of metallic surfaces.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die Behandlung von Bauteilen mit Oberflächen von Zink, Eisen oder Aluminium verwiesen wird, so sind damit alle Oberflächen von metallischen Substraten oder metallischen Überzügen umfasst, die das jeweilige Element zu mehr als 50 At.-% enthalten. So bilden verzinkte Stahlsorten erfindungsgemäß Oberflächen von Zink, wohingegen an den Schnittkanten und Durchschliffstellen beispielsweise einer Automobilkarosse, die allein aus verzinktem Stahl gefertigt ist, erfindungsgemäß Oberflächen von Eisen freigelegt sein können. Erfindungsgemäß weisen die Bauteile der Serie, die zumindest teilweise Oberflächen von Eisen aufweisen, vorzugsweise zumindest 5 % bezogen auf die Bauteiloberfläche Oberflächen von Eisen auf. Stahlsorten wie warmumgeformter Stahl können auch mit einer mehrere Mikrometer dicken metallischen Beschichtung von Aluminium und Silizium als Verzunderungsschutz und Umformhilfe versehen sein. Ein derartig beschichteter Stahlwerkstoff weist, obwohl der Grundwerkstoff Stahl ist, im Kontext der vorliegenden Erfindung eine Aluminiumoberfläche auf.When reference is made in the context of the present invention to the treatment of components with surfaces of zinc, iron or aluminum, so are all surfaces of metallic substrates or metallic coatings comprising the respective element to more than 50 at .-%. Thus, galvanized steel grades according to the invention form surfaces of zinc, whereas at the cutting edges and Durchschliffstellen example, an automobile body, which is made solely of galvanized steel, according to the invention surfaces of iron can be exposed. According to the invention, the components of the series which have at least partially surfaces of iron, preferably at least 5% with respect to the component surface surfaces of iron. Steel grades such as hot-formed steel may also be provided with a metallic coating of aluminum and silicon several microns thick to prevent scaling and forming. Such a coated steel material, although the base material is steel, has an aluminum surface in the context of the present invention.
Eine korrosionsschützende Behandlung der Bauteile in Serie liegt vor, wenn eine Vielzahl von Bauteilen mit in der in den jeweiligen Behandlungsschritten bereitgestellten und üblicherweise in Systemtanks vorgehaltenen Behandlungslösung in Kontakt gebracht wird, wobei das In-Kontakt-Bringen der einzelnen Bauteile nacheinander und damit zeitlich voneinander getrennt erfolgt. Der Systemtank ist dabei das Behältnis, in dem sich die Vorbehandlungslösung, zum Zwecke der korrosionsschützenden Behandlung in Serie befindet.An anti-corrosive treatment of the components in series is when a plurality of components is brought into contact with in the respective treatment steps provided and usually held in system tanks treatment solution, wherein the bringing into contact of the individual components sequentially and thus separated in time he follows. The system tank is the container in which the pre-treatment solution is in series for the purpose of anti-corrosive treatment.
Die Behandlungsschritte der Aktivierung und Zinkphosphatierung erfolgen für ein Bauteil der korrosionsschützenden Behandlung in Serie dann "nacheinander", wenn sie nicht durch eine andere als die jeweils vorgesehene nachfolgende nasschemische Behandlung unterbrochen werden.The treatment steps of activation and zinc phosphating are carried out for a component of the anticorrosive treatment in series then "successively", unless they are interrupted by any other than the respectively provided subsequent wet chemical treatment.
Nasschemische Behandlungsschritte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Behandlungsschritte, die durch In-Kontakt-Bringen des metallischen Bauteils mit einer im Wesentlich aus Wasser bestehenden Zusammensetzung erfolgen und keine Spülschritte darstellen. Ein Spülschritt dient ausschließlich der vollständigen oder teilweisen Entfernung löslicher Rückstände, Partikel und Wirkkomponenten, die aus einem vorausgegangenem nasschemischen Behandlungsschritt auf dem Bauteil anhaftend verschleppt werden, vom zu behandelnden Bauteil, ohne dass in der Spülflüssigkeit selbst Wirkkomponenten auf Basis metallischer oder halbmetallischer Elemente enthalten sind, die sich bereits durch das bloße In-Kontakt-Bringen der metallischen Oberflächen des Bauteils mit der Spülflüssigkeit verbrauchen. So kann die Spülflüssigkeit lediglich Stadtwasser sein.Wet-chemical treatment steps in the context of the present invention are treatment steps which take place by bringing the metallic component into contact with a composition consisting essentially of water and which do not constitute rinsing steps. A rinsing step serves only the complete or partial Removal of soluble residues, particles and active components, which are adhered to the component from a previous wet-chemical treatment step, from the component to be treated, without the active component itself containing active components based on metallic or semi-metallic elements, which are already Contacting the metallic surfaces of the component with the flushing liquid consume. So the flushing liquid can only be city water.
Die Konzentration an freiem Fluorid in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung ist nach Kalibrierung mit Fluorid-haltigen Pufferlösungen ohne pH-Pufferung mittels einer fluoridsensitiven Messelektrode potentiometrisch bei 20 °C in der jeweiligen sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung zu bestimmen.The concentration of free fluoride in the acidic aqueous composition of zinc phosphating after calibration with fluoride-containing buffer solutions without pH buffering by means of a fluoride-sensitive measuring electrode potentiometrically determined at 20 ° C in the respective acidic aqueous composition of zinc phosphating.
Die Konzentration an in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung gelöstem Aluminium-Ionen ist im Filtrat einer Membranfiltration der sauren wässrigen Zusammensetzung, die unter Verwendung einer Membran mit einer nominalen Porengröße von 0,2 µm erfolgt ist, mittels Atomemissionsspektrometrie (ICP-OES) zu bestimmen. Analog sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch die Konzentrationen anderer Ionen metallischer oder halbmetallischer Elemente in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung in gelöster Form zu bestimmen.The concentration of aluminum ion dissolved in the acidic aqueous zinc-phosphating composition is determined in the filtrate by membrane filtration of the acidic aqueous composition made using a membrane having a nominal pore size of 0.2 μm by atomic emission spectrometry (ICP-OES) , Similarly, in the context of the present invention, the concentrations of other ions of metallic or semimetallic elements in the acidic aqueous composition of the zinc phosphating are to be determined in dissolved form.
Der "pH-Wert", wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet, entspricht dem negativen dekadischen Logarithmus der Hydronium-Ionen Aktivität bei 20 °C und kann mittels pH-sensitiver Glaselektroden bestimmt werden. Eine Zusammensetzung ist demgemäß dann sauer, wenn ihr pH-Wert unterhalb von 7 liegt, und alkalisch, wenn ihr pH-Wert oberhalb von 7 liegt.The "pH" as used in the present invention corresponds to the negative decadic logarithm of the hydronium ion activity at 20 ° C and can be determined by means of pH-sensitive glass electrodes. Accordingly, a composition is acidic if its pH is below 7, and alkaline if its pH is above 7.
Der bevorzugte pH-Wert der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung liegt im erfindungsgemäßen Verfahren oberhalb von 2,5, besonders bevorzugt oberhalb von 2,7, jedoch vorzugsweise unterhalb von 3,5, besonders bevorzugt unterhalb von 3,3.The preferred pH of the acidic aqueous composition of zinc phosphating in the process according to the invention is above 2.5, more preferably above 2.7, but preferably below 3.5, most preferably below 3.3.
Im erfindungsgemäßen Verfahren sind die einzelnen Behandlungsschritte Aktivierung und Zinkphosphatierung derart aufeinander abgestimmt, dass auf den Eisenoberflächen des Bauteils stets ein homogener kristalliner Phosphatüberzug resultiert, ohne dass Aluminium-Ionen aus dem Zinkphosphatierbad entfernt werden müssten. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Konzentration der Phosphate in Form partikulären Phosphats in mmol/kg berechnet als PO4 in der alkalischen wässrigen Dispersion größer ist als 9 Hundertstel, besonders bevorzugt 1 Zehntel, des folgenden Terms in mmol/kg:
- [AI]:
- Konzentration der Aluminium-Ionen in gelöster Form in mmol/kg
- [F]:
- Konzentration freies Fluorid in mmol/kg
- pH:
- pH-Wert der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung
- [AI]:
- Concentration of aluminum ions in dissolved form in mmol / kg
- [F]:
- Concentration free fluoride in mmol / kg
- pH:
- pH of the acidic aqueous composition of zinc phosphating
Gute Ergebnisse in der Zinkphosphatierung können auch dann noch erzielt, wenn die Konzentration an in der sauren wässrigen Zusammensetzung gelöstem Aluminium deutlich oberhalb von 15 mmol/kg liegt. Hohe Toleranzwerte für den Gehalt an Aluminium im stationären Gleichgewicht einer Serienbehandlung einer Vielzahl von Bauteilen ermöglichen es, den Anteil an Oberflächen von Aluminium, der mit der Serie an Bauteilen zu behandeln ist, zu erhöhen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Konzentration an Aluminium-Ionen in gelöster Form in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung daher größer als 30 mmol/kg. Oberhalb von 100 mmol/kg an gelösten Aluminium-Ionen ist die für eine ausreichende Aktivierung der Eisenoberflächen erforderliche Menge an partikulären Bestandteilen, die Phosphate enthalten, derart hoch, dass das Verfahren wirtschaftlich unattraktiv wird. Erfindungsgemäß ist daher bevorzugt, wenn die Konzentration an Aluminium-Ionen in gelöster Form in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung kleiner als 100 mmol/kg, besonders bevorzugt kleiner als 60 mmol/kg, und insbesondere bevorzugt kleiner als 45 mmol/kg ist.Good results in zinc phosphating can still be achieved if the concentration of aluminum dissolved in the acidic aqueous composition is significantly above 15 mmol / kg. High tolerances for the steady state aluminum content of a series treatment of a plurality of components make it possible to increase the proportion of aluminum surfaces to be treated with the series of components. In a preferred embodiment of the process according to the invention, the concentration of aluminum ions in dissolved form in the acidic aqueous composition of the zinc phosphating is therefore greater than 30 mmol / kg. Above 100 mmol / kg of dissolved aluminum ions, the amount of particulates containing phosphates necessary for sufficient activation of the iron surfaces is so high that the process becomes economically unattractive. It is therefore preferred according to the invention if the concentration of aluminum ions in dissolved form in the acidic aqueous composition of the zinc phosphating is less than 100 mmol / kg, particularly preferably less than 60 mmol / kg, and particularly preferably less than 45 mmol / kg.
Der partikuläre Bestandteil der alkalischen wässrigen Dispersion ist derjenige Feststoffanteil, der nach Trocknung des Retentats einer Ultrafiltration eines definierten Teilvolumens der alkalischen wässrigen Dispersion mit einer nominalen Ausschlussgrenze von 10 kD (NMWC, Nominal Molecular Weight Cut Off) verbleibt. Die Ultrafiltration wird unter Zuspeisung von entionisiertem Wasser (κ<1µScm-1) solange durchgeführt, bis im Filtrat eine Leitfähigkeit unterhalb von 10 µScm-1 gemessen wird. Der anorganische partikuläre Bestandteil der alkalischen wässrigen Dispersion ist wiederum derjenige, der verbleibt, wenn der aus der Trocknung des Retentats der Ultrafiltration gewonnene partikuläre Bestandteil in einem Reaktionsofen unter Zuführung eines CO2-freien Sauerstoffstromes bei 900 °C ohne Beimischung von Katalysatoren oder anderen Zuschlagsstoffen solange pyrolysiert wird, bis ein Infrarot-Sensor im Auslass des Reaktionsofens ein mit dem CO2-freien Trägergas (Blindwert) identisches Signal liefert. Die im anorganischen partikulären Bestandteil enthaltenen Phosphate werden nach Säureaufschluss desselben mit wässriger 10 Gew.-% HN03 Lösung bei 25 °C für 15 min als Phosphorgehalt mittels Atomemissionsspektrometrie (ICP-OES) unmittelbar aus dem Säureaufschluss bestimmt.The particulate constituent of the alkaline aqueous dispersion is that solid fraction which, after drying the retentate, remains an ultrafiltration of a defined partial volume of the alkaline aqueous dispersion with a nominal cutoff limit of 10 kD (NMWC, Nominal Molecular Weight Cut Off). The ultrafiltration is carried out with the addition of deionized water (κ <1μScm -1 ) until a conductivity below 10 μScm -1 is measured in the filtrate. The inorganic particulate component of the alkaline aqueous dispersion is, in turn, the one remaining when the particulate component obtained from the drying of the ultrafiltration retentate remains in a reaction furnace at 900 ° C. with no CO 2 -free oxygen flow, without admixture of catalysts or other additives is pyrolyzed until an infrared sensor in the outlet of the reaction furnace provides a signal identical to the CO 2 -free carrier gas (blank). The phosphates contained in the inorganic particulate ingredient are determined after acid digestion thereof with aqueous 10 wt .-% HN0 3 solution at 25 ° C for 15 min as phosphorus content by atomic emission spectrometry (ICP-OES) directly from the acid digestion.
Entscheidend für eine Aktivierung der Oberflächen von Eisen ist, dass die alkalische wässrige Dispersion einen D50 Wert von weniger als 3 µm aufweist, da anderenfalls nur sehr über sehr hohe und damit nicht wirtschaftliche Anteile an partikulären Bestandteilen eine ausreichende Belegung der Metalloberflächen mit Partikeln, die Kristallisationskeime für die Zinkphosphatierung darstellen, erfolgen kann. Zudem neigen Dispersionen, deren Partikel durchschnittlich größer sind, zur Sedimentation.Decisive for an activation of the surfaces of iron is that the alkaline aqueous dispersion has a D50 value of less than 3 microns, since otherwise only very high and thus non-economic proportions of particulate components sufficient occupancy of the metal surfaces with particles, the crystallization nuclei for zinc phosphating, can be done. In addition, dispersions whose particles are on average larger, tend to sedimentation.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der D50-Wert der alkalischen wässrigen Dispersion der Aktivierung daher kleiner als 2 µm, besonders bevorzugt kleiner als 1 µm, wobei der D90-Wert, vorzugsweise kleiner als 5 µm ist, so dass mindestens 90 Vol.-% der in der alkalischen wässrigen Zusammensetzung enthaltenden partikulären Bestandteile diesen Wert unterschreiten.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the D50 value of the alkaline aqueous dispersion of the activation is therefore less than 2 .mu.m, more preferably less than 1 .mu.m, the D90 value being preferably less than 5 .mu.m, so that at least 90 vol. -% of the particulate components contained in the alkaline aqueous composition fall below this value.
Der D50-Wert bezeichnet in diesem Zusammenhang den volumenmittleren Teilchendurchmesser den 50 Vol.-% der in der alkalischen wässrigen Zusammensetzung enthaltenden partikulären Bestandteile nicht überschreiten. Der volumenmittlere Teilchendurchmesser kann gemäß ISO 13320:2009 mittels Streulichtanalyse nach der Mie-Theorie aus volumengewichteten kumulativen Partikelgrößenverteilungen als sogenannter D50-Wert unmittelbar in der jeweiligen Zusammensetzung bei 20 °C bestimmt werden, wobei sphärische Partikel und ein Brechungsindex der streuenden Partikel von nD = 1,52-i·0,1 unterstellt werden.The D50 value in this context refers to the volume-average particle diameter of the 50% by volume of that in the alkaline aqueous composition do not exceed containing particulate ingredients. The volume-average particle diameter can be determined according to ISO 13320: 2009 by means of scattered light analysis according to the Mie theory of volume-weighted cumulative particle size distributions as so-called D50 value directly in the respective composition at 20 ° C, wherein spherical particles and a refractive index of the scattering particles of n D = 1.52-i · 0.1 are assumed.
Die Aktivkomponenten der alkalischen Dispersion, die effektiv die Bildung eines geschlossenen Zinkphosphatüberzuges auf den Eisenoberflächen des Bauteils in der nachfolgenden Phosphatierung fördern und in diesem Sinne die Eisenoberflächen aktivieren, sind vornehmlich aus Phosphaten zusammengesetzt, die wiederum zumindest teilweise Hopeit, Phosphophyllit, Scholzit und/oder Hureaulith umfassen. Insofern ist eine solche Aktivierung bevorzugt, bei der der Phosphatanteil der anorganischen partikulären Bestandteile der alkalischen wässrigen Dispersion der Aktivierung bei zumindest 30 Gew.-%, besonders bevorzugt bei zumindest 35 Gew.-%, insbesondere bevorzugt bei zumindest 40 Gew.-% berechnet als PO4 und bezogen auf den anorganischen partikulären Bestandteil der Dispersion liegt.The active components of the alkaline dispersion, which effectively promote the formation of a closed zinc phosphate coating on the iron surfaces of the component in the subsequent phosphating and in this sense activate the iron surfaces, are composed primarily of phosphates, which in turn are at least partially hopeite, phosphophyllite, scholzite and / or hureauxite include. In this respect, such activation is preferred in which the phosphate fraction of the inorganic particulate constituents of the alkaline aqueous dispersion of the activation is calculated at at least 30% by weight, more preferably at least 35% by weight, particularly preferably at least 40% by weight PO 4 and based on the inorganic particulate component of the dispersion.
Eine Aktivierung im Sinne der vorliegenden Erfindung beruht also im Wesentlichen auf den erfindungsgemäß enthaltenden Phosphaten in partikulärer Form, wobei die Phosphate vorzugsweise zumindest teilweise aus Hopeit, Phosphophyllit und/oder Scholzit, besonders bevorzugt auf Hopeit und/oder Phosphophyllit und insbesondere bevorzugt auf Hopeit, zusammengesetzt sind. Die Phosphate Hopeit, Phosphophyllit, Scholzit und/oder Hureaulith können zur Bereitstellung der alkalischen wässrigen Dispersion als fein gemahlene Pulver oder als mit einem Stabilisator verriebene Pulverpaste in eine wässrige Lösung eindispergiert werden. Hopeite umfassen ohne Berücksichtigung von Kristallwasser stöchiometrisch Zn3(PO4)2 sowie die Nickel- und Manganhaltigen Varianten Zn2Mn(PO4)3, Zn2Ni(PO4)3, wohingegen Phosphophyllit aus Zn2Fe(PO4)3, Scholzit aus Zn2Ca(PO4)3 und Hureaulith aus Mn3(PO4)2 besteht. Die Existenz der kristallinen Phasen Hopeit, Phosphophyllit, Scholzit und/oder Hureaulith in der alkalischen wässrigen Dispersion kann nach Abtrennung des partikulären Bestandteils mittels Ultrafiltration mit einer nominalen Ausschlussgrenze von 10 kD (NMWC, Nominal Molecular Weight Cut Off) wie oben beschrieben und Trocknung des Retentats bis zur Massenkonstanz bei 105°C mittels röntgendiffraktometrischer Methoden (XRD) nachgewiesen werden.Activation in the context of the present invention is thus essentially based on the phosphates according to the invention in particulate form, wherein the phosphates are preferably at least partially composed of hopeite, phosphophyllite and / or scholzite, particularly preferably hopeite and / or phosphophyllite and particularly preferably hopite are. The phosphites hopeite, phosphophyllite, scholzite and / or hureaulite may be dispersed into an aqueous solution to provide the alkaline aqueous dispersion as finely ground powders or as a powder paste triturated with a stabilizer. Hopeite, without consideration of water of crystallization, comprise stoichiometrically Zn 3 (PO 4 ) 2 as well as the nickel- and manganese-containing variants Zn 2 Mn (PO 4 ) 3 , Zn 2 Ni (PO 4 ) 3 , whereas phosphophyllite comprises Zn 2 Fe (PO 4 ) 3 , Scholzite consists of Zn 2 Ca (PO 4 ) 3 and Hureaulith consists of Mn 3 (PO 4 ) 2 . The existence of the crystalline phases hopeite, phosphophyllite, scholzite and / or hureaulite in the alkaline aqueous dispersion may, after separation of the particulate component by ultrafiltration with a nominal cutoff limit of 10 kD (NMWC) as described above and drying of the retentate to Constant mass at 105 ° C using X-ray diffractometric methods (XRD) are detected.
Aufgrund der Präferenz für die Anwesenheit von Phosphaten, die Zink-Ionen umfassen und eine bestimmte Kristallinität aufweisen, sind für die Bildung fest anhaftender kristalliner Zinkphosphatüberzüge erfindungsgemäß Verfahren bevorzugt, in denen die alkalische wässrige Dispersion der Aktivierung mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 30 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 40 Gew.-% an Zink im anorganischen partikulären Bestandteil der alkalischen wässrigen Dispersion bezogen auf den Phosphatanteil des anorganischen partikulären Bestanteils, berechnet als PO4, enthält.Due to the preference for the presence of phosphates comprising zinc ions and having a certain crystallinity, preferred for the formation of firmly adherent crystalline zinc phosphate coatings are processes in which the alkaline aqueous dispersion of activation is at least 20% by weight, preferably at least 30% Wt .-%, particularly preferably at least 40 wt .-% of zinc in the inorganic particulate component of the alkaline aqueous dispersion based on the phosphate content of the inorganic particulate Bestanteils, calculated as PO 4 contains.
Eine Aktivierung im Sinne der vorliegenden Erfindung soll jedoch nicht mittels kolloidaler Lösungen von Titanphosphaten erzielt werden, da anderenfalls die schichtbildende Zinkphosphatierung auf Oberflächen von Eisen, insbesondere Stahl, nicht zuverlässig gelingt und der Vorteil dünner effektiv vor Korrosion schützender Phosphatüberzüge auf Aluminium nicht realisiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher der Anteil an Titan im anorganischen partikulären Bestandteil der alkalischen wässrigen Dispersion der Aktivierung vorzugsweise kleiner als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner als 1 Gew.-% bezogen auf den anorganischen partikulären Bestandteil der Dispersion ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die alkalische wässrige Dispersion der Aktivierung insgesamt weniger als 10 mg/kg, besonders bevorzugt weniger als 1 mg/kg an Titan.However, activation in the sense of the present invention is not intended to be achieved by means of colloidal solutions of titanium phosphates, since otherwise the layer-forming zinc phosphating on surfaces of iron, especially steel, does not succeed reliably and the advantage of thin effectively corrosion-protective phosphate coatings on aluminum is not realized. In a preferred embodiment of the method according to the invention, therefore, the proportion of titanium in the inorganic particulate component of the alkaline aqueous dispersion of the activation is preferably less than 5 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-% based on the inorganic particulate component of the dispersion , In a particularly preferred embodiment, the alkaline aqueous dispersion of the activation contains a total of less than 10 mg / kg, more preferably less than 1 mg / kg of titanium.
Für eine hinreichende Aktivierung sämtlicher metallischer Oberflächen ausgewählt aus Zink, Aluminium und Eisen sollte der Anteil der anorganischen partikulären Bestandteile, der Phosphate umfasst, entsprechend angepasst werden. Hierfür ist es allgemein bevorzugt, wenn im erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil der Phosphate im anorganischen partikulären Bestandteil bezogen auf die alkalische wässrige Dispersion der Aktivierung mindestens 40 mg/kg, vorzugsweise mindestens 80 mg/kg, besonders bevorzugt mindestens 150 mg/kg berechnet als PO4 beträgt. Aus wirtschaftlichen Gründen und für reproduzierbare Beschichtungsergebnisse sollte die Aktivierung mit möglichst verdünnten kolloidalen Lösungen erfolgen. Daher ist bevorzugt, dass der Anteil der Phosphate im anorganischen partikulären Bestandteil bezogen auf die alkalische wässrige Dispersion der Aktivierung geringer als 0,8 g/kg, besonders bevorzugt geringer als 0,6 g/kg, insbesondere bevorzugt geringer als 0,4 g/kg berechnet als PO4 ist.For a sufficient activation of all metallic surfaces selected from zinc, aluminum and iron, the proportion of the inorganic particulate components comprising phosphates should be adjusted accordingly. For this purpose, it is generally preferred if, in the process according to the invention, the proportion of phosphates in the inorganic particulate constituent based on the alkaline aqueous dispersion of the activation is at least 40 mg / kg, preferably at least 80 mg / kg, more preferably at least 150 mg / kg calculated as PO 4 is. For economic reasons and for reproducible coating results, the activation with as dilute as possible colloidal solutions. It is therefore preferred that the proportion of the phosphates in the inorganic particulate constituent based on the alkaline aqueous dispersion of the activation is less than 0.8 g / kg, more preferably less than 0.6 g / kg, particularly preferably less than 0.4 g / kg calculated as PO 4 .
Für eine gute Aktivierung von Bauteilen, die Eisenoberflächen aufweisen, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Metalloberflächen während der Aktivierung nur gering gebeizt werden. Gleiches gilt auch für die Aktivierung auf den Oberflächen von Aluminium und Zink. Gleichzeitig sollten die anorganischen partikulären Bestandteile, insbesondere die unlöslichen Phosphate nur einer geringgradigen Korrosion unterliegen. Demgemäß ist es im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wenn der pH-Wert der alkalischen wässrigen Dispersion in der Aktivierung größer als 8, besonders bevorzugt größer als 9, jedoch vorzugsweise kleiner als 12, besonders bevorzugt kleiner als 11 ist.For a good activation of components which have iron surfaces, it is also advantageous if the metal surfaces are only slightly stained during activation. The same applies to activation on the surfaces of aluminum and zinc. At the same time, the inorganic particulate constituents, in particular the insoluble phosphates, should undergo only a slight degree of corrosion. Accordingly, it is preferred in the process according to the invention if the pH of the alkaline aqueous dispersion in the activation is greater than 8, more preferably greater than 9, but preferably less than 12, more preferably less than 11.
Der zweite Behandlungsschritt der Zinkphosphatierung folgt der Aktivierung mit oder ohne dazwischenliegendem Spülschritt, unmittelbar, so dass jedes Bauteil der Serie nacheinander die Aktivierung gefolgt von der Zinkphosphatierung ohne dazwischenliegenden nasschemischen Behandlungsschritt durchläuft. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen zwischen der Aktivierung und der Zinkphosphatierung weder ein Spül- noch ein Trocknungsschritt für die Bauteile der Serie. Ein Trocknungsschritt im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet einen Vorgang, bei dem die einen Nassfilm aufweisenden Oberflächen des metallischen Bauteils unter Zuhilfenahme technischer Maßnahmen getrocknet werden sollen, beispielsweise durch Zuführung thermischer Energie oder Überleiten eines Luftstromes.The second zinc phosphating treatment step is followed by activation with or without intermediate rinsing step, immediately, so that each component of the series successively undergoes activation followed by zinc phosphating without intervening wet chemical treatment step. In a preferred embodiment of the method according to the invention, neither a rinsing nor a drying step takes place between the activation and the zinc phosphating for the components of the series. A drying step in the context of the present invention refers to a process in which the surfaces of the metallic component having a wet film are to be dried with the aid of technical measures, for example by supplying thermal energy or passing an air stream.
Die Zinkphosphatierung gelingt, insofern die erfindungsgemäße Abstimmung mit der Aktivierung erfolgt ist, im Regelfall mit konventionellen Phosphatierbädern, die
- (a) 5 - 50 g/kg, vorzugsweise 10-25 g/kg an Phosphat-Ionen,
- (b) 0,3-3 g/kg, vorzugsweise 0,8-2 g/kg an Zink-Ionen, und
- (c) mindestens eine Quelle für freies Fluorid
- (a) 5-50 g / kg, preferably 10-25 g / kg of phosphate ions,
- (b) 0.3-3 g / kg, preferably 0.8-2 g / kg of zinc ions, and
- (c) at least one source of free fluoride
Die Menge an Phosphat-Ionen umfasst erfindungsgemäß die Orthophosphorsäure sowie die in Wasser gelösten Anionen der Salze der Orthophosphorsäure berechnet als PO4.According to the invention, the amount of phosphate ions comprises the orthophosphoric acid and the anions of the salts of orthophosphoric acid dissolved in water, calculated as PO 4 .
Der Anteil der freien Säure in Punkten beträgt in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung vorzugsweise mindestens 0,4, jedoch vorzugsweise nicht mehr als 3, besonders bevorzugt nicht mehr als 2. Der Anteil der freien Säure in Punkten wird bestimmt, indem 10 ml Probevolumen der sauren wässrigen Zusammensetzung auf 50 ml verdünnt und mit 0,1 N Natronlauge bis zu einem pH-Wert von 3,6 titriert werden. Der Verbrauch an ml Natronlauge gibt die Punktzahl freier Säure an.The proportion of the free acid in points in the acidic aqueous composition of the zinc phosphating is preferably at least 0.4, but preferably not more than 3, more preferably not more than 2. The proportion of free acid in points is determined by adding 10 ml sample volume of the diluted acidic aqueous composition to 50 ml and titrated with 0.1 N sodium hydroxide solution to a pH of 3.6. The consumption of ml of sodium hydroxide gives the score of free acid.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die saure wässrige Zusammensetzung der Zinkphosphatierung zusätzlich Kationen der Metalle Mangan, Kalzium, Eisen, Magnesium und/oder Aluminium.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the acidic aqueous composition of the zinc phosphating additionally comprises cations of the metals manganese, calcium, iron, magnesium and / or aluminum.
Auch die übliche Additivierung der Zinkphosphatierung kann erfindungsgemäß in analoger Weise durchgeführt werden, so dass die saure wässrige Zusammensetzung die üblichen Beschleuniger wie Wasserstoffperoxid, Nitrit, Hydroxylamin, Nitroguanidin und/oder N-Methylmorpholin-N-Oxid enthalten kann.The customary addition of zinc phosphating can also be carried out in an analogous manner according to the invention so that the acidic aqueous composition can contain the conventional accelerators such as hydrogen peroxide, nitrite, hydroxylamine, nitroguanidine and / or N-methylmorpholine-N-oxide.
Eine Quelle für freie Fluorid-Ionen ist essentiell für den Prozess der schichtbildenden Zinkphosphatierung auf allen metallischen Oberflächen des Bauteils, insofern diese ausgewählt sind aus Oberflächen von Eisen, Aluminium und/oder Zink. Sollen sämtliche Oberflächen dieser metallischen Materialien als Bestandteile der Bauteile, die im Rahmen der Serie behandelt werden, mit einem Phosphatüberzug versehen werden, so ist die Menge der partikulären Bestandteile in der Aktivierung an die für die Schichtbildung in der Zinkphosphatierung erforderliche Menge an freiem Fluorid anzupassen. Für einen geschlossenen und defektfreien Phosphatüberzug auf den Oberflächen von Eisen, insbesondere Stahl, ist im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wenn die Menge an freiem Fluorid in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung mindestens 0,5 mmol/kg beträgt. Sollen zudem auch Oberflächen von Aluminium mit einem geschlossenen Phosphatüberzug innerhalb der Serie von zu behandelnden Bauteilen versehen werden, so ist im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wenn die Menge an freiem Fluorid in der sauren wässrigen Zusammensetzung mindestens 2 mmol/kg beträgt. Allgemein ist es aus wirtschaftlichen Erwägungen vorteilhaft, wenn im erfindungsgemäßen Verfahren die Konzentration an freiem Fluorid in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung unterhalb von 50 mmol/kg, besonders bevorzugt unterhalb von 40 mmol/kg, insbesondere bevorzugt unterhalb von 30 mmol/kg liegt. Sollen zudem auch Oberflächen von Zink mit einem geschlossenen Phosphatüberzug innerhalb der Serie von zu behandelnden Bauteilen versehen werden, so ist im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wenn die Konzentration an freiem Fluorid keine Werte überschreitet, oberhalb der die Phosphatüberzüge lose Anhaftungen von Phosphaten aufweisen, die leicht abwischbar sind, da diese auch durch eine Erhöhung der Menge an partikulären Phosphaten in der alkalischen wässrigen Dispersion der Aktivierung nicht vermieden werden können. Daher ist es für derartige Bauteile bevorzugt, dass im erfindungsgemäßen Verfahren die Konzentration an freiem Fluorid in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung unterhalb von 8 mmol/kg liegt.A source of free fluoride ions is essential for the process of layer-forming zinc phosphating on all metallic surfaces of the component, insofar as these are selected from surfaces of iron, aluminum and / or zinc. If all surfaces of these metallic materials are to be provided with a phosphate coating as constituents of the components which are treated in the series, then the amount of the particulate constituents in the activation must be adapted to the amount of free fluoride required for layer formation in the zinc phosphating. For a closed and defect-free phosphate coating on the surfaces of iron, especially steel, is preferred in the process according to the invention if the amount of free fluoride in the acidic aqueous composition of the zinc phosphating is at least 0.5 mmol / kg. In addition, if surfaces of aluminum are to be provided with a closed phosphate coating within the series of components to be treated, it is preferred in the process according to the invention if the amount of free fluoride in the acidic aqueous composition is at least 2 mmol / kg. In general, it is advantageous for economic reasons if in the process according to the invention the concentration of free fluoride in the acidic aqueous composition of zinc phosphating is below 50 mmol / kg, more preferably below 40 mmol / kg, especially preferably below 30 mmol / kg. If, in addition, surfaces of zinc are to be provided with a closed phosphate coating within the series of components to be treated, it is preferred in the method according to the invention if the concentration of free fluoride does not exceed values above which the phosphate coatings have loose adhesions of phosphates which are easily wipeable because they can not be avoided even by increasing the amount of particulate phosphates in the alkaline aqueous dispersion of activation. Therefore, it is preferred for such devices that in the process of the present invention, the concentration of free fluoride in the acidic aqueous composition of zinc phosphating is below 8 mmol / kg.
Die Menge an freiem Fluorid ist nach Kalibrierung mit Fluorid-haltigen Pufferlösungen ohne pH-Pufferung mittels einer fluoridsensitiven Messelektrode potentiometrisch bei 20 °C in der jeweiligen sauren wässrigen Zusammensetzung zu bestimmen. Geeignete Quellen für freies Fluorid sind Flusssäure sowie deren wasserlöslichen Salze, wie Ammoniumbifluorid und Natriumfluorid, sowie komplexe Fluoride der Elemente Zr, Ti und/oder Si, insbesondere komplexe Fluoride des Elements Si. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Quelle für freies Fluorid daher ausgewählt aus Flusssäure sowie deren wasserlöslichen Salzen und/oder komplexen Fluoriden der Elemente Zr, Ti und/oder Si. Salze der Flusssäure sind dann wasserlöslich im Sinne der vorliegenden Erfindung, wenn ihre Löslichkeit in entionisiertem Wasser (κ<1µScm-1) bei 60°C mindestens 1 g/L berechnet als F beträgt.The amount of free fluoride is determined potentiometrically after calibration with fluoride-containing buffer solutions without pH buffering by means of a fluoride-sensitive measuring electrode at 20 ° C in the respective acidic aqueous composition. Suitable sources of free fluoride are hydrofluoric acid and its water-soluble salts, such as ammonium bifluoride and sodium fluoride, as well as complex fluorides of the elements Zr, Ti and / or Si, in particular complex fluorides of the element Si. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the source of free fluoride is therefore selected from hydrofluoric acid and its water-soluble salts and / or complex fluorides of the elements Zr, Ti and / or Si. Salts of hydrofluoric acid are water-soluble for the purposes of the present invention, if their solubility in deionized water (κ <1μScm -1 ) at 60 ° C is at least 1 g / L calculated as F.
Zur Vermeidung der Fällung schwerlöslicher Aluminiumsalze, beispielsweise in Form von Kryolith und/oder Elpasolith, enthält die saure wässrige Zusammensetzung der Zinkphosphatierung nur begrenzte Mengen an Natrium- und/oder Kalium-Ionen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gilt daher, dass die Gesamtkonzentration an Natrium- und/oder Kalium-Ionen in gelöster Form in mmol/kg kleiner als die Zahl 40, besonders bevorzugt kleiner als die Zahl 30, insbesondere bevorzugt kleiner als die Zahl 20, dividiert durch die dritte Wurzel der Konzentration an Aluminium-Ionen in gelöster Form ist.To avoid the precipitation of sparingly soluble aluminum salts, for example in the form of cryolite and / or elpasolite, the acidic aqueous composition of zinc phosphating contains only limited amounts of sodium and / or potassium ions. In a preferred embodiment of the method according to the invention therefore applies that the total concentration of sodium and / or potassium ions in dissolved form in mmol / kg less than the number 40, more preferably less than the number 30, particularly preferably less than the number 20 , divided by the third root of the concentration of aluminum ions in dissolved form.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht wie bereits erwähnt darin, dass in dessen Verlauf auch dünne geschlossene Zinkphosphatüberzüge auf Oberflächen von Aluminium gebildet werden. Konsequenterweise umfasst die zu behandelnde Serie an Bauteilen im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise auch die Behandlung von Bauteilen, die mindestens eine Oberfläche von Aluminium aufweisen. Hierbei ist es unerheblich, ob die Oberflächen von Zink und Aluminium in einem aus entsprechenden Materialien zusammengesetzten Bauteil oder in verschiedenen Bauteilen der Serie realisiert sind. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden daher innerhalb der Serie vorzugsweise auch solche Bauteile behandelt werden, die Oberflächen von Aluminium aufweisen, wobei die Bauteile der Serie neben den Oberflächen von Eisen vorzugsweise auch Oberflächen von Aluminium aufweisen.As already mentioned, a further advantage of the method according to the invention consists in the fact that thin closed zinc phosphate coatings are also formed on surfaces of aluminum during its course. Consequently, the series of components to be treated in the method according to the invention preferably also includes the treatment of components which have at least one surface of aluminum. It is irrelevant whether the surfaces of zinc and aluminum are realized in a component composed of corresponding materials or in different components of the series. In the method according to the invention, therefore, within the series preferably also those components are treated which have surfaces of aluminum, wherein the components of the series preferably also have surfaces of aluminum in addition to the surfaces of iron.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem innerhalb der Serie von zu behandelnden Bauteilen neben Oberflächen von Eisen auch Oberflächen von Aluminium mit einem Phosphatüberzug versehen werden sollen und jedes Bauteil der Serie gleich zusammengesetzt ist, kann bis zu einer durch die tatsächliche Ausschleppung aus dem Zinkphosphatierbad vorgegebenen Beizrate an Aluminium wirtschaftlich betrieben werden, ohne dass in der Zinkphosphatierung gelöste Aluminium-Ionen aus dem Bad entfernt werden müssten. Diese von der Ausschleppung aus der Zinkphosphatierung abhängige Beizrate beträgt bezogen auf die Gesamtoberfläche eines jeden Bauteils:
- A:
- tatsächliche Ausschleppung aus dem Zinkphosphatierbad angegeben in Milliliter der sauren wässrigen Zusammensetzung pro Bauteil und pro Quadratmeter des Bauteils
- A:
- actual carry-over from the zinc phosphating bath indicated in milliliters of the acidic aqueous composition per component and per square meter of the component
Es stellt sich bei der Behandlung der Serie der Bauteile, insofern die Beizrate den obigen von der Ausschleppung abhängigen Wert (Gl. 2) unterschreitet, eine stationäre Konzentration an gelöstem Aluminium von nicht mehr als 100 mmol/kg in der sauren wässrigen Zusammensetzung der Zinkphosphatierung ein.In the case of treating the series of components, insofar as the pickling rate is lower than the above pulp dependent value (equation 2), a steady state concentration of dissolved aluminum of not more than 100 mmol / kg in the acidic aqueous composition of the zinc phosphating is established ,
Für den Fall, dass die Beizrate an Aluminium den obigen durch die Ausschleppung aus der Zinkphosphatierung vorgegebenen Wert überschreitet, ist es zur Abreicherung von Aluminium-Ionen im Zinkphosphatierbad und zu dessen Auffrischung vorteilhaft, wenn der Zinkphosphatierung kontinuierlich oder diskontinuierlich ein Teilvolumen der sauren wässrigen Zusammensetzung entnommen und der Zinkphosphatierung kontinuierlich oder diskontinuierlich ein gleich großes Teilvolumen mittels einer oder mehrerer solcher wässriger Zusammensetzungen zugeführt wird, die jeweils bezogen auf das Teilvolumen eine im Vergleich zur Konzentration der entsprechenden Ionen im entnommenen Teilvolumen höhere Konzentration bezüglich der Phosphat-Ionen, Zink-Ionen und/oder der Quelle für Fluorid-Ionen, jedoch bezüglich der Aluminium-Ionen in gelöster Form eine niedrigere Konzentration als im entnommenen Teilvolumen aufweisen.In the case where the pickling rate of aluminum exceeds the above zinc phosphating carry-over, it is advantageous to deplete and refresh aluminum ions in the zinc phosphating bath when the zinc phosphating continuously or intermittently extracts a partial volume of the acidic aqueous composition and the zinc phosphating continuously or discontinuously an equal partial volume is supplied by means of one or more such aqueous compositions, each based on the partial volume in comparison to the concentration of the corresponding ions in the withdrawn partial volume higher concentration with respect to the phosphate ions, zinc ions and / or the source of fluoride ions, but with respect to the aluminum ions in dissolved form have a lower concentration than in the withdrawn partial volume.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein guter Lackhaftgrund für eine nachfolgende Tauchlackierung, in deren Verlauf eine im Wesentlichen organische Deckschicht aufgebracht wird, realisiert. Dementsprechend schließt sich in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zinkphosphatierung mit oder ohne dazwischenliegendem Spül- und/oder Trocknungsschritt, jedoch vorzugsweise mit Spülschritt, aber ohne Trocknungsschritt, eine Tauchlackierung an, besonders bevorzugt eine Elektrotauchlackierung, insbesondere bevorzugt eine kathodische Elektrotauchlackierung, an.In the method according to the invention, a good lacquer adhesion base for a subsequent dip coating, in the course of which a substantially organic cover layer is applied, is realized. Accordingly, in a preferred embodiment of the process according to the invention the zinc phosphating with or without intervening rinsing and / or drying step, but preferably with rinsing step, but without drying step, followed by a dip coating, more preferably an electrocoating, more preferably a cathodic electrocoating on.
Es wurden Aluminium- (AA6014) und Stahlbleche (CRS) in Zinkphosphatierbädern mit unterschiedlichen Gehalten an freiem Fluorid und gelöstem Aluminium nach vorheriger Aktivierung mit Dispersionen von partikulären Zinkphosphat behandelt und das Erscheinungsbild der Überzüge unmittelbar nach der Zinkphosphatierung bewertet. Die Tabelle 1 enthält eine Übersicht über die Zusammensetzungen der Aktivierung und der Zinkphosphatierung und die Ergebnisse hinsichtlich der Bewertung der Güte der Überzüge. Die Bleche durchliefen die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge:
A1) Reinigung und Entfettung im Tauchen bei 55 °C für 180 Sekunden
15 g/L BONDERITE® C-AK 11566 (Fa. Henkel AG & Co. KGaA)
1,1 g/L BONDERITE® M-AD ZN-2 (Fa. Henkel AG & Co. KGaA)
5 g/L BONDERITE C-AD 1561 (Fa. Henkel AG & Co. KGaA)
2,2 g/L NaHCO3
Ansatz mit VE-Wasser (κ<1µScm-1); Einstellen des pH-Wertes mit Kalilauge auf 10,8
A2) Reinigung und Entfettung im Spritzen bei 1 bar und 55 °C für 70 Sekunden mit einer Zusammensetzung wie unter A1)
B) Spüle mit VE-Wasser (κ<1µScm-1) bei 20°C für 60 Sekunden
C) Tauchaktivierung bei 20 °C für 30 Sekunden
Der D50 Wert der Dispersion zur Aktivierung betrug 0,25 µm bei 20 °C bestimmt auf Basis der statischen Streulichtanalyse gemäß Mie-Theorie nach ISO 13320:2009 mittels Partikelanalysator HORIBA LA-950 (Fa. Horiba Ltd.) unter Annahme eines Brechungsindexes der streuenden Partikel von n = 1,52-i·0,1.
D) Zinkphosphatierung durch Eintauchen bei 50 °C für 150 Sekunden
Ansatz mit VE-Wasser (κ<1µScm-1); Einstellen des pH-Wertes auf pH 3,0 mit 10 %iger NaOH
Freie Säure: 1,1-1,3 Punkte
Die freie Säure ist bestimmt aus 10 ml Probevolumen verdünnt auf 50 ml mit VE Wasser und anschließender Titration mit 0,1 N NaOH bis pH-Wert 3,6, wobei der Verbrauch an Natronlauge in Millilitern der Menge an freie Säure in Punkten enstpricht.
Die Zinkphosphatierbädern wurde ohne Zugabe von Natrium-Salzen formuliert. Der Anteil an Natrium lag unter 1 mg/kg.
E) Spüle mit entionisiertem Wasser (κ<1 µScm-1) bei 20°C für 60 Sekunden
F) Trocknen bei 50°C im Trockenschrank nach Abblasen mit DruckluftAluminum (AA6014) and steel sheets (CRS) were treated in zinc phosphating baths with different levels of free fluoride and dissolved aluminum after previous activation with dispersions of particulate zinc phosphate and the appearance of the coatings evaluated immediately after zinc phosphating. Table 1 gives an overview of the activation and zinc phosphating compositions and the results of the evaluation of the quality of the coatings. The sheets went through the following steps in the order given:
A1) Dipping and degreasing at 55 ° C for 180 seconds
15 g / L BONDERITE® C-AK 11566 (Henkel AG & Co. KGaA)
1.1 g / L BONDERITE® M-AD ZN-2 (from Henkel AG & Co. KGaA)
5 g / L BONDERITE C-AD 1561 (from Henkel AG & Co. KGaA)
2.2 g / L NaHCO 3
Batch with demineralised water (κ <1 μScm -1 ); Adjust the pH to 10.8 with potassium hydroxide solution
A2) Cleaning and degreasing by spraying at 1 bar and 55 ° C for 70 seconds with a composition as in A1)
B) Rinse with demineralised water (κ <1μScm -1 ) at 20 ° C for 60 seconds
C) Dive activation at 20 ° C for 30 seconds
The D50 value of the dispersion for activation was 0.25 μm at 20 ° C. determined on the basis of the static scattered light analysis according to Mie theory according to ISO 13320: 2009 by means of particle analyzer HORIBA LA-950 (Horiba Ltd.) assuming a refractive index of the scattering Particle of n = 1.52-i x 0.1.
D) Zinc phosphating by immersion at 50 ° C for 150 seconds
Batch with demineralised water (κ <1 μScm -1 ); Adjust the pH to pH 3.0 with 10% NaOH
Free acidity: 1.1-1.3 points
The free acid is determined from 10 ml sample volume diluted to 50 ml with deionized water and subsequent titration with 0.1 N NaOH to pH 3.6, the consumption of sodium hydroxide in milliliters corresponds to the amount of free acid in points.
The zinc phosphating baths were formulated without the addition of sodium salts. The proportion of sodium was less than 1 mg / kg.
E) Rinse with deionized water (κ <1 μScm -1 ) at 20 ° C for 60 seconds
F) Drying at 50 ° C in a drying oven after blowing off with compressed air
Anhand der Tabelle 1 wird ersichtlich, dass zufriedenstellende Phosphatüberzüge, die also auf den Blechen mit dem bloßen Auge homogen und geschlossen erscheinen, durch Anpassung der Menge an partikulärem Zinkphosphat in der Aktivierung an die Menge des freien Fluorids und der Menge an gelöstem Aluminium in der Zinkphosphatierung erzielt werden können (CRS-L-A1-h; CRS-H-A1-I; CRS-H-A2-I; CRS-H-A3-I). Fällt die Menge an partikulärem Zinkphosphat in der Aktivierung unterhalb des durch die freie Fluoridmenge und der Konzentration an gelöstem Aluminium definierten Wertes, so werden entweder keine homogenen Überzüge erzielt (CRS-L-A2-I; CRS-L-A3-h) oder die Phosphatüberzüge sind nahezu geschlossen, wobei die Substratoberfläche nach Phosphatierung dennoch sichtbar bleibt (CRS-L-A1-I; CRS-L-A2-h). Sogar auf Aluminium werden in den erfindungsgemäßen Varianten des Verfahrens gemäß Tabelle 1 geschlossene Phosphatüberzüge erzeugt, so dass die Eignung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die korrosionsschützende Behandlung einer Serie von Bauteilen die Bauteile mit Oberflächen von Eisen als auch Oberflächen von Aluminium umfasst, nachgewiesen ist.
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