Beschichtungsverfahren für Leichtmetalllegierungsoberflächen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten von Leichtmetalllegierungsoberflächen. Unter Leichtmetalllegierungen sind hierbei Legierungen zu verstehen, die AI und/oder Mg in einem Anteil enthalten, der die chemischen Eigenschaften der Oberfläche wesentlich mitbestimmt.
Solche Leichtmetalllegierungen sind wegen ihres geringen spezifischen Gewichts für verschiedenste Anwendungen von großem Interesse, bei denen ei- nerseits eine hohe mechanische Stabiltät erreicht werden muss und andererseits die Gesamtmasse des Bauteils eine kritische Rolle spielt. Solche Anwendungen liegen z.B. im Flugzeugbau oder, vor allem in jüngerer Zeit, bei Kraftfahrzeugen oder Gehäusen von hochwertigen Geräten. Insbesondere bei Mobiltelefonen werden Rahmenteile aus Leichtmetalllegierungen verwendet, die ei- nerseits im Hinblick auf die Stabilität die Grundstruktur des Gesamtaufbaus bilden und andererseits den Benutzer möglichst wenig mit Gewicht belasten sollen.
Der Nachteil solcher Leichtmetalllegierungen besteht jedoch in ihrer Oxidati- onsempfindlichkeit, die immer wieder für Korrosionsprobleme sorgt und einen Bedarf an geeigneten Oberflächenbehandlungsverfahren zur Folge hat. Die Probleme mit der Konservierung solcher Leichtmetalllegierungsoberflächen haben im übrigen auch eine wirklich dauerhafte optische Veredlung entsprechender Bauteile immer wieder behindert.
Es sind die verschiedensten Verfahren versucht und auch in größerem Umfang verwendet worden. Da diese Verfahren die technischen Anforderungen entweder nur eingeschränkt erfüllen konnten oder sehr aufwendig waren oder auch wesentliche Einschränkungen im Hinblick auf die Größe oder Geometrie der zu behandelnden Teile mit sich brachten, besteht nach wie vor Bedarf an Verbesserungen bzw. Alternativen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, ein günstiges und insbesondere flexibles Beschichtungsverfahren für Leichtmetalllegierungsoberflächen anzugeben.
Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, ein Verfahren zum Beschichten von Leichtmetalllegierungsoberflächen mit den Schritten: passivierende Reinigung der Leichtmetalllegierungsoberfläche, chemische Metallisierung, die Zn enthält, galvanische Zwischenbeschichtung und - galvanische Beschichtung, die Sn enthält.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Sn enthaltende galvanische Schicht aus, die zusammen mit den anderen genannten Schichten eine zuverlässige Versiegelung der Leichtmetalllegierungsoberfläche ermöglicht. Der Sn-Anteil sollte in der entsprechenden galvanischen Schicht vorzugsweise über 40 Gew.-%, vorzugsweise jedoch über 50 Gew.-% liegen.
Durch die zunächst erfolgende passivierende Reinigung, der dann eine chemische Metallisierung mit zumindest dem Metall Zn folgt, lässt sich eine gute Haftung der galvanischen Schicht mit Sn erreichen. Jedoch wird zur Verbesserung noch eine galvanische Zwischenschicht verwendet, die die Aufgabe hat, die zuvor chemisch erzeugte Metallschicht mit Zn vor einer Beschädigung bei einer nachfolgenden galvanischen Beschichtung mit (u.a.) Sn zu schützen. Bei der galvanischen Zwischenbeschichtung kann nämlich ein auf die Stabilität der Zn enthaltenden Metallisierung abgestimmter Prozess gewählt werden, auf dessen Schicht dann wiederum der Sn enthaltende galvanische Prozess ablaufen kann, ohne auf die Zn enthaltende Schicht Rücksicht nehmen zu müssen. Dabei kann es insbesondere sinnvoll sein, bei der galvanischen Zwischenbeschichtung einen Galvanikprozess mit einem pH-Wert im Bereich von etwa 7 bis etwa 10 zu verwenden. Die Zn enthaltende Schicht kann durch saure Prozesse einerseits und durch zu alkalische Prozesse andererseits beschädigt werden. Diese sind
bei der Herstellung der Sn enthaltenden Galvanikschicht möglicherweise erwünscht oder unvermeidlich.
Die erwähnte passivierende Reinigung kann als ersten Schritt eine alkalische Entfettung der Leichtmetalllegierungsoberfläche enthalten, woraufhin die entfettete Oberfläche mit einer Lösung behandelt wird, die einerseits sauer ist, zumindest das Salz einer Säure enthält, und damit die Leichtmetalllegierungsoberfläche etwas beizt, und andererseits die Eigenschaft hat, eine oxidative Passivierung herbeizuführen. Der Begriff der Oxidation ist dabei allgemein im Sinne eines Valenzelektronenübergangs zu verstehen und beinhaltet insbesondere die Bildung von Oxiden wie Al203 und von Fluoriden wie MgF2.
Bei einem wesentlichen Mg-Anteil, vorzugsweise bei einem Mg-Anteil von mindestens 50 Gew.-%, insbesondere mindestens 80 Gew.-%, bietet sich an, die bereits erwähnte Behandlung in der sauren bzw. Säuresalz-Lösung in zwei Stufen durchzuführen. Zum einen wird zunächst eine Behandlung in einer relativ schwach sauren Lösung mit einem pH-Wert in der Größenordnung von 3-5, vorzugsweise um 4, vorgenommen. Zum anderen wird danach eine weitere saure Lösung verwendet, die jedoch mit einem pH-Wert in der Größenordnung von 0,5-2, vorzugsweise um 1 , sehr viel saurer ist und zum anderen Fluoridio- nen enthält. Diese Fluoridionen bilden während der Beizung der Oberfläche gleichzeitig eine Passivierungsschicht, die MgF2 enthält.
Die schwach saure Lösung kann beispielsweise eine Mischung einer Carbon- säure, z.B. Zitronensäure, Apfelsäure, Oxalsäure oder Milchsäure, und einem Pyrophosphat enthalten. Die stark saure, nachfolgend verwendete Lösung kann beispielsweise eine Mischung von Phosphorsäure und Ammoniumbifluorid enthalten.
Wenn die Leichtmetalllegierung andererseits einen erheblichen AI-Anteil aufweist, insbesondere einen AI-Anteil von mind. 60 Gew.-%, insbesondere mindestens 80 Gew.-%, so kann die Behandlung in der sauren bzw. Säuresalz- Lösung vorzugsweise in einer stark oxidierenden Lösung erfolgen, die gleichzeitig beizt und die Passivierungsschicht erzeugt. Dabei enthält die Passivie-
rungsschicht Al203. Günstige Beispiele für die stark oxidierende Lösung sind Salpetersäure, Peroxomonoschwefelsäure oder Kaliumpersulfatlösung.
Eine andere Möglichkeit für die passivierende Reinigung besteht in einer Be- handlung (oder enthält eine Behandlung) in einer Lösung, die einerseits Phosphorsäure und andererseits einen Alkohol enthält. Bei dieser Behandlung soll die Oberfläche anodisch gepolt sein. Hierzu wird verwiesen auf die Voranmeldung „Verfahren zum Reinigen und Passivieren von Leichtmetalllegierungsoberflächen" vom 20.06.01 mit dem Aktenzeichen 01 114 981.2 derselben An- melderin. Der Offenbarungsgehalt dieser Voranmeldung wird hiermit in Bezug genommen. Mit diesem Reinigungsschritt lässt sich eine sehr wirksame Entfettung der Oberfläche mit einer Anätzung kombinieren, wobei der anodische Betrieb einen sehr flexiblen Optimierungsparameter (anodische Stromdichte, Spannung oder dergleichen) zur Verfügung stellt. Der erwähnte Alkohol können die üblichen Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol und höherwer- tige Alkohole sowie deren Derivate wie etwa Isopropanol sein. Es kommen aber auch Diole, Polyether und andere Alkohole in Betracht. Mischungen sind natürlich auch möglich. Bevorzugt sind Butanol und Isopropanol.
Bei den bereits zuvor erwähnten Legierungen mit wesentlichem Mg-Anteil werden wiederum vorzugsweise Fluoridionen verwendet, um die Oberfläche zu passivieren. Die Fluoridionen werden dabei in einer die Phosphorsäure enthaltenden Lösung eingesetzt, wobei auch bei diesem Behandlungsschritt die Oberfläche anodisch geschaltet ist. Dieser Behandlungsschritt kann im übrigen mit dem ferner den Alkohol enthaltenden Behandlungsschritt zusammenfallen, indem die Lösung Phosphorsäure, Alkohol und Fluoridionen enthält, oder davon getrennt durchgeführt werden. Im letztgenannten Fall erfolgt der Schritt mit Fluoridionen zeitlich zuletzt. Er kann dann dennoch vorteilhafterweise den oder einen anderen Alkohol enthalten.
Die Fluoridionen können als Ammoniumbifluorid, als Alkalifluorid, als Flusssäure oder in anderer Form vorliegen.
Übrigens sind die beschriebenen Behandlungen mit Fluoridionen, nämlich einerseits die der zweistufig sauren Behandlungen und andererseits die mit der Kombination aus Phosphorsäure und Alkohol, auch dann sinnvoll, wenn die Leichtmetalllegierung zwar kein oder wenig Mg enthält, jedoch einen Si-Anteil von vorzugsweise über 0,1 , insbesondere über 0,5 oder 1 oder 2 Gew.-% und darüber. Die Fluoridionenkonzentration kann dabei auf die Höhe der Si- Konzentration abgestimmt werden.
Die beschriebene Behandlung mit der Kombination aus Phosphorsäure und Alkohol und den Fluoridionen kann vorteilhafterweise mit einem alkalischen Spülschritt, etwa in alkalisiertem Wasser mit einem pH-Wert von etwa 10 oder darüber, abgeschlossen werden.
Allerdings ist der alkalische Spülschritt bei einer weniger von MgF2 und viel- mehr von Al203 dominierten Passivierungsoberfläche ungünstig, jedenfalls solange die genannten hohen pH-Werte vorliegen. Man wird dann eher einen zu Al203 oxidierenden Schritt in einem wässrigen Oxidationsmittel verwenden. Wegen eines Si-Anteils kann jedoch die Verwendung von Fluoridionen davor trotzdem sinnvoll sein. Das wässrige Oxidationsmittel könnte eine Persulfatlö- sung oder eine Lösung von Peroxomonoschwefelsäure (Carosche Säure) sein. Die Oxidation sollte dabei immer nach der Fluoridbehandlung erfolgen. Andererseits ist der wässrige Oxidationsschritt jedenfalls bei saurem pH-Wert von etwa pH6 und darunter bei hohem Mg-Anteil problematisch, weil er die Fluorid- passivierung beschädigen kann.
Die genannten Fluoridionenanteile können in Bereichen mit 0,1 oder 0,3 oder 0,5 Gew.-% als Untergrenze und 30 oder 20 oder 10 Gew.-% als Obergrenze liegen. Die anodischen Stromdichten bei der Behandlung mit Phosphorsäure und Alkohol können zwischen 10 oder 30 oder 50 A/m2 als Untergrenze und 1000 A/m2 als Obergrenze liegen. Günstige Temperaturen liegen bei 10-40°C. Die Phosphorsäure kann an den Lösungen einen Anteil von 30-90 Vol% haben und in diesem Volumenanteil 50-95 gewichtsprozentig sein. Vorteilhafterweise besteht die Lösung im Rest im wesentlichen aus Alkohol und ggfs. dem Fluorid.
Nach den bislang beschriebenen Vorbehandlungen mit einer passivierenden Reinigung wird, wie zuvor bereits aufgelistet, eine chemische Metallisierung vorgenommen, die Zn enthält. Diese Metallisierung kann daneben auch die Metalle Cu und/oder Ni enthalten.
Die darauf folgende galvanische Zwischenschicht könnte ebenfalls Cu und/oder Ni enthalten. Die bereits diskutierte nächste galvanische Schicht enthält natürlich Sn, könnte daneben aber z.B. auch Zn, Bi und/oder Pb enthalten, um die Korrosionseigenschaften zu verbessern.
Das bisher beschriebene Verfahren führt zu stabilen und dauerhaften galvanischen Beschichtungen von Leichtmetalllegierungsoberflächen. Da das Verfahren mit nasschemischen und galvanischen Prozessschritten durchgeführt werden kann, ist es hinsichtlich der verwendbaren Teilegrößen und -geometrien sehr flexibel und im übrigen in großem Maßstab kostengünstig durchzuführen. In der bislang beschriebenen Vorgehensweise kommt dabei eine metallisch leitfähige Oberfläche zustande, die für viele Anwendungen gewünscht ist.
Ein besonderer Reiz der Erfindung besteht jedoch darin, dass auf die Sn enthal- tende galvanische Schicht zusätzlich ein Lack abgeschieden werden kann. Damit ergeben sich weitreichende Freiheiten im Hinblick auf die optische Oberflächengestaltung. Beispielsweise kann der Lack deckend oder transparent gefärbt sein und damit die vielfältigsten Dekorationseffekte erzielen. Er kann auch Strukturen aufweisen, etwa Flächenspritzer, die mit üblichen Lackiermaschinen standardmäßig aufgebracht werden können, und dem behandelten Teil eine individuelle optische und haptische Erscheinungsform verleihen. Vor allem ist die lackierte Oberfläche jedoch in der Regel elektrisch isolierend, was anwendungsabhängig erwünscht sein kann. Schließlich ist die Oberfläche durch die Lackschicht auch deutlich besser korrosionsgeschützt.
Dabei hat es sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, mit einem Zweikomponentenlack zu arbeiten, der im übrigen je nach Anwendung relativ frei gewählt werden kann. Einkomponentenlacke sind zwar auch möglich, jedoch im allgemeinen von schlechterer technischer Leistung.
Die Lackhaftung lässt sich deutlich verbessern, wenn vor dem Aufbringen des Lacks eine Passivierung der Oberfläche der Sn enthaltenden galvanischen Schicht durchgeführt wird. Bevorzugt ist hierbei eine alkalische anodische Oxi- dation, beispielsweise in einer Lösung, die Phosphate und/oder Carbonate enthält.
Diese alkalische anodische Oxidation kann ergänzt werden durch eine nachfolgende kathodische Behandlung in einer Lösung von sechswertigen Chrom- ionen, etwa in Chromsäure. Hierdurch entsteht eine Belegung der Oberfläche mit dreiwertigem Chrom. Aus gesundheitlichen und Umweltgesichtspunkten ist die Verwendung von sechswertigem Chrom jedoch problematisch (allerdings nicht für das Produkt selbst), weswegen die Lackierung der nur mit der alkalischen anodischen Oxidation vorbehandelten galvanischen Oberfläche bevor- zugt sein kann.
Neben den bereits beschriebenen Vorteilen bietet die lackierte Oberfläche zusätzlich die Möglichkeit, Teilbereiche nachträglich wieder zu einer metallischen Oberflächenleitfähigkeit zurückzuführen. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um an bestimmten Stellen elektrische Kontakte zu dem beschichteten Bauteil anzubringen, wobei jedoch das Bauteil im übrigen isolierend bleiben soll oder bestimmte optische Oberflächeneigenschaften aufweisen soll oder schließlich besonders gut gegen chemische und mechanische Belastung geschützt sein soll.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Laserbehandlung vorgeschlagen, die in relativ unproblematischer Weise zu einem Abplatzen oder Verdampfen des Lacks auf den beschossenen Teilflächen führt und diese durch ein Wiederaufschmelzen zu einer metallischen Leitfähigkeit bringt. Dabei sorgt insbesondere der er- findungsgemäße Sn-Anteil in der Oberfläche für eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitige Beständigkeit des vom Lack befreiten Bereichs.
Übrigens kann die Laserbehandlung auch bei nicht lackierten erfindungsgemäß beschichteten Teilen vorteilhaft sein, um die an sich bereits gegebene Oberflächenleitfähigkeit teilweise zu verbessern. Schließlich kann die Laserbehandlung auch eingesetzt werden, wenn die erfindungsgemäß behandelte Oberfläche mit anderen oder zusätzlichen isolierenden Schichten versehen ist, etwa mit gesputterten Oxiden, Nitriden und dergleichen.
Bevorzugt ist es weiterhin, auf die mit dem Laser beschossenen Oberflächenbereiche danach binnen Stunden oder wenigen Tagen eine fließfähige metal- lisch leitfähige Substanz aufzutragen, etwa einen Klebstoff oder eine andere aushärtende Substanz auf Kunststoffbasis, die metallisch leitfähige Partikel enthält. Dies könnten Silberpartikel oder silberbeschichtete Partikel sein. Der Laserbeschuss erfolgt vorzugsweise zweifach, um die thermische Belastung der Oberfläche zu begrenzen, kann jedoch unter Luftatmosphäre mit einer kon- ventionellen Apparatur erfolgen. Bewährt hat sich ein Nd:YAG-Laser, beispielsweise von 90 W Leistung.
Bevorzugte Schichtdicken der galvanischen Zwischenschicht liegen zwischen 5 und 10 μm. Bevorzugte Schichtdicken der Sn enthaltenden galvanischen Schicht liegen ebenfalls bei 5-10 μm.
Als Beispiel kann ein in der beiliegenden Figur dargestelltes Druckgussteil aus der Mg-Legierung AZ91 dienen. Es handelt sich dabei um ein Rahmenteil 1 (sog. Chassis) eines Mobiltelefongehäuses. Dieses Rahmenteil 1 soll an den in den Figuren eingezeichneten Linien 2 mit anderen metallischen oder metallisch beschichteten Gehäuseteilen verklebt werden. Dabei ist zum einen wesentlich, dass das Mg-Druckgußrahmenteil 1 eine gute Oberflächendauerhaftigkeit bei hochwertigem Erscheinungsbild bietet. Durch den häufigen Handkontakt und die dadurch gegebene gleichzeitige Einwirkung von Salzen, schwachen Säuren und Feuchtigkeit, sowie durch Witterungseinflüsse und andere Gegebenheiten beim jahrelangen Gebrauch, kann die Außenoberfläche bei unzureichender Beschichtung unansehnlich werden. Die Innenoberfläche könnte wiederum bei Korrosion zur Partikelerzeugung und damit zu dem Ausfall elektronischer Bauteile führen.
Bei der Verklebung ist außerdem wichtig, dass die verklebten Teile elektrisch gut leitfähig miteinander verbunden werden, um eine elektromagnetische Abschirmung des Mobiltelefons herzustellen. Insgesamt muss also eine stabile Beschichtung des Mg-Druckgußteils 1 gleichzeitig eine gute elektrische Oberflächenleitfähigkeit der für die Verklebung herangezogenen Oberflächenbereiche 2 ermöglichen. Dies gilt auch für Flächenteile der eingezeichneten Auflagedome 3 für eine Leiterplatte des Mobiltelefons, die wegen der notwendigen Masseverbindung ebenfalls leitfähig werden. Weitere Details des Rahmenteils 1 sind für das Verständnis der Erfindung ohne Belang.
Das Rahmenteil 1 wird daher zunächst konventionell alkalisch entfettet und bei pH4 in einer Lösung mit Zitronensäure und Pyrophosphat behandelt. Daraufhin erfolgt bei pH1 eine Passivierung in einer stark sauren Lösung mit Phosphor- säure und Ammoniumbifluorid.
Auf die in dieser Weise gereinigte und passivierte Oberfläche wird eine chemische Konversionsschicht aus Zn und Cu aufgebracht, auf die dann mit konventioneller Galvanik eine 7 μm starke Cu-Schicht abgeschieden werden kann.
Auf diese schon relativ kräftige galvanische Schicht aus Cu wird daraufhin die für die Erfindung charakteristische galvanische Schicht aus Sn und bei diesem Beispiel zusätzlich Zn abgeschieden, und zwar in diesem Fall in einem Massenverhältnis von 70 : 30 (Sn:Zn). Die Schichtdicke liegt dabei bei 8 μm.
Diese noch elektrisch leitfähige Oberfläche wird nun für die Lackierung vorbereitet mit einer alkalischen anodischen Oxidation in einer Phosphatlösung. Auf die Behandlung mit sechswertigem Chrom wird verzichtet. Stattdessen wird direkt auf die anodisierte Oberfläche ein kommerzieller Zweikomponentenlack aufgebracht und ausgehärtet.
Damit hat die Oberfläche des Mg-Druckgussteils 1 die endgültige optische und technische Qualität, wobei sie durchaus transparent farbig lackiert sein kann, so
dass sich durch das durchscheinende Metall ein attraktives Erscheinungsbild ergibt.
Diese Oberfläche wird daraufhin an den eingezeichneten Bahnen 2 und Aufla- gedomen 3 mit einem kommerziellen Nd:YAG-Laser behandelt. Dieser Laser ist gütegeschaltet und hat bei einem Lampenstrom von etwa 32 A eine Leistung von 90W. Es erfolgt ein zweifaches Nachfahren der in der Figur dargestellten Linien und Flächen, wobei genau genommen Punkt an Punkt gesetzt wird. Empirisch können der Punktabstand, die Punktgröße und die Energie pro Punkt so ermittelt werden, dass sich einerseits eine durchgehende Bahn und andererseits eine ausreichende Bahnbreite ergeben. Die Bahnbreite sollte nicht zu gering sein, um den elektrischen Übergangswiderstand zu dem anderen Gehäuseteil zu optimieren. Andererseits sollte die Bahnbreite nicht zu groß sein und vollständig von der später aufgebrachten Klebstoffraupe abgedeckt werden. Sie liegt hier bei 1 mm. Dabei sollte schließlich die eingekoppelte Energie pro Schuss nicht unnötig hoch angesetzt werden, um eine zu starke Erwärmung in größeren Tiefen zu vermeiden. Durch zweifachen Beschuss kann die Energie pro Schuss noch verkleinert werden. Pro Schuß werden hier 15 W/mm2 verwendet. Der Vorschub des Lasers beträgt dabei 400 mm/s.
Auf die somit remetallisierten Oberflächenbereiche 2, 3 kann danach eine Raupe aus einem mit Silberpartikeln versetzten Silikonkleber aufgetragen werden, so dass eine elektrisch leitfähige Verklebung mit einem hier nicht näher beschriebenen anderen Gehäuseteil erfolgen kann. Dieses andere Gehäuseteil ist ebenfalls metallisch oder metallisch beschichtet und wird so verklebt, dass es einen elektrischen Kontakt zu dem Klebstoff erhält. In dieser Weise kann insgesamt ein dichtes und elektrisch abgeschirmtes Gehäuse hergestellt werden. Zu den weiteren Einzelheiten der Laserbehandlung wird auf die Parallelanmel- düng „Erzeugung metallisch leitfähiger Oberflächenbereiche auf beschichteten Leichtmetalllegierungen" vom gleichen Anmeldetag und der gleichen Anmelderin verwiesen. Der Offenbarungsgehalt dieser Parallelanmeldung ist hier inbegriffen.