WO2006027007A1 - Verfahren zur herstellung umgeformter aluminium-blechteile mit dekorativer oberfläche - Google Patents

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WO2006027007A1
WO2006027007A1 PCT/EP2004/010010 EP2004010010W WO2006027007A1 WO 2006027007 A1 WO2006027007 A1 WO 2006027007A1 EP 2004010010 W EP2004010010 W EP 2004010010W WO 2006027007 A1 WO2006027007 A1 WO 2006027007A1
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protective layer
layer
sol
sheet metal
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PCT/EP2004/010010
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Walter Hotz
Volkmar Gillich
Roman Fuchs
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3A Composites International AG
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Alcan Technology and Management Ltd
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    • B05D2701/00—Coatings being able to withstand changes in the shape of the substrate or to withstand welding

Definitions

  • the invention relates to a method for producing weather-resistant and corrosion-resistant formed sheet metal parts made of aluminum or of an aluminum alloy with a decorative surface.
  • the parts are first punched out of a band in conventional methods and reshaped.
  • the pretreatment and the application of further surface layers is performed on the already formed parts für ⁇ . This procedure is very complicated and associated with a complex handling, since the parts to be treated in different baths have to be plugged onto holders and often also have to be transferred from one holder to another.
  • the invention has for its object to provide a method for producing formed sheet metal parts made of aluminum or an aluminum alloy with a decorative surface using a coil coating process with respect to known methods improved weathering and Korrosions ⁇ resistance.
  • a method which successively comprises the following steps leads to the solution of the problem according to the invention: provision of a band of aluminum or of an aluminum alloy tion,
  • the layer thickness of the cured sol-gel lacquer of the first protective layer is preferably at least 1 ⁇ m and is preferably between 1 and 4.5 ⁇ m, in particular between 1 and 3 ⁇ m. If the sol-gel lacquer additionally contains color pigments, the layer thickness can be up to 10 ⁇ m.
  • the layer thickness of the cured sol-gel lacquer of the second protective layer is preferably at least 0.5 ⁇ m and is preferably between 1 and 3 ⁇ m.
  • the sol-gel lacquer is preferably a polysiloxane prepared from an alcoholic silane solution, preferably an alkoxysilane solution, and an aqueous colloidal silicic acid solution, and consists in particular of crosslinked inorganic polysiloxanes having carbon bonds with the silicon linked organic groups, in particular alkyl groups.
  • Poly siloxane is the term for polymers of crosslinked siloxanes.
  • the strip material for the production of the formed parts commercially available aluminum having a purity of 98.3% and higher may be used, depending on the requirements imposed on the surface quality, e.g. Aluminum with a purity of 99.0% and higher, sometimes with a purity of 99.5%. In special cases, a purity of 99.8% and higher may be indicated.
  • Aluminum with a purity of 99.0% and higher sometimes with a purity of 99.5%. In special cases, a purity of 99.8% and higher may be indicated.
  • Preferred alloys are those of the AA 1000, AA 3000 and AA 5000 series.
  • suitable alloys contain, for example, 0.25 to 5% by weight, in particular 0.5 to 4% by weight, of magnesium or 0.2 to 2 wt .-% manganese, or 0.5 to 5 wt .-% magnesium and 0.2 to 2 wt .-% manganese, in particular 1 wt .-% Magne ⁇ sium and 0.5 wt .-% manganese, or 0.1 to 12 wt .-%, preferably 0.1 to 5 wt .-% copper, or 0.5 to 6 wt .-% zinc and 0.5 to 5 wt .-% magnesium, or 0.5 to 6% by weight of zinc, 0.5 to 5% by weight of magnesium and 0.5 to 5% by weight of copper, 0.5 to 2% by weight of iron and 0.2 to 2% by weight of manganese , in particular 1, 5 wt .-% iron and 0.4 wt .-% manganese, or AIMgSi or AlFeSi alloys. Further examples
  • the sheet metal parts can be formed, for example, by bending, deep drawing, cold extrusion or roll forming, but also by other forming processes.
  • the pretreatment layer can be, for example, a layer produced by chromating, phosphating or by anodic oxidation.
  • the pretreatment layer is anodized aluminum.
  • the pretreatment layer may have a thickness of, for example, at least 10 nm, preferably at least 20 nm, in particular at least 50 nm, and advantageously at least 100 nm.
  • the maximum thickness of the pretreatment layer is, for example, 5000 nm, preferably 1500 nm and in particular 300 nm.
  • the pretreatment layer is preferably an anodically produced oxide layer which has been built up in a non-dissolving or in a redissolving electrolyte.
  • the pretreatment layer is preferably a porous, anodically produced oxide layer.
  • the anodization preferably takes place in an acidic electrolyte from the series of phosphoric acid, citric acid, tartaric acid, chromic acid electrolytes and in particular from the series of sulfuric acid electrolytes.
  • the Anodi ⁇ organization takes place in alternating or DC method.
  • the pretreatment layer can also contain a yellow chromatizing layer, a green chromating layer, a phosphate layer or a chromium-free pretreatment layer which has been formed in an electrolyte containing at least one of the elements Ti, Zr, F, Mo or Mn.
  • the aluminum surface can be shone for pretreatment in a chemical or electrochemical process or subjected to an alkaline pickling process. Such dishing or pickling processes are performed before anodizing.
  • the strip surface is expediently degreased and cleaned.
  • the pretreatment may also involve merely degreasing and cleaning the belt surface.
  • the cleaning of the strip surface can be carried out in a manner known per se, for example chemically and / or electrochemically and acidic or alkaline. Its purpose is the removal of foreign substances and, if necessary, the naturally occurring oxide layer on the aluminum surface.
  • Suitable cleaning agents are, for example, acidic, aqueous degreasing agents, alkaline degreasing agents based on polyphosphate and borate.
  • a cleaning with moderate to heavy material removal forms the pickling or etching by means of strongly alkaline or acid pickling solutions, such as sodium hydroxide or a mixture of nitric acid and hydrofluoric acid.
  • strongly alkaline or acid pickling solutions such as sodium hydroxide or a mixture of nitric acid and hydrofluoric acid.
  • the existing oxide layer is removed together with their impurities.
  • an acid aftertreatment may be necessary for strongly attacking alkaline pickling.
  • the pretreatment layer may be applied to the aluminum strip while maintaining the following process conditions: a) degreasing at pH 9-9.5 at about 50 ° C. b) rinsing with tap water (room temperature) c) Electrochemical shining, d) rinsing with tap water (room temperature), e) anodization in 20% H 2 SO 4 at about 25 0 C and 20V voltage, f) rinsing in tap water at about 5O 0 C and g) rinsing in deionized water at about 85 ° C.
  • the aluminum strip passes continuously through the various treatment baths at a rate of, for example, 40 m / min.
  • the protective layer and optionally further layers can then be applied to the pretreatment layer.
  • the sol-gel lacquer applied to the pretreatment layer is preferably a polysiloxane prepared from an alcoholic silane solution, in particular an alkoxysilane solution, and a colonial silicic acid solution.
  • the polysiloxane is produced in particular by a condensation reaction between hydrolyzed and crosslinkable silanes, in particular alkoxysilanes, and colloidal silica.
  • the condensation reaction between hydrolyzed silanes, in particular alkoxysilanes, with one another and hydrolyzed silanes, in particular alkoxysilanes, and colloidal silicic acid results in the formation of an inorganic network of polysiloxanes.
  • organic groups in particular alkyl groups or simple alkyl groups, are incorporated into the inorganic network via carbon bonds.
  • the organic groups, or the alkyl groups do not participate directly in the polymerization or crosslinking of the siloxanes, i. they do not serve for the formation of an organic polymer system but merely for functionalization.
  • the function resides in the fact that the organic groups, in particular the alkyl groups, are attached to the outside of the polysiloxanes during the sol-gel process and thereby form an aqueous-repellent layer which forms the sol-gel lacquer gives a pronounced hydrophobic property.
  • sol-gel process described leads, as mentioned, by targeted hydrolysis and condensation of alkoxides of silicon and silica to form a sol-gel lacquer of an inorganic network with incorporated alkyl groups.
  • the polysiloxanes thus obtained are therefore more likely to be classified as inorganic polymers.
  • sol-gel lacquer as Protective layer is expediently produced ⁇ from two base solutions A and B made ⁇ .
  • the solution A is an alcoholic solution of one or more different alkoxysilanes, wherein the alkoxysilanes are present in an anhydrous medium in non-hydrolyzed form.
  • an alcohol such as methyl, ethyl, propyl or butyl alcohol and preferably isopropyl alcohol is suitably used.
  • alkoxysilanes are described by the general formula X n Si (OR) 4-0, in which "R” is a simple alkyl, preferably from the group comprising methyl, ethyl, propyl and butyl. "X” is expediently likewise an alkyl, preferably from the group comprising methyl, ethyl, propyl and butyl.
  • Suitable alkoxysilanes are, for example, tetramethoxysilanes (TMOS) and preferably tetraethoxysilane (TEOS) and methyltrimethoxysilane (MTMOS) and further alkoxysilanes.
  • the solution A is prepared from tetraethoxysilane (TEOS) and / or methyltrimethoxysilane (MTMOS) with a methyl, ethyl or propyl alcohol and in particular with an isopropyl alcohol as solvent.
  • the solution A may e.g. 25-35 wt .-%, in particular 30 wt .-%, TEOS and 15- 25 wt .-%, in particular 20 wt .-%, MTMOS contain, both dissolved in 40 - 60 wt .-%, in particular 50 % By weight, isopropyl alcohol.
  • Solution B contains colloidal silica dissolved in water.
  • the solution B is adjusted to a pH of between 2.0 and 4, preferably between 2.5 and 3.0 and in particular of 2.7, by means of acid, preferably by means of salicylic acid (HNO 3 ) ,
  • the silicic acid used is expediently a silicic acid stabilized in an acidic medium, the pH of the silicic acid advantageously being 2-4.
  • the Silica is advantageous as low in alkali.
  • the alkali content (eg Na 2 O) of the silica is preferably below 0.04% by weight.
  • the solution B contains, for example, 70-80% by weight, in particular 75% by weight, of water as solvent and 20-30% by weight, in particular 25% by weight, of colloidal silicic acid.
  • the solution B is expediently adjusted by means of nitric acid (HNO 3 ) to a pH of between 2.0-3.5, preferably between 2.5-3.0, and in particular of 2.7.
  • HNO 3 nitric acid
  • a preferred silica solution for example, by the company Nissan Chemical Industries Ltd. with the product "SNOWTEX ® O" duktname sold.
  • the new mixed solution is in a gel state.
  • the two solutions A and B are preferably mixed in a weight ratio of 7: 3 parts.
  • sol-gel lacquer is expediently applied in gel form to the surface of the aluminum strip and then dried or cured.
  • the continuous coating for producing the first protective layer is carried out in the strip coating process, also called coil coating process.
  • a typical coil coating process is a roll coating process with two or three rolls.
  • the drying process consists in expelling the water and alcohols remaining in the sol-gel lacquer, whereby the sol-gel lacquer cures and a weather-resistant and corrosion-resistant protective layer on the Bandoberflä ⁇ che arises.
  • the coated with the sol-gel lacquer strip is conveniently ge by means of radiation, such as UV radiation, electron radiation, laser radiation, or by means of heat radiation, such as IR radiation, or by means of convection heating or a combination of the aforementioned drying or curing processes ge dried respectively. hardened.
  • radiation such as UV radiation, electron radiation, laser radiation, or by means of heat radiation, such as IR radiation, or by means of convection heating or a combination of the aforementioned drying or curing processes ge dried respectively. hardened.
  • the measured at the strip surface temperature for drying or curing of the sol-gel coating is suitably greater than 60 ° C, preferably greater than 150 ° C and in particular greater than 200 ° C.
  • the elevated temperature is also conveniently less than 400 0 C. , preferably less than 350 0 C and in particular less than 300 °.
  • the temperature is particularly preferably between 250 0 C and 300 0 C.
  • the temperature is a so-called "peak metal temperature" (PMT).
  • the elevated temperature can, for example, act on the strip for 5 seconds to 2 minutes.
  • the sol-gel lacquer is dried or hardened for a time of preferably less than 90 seconds, in particular of less than 60 seconds, and of preferably more than 10 seconds, in particular of more than 30 seconds.
  • the drying times are more in the lower range of the specified residence times.
  • Convection heating may conveniently be effected by exposure to heated gases, such as air, nitrogen, noble gases or mixtures thereof.
  • heated gases such as air, nitrogen, noble gases or mixtures thereof.
  • the sol-gel lacquer layer is dried in a continuous furnace.
  • the tape provided with the first protective layer is further processed, for example by roll forming, the sheet metal parts are cut to length and optionally subjected to a further forming step.
  • first sheet metal parts are made of the first protective layer provided band cut or stamped and the cut sheet metal parts are then transformed.
  • the formed sheet metal parts are then painted to produce the second protective layer with a sol-gel lacquer of a polysiloxane and subsequently transferred to an oven for drying and curing of the second protective layer.
  • the drying and curing of the second protective layer also takes place in a continuous furnace.
  • the paint application can be done by any method. Preference is given to spray painting.
  • the drying and curing of the second protective layer preferably takes place under the same process conditions as the above-described drying and curing of the first protective layer.
  • the formed parts produced by the process according to the invention have a good protective effect against the effects of weathering, corrosion and mechanical abrasion and are distinguished by good UV resistance.
  • the shaped parts produced according to the invention have a high surface hardness.
  • the sol-gel protective layer expediently has a hardness of greater T, preferably of greater "h”, in particular of greater "2 h” and advantageously of greater than 3 h, measured according to the method “pencil method according to Wolf Wilburn” according to DIN 55350 part 18 "on, with greater in the sense of harder to understand.
  • the sol-gel layer is also characterized by excellent adhesion to the formed sheet metal parts.
  • the preparation and production of a particularly preferred embodiment of a sol-gel lacquer will now be described by way of example. For this purpose, a solution A and a solution B are prepared.
  • Solution A contains:
  • TEOS tetraethoxysilane
  • MTMOS methyltrimethoxysilane
  • Solution B contains:
  • the pH of solution B is adjusted to about 2.7 with the addition of an acid, in particular salicylic acid (HNO 3 ).
  • an acid in particular salicylic acid (HNO 3 ).
  • the solutions A and B are transferred into a mixed solution with continuous stirring, heat being released as a result of the reaction.
  • the mixed solution is stirred for a certain time, for example for 1 to 10 hours, preferably for 4 to 8 hours, in particular for about 6 hours.
  • the mixture is then filtered.
  • the filter serves to retain larger particles, such as particles of colonial silica.
  • the pore diameter or the mesh size of the filter depends on the desired layer thickness, since particles with a larger diameter than the desired layer thickness impair the surface quality of the protective layer.
  • the filtration can For example, by means of polypropylene filter with a porosity of 1 micron done.
  • the mixed solution is expediently kept at a pH of 2-4, preferably from 2 to 3.5, in particular from 2.5 to 3, and particularly preferably from 2.7.
  • the pH is adjusted by means of acid, preferably by means of nitric acid.
  • the sol-gel lacquer can be applied to the strip surface by means of one of the aforementioned methods and subsequently dried or hardened, as described above.
  • the sol-gel lacquer after its preparation and before application to the strip surface for a few minutes to several hours, preferably between 1 and 24 h, in particular between 12 and 22 h, and more preferably for about 17 h calm posed.
  • Elemental analysis of the cured sol-gel lacquer by XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) shows e.g. The elements oxygen, silicon and about 5 - 20 at.% (atomic percent) of carbon after.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung witterungs- und korrosionsbeständiger umgeformter Blechteile aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit dekorativer Oberfläche, umfassend als Coil-Coating-Verfahren nacheinander die Schritte: Bereitstellen eines Bandes aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, gegebenenfalls kontinuierliches Entfetten des Bandes, gegebenenfalls elektrochemisches, chemisches oder mechanisches Glänzen des gegebenenfalls entfetteten Bandes, kontinuierliche Vorbehandlung des gegebenenfalls entfetteten und/oder geglänzten Bandes zur Erzeugung einer als Haftgrund für eine Lackschicht geeigneten Vorbehandlungsschicht, kontinuierliche Vorbehandlung des gegebenenfalls entfetteten Bandes zur Erzeugung einer als Haftgrund für eine Lackschicht geeigneten Bandoberfläche, kontinuierliches Lackieren des vorbehandelten Bandes mit einem Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan zur Erzeugung einer ersten Schutzschicht, kontinuierliches Trocknen und Härten der ersten Schutzschicht in einem Durchlaufofen, Fertigung der Blechteile durch Umformen des mit der ersten Schutzschicht versehenen Bandes und Ablängen der gegebenenfalls weiter umzuformenden Blechteile oder Schneiden der Blechteile aus dem mit der ersten Schutzschicht versehenen Band und Umformen der ausgeschnittenen Blechteile, Lackieren der umgeformten Blechteile mit einem So-Gel-Lack aus einem Polysiloxan zur Erzeugung einer zweiten Schutzschicht und Trocknen und Härten der zweiten Schutzschicht in einem Ofen. Die mit dem Verfahren hergestellten Umformteile zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit sowie Abriebfestigkeit aus.

Description

Verfahren zur Herstellung umgeformter Aluminium-Blechteile mit dekorativer Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung witterungs- und korrosions- beständiger umgeformter Blechteile aus Aluminium oder aus einer Aluminium¬ legierung mit dekorativer Oberfläche.
Bei der Herstellung von dekorativen Umformteilen aus Aluminiumblech, wie z.B. Zierleisten, werden die Teile in herkömmlichen Verfahren zunächst aus einem Band ausgestanzt und umgeformt. Die Vorbehandlung und das Aufbringen weiterer Oberflächenschichten wird an den bereits umgeformten Teilen durch¬ geführt. Diese Verfahrensweise ist sehr aufwendig und mit einem komplexen Handling verbunden, da die in verschiedenen Bädern zu behandelnden Blech¬ teile auf Halter aufgesteckt und oft auch von einem Halter auf einen anderen umgesteckt werden müssen.
Aus der EP-A-1 154 289 ist ein Coil-Coating-Verfahren zur Herstellung von Reflektorblechen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bekannt. Die Schutzschicht auf den mit diesem Verfahren hergestellten Reflektorblechen neigt jedoch beim Umformen der Bleche zu Rissbildung, so dass die Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit der umgeformten Blechteile nicht mehr gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung umgeformter Blechteile aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit dekorativer Oberfläche unter Anwendung eines Coil-Coating-Verfahrens mit gegenüber bekannten Verfahren verbesserter Witterungs- und Korrosions¬ beständigkeit zu schaffen.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Verfahren, das nachein¬ ander die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Bandes aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegie- rung,
- gegebenenfalls kontinuierliches Entfetten des Bandes,
- gegebenenfalls elektrochemisches, chemisches oder mechanisches Glän¬ zen des gegebenenfalls entfetteten Bandes, - kontinuierliche Vorbehandlung des gegebenenfalls entfetteten und/oder ge¬ glänzten Bandes zur Erzeugung einer als Haftgrund für eine Lackschicht geeigneten Vorbehandlungsschicht,
- kontinuierliches Lackieren des vorbehandelten Bandes mit einem SoI-GeI- Lack aus einem Polysiloxan zur Erzeugung einer ersten Schutzschicht, - kontinuierliches Trocknen und Härten der ersten Schutzschicht in einem Durchlaufofen,
- Fertigung der Blechteile durch
a. Umformen des mit der ersten Schutzschicht versehenen Bandes und Ablängen der gegebenenfalls weiter umzuformenden Blechteile oder
b. Schneiden der Blechteile aus dem mit der ersten Schutzschicht versehenen Band und Umformen der ausgeschnittenen Blechteile,
Lackieren der umgeformten Blechteile mit einem Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan zur Erzeugung einer zweiten Schutzschicht,
- Trocknen und Härten der zweiten Schutzschicht in einem Ofen.
Die Schichtdicke des ausgehärteten Sol-Gel-Lackes der ersten Schutzschicht beträgt bevorzugt wenigstens 1 μm und liegt vorzugsweise zwischen 1 und 4,5 μm, insbesondere zwischen 1 und 3 μm. Enthält der Sol-Gel-Lack zusätzlich noch Farbpigmente, kann die Schichtdicke bis 10 μm betragen.
Die Schichtdicke des ausgehärteten Sol-Gel-Lackes der zweiten Schutzschicht beträgt bevorzugt wenigstens 0,5 μm und liegt vorzugsweise zwischen 1 und 3 μm.
Die Erzeugung einer zweiten Schutzschicht auf der Oberfläche der umgeformten Blechteile führt zur gewünschten Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit.
Der Sol-Gel-Lack ist bevorzugt ein aus einer alkoholischen Silan-Lösung, vor¬ zugsweise einer Alkoxysilan-Lösung, und einer wässrigen kolloidalen Kiesel- säure-Lösung hergestelltes Polysiloxan und besteht insbesondere aus ver¬ netzten anorganischen Polysiloxanen mit über Kohlenstoffbindungen mit dem Silizium verbundenen organischen Gruppen, insbesondere Alkylgruppen. Poly¬ siloxan ist dabei der Begriff für Polymere aus vernetzten Siloxanen.
Als Bandmaterial für die Herstellung der Umformteile kann handelsübliches Aluminium mit einer Reinheit von 98,3% und höher verwendet werden, je nach den an die Oberflächenqualität gestellten Anforderungen z.B. Aluminium mit einer Reinheit von 99,0% und höher, fallweise auch mit einer Reinheit von 99,5%. In besonders gelagerten Fällen kann auch eine Reinheit von 99,8% und höher angezeigt sein. Neben Aluminium der genannte Reinheiten können auch Aluminiumlegierungen eingesetzt werden. Bevorzugte Legierungen sind diejeni¬ gen der Reihen AA 1000, AA 3000 und AA 5000. Weitere in Frage kommende Legierungen enthalten beispielsweise 0,25 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 4 Gew.-% Magnesium oder 0,2 bis 2 Gew.-% Mangan, oder 0,5 bis 5 Gew.-% Magnesium und 0,2 bis 2 Gew.-% Mangan, insbesondere 1 Gew.-% Magne¬ sium und 0,5 Gew.-% Mangan, oder 0,1 bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.-% Kupfer, oder 0,5 bis 6 Gew.-% Zink und 0,5 bis 5 Gew.-% Magnesium, oder 0,5 bis 6 Gew.-% Zink, 0,5 bis 5 Gew.-% Magnesium und 0,5 bis 5 Gew.- % Kupfer, 0,5 bis 2 Gew.-% Eisen und 0,2 bis 2 Gew.-% Mangan, insbesondere 1 ,5 Gew.-% Eisen und 0,4 Gew.-% Mangan, oder AIMgSi- oder AlFeSi-Legie- rungen. Weitere Beispiele sind AlMgCu-Legierungen, wie AIMgO,8Cu oder AlMg-Legierungen, wie AIMgI , oder AlFeMn-Legierungen wie AIFeMnI , 5.
Die Blechteile können beispielsweise durch Biegen, Tiefziehen, Kaltfliesspres- sen oder Rollumformen, aber auch über andere Umformverfahren geformt wer¬ den. Die Vorbehandlungsschicht kann beispielsweise eine durch Chromatierung, Phosphatierung oder durch anodische Oxidation erzeugte Schicht sein. Vor¬ zugsweise ist die Vorbehandlungsschicht aus anodisch oxidiertem Aluminium.
Die Vorbehandlungsschicht kann eine Dicke von beispielsweise wenigstens 10 nm, vorzugsweise von wenigstens 20 nm, insbesondere von wenigstens 50 nm und vorteilhaft von wenigstens 100 nm aufweisen. Die maximale Dicke der Vor¬ behandlungsschicht beträgt beispielsweise 5000 nm, vorzugsweise 1500 nm und insbesondere 300 nm.
Die Vorbehandlungsschicht ist bevorzugt eine anodisch erzeugte Oxidschicht, die in einem nicht rücklösenden oder in einem rücklösenden Elektrolyten aufge¬ baut wurde. Die Vorbehandlungsschicht ist vorzugsweise eine poröse, anodisch erzeugte Oxidschicht.
Die Anodisation findet vorzugsweise in einem sauren Elektrolyten aus der Reihe der Phosphorsäure-, Zitronensäure-, Weinsäure-, Chromsäureelektrolyte und insbesondere aus der Reihe der Schwefelsäureelektrolyte statt. Die Anodi¬ sation erfolgt im Wechsel- oder im Gleichstromverfahren.
Die Vorbehandlungsschicht kann auch eine Gelbchromatierschicht, eine Grün- chromatierschicht, eine Phosphatschicht oder eine chromfreie Vorbehandlungs¬ schicht, die in einem wenigstens eines der Elemente Ti, Zr, F, Mo oder Mn ent¬ haltenden Elektrolyten ausgebildet worden ist, enthalten.
Ferner kann die Aluminiumoberfläche zur Vorbehandlung in einem chemischen oder elektrochemischen Verfahren geglänzt oder einem alkalischen Beizpro- zess unterzogen werden. Solche Glänz- oder Beizverfahren werden vor dem Anodisieren durchgeführt.
Vor dem Auftrag einer Vorbehandlungsschicht oder Durchführung erster Vorbe¬ handlungsschritte wird die Bandoberfläche zweckmässigerweise entfettet und gereinigt. Die Vorbehandlung kann auch lediglich ein Entfetten und Reinigen der Bandoberfläche beinhalten. Die Reinigung der Bandoberfläche kann auf an sich bekannte Weise, z.B. chemisch und/oder elektrochemisch und sauer oder alkalisch, erfolgen. Sie bezweckt die Entfernung von Fremdsubstanzen und ge- gebenenfalls der natürlich entstanden Oxidschicht auf der Aluminiumoberfläche. Als Reinigungsmittel eignen sich z.B. saure, wässrige Entfettungsmittel, alkali¬ sche Entfettungsmittel auf der Basis von Polyphosphat und Borat. Eine Reini¬ gung mit massigem bis starkem Materialabtrag bildet das Beizen oder Ätzen mittels stark alkalischen oder sauren Beizlösungen, wie z.B. Natronlauge oder ein Gemisch aus Salpetersäure und Flusssäure. Dabei wird die vorhandene Oxidschicht samt ihren Verunreinigungen entfernt. Bei stark angreifenden alka¬ lischen Beizen ist gegebenenfalls eine saure Nachbehandlung notwendig.
Mit an sich bekannten elektrochemischen, chemischen oder mechanischen Glänzverfahren kann ebenfalls eine Reinigung der Bandoberfläche erzielt wer¬ den. Durch den Glänzvorgang kann zudem das optische Erscheinungsbild der Bandoberfläche am Endprodukt beeinflusst werden.
Im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens kann bei einer bevorzugten Ausführung die Vorbehandlungsschicht beispielsweise unter Einhaltung der folgenden Verfahrensbedingung auf das Aluminiumband aufgebracht werden: a) Entfetten bei pH 9 - 9,5 bei ca. 500C, b) Spülen mit Leitungswasser (Raumtemperatur), c) Elektrochemisches Glänzen, d) Spülen mit Leitungswasser (Raumtemperatur), e) Anodisieren in 20% H2SO4 bei ca. 250C und 20V Spannung, f) Spülen in Leitungswasser bei ca. 5O0C und g) Spülen in entionisiertem Wasser bei ca. 85°C.
Das Aluminiumband durchläuft die verschiedenen Behandlungsbäder kontinu¬ ierlich mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 40 m/min. Auf die Vorbehandlungsschicht können anschliessend die Schutzschicht und gegebenenfalls weitere Schichten aufgebracht werden.
Der auf die Vorbehandlungsschicht aufgetragene Sol-Gel-Lack ist bevorzugt ein aus einer alkoholischen Silan-Lösung, insbesondere einer Alkoxysilan-Lösung, und einer kolonialen Kieselsäure-Lösung hergestelltes Polysiloxan. Das Polysi- loxan wird insbesondere durch eine Kondensationsreaktion zwischen hydroly- sierten und vernetzbaren Silanen, insbesondere Alkoxysilanen, und kolloidaler Kieselsäure erzeugt.
Die Kondensationsreaktion zwischen hydrolisierten Silanen, insbesondere Alk¬ oxysilanen, untereinander sowie hydrolisierten Silanen, insbesondere Alkoxysi¬ lanen, und kolloidaler Kieselsäure führt zur Ausbildung eines anorganischen Netzwerkes von Polysiloxanen. Gleichzeitig werden organische Gruppen, ins- besondere Alkylgruppen bzw. einfache Alkylgruppen über Kohlenstoffbindun¬ gen in das anorganische Netzwerk eingebaut. Die organischen Gruppen, bzw. die Alkyl-Gruppen, nehmen jedoch nicht direkt an der Polymerisation bzw. der Vernetzung der Siloxane teil, d.h. sie dienen nicht zur Ausbildung eines organi¬ schen Polymersystems sondern lediglich zur Funktionalisierung. Die Funktion liegt darin, dass die organischen Gruppen, insbesondere die Alkyl-Gruppen, während des Sol-Gel-Prozesses an den Aussenseiten der Polysiloxane ange¬ hängt werden und dadurch eine gegen aussen wasserabstossende Lage aus¬ bilden, welche dem Sol-Gel-Lack eine ausgeprägte hydrophobe Eigenschaft verleiht.
Der beschriebene Sol-Gel-Prozess führt, wie erwähnt, durch gezielte Hydrolyse und Kondensation von Alkoxiden des Siliziums und Kieselsäure zu einem Sol- Gel-Lack aus einem anorganischen Netzwerk mit eingebauten Alkylgruppen. Die dadurch erhaltenen Polysiloxane sind deshalb eher den anorganischen Polymeren einzuordnen.
Bei der Herstellung einer bevorzugten Ausführung eines Sol-Gel-Lackes als Schutzschicht wird zweckmässigerweise von zwei Basislösungen A und B aus¬ gegangen.
Die Lösung A ist eine alkoholische Lösung eines oder mehrerer verschiedener Alkoxysilane, wobei die Alkoxysilane in einem wasserfreien Medium in nicht hydrolisierter Form vorliegen. Als Lösungsmittel wird zweckmässig ein Alkohol, wie beispielsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl- oder Butylalkohol und bevorzugt Iso- propylalkohol, verwendet.
Die Alkoxysilane werden durch die allgemeine Formel XnSi(OR)4-0 beschrieben, in welcher "R" ein einfaches Alkyl ist, vorzugsweise aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl und Buthyl. "X" ist zweckmässig ebenfalls ein Alkyl, vor¬ zugsweise aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl und Buthyl. Zweckmässige Alkoxysilane sind beispielsweise Tetramethoxysilane (TMOS) und bevorzugt Tetraethoxysilan (TEOS) und Methyltrimethoxysilan (MTMOS) und weitere Alkoxysilane.
In besonders bevorzugter Ausführungsform wird die Lösung A aus Tetraethoxy¬ silan (TEOS) und/oder Methyltrimethoxysilan (MTMOS) mit einem Methyl-, Ethyl- oder Propyl-Alkohol und insbesondere mit einem Isopropylalkohol als Lösungsmittel zubereitet. Die Lösung A kann z.B. 25 - 35 Gew.-%, insbeson¬ dere 30 Gew.-%, TEOS und 15 - 25 Gew.-%, insbesondere 20 Gew.-%, MTMOS enthalten, beides gelöst in 40 - 60 Gew.-%, insbesondere 50 Gew.-%, Isopropylalkohol.
Die Lösung B enthält in Wasser gelöste kolloidale Kieselsäure. In zweckmässi- ger Ausführung wird die Lösung B mittels Säure, vorzugsweise mittels Salpe¬ tersäure (HNO3), auf einen pH-Wert zwischen 2,0 - 4, vorzugsweise zwischen 2,5 - 3,0 und insbesondere von 2,7 eingestellt.
Die verwendete Kieselsäure ist zweckmässig eine in saurem Milieu stabilisierte Kieselsäure, wobei der pH-Wert der Kieselsäure vorteilhaft bei 2 - 4 liegt. Die Kieselsäure ist vorteilhaft möglichst alkaliarm. Der Alkaligehalt (z.B. Na2θ) der Kieselsäure liegt bevorzugt unter 0,04 Gew.-%.
Die Lösung B enthält beispielsweise 70 - 80 Gew.-%, insbesondere 75 Gew.-%, Wasser als Lösungsmittel und 20 - 30 Gew.-%, insbesondere 25 Gew.-%, kol¬ loidale Kieselsäure. Die Lösung B ist zweckmässig mittels Salpetersäure (HNO3) auf einen pH-Wert zwischen 2,0 - 3,5, vorzugsweise zwischen 2,5 - 3,0, und insbesondere von 2,7 eingestellt. Eine bevorzugte Kieselsäure-Lösung wird beispielsweise durch die Firma Nissan Chemical Industries Ltd. mit dem Pro- duktname "SNOWTEX® O" vertrieben.
Das Zusammenführen und Mischen der beiden Basislösungen A und B führt in Gegenwart der Salpetersäure zu einer Hydrolysereaktion zwischen dem in Lö¬ sung B enthaltenen Wasser und den in Lösung A enthaltenen Alkoxysilanen. Hydrolysereaktion: Si(OR)n + nH2O → Si(OH)n +nR(OH)
Gleichzeitig tritt eine Kondensationsreaktion ein, bei der unter Wasserabspal¬ tung aus jeweils zwei Si-OH-Gruppen eine Siloxan-Bindung (Si-O-Si) aufgebaut wird. Durch fortschreitende Polymerisation entsteht dabei ein Netzwerk von Polysiloxanen, an welche Alkyl-Gruppen angegliedert sind. Die neue Mischlö- sung liegt in einem gelförmigen Zustand vor. Die beiden Lösungen A und B werden bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von 7 : 3 Teilen gemischt.
Der Sol-Gel-Lack wird zweckmässigerweise in Gel-Form auf die Oberfläche des Aluminiumbandes aufgetragen und anschliessend getrocknet bzw. gehärtet.
Die kontinuierliche Beschichtung zur Erzeugung der ersten Schutzschicht erfolgt im Bandlackierungsverfahren, auch Coil-Coating-Verfahren genannt. Ein typisches Coil-Coating-Verfahren ist ein Walzenauftragverfahren mit zwei oder drei Walzen.
Der Trocknungsprozess besteht darin, die im Sol-Gel-Lack verbleibenden Was¬ ser und Alkohole auszutreiben, wodurch der Sol-Gel-Lack aushärtet und eine witterungsbeständige und korrosionsfeste Schutzschicht auf der Bandoberflä¬ che entsteht.
Das mit dem Sol-Gel-Lack beschichtete Band wird zweckmässigerweise mittels Strahlung, wie UV-Strahlung, Elektronenstrahlung, Laserstrahlung, oder mittels Wärmestrahlung, wie IR-Strahlung, oder mittels Konvektionserwärmung oder einer Kombination der vorgenannten Trockungs- bzw. Härtungsverfahren, ge¬ trocknet resp. gehärtet.
Die an der Bandoberfläche gemessene Temperatur zur Trockung bzw. Härtung des Sol-Gel-Lackes ist zweckmässig grösser als 60° C, vorzugsweise grösser als 150° C und insbesondere grösser als 200° C. Die erhöhte Temperatur ist ferner zweckmässigerweise kleiner als 4000C, vorzugsweise kleiner als 3500C und insbesondere kleiner als 300°. Die Temperatur liegt besonders bevorzugt zwischen 2500C und 3000C. Bei der Temperaturangabe handelt es sich um eine sogenannte "Peak Metal Temperature" (PMT).
Die erhöhte Temperatur kann beispielsweise während 5 Sekunden bis 2 Minu¬ ten auf das Band einwirken. Der Sol-Gel-Lack wird während einer Zeit von vor- zugsweise weniger als 90 Sekunden, insbesondere von weniger als 60 Sekun¬ den, und von vorzugsweise mehr als 10 Sekunden, insbesondere von mehr als 30 Sekunden getrocknet bzw. gehärtet. Bei Einsatz von IR-Strahlung liegen die Trockungszeiten eher im unteren Bereich der angegebenen Aufenthaltszeiten.
Die Konvektionserwärmung kann zweckmässig durch eine Beaufschlagung mit erwärmten Gasen, wie Luft, Stickstoff, Edelgase oder Gemischen daraus, erfol¬ gen. Die Sol-Gel-Lackschicht wird in einem Durchlaufofen getrocknet.
Das mit der ersten Schutzschicht versehene Band wird beispielsweise durch Rollumformen weiterverarbeitet, die Blechteile werden abgelängt und gegebenenfalls einem weiteren Umformschritt unterzogen. Bei einer Variante des Verfahrens werden zuerst Blechteile aus dem mit der ersten Schutzschicht versehenen Band geschnitten bzw. ausgestanzt und die ausgeschnittenen Blechteile werden dann umgeformt.
Die umgeformten Blechteile werden anschliessend zur Erzeugung der zweiten Schutzschicht mit einem Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan lackiert und nachfolgend zum Trocknen und Härten der zweiten Schutzschicht in einen Ofen überführt. Bevorzugt erfolgt das Trocknen und Härten der zweiten Schutzschicht ebenfalls in einem Durchlaufofen.
Der Lackauftrag kann mit beliebigen Verfahren erfolgen. Bevorzugt wird das Spritzlackieren.
Das Trocknen und Härten der zweiten Schutzschicht erfolgt bevorzugt unter den gleichen Verfahrensbedingungen wie das vorstehend beschriebene Trocknen und Härten der ersten Schutzschicht.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Umformteile wei¬ sen dank der harten und eine ausgezeichnete Haftung aufweisenden Schutz¬ schicht eine gute Schutzwirkung gegen Witterungseinflüsse, Korrosion und me- chanischen Abrieb auf und zeichnen sich durch eine gute UV-Beständigkeit aus.
Die erfindungsgemäss hergestellten Umformteile verfügen dank der SoI-GeI- Schutzschicht aus Polysiloxanen über eine hohe Oberflächenhärte. Die SoI- Gel-Schutzschicht weist zweckmässigerweise eine nach der Methode "Bleistift¬ verfahren nach Wolf Wilburn" nach DIN 55350 Teil 18 gemessene Härte von grösser T, vorzugsweise von grösser "h", insbesondere von grösser "2h" und vorteilhaft von grösser "3h" auf, wobei grösser im Sinne von härter zu verstehen ist.
Die Sol-Gel-Schicht zeichnet sich zudem durch eine ausgezeichnete Haftung auf den umgeformten Blechteilen aus. Nachfolgend wird anhand eines Beispiels die Zubereitung und Herstellung einer besonders bevorzugten Ausführung eines Sol-Gel-Lackes beschrieben. Dazu werden eine Lösung A und eine Lösung B vorbereitet.
Lösung A enthält:
50 Gew.-% Isopropylalkohol
30 Gew.-% Tetraethoxysilan (TEOS)
20 Gew.-% Methyltrimethoxysilan (MTMOS)
Lösung B enthält:
75 Gew.-% Wasser
25 Gew.-% Kolloidale Kieselsäure
Der pH-Wert der Lösung B ist unter Zugabe einer Säure, insbesondere Salpe- tersäure (HNO3), auf ca. 2,7 eingestellt.
Die Herstellung des Sol-Gel-Lackes und die Beschichtung des Aluminiumban¬ des erfolgt in bevorzugter Ausführung wie folgt:
Einer Basislösung A, wie zuvor beschrieben, in einem Anteil von 70 Gew.-% der Mischlösung wird unter Rühren eine Lösung B in einem Anteil von 30 Gew.-% der Mischlösung zugegeben. Die Lösungen A und B werden unter kontinuierli¬ chem Rühren in eine Mischlösung überführt, wobei reaktionsbedingt Wärme freigesetzt wird.
Die Mischlösung wird über eine bestimmte Zeit, beispielsweise während 1 h bis 10 h, vorzugsweise währen 4 bis 8 h, insbesondere während rund 6 h gerührt. Das Gemisch wird anschliessend filtriert. Der Filter dient dem Rückhalt grosse¬ rer Partikel, wie z.B. Partikel von kolonialer Kieselsäure. Der Porendurchmesser bzw. die Maschenweite des Filters richtet sich nach der angestrebten Schicht¬ dicke, da Partikel mit grosserem Durchmesser als die angestrebte Schichtdicke die Oberflächenqualität der Schutzschicht beeinträchtigen. Die Filtration kann beispielsweise mittels Polypropylenfilter mit einer Porosität von 1 μm erfolgen.
Die Mischlösung wird zweckmässig auf einem pH-Wert von 2 - 4, vorzugsweise von 2 bis 3,5, insbesondere von 2,5 bis 3, und besonders bevorzugt von 2,7, gehalten. Die Angleichung des pH-Wertes erfolgt mittels Säure, bevorzugt mit¬ tels Salpetersäure.
Nach Abschluss des Rührvorganges kann der Sol-Gel-Lack mittels eines der vorgenannten Verfahrens auf die Bandoberfläche aufgetragen und nachfolgend, wie vorgängig beschrieben, getrocknet bzw. gehärtet werden.
In vorteilhafter Ausführung des Herstellungsverfahrens wird der Sol-Gel-Lack nach seiner Herstellung und vor dem Auftrag auf die Bandoberfläche während weniger Minuten bis mehreren Stunden, vorzugsweise zwischen 1 und 24 h, insbesondere zwischen 12 und 22 h und besonders bevorzugt während rund 17 h ruhig gestellt.
Die Elementanalyse des ausgehärteten Sol-Gel-Lackes mittels XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) weist z.B. die Elemente Sauerstoff, Silizium und rund 5 - 20 at.% (Atomprozente) Kohlenstoff nach.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung witterungs- und korrosionsbeständiger umge¬ formter Blechteile aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit dekorativer Oberfläche unter Anwendung eines Coil-Coating-Verfahrens, umfassend nacheinander die Schritte:
- Bereitstellen eines Bandes aus Aluminium oder aus einer Aluminiumle¬ gierung,
- gegebenenfalls kontinuierliches Entfetten des Bandes,
- gegebenenfalls elektrochemisches, chemisches oder mechanisches Glänzen des gegebenenfalls entfetteten Bandes,
- kontinuierliche Vorbehandlung des gegebenenfalls entfetteten und/oder geglänzten Bandes zur Erzeugung einer als Haftgrund für eine Lack¬ schicht geeigneten Vorbehandlungsschicht,
- kontinuierliches Lackieren des vorbehandelten Bandes mit einem SoI- Gel-Lack aus einem Polysiloxan zur Erzeugung einer ersten Schutzschicht,
- kontinuierliches Trocknen und Härten der ersten Schutzschicht in einem Durchlaufofen,
- Fertigung der Blechteile durch a. Umformen des mit der ersten Schutzschicht versehenen Bandes und Ablängen der gegebenenfalls weiter umzuformenden Blechteile oder b. Schneiden der Blechteile aus dem mit der ersten Schutzschicht versehenen Band und Umformen der ausgeschnittenen Blechteile,
- Lackieren der umgeformten Blechteile mit einem Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan zur Erzeugung einer zweiten Schutzschicht,
- Trocknen und Härten der zweiten Schutzschicht in einem Ofen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Schutzschicht wenigstes 1 μm beträgt und bevorzugt zwischen 1 und 10 μm, insbesondere zwischen 1 und 4,5 μm und besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 μm liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zweiten Schutzschicht wenigstes 0,5 μm beträgt und bevorzugt zwischen 0,5 und 3 μm liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sol-Gel-Lack ein aus einer alkoholischen Silan-Lösung, vorzugsweise einer Alkoxysilan-Lösung, und einer wässrigen kolloidalen Kieselsäure-Lösung hergestelltes Polysiloxan ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sol-Gel-Lack aus vernetzten anorganischen Polysiloxanen mit über Kohlenstoffbindungen mit dem Silizium verbundenen organischen Gruppen, insbesondere Alkylgruppen, besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Band ein Glänzwerkstoff oder ein Werkstoff mit einer matten de¬ korativen Oberfläche eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorbehandlungsschicht auf der Bandoberfläche eine anodische Oxidschicht erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Oxidschicht eingefärbt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorbehandlungsschicht auf der Bandoberfläche eine Chromat- schicht erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorbehandlungsschicht auf der Bandoberfläche eine chromfreie Schicht erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sol-Gel-Lack Farbpigmente enthält.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die umgeformten Blechteile als dekorative Teile, insbesondere als Zierteile wie Zierleisten im Automobilbau verwendet werden.
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