WO2019115301A1 - Anti-corrosion coating for metallic substrates - Google Patents

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WO2019115301A1
WO2019115301A1 PCT/EP2018/083560 EP2018083560W WO2019115301A1 WO 2019115301 A1 WO2019115301 A1 WO 2019115301A1 EP 2018083560 W EP2018083560 W EP 2018083560W WO 2019115301 A1 WO2019115301 A1 WO 2019115301A1
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mol
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conversion layer
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Michael Grabowski
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Audi Ag
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/05Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
    • C23C22/06Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
    • C23C22/07Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6 containing phosphates
    • C23C22/08Orthophosphates
    • C23C22/22Orthophosphates containing alkaline earth metal cations
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C22/00Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/05Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
    • C23C22/68Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous solutions with pH between 6 and 8

Definitions

  • the invention relates to amorphous calcium phosphate based anti-corrosion coatings for metallic substrates, aqueous passivating solutions and a process for producing coated moldings.
  • metal components in particular of light metal components, is common practice across industries.
  • vehicle bodies are today usually produced in mixed construction, for example, from light metal and sheet steel parts to achieve a weight reduction.
  • light metal e.g. Aluminum or magnesium materials or alloys thereof used.
  • a method for painting vehicle bodies wherein the body shell is subjected to a pre-treatment before the actual painting process.
  • the cleaned vehicle bodies are coated in a phosphating bath with a zinc phosphate layer, which serves as corrosion protection and as a primer for the subsequent primer.
  • WO 2015/015524 A1 discloses a method for surface treatment of a surface of a component whose material is a magnesium alloy. The process can produce a nickel coating of uniform thickness.
  • JP 2009-228087 A discloses a method for coating a light metal component made from a magnesium alloy.
  • a method for passivating a surface of a metal component is known.
  • a calcium phosphate-containing conversion layer is produced in a passivation step using an aqueous passivating solution on the surface of the metal component.
  • the conversion layer comprises oxides and Hydroxides and carbonates of the component material and the cations contained in the passivation solution.
  • a conversion layer is produced which has a sheet-like layer morphology with crack structures. This leads to a reduction of the protective effect of the conversion layer.
  • the passivation solution has a very complex composition and contains many different amino acids, vitamins and inorganic substances.
  • DE 10 2016 002 852 A1 relates to a method for passivating a surface of a metal component, in which a calcium phosphate-containing conversion layer is produced in a passivation step using an aqueous passivation solution on the surface, which has oxides and hydroxides and carbonates of the component material and the passivation solution ,
  • the passivation solution for the formation of the conversion layer is less complex than that of DE 10 2014 005 444 A1 and contains at least one substance acting as a chelate complexing agent.
  • the object of the invention is to provide an aqueous passivating solution and a method for passivating a metallic surface of a light metal component, in which good passivation, in particular in the case of aluminum or magnesium, is achieved by a well adhering, dense and crack-free conversion layer.
  • Another object of the invention is to provide moldings with a correspondingly passivated surface.
  • the invention relates to an aqueous passivating solution for forming a calcium phosphate-containing conversion layer on a surface a metal component, wherein at least the surface of the metal component is formed by a light metal.
  • the passivation solution according to the invention contains
  • the passivation solution a) according to the invention comprises 1, 2 to 2.4 mmol / l of calcium cations
  • the concentration of sodium ions is outside a range of 128 to 192 mmol / l; and / or the concentration of potassium ions is outside a range of 4 to 7 mmol / l.
  • the concentration of sodium ions is less than 128 mmol / l. In a further embodiment, the passivation solution according to the invention is substantially free of sodium ions. In one embodiment, the concentration of potassium ions is less than 4 mmol / l. In another embodiment, the passivation solution according to the invention is substantially free of potassium ions. In a further embodiment, the passivation solution according to the invention contains neither Sodium or potassium ions in a substantial amount, ie in the passivation solution according to the invention, sodium and potassium ions are at most present in traces as an impurity.
  • the composition of the passivation solution is defined by specifying the molar concentrations of the ions actually actively involved in the coating process.
  • anions eg chloride
  • anions eg chloride
  • a multiplicity of salts eg NaCl, CaCl 2, KCl, SrCl 2, LiCl, etc.
  • the use of an anion source with these same cations can be chosen variably, or the anions can be used over several salts (eg NaCl, KCl, CaCh) are introduced into the electrolyte.
  • the corresponding ions can be transferred into the electrolyte in a variable manner (ie variable selection of the starting substances).
  • it is irrelevant, for example, which chloride, carbonate or phosphate source is used. This results in a much greater flexibility in the preparation of the passivation solution according to the invention and in its composition in comparison with the passivation solutions of the prior art.
  • the aqueous passivation solution according to the invention contains 5 to 30 mmol / l, for example 5 to 15 mmol / l, of at least one chelate complexing agent.
  • the chelate complexing agent can temporarily bind free ions (eg Ca 2+ ) and transport them to the metal surface, where this ion then enters the coating is installed.
  • the complexing agent has a predominantly catalytic effect, ie it is not consumed itself. However, it can happen that individual molecules are "overgrown" by the layer and thus find themselves isolated in the coating.
  • the chelating agent any suitable substances can be used.
  • the chelating agent is an organic substance having optionally deprotonated functional groups with one or more lone pairs of electrons, for example OH end groups, COOH end groups, Nhh end groups or the like.
  • the chelating agent is an organic acid or its salt. Examples include acetic acid, tartaric acid, citric acid, phytic acid, oxalic acid, EDTA, amino acids and vitamins.
  • the chelating agent is an amino acid, for example L-arginine, L-glutamine or glutamic acid.
  • Examples of other chelating agents in addition to carboxylic acids are alcohols, phenols, naphthols, enols, thiols, sulfonic acids, phosphoric acid esters and phosphonic acids.
  • the invention also provides a method for passivating a surface of a metal component, wherein at least the surface of the metal component is formed by a light metal, in which a calcium phosphate-containing conversion layer is produced in a passivation step using an aqueous passivation solution according to the invention on the surface, the oxides and hydroxides and carbonates of the component material and constituents of the passivation solution.
  • At least the surface of the metal component used in the method is formed by a light metal.
  • Suitable light metals include in particular magnesium, aluminum and alloys thereof.
  • the passivation step with the passivation solution according to the invention is carried out in a manner known to the person skilled in the art, for example by immersing the metal component in the passivation solution according to the invention or spraying the metal component with the passivation solution according to the invention.
  • the passivation process is carried out at acidic to neutral pH.
  • the pH of the passivation solution is in the range from 1 to 7, in particular 1 to 5.
  • the passivation reaction according to the invention proceeds relatively slowly at a pH of about 7. It can be accelerated by reducing the pH and / or by polarization and / or increasing the partial pressure of CO2.
  • the temperature in the passivation step is from 15 to 80 ° C, for example 37 ° to 65 ° C.
  • the coating process can be accelerated by increasing the temperature.
  • the reaction time in the passivation step is from 5 to 15 minutes. At longer exposure time of the passivation solution thicker conversion layers are obtained.
  • a conversion layer is produced which effects a reduction of the occurring contact corrosion currents upon contact of the passivated component with, for example, aluminum, steel, zinc, carbon fibers or CFRP. Furthermore, there is an increase in the penetration resistance of the passivated metal surface. The higher the penetration resistance of the conversion layer, the lower the resulting corrosion currents or the corrosion rate. In addition, the passive behavior of the conversion layer is increased by the closed, predominantly crack-free layer structure of the conversion layer.
  • the passivation solution according to the invention and the process according to the invention lead to a special layer composition not yet described.
  • the conversion layer is amorphous, while the calcium phosphates described in the literature from the medical and implant technology have a crystalline structure.
  • amorphous materials there is a "near order" of neighboring atoms, but unlike crystalline materials, there is no long-range order between the atoms.
  • the amorphous nature of a material can be easily detected by X-ray diffraction (XRD) or LEED (Low-Energy Electron Diffraction).
  • XRD X-ray diffraction
  • LEED Low-Energy Electron Diffraction
  • the composition of the conversion layer has the formula (Mg) x (Al) y (Ca) z (PO 4) u (CO 3) v (0H) w .
  • the conversion layer thus contains magnesium, aluminum and calcium cations, as well as phosphate, carbonate and hydroxide anions.
  • the z / ⁇ ratio for coatings on Mg alloys is 0.5 to 1.8.
  • the ratio z / u in coatings on Al alloys is 0.01 to 0.5.
  • the invention also provides moldings or metal components which have on their surface a conversion layer or passivation layer which can be produced by the process according to the invention or by using the passivation solution according to the invention.
  • f) contains 2 to 15 mol% of oxygen and / or hydroxide anions.
  • the mole fraction of the individual chemical constituents is determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis).
  • XPS analysis The very surface-sensitive measuring method XPS determines the composition of the uppermost ⁇ 10 nm of the surface layer of the shaped body.
  • Mg2p stands for the 2p orbital of the Mg atom.
  • the binding energies of the Mg2p orbital are sensitive to the chemical nature of the Mg compound in a compound. Depending on the binding partner, there may be a slight shift in the binding energies in the Mg2p orbital, which allow conclusions to be drawn about the binding partner.
  • the conversion layer contains 0 to 5 mol% of nitrogen, which is derived from NFIx groups from the occluded or overgrown organic chelating agent. If a nitrogen-containing chelate complexing agent is used, for example an amino acid, the nitrogen content of the layer allows a conclusion to be drawn regarding the amount of incorporated chelate complexing agent.
  • the average layer thickness of the conversion layer or passivation layer is 0.2 to 5 miti.
  • the layer has a density of 2 to 3 g / cm 3 .
  • the magnesium alloy component has a compact coating containing calcium phosphate and magnesium hydroxide / magnesium oxide as well as carbonates and cations of the base alloy.
  • the conversion layer is well adhering and dense.
  • Another embodiment is a molded article of an aluminum alloy having on its surface a conversion layer, which
  • f) contains 17 to 31 mol% of oxygen and / or hydroxide anions.
  • the conversion layer contains ⁇ 0.5 mole% nitrogen, which may be derived from the enclosed or overgrown organic chelating agents from NH X groups. If a nitrogen-containing chelate complexing agent is used, for example an amino acid, the nitrogen content of the layer allows a conclusion to be drawn regarding the amount of incorporated chelate complexing agent.
  • the average layer thickness of the conversion layer or passivation layer is less than 300 nm.
  • the layer has a density of 2 to 3 g / cm 3 .
  • the aluminum alloy component has a compact and completely crack-free coating comprising calcium phosphate and aluminum hydroxide / aluminum oxide as well as carbonates and cations of the base alloy.
  • the conversion layer is well adhering and dense.
  • the metal component with the passivated surface can be used in various industries, for example in the medical field, aerospace or in the electronics industry. Another example is the automotive sector.
  • the molded article according to the invention or the component according to the invention can be used in a visible manner within the vehicle or as an externally visible outer part.
  • the metal component can be used as an aggregate part, a chassis part, a vehicle-inner-side display frame, or a component of a seat frame structure.
  • the metal component may be a vehicle part, which is first pretreated with the inventive method to form the conversion layer or passivation.
  • the conversion layer of the component can in a following
  • Coating process are covered with at least one other layer.
  • KTL dipping process
  • the KTL is then crosslinked and hardened.
  • a powder coating is then applied. This is done in a powder coating process with applied DC voltage and a subsequent burn-in.
  • the layer morphology of the conversion layer is of particular importance.
  • the metal component for example as a visible outer part or as a component integrated in the body structure, can be joined in a joining process to the shell body that has not yet been painted.
  • the body shell is then subjected to a conventional body painting process together with the light metal component mounted thereon. That is, there is a primer of the body shell in the dipping process.
  • the green body provided with the primer is led to another coating station in which a KTL process takes place.
  • the KTL process is followed by a continuous furnace in which the KTL layer burns in at high temperatures.
  • a conventional automotive paint system is applied, which is also baked in a subsequent drying step at high temperature.
  • the treatment temperature was between 20 ° C and 60 ° C, the treatment time was in the range of 5 to 15 minutes.
  • alloys AZ31, AM50, AZ91, AE44 and ZXK were used.
  • the layer composition ranges were determined by XPS analysis with a Physical Electronics 5600 analyzer with exciting monochromatized Al-Ka radiation (1486.6 eV, 300 W).
  • the binding energies of the elements to be analyzed were determined with a transmission energy of 23.5 eV, with a resolution of ⁇ 0.4 eV and an analysis angle of 45 °.
  • the binding energies of all XPS spectra were referenced to the C1s peak (C-C / C-H) at 284.8 eV.
  • the layer properties for the different substrates (Mg and Al alloys) are summarized in Table 1.
  • amino acids Amino groups (NH2) from the amino acids too.
  • the amino acids have in the

Abstract

The invention relates to amorphous anti-corrosion coatings based on calcium phosphate for metallic substrates, to aqueous passivation solutions, and to a method for producing coated molded bodies.

Description

Anti-Korrosionsbeschichtung für metallische Substrate  Anti-corrosion coating for metallic substrates
BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft amorphe Anti-Korrosionsbeschichtungen auf Basis von Kalziumphosphat für metallische Substrate, wässrige Passivierungslösungen und ein Verfahren zur Herstellung beschichteter Formkörper. DESCRIPTION: The invention relates to amorphous calcium phosphate based anti-corrosion coatings for metallic substrates, aqueous passivating solutions and a process for producing coated moldings.
Der Einsatz von Metallbauteilen, insbesondere von Leichtmetallbauteilen, ist branchenübergreifend gängige Praxis. So werden Fahrzeugkarosserien heute meist im Mischbau gefertigt, beispielsweise aus Leichtmetall- und Stahlblechteilen, um eine Gewichtsreduzierung zu erzielen. Als Leichtmetall werden z.B. Aluminium- oder Magnesium Werkstoffe oder Legierungen davon eingesetzt. The use of metal components, in particular of light metal components, is common practice across industries. Thus, vehicle bodies are today usually produced in mixed construction, for example, from light metal and sheet steel parts to achieve a weight reduction. As light metal, e.g. Aluminum or magnesium materials or alloys thereof used.
Bei im Mischbau gefertigten Fahrzeugkarosserien besteht die Gefahr von Kontaktkorrosion zwischen den Leichtmetallbauteilen (aus Magnesium oder Aluminium) und den Stahl-Bauteilen. Vor allem Lackunterwanderungen und Filiformkorrosion sind häufig auftretende Schadensbilder. Zum Schutz der Leichtmetallbauteile ist ein Waschen / Entfetten, Beizen, eine Passivierung sowie die Applikation einer organischen Beschichtung (z.B. kathodischer Tauchlack) gängige Praxis. Die kommerziellen Beschichtungssysteme bieten jedoch nur zum Teil die notwendige Schutzwirkung gegen Korrosion und/oder Lackunterwanderung. Vor allem bei Kontakt von Stahl mit Magnesium ist der hohe Potentialunterschied korrosionsfördernd. In vehicle bodies manufactured in mixed construction, there is a risk of contact corrosion between the light metal components (of magnesium or aluminum) and the steel components. Especially paint undercuts and filiform corrosion are common damage patterns. To protect the light metal components, washing / degreasing, pickling, passivation and the application of an organic coating (for example cathodic dip coating) are common practice. However, the commercial coating systems only partially provide the necessary protection against corrosion and / or paint infiltration. Especially when steel and magnesium come into contact, the high potential difference promotes corrosion.
Die kommerziell verfügbaren Beschichtungssysteme für Leichtmetallbauteile weisen kein ausreichend passivierendes Verhalten auf, was bedeutet, dass die Korrosionsgeschwindigkeit exponentiell mit zunehmender anodischer Überspannung zunimmt. Werden Magnesiumlegierungen durch den Kontakt mit edleren Metallen (zum Beispiel Aluminium, Stahl) elektrochemisch polarisiert (= hohe anodische Überspannung gegenüber dem Magnesiumwerkstoff), kommt es zu einem exponentiellen Anstieg des Korrosionsstromes bzw. der Korrosionsgeschwindigkeit (galvanische Korrosion). The commercially available coating systems for light metal components do not exhibit sufficient passivating behavior, which means that the corrosion rate increases exponentially with increasing anodic Overvoltage increases. If magnesium alloys are electrochemically polarized by contact with more noble metals (eg aluminum, steel) (= high anodic overvoltage compared to the magnesium material), an exponential increase of the corrosion current or the corrosion rate (galvanic corrosion) occurs.
Es wurden bereits verschiedene Verfahren zur Passivierung der metallischen Oberfläche eines Leichtmetallbauteils vorgeschlagen: Various methods have already been proposed for passivating the metallic surface of a light metal component:
Aus der DE 196 30 289 C2 ist ein Verfahren zum Lackieren von Fahrzeugkarosserien bekannt, worin die Rohkarosserie vor dem eigentlichen Lackiervorgang einer Vorbehandlung unterzogen wird. Dabei werden die gereinigten Fahrzeugkarosserien in einem Phosphatier-Bad mit einer Zinkphosphat-Schicht überzogen, die als Korrosionsschutz und als Haftvermittler für die nachfolgende Grundierung dient. From DE 196 30 289 C2, a method for painting vehicle bodies is known, wherein the body shell is subjected to a pre-treatment before the actual painting process. Here, the cleaned vehicle bodies are coated in a phosphating bath with a zinc phosphate layer, which serves as corrosion protection and as a primer for the subsequent primer.
Aus der WO 2015/015524 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Oberfläche eines Bauteils bekannt, dessen Werkstoff eine Magnesiumlegierung ist. Mit dem Verfahren kann eine Nickelbeschichtung mit gleichmäßiger Dicke erzeugt werden. WO 2015/015524 A1 discloses a method for surface treatment of a surface of a component whose material is a magnesium alloy. The process can produce a nickel coating of uniform thickness.
Die DE 37 15 663 A1 offenbart eine Anodisierlösung für eine anodische Oxidation von Magnesium oder Magnesium-Legierungen. DE 37 15 663 A1 discloses an anodizing solution for an anodic oxidation of magnesium or magnesium alloys.
Aus der JP 2009-228087 A geht ein Verfahren zum Beschichten eines Leichtmetallbauteils aus einer Magnesium-Legierung hervor. JP 2009-228087 A discloses a method for coating a light metal component made from a magnesium alloy.
Aus der DE 10 2014 005 444 A1 ist ein Verfahren zur Passivierung einer Oberfläche eines Metallbauteils bekannt. In dem Verfahren wird in einem Passivierungsschritt unter Verwendung einer wässrigen Passivierungslösung auf der Oberfläche des Metallbauteils eine kalziumphosphathaltige Konversionsschicht erzeugt. Die Konversionsschicht weist Oxide und Hydroxide sowie Carbonate des Bauteil-Werkstoffes und der in der Passivierungslösung enthaltenen Kationen auf. From DE 10 2014 005 444 A1, a method for passivating a surface of a metal component is known. In the process, a calcium phosphate-containing conversion layer is produced in a passivation step using an aqueous passivating solution on the surface of the metal component. The conversion layer comprises oxides and Hydroxides and carbonates of the component material and the cations contained in the passivation solution.
Es wird eine Konversionsschicht erzeugt, die eine schollenförmige Schichtmorphologie mit Rissstrukturen aufweist. Dies führt zu einer Reduzierung der Schutzwirkung der Konversionsschicht. Zudem weist die Passivierungslösung eine äußerst komplexe Zusammensetzung auf und enthält viele verschiedene Aminosäuren, Vitamine und anorganische Substanzen. A conversion layer is produced which has a sheet-like layer morphology with crack structures. This leads to a reduction of the protective effect of the conversion layer. In addition, the passivation solution has a very complex composition and contains many different amino acids, vitamins and inorganic substances.
Die DE 10 2016 002 852 A1 betrifft ein Verfahren zur Passivierung einer Oberfläche eines Metallbauteils, bei dem in einem Passivierungsschritt unter Verwendung einer wässrigen Passivierungslösung auf der Oberfläche eine kalziumphosphathaltige Konversionsschicht erzeugt wird, die Oxide und Hydroxide sowie Karbonate des Bauteil-Werkstoffes und der Passivierungslösung aufweist. Die Passivierungslösung für die Bildung der Konversionsschicht ist weniger komplex als die der DE 10 2014 005 444 A1 und enthält zumindest eine als Chelatkomplexbildner wirkende Substanz. DE 10 2016 002 852 A1 relates to a method for passivating a surface of a metal component, in which a calcium phosphate-containing conversion layer is produced in a passivation step using an aqueous passivation solution on the surface, which has oxides and hydroxides and carbonates of the component material and the passivation solution , The passivation solution for the formation of the conversion layer is less complex than that of DE 10 2014 005 444 A1 and contains at least one substance acting as a chelate complexing agent.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine wässrige Passivierungslösung und ein Verfahren zur Passivierung einer metallischen Oberfläche eines Leichtmetallbauteils bereitzustellen, bei der insbesondere bei Aluminium oder Magnesium eine gute Passivierung durch eine gut haftende, möglichst dichte und rissfreie Konversionsschicht erzielt wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Formkörpern mit einer entsprechend passivierten Oberfläche. The object of the invention is to provide an aqueous passivating solution and a method for passivating a metallic surface of a light metal component, in which good passivation, in particular in the case of aluminum or magnesium, is achieved by a well adhering, dense and crack-free conversion layer. Another object of the invention is to provide moldings with a correspondingly passivated surface.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Passivierungslösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und Formkörper mit den Merkmalen der Ansprüche 8 und 9. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. According to the invention the object is achieved by a passivation solution having the features of claim 1, a method having the features of claim 4 and moldings having the features of claims 8 and 9. Embodiments emerge from the dependent claims.
Gegenstand der Erfindung ist eine wässrige Passivierungslösung zur Bildung einer Kalziumphosphat enthaltenden Konversionsschicht auf einer Oberfläche eines Metallbauteils, wobei zumindest die Oberfläche des Metallbauteils durch ein Leichtmetall gebildet ist. The invention relates to an aqueous passivating solution for forming a calcium phosphate-containing conversion layer on a surface a metal component, wherein at least the surface of the metal component is formed by a light metal.
Die erfindungsgemäße Passivierungslösung enthält The passivation solution according to the invention contains
a) 0,4 bis 5 mmol/l Calcium-Kationen; a) 0.4 to 5 mmol / l calcium cations;
b) 0 bis 5 mmol/l Magnesium-Kationen; b) 0 to 5 mmol / l magnesium cations;
c) 50 bis 200 mmol/l Chlorid-Anionen; c) 50 to 200 mmol / l chloride anions;
d) 0,2 bis 5 mmol/l Phosphat-Anionen; d) 0.2 to 5 mmol / l of phosphate anions;
e) 20 bis 80 mmol/l Carbonat-Anionen; e) 20 to 80 mmol / l carbonate anions;
f) 0 bis 5 mmol/l Sulfat-Anionen ; und f) 0 to 5 mmol / l sulfate anions; and
g) 5 bis 30 mmol/l mindestens eines Chelatkomplexbildners. g) 5 to 30 mmol / l of at least one chelate complexing agent.
In einer Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Passivierungslösung a) 1 ,2 bis 2,4 mmol/l Calcium-Kationen; In one embodiment, the passivation solution a) according to the invention comprises 1, 2 to 2.4 mmol / l of calcium cations;
b) 0,5 bis 1 ,1 mmol/l Magnesium-Kationen; b) 0.5 to 1.1 mmol / l magnesium cations;
c) 80 bis 155 mmol/l Chlorid-Anionen; c) 80 to 155 mmol / l chloride anions;
d) 0,7 bis 1 ,3 mmol/l Phosphat-Anionen; d) 0.7 to 1.3 mmol / l of phosphate anions;
e) 30 bis 60 mmol/l Carbonat-Anionen; e) 30 to 60 mmol / l carbonate anions;
f) 0,5 bis 1 ,1 mmol/l Sulfat-Anionen ; und f) 0.5 to 1, 1 mmol / l sulfate anions; and
g) 5 bis 15 mmol/l mindestens eines Chelatkomplexbildners. g) 5 to 15 mmol / l of at least one chelate complexing agent.
Anders als in den in DE 10 2014 005 444 A1 oder DE 10 2016 002 852 A1 offenbarten Lösungen liegt in der erfindungsgemäßen Passivierungslösung die Konzentration von Natriumionen außerhalb eines Bereichs von 128 bis 192 mmol/l; und/oder die Konzentration von Kaliumionen liegt außerhalb eines Bereichs von 4 bis 7 mmol/l. Unlike in the solutions disclosed in DE 10 2014 005 444 A1 or DE 10 2016 002 852 A1, in the passivation solution according to the invention the concentration of sodium ions is outside a range of 128 to 192 mmol / l; and / or the concentration of potassium ions is outside a range of 4 to 7 mmol / l.
In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration von Natriumionen weniger als 128 mmol/l. In einer weiteren Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Passivierungslösung im Wesentlichen frei von Natriumionen. In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration von Kaliumionen weniger als 4 mmol/l. In einer anderen Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Passivierungslösung im Wesentlichen frei von Kaliumionen. In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Passivierungslösung weder Natrium- noch Kaliumionen in substanzieller Menge, d.h. in der erfindungsgemäßen Passivierungslösung sind Natrium- und Kaliumionen allenfalls in Spuren als Verunreinigung vorhanden. In one embodiment, the concentration of sodium ions is less than 128 mmol / l. In a further embodiment, the passivation solution according to the invention is substantially free of sodium ions. In one embodiment, the concentration of potassium ions is less than 4 mmol / l. In another embodiment, the passivation solution according to the invention is substantially free of potassium ions. In a further embodiment, the passivation solution according to the invention contains neither Sodium or potassium ions in a substantial amount, ie in the passivation solution according to the invention, sodium and potassium ions are at most present in traces as an impurity.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Natrium- und Kaliumkationen irrelevant für die Effektivität des Beschichtungsprozesses sind, und daher verzichtbar sind bzw. durch andere Kationen ersetzt werden können. Es können in der erfindungsgemäßen Passivierungslösung jedoch auch Natriumionen in Konzentration von mehr als 192 mmol/l vorliegen; und/oder Kaliumionen in Konzentration von mehr als 7 mmol/l, ohne dass dies sich nachteilig auswirkt. Erfindungsgemäß wird die Zusammensetzung der Passivierungslösung über die Angabe der molaren Konzentrationen der am Beschichtungsprozess tatsächlich aktiv beteiligten Ionen definiert. This is based on the finding that sodium and potassium cations are irrelevant to the effectiveness of the coating process, and therefore are dispensable or can be replaced by other cations. However, sodium ions in a concentration of more than 192 mmol / l may also be present in the passivation solution according to the invention; and / or potassium ions in a concentration of more than 7 mmol / l, without this having an adverse effect. According to the invention, the composition of the passivation solution is defined by specifying the molar concentrations of the ions actually actively involved in the coating process.
Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Passivierungslösung zählt, dass für den Beschichtungsprozess relevante Anionen (z.B. Chlorid) über eine Vielzahl von Salzen in den Beschichtungselektrolyten einbringbar sind (z.B. NaCI, CaCl2, KCl, SrCl2, LiCI, etc.) oder auch über die korrespondierende Säure (z.B. HCl). Für den Fall, dass bestimmte Kationen (z.B. Na+, K+, Li+) keine Auswirkung auf den Beschichtungsprozess ausüben, kann die Verwendung einer Anionenquelle mit ebendiesen Kationen variabel gewählt werden, oder die Anionen können über mehrere Salze (z.B. NaCI, KCl, CaCh) in den Elektrolyten eingebracht werden. Die entsprechenden Ionen können auf variable Weise (d.h. variable Auswahl der Ausgangssubstanzen) in den Elektrolyten überführt werden. Somit ist es z.B. unerheblich, welche Chlorid-, Carbonat- oder Phosphat-Quelle verwendet wird. Dadurch ergibt sich im Vergleich mit den Passivierungslösungen des Standes der Technik eine wesentlich größere Flexibilität bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Passivierungslösung und bei ihrer Zusammensetzung. One of the advantages of the passivation solution according to the invention is that anions (eg chloride) relevant for the coating process can be introduced into the coating electrolyte via a multiplicity of salts (eg NaCl, CaCl 2, KCl, SrCl 2, LiCl, etc.) or else via the corresponding acid ( eg HCl). In the event that certain cations (eg Na + , K + , Li + ) have no effect on the coating process, the use of an anion source with these same cations can be chosen variably, or the anions can be used over several salts (eg NaCl, KCl, CaCh) are introduced into the electrolyte. The corresponding ions can be transferred into the electrolyte in a variable manner (ie variable selection of the starting substances). Thus, it is irrelevant, for example, which chloride, carbonate or phosphate source is used. This results in a much greater flexibility in the preparation of the passivation solution according to the invention and in its composition in comparison with the passivation solutions of the prior art.
Die erfindungsgemäße wässrige Passivierungslösung enthält 5 bis 30 mmol/l, beispielsweise 5 bis 15 mmol/l, mindestens eines Chelatkomplexbildners Der Chelatkomplexbildner kann freie Ionen (z.B. Ca2+) temporär binden und an die Metalloberfläche transportieren, wo dieses Ion dann in die Beschichtung eingebaut wird. Der Komplexbildner hat eine vorwiegend katalytische Wirkung, d.h. er wird selbst nicht verbraucht. Es kann jedoch passieren, dass einzelne Moleküle von der Schicht„überwachsen“ werden und sich somit vereinzelt in der Beschichtung wiederfinden. The aqueous passivation solution according to the invention contains 5 to 30 mmol / l, for example 5 to 15 mmol / l, of at least one chelate complexing agent. The chelate complexing agent can temporarily bind free ions (eg Ca 2+ ) and transport them to the metal surface, where this ion then enters the coating is installed. The complexing agent has a predominantly catalytic effect, ie it is not consumed itself. However, it can happen that individual molecules are "overgrown" by the layer and thus find themselves isolated in the coating.
Als Chelatkomplexbildner können beliebige geeignete Substanzen verwendet werden. In einer Ausführungsform ist der Chelatkomplexbildner eine organische Substanz mit gegebenenfalls deprotonierten funktionellen Gruppen mit einem oder mehreren freien Elektronenpaaren, beispielsweise OH-Endgruppen, COOH-Endgruppen, Nhh-Endgruppen oder dergleichen. As the chelating agent, any suitable substances can be used. In one embodiment, the chelating agent is an organic substance having optionally deprotonated functional groups with one or more lone pairs of electrons, for example OH end groups, COOH end groups, Nhh end groups or the like.
In einer Ausführungsform ist der Chelatkomplexbildner eine organische Säure oder deren Salz. Beispiele umfassen Essigsäure, Weinsäure, Zitronensäure, Phytinsäure, Oxalsäure, EDTA, Aminosäuren und Vitamine. In einer speziellen Ausführungsform der Passivierungslösung ist der Chelatkomplexbildner eine Aminosäure, beispielsweise L-Arginin, L-Glutamin oder Glutaminsäure. In one embodiment, the chelating agent is an organic acid or its salt. Examples include acetic acid, tartaric acid, citric acid, phytic acid, oxalic acid, EDTA, amino acids and vitamins. In a specific embodiment of the passivation solution, the chelating agent is an amino acid, for example L-arginine, L-glutamine or glutamic acid.
Beispiele weiterer Chelatkomplexbildner neben Carbonsäuren sind Alkohole, Phenole, Naphthole, Enole, Thiole, Sulfonsäuren, Phosphorsäureester und Phosphonsäuren. Examples of other chelating agents in addition to carboxylic acids are alcohols, phenols, naphthols, enols, thiols, sulfonic acids, phosphoric acid esters and phosphonic acids.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Passivierung einer Oberfläche eines Metallbauteils, wobei zumindest die Oberfläche des Metallbauteils durch ein Leichtmetall gebildet ist, bei dem in einem Passivierungsschritt unter Verwendung einer erfindungsgemäßen wässrigen Passivierungslösung auf der Oberfläche eine kalziumphosphathaltige Konversionsschicht erzeugt wird, die Oxide und Hydroxide sowie Carbonate des Bauteil-Werkstoffes und Bestandteile der Passivierungslösung aufweist. The invention also provides a method for passivating a surface of a metal component, wherein at least the surface of the metal component is formed by a light metal, in which a calcium phosphate-containing conversion layer is produced in a passivation step using an aqueous passivation solution according to the invention on the surface, the oxides and hydroxides and carbonates of the component material and constituents of the passivation solution.
Zumindest die Oberfläche des in dem Verfahren eingesetzten Metallbauteils ist durch ein Leichtmetall gebildet. Geeignete Leichtmetalle umfassen insbesondere Magnesium, Aluminium und Legierungen davon. Die Durchführung des Passivierungsschritts mit der erfindungsgemäßen Passivierungslösung erfolgt in dem Fachmann im Prinzip bekannter Weise, beispielsweise durch Eintauchen des Metallbauteils in die erfindungsgemäße Passivierungslösung oder Besprühen des Metallbauteils mit der erfindungsgemäßen Passivierungslösung. At least the surface of the metal component used in the method is formed by a light metal. Suitable light metals include in particular magnesium, aluminum and alloys thereof. The passivation step with the passivation solution according to the invention is carried out in a manner known to the person skilled in the art, for example by immersing the metal component in the passivation solution according to the invention or spraying the metal component with the passivation solution according to the invention.
In einer Ausführungsform wird der Passivierungsprozess bei saurem bis neutralem pH-Wert durchgeführt. In einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens liegt der pH-Wert der Passivierungslösung im Bereich von 1 bis 7, insbesondere 1 bis 5. Die erfindungsgemäße Passivierungsreaktion läuft bei einem pH-Wert von etwa 7 relativ langsam ab. Sie kann durch Reduzierung des pH-Wertes und/oder durch Polarisation und/oder Erhöhung des Partialdruckes von CO2 beschleunigt werden. In one embodiment, the passivation process is carried out at acidic to neutral pH. In a specific embodiment of the method, the pH of the passivation solution is in the range from 1 to 7, in particular 1 to 5. The passivation reaction according to the invention proceeds relatively slowly at a pH of about 7. It can be accelerated by reducing the pH and / or by polarization and / or increasing the partial pressure of CO2.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Temperatur im Passivierungsschritt von 15 bis 80°C, beispielsweise 37° bis 65°C. Der Beschichtungsprozess kann durch Temperaturerhöhung beschleunigt werden. In one embodiment of the method, the temperature in the passivation step is from 15 to 80 ° C, for example 37 ° to 65 ° C. The coating process can be accelerated by increasing the temperature.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Reaktionszeit im Passivierungsschritt von 5 bis 15 Minuten. Bei längerer Einwirkzeit der Passivierungslösung werden dickere Konversionsschichten erhalten. In one embodiment of the method, the reaction time in the passivation step is from 5 to 15 minutes. At longer exposure time of the passivation solution thicker conversion layers are obtained.
Mittels der erfindungsgemäßen Passivierungslösung wird eine Konversionsschicht erzeugt, die eine Reduktion der auftretenden Kontaktkorrosionsströme bei Kontakt des passivierten Bauteils mit beispielsweise Aluminium, Stahl, Zink, Kohlenstofffasern oder CFK bewirkt. Ferner ergibt sich ein Anstieg des Durchtrittswiderstands der passivierten Metalloberfläche. Je höher der Durchtrittswiderstand der Konversionsschicht, desto geringer sind die resultierenden Korrosionsströme bzw. die Korrosionsgeschwindigkeit. Darüber hinaus wird das passive Verhalten der Konversionsschicht gesteigert durch den geschlossenen, vorwiegend rissfreien Schichtaufbau der Konversionsschicht. Die erfindungsgemäße Passivierungslösung und das erfindungsgemäße Verfahren führen zu einer bisher noch nicht beschriebenen besonderen Schichtzusammensetzung. Die Konversionsschicht ist amorph, während die in der Literatur beschriebenen Calciumphosphate aus der Medizin- und Implantat-Technik eine kristalline Struktur besitzen. Bei amorphen Materialien existiert zwar eine„Nahordnung“ benachbarter Atome, es liegt jedoch im Gegensatz zu kristallinen Materialien keine Fernordnung zwischen den Atomen vor. Die amorphe Natur eines Materials lässt sich einfach über Röntgendiffraktion (XRD) oder LEED (Low-Energy Electron Diffraction) nachweisen. Die Beschichtung besitzt eine kompakte Morphologie, was die gute Oberflächenschutzwirkung gegen Korrosion erzeugt. By means of the passivation solution according to the invention, a conversion layer is produced which effects a reduction of the occurring contact corrosion currents upon contact of the passivated component with, for example, aluminum, steel, zinc, carbon fibers or CFRP. Furthermore, there is an increase in the penetration resistance of the passivated metal surface. The higher the penetration resistance of the conversion layer, the lower the resulting corrosion currents or the corrosion rate. In addition, the passive behavior of the conversion layer is increased by the closed, predominantly crack-free layer structure of the conversion layer. The passivation solution according to the invention and the process according to the invention lead to a special layer composition not yet described. The conversion layer is amorphous, while the calcium phosphates described in the literature from the medical and implant technology have a crystalline structure. In the case of amorphous materials, there is a "near order" of neighboring atoms, but unlike crystalline materials, there is no long-range order between the atoms. The amorphous nature of a material can be easily detected by X-ray diffraction (XRD) or LEED (Low-Energy Electron Diffraction). The coating has a compact morphology, which produces the good surface protection against corrosion.
In einer Ausführungsform entspricht die Zusammensetzung der Konversionsschicht der Formel (Mg)x(AI)y(Ca)z(P04)u(C03)v(0H)w. Die Konversionsschicht enthält also Magnesium-, Aluminium- und Calcium- Kationen, sowie Phosphat-, Carbonat- und Hydroxid-Anionen. In einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis z/u bei Beschichtungen auf Mg- Legierungen 0,5 bis 1 ,8. In einer anderen Ausführungsform beträgt das Verhältnis z/u bei Beschichtungen auf Al-Legierungen 0,01 bis 0,5. In one embodiment, the composition of the conversion layer has the formula (Mg) x (Al) y (Ca) z (PO 4) u (CO 3) v (0H) w . The conversion layer thus contains magnesium, aluminum and calcium cations, as well as phosphate, carbonate and hydroxide anions. In one embodiment, the z / μ ratio for coatings on Mg alloys is 0.5 to 1.8. In another embodiment, the ratio z / u in coatings on Al alloys is 0.01 to 0.5.
Gegenstand der Erfindung sind auch Formkörper oder Metallbauteile, die auf ihrer Oberfläche eine Konversionsschicht bzw. Passivierungsschicht aufweisen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. unter Verwendung der erfindungsgemäßen Passivierungslösung erzeugt werden kann. The invention also provides moldings or metal components which have on their surface a conversion layer or passivation layer which can be produced by the process according to the invention or by using the passivation solution according to the invention.
Eine Ausführungsform ist ein Formkörper aus einer Magnesiumlegierung, der auf seiner Oberfläche eine Konversionsschicht aufweist, welche One embodiment is a magnesium alloy shaped body having on its surface a conversion layer which
a) 1 bis 10 Mol-% Magnesium-Kationen; a) 1 to 10 mol% of magnesium cations;
b) 0 bis 8 Mol-% Aluminium-Kationen; b) 0 to 8 mol% of aluminum cations;
c) 4 bis 18 Mol-% Calcium-Kationen; c) 4 to 18 mol% calcium cations;
d) 3 bis 11 Mol-% Phosphat-Anionen; d) 3 to 11 mol% of phosphate anions;
e) 1 ,5 bis 9 Mol-% Carbonat-Anionen; e) 1, 5 to 9 mol% of carbonate anions;
f) 2 bis 15 Mol-% Sauerstoff- und/oder Hydroxid-Anionen enthält. Der Stoffmengenanteil der einzelnen chemischen Bestandteile wird ermittelt durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS-Analyse). Durch die sehr oberflächensensitive Messmethode XPS wird die Zusammensetzung der obersten ~10 nm der Oberflächenschicht des Formkörpers bestimmt. f) contains 2 to 15 mol% of oxygen and / or hydroxide anions. The mole fraction of the individual chemical constituents is determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis). The very surface-sensitive measuring method XPS determines the composition of the uppermost ~ 10 nm of the surface layer of the shaped body.
Die jeweils zu 100 Mol-% fehlenden Anteile der Oberflächenschicht gehen auf organischen Kohlenstoff auf der Oberfläche (C1 s) zurück. Der C1 s-Anteil des XPS-Spektrums wird üblicherweise nicht explizit in der Auflistung angegeben. The missing in each case to 100 mol% portions of the surface layer go back to organic carbon on the surface (C1 s). The C1 s portion of the XPS spectrum is usually not explicitly stated in the listing.
Bei dieser Analysemethode ist der große Vorteil, dass sich auch Bindungsenergiezustände bzw. die Elektronenkonfiguration analysieren lassen. Im Gegensatz zur EDX-Analyse kann also beispielsweise bei Kohlenstoff zwischen Verunreinigungen (C-C-Bindungen) und Carbonaten (CO32 ) unterschieden werden. Bei XPS kann somit quantitativ zwischen gewissen Bindungsenergiezuständen unterschieden werden. Dies soll verdeutlicht werden am Beispiel Mg2p. Mg2p steht für das 2p-Orbital des Mg- Atoms. Die Bindungsenergien des Mg2p-Orbitals reagieren sensibel auf die chemische Natur der mit Mg in einer Verbindung stehenden chemischen Verbindung. Je nach Bindungspartner kann es zu einer leichten Verschiebung der Bindungsenergien im Mg2p-Orbital kommen, welche Rückschlüsse auf den Bindungspartner zulassen. Es kann also durch eine Messung bestimmt werden, ob das Mg2+ als MgC03, MgO , Mg(OH)2 oder ggf. sogar in metallischer Form vorliegt. Dadurch können die genaue Zusammensetzung bzw. die beteiligten chemischen Komponenten sehr genau und fehlerfrei bestimmt werden. Es muss nicht, wie bspw. bei der EDX-Analysemethode, indirekt aus Atomkonzentrationen auf mögliche chemische Komponenten geschlossen werden. With this analysis method, the big advantage is that it is also possible to analyze binding energy states or the electron configuration. In contrast to the EDX analysis, it is therefore possible to differentiate between impurities (CC bonds) and carbonates (CO3 2 ) in the case of carbon, for example. With XPS, a distinction can therefore be made quantitatively between certain binding energy states. This should be clarified using the example Mg2p. Mg2p stands for the 2p orbital of the Mg atom. The binding energies of the Mg2p orbital are sensitive to the chemical nature of the Mg compound in a compound. Depending on the binding partner, there may be a slight shift in the binding energies in the Mg2p orbital, which allow conclusions to be drawn about the binding partner. It can therefore be determined by measuring whether the Mg 2+ is present as MgCO 3, MgO, Mg (OH) 2 or possibly even in metallic form. As a result, the exact composition or the chemical components involved can be determined very accurately and without errors. It does not have to be concluded indirectly from atomic concentrations on possible chemical components, as for example in the EDX analysis method.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Konversionsschicht 0 bis 5 Mol- % Stickstoff, welcher aus NFIx-Gruppen aus dem eingeschlossenen bzw. überwachsenen organischen Chelatkomplexbildner herrührt. Wird ein stickstoffhaltiger Chelatkomplexbildner verwendet, z.B. eine Aminosäure, so lässt der Stickstoffgehalt der Schicht einen Rückschluss auf die Menge des eingebauten Chelatkomplexbildners zu. In einer Ausführungsform beträgt die mittlere Schichtdicke der Konversionsschicht bzw. Passivierungsschicht 0,2 bis 5 miti. In einer weiteren Ausführungsform weist die Schicht eine Dichte von 2 bis 3 g/cm3 auf. In a further embodiment, the conversion layer contains 0 to 5 mol% of nitrogen, which is derived from NFIx groups from the occluded or overgrown organic chelating agent. If a nitrogen-containing chelate complexing agent is used, for example an amino acid, the nitrogen content of the layer allows a conclusion to be drawn regarding the amount of incorporated chelate complexing agent. In one embodiment, the average layer thickness of the conversion layer or passivation layer is 0.2 to 5 miti. In a further embodiment, the layer has a density of 2 to 3 g / cm 3 .
Das Bauteil aus Magnesiumlegierung weist eine kompakte, Calciumphosphat und Magnesiumhydroxid/Magnesiumoxid, sowie Carbonate und Kationen der Grundlegierung enthaltende Beschichtung auf. Die Konversionsschicht ist gut haftend und dicht ausgebildet. The magnesium alloy component has a compact coating containing calcium phosphate and magnesium hydroxide / magnesium oxide as well as carbonates and cations of the base alloy. The conversion layer is well adhering and dense.
Eine andere Ausführungsform ist ein Formkörper aus einer Aluminiumlegierung, der auf seiner Oberfläche eine Konversionsschicht aufweist, welche Another embodiment is a molded article of an aluminum alloy having on its surface a conversion layer, which
a) 0 bis 6 Mol-% Magnesium-Kationen; a) 0 to 6 mol% of magnesium cations;
b) 18 bis 35 Mol-% Aluminium-Kationen; b) from 18 to 35 mole% of aluminum cations;
c) 0,05 bis 1 ,5 Mol-% Calcium-Kationen; c) 0.05 to 1.5 mol% calcium cations;
d) 2 bis 10 Mol-% Phosphat-Anionen; d) 2 to 10 mol% of phosphate anions;
e) 0,3 bis 6 Mol-% Carbonat-Anionen; e) 0.3 to 6 mol% of carbonate anions;
f) 17 bis 31 Mol-% Sauerstoff- und/oder Hydroxid-Anionen enthält. f) contains 17 to 31 mol% of oxygen and / or hydroxide anions.
Der Stoffmengenanteil der einzelnen Elemente wird ermittelt durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS-Analyse). In einer weiteren Ausführungsform enthält die Konversionsschicht < 0,5 Mol-% Stickstoff, welcher aus NHX-Gruppen aus dem eingeschlossenen bzw. überwachsenen organischen Chelatkomplexbildner herrühren kann. Wird ein stickstoffhaltiger Chelatkomplexbildner verwendet, z.B. eine Aminosäure, so lässt der Stickstoffgehalt der Schicht einen Rückschluss auf die Menge des eingebauten Chelatkomplexbildners zu. The molar fraction of the individual elements is determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS analysis). In another embodiment, the conversion layer contains <0.5 mole% nitrogen, which may be derived from the enclosed or overgrown organic chelating agents from NH X groups. If a nitrogen-containing chelate complexing agent is used, for example an amino acid, the nitrogen content of the layer allows a conclusion to be drawn regarding the amount of incorporated chelate complexing agent.
Die jeweils zu 100 Mol-% fehlenden Anteile der Oberflächenschicht gehen auf organischen Kohlenstoff auf der Oberfläche (C1 s) zurück. Der C1 s-Anteil des XPS-Spektrums wird üblicherweise nicht angegeben. In einer Ausführungsform beträgt die mittlere Schichtdicke der Konversionsschicht bzw. Passivierungsschicht weniger als 300 nm. In einer weiteren Ausführungsform weist die Schicht eine Dichte von 2 bis 3 g/cm3 auf. Das Bauteil aus Aluminiumlegierung weist eine kompakte und komplett rissfreie, Calciumphosphat und Aluminiumhydroxid/Aluminiumoxid, sowie Carbonate und Kationen der Grundlegierung enthaltende Beschichtung auf. Die Konversionsschicht ist gut haftend und dicht ausgebildet. Das Metallbauteil mit der passivierten Oberfläche kann in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, beispielsweise im medizinischen Bereich, Luft- und Raumfahrt oder in der Elektronikindustrie. Ein anderes Beispiel ist der Automobilbereich. Der erfindungsgemäße Formkörper bzw. das erfindungsgemäße Bauteil kann sichtgeschützt innerhalb des Fahrzeugs oder als nach außen sichtbares Außenteil Verwendung finden. Beispielsweise kann das Metallbauteil als ein Aggregateteil, ein Fahrwerksteil, ein fahrzeuginnenseitiger Display-Rahmen, oder ein Bestandteil einer Sitzrahmen Struktur eingesetzt werden. In einem speziellen Anwendungsfall kann das Metallbauteil ein Fahrzeugteil sein, das zunächst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Bildung der Konversionsschicht bzw. Passivierung vorbehandelt wird. Die Konversionsschicht des Bauteils kann in einem folgendenThe missing in each case to 100 mol% portions of the surface layer go back to organic carbon on the surface (C1 s). The C1 s portion of the XPS spectrum is usually not reported. In one embodiment, the average layer thickness of the conversion layer or passivation layer is less than 300 nm. In another embodiment, the layer has a density of 2 to 3 g / cm 3 . The aluminum alloy component has a compact and completely crack-free coating comprising calcium phosphate and aluminum hydroxide / aluminum oxide as well as carbonates and cations of the base alloy. The conversion layer is well adhering and dense. The metal component with the passivated surface can be used in various industries, for example in the medical field, aerospace or in the electronics industry. Another example is the automotive sector. The molded article according to the invention or the component according to the invention can be used in a visible manner within the vehicle or as an externally visible outer part. For example, the metal component can be used as an aggregate part, a chassis part, a vehicle-inner-side display frame, or a component of a seat frame structure. In a specific application, the metal component may be a vehicle part, which is first pretreated with the inventive method to form the conversion layer or passivation. The conversion layer of the component can in a following
Beschichtungsprozess mit zumindest einer weiteren Schicht überdeckt werden. Coating process are covered with at least one other layer.
Der nachgeschaltete Beschichtungsprozess kann einen ersten Beschichtungsschritt aufweisen, bei dem eine KTL-Schicht (kathodischer Tauchlack = elektrophoretische Abscheidung), das heißt eine organische Schutzschicht, gebildet wird. Dies erfolgt in einem Tauchverfahren (KTL) unter angelegter Gleichspannung, wodurch die im Tauchbad gelösten Lackpartikel vom Bauteil angezogen werden und dort unter Bildung einer wasseremulgierten KTL an der Kathode koaguliert werden. In einem nachgeschalteten Einbrennschritt wird die KTL anschließend vernetzt und ausgehärtet. In einem weiteren optionalen Folgebeschichtungsschritt wird dann eine Pulverbeschichtung aufgebracht. Dies erfolgt in einem Pulverbeschichtungsprozess unter angelegter Gleichspannung und einem nachgeschalteten Einbrennschritt. Im Hinblick auf eine prozesssichere Beschichtung ist die Schichtmorphologie der Konversionsschicht von besonderer Bedeutung. Diese gewährleistet einerseits eine gute Anhaftung von organischen Folgebeschichtungen, sowie andererseits eine hohe Korrosionsschutzwirkung. Darüber hinaus wird im KTL- Beschichtungsverfahren und im Pulverbeschichtungsprozess eine ausreichende elektrische Restleitfähigkeit durch die Konversionsschicht hindurch gewährleistet, was essentiell für die Applikation einer durch ein elektrisches Potential gestützten Beschichtungsmethode ist. The downstream coating process may comprise a first coating step in which a KTL layer (cathodic dip coating = electrophoretic deposition), ie an organic protective layer, is formed. This is done in a dipping process (KTL) under applied DC voltage, whereby the paint particles dissolved in the dipping bath are attracted to the component and are coagulated there to form a water emulsified KTL at the cathode. In a subsequent baking step, the KTL is then crosslinked and hardened. In a further optional subsequent coating step, a powder coating is then applied. This is done in a powder coating process with applied DC voltage and a subsequent burn-in. With regard to a process-reliable coating, the layer morphology of the conversion layer is of particular importance. This ensures, on the one hand, a good adhesion of organic secondary coatings, and, on the other hand, a high corrosion protection effect. In addition, in the KTL coating process and in the powder coating process, sufficient electrical residual conductivity is ensured throughout the conversion layer, which is essential for the application of a coating method based on an electric potential.
Im Anschluss an den Bauteil-Beschichtungsprozess kann das Metallbauteil, zum Beispiel als ein sichtseitiges Außenteil oder als in die Karosseriestruktur integriertes Bauteil, in einem Fügevorgang an die noch nicht lackierte Rohbaukarosserie gefügt werden. Die Rohkarosserie wird dann zusammen mit dem daran montierten Leichtmetallbauteil einem herkömmlichen Karosserie-Lackierprozess unterworfen. Das heißt, es erfolgt eine Grundierung der Rohkarosserie im Tauchverfahren. Darauffolgend wird die mit der Grundierung versehene Rohkarosserie zu einer weiteren Beschichtungsstation geführt, in der ein KTL-Prozess erfolgt. Dem KTL- Prozess ist ein Durchlaufofen nachgeschaltet, in dem bei hoher Temperatur ein Einbrennen der KTL-Schicht erfolgt. Anschließend wird in einer weiteren Beschichtungsstation ein herkömmlicher automobiler Lackaufbau aufgebracht, der in einem nachfolgenden Trocknungsschritt ebenfalls unter hoher Temperatur eingebrannt wird. Subsequent to the component coating process, the metal component, for example as a visible outer part or as a component integrated in the body structure, can be joined in a joining process to the shell body that has not yet been painted. The body shell is then subjected to a conventional body painting process together with the light metal component mounted thereon. That is, there is a primer of the body shell in the dipping process. Subsequently, the green body provided with the primer is led to another coating station in which a KTL process takes place. The KTL process is followed by a continuous furnace in which the KTL layer burns in at high temperatures. Subsequently, in a further coating station, a conventional automotive paint system is applied, which is also baked in a subsequent drying step at high temperature.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Beispiele weiter beschrieben. Eine Reihe von Formkörpern aus Magnesiumlegierungen mit einem Mg-Anteil von 85 bis 99,5%, oder Aluminiumlegierungen mit einem Al-Anteil von 85 bis 99% wurden mit erfindungsgemäßen Passivierungslösungen verschiedener Zusammensetzung behandelt, um auf der Oberfläche der Formköper eine Konversionsschicht zu erzeugen. Unter anderem wurden als Chelatkomplexbildner verschiedene Aminosäuren (beispielsweise L-Arginin) eingesetzt. Dabei lag der pFI-Wert der Passivierungslösungen im Bereich zwischen 1 und 4. Die Behandlungstemperatur betrug zwischen 20°C und 60°C, die Behandlungszeit lag im Bereich von 5 bis 15 Minuten. Als Legierungen wurden AZ31 , AM50, AZ91 , AE44 und ZXK eingesetzt. Die Schichtzusammensetzungsbereiche wurden durch XPS-Analysen mit einem Physical Electronics 5600 Analysengerät mit anregender monochromatisierter Al-Ka-Strahlung (1486,6 eV, 300 W) ermittelt. Die Bindungsenergien der zu analysierenden Elemente wurde mit einer Durchlassenergie von 23,5 eV, mit einer Auflösung von < 0,4 eV und einem Analysewinkel von 45° bestimmt. Die Bindungsenergien aller XPS-Spektren wurden auf den C1s Peak (C— C / C— H) bei 284,8 eV referenziert. Die Schichteigenschaften für die unterschiedlichen Substrate (Mg- und Al- Legierungen) sind in Tabelle 1 zusammengefasst. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention. The invention will now be illustrated by means of exemplary embodiments and will be further described with reference to the examples. A series of magnesium alloy moldings having an Mg content of 85 to 99.5% or aluminum alloys having an Al content of 85 to 99% were treated with passivating solutions of various compositions according to the present invention to form a conversion layer on the surface of the molded bodies. Among others, various amino acids (for example L-arginine) were used as chelate complexing agents. The pFI value of the passivation solutions was in the range between 1 and 4. The treatment temperature was between 20 ° C and 60 ° C, the treatment time was in the range of 5 to 15 minutes. As alloys AZ31, AM50, AZ91, AE44 and ZXK were used. The layer composition ranges were determined by XPS analysis with a Physical Electronics 5600 analyzer with exciting monochromatized Al-Ka radiation (1486.6 eV, 300 W). The binding energies of the elements to be analyzed were determined with a transmission energy of 23.5 eV, with a resolution of <0.4 eV and an analysis angle of 45 °. The binding energies of all XPS spectra were referenced to the C1s peak (C-C / C-H) at 284.8 eV. The layer properties for the different substrates (Mg and Al alloys) are summarized in Table 1.
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Schichteigenschaften
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layer properties
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Tabelle 1 : Untersuchungsergebnisse der Passivierungsschichten auf Mg- undTable 1: Investigation results of the passivation layers on Mg and
Al-Legierungen Die N-Konzentration, lässt Rückschlüsse auf in der Schicht enthalteneAl alloys The N concentration gives information about the layer contained in the layer
Aminogruppen (NH2) aus den Aminosäuren zu. Die Aminosäuren haben in denAmino groups (NH2) from the amino acids too. The amino acids have in the
Passivierungslösungen vorwiegend eine katalytische Wirkung und werden selbst nicht verbraucht. Einzelne Moleküle können jedoch von der SchichtPassivierungslösungen predominantly a catalytic effect and are not consumed itself. However, individual molecules may be different from the layer
„überwachsen“ werden und können sich somit in der Beschichtung wiederfinden. Dies wird offenkundig durch eine gewisse N-Konzentration der Schichten, die in den XPS-Analysen der Beschichtung gefunden wird. "Overgrown" and can thus be found in the coating. This is evidenced by a certain N concentration of the layers found in the XPS analyzes of the coating.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: CLAIMS:
Wässrige Passivierungslösung zur Bildung einer Kalziumphosphat enthaltenden Konversionsschicht auf einer Oberfläche eines Metallbauteils, wobei zumindest die Oberfläche des Metallbauteils durch ein Leichtmetall gebildet ist, enthaltend Aqueous passivation solution for forming a calcium phosphate-containing conversion layer on a surface of a metal component, wherein at least the surface of the metal component is formed by a light metal containing
a) 0,a) 0,
4 bis 5 mmol/l Calcium-Kationen; 4 to 5 mmol / l calcium cations;
b) 0 bis 5 mmol/l Magnesium-Kationen; b) 0 to 5 mmol / l magnesium cations;
c) 50 bis 200 mmol/l Chlorid-Anionen; c) 50 to 200 mmol / l chloride anions;
d) 0,2 bis 5 mmol/l Phosphat-Anionen; d) 0.2 to 5 mmol / l of phosphate anions;
e) 20 bis 80 mmol/l Carbonat-Anionen; e) 20 to 80 mmol / l carbonate anions;
f) 0 bis 5 mmol/l Sulfat-Anionen; f) 0 to 5 mmol / l sulfate anions;
g) 5 bis 30 mmol/l mindestens eines Chelatkomplexbildners; g) 5 to 30 mmol / l of at least one chelating agent;
mit der Maßgabe, dass die Konzentration von Natriumionen in der Lösung weniger als 128 mmol/l oder mehr als 192 mmol/l beträgt und/oder die Konzentration von Kaliumionen in der Lösung weniger als 4 mmol/l oder mehr als 7 mmol/l beträgt. with the proviso that the concentration of sodium ions in the solution is less than 128 mmol / l or more than 192 mmol / l and / or the concentration of potassium ions in the solution is less than 4 mmol / l or more than 7 mmol / l ,
Wässrige Passivierungslösung nach Anspruch 1 , worin der Chelatkomplexbildner eine organische Substanz mit gegebenenfalls deprotonierten funktionellen Gruppen mit einem oder mehreren freien Elektronenpaaren ist, insbesondere eine organische Säure oder deren Salz. An aqueous passivating solution according to claim 1, wherein the chelating agent is an organic substance having optionally deprotonated functional groups with one or more lone pairs of electrons, in particular an organic acid or its salt.
Wässrige Passivierungslösung nach Anspruch 2, worin der Chelatkomplexbildner eine Aminosäure ist, insbesondere L-Arginin. An aqueous passivating solution according to claim 2, wherein the chelating agent is an amino acid, especially L-arginine.
Verfahren zur Passivierung einer Oberfläche eines Metallbauteils, wobei zumindest die Oberfläche des Metallbauteils durch ein Leichtmetall gebildet ist, bei dem in einem Passivierungsschritt unter Verwendung einer wässrigen Passivierungslösung auf der Oberfläche eine kalziumphosphathaltige Konversionsschicht erzeugt wird, die Oxide und/oder Hydroxide und/oder Carbonate, sowie Kationen des Bauteil- Werkstoffes und Bestandteile der Passivierungslösung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Passivierungslösung nach einem der voranstehenden Ansprüche verwendet wird. Method for passivating a surface of a metal component, wherein at least the surface of the metal component is formed by a light metal, in which a calcium phosphate-containing conversion layer is produced in a passivation step using an aqueous passivating solution on the surface, the oxides and / or hydroxides and / or carbonates, and cations of the component material and constituents of the passivation solution, characterized in that a passivation solution according to any one of the preceding claims is used.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Leichtmetall Magnesium, Aluminium oder eine Legierung davon ist. 5. The method of claim 4, wherein the light metal is magnesium, aluminum or an alloy thereof.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der pH-Wert der Passivierungslösung von 1 bis 7 beträgt. 6. The method of claim 4 or 5, wherein the pH of the passivating solution is from 1 to 7.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Temperatur im Passivierungsschritt von 15 bis 80°C beträgt. 7. The method according to any one of claims 4 to 6, wherein the temperature in the passivation step of 15 to 80 ° C.
8. Formkörper aus einer Magnesiumlegierung, der auf seiner Oberfläche eine Konversionsschicht aufweist, welche 8. molded body of a magnesium alloy having on its surface a conversion layer, which
a) 1 bis 10 Mol-% Magnesium-Kationen;  a) 1 to 10 mol% of magnesium cations;
b) 0 bis 8 Mol-% Aluminium-Kationen;  b) 0 to 8 mol% of aluminum cations;
c) 4 bis 18 Mol-% Calcium-Kationen;  c) 4 to 18 mol% calcium cations;
d) 3 bis 11 Mol-% Phosphat-Anionen;  d) 3 to 11 mol% of phosphate anions;
e) 1 ,5 bis 9 Mol-% Carbonat-Anionen;  e) 1, 5 to 9 mol% of carbonate anions;
f) 2 bis 15 Mol-% Sauerstoff- und / oder Hydroxid-Anionen  f) 2 to 15 mol% of oxygen and / or hydroxide anions
enthält, ermittelt durch XPS-Analyse, wobei die Konversionsschicht durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7 erzeugt wurde.  contains, determined by XPS analysis, wherein the conversion layer was produced by a method according to any one of claims 4 to 7.
9. Formkörper aus einer Aluminiumlegierung, der auf seiner Oberfläche eine Konversionsschicht aufweist, welche 9. molded body made of an aluminum alloy having on its surface a conversion layer, which
a) 0 bis 6 Mol-% Magnesium-Kationen;  a) 0 to 6 mol% of magnesium cations;
b) 18 bis 35 Mol-% Aluminium-Kationen;  b) from 18 to 35 mole% of aluminum cations;
c) 0,05 bis 1 ,5 Mol-% Calcium-Kationen;  c) 0.05 to 1.5 mol% calcium cations;
d) 2 bis 10 Mol-% Phosphat-Anionen;  d) 2 to 10 mol% of phosphate anions;
e) 0,3 bis 6 Mol-% Carbonat-Anionen;  e) 0.3 to 6 mol% of carbonate anions;
f) 17 bis 31 Mol-% Sauerstoff- und / oder Hydroxid-Anionen  f) 17 to 31 mol% of oxygen and / or hydroxide anions
enthält, ermittelt durch XPS-Analyse, wobei die Konversionsschicht durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7 erzeugt wurde. contains, determined by XPS analysis, wherein the conversion layer was produced by a method according to any one of claims 4 to 7.
10. Formkörper nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Konversionsschicht eine Dichte von 2 bis 3 g/cm3 aufweist. 10. Shaped body according to claim 8 or 9, wherein the conversion layer has a density of 2 to 3 g / cm 3 .
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