DE102008061166A1

DE102008061166A1 - Verbundbauteil und Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils

Info

Publication number: DE102008061166A1
Application number: DE200810061166
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Pelke; Eckhard Dipl.-Ing. Reese (Fh)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-07-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils aus zumindest einem metallischen (12) und einem polymeren Teil (14). Zur Erhöhung der Verbundhaftung wird das metallische Teil (12) dabei zunächst korrosionsgeschützt, vorzugsweise zinkphosphatiert und schließlich mit einer alkoholischen Lösung eines Polymers beschichtet. Nach Aushärten dieser Beschichtung (22) kann das Bauteil gegebenenfalls umgeformt werden, woraufhin schließlich der polymere Teil (14) des Bauteils angeformt wird. Dies erfolgt bevorzugt durch Umspritzen im Spritzgussverfahren, wodurch die Polymere beschichtet und zumindest teilweise angeschmolzen werden. Die Verbundhaftung zwischen polymeren (14) und metallischem Teil (12) wird so wesentlich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils aus zumindest einem metallischem und einem polymeren Teil sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil.
Verbundbauteile aus metallischen und polymeren Bauteilanteilen finden zunehmende Verbreitung, insbesondere im Kraftfahrzeugbau. Hierzu werden oftmals metallische Teile in eine Spritzgussform eingelegt und anschließend mit einem Kunststoff umspritzt. Damit können beispielsweise Gewichtsvorteile erzielt werden, indem lediglich die mechanisch stark beanspruchten Bereiche des Bauteils metallisch ausgeführt sind, während Anbauteile, wie z. B. Anbindungsstellen für weitere Bauteile, aus wesentlich leichterem Kunststoff bestehen. Bei derartigen Verbundbauteilen tritt oftmals das Problem auf, dass die Haftung zwischen metallischem Teil und Kunststoffteil nicht ausreichend groß ist, so dass sich Metall und Kunststoff unter Belastung voneinander lösen können. Um die Verbundhaftung zwischen den Teilen zu verbessern ist oft eine aufwändige Bearbeitung des metallischen Teils nötig. Hierzu wird beispielsweise ein Formschluss erzeugt, in dem Hinterschneidungen in das metallische Teil eingebracht werden. Auch eine Oberflächenbehandlung der Metalloberflächen durch Sandstrahlen oder dergleichen wird hierzu verwendet. Derartige Behandlungsverfahren sind jedoch zeit- und kostenintensiv. Bei einer Oberflächenbehandlung des metallischen Teils leidet zudem oft auch die Korrosionsbeständigkeit des Verbundbauteils.
Die DE 196 40 180 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Gummi-Metall-Teils, bei welchem ein Metallteil zunächst mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtet wird und anschließend lackiert wird. Auf den Lack wird anschließend ein Haftmittel aufgebracht, wonach ein Kautschukteil auf das derart beschichtete Metallteil aufvulkanisiert wird. Das Verfahren führt zu einer teilweisen Quervernetzung zwischen Kautschuk und Lack bzw. Haftmittel, wodurch eine verbesserte Verbundhaftung erzielt wird. Nachteiligerweise ist ein derartiges Verfahren jedoch lediglich zur Herstellung von Metall-Gummi-Verbundbauteilen verwendbar und kann nicht auf Metall-Spritzguss-Verbünde übertragen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils bereitzustellen, welches die Verbundhaftung zwischen einem metallischen und einem polymeren Teil des Verbundbauteils verbessert, wobei gleichzeitig Zeit und Kosten eingespart werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils aus zumindest einem metallischen und einem polymeren Teil wird zunächst das metallische Teil mit einer Lösung eines Polymers beschichtet. Nach dem Aushärten dieser polymeren Beschichtung wird anschließend das polymere Teil des endgültigen Verbundbauteils an das metallische Teil angeformt. Durch die Beschichtung des metallischen Teils mit einer Polymerlösung wird zunächst eine gute Verbundhaftung zwischen der polymeren Beschichtung und dem metallischen Teil erzielt. Beim Anformen des polymeren Teils wird diese polymere Beschichtung zumindest teilweise angeschmolzen, wodurch sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem polymeren Teil und der polymeren Schicht bildet. Die Verbundhaftung wird somit nicht mehr durch die Haftung zwischen angeformtem polymerem Teil und metallischem Teil bestimmt, sondern vielmehr durch die Haftung der polymeren Beschichtung am metallischen Teil. Die Auftrags- und Aushärtebedingungen einer solchen Beschichtung sind nun wesentlich besser kontrollierbar als der Anformprozess des polymeren Bauteils, wodurch sich die gesamte Verbundhaftung des Verbundbauteils wesentlich verbessert.
Bevorzugter Weise wird vor dem Beschichten des metallischen Teils zusätzlich eine Zinkphosphatierung des metallischen Teils durchgeführt. Dadurch wird zunächst ein Korrosionsschutz, insbesondere ein Schutz gegen Lochfraß erzielt. Zur Verbesserung der Langzeitbeständigkeit können der Phosphatierung Stoffe ei Titan oder Zirkon mit beigegeben werden. Denkbar wäre auch alternativ eine CrIII-Beschichtung, die eine sehr gute Beständigkeit aufweist. Des Weiteren kann mittels einer zusätzlichen wasserundurchlässigen Zwischenschicht, beispielsweise aus Polyurethan, die Langzeitbeständigkeit verbessert werden. Die Zinkphosphatierung erzeugt darüber hinaus eine aufgeraute Oberflächenstruktur, was die Haftung der nach der Zinkphosphatierung aufgebrachten polymeren Beschichtung weiter verbessert. Eine zusätzliche Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Sandstrahlen, ist somit nicht nötig. Das Verfahren kombiniert somit in vorteilhafter Weise eine gute Verbundhaftung mit hoher Korrosionsbeständigkeit.
Nach dem Beschichten des metallischen Teils kann dieses in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zudem noch umgeformt werden. Durch die dünne und flexible Natur der polymeren Beschichtung bleibt diese auch während eines Umformvorgangs intakt. Damit kann eine durchgängige Beschichtung erzielt werden, während das metallische Teil noch eine Form besitzt, die eine gute Zugänglichkeit aller zu beschichtenden Oberflächenbereiche garantiert. Erst dann wird das Umformen durchgeführt, wodurch gegebenenfalls schlecht- bzw. unzugängliche Oberflächenanteile gebildet werden.
Zum Beschichten des metallischen Bauteils wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine alkoholische Mischpolyamidlösung verwendet. In der Folge wird das polymere Teil des Verbundbauteils bevorzugt durch Umspritzen mit einem Polyamid, beispielsweise PA6GF60 angeformt. Während des Umspritzvorganges schmilzt die Mischpolyamidbeschichtung auf und verbindet sich mit dem umspritzten Polyamid. Die gesamte Verbundhaftung wird nun vorteilhaft durch eine Kombination von Formschluss zwischen der Mischpolyamidbeschichtung und der aufgerauten Mikrostruktur, welche durch die Zinkphosphatierung entstanden ist sowie durch einen Stoffschluss zwischen dem umspritzten polymeren Teil und der Mischpolyamidschicht erzielt.
Der metallische Teil des Verbundbauteils ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dabei als Profilbauteil ausgebildet. Dies erlaubt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen wichtiger Verbundbauteile für den Automobilbau, wie z. B. Frontendträger, Heckablagemodule, Cockpitquerträger und dergleichen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verbundbauteil, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einem metallischen Teil und einem polymeren Teil, wobei zwischen dem metallischen Teil und dem polymeren Teil eine polymere Beschichtung angeordnet ist. Diese ist dabei bevorzugt ein Mischpolyamid. Um, wie eingangs geschildert, die Korrosionsbeständigkeit des metallischen Teils zu erhöhen sowie eine mikroformschlüssige Verbindung zwischen der polymeren Beschichtung und dem metallischen Teil zu erzeugen, weist ein derartiges Bauteil bevorzugter Weise zusätzlich eine Zinkphosphatschicht zwischen dem metallischem Teil und der polymeren Beschichtung auf. Zur Erhöhung der Härte sowie der Korrosionsbeständigkeit enthält diese Schicht weiterhin in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zusätzlich Anteile von Nickel und Fluor.
Im Folgenden soll anhand der Zeichnungen die Erfindung und ihre Ausführungsformen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch den Grenzbereich eines Verbundbauteils aus einem polymeren und einem metallischen Teil und
2 eine Mikrographie einer Metalloberfläche nach der Zinkphosphatierung.
1 zeigt schematisch den Schichtaufbau des Übergangs zwischen dem metallischen Grundkörper 12 und einer Polyamidumspritzung 14 eines Verbundbauteils, welches im Ganzen mit 10 bezeichnet ist. Bei Herstellung eines derartigen Verbundbauteils 10 wird der metallische Grundkörper 12 zunächst einer Zinkphosphatierung unterzogen. Hierzu findet eine Vorbehandlung statt, wie sie auch für das kathodische Tauchlackieren üblich ist. Insbesondere wird der metallische Grundkörper 12 mit Wasser gespült, im alkalischen Bad entfettet und wiederum gespült. Bei der daran anschließenden Zinkphosphatierung wird der metallische Grundköper 12 in einem Zinkionen enthaltenden phosphorsauren Bad bei dem pH-Wert von etwa 2 behandelt. Hierbei kommt es zunächst zu einer Beizreaktion, bei der beispielsweise Oxidschichten der Oberfläche 16 des metallischen Grundkörpers 12 abgebaut werden. Für die Zinkphosphatierung eigenen sich dabei insbesondere metallische Grundkörper 12 aus Stahl oder Eisenwerkstoffen, es ist jedoch auch möglich, derartige Verfahren auf Aluminium-Grundkörper anzuwenden. Aufgrund der Position von Eisen bzw. Aluminium und Zink in der elektrochemischen Spannungsreihe scheiden sich dabei Zinkionen aus der Lösung auf der Oberfläche 16 des metallischen Grundkörpers 12 ab, während Eisen- bzw. Aluminiumionen aus dem metallischen Grundkörper gelöst werden. Im Zuge des Prozesses bildet sich somit eine Zinkphosphatschicht 18, welche je nach Prozessführung Dicken um 10 μm erreicht. Die relativ inerte Zinkphosphatschicht 18 bildet dabei eine Korrosionsschutzschicht um den metallischen Grundkörper 12. Aufgrund einer relativ unregelmäßigen Abscheidung von Zinkionen auf die Oberfläche 16 des metallischen Grundkörpers 12 bildet die Zinkphosphatschicht 18 eine mikrostrukturierte Oberfläche 20 aus, die in 2 dargestellt ist. 2 zeigt eine Mikrographie einer derartigen Oberfläche 20, wobei die kurze Bildkante einer Länge von etwa 1000 μm entspricht. Wie zu erkennen, bildet sich eine Vielzahl von unregelmäßig angeordneten Stegen und Graten auf der Oberfläche, welche für sich genommen bereits eine Haftverbesserung für später aufzubringende Kunststoffbeschichtungen zur Verfügung stellt. Nach einem weiteren Spülschritt zur Entfernung restlicher sauerer Badlösung und dem Trocknen des Bauteils wird anschließend eine alkoholische Mischpolyamidlösung auf die Oberfläche 20 der Zinkphosphatschicht 18 aufgebracht. Aufgrund der niedrigen Viskosität einer derartigen Mischpolyamidlösung wird die Oberfläche 20 der Zinkphosphatschicht 18 gut benetzt. Die Lösung dringt auch in feine Spalten und Kavitäten der Zinkphosphatschicht ein. Nach Trocknen und Aushärten der Mischpolyamidlösung verbleibt so eine polymere Beschichtung 22, welche über einen Mikroformschluss mit der Zinkphosphatschicht 18 verbunden ist. Damit wird eine außerordentlich gute Haftung zwischen polymerer Beschichtung 22 und Zinkphosphatschicht 18 erzielt, ohne dass eine mechanische Aufrauung der Oberfläche 20 der Zinkphosphatschicht 18 nötig wäre. Zeit- und kostenaufwändige Schritte, wie beispielsweise Sandstrahlen oder eine spanende Behandlung der Oberfläche 20 entfallen somit.
Im abschließenden Verfahrensschritt wird der derartig beschichtete metallische Grundkörper 12 schließlich in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt. Im Rahmen eines üblichen Spritzgussverfahrens wird der polymere Teil 14 des Verbundbauteils 10 auf die Oberfläche 24 der polymeren Beschichtung 22 aufgespritzt. Aufgrund der hohen Prozesstemperaturen während des Spritzgusses wird dabei die polymere Beschichtung 22 angeschmolzen. Bevorzugterweise wird zum Spritzguss ebenfalls ein Polyamid verwendet. Besonders gut geeignet ist hierbei PA6 mit Glasfaserverstärkung, insbesondere PA6GF60. Durch das zumindest teilweise Aufschmelzen der polymeren Beschichtung 22 entsteht so ein Stoffschluss zwischen dem polymeren Teil 14 und der polymeren Beschichtung 22. Bei der Verwendung von Polyamiden für die Beschichtung 22 und den polymeren Teil 14 bildet sich eine besonders gute Durchmischung der Bestandteile der beiden Schichten, so dass der Stoffschluss besonders haltbar wird. Die Verbundhaftung zwischen dem metallischen Grundkörper 12 und dem polymeren Teil 14 wird somit auf zweierlei Weise erzielt. Zum einen verbindet sich die polymere Beschichtung 22 über einen Mikroformschluss mit der Zinkphosphatschicht 18, zum anderen ist der polymere Teil 14 stoffschlüssig mit der polymeren Beschichtung 22 verbunden. Die Haftung ist gegenüber einfach umspritzten Metallteilen somit wesentlich verbessert. Aufgrund der hohen Verbundhaftung sind bei gleicher Steifigkeit und Festigkeit des fertigen Verbundbauteils 10 weiterhin Gewichtseinsparungen möglich. Verformungs- und Energieaufnahmevermögen von derartigen Verbundbauteilen 10 garantiert weiterhin eine hohe strukturelle Stabilität der Bauteile in ihrem Anwendungskontext.
Zum Herstellen eines derartigen Verbundbauteils 10 eigenen sich insbesondere Metallprofile, welche offen oder auch geschlossen sein können. Insbesondere die Anwendung für innenhochdruckumgeformte Profilbauteile ist möglich. Dies ermöglicht die Anwendung eines derartigen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils 10 für die Herstellung von wichtigen Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Frontendträgern, Heckablagemodulen oder Cockpitquerträgern und dergleichen. Der metallische Grundkörper 12 muss dabei nicht vollständig mit dem polymeren Teil 14 umspritzt sein. Durch geeignete Wahl des Spritzgusswerkzeugs, in welches der metallische Grundkörper 12 nach Zinkphosphatierung und polymerer Beschichtung eingelegt wird, sind auch teilweise Umspritzungen mit nahezu frei wählbaren Geometrien möglich. Abhängig von der gewählten Art der Umspritzung kann selbstverständlich die Oberflächenbeschichtung angepasst werden, so dass beispielsweise nur ein Bereich des metallischen Grundkörpers 12 nach Zinkphosphatierung mit einem polymeren Überzug versehen wird. Natürlich kann auch das gesamte Bauteil polymer beschichtet werden, ohne dass es danach in allen Bereichen umspritzt wird. Die polymere Beschichtung liefert neben der Haftvermittlung zum polymeren Teil 14 schließlich auch einen zusätzlichen Korrosionsschutz über der Zinkphosphatschicht 18.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19640180 C2 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils (10) aus zumindest einem metallischen (12) und einem polymeren Teil (14), mit den Schritten: – Beschichten des metallischen Teils (12) mit einer Lösung eines Polymers; – Aushärten der Beschichtung (22); – Anformen des polymeren Teils (14) an das metallische Teil (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichten des metallischen Teils (12) ein Korrosionsschutz, vorzugsweise eine Zinkphosphatierung des metallischen Teils (12) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichten des metallischen Teils (12) das metallische Teil (12) umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Teil (12) mit einer alkoholischen Mischpolyamidlösung beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Teil (14) durch Umspritzen mit einem Polyamid an das metallische Teil (12) angeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umspritzen die Beschichtung (22) des metallischen Teils (12) angeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Teil (12) ein Profilbauteil verwendet wird.
Verbundbauteil (10) insbesondere für einen Kraftwagen mit einem metallischen Teil (12) und einem polymeren Teil (14), wobei zwischen dem metallischen Teil (12) und dem polymeren Teil (14) eine polymere Beschichtung (22) angeordnet ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Beschichtung ein Mischpolyamid ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem metallischen Teil (12) und der polymeren Beschichtung (14) eine Korrosionsschutzschicht, vorzugsweise eine Zinkphosphatschicht (18) angeordnet ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkphosphatschicht (18) Nickel und Fluorid enthält.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Teil (14) aus einem Polyamid besteht.