DE19702566C2

DE19702566C2 - Verfahren zur Glanzbeschichtung von Teilen, vorzugsweise für Fahrzeuge, insbesondere von Fahrzeugrädern, und danach beschichtetes Teil

Info

Publication number: DE19702566C2
Application number: DE19702566A
Authority: DE
Inventors: Klaus Goedicke; Fred Dr Rer Nat Fietzke; Fritz Kaeumle; Reinhold Separautzki
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2017-01-25
Also published as: DE19702566A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Glanzbeschichtung von Teilen, vorzugsweise für Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeugrädern bzw. Felgen. Das Verfahren dient vorzugsweise zur Beschichtung von Leichtmetallrädern, um auf diesen einen metallischen Glanz zu erzeugen. Das Verfahren ist gleichermaßen anwendbar für Fahrzeugteile, die sowohl im Inneren als auch außen eingesetzt werden. Desweiteren ist dieses Verfahren auch anwendbar für Gebrauchsgegenstände verschiedenster Anwendungsgebiete, um einen besonderen optischen Effekt oder eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften sowie des Korrosionsschutzes zu erzielen. Das sind beispielsweise Gehäuse von Geräten sowie Instrumente.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein nach dem Verfahren hergestelltes Fahrzeugteil, vorzugsweise Fahrzeugrad.

Es ist bekannt, derartige Gegenstände - insbesondere Fahrzeugräder - zum Schutz gegen Korrosion mit einem Schichtsystem aus Lack zu versehen (DE 81 03 758 U1). Auf einer katodisch abgeschiedenen Elektrotauchlack-Grundierungsschicht wird eine pigmentierte Decklackschicht aufgebracht, die mittels Elektronenstrahlen gehärtet wird. Auf diese Schicht wird eine weitere Decklackschicht aus einem Klarlack aufgebracht, die ebenfalls mittels Elektronenstrahlen gehärtet wird. Der Nachteil besteht darin, dass nur bedingt metallisch glänzende Farben erzeugt werden können.

Es ist bekannt, farbige Schichten auf Leichtmetallrädern zu erzeugen (EP 0 525 867 A1). Dazu wird ein Zweischichtsystem aufgebracht, wobei beide Schichten Lackschichten sind. Die erste Schicht besteht aus einem die Grundfarbe enthaltenden Lack, und die zweite Schicht besteht aus einem Glimmerpigmente enthaltenden transparenten Lack. Der Nachteil besteht darin, dass damit kein echter metallischer Glanz erzielt, sondern durch die Pigmentierung nur nachgebildet wird.

Es ist bekannt, auf Aluminiumräder aufgebrachte Metallschichten vor dem Abblättern oder Abschälen infolge von Korrosion zwischen dem Rad und der Metallschicht durch eine dazwischen befindliche Korrosionsschutzschicht zu schützen (JP 4-245178 A).

Es sind weiterhin Leichtmetallräder bekannt, auf denen Schichtsysteme aufgebracht werden, die eine durch PVD- oder nasschemische Verfahren aufgebrachte Metallschicht enthalten. Als Metalle werden Aluminium (JP 6-227201 A), Chrom (JP 4-131323 A) und Edelmetalle (DE 295 20 280 U1) verwendet. Derartige Schichtsysteme werden zur Erzeugung von farblos spiegelnden Oberflächen verwendet.

Es ist allgemein bekannt, Schichten mit verschiedenen Farb- und Glanzeffekten auf Gegenständen durch Vakuumbeschichtung, insbesondere Magnetron-Zerstäubung, abzuscheiden.

In einer Vakuumkammer werden die zu beschichtenden Gegenstände gegenüber einem oder mehreren Targets, die aus dem Material oder einer Komponente der abzuscheidenden Schicht bestehen, angeordnet. Zwischen dem Target und den Gegenständen wird eine Gas entladung so gezündet, dass sich ein Plasma ausbildet und Teilchen vom Target abgestäubt werden. Als Targetmaterialien werden Metalle, Metalllegierungen oder Metallverbindungen eingesetzt. Metallverbindungen lassen sich jedoch auch durch reaktive Magnetron- Zerstäubung abscheiden, indem ein Metall zerstäubt wird, und ein Reaktivgas - wie z. B. O₂, N₂ - zusätzlich in die Vakuumkammer eingelassen wird. Durch eine entsprechende Materialauswahl, eventuell in Verbindung mit einem Prozessgas, sind die Schichten in verschiedenen Farben herstellbar.

Um derart aufgestäubte Schichten bei geringen Beanspruchungen gegen Korrosion und Zerstörung durch mechanischen Verschleiß zu schützen, werden nach PVD- und CVD- Verfahren harte und verschleißfeste Schichten als Überzug auf die metallisch glänzenden Schichten abgeschieden. Der Nachteil derart geschützter metallisch glänzender Schichten besteht darin, dass für hohe mechanische und korrosive Beanspruchungen, denen beispielsweise Fahrzeugräder ausgesetzt sind, dieser Schutz unzureichend ist. Die Herstellung der Schutzschichten ist außerdem zu teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Glanzbeschichtung von Teilen, vorzugsweise von Fahrzeugteilen, insbesondere Fahrzeugrädern, zu schaffen, mit dem eine Vielzahl unterschiedlicher Metallglanzfarbtöne auf deren Oberfläche oder Bereichen derselben erzeugt werden soll. Vorzugsweise sollen Fahrzeugräder aus Metall, insbesondere aus Leichtmetalllegierungen, und dabei bevorzugt deren sichtbare Flächen, beschichtet werden. Die Glanzbeschichtung soll auch beständig gegen Korrosion sein und hohe mechanische Belastungen aushalten, wie sie z. B. bei Fahrzeugrädern durch Abrieb und Steinschlag auftreten. Das Verfahren und die danach beschichteten Teile sollen kostengünstig herstellbar bzw. beschichtbar sein und weitgehend die Umwelt nicht belasten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 und 10 bis 18 beschrieben.

Erfindungsgemäß wird die Glanzbeschichtung von Teilen, insbesondere von Fahrzeugrädern, bevorzugt deren sichtbarer Bereich, durch die Kombination mehrerer Verfahrensschritte und Schichten erzeugt. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Oberfläche mechanisch geglättet. Danach wird in bekannter Weise eine Chromatschicht aufgebracht. Nach der Chromatschicht wird eine Pulverlackschicht aufgebracht. In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf die zu beschichtenden Teile in einer Vakuumkammer durch Magnetron- Zerstäubung eine Hochglanzschicht mit einer Dicke von 10 nm bis 5 µm, vorzugsweise 100 nm bis 500 nm abgeschieden. Je nach herzustellendem Farbton wird die Hochglanzschicht durch eine Metalllegierung oder eine Metallverbindung erzeugt. In Abhängigkeit vom zu erreichenden Farbton der Hochglanzschicht und dem verwendeten Beschichtungsmaterial, d. h. dem Targetmaterial, wird die entsprechende Variante der Magnetron-Zerstäubung eingesetzt. Wesentliche Varianten sind das reaktive Zerstäuben von Targets aus dem Beschichtungsmaterial durch Einlassen eines Reaktivgases oder Reaktivgasgemisches - z. B. O₂, N₂, niedermolekulare Kohlenwasserstoffe - oder das nichtreaktive Zerstäuben, Gleichstrom-Zerstäuben oder das Puls-Magnetron-Zerstäuben, bei dem die elektrische Energie pulsförmig zugeführt wird. Weiterhin können ein oder mehrere Targets verwendet werden, wobei bei Verwendung mehrerer Targets diese vorzugsweise alternierend als Anode und Katode geschaltet werden.

Besonders vorteilhaft für die Herstellung einer aus einer mehrkomponentigen Verbindung, z. B. Titan-Aluminium-Nitrid, bestehenden Hochglanzschicht ist das an sich bekannte reaktive Puls-Magnetron-Sputtern. Einfache Targets der Metalle Titan und Aluminium werden in einer reaktiven Stickstoff-Atmosphäre zerstäubt. Das Puls-Magnetron-Sputtern erlaubt einerseits eine stabile, sichere und reproduzierbare Prozessführung, die mit anderen Beschichtungsverfahren wegen häufig auftretender elektrischer Überschläge (des sogenannten Arcing) nicht möglich ist. Andererseits lässt sich durch rein elektrische Mittel, nämlich die Einstellung der Pulse zu den Pausenzeiten, für die Targets der beiden unterschiedlichen Metalle die Schichtzusammensetzung und damit die Farbe der Glanzschicht in weiten Grenzen einstellen und konstant halten.

In einem abschließenden Verfahrensschritt wird auf die Hochglanzschicht eine transparente, verschleißfeste Decklackschicht in bekannter Weise aufgebracht. Diese Decklackschicht, bestehend aus Ormocer oder auf einer Basis von Acrylaten oder Polyurethan oder Epoxydharz, besitzt eine Dicke von 0,5 µm bis 100 µm.

Es wurde gefunden, dass durch die Kombination dieser Verfahrensschritte ein Schichtsystem entsteht, welches den hohen Anforderungen an den optischen Eindruck und den Abrieb sowie Korrosionsschutz gerecht wird.

So werden durch die Magnetron-Zerstäubung Schichten mit optisch dekorativen Eigenschaften hergestellt, die mit herkömmlichen Lackierungsverfahren in Bezug auf Farbe und Glanz nicht herstellbar sind. Die in großer Auswahl herstellbaren Farbtöne sind metallisch glänzend, d. h. es wird keine Metallisierung durch entsprechende Pigmentierung imitiert. Die Farbpalette reicht von dunklem und hellem Silber, über Gold, rötlich Braun bis hin zu Violett. Als besonders vorteilhaft hat sich das System Titan-Aluminium-Stickstoff erwiesen. Allein mit diesem System läßt sich eine große Anzahl der Farbtöne herstellen. Es sind aber auch andere Systeme, z. B. Zirkonium-Aluminium-Stickstoff und Titan-Zirkonium- Stickstoff, zur Herstellung weiterer Farbtöne einsetzbar. Weitere Farbtöne sind durch Messing erreichbar.

Darüber hinaus ist das Aufstäuben der Hochglanzschicht mittels Magnetron-Zerstäubung einfach und kostengünstig und belastet die Umwelt nicht. Es wird eine gute allseitige Beschichtung dreidimensional, kompliziert geformter Teile erreicht, welche mit anderen Vakuumbeschichtungsverfahren, wie Elektronenstrahlverdampfen, Bogenverdampfen, Verdampfen aus Schiffchen oder Ionenplattieren, schwer erreichbar ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die relativ empfindliche Hochglanzschicht auch gegenüber großen Belastungen und Umwelteinflüssen, z. B. Angriff durch Laugen und Säuren, geschützt wird. Die Elastizität der relativ dicken Pulverlack- und Decklackschicht trägt wesentlich dazu bei, hohe mechanische Einwirkungen, wie Steinschlag und Abrieb abzumildern. Außerdem wird mit der Pulverlackschicht ein Korrosionsschutz der zu beschichtenden Teile erreicht. Rauhigkeiten der Oberfläche, wie sie z. B. geschmiedete oder gegossene Leichtmetallräder besitzen, werden ausgeglichen. Durch die erste Pulverlackschicht wird für das nachfolgende Aufstäuben der Hochglanzschicht eine glatte Oberfläche geschaffen und die Haftfestigkeit dieser Schicht verbessert. Durch die Beigabe von Zusatzstoffen zur transparenten Decklackschicht ist es möglich, zusätzlich den Glanz der Glanzbeschichtung gezielt einzustellen, so dass mehrere Abstufungen des Glanzes entsprechend ästhetischen und modischen Anforderungen erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, dass auf die Pulverlackschicht eine Lackgrundschicht aufgebracht wird. Die Haftung der Hochglanzschicht wird verbessert, wenn vor dem Aufbringen dieser Schicht eine Vorbehandlung durch Heizen und/oder Ätzen in einem Inert- oder Reaktivgasplasma in bekannter Weise oder das Aufbringen einer Haftvermittlerschicht durchgeführt wird.

Bei Leichtmetallrädern ist es vorteilhaft, statt der gesamten Oberfläche nur die sichtbaren Flächen zu beschichten. Damit werden die Beschichtungskosten reduziert.

Das Verfahren zur Glanzbeschichtung kann zum Beschichten von Teilen aus Stahl, Leichtmetallen - wie beispielsweise Magnesium, Titan, Aluminium sowie deren Legierungen - und auch Kunststoffen angewendet werden. Die aus diesen Materialien hergestellten Fahrzeugteile sind beispielsweise Spiegelgehäuse, Lüftergitter, Kühlergrille, Türklinken, Bedienknöpfe, Armaturenteile und dergleichen. Es können alle Fahrzeuginnen- und -außenteile mit einer Glanzbeschichtung versehen werden. Diese Teile können Gussteile, Spritzteile oder zusammengesetzte Kunststoff- bzw. Blechteile sein. Bei der Beschichtung von Teilen aus Kunststoff sind die speziellen Bedingungen bei deren Beschichtung, besonders beim Aufstäuben der Hochglanzschicht, und der evtl. vorgelagerten Glimmreinigung durch Anpassung der Prozessparameter zu berücksichtigen.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.

Ein Fahrzeugrad aus einer Leichtmetalllegierung soll eine violette Glanzbeschichtung hauptsächlich im Bereich des Felgensternes erhalten. Dazu wird der sichtbare Bereich der Oberfläche des Fahrzeugrades in einem ersten Verfahrensschritt durch Glättschleifen geglättet. Danach wird auf diesen Bereich eine Chromatschicht als eine erste Schicht und darauf eine Pulverlackschicht aufgebracht. Die Chromatschicht wird chemisch aufgebracht und hat insbesondere die Aufgabe, korrosionshemmend zu wirken. Die Pulverlackschicht bildet einen plastischen Widerstand gegen äußere Einflüsse, wie Steinschlag bei Fahrzeugrädern. Im nächsten Verfahrensschritt wird das Fahrzeugrad derart in eine Vakuumkammer eingebracht, dass sich der zu beschichtende Bereich des Fahrzeugrades gegenüber zwei in der Vakuumkammer angeordneten Targets der Magnetron- Zerstäubungsquellen befindet. Ein Target ist aus Aluminium und ein Target aus Titan. Nachdem die Vakuumkammer evakuiert wurde, wird Argon in die Vakuumkammer eingelassen und in dieser Inertgasatmosphäre eine Glimmentladung gezündet. Das Aufbringen der Hochglanzschicht erfolgt in bekannter Weise durch Puls-Magnetron- Zerstäuben. Dabei werden das Aluminium- und das Titantarget alternierend mit einer Frequenz von 10 kHz als Anode und Katode der Glimmentladung betrieben. Die gesamte den Targets zugeführte Leistung beträgt 15 kW. Zusätzlich werden 80 cm³ Stickstoff als Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen, so dass sich ein Arbeitsdruck von 0,2 Pa einstellt. Um eine gleichmäßige Beschichtung zu erhalten, wird das Fahrzeugrad während der Beschichtung um seine Symmetrieachse gedreht. In einer Beschichtungszeit von 3 Minuten wird eine violette, 200 nm dicke Hochglanzschicht auf dem Fahrzeugrad abgeschieden.

Im letzten Verfahrensschritt wird abschließend auf die Hochglanzschicht eine Decklackschicht auf der Basis von Polyurethan mit einer Dicke von 30 µm in bekannter Weise aufgebracht.

Claims

1. Verfahren zur Glanzbeschichtung von Teilen, vorzugsweise für Fahrzeuge, insbesondere von Fahrzeugrädern, durch Aufbringen eines Schichtsystems, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1. mechanische Glättung der Oberfläche,
2. Aufbringen einer Chromatschicht,
3. Aufbringen einer Pulverlackschicht,
4. Aufstäuben einer Hochglanzschicht aus einer Metalllegierung oder einer Metallverbindung mittels eines Magnetrons im Vakuum,
5. Aufbringen einer transparenten, verschleißfesten Decklackschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Pulverlackschicht eine korrosionshemmende Lackgrundschicht aus einem Pulvereinbrennlack aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufstäuben der Hochglanzschicht eine Vorbehandlung im Vakuum, vorzugsweise durch Heizen und/oder Ätzen in einem Inert- oder Reaktivgasplasma durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufstäuben der Hochglanzschicht eine Vorbehandlung im Vakuum durch Aufbringen einer Haftvermittlerschicht durchgeführt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanzschicht durch Gleichstrom-Zerstäuben oder Puls-Magnetron- Zerstäuben in einer Inert- oder Reaktivgasatmosphäre aufgestäubt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktivgas ein Gas oder Gasgemisch, vorzugsweise O₂, N₂ oder niedermolekularer Kohlenwasserstoff, eingelassen wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtenden Teile während des Aufstäubens der Hochglanzschicht relativ zu den Targets des Magnetrons bewegt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Glanz des zu beschichtenden Teiles durch die Beigabe von Pigmenten zur transparenten Decklackschicht eingestellt wird.

9. Beschichtetes Teil, bestehend aus Metall oder Metalllegierung, insbesondere aus Leichtmetall, mit einem darauf aufgebrachten Schichtsystem, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil mechanisch geglättet ist, mindestens auf den sichtbaren Flächen des Teils nacheinander eine Chromatschicht, eine Pulverlackschicht, eine Hochglanzschicht aus einer Metalllegierung oder Metallverbindung und eine transparente, verschleißfeste Decklackschicht aufweist.

10. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es nach der Pulverlackschicht eine korrosionshemmende Lackgrundschicht aus einem Pulvereinbrennlack aufweist.

11. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es unter der Hochglanzschicht eine Haftvermittlerschicht aufweist.

12. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackgrundschicht 100 µm bis 500 µm, vorzugsweise 30 µm bis 300 µm, dick ist.

13. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanzschicht 10 nm bis 5 µm, vorzugsweise 100 nm bis 500 nm, dick ist.

14. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanzschicht eine Verbindung aus Titan-Aluminium-Stickstoff ist.

15. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanzschicht eine Verbindung aus Zirkonium-Aluminium-Stickstoff ist.

16. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochglanzschicht eine Verbindung aus Titan-Zirkonium-Stickstoff ist.

17. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklackschicht ein Ormocer, mit einer Dicke von 0,5 µm bis 20 µm, vorzugsweise 2 µm bis 5 µm, ist.

18. Beschichtetes Teil nach Anspruch 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklackschicht eine organische Schicht auf der Basis von Acrylaten oder Polyurethan oder Epoxidharz mit einer Dicke von 1 µm bis 100 µm, vorzugsweise 20 µm bis 30 µm, ist.