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Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Metallen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Behandlung von Metalloberflächen.
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Gegenstand der Erfindung ist also die Oberflächenbehandlung von Metallen,
insbesondere aber die Phosphatierung von Metallgegenständen, d. h. die Behandlung
der Oberflächen von Netallgegenständen mit wässrigsauren Beschichtungslösungen,
die Phosphate enthalten, um so auf der Metalloberfläche eine. anhaftende Phosphatschicht
zu schaffen.
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Die Phosphatierung erfolgt aus verschiedenen Gründen.
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Ein Zweck der Phosphatierung besteht darin, auf Metalloberflächen
einen Scirnierfilm oder einen Träger für einen Schmiergilm, beispielsweise Seife,
zu schaffen, wobei sich die nachfolgenden Anwendungszwecke ergeben:
1.
Vorbereitung von Metallbarren, Metallkörpern oder Rohlingen zum Kaltstrangpressen;
.2. Vorbereitung von Schmiederohlingen für die Gesenkfertigung; 3. Vorbereitung
von Draht, Stangen, Stab- oder Rohrmaterial für Kaltziehverfahren; und 4. Oberflächenbehandlung
von Zahnrädern, Kurbelwellen, Zylinderbüchsen, Getriebekomponenten, Verbindungsgestängen
und anderen beweglichen Teilen, welche Gleitflächen aufweisen, zum Gewährleisten
oder zum Unterstützen einer Schmierung dieser Teile insbesondere beim Einsetzen.
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Ein. anderer Zweck der Phosphatierung besteht darin, Metalloberflächen
zum Anstreichen oder zur Eunststoffbeschichtung vorzubereiten, wobei sich die nachfolgenden
Anwendungsmöglichkeiten ergeben: 1. Vorbehandlung von Fahrzeugkarosserien, Fahrrad-und
Motorradrahmen, Kühlschrankgehäusen, Waschmaschinen und ähnlicher Gehäuser zur Verbesserung
der Farbstoffanhaftung und zum Korrosionsschutz; und 2. Vorbehandlung von Blechen
und Metallstreifen zur Verbesserung des Anhaftens von Farbstoff oder EunststoffbeschiGIìtungen
auf den Flächen, die nachfolge r gebracht werden Ein weiterer Anwendungszweck besteht
darin, auf Metallfläche eine korrosionsbeständige Beschichtung aufzum bringen.
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Die herkömmlichen Verfahren zur Phosphatierung von Metalloberflächen
weisen verschiedene Nachteile auf. Sie erfordern einen erheblichen Zeitaufwand und
sind daher kostspielig. Eine große Anzahl verschiedener Phosphatierungslösungen
komplexer Zusammensetzung muß für verschiedene Anwendungszwecke vorgesehen werden.
Die Phosphatschicht, die auf der Oberfläche gebildet wird, ist häufig nicht zufriedenstellend,
beispielsweise können die Größe der Phosphatkristalle und die Kristallstruktur derart
sein, -daß die Schicht in nicht mehr tolerierbarer Weise porös ist und nicht die
erforderliche Korrosionsbe ständigkeit aufweist, wobei die Verbindungen zwischen
der Schicht und der Metalloberfläche auch noch schwach sein kann.
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Um die Nachteile der herkömmlichen Verfahren zur Phosphatierung von
Metallgegenständen zu illustrieren, sei nachfolgend ein derartiges Verfahren beschrieben,
nämlich die Vorbereitung eines Netallbarrens zum Kaltstrangpressen. Dieses Verfahren
erfordert zunächst das Trommelpolieren des Barrens zum Entzundern und Entgraten,
wobei der Barren anschließend in zwei aufeinanderfolgende Säurebäder eingebracht
werden muß, um seine Oberfläche zu reinigen und zu entfetten, wie es als Vorbereitungsschritt
für die Phosphatierung erforderlich ist. Anschließend muß der Barren nacheinander
mit kaltem und mit heißem Wasser gespült werden, üblicherweise dadurch, daß er in
ein heißes und ein kaltes Wasserbad getaucht wird, um die Säure von der Barrenoberfläche
zu entfernen. Dann muß der Barren für
eine Zeitspanne, welche ausreicht,
um eine Phosphatschicht mit dem gewünschten Beschichtungsgewicht auf der Barrenoberfläche
zu erzeugen, in eine Phosphatierungslösung eingebracht werden. Schließlich ist noch
ein Abspülen des Barrens mit kaltem und warmem Wasser, nacheinander, erforderlich,
üblicherweise durch Eintauchen.
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Dieses beschriebene Verfahren weist eine Anzahl von Nachteilen auf.
Es ist schwierig, die Stärke der zum Beizen verwendeten Säure exakt zu steuern.
Dies ist besonders nachteilig, weil der Zustand der gebeizten Oberfläche auf die
Qualität der fertigen Phosphatbeschichtung einen erheblichen Einfluß hat. Außerdem
treten auch Probleme bei der Verarbeitung der anfallenden Restsäure auf.
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Bei der Übertragung des Barrens von den Vorbehandlungsstationen zur
Phosphatierungsstation kann die Oberfläche außerdem altern, so daß der volle Effekt
der Vorbehandlung verlorengehen kann, mit dem Resultat, daß die Qualität der Phosphatbeschichtung
beeinträchtigt wird. Das beschriebene Verfahren weist eine Anzahl getrennter Sinitte
auf, dau.ert lange und ist daher kostspielig, wobei die Dauer der einzelnen Schritte
je nach dem Anfangszustand der zu behandelnden Oberfläche etwa wie folgt ist: Trommelbehandlung
10 bis 15.Minuten-Säureentfettung 10 bis 15 Minuten Säurebeizen 5 bis 20 Minuten
Kaltwasserspülung 2 Minuten
Heißwasserspülung 2 Minuten Phosphatierung
10 bis 12 Ninuten Kaltwasserspülung 2 Minuten Heißwasserspülung 2- Minuten Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen,
welches eine verbesserte Phosphatierung von Metalloberflächen gestattet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs
genannten Gattung.dadurch gelöst, daß die Oberfläche mit einem Strahl aus einer
Mischung abrasiver Partikel und einer wässrig-sauren Lösung, welche ein Phosphat
enthält, behandelt wird, wobei die mittlere Auftreffgeschwindigkeit der Strahlpartikel
beim Auftreffen auf die Oberfläche zwischen etwa 6,5 und 330 m/sec (20 und 100 Fuß)
liegt.
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Gemäß der Erfindung wird also die zu behandelnde Metalloberfläche
mit einem Strahl aus einer Mischung von abrasiven Partikeln und einer wässrig-sauren
Lösung, welche ein Phosphat enthält, behandelt. Die mittlere Auftreffgeschwindigkeit,
die nachfolgend noch definiert wird, der Partikel des Strahles beim Auftreffen auf
die Oberfläche soll dabei erfindungsgemäß zwischen etwa 6, 0 und 31 m/sec (zwischen
20 und 100 Fuß pro Sekunde) liegt.
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Unter der mittleren Auftreffgeschwindigkeit" wird der Mittelwert zwischen
der Geschwindigkeit des langsamsten Partikels im Zentralbereich des Strahles beim
Äuftrefen des Partikels auf die Oberfläche und dr Geschwindiit
des
schnellsten Partikels in dem genannten Zentralbereich beim Auftreffen auf die Oberfläche
verstanden. Unter dem Zentralbereich des Strahles wird dabei derjenige Teil des
Strahles verstanden, der auf die Oberfläche innerhalb eines Flächenbereiches auftrifft,
der symmetrisch um den Mittelpunkt des Strahlenmusters liegt, wobei dieser Bereich
gleich der Hälfte der Gesamtfläche des Strahlenmusters ist.
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Eine Phosphatbeschichtung muß verschiedene wichtige Eigenschaften
aufweisen. Das gegenseitige Verhältnis dieser Eigenschaften hängt vom Anwendungszweck
ab, für den die Phosphatbeschichtung der Metalloberfläche vorgesehen ist, also äe
vcn einem der eingangs genannten Anwendungszwecke. Die mittlere Auftreffgeschwindigkeit
hat sich als der entscheidende Faktor für ein gutes Verhältnis zwischen allen geforderten
Eigenschaften erwiesen.
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Eine der Eigenschaften ist das Beschichtungsgewicht, also das Flächengewicht
der Phosphatbeschichtung, welches normalerweise in mg/m2 (mg/Fuß2) angegeben wird.
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Das Beschichtungsgewicht ändert sich für verschiedene Anwendungszwecke.
Beispielsweise sollte eine Zinkphosphatbeschichtung, die auf einen Barren zur Vorbereitung
desselben zum Kalts trs.ngpress en aufgebracht wird, ein Beschichtungsgewicht von
etwa 7000 mg/m2 (700 mg/Fuß2) aufweisen, während ein Beschichtungsgewicht von 3500
bis 4000 mg/m2 (350 bis 400 mg/Fuß2) ausreichend sein kann, um ein hetallb1och für
einen Leichtziehvorgang vorzubereiten. Zur Vorbereitung einer Metalloberfläche zum
Lackieren sollte das Beschichtungsgewicht
vorzugsweise unterhalb
von etwa 6000 mg/m2 (600 mg/Buß2) und im Mittel zwischen etwa 2500 und 3000 mg/m2
(250 und 300 mg/Fuß2) liegen.
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Unabhängig von dem erforderlichen Beschichtungsgewicht ist es jedoch
erwünscht, daß dieses Beschichtungsgewicht so schnell wie.möglich erreicht werden
kann. Darüberhinaus hat sich gezeigt, daß bei Konstanthaltung der Zeitspanne, in
welcher die Oberfläche mit dem Strahl behandelt wird, der Eonzentration der Phosphatierungslösung
und der Lösungstemperatur die Beschichtungsrate von der Auftreffgeschwindigkeit
des Strahles abhängt. Wenn die Geschwindigkeit zu gering ist, so ist eine längere
als die Optimalzeit erforderlich, um eine Beschichtung mit dem gewünschten Flächengewicht
zu erzielen, während eine zu hohe Geschwindigkeit dazu führt, daß die Beschichtung
durch die abrasiven Partikel rascher abgetragen als gebildet wird, so daß das Beschichtungsgewicht
abfällt Eine weitere wichtige Eigenschaft der Beschichtung besteht in ihrer Widerstandfähigkeit
gegen Korrosion.
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Hier hat sich herausgestellt, daß dann, wenn eine Oberfläche dem Strahl
für eine bestimmte Zeitdauer und unter Konstanthaltung der übrigen Bedingungen ausgesetzt
wird, die Korrosionsfestigkeit sich nicht auf ihrem Optimalwert befindet, wenn die
Auftreffgeschwindigkeit des Strahles zu gering ist, wobei weiterhin die Eorrosionsfestigkeit
auch wieder vom Optimalwert abfällt, wenn die Strahlgeschwindigkeit zu hoch ist.
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Eine dritte bedeutende Eigenschaft der Beschichtung besteht in ihrer
Porosität. Auch hier hat sich ergeben, daß dann, wenn eine Oberfläche der Strahlbehandlung
für eine bestimmte Zeitdauer und unter Konstanthaltung der übrigen Bedingungen ausgesetzt
wird, es einen Optimalbereich von Auftreffgeschwindigkeiten gibt, innerhalb dessen
die Beschichtung die geringste Porösität aufweist.
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Trägt man: all diesen gewünschten Eigenschaften Rechnung, so zeigen
Untersuchungen, daß die Auftreffgeschwindigkeit des Strahles innerhalb -des oben
angegebenen Bereiches liegen sollte, d. h. also, zwischen etwa 6,0 und 31 m/sec
(20 und 100 Fuß).
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Die oben definierte mittlere Auftreffgeschwindigkeit läßt sich durch
photographische Verfahren bestimmen.
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Hierzu können photographische Abbildungen des Strahles mit einer Höchstgeschwindigkeitskainera
unter geeigneten Belichtungsbedingungen hergestellt werden, so daß einzelne Partikel
oder Gruppen von Partikeln auf den Abbildungen identifiziert werden können. Es hat
sich herausgestellt, daß gute Resultate erhalten werden können, wenn der Strahl
mit einer Filmgeschwindigkeit von 5000 Bildern pro Sekunde unter Beleuchtung des
Strahles von der Rückseite her mit einer 7-kw-Blutleuchte aufgenommen wird. Wenn
der Film auf einen Schirm projiziert wird, läßt sich auf dem Film die Strecke, die
ein Partikel in der 1/5000-stel Sekunde zurückgelegt hat, welche zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Bildern vergangen ist, messen. Dann ergibt sich durch Anwendung eines Korrekturfaktors,
der die Vergrößerung
berücksichtigt, die tatsächliche Distanz,
die durch die Partikel zurückgelegt worden-ist.
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Bei der Messung der Partikelgeschwindigkeit sollte der Strahl vorzugsweise
.frei bis hinter den Meßpunkt gehen.
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Die Phosphatierungslösung im Strahl wird- vorzugsweise mittels komprimierter
Luft atomisiert. Der Druck der komprimierten Luft kann verändert werden, um so die
mittlere Auftreffgeschwindigkeit der Partikel zu variieren.
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Wenn die Oberfläche sowohlentzundert als auch mit einer Phosphatbeschichtung
versehen werden soll, so empfiehlt sich eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei dem die mittlere Auftreffgeschwindigkeit, wie oben definiert, zwischen
1 2 und 31 m/sec (zwischen 40 und. 100 Fuß), vorzugsweise zwischen 1 5 und 25,0
m/sec (zwischen- 50 und 80 FuB/sec) liegt.
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Durch die abrasiven Teile werden auf der Oberfläche vorhandener Zunder
und Fettrückstände vollständig entfernt, so daß sich eine Oberfläche in statu nascendi
ergibt, mit welcher die Phosphatierungsiösung chemisch ohne Behinderung reagiert,
wodurch sich auf der Oberfläche eine Phosphatschicht ergibt. Verbrauchte abrasive
Partikel und Fettstoffrückstände werden von der Oberfläche durch die Lösung beim
Abströmen von der Oberfläche weggetragen.
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Das endgültige BeschichtuLgsgewicht an Phosphat pro
Flächeneinheit
hängt von der Konzentration und von der Temperatur der Phosphatierungslösung ab,
außerdem von der Behandlungszeit und schließlich von der mittleren Auftreffgeschwindigkeit
des Strahles.
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Die Einflüsse der Konzentration und der Temperatur der Phosphatierungslösung
und der Behandlungszeit entsprechen im wesentlichen denjenigen; die man aufgrund
der herkömmlichen Phosphatierungsverfahren erwartet. Demzufolge ist also das Beschichtungsgewicht,
bis zu einem Grenzwert>umso größer, je länger die Behandlungszeit ist, wenn die
übrigen Behandlungsbedingungen konstant gehalten werden. Die Erhöhung der Konzentration
der Phosphatierungslösung erhöht wiederum, wenn die anderen Behandlungsbedingungen
konstant gehalten werden, das Beschichtungsgewicht. Je höher die Temperatur der
Phosphatierungslösung ist, je größer ist wiederum, wenn die anderen Behandlungsbedingungen
konstant gehalten werden, das Beschichtungsgewicht. Nicht vorhergesehen werden konnte
aber der Einfluß der mittleren Auftreffgeschwindigkeit des Strahles auf die Oberfläche
sowie das überraschende Ergebnis, daß, wenn die GeschwIndigkeit zu groß ist, die
abrasiven Partikel mehr von der Phosphatbeschichtung abt ragen als an Phosphatbeschichtung
durch die Phosphatlösung gebildet wird.
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Die Phosphatierungslösung, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet wIrd, ist eine angesäuerte Lösung von Phosphaten in Wasser, wobei die
Zusammensetzung von dem erforderlichen Verd!ann gsgrau des Phospnabes abhängt. Die
Lösung kann tie.triumrltrit oder andere
Chemikalien aufweisen,
die als Beschleuniger und/oder als Oxydationsmittel zum Reagieren der Phosphatierungslösung
mit der Oberfläche dienen.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß nur
eine einzige Phospha-tierungslösung für den gesamten Anwendungsbereich und Verwendungszweck
der Phosphatierungsbehandlung erforderlich ist, während bei den herkömmlichen Verfahren
eine Vielzahl verschiedener Phosphatierungslösungen erforderlich war. Es hat sich
in der Tat herausgestellt, daß die besten Ergebnisse bei einer Vielzahl von Anwendungszwecken
bei der Verwendung der herkömmlicherweise für die Vorbereitung eines Metallbarrens
zum Kaltstrangpressen verwendeten Phosphatierungslösung erzielt werden können. Eine
derartige Lösung weist als Beschleuniger ein Natriumnitrit auf und wird normalerweise
nicht für Anwendungszwecke wie z. B. das Vorbereiten zum Lackieren, wobei. also
eine feine Beschichtung erforderlich ist, empfohlen, da sich bei der Verwendung
dieser Lösung-normalerweise ein Schlamm bildet, der zu einer groben, uneinheitlichen
Beschichtung führt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt dieses Problem aber nicht
auf, da der kontinuierliche Strom der Phosphatierungslösung über die Oberfläche
die Ausbildung eines Schlammes verhindert.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine heiße Lösung
verwendet, wodurch sich die Reaktion des Phosphates mit der Metalloberfläche beschleunigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird in vorteilhafter Weise mit einer
möglichst kurzen Behandlungsdauer ausgeführt,
da die Qualität und
die Haftung der Beschichtung an der Oberfläche umso größer sind, je eher die Phosphatbeschichtung
auf die Oberfläche aufgebracht wird, nachdem letztere in den reaktionsfähigen Zustand
gebracht worden ist;und je schneller die Phosphatkristalle, welche die Beschichtung
bilden, wachsen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Behandlung
schneller durchgeführt werden kann als bei den herkömmlichen Phosphatierungsverfahren.
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Beispielsweise kann ein Metallbarren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
in einem einzigen Schritt zur Vorbereitung zum Kaltstrangpressen entzundert, gereinigt,
entfettet und phosphatiert werden, wobei die Behandlungsdauer lediglich eine Minute
beträgt, verglichen mit den 33 bis 55 Minuten, welche das eingangs beschriebene
herkömmliche Verfahren erfordern würde.
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Im Grunde ist keinerlei Vorbehandlung eines Metallbarrens erforderlich,
ehe er mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wird, da das Verfahren selbst
normalerweise ausreichend für die Vorbereitung der Oberfläche des Barrens für die
Phosphatierung sorgt. Ist der Barren aber von einem Stabmaterial abgesägt worden,
so kann es erforderlich sein, daß er vorher getrommelt oder auf andere Weise behandelt
wird, um die durch das Sägen oder Schneiden entstandenen starken Grate zu entfernen,
die durch die abrasiven Partikel allein nicht entfernt werden können.
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Die Korrosionsbeständigkeit und die Porosität einer phosphatierten
Oberfläche hängt von der Größe der Phosphatkristalle und deren kristalliner Struktur
ab.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, verglichen
mit den herkömmlichen Phosphatierungsverfahren, besteht darin, daß kleinere Kristalle
und eine feinere kristalline Struktur erzeugt werden, woraus sich ergibt, daß die
Phosphatbeschichtung einen wirksameren Schutz gegen Korrosion gewährleistet und
eine geringere Porosität aufweist als die nach den herkömmlichen Verfahren hergestellten
Beschichtungen.
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Der Grund hierfür liegt darin, daß bei den konventionellen Verfahren
die Kristalle nur verhältnismäßig wenige Keime auf der Oberfläche aufweisen, die
bis zu einer relativ beträchtlichen Größe wachsen, während bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die abrasiven Partikel im Strahl eine beträchtlich größere Anzahl von
Keimstellen oder Reaktionsstellen für die Kristalle schaffen, nämlich an allen Stellen,
an denen die Partikel auf die Oberfläche auftreffen. Hierdurch ergibt sich, daß
die Kristalle dichter zus ammenwachsen, wodurch sich eine feine Struktur verhältnismäßig
kleiner Kristalle ergibt. Es wird angenommen, daß eine feine Struktur kleiner Kristalle
auch die Schmier-oder Gleitwirkung der Phosphatbeschichtung, verglichen mit den
durch die herkömmlichen Phosphatierungsverfahren gewonnenen Beschichtungen, verbessert.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, verglichen mit
den herkömmlichen Verfahren, liegen darin, daß zwischen der Phosphatbeschichtung
und der Metalloberfläche eine festere Verbindung erzeugt wird, da keinerlei
Oberflächenkontaminationsschicht
vorliegt, wie beispielsweise eine Oxyd- oder Hydroxydschicht, und daß, da die Phosphatkristalle
kleiner sind, das Be- .
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schichtungsgewicht in bestimmten Fällen zur Erzeugung desselben Effektes
geringer sein kann.
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Wenn eine schwerere Phosphatbeschichtung erforderlich ist, als sie
allein mit der Verwendung eines Strahles, der abrasive Partikel und eine Phosphatierungslösung
enthält, erreicht werden kann, so kann das erfindungsgemäße Verfahren fortgesetzt
werden, indem eine Phosphatierungslösung ohne abrasive Partikel verwendet wird,
um so das Beschichtungsgewicht zu erhöhen. Beispielsweise kann eine Phosphatierungslösung
auf den Metallgegenstand aufgesprüht werden, oder der Netallgegenstand wird in ein
Phosphatierungslösungsbad eingetaucht.
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Wenn erwünscht, kann die Oberfläche nach der Phosphatierung mit klarem
Wasser gespült werden.
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Die Mischung aus der Phosphatierungslösung und den abrasiven Partikeln
wird zweckn:äßigerweise nach dem Gebrauch gesammelt, wenigstens teilweise gereinigt
und dann wiederverwendet. Auf diese Weise ist es möglich, die Mischung kontinuierlich
zu zirkulieren und wieder zur Behandlung eines nachfclgenden Metallgegenstandes
zu verwenden.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsforin des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, daß bei jedem Mischungumlauf alle PfFras.ven Partikel
und Fest-,
stoffe von der Mischung separiert werden, woraufhin
ein Teil der gereinigten Lösung aus dem Strom entfernt und entlang eines getrennten
Weges zu einem Metallgegenstand geführt wird, welcher mit einer Mischung aus abrasiven
Partikeln und einer Phosphatierungslösung strahlbehandelt worden ist, wodurch der
Metallgegenstand abgespült wird, und daß der übrige Teil der gereinigten Lösung-mit
abrasiven Partikeln rückvermischt und dann gegen einen nachfolgenden Metallgegenstand
gerichtet wird.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer Vorrichtung
durchgeführt, welche eine Kammer aufweist, die Einrichtungen, beispielsweise eine
Düse, enthält, mittels welcher der Strahl gegen die Oberfläche eines Metallgegenstandes
gerichtet werden kann.
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Der untere Teil der Kammer ist dabei als Sumpf zum Sammeln der bereits
verwendeten Brühe vorgesehen. Die Schlammbrühe wird mittels geeigneter Einrichtungen
kontinuierlich vom Sumpf zu den Strahlerzeugungseinrichtungen geleitet. Die Beschleunigung
des Strahles in Richtung auf die Oberfläche erfolgt.vorzugsweise durch komprimierte
Luft, welche den Strahlerzeugungseinrichtungen zugeführt wird.
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Die Kammer kann so eingerichtet sein, daß sie geschlossen werden kann,
und kann weiterhin eine Einrichtung einweisen, welche die Öffnung der Kammer zum
Erleichtern des Einführens und der Entfernung eines Gegenstandes oder eines Postens
von Gegenständen erleichtert.
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Auch können Einrichtungen vorgesehen sein, welche es ermöglichen,
Geganstände kontinuierlich durch die Kammer
zu führen. In jedem
Fall besteht die Kammer aus einem Material wie rostfreiem Stahl oder Polyvinylchlorid,
oder ist mit einem derartige-nMaterial ausgekleidet, welches nicht stark phosphatiert
wird und welches gegen die saure Phosphatlösung widerstandsfähig ist.
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Die Kammer weist vorzugsweise Einrichtungen, beispielsweise in Form
von Sprühköpfen, auf, mittels welcher Phosphatierungsflüssigkeit gegen jeden Gegenstand
gerichtet werden kann, nachdem dieser mit dem Naßstrahl behandelt worden ist.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung ist der Sumpf durch eine Pumpe
mit einem Zentrifugalabscheider verbunden, der mit einer Filtereinheit, einer Düse
und einem ersten Spül-Sprühkopf in Verbindung steht Die Anordnung ist dabei so getroffen,
daß der Abscheider grobe abrasive Partikel und Feststoffe aus der ablaufenden Brühe,
die dem Separator aus dem Sumpf durch die Pumpe zugeführt wird, abscheidet, wobei
ein Teil der Schlaininbrühe dann abgezogen und der Filtereinheit zugeführt wird,
wo die feinen Partikel und die feinen Feststoffe aus der Flüssigkeit abgetrennt
werden. Die Filtereinheit weist eine Einrichtung zum Erwärmen der Flüssigkeit auf
und steht über eine Pumpe mit einem zweiten Sprühkopf in der Kammer in Verbindung.
Eine teilweise gereinigte Mischung aus Phosphatierungsflüssigkeit und abrasiven
Partikeln wird vom Abscheider dem ersten Sprühkopf zugeführt, während die gereinigte
Phosphatierungsflüssigkeit von der Filtereinheit dem zweiten Sprühkopf zugeführt
wird, so daß jeder Gegenstand den beiden Spülflüssigkeiten ausgesetzt wird.
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Außerdem kann die Kammer einen Sprühkopf aufweisen, der mit einer
Wasserzuführung in Verbindung steht, um so jeden Gegenstand zum Abschluß spülen
zu können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert
sind. Dabei zeigt: Fig. 1 das erreichte Beschichtungsgewicht in Abhängigkeit von.
der Partikelgeschwindigkeit; Fig. 2 die erzeugte Korrosionsfestigkeit in Abhängigkeit
von der Partikelgeschwindigkeit; Fig. 3 die Porosität in Abhängigkeit von der Partikelgeschwindigkeit;
Fig. 4 bis 6 das Beschichtungsgewicht in Abhängigkeit von der Partikelgeschwindigkeit;
und Fig. 7 und 8 photografische Abbildungen der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. mittels eines herkömmlichen Verfahrens erzeugten kristallinen Phosphatstrukturen.
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Die graphischen Darstellungen, wie sie Gegenstand der Fig. 1 bis 6
sind, wurden mit Strahlen erhalten, bei denen die abrasiven Partikel aus scharfkantigen
Aluminiumoxydteilchen mit einer Korngröße von 90/100 bestanden. Die Konzentration
der Mischung aus abrasiven Partikeln und Phosphatierungslösungen betrug in Jedem
Fall 18,2 kg abrasiver Partikel auf 94 l der geeigneten Lösung (40 Ib abrasive Partikel
in 25 gallons Lösung).
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Die Kurven, die nachfolgend diskutiert werden, wurden als mittlere
Testergebnisse durch Behandlung einer Metaloberfläche mit einer Mischung aus abrasiven
Partikeln und Phosphatierungslösungen für 30 Sekunden, mit anschließender 30-sekündiger
Spülung mit einer Phosphatlösung ohne abrasive Partikel, erhalten.
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Die Strahlgeschwindigkeit wurde durch das beschriebene photografische
Verfahren ermittelt. Die Geschwindigkeit wurde durch Veränderung des Druckes der
komprimierten Luft, welche zum Atomisieren der Flüssigkeit und zum Beschleunigen
des Strahles auf die Oberfläche diente, variiert. Der durch die Pumpe den Sprühdüsen
zugeführte Aufschläminungsbetrag wurde konstant bei 94 1/Min. (25 gallons pro Min.)
gehalten.
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Obwohl bei den einzelnen Ausführungsbeispielen, die nachfolgend beschrieben
werden, Zinkphosphat, Eisenphosphat, Manganphosphat und Bleiphosphat allen verwendet
wurden, läßt sich die Erfindung auch ausführen, indem jede beliebige Kombination
dieser Phosphate in einer für den Fachmann ersichtlichen Form verwendet wird.
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Beispiel 1 - Zinkphosphat Die verwendete Lösung enthielt Zinkphosphät
und wies die folgende Zusammensetzung und Eigenschaften auf: Phosphorsaurerådikale
27 g/l Zink 2,1 g/l Natriumnitrit als Beschleuniger 0,15 g/l
pH
2,0 bis 2,2 gesamter Säuregehalt (pointage) 70 Freier Säuregehalt 4 Arbeitstemperatur
70°C In Fig. 1 ist der Einfluß der mittleren Auftreffgeschwindigkeit des Strahles
beim Auftreffen auf die Metalloberfläche auf das Beschichtungsgewicht dargestellt.
Die Bestimmung des Beschichtungsgewichtes erfolgte dadurch, daß die Beschichtung
abgezogen und chemisch der Phosphatgehalt bestimmt wurde, anstatt in der weniger
genauen Weise die Gewichtsdifferenztechnik anzuwenden. Die mit 10 bezeichnete Kurve
ist diejenige, die sich auf der Oberfläche einer mit Zunder belegten Platte ergab.
Die mit 11 bezeichnete Kurve ist diejenige, die auf der Oberfläche einer blanken,gewalzten
Platte ergab. Es ergibt sich, daß zur Erreichung befriedigender Beschichtungsgewichte
innerhalb der Untersuchungszeit die mittlere Auftreffgeschwindigkeit zwischen etwa
6 und 31 m/sec (20 und 100 Fuß/sec) liegen mußte, wobei der Optimalbereich zwischen
etwa 18 und 31 m/sec (60 und 100.FuB/sec) lag.
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Jeder Anstieg der Geschwindigkeit über etwa 31 m/sec (100 Fuß/sec)
reduziert das Beschichtungsgewicht, da dann die abrasiven Partikel mehr Phosphatbeschichtung.
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abführen oder ablösen, als Beschichtung durch die Phosphatierungslösung
gebildet wird.
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Fig. 2 zeigt den Einfluß der mittleren Auftreffgeschwindigkeit auf
die Korrosionsbeständigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit wird in Stunden gemessen,
wobei der Test
ein Neutralsalz-Sprühtest ist, der bei 35°C gemäß
ASTN 13117 durchgeführt wurde. Die Phosphatbeschichtung wurde dabei mit einem Standard-Mineralöl
auf Lanolinbasis versiegelt. Der Beginn des Rostens wurde durch eine erfahrene Bedienungsperson
ermittelt.
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Es zeigt sich, daß die Korrosionsbeständigkeit bei einer mittleren
Auftreffgeschwindigkeit von annähernd 18,2 m/sec (60 Fuß/sec) auf ihrem Maximalwert
liegt.
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Eine gute Korrosionsfestigkeit ergibt sich jedoch innerhalb des gesamten
Geschwindigkeitsbereiches von etwa 6 bis 31 m/sec (Fuß/sec). Größere Geschwindigkeiten
als 31 m/sec (100 Fuß/sec) verursachen einen Abfall d er der Korrosionsbeständigkeit.
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In Fig. 3 sind zwei Kurven 12 und 13 gezeigt, wobei die Kurve 12 sich
bei der Behandlung einer blanken, gewalzten Platte und die Kurve 13 sich bei der
Behandlung einer verzunderten Platte ergab. Die Porosität wurde mittels des nachfolgend
beschriebenen Ferroxyltests bestimmt.
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Ein Ferroxylreagenz wurde hierzu frisch dadurch hergestellt, daß 30
g Natriumchlorid und 1 g Elium-Ferrocyanid in Wasser gemischt und die resultierende
Lösung auf einen Liter gebracht wurde. Das Teststück wurde dadurch entfettet, daß
es für wenigstens eine Minute in Trichloräthylen bei Raumtemperatur eingetaucht
wurde. Ein Filterpapier, mit einem Durchmesser von 9 cm, wurde für 10 Sekunden in
das Ferroxylreagenz eingetaucht, mit anschließendem Trocknen in 20 Sekunden.
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Das Filterpapier wurde dann so angeordnet, daß es flach auf einer
horizontalen Fläche des Teststückes auflag. Nach einer Minute wurde das Filterpapier
entfernt und dadurch getrocknet, daß es zwischen zwei weitere Filterpapiere gelegt
wurde. Dort, wo das Ferroxylreagenz mit dem bloßen Metall in Kontakt war, wies das
Filter eine Farbänderung in kleinen Bereichen auf, welche den Poren in der Beschichtungsoberfläche
entsprachen. Die Gesamtfläche der Poren wurde mit vorher hergestellten Eichproben,
die fünf willkürlichen Porositätsgraden von 0, entsprechend keiner Porosität, bis
4, entsprechend der höchsten Porosität, entsprachen, verglichen.
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Die Auswertungen erfolgten durch eine einzige Bedienungsperson. Es
zeigt sich, daß die geringste Porosität erhalten wurde, wenn die Auftreffgeschwindigkeiten
etwa 18 m/sec (60 Fuß/sec) betrugen, daß sich jedoch befriedigende Werte allgemein
bei Auftreffgeschwindigkeitsbereichen zwischen etwa 6 und 31 m/sec (zwischen 20
und 100 Fuß/sec) ergaben.
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Beispiel 2 - Eisenphosphat Die hergestellte Eisenphosphatlösung hatte
die folgende Zusammensetzung und Eigenschaften: Phosphorsäureradikal' 19,4 g/l Eisenradikal
2,9 g/l Säuregrad (tzxirkung) 30 Freier Säuregehalt 3*bis 5 Arbeitstemperatur 75°C
(höhere Temperaturen bis zu 99 C ergeben eine schnellere Aufbaurate)
Fig.
4 zeigt den Einfluß der mittleren Auftreffgeschwindigkeit auf das Beschichtungsgewicht,
welches sich bei einer blanken, gezogenen Platte ergab. Es zeigt sich, daß es zur
Erzielung befriedigender Beschichtungsgewichte innerhalb der Untersuchszeit erforderlich
ist, daß die mittlere Auftreffgeschwindigkeit zwischen 6 und 31 m/sec (20 und 100
FuR/sec) liegt, wobei optimale Resultate erhalten werden, wenn die Auftreffgeschwindigkeit
zwischen etwa 12 und 31 m/sec (40 und 100 FuR/sec) liegt. Jede Steigerung der Auftreffgeschwindigkeit
über etwa 31 m/sec (100 Fuß/sec) reduziert das Beschichtungsgewicht, da die abrasiven
Partikel dann mehr Phosphatbeschichtung abtragen, als durch die Phosphatlösung gebildet
werden kann.
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Beispiel 3 - Manganphosphat Die verwendete Lösung, die hergestellt
wurde, enthielt Manganphosphat und wies folgende Zusammensetzungen und Eigenschaften
auf: Phosphorsäureradikal 25,9 g/l Mangan 5,2 g/l Eisen II 2,3 g/l Nitritradikal
9,4 g/l SäureangriffSert 20 Freier Säuregehalt 3,3 bis 3,6 Arbeitstemperatur 950G
In Fig. 5 ist der Einfluß der mittleren Strahlgeschwindigkeit auf das Beschichtungsgewicht
im Falle einer blanken, gezogenen Platte gezeigt. Es ergibt sich, daß
z.ur
Erzielung guter Beschichtungsgewichte innerhalb der Untersuchszeit die mittlere
Auftreffgeschwindigkeit zwischen etwa 6 und 31 m/sec (20 und 100 Fu߻sec) liegen
muß, wobei der Optimalbereich zwischen etwa 12 und 31 m/sec (40 und 100 Fuß/sec)
liegt. Jede Steigerung der Geschwindigkeit über etwa 31 m/sec (100 FuL/sec) reduziert
das Beschichtungsgewicht, da die abrasiven Partikel dann mehr Beschichtung abtragen,
als durch die Lösung gebildet wird.
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Beispiel 4 - Bleiphosphat Die hergestellte Bleiphosphatlösung wies
die folgende Spezifikation auf; Säureangriff (freier Säuregehalt) 30 bis 40 Bleigehalt
8 bis 10 Arbeitstemperatur. 30°C Fig. 6 zeigt den Einfluß der mittleren Auftreffgeschwindigkeit
auf das Beschichtungsgewicht im Falle einer blanken, gezogenen Platte. Es ergibt
sich, daß zur Erzieling befriedigender Beschichtungsgewichte innerhalb der Untersuchungszeit
die mittlere Auftreffgeschwindigkeit zwischen etwa 6 und 31 m/sec (20 und 100 Buß/sec)
liegen mußte, wobei der Optimalbereich zwischen etwa 12 und 31 m/sec (40 und 100
Fuß/sec) liegt. Jede Steigerung der Geschwindigkeit über 31 m/sec (100 Fuß/sec)
reduziert das Beschichtungsgewicht, da die abrasiven Partikel dann mehr Beschichtung
abtragen, als durch die Lösung gebildet wird.
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Als Anwendungsbeispiel derartigerjPhosphatierungslösungen lassen sich
die Vorbereitung von Netallbarren für Kaltstrangpreßverfahren im Falle von Zink,
die Vorbereitung vonMetallflächen zum Lackieren im Falle von Eisen und Blei, die
Oberflächenbehandlung von Zahnrädern, Dornen und anderer beweglicher Teile mit Gleitflächen
zur Erzeugung eines Gleitfilms auf den Oberflächen sowohl bei Mangan als auch bei
Blei und schließlich die Herstellung einer korrosionsbeständigen Schicht auf Metalloberflächen
im Falle von Blei nennen.
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Die Untersuchung der Phosphatlösungen umfaßt auch die Untersuchung
des Gesamt-Säuregehaltes (Angriffswert) und/oder des freien Säuregehaltes jeder
Lösung. Im Falle von Manganphosphat wurde auch der Eisen-II-Wert ermittelt. Bei
den Untersuchungen wurden Standard-Titrierverfahren mit verschiedenen Indikatoren
und Reagenzien, je nach den betreffenden Lösungen, verwendet.
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Der Säurewert (Angriffswert) ist nur im Falle von Eisen, Mangan und
Zink zu ermitteln. Bei einem speziellen Beispiel, betreffend eine Zinkphosphatlösung,
wurden 10 ml Lösung gegen N/1 0-Natriumhydroxydlösung titriert, wobei etwa fünf
Tropfen Phenolphthalein als Indikator verwendet wurden. Ein Farbumschlag von farblos
zu rosa zeigt dabei den Endpunkt der Titration an. Eine Arbeitslösung, die beispielsweise
70 ml N/10-Natriumhydroxyd zur Erreichung des Endwertes erfordert, ist als Diter-70-Lösung
bekannt.
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Der freie Säuregehalt muß nur bei Mangan und Blei bestimmt werden.
Im Falle einer Manganphosphatlösung werden
10 m1 Lösung zu 10 ml
destillierten Wassers hinzugegeben und gegen N/5-Natriumhydroxyd mit etwa fünf Tropfen
Bromphenolblau als Indikator titriert. Eine Farbänderung von gelb zu blaugrün bestimmt
den Endpunkt. Der in ml ausgedrückte Betrag an N/5-Natriumhydroxyd, der zur Erreichung
des Endpunktes erforderlich ist, ist der freie Säuregrad.
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Im Falle einer Bleiphosphatlösung wurden 2 ml Probe gegen N/10-Natriumhydroxyd
titriert, wobei drei bis vier Tropfen eines modifizierten Methylorange-Indikators
verwendet worden. Eine Farbänderung von rosa zu grün bestimmt den Endpunkt. Die
Anzahl der ml, multipliziert mit 5, an N/10-Natriumhydroxyd, welche erforderlich
sind, um den Endpunkt zu erreichen, ist gleich dem freien Säureniveau.
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Um den Eisen-II-Gehalt der Manganphosphatlösung zu ermitteln, wurden
10 ml Probeflüssigkeit mit 10 bis 20 Tropfen einer Phosphor/Schwefelsäurelösung
gegen N/10-Caliumpermanganat titriert. Ein Farbumschlag von farblos zu rosa, der
für etwa 30 Sekunden bleibt, bestimmt den Endpunkt der Titration Der Prozentsatz
von Eisen II ist gleich der Anzahl von ml an tT/10-Galiumpermanganat, welche erforderlich
sind, um den Endpunkt zu erreichen, geteilt durch 18.
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Fig. 7 zeigt bei einer Vergrößerung 7on 550 die kristalline Struktur
einer Phosphatbeschichtung, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
ist. Fig. 8 zeigt, im selben Maßstab, die kristalline Struktur einer mittels eines
herkömmlichen Phosphatierungsverfahrens,
bei dem dieselbe Behandlungsflüssigkeit
Verwendung fand, hergestellten Beschichtung. Ein Vergleich der-photografischer Abbildungen
zeigt, daß die erfindungsgemäß hergestellte Beschichtung kleinere Kristalle und
ein feinere kristalline Struktur aufweist als die nach den herkömmlichen Verfahren
hergestellte Beschichtung.