EP0261704B1 - Verfahren zum Erzeugen von Phosphatüberzügen auf Metalloberflächen - Google Patents
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- C23C22/77—Controlling or regulating of the coating process
Definitions
- the invention relates to a method for producing phosphate coatings on surfaces which are formed from aluminum or its alloys and at least one of the materials steel or galvanized steel, in spraying or spray-dipping by means of phosphating solutions containing zinc, phosphate, fluoride ions and accelerators, and its use as Preparation of the surfaces for electrocoating.
- a normal zinc process is known from FR-A-2159181, in which metal surfaces from the group aluminum, iron, steel and zinc are brought into contact with phosphating solutions which contain zinc, phosphate, nitrate, nitrite and fluoride ions in such solutions
- Quantities and ratios include that the free acid is 0.2 to 5 points and the total acid is at least 4 points.
- the weight ratio of metal to phosphate should be set to at least 1: 1.
- the preferred concentrations are between 0.7 and 6 g / l for zinc, between 1.0 and 20 g / l for phosphate and between 1.5 and 10 g / l for nitrate.
- the object of the invention is to provide a method for producing phosphate coatings on surfaces which are formed from aluminum or its alloys and at least one of the materials steel or galvanized steel, which does not have the aforementioned disadvantages, in particular leads to uniform phosphate coatings and without effort is feasible with regard to the solution components and the procedure.
- the partial surface consisting of aluminum materials to be treated by the method according to the invention comprises the pure metal and its alloys. Pure aluminum, AIMg and AIMgSi kneading materials may be mentioned as examples. A detailed description of the aluminum materials can be found e.g. in the aluminum paperback, 14th edition, aluminum publishing house, Düsseldorf, 1983.
- the other partial area consists of steel and / or galvanized steel.
- steel is understood to mean low-alloy steel, as it is e.g. in the form of sheets for body construction.
- galvanized steel includes e.g. Galvanized and hot-dip galvanized and refers to zinc and zinc alloys, e.g. ZnNi, ZnFe, ZnAI.
- the method according to the invention is used in spraying and splash immersion.
- the spraying time must be at least as long as is necessary for an at least largely closed phosphate layer formation on the aluminum. This usually takes at least 60 seconds.
- the required fluoride concentration corresponds approximately to the proportion of dissociated fluoride (F-) present in the phosphating solution.
- F (el) value 80 to 220 mg / 1 at the usual bath pH values of the low-zinc phosphating baths, about 0.4 to 0.9 g / l NH 4 HF 2 or equivalent amounts of other simple must -Fluoride containing salts are added.
- the bath is preferably supplemented by adding enough simple fluoride-containing salt to the bath until the desired measured value of F (el) is reached. At least part of the fluoride is added as single fluoride.
- the phosphating solutions can also contain complex fluoride, e.g. of boron or silicon, contained in the amounts customary in phosphating technology. Any fluoride released by dissociation, which is also detected by the fluoride-sensitive electrode and is therefore contained in the setpoint to be set.
- complex fluoride e.g. of boron or silicon
- the low value in the brackets applies to low concentrations of P z 0 5 , the higher value for higher concentrations in the phosphating solution.
- the correction element K takes into account the influence of the measured fluoride activity (F (el)) on the optimal free acid content.
- F (el) is used in the dimension (mg / l).
- F (el) is used in the dimension (mg / l).
- 10 ml bath sample are diluted with approx. 100 ml deionized water and titrated with 0.1 N NaOH against the change from dimethyl yellow to a weak yellow color, which corresponds to a pH value of 4.25.
- FS is equal in number to the ml of sodium hydroxide solution used.
- the substances generally used in phosphating technology can be used as accelerators. It is particularly advantageous to bring the surface into contact with an aqueous phosphating solution, the accelerator being chlorate, bromate, nitrate, nitrite, peroxide and / or organic nitro compounds.
- the accelerator being chlorate, bromate, nitrate, nitrite, peroxide and / or organic nitro compounds.
- a particularly suitable organic nitro compound is meta-nitrobenzosulfonate. They are dosed in the usual quantities.
- the phosphating bath temperature is usually chosen between 40 and 60 ° C and the spraying time between 1 and 3 minutes.
- the phosphate layers produced by the process according to the invention have a weight per unit area of approximately 1 to 5 g / m 2 and can be used well in all areas in which phosphate coatings are used.
- a particularly advantageous application is the preparation of the metal surfaces for painting.
- the method can be used with particular advantage as preparation for the electrocoating process.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Phosphatüberzugen auf Oberflächen, die aus Aluminium oder dessen Legierungen sowie mindestens einem der Werkstoffe Stahl oder verzinktem Stahl gebildet werden, im Spritzen oder Spritztauchen mittels Zink-, Phosphat-, Fluoridionen und Beschleuniger enthaltenden Phosphatierungslösungen sowie dessen Anwendung als Vorbereitung der Oberflächen für die Elektrotauchlackierung.
- Est ist bekannt, die Spritzphosphatierung von Metalloberflächen, die aus Aluminium und dessen Legierungen sowie Stahl und/oder verzinktem Stahl gebildet sind, Fluorid enthaltende Zinkphosphatlösungen einzusetzen. Diese Arbeitweise hat sich bei den sogenannten Normalzink-Verfahren mit Zinkgehalten in der Phosphatierungslösung von z.B. 2 bis 6 g/I gut bewährt.
- Aus der FR-A-2159181 ist ein Normalzink-Verfahren bekannt, bei dem man Metalloberflächen aus der Gruppe Aluminium, Eisen, Stahl und Zink mit Phosphatierungslösungen in Kontakt bringt, die Zink-, Phosphat-, Nitrat-, Nitrit- und Fluoridionen in solchen Mengen und Verhältnissen enthalten, daß die freie Säure 0,2 bis 5 Punkte und die Gesamtsäure mindestens 4 Punkte betragen. Das Gewichtsverhältnis von Metall zu Phosphat soll dabei wenigstens auf 1:1 eingestellt sein. Die bevorzugten Konzentrationen liegen liegen für Zink zwischen 0,7 und 6 g/I, für Phosphat zwischen 1,0 und 20 g/I und für Nitrat zwischen 1,5 und 10 g/i.
- Eine Übertragung dieser Arbeitsweise auf die sogenannte Niedrigzink-Phosphatierung im Spritzen, bei der mit Zinkhalten in der Phosphatierungslösung von unter 1 g/I gearbeitet wird, bereitete erhebliche Schwierigkeiten. Die Gleichmäßigkeit und Deckungsgrad der Phosphatschichten auf dem Aluminium unterliegen erheblichen Schwankungen, so daß eine befriedigende Anwendung dieser Arbeitweise in der Praxis nicht möglich ist.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Phosphatüberzügen auf Oberflächen, die aus Aluminium oder dessen Legierungen sowie mindestens einem der Werkstoffe Stahl oder verzinktem Stahl gebildet werden, bereitzustellen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, insbesondere zu gleichmäßigen Phosphatüberzügen führt und ohne Aufwand hinsichtlich der Lösungsbestandteile und der Verfahrensführung durchführbar ist.
- Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß man die Oberflächen mit einer wäßrigen Phosphatierungslösung in Berührung bringt, die
- 0,4 bis 0,8 g/I Zn
- 10 bis 20 g/1 P205
- mindestens eine Beschleuniger sowie
- 80 bis 220 mg/I Fluorid ("F(el)", bestimmt durch eine in die Badlösung eingetauchte fluoridintensive Elektrode)
enthält und in der der Gehalt an Freier Säure (FS) auf einen Wert entsprechend - Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnde, aus Aluminium-Werkstoffen bestehende Teilfläche umfaßt das reine Metall und dessen Legierungen. Als Beispiele seien Reinaluminium-, AIMg und AIMgSi-Knetwerkstoffe genannt. Eine ausführliche Darstellung der Aluminiumwerkstoffe findet sich z.B. im Aluminium-Taschenbuch, 14. Auflage, Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 1983.
- Die weitere Teilfläche besteht aus Stahl und/oder verzinktem Stahl. Unter dem Begriff Stahl wird unbis niedriglegierter Stahl verstanden, wie er z.B. in Form von Blechen für den Karosseriebau Verwendung findet. Der Begriff verzinkter Stahl umfaßt z.B. Verzinkungen auf elektrolytischem und auf dem Schmelztauch-Wege und bezieht sich auf Zink und Zinklegierungen, z.B. ZnNi, ZnFe, ZnAI.
- Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Spritzen und Spritztauchen. Bei der letztgenannten Variante muß die Spritzzeit mindestens so lange sein, wie zu einer mindestens weitgehend geschlossenen Phosphatschichtausbildung auf dem Aluminium erforderlich ist. Überlicherweise sind hierfür mindestens 60 sec notwendig.
- Die zu behandelnden Metalloberflächen müssen frei sein von störenden Belägen aus Ölen, Schmierstoffen, Oxiden und dergleichen, die eine einwandfreie Schichtbildung beeinträchtigen können. Hierzu werden die Oberflächen in geeigneter Weise gereinigt. Zur Unterstützung der Phosphatschichtbildung wird die Oberfläche vorzugsweise vor der Erzeugung des Phosphatüberzuges mit einem an sich bekannten Aktivierungsmittel, z.B. einer titanphosphathaltigen wäßrigen Suspension, aktiviert. Das Aktivierungsittel kann im Reinigerbad oder als getrennte Verfahrensstufe zum Einsatz kommen.
- Die Einhaltung der Konzentrationen an Zink und P205 ist ausschlaggebend für die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Phosphatüberzügen. Bei Unterschreitung der Konzentrationen werden die Schichten ungleichmäßig. Insbesondere nimmt ihre Eignung als Vorbereitung für die Lackierung ab. Bei Überschreitung der Grenzwerte vermindert sich ebenfalls die Qualität in Verbindung mit einer Lackierung, während der visuelle Eindruck weiterhin gut bleibt.
- Die geforderte und mit der fluoridsensitiven Elektrode erfaßte Konzentration an Fluorid entspricht etwa dem in der Phosphatierungslösung vorliegenden Anteil an dissoziiertem Fluorid (F-). Um einen F(el)-Wert von 80 bis 220 mg/1 bei den üblichen Bad-pH-Werten der Niedrigzink-Phosphatierbäder einzustellen, müssen etwa 0,4 bis 0,9 g/I NH4HF2 oder äquivalente Mengen anderer Einfach-Fluorid enthaltender Salze zugegeben werden. Die Badergänzung erfolgt vorzugsweise so, daß man dem Bad so viel Einfach-Fluorid enthaltendes Salz zusetzt, bis der gewünschte Meßwert von F(el) erreicht ist. Mindestens ein Teil des Fluorides wird als Einfach-Fluorid zugesetzt.
- Zusätzlich zum Einfach-Fluorid können die Phosphatierungslösungen auch komplexes Fluorid, z.B. von Bor oder Silizium, in den in der Phosphatiertechnik üblichen Mengen enthalten. Durch Dissoziation gegebenenfalls freigesetztes Fluorid worin von der fluoridsensitiven Elektrode ebenfalls erfaßt und ist mithin im einzustellenden Sollwert enthalten.
- Die Grenzen für den mit der fluoridsensitiven Elektrode erfaßten Fluoridgehalt sind von wesentlicher Bedeutung. Wenn die Grenze für F(el) von 80 mg/I unterschritten wird, reicht der Beizangriff der Phosphatierungslösung nicht aus, um gleichmäßig deckende Phosphatschichten zu erzeugen. Bei Überschreitung der Obergrenze von F(el) = 220 mg/I wird eine ordnungsgemäße Phosphatschichtausbildung durch den parallel ablaufenden zu hohen Beizangriff gestört.
- Die richtige Einstellung der Freien Säure (FS) in der Phosphatierungslösung ist von wesentlicher Bedeutung fü die Art der Ausbildung des Phosphatüberzuges. Grundsätzlich ist zu sagen, daß in den im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommenden Phosphatierungslösung die Freie Säure deutlich höher liegt als in den korrespondierenden fluoridfreien Phosphatierungslösung. Versucht man, nach Zugabe von Fluorid, den gewohnten Wert für die Freie Säure vor der Zugabe aufrechtzuerhalten, so findet eine schnelle Abnahme der Zinkkonzentration statt und die Qualität der erzeugten Schichten verschlechtert sich.
- In der Beziehung für den einzustellenden FS-Wert gilt der niedrige Wert in der Klammer für niedrige Konzentrationen an Pz05, der höhere Wert für höhere Konzentrationen in der Phosphatierungslösung. Das Korrekturglied K berücksichtigt den Einfluß der gemessenen Fluoridaktivität (F(el)) auf den optimalen Gehalt an Freier Säure.
- Bei der Ermittlung des Korrekturgliedes Wird F(el) in der Dimension (mg/l) eingesetzt. Zur Bestimmumg der Freien Säure (FS) werden 10 ml Badprobe mit ca. 100 ml vollentsalztem Wasser verdünnt und mit 0,1 n NaOH gegen den Umschlag von Dimethylgelb auf schwache Gelbfärbung, die etwa einem pH-Wert von 4,25 entspricht, titriert. FS ist zahlengleich den verbrauchten ml an Natronlauge.
- Besonders günstige Ergebnisse hinsichtlich der Qualität des erzeugten Phosphatüberzuges werden erhalten, wenn entsprechend eine bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Metalloberfläche mit einer Phosphatierungslösung in Berührung gebracht wird, in der die Freie Säure (FS) auf einen Wert entsprechend
- Als Beschleuniger können die in der Phosphatierungstechnik generell üblichen Substanzen verwendet werden. Von besonderem Vorteil ist es, die Oberfläche mit einer wäßrigen Phosphatierungslösung in Berührung zu bringen, die als Beschleuniger Chlorat, Bromat, Nitrat, Nitrit, Peroxid und/oder organische Nitroverbindungen. Eine besonderes geeignete organische Nitroverbindung ist meta-Nitrobenzosulfonat. Ihre Dosierung erfolgt in den üblichen Mengen.
- Eine weitere zweckmäßige Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, die Phosphatüberzüge zu erzeugen, indem man die Oberflächen mit einer wäßrigen Phosphatierungslösung in Berührung bringt, die zusätzlich ein oder mehrere Kationen aus der Gruppe Ni, Mn, Mg, Ca aufweisen. Die Phosphatierungslösungen sollten die vorgenannten Kationen in Mengen von 0,1 bis 1,5 g/I enthalten. Diese Kationen werden zum Teil mit in die Phosphatschicht eingebaut und können unter speziellen Bedingungen zu einer Verbesserung der Schichtqualität führen.
- Die Phosphatierungslösungen können noch weitere, in der Phosphatiertechnik bekannte Zusätze zur Modifizierung der Verfahrensweise und der Schichteigenschaften enthalten. Als Beispiele seien genannt: Tenside, Polyhydroxycarbonsäuren, Polyphosphate, Ammonium-, Alkali-, Kupfer-, Kobaltionen und indifferente Anionen, wie Chlorid und Sulfat.
- Die Phosphatierbadtemperatur wird üblicherweise zwischen 40 und 60°C und die Spritzzeit zwischen 1 und 3 min gewählt.
- Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Phosphatschichten besitzen ein Flächengewicht von etwa 1 bis 5 g/m2 und sind auf allen Gebieten, auf denen Phosphatüberzüge eingesetzt werden, gut einsetzbar. Ein besonders vorteilhafter Anwendungsfall liegt in der Vorbereitung der Metalloberflächen für die Lackierung. Als Vorbereitung für die Elektrotauchlackierung ist das Verfahren mit besonderem Vorteil anwendbar.
- Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher und beispielsweise erläutert:
- Vier Serien von Verbundblechen mit Oberflächen aus AIMg3 und Stahl, AIMg3 und verzinktem Stahl, AIMgO, 4Sil, 2 und Stahl sowie AIMgO, 4Sii!, 2 und verzinktem Stahl wurden mit einem aktivierenden mildalkalischen Reiniger 2 min bei 50°C spritzentfettet, anschließend mit Wasser gespült und danach 2 min mit folgenden Phosphatierungslösungen im Spritzen phosphatiert:
- Nach der Phosphatierung wurde mit Wasser gespült, mit Cr(VI)-haltigem Passivierungsmittel nachgespült, mit vollentsalztem Wasser abgebraust und getrocknet.
- Auf allen vier Blechserien wurden mit sämtlichen Phosphatiervarianten A, B und C gleichmäßig deckende Phosphatischichten erzeugt, die sich gut für eine anschließende Elektrotauchlackierung eigneten.
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