EP0717787A1

EP0717787A1 - Nickelfreies phosphatierverfahren

Info

Publication number: EP0717787A1
Application number: EP94925483A
Authority: EP
Inventors: Wolf-Achim Roland; Karl-Heinz Gottwald; Karl Dieter Brands; Jan-Willem Brouwer; Bernd Mayer
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1994-08-29
Publication date: 1996-06-26
Anticipated expiration: 2014-08-29
Also published as: CN1129961A; ES2111949T3; CZ286514B6; CN1041001C; CA2171180A1; BR9407485A; US5792283A; AU7537394A; KR100327287B1; AU678284B2; KR960705076A; JP3348856B2; EP0717787B1; DE59405046D1; ATE162233T1; WO1995007370A1; CZ67396A3; JPH09502224A

Description

"Nickelfreies Phosphatierverfahren"

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Phosphatierung von MetallOberflächen mit wäßrigen, sauren Phosphatierlösungen, die Zink-, Mangan- und Phospha¬ tionen sowie Hydroxyla in in freier oder gebundener Form und/oder m-Nitro- benzolsulfonsäure oder deren wasserlösliche Salze enthalten, sowie deren Anwendung als Vorbehandlung der Metalloberflächen für eine anschließende Lackierung, insbesondere eine Elektrotauchlackierung. Das Verfahren ist anwendbar zur Behandlung von Oberflächen aus Stahl, verzinktem oder legie- rungsverzinktem Stahl, Aluminium, aluminiertem oder legierungsaluminiertem Stahl, insbesondere zur Behandlung von ein- oder beidseitig verzinktem, vorzugsweise elektrolytisch verzinktem Stahl.

Die Phosphatierung von Metallen verfolgt das Ziel, auf der MetallOberflä¬ che festverwachsene Metallphosphatschichten zu erzeugen, die für sich be¬ reits die Korrosionsbeständigkeit verbessern und in Verbindung mit Lacken und anderen organischen Beschichtungen zu einer wesentlichen Erhöhung der Lackhaftung und der Resistenz gegen Unterwanderung bei Korrosionsbeanspru¬ chung beitragen. Solche Phosphatierverfahren sind seit langem bekannt. Für die Vorbehandlung vor der Lackierung eignen sich insbesondere die Nie- drig-Zink-Phosphatierverfahren, bei denen die Phosphatierlösungen ver¬ gleichsweise geringe Gehalte an Zinkionen von z. B. 0,5 bis 2 g/1 aufwei¬ sen. Ein wesentlicher Parameter in diesen Niedrig-Zink-Phosphatierbädern ist das Gewichtsverhältnis Phosphationen zu Zinkionen, das üblicherweise im Bereich > 8 liegt und Werte bis zu 30 annehmen kann.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Mitverwendung anderer mehrwertiger Ka¬ tionen in den Zink-Phosphatierbädern Phosphatschichten mit deutlich ver¬ besserten Korrosionsschutz- und Lackhaftungseigenschaften ausgebildet wer- den können. Beispielsweise finden Niedrig-Zink-Verfahren mit Zusatz von z. B. 0,5 bis 1,5 g/1 Manganionen und z. B. 0,3 bis 2,0 g/1 Nickelionen als sogenannte Trikation-Verfahren zur Vorbereitung von MetallOberflächen für die Lackierung, beispielsweise für die kathodische Elektrotauchlackierung von Autokarosserien, weite Anwendung.

Der hohe Gehalt an Nickelionen in den Phosphatierlösungen der Trikation- Verfahren und von Nickel und Nickelverbindungen in den gebildeten Phos¬ phatschichten bringt jedoch insofern Nachteile, als Nickel und Nickelver¬ bindungen aus der Sicht des Umweltschutzes und der Arbeitsplatzhygiene als kritisch eingestuft werden. In letzter Zeit werden daher zunehmend Nie- drig-Zink-Phosphatierverfahren beschrieben, die ohne eine Mitverwendung von Nickel zu qualitativ ähnlich hochwertigen Phosphatschichten wie die nickelhaltigen Verfahren führen. Auch gegen die Beschleuniger Nitrit und Nitrat werden wegen möglicher Bildung Nitroser Gase zunehmend Bedenken ge¬ äußert. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Phosphatierung von ver¬ zinktem Stahl mit nickelfreien Phosphatierbädern zu unzureichendem Korro¬ sionsschutz und unzureichender Lackhaftung führt, wenn die Phosphatierbä¬ der größere Mengen (> 0,5 g/1) Nitrat enthalten.

Beispielsweise beschreibt die DE-A-3920296 ein Phosphatierverfahren, das auf Nickel verzichtet und neben Zink und Manganionen Magnesiumionen ver¬ wendet. Die hier beschriebenen Phosphatierbäder enthalten außer 0,2 bis 10 g/1 Nitrationen weitere als Beschleuniger wirkende Oxidationsmittel, aus¬ gewählt aus Nitrit, Chlorat oder einem organischen Oxidationsmittel.

EP-A-60 716 offenbart Niedrig-Zink-Phosphatierbäder, die als essentielle Kationen Zink und Mangan enthalten und die als fakultativen Bestandteil Nickel beinhalten können. Der notwendige Beschleuniger wird vorzugsweise ausgewählt aus Nitrit, -Nitrobenzolsulfonat oder Wasserstoffperoxid. In einem abhängigen Patentanspruch wird die Verwendung von 1 bis 10 g/1 Ni¬ trat angegeben; alle Erfindungsbeispiele enthalten 4 g/1 Nitrat.

Auch in der EP-A-228 151 werden Phosphatierbäder beschrieben, die als es¬ sentielle Kationen Zink und Mangan enthalten. Der Phosphatierbeschleuniger wird ausgewählt aus Nitrit, Nitrat, Wasserstoffperoxid, m-Nitrobenzolsul- fonat, m-Nitrobenzoat oder p-Nitrophenol. In abhängigen Ansprüchen wird der Nitratgehalt auf 5 bis etwa 15 g/1 sowie ein fakultativer Nickelgehalt zwischen 0,4 und 4 g/1 spezifiziert. Die Ausführungsbeispiele hierzu ent¬ halten alle sowohl Nickel als auch Nitrat. Das Schwergewicht dieser Anmel¬ dung liegt darauf, daß chloratfreie Phosphatierverfahren zur Verfügung ge¬ stellt werden. Ähnliches lehrt die EP-A-544650.

Nitratfrei arbeitet das in WO 86/04931 offengelegte Phosphatierverfahren. Hier beruht das Beschleunigersystem auf einer Kombination von 0,5 - 1 g/1 Bromat und 0,2 - 0,5 g/1 m-Nitrobenzolsulfonat. Als essentielles mehrwer¬ tiges Kation wird lediglich Zink, als weitere fakultative Kationen Nickel, Mangan oder Kobalt angegeben. Vorzugsweise enthalten die Phosphatierlösun¬ gen neben Zink mindestens 2 dieser fakultativen Metalle. EP-A-36689 lehrt die Verwendung von vorzugsweise 0,03 - 0,2 Gew.-% Nitrobenzolsulfonat in Kombination mit vorzugsweise 0,1 - 0,5 Gew.-% Chlorat in Phosphatierbä- dern, deren Mangangehalt 5-33 Gew.-% des Zinkgehalts beträgt.

W090/12901 offenbart ein chlorat- und nitritfreies Verfahren zur Herstel¬ lung von nickel- und manganhaltigen Zinkphosphatschichten auf Stahl, Zink und/oder deren Legierungen durch Spritzen, Spritztauchen und/oder Tauchen mit einer wäßrigen Lösung enthaltend 0,3 bis 1,5 g/1 Zink(II), 0,01 bis 2,0 g/1 Mangan(II), 0,01 bis 0,8 g/1 Eisen (II), 0,3 bis 2,0 g/1 Nickel(II), 10,0 bis 20,0 g/1 Phosphat-Ionen, 2,0 bis 10,0 g/1 Nitrat-Ionen und

0,1 bis 2,0 g/1 eines organischen Oxidationsmittels (beispielsweise m-Nitrobenzolsulfonat), wobei die wäßrige Lösung einen Gehalt an freier Säure von 0,5 bis 1,8 Punkten und einen Gesamtsäuregehalt von 15 bis 35 Punkten aufweist und Na⁺ in der zur Einstellung der freien Säure notwendigen Menge vorhan¬ den ist.

DE-A-40 13 483 macht Phosphatierverfahren bekannt, mit denen ähnlich gute Korrosionsschutzeigenschaften wie mit den Trikation-Verfahren erzielt wer- den können. Diese Verfahren verzichten auf Nickel und verwenden statt des¬ sen Kupfer in niedrigen Konzentrationen, 0,001 bis 0,03 g/1. Zur Oxidation des bei der Beizreaktion von StahlOberflächen gebildeten zweiwertigen Ei¬ sens in die dreiwertige Stufe dienen Sauerstoff und/oder andere gleichwir¬ kende Oxidationsmittel. Als solche werden Nitrit, Chlorat, Bro at, Peroxi- Verbindungen sowie organische Nftroverbindungen, wie Nitrobenzolsulfonat, angegeben. Die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 42 10513.7 modifiziert diesen Prozeß dadurch, daß als modifizierendes Agens für die Morphologie der gebildeten Phosphatkristalle Hydroxylamin, dessen Salze oder Komplexe in einer Menge von 0,5 bis 5 g/1 Hydroxylamin zugegeben wer¬ den.

Die Verwendung von Hydroxylamin und/oder seinen Verbindungen zum Beein¬ flussen der Form der Phosphatkristalle ist aus einer Reihe von Offenle- gungsschriften bekannt. Die EP-A-315 059 gibt als besonderen Effekt der Verwendung von Hydroxylamin in Phosphatierbädern die Tatsache an, daß auf Stahl auch dann noch die Phosphatkristalle in einer erwünschten säulen- oder knollenartigen Form entstehen, wenn die Zinkkonzentration im Phos- phatierbad den für Niedrig-Zink-Verfahren üblichen Bereich übersteigt. Hierdurch wird es möglich, die Phosphatierbäder mit Zinkkonzentrationen bis zu 2 g/1 und mit Gewichtsverhältnissen Phosphat zu Zink bis hinab zu 3,7 zu betreiben. Über vorteilhafte Kationenkombinationen dieser Phospha¬ tierbäder werden keine näheren Aussagen gemacht, in den Patentbeispielen wird jedoch in allen Fällen Nickel eingesetzt. Ebenfalls werden in den Patentbeispielen Nitrate und Salpetersäure verwendet, auch wenn in der Beschreibung von der Anwesenheit von Nitrat in größeren Mengen abgeraten wird.

EP-A-321 059 lehrt Zink-Phosphatierbäder, die neben 0,1 bis 2,0 g/1 Zink und einem Beschleuniger außerdem 0,01 bis 20 g/1 Wolfram in Form einer löslichen Wolframverbindung, vorzugsweise Alkalimetall- oder Ammoniumwol- framat oder -s licowolframat, Erdalkalimetallsilicowolframat oder Boro- oder Silicowolframsäure. Der Beschleuniger ist ausgewählt aus Nitrit, - Nitrobenzolsulfonat oder Wasserstoffperoxid. Als fakultative Bestandteile werden unter anderem Nickel in Mengen von 0,1 - 4 g/1 und Nitrat in Mengen von 0,1 - 15 g/1 angegeben. DE-C-27 39 006 beschreibt ein Phosphatierverfahren für Oberflächen aus Zink oder Zinklegierungen, das frei von Nitrat und Ammoniumionen ist. Ne¬ ben einem essentiellen Gehalt an Zink in Mengen zwischen 0,1 und 5 g/1 sind 1 bis 10 Gewichtsteile Nickel und/oder Kobalt pro Gewichtsteil Zink erforderlich. Als Beschleuniger wird Wasserstoffperoxid verwendet. Aus der Sicht der Arbeitsplatzhygiene und des Umweltschutzes stellt Kobalt keine Alternative zu Nickel dar.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Phosphatierbäder zur Verfügung zu stellen, die frei sind von dem aus Umwelt- und arbeitsplatzhygienischen Gründen bedenklichen Nickel oder dem ähnlich bedenklichen Kobalt, kein Nitrit enthalten und gleichzeitig einen stark verminderten Nitratgehalt aufweisen und vorzugsweise frei sind von Nitrat. Desweiteren sollen die Phosphatierbäder frei von Kupfer sein, dessen Dosierung im laut DE-A-40 13 483 wirksamen Konzentrationsbereich von 1 - 30 ppm problematisch ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Phosphatierung von Me¬ tallOberflächen mit wäßrigen, sauren Phosphatierlösungen, die Zink-, Man¬ gan- und Phosphationen und als Beschleuniger Hydroxylamin oder eine Hy- droxylaminverbindung und/oder m-Nitrobenzosulfonsäure oder deren wassser- lösliche Salze enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallober¬ flächen mit einer Phosphatierlösung in Berührung bringt, die frei von Nickel, Kobalt, Kupfer, Nitrit und Oxo-Anionen von Halogenen ist und die

0,3 bis 2 g/1 Zn(II)

0,3 bis 4 g/1 Mn(II)

5 bis 40 g/1 Phosphationen

0,1 bis 5 g/1 Hydroxylamin in freier oder gebundener Form und/oder 0,2 bis 2 g/1 -Nitrobenzolsulfonat

und höchstens 0,5 g/1 Nitrationen

enthält, wobei der Mn-Gehalt mindestens 50 % des Zn-Gehalts beträgt.

Daß die Phosphatierbäder frei von Nickel, Kupfer, Nitrit und Oxo-Anionen von Halogenen sein sollen, bedeutet dabei, daß diese Elemente bzw. Ionen den Phosphatierbädern nicht bewußt zugesetzt werden. Es ist jedoch in der Praxis nicht auszuschließen, daß solche Bestandteile über das zu behan¬ delnde Material, das Ansatzwasser oder die Umgebungsluft in Spuren in die Phosphatierbäder eingetragen werden. Insbesondere ist es nicht auszu¬ schließen, daß bei der Phosphatierung von mit Zink-Nickel-Legierungen be¬ schichtetem Stahl Nickelionen in die Phosphatierlösung eingetragen werden. Jedoch wird an die erfindungsgemäßen Phosphatierbäder die Erwartung ge¬ stellt, daß unter technischen Bedingungen die Nickelkonzentration in den Bädern unter 0,01 g/1, insbesondere unter 0,0001 g/1 liegt. Vorzugsweise wird den Bädern kein Nitrat zugesetzt. Es ist jedoch nicht auszuschließen, daß die Bäder den Nitratgehalt des lokal verfügbaren Trinkwassers (gemäß Trinkwasserverordnung in Deutschland maximal 50 mg/1) oder durch Ver¬ dunstung bedingte höhere Nitratgehalte aufweisen. Die erfindungsgemäßen Bäder sollen jedoch einen maximalen Nitratgehalt von 0,5 g/1 aufweisen und enthalten vorzugsweise weniger als 0,1 g/1 Nitrat.

Hydroxylamin kann als freie Base, als Hydroxylaminkomplex oder in Form von Hydroxylammoniumsalzen eingesetzt werden. Fügt man freies Hydroxylamin dem Phosphatierbad oder einem Phosphatierbad-Konzentrat zu, wird es aufgrund des sauren Charkters dieser Lösungen weitgehend als Hydroxylammonium-Ka- tion vorliegen. Bei einer Verwendung als Hydroxylammonium-Salz sind die Sulfate sowie die Phosphate besonders geeignet. Im Falle der Phosphate sind aufgrund der besseren Löslichkeit die sauren Salze bevorzugt. Hy¬ droxylamin oder seine Verbindungen werden dem Phosphatierbad in solchen Mengen zugesetzt, daß die rechnerische Konzentration des freien Hydroxyl- amins zwischen 0,1 und 5 g/1, insbesondere zwischen 0,4 und 2 g/1 liegt. Es hat sich als günstig erwiesen, die Hydroxylaminkonzentration so zu wäh¬ len, daß das Verhältnis der Summe der Konzentrationen von Zink und Mangan zur Konzentration des Hydroxyla ins, jeweils in g/1, 1,0 bis 6,0, vorzugs¬ weise 2,0 bis 4,0 beträgt.

Ähnlich wie in der EP-A-321 059 beschrieben bringt auch in den erfindungs¬ gemäßen, Hydroxylamin oder HydroxylaminVerbindungen enthaltenden Phospha- tierbädern die Gegenwart löslicher Verbindungen des sechswertigen Wolframs Vorteile hinsichtlich Korrosionswiderstand und Lackhaftung, obwohl bei den erfindungsgemäßen Phosphatierverfahren, im Gegensatz zur Lehre der EP-A-321 058, auf die Beschleuniger Nitrit oder Wasserstoffperoxid ver¬ zichtet werden kann. In den erfindungsgemäßen Phosphatierverfahren können Phosphatierlösungen Verwendung finden, die zusätzlich 20 bis 800 mg/1, vorzugsweise 50 bis 600 mg/1 Wolfram in Form wasserlöslicher Wolframate, Silicowolframate und/oder Borowolframate enthalten. Dabei können die genannten Anionen in Form ihrer Säuren und/ oder ihrer Ammonium-, Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallsalze eingesetzt werden.

m-Nitrobenzolsulfonat kann als freie Säure oder in Form wasserlöslicher Salze eingesetzt werden. Als "wasserlöslich" werden hierbei solche Salze bezeichnet, die sich in den Phosphatierbädern soweit auflösen, daß die erforderlichen Konzentrationen von 0,2 bis 2 g/1 m-Nitrobenzolsulfonat erreicht werden. Hierfür kommen besonders die Alkalimetallsalze, vorzugs¬ weise die Natriumsalze, in Betracht. Bevorzugterweise enthalten die Phos¬ phatierbäder 0,4 bis 1 g/1 m-Nitrobenzolsulfonat.

Ein Verhältnis von 1 : 10 bis 10 : 1 zwischen dem eher reduktiv wirkenden Hydroxylamin und dem eher oxidativ wirkenden m-Nitrobenzolsulfonat kann zu besonderen Vorteilen hinsichtlich Schichtausbildung führen, insbesondere hinsichtlich der Form der gebildeten Kristalle. Es ist jedoch auch möglich und zur vereinfachten Badsteuerung vorzuziehen, daß die Phosphatierbäder entweder Hydroxylamin oder m-Nitrobenzolsulfonsäure enthalten.

Bei Phosphatierbädern, die für unterschiedliche Substrate geeignet sein sollen, ist es üblich, freies und/oder komplexgebundenes Fluorid in Mengen bis zu 2,5 g/1 Gesa tfluorid, davon bis zu 800 mg/1 freies Fluorid zuzu¬ setzen. Die Anwesenheit solcher Fluoridmengen ist auch für die erfindungs¬ gemäßen Phosphatierbäder von Vorteil. Bei Abwesenheit von Fluorid soll der Aluminiumgehalt des Bades 3 mg/1 nicht überschreiten. Bei Gegenwart von Fluorid werden infolge der Komplexbildung höhere AI-Gehalte toleriert, sofern die Konzentration des nicht komplexierten AI 3 mg/1 nicht über¬ steigt.

Das Gewichtsverhältnis Phosphationen zu Zinkionen in den Phosphatierbädern kann in weiten Grenzen schwanken, sofern es im Bereich zwischen 3,7 und 30 liegt. Ein Gewichtsverhältnis zwischen 10 und 20 ist besonders bevorzugt. Als weitere Parameter zur Steuerung von Phosphatierbädern sind dem Fach¬ mann die Gehalte an freier Säure und an Gesamtsäure bekannt. Die in dieser Schrift verwendete Bestimmungsmethode dieser Parameter ist im Beispielteil angegeben. Werte der freien Säure zwischen 0,3 und 1,5 Punkten bei Teile- phosphatierung, bei Bandphosphatierung bis zu 2,5 Punkten und der Gesamt¬ säure zwischen etwa 15 und etwa 25 Punkten liegen im technisch üblichen Bereich und sind im Rahmen dieser Erfindung geeignet.

Der Mangangehalt des Phosphatierbades soll zwischen 0,3 und 4 g/1 liegen, da bei geringeren Mangangehalten der positive Einfluß auf das Korrosions¬ verhalten der Phosphatschichten nicht mehr gegeben ist und bei höheren Mangangehalten kein weiterer positiver Effekt eintritt. Gehalte zwischen 0,3 und 2 g/1 und insbesondere zwischen 0,5 und 1,5 g/1 sind bevorzugt. Den Zinkgehalt stellt man bei Phosphatierbäder, die als Beschleuniger nur Hydroxylamin enthalten, gemäß EP-A-315059 vorzugsweise auf Werte zwischen 0,45 und 1,1 g/1, bei Phosphatierbäder, die als Beschleuniger nur m-Nitro¬ benzolsulfonat enthalten, vorzugsweise auf Werte zwischen 0,6 und 1,4 g/1 ein. Infolge des Beizabtrages bei der Phosphatierung zinkhaltiger Oberflä¬ chen ist es jedoch möglich, daß der aktuelle Zinkgehalt des arbeitenden Bades auf bis zu 2 g/1 ansteigt. Dabei ist darauf zu achten, daß der Man¬ gangehalt mindestens 50 % des Zinkgehaltes beträgt, da anderenfalls unzu¬ reichende Korrosionsschutzeigenschaften resultieren. In welcher Form die Zink- und Manganionen in die Phosphatierbäder eingebracht werden, ist prinzipiell ohne Belang. Um den erfindungsgemäßen Bedingungen zu genügen, sind jedoch die Nitrite, Nitrate, sowie Salze mit Oxo-Anionen von Haloge¬ nen dieser Kationen nicht einsetzbar. Es bietet sich insbesondere an, als Zink- und/oder Manganquelle die Oxide und/ oder die Karbonate zu verwen¬ den. Außer den genannten zweiwertigen Kationen enthalten Phosphatierbäder üblicherweise Natrium-, Kalium- und/oder Ammoniumionen, die zum Einstellen der Parameter freie Säure und Gesamtsäure herangezogen werden. Ammoniumio¬ nen können auch durch Abbau des Hydroxylamins gebildet werden.

Bei der Anwendung des Phosphatierverfahrens auf Stahloberflächen geht Ei¬ sen in Form von Eisen(II)-Ionen in Lösung. Da die erfindungsgemäßen Phos¬ phatierbäder keine Substanzen enthalten, die gegenüber Eisen(II) stark oxidierend wirken, geht das zweiwertige Eisen vornehmlich in Folge von Luftoxidation in den dreiwertigen Zustand über, so daß es als Eisen(III)- Phosphat ausfallen kann. Daher können sich in den erfindungsgemäßen Phos¬ phatierbädern Eisen(II)-Gehalte aufbauen, die deutlich über den Gehalten liegen, die Oxidationsmittel-haltige Bäder enthalten. In diesem Sinne sind Eisen(II)-Konzentrationen bis zu 50 ppm normal, wobei kurzfristig im Pro¬ duktionsablauf auch Werte bis zu 500 ppm auftreten können. Für das erfin¬ dungsgemäße Phosphatierverfahren sind solche Eisen(II)-Konzentrationen nicht schädlich. Bei Ansatz in hartem Wasser können die Phosphatierbäder weiterhin die Härtebildner-Kationen Mg(II) und Ca(II) in einer Gesamtkon¬ zentration von bis zu 7 mπιol/1 enthalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zur Phosphatierung von Ober¬ flächen aus Stahl, verzinktem oder legierungsverzinktem Stahl, Aluminium, aluminiertem oder legierungsaluminiertem Stahl. Hydroxylaminhaltige Bäder sind insbesondere konzipiert zur Behandlung von ein- oder beidseitig ver¬ zinktem, vorzugsweise elektrolytisch verzinktem Stahl.

Die genannten Materialien können - wie es im Automobilbau zunehmend üb¬ lich wird - auch nebeneinander vorliegen. Das Verfahren ist für die An¬ wendung im Tauch-, Spritz- oder Spritz/Tauchverfahren geeignet. Es kann insbesondere im Automobilbau eingesetzt werden, wo Behandlungszeiten zwi¬ schen 1 und 8 Minuten üblich sind. Der Einsatz bei der Bandphosphatierung im Stahlwerk, wobei die Behandlungszeiten zwischen 5 und 12 Sekunden lie¬ gen, ist jedoch ebenfalls möglich. Wie bei anderen Phosphatierbädern des Standes der Technik ebenfalls üblich, liegen die geeigneten Badtemperatu¬ ren zwischen 30 und 70 °C, wobei der Temperaturbereich zwischen 40 und 60 °C bevorzugt wird.

Das erfindungsgemäße Phosphatierverfahren ist zur Erzeugung einer Gleit¬ schicht für Umformungen und insbesondere zur Behandlung der genannten Me¬ tallOberflächen vor einer Lackierung, beispielsweise vor einer kathodi- schen Elektrotauchlackierung gedacht, wie sie im Automobilbau üblich ist. Das Phosphatierverfahren ist als Teilschritt der technisch üblichen Vor¬ behandlungskette zu sehen. In dieser Kette sind der Phosphatierung übli¬ cherweise die Schritte Reinigen/Entfetten, Zwischenspülen und Aktivieren vorgeschaltet, wobei die Aktivierung üblicherweise mit Titanphosphat-hal¬ tigen Aktiviermitteln erfolgt. Der erfindungsgemäßen Phosphatierung kann, gegebenenfalls nach einer Zwischenspülung, eine passivierende Nachbehand¬ lung folgen. Für eine solche passivierende Nachbehandlung sind Chromsäu¬ re-haltige Behandlungsbäder weit verbreitet. Aus Gründen des Arbeits- und Umweltschutzes sowie aus Entsorgungsgründen besteht jedoch die Tendenz, diese chromhaltigen Passivierbäder durch chromfreie Behandlungsbäder zu ersetzen. Hierfür sind rein anorganische Badlösungen, insbesondere auf der Basis von Zirkonverbindungen, oder auch organisch-reaktive Badlösungen, beispielsweise auf Basis von Polyvinylphenolen, bekannt. Zwischen dieser Nachpassivierung und der sich üblicherweise anschließenden Elektrotauch¬ lackierung wird in der Regel eine Zwischenspülung mit vollentsalztem Was¬ ser durchgeführt.

Ausführunαsbeispiele 1 bis 7 - Verqleichsbeispiele 1 und 2

Die erfindungsgemäßen Phosphatierverfahren unter Verwendung von Hydroxyl- aminverbindungen sowie Vergleichsverfahren wurden an Stahlblechen (St 1405) und an beidseitig elektrolytisch verzinkten Stahlblechen (ZE), wie sie im Automobilbau Verwendung finden, überprüft. Dabei wurde folgender in der Karosseriefertigung gebräuchlicher Verfahrensgang (im Tauch- bzw. Spritzverfahren) ausgeführt:

1. Für Tauchverfahren: Reinigen mit einem alkalischen Reiniger (RidolineR C 1250 I, Henkel KGaA), Ansatz 2 % in Stadtwasser, 55 °C, 4 Minuten. Für Spritzverfahren: Reinigen mit einem alkalischen Reiniger (Ridoli- neR C1206, Henkel KGaA), Ansatz 0,5 % in Stadtwasser, 55 °C, 2 Minu¬ ten.

2. Spülen mit Stadtwasser im Spritzen oder Tauchen, Raumtemperatur, 1 Minute.

3. Aktivieren mit einem Titanphosphat-haltigen Aktiviermittel im Tauchen (Fixodine^R 9112, Henkel KGaA), Ansatz 0,3 % in vollentsalztem Wasser, Raumtemperatur, 1 Minute.

4. Phosphatieren mit Phosphatierbädern gemäß Tabelle 1. Außer den in Ta¬ belle 1 genannten Kationen enthielten die Phosphatierbäder lediglich Natriumionen zum Einstellen der freien Säure. Die Bäder enthielten kein Nitrit und keine Oxo-Anionen von Halogenen.

Unter der Punktzahl der freien Säure wird der Verbrauch in ml an 0,1-normaler Natronlauge verstanden, um 10 ml Badlösung bis zu einem pH-Wert von 3,6 zu titrieren. Analog gibt die Punktzahl der Gesamtsäu¬ re den Verbrauch in ml bis zu einem pH-Wert von 8,2 an.

5. Spülen mit Stadtwasser im Spritzen oder Tauchen, Raumtemperatur, 1 Minute.

6. Nachpassivieren mit einem chromathaltigen Nachpassiviermittel im Spritzen oder Tauchen (Deoxylyte^R 41, Henkel KGaA,) Ansatz 0,14 % in vollentsalztem Wasser, 40 °C, 1 Minute

7. Spülen mit vollentsalztem Wasser im Spritzen oder Tauchen.

8. Trockenblasen mit Preßluft

Die flächenbezogene Masse ("Schichtgewicht") wurde durch Ablösen in 5 %-iger Chromsäurelösung bestimmt gemäß DIN 50942, Tabelle 6. Korrosionprü¬ fungen erfolgten nach dem VDA-Wechselklimatest 621-415 mit KTL-Grundierung (KTL-hellgrau der Firma BASF, FT 85-7042); teilweise auch mit einem kom¬ pletten Lackaufbau (Decklack: alpinweiß, VW). Bewertet wurden nach jeweils 10 einwöchigen Prüfzyklen die Lackunterwänderung (mm) gemäß DIN 53167 und die Steinschlag-Kennwerte nach VW-Prüfvorschrift (K-Werte: bester Wert K = 1, schlechtester Wert K = 10). Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 enthalten.

Tabelle 1: Phosphatierbäder mit Hydroxylaminverbindungen

Bad-Nr.

Parameter Beisp. 1 Beisp. 2 Beisp. 3 Beisp. 4 Beisp. 5 Beisp. 6 Beisp. 7 Vergl. 1 Vergl. 2

Zn(II) (g/1) 1 0,9 1 1 1 1 1 1 1

Mn(II) (g/1 0,8 0,5 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,5

PO4³- (g/1) 14,5 12,5 14 14 14 14 14 14,5 12,5

W(VI) (ppm) (als

Na-Wolframat) 0 0 25 50 100 200 500 0 0

Gesamt-F" (g/1) 1 1 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 1 1

Freie Säure I

(Punkte) 1,1 1,0 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 1,1 1,0

Gesamtsäure

(Punkte) 22 19,8 21,7 21,7 21,7 21,7 21,7 22 19,8

Hydroxyla mo- niu sulfat (g/1) 2 1,7 2 2 2 2 2 2 1,7

Nitrat (g/1) - - - - - - - 2 2

Temperatur (°C) 53 51 53 53 53 53 53 53 51

Applikation Tauchen Spritzen Spritzen Spritzen Spritzen Spritzen Spritzen Tauchen Spritzen

(1 bar) (1 bar) (1 bar) (1 bar) (1 bar) (1 bar) (1 bar)

Zeit (Minuten) 3 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 3 1,5

Tabelle 2: Schichtgewichte und Korrosionsergebnisse

Behandelt Material Schichtgew. KTL-Grundierung Vollaufbau nach (g/ 2) Lackunter¬ Steinschlag Lackunter¬ Steinschlag wanderung (mm) K-Wert wanderung (mm) K-Wert

Beisp. 1 ZE 4,80 2,5 7 - 8 2,0 3 - 4

Beisp. 2 ZE 3,70 2,5 5 - 6 1,4 2

Stahl 2,70 0,6 6 1,0 4

Beisp. 3 ZE 1,9 8 Stahl 1,1 6

Beisp. 4 ZE 1,6 6 I Stahl 0,8 5 - 6

Beisp. 5 ZE 1,9 5 Stahl 0,9 6 - 7

Beisp. 6 ZE 2,2 5 Stahl 1,2 7

Beisp. 7 ZE 2,3 2 Stahl 1,2 6 - 7

Vergl. 1 ZE 2,60 2,9 10 3,2 8

Vergl. 2 ZE 3,20 2,8 8 - 9 2,7 8

Stahl 3,40 1,3 6 - 7 1,8 5 - 6

Beispiel 8. Verqleichsbeispiele 3 und 4

Vefahrensqanq (Tauchverfahren)

1. Reinigen mit einem alkalischen Reiniger (Ridoline^R C 1250 I, Henkel KGaA), Ansatz 2 % in Stadtwasser, 55 °C, 4 Minuten.

2. Spülen mit Stadtwasser, Raumtemperatur, 1 Minute.

3. Aktivieren mit einem Titanphosphat-haltigen flüssigen Aktiviermittel (Fixodine^R L, Henkel KGaA), Ansatz 1 % in vollentsalztem Wasser, Raum¬ temperatur, 1 Minute.

4. Phosphatieren mit Phosphatierbädern gemäß Tabelle 3, 53 °C, 3 Minuten. Außer den in Tabelle 3 genannten Kationen enthielten die Phosphatier¬ bäder lediglich Natriumionen zum Einstellen der freien Säure. Das Bad des Beispiels 8 enthielt kein Nitrit oder Nitrat und keine Oxo-Anionen von Halogenen.

5. Spülen mit Stadtwasser, Raumtemperatur, 1 Minute.

6. Nachpassivieren mit einem chromfreien Nachpassiviermittel auf Basis Zirkonfluorid (DeoxylyteR 54 NC, Henkel KGaA,) Ansatz 0,25 % in voll- entsalztem Wasser, 40 °C, 1 Minute

7. Spülen mit vollentsalztem Wasser

8. Trockenblasen mit Preßluft

(Materialien und Definition von freier Säure und Gesamtsäure wie Beispiele 1 bis 7).

Schichtgewichte wurden durch Ablösen in 5 %-iger Chromsäurelösung be¬ stimmt. Korrosionprüfungen erfolgten nach dem VDA-Wechselklimatest 621-415 sowohl nur mit KTL-Grundierung (ED 12 MB der Firma PPG) als auch mit einem kompletten Lackaufbau (KTL wie vorstehend, Füller: 1-Komponenten High- solid PU-Füller grau, Decklack: DB 744 metallic Basecoat und Clearcoat). Bewertet wurde nach jeweils 10 einwöchigen Prüfzyklen die Lackunterwande¬ rung (mm). Weiterhin erfolgte eine KugelStoßprüfung nach Mercedes-Benz Norm analog DIN 53 230 (6 bar entsprechend 250 km/h), Auswertung bei Sub¬ strattemperatur -20 °C. Bewertet wurde die Schadensfläche in mm² (Merce¬ des-Benz Norm: max. 5) und der Rostgrad (bester Wert = 0, schlechtester Wert = 5, Mercedes-Benz Norm: max. 2). Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 enthalten.

Tabelle 3: Phosphatierbäder

Parameter Beispiel 8 Vergleich 3 Vergleich 4

Zn(II) (g/1) 1,0 1,0 1,0

Mn(II) (g/1) 0,8 1,0 0,8

Ni(H) (g/l) - 0,9 0,8

P0₄ ^3_ (g/i) 14,5 14,6 13,5

Gesamt-F" (g/1) 0,8 0,8 0,8

Freie Säure

(Punkte) 1,0 1,0 1,0

Gesamtsäure

(Punkte) 22 23 24,0

Hydroxylammo- niumsulfat (g/1) 2 - 2

Nitrit (mg/1) - 100 -

Nitrat (g/1) - 2 2

Tabelle 4: Schichtgewichte und Korrosionsergebnisse

Behandelt Material Schichtgew. KTL-Grundierung Vollaufbau nach (g/πi²) Lackunter¬ Lackunter¬ Kugelstoßprüfung wanderung (mm) wanderung ( m) Schadensfläche Rostgrad (mm2)

Beisp. 3 ZE 3,50 1,0 3 - 4 1 - 2

Stahl 2,80 1,5 1,0 4 1 - 2

^•^4

Vergl. 3 ZE 2,50 0,8 4 - 5 0 - 1

Stahl 3,0 1,0 0,5 3 1 - 2

Vergl. 4 ZE 1,90 < 0,5 4 1

Stahl 2,0 1,0 0,8 5 0

Ausführunqsbeispiele 9 bis 12 - Veroleichsbeispiele 5 bis 7

Die erfindungsgemäßen Phosphatierverfahren unter Verwendung von m-Nitro¬ benzolsulfonat sowie Vergleichsverfahren wurden an Stahlblechen und an beidseitig elektrolytisch verzinkten Stahlblechen (ZE), wie sie im Automo¬ bilbau Verwendung finden, überprüft. Dabei wurde folgender in der Karosse¬ riefertigung gebräuchlicher Verfahrensgang im Tauchverfahren ausgeführt:

1. Reinigen mit einem alkalischen Reiniger (Ridoline^R 1558, Henkel KGaA), Ansatz 2 % in Stadtwasser, 55 °C, 5 Minuten.

2. Spülen mit Stadtwasser, Raumtemperatur, 1 Minute.

3. Aktivieren mit einem flüssigen Titanphosphat-haltigen Aktiviermittel im Tauchen (Fixodine^R L, Henkel KGaA), Ansatz 0,5 % in vollentsalztem Wasser, Raumtemperatur, 1 Minute.

4. Phosphatieren mit Phosphatierbädern gemäß Tabelle 5 (Ansatz in voll¬ entsalztem Wasser, wenn nicht anders vermerkt). Außer den in Tabelle 1 genannten Kationen enthielten die Phosphatierbäder lediglich Natrium¬ ionen zum Einstellen der freien Säure. Die Bäder enthielten kein Ni¬ trit und keine Oxo-Anionen von Halogenen.

Unter der Punktzahl der freien Säure wird der Verbrauch in ml an 0,1- normaler Natronlauge verstanden, um 10 ml Badlösung bis zu einem pH- Wert von 3,6 zu titrieren. Analog gibt die Punktzahl der Gesamtsäure den Verbrauch in ml bis zu einem pH-Wert von 8,5 an.

5. Spülen mit Stadtwasser, Raumtemperatur, 1 Minute.

6. Nachpassivieren mit einem chromathaltigen Nachpassiviermittel (Deoxy- lyte^R 41, Henkel KGaA,) Ansatz 0,1 % in vollentsalztem Wasser, 40 °C, 1 Minute

7. Spülen mit vollentsalztem Wasser. 8. Trockenblasen mit Preßluft.

Die flächenbezogene Masse ("Schichtgewicht") wurde durch Ablösen in 5 %-iger Chromsäurelösung bestimmt gemäß DIN 50942. Korrosionprüfungen er¬ folgten nach dem VDA-Wechselklimatest 621-415 mit KTL-Grundierung (KTL- hellgrau der Firma BASF, FT 85-7042). Bewertet wurden nach jeweils 10 ein¬ wöchigen Prüfzyklen die Lackunterwanderung (mm) gemäß DIN 53167 und die Steinschlag-Kennwerte nach VW-Prüfvorschrift VW-P3.17.1 (K-Werte: bester Wert K = 1, schlechtester Wert K = 10). Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 enthalten.

Tabelle 5: Phosphatierbäder und Prüfergebnisse (Verwendung von m-Nitrobeπzolsulfonat)

^f) Nitratgehalt durch Ansatz in Betriebswasser

Fortsetzung Tabelle 5

Beispiel 9 Beispiel 10 Beispiel 11 Beispiel 12 Vergl. 5 Vergl. 6 Vergl. 7 elektrolytisch verz. Stahlblech

Schichtgewicht 3,7 3,5 3,3^a) 3,0 3,9 2,6 2,5

(g/m²)

Lackunter¬ 2,5 2,3 2,1 2,9 2,3 6,0 5,0 wanderung (mm) Steinschlag- 7 6 6 7 5 10 9 Kennwert (K)

Stahlblech

Schichtgewicht 2,8 2,6 2,5 2,7 2,8 2,5 2,5

(g/m²)

Lackunter¬ 1,0 0,9 1,1 0,9 0,8 1,1 1,1 wanderung (mm) Steinschlag- 5 6 5-6 5-6 5-6 6 6 Kennwert (K) ^a) gealtertes Bad

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Phosphatierung von Metalloberflächen mit wäßrigen, sau¬ ren Phosphatierlösungen, die Zink-, Mangan- und Phosphationen und als Beschleuniger Hydroxylamin oder eine Hydroxylaminverbindung und/oder m-Nitrobenzosulfonsäure oder deren wassserlösliche Salze enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß man die MetallOberflächen mit einer Phos- phatierlösung in Berührung bringt, die frei von Nickel, Kobalt, Kupfer, Nitrit und Oxo-Anionen von Halogenen ist und die

0,3 bis 2 g/1 Zn(II)

0,3 bis 4 g/1 Mn(II)

5 bis 40 g/1 Phosphationen

0,1 bis 5 g/1 Hydroxylamin in freier oder gebundener Form und/oder 0,2 bis 2 g/1 m-Nitrobenzolsulfonat

und höchstens 0,5 g/1 Nitrationen

enthält, wobei der Mn-Gehalt mindestens 50 % des Zn-Gehalts beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phospha- tierlösung weniger als 0,1 g/1 Nitrat enthält.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Phosphatierlösung zusätzlich Fluorid in freier und/oder komplex gebundener Form in Mengen bis zu 2,5 g/1 Gesamtfluo- rid, davon bis zu 800 mg/1 freies Fluorid enthält.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Phosphatierlösung ein Gewichtsverhältnis Phos¬ phationen zu Zinkionen zwischen 3,7 und 30, vorzugsweise zwischen 10 und 20 aufweist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Phosphatierlösung einen Mn(II)-Gehalt zwischen 0,3 und 2 g/1, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 g/1 aufweist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Phosphatierlösung m-Nitrobenzolsulfonat als freie Säure oder als wasserlösliches Salz, insbesondere als Natrium¬ salz, enthält und die Konzentration an m-Nitrobenzolsulfonat vorzugs¬ weise 0,4 bis 1 g/1 beträgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Wert der Gesamtsäure zwischen 15 und 25 Punkten und der Wert der freien Säure bei Teilephosphatierung zwischen 0,3 und 1,5 Punkte, bei Bandphosphatierung zwischen 0,3 und 2,5 Punkten betra¬ gen.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Phosphatierlösung Hydroxylamin in freier oder in komplex gebundener Form oder in Form seiner Salze, insbesondere in Form der Sulfate oder der Phosphate enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phospha¬ tierlösung einen Gehalt an Hydroxylamin in freier Form, in Form von Salzen oder in komplex gebundener Form zwischen 0,4 und 2 g/1, berech¬ net als Hydroxylamin, aufweist.

10. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 8 und 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Verhältnis der Summe der Konzentrationen von Zink und Mangan zur Konzentration des Hydroxylamins, jeweils in g/1, 1,0 bis 6,0, vorzugsweise 2,0 bis 4,0 beträgt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatierlösung zusätzlich 20 bis 800 mg/1, vorzugsweise 50 bis 600 mg/1 Wolfram in Form wasserlöslicher Wolframa- te, Silicowolframate und/oder Borowolfra ate in Form ihrer Säuren und/ oder ihrer Ammonium-, Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallsalze ent¬ hält.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatierlösung entweder Hydroxylamin oder m-Nitrobenzolsulfonsäure enthält.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 zur Behand¬ lung von Oberflächen aus Stahl, verzinktem oder legierungsverzinktem Stahl, Aluminium, aluminiertem oder legierungsaluminiertem Stahl.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Me- talloberflache mit der Phosphatierlösung durch Spritzen, Tauchen oder Spritztauchen für Behandlungszeiten zwischen 5 Sekunden und 8 Minuten in Kontakt bringt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Phosphatierlösung zwischen 30 und 70 °C, beträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15 zur Behandlung von MetallOberflächen vor einer Lackierung, insbesondere vor einer kathodischen Elektrotauch¬ lackierung.