[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Phosphatüberzügen auf Metalloberflächen,
insbesondere von Oberflächen aus Eisen, Stahl, Zink, Zink/Nickel-Legierungen und/oder
Aluminium und dessen Legierungen mittels einer sauren wäßrigen Lösung, enthaltend
Zink(II)-Ionen, Barium( II)-Ionen, Phosphat-Ionen und Beschleuniger sowie gegebenenfalls
weitere Zusätze, und die Anwendung dieses Verfahrens zur Vorbereitung der Oberflächen
für eine nachfolgende Lackierung, insbesondere die kathodische Elektrotauchlackierung.
[0002] Der Schutz metallischer Oberflächen durch phosphathaltige Überzüge ist seit langem
bekannt, vgl. beispielsweise die Monographie von W. Rausch, "Die Phosphatierung von
Metallen" , Leuze Verlag, Saulgau (1988). So werden bei der "nicht-schichtbildenden
Phosphatierung" durch Verwendung von Alkali- und/oder Ammonium-Orthophosphatlösungen
Eisen-Phosphatschichten erzeugt, in denen das Eisen-Ion aus der zu überziehenden metallischen
Oberfläche stammt. Bei der sogenannten "schichtbildenden Phosphatierung" werden durch
Behandlung mit sauren Phosphatierlösungen, die typischerweise Phosphorsäure, oxidierende
Verbindungen und zweiwertige schichtbildende Ionen wie Zink allein oder zusammen mit
Calcium, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und anderen Metallionen enthalten, auf Metalloberflächen
amorphe oder kristalline Phosphatschichten erzeugt. Dabei entstehen als kristalline
Phosphat-Phasen in den meisten Fällen Phosphophyllit Zn₂Fe(PO₄)₂.4H₂O und/oder Hopeit
Zn₃(PO₄)₂.4H₂O oder mit anderen zweiwertigen Metallionen dotierte isostrukturelle
Phasen sowie bei Gegenwart von Calcium auch Scholzit Zn₂Ca(PO₄)₂.2H₂O (W.A. Roland,
K.-H. Gottwald, "Metalloberfläche" , 42. Jahrgang 1988/6, S. 301 bis 305).
[0003] Es ist bekannt, daß die oben genannten Tetrahydrate unter den Einbrenn-Bedingungen
von Lacken (typischerweise 180 °C bei der kathodischen Elektrotauchlackierung) unter
Wasserabspaltung und Bildung der entsprechenden Dihydrate dehydratisieren (Y. Arnaud
et al., Appl. Surf. Sci.
32, 281 bis 308 (1988)). Mit dieser Wasserabgabe geht ein Zerfall des kristallinen Aufbaus
der einzelnen Phosphatkristalle einher. Dies führt zu einer Verminderung des Zusammenhalts
innerhalb der Phosphatschicht, was sich wiederum negativ auf die Haftung zwischen
Lack und Substrat auswirkt.
[0004] Es ist weiterhin bekannt, daß bei der Korrosion unterhalb von zerstörten Lackbeschichtungen
(Lackunterrostung) sehr hohe pH-Werte von 12 bis 13 erreicht werden. Übliche Zink-Phosphat-Beschichtungen
sind unter diesen Bedingungen löslich, was zu einer Ablösung des Lacks vom Substrat
führt.
[0005] Phosphate mit der allgemeinen Formel BaZn₂₋
nM
n(PO₄)₂ mit M = Co²⁺, Mg²⁺ und O,O ≦ n ≦ O,8 werden in der DE-OS 24 47 208 als Korrosionsschutzpigmente
beansprucht.
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand demgegenüber darin, ein Verfahren
zum Erzeugen von Phosphatüberzügen auf Metalloberflächen zur Verfügung zu stellen,
wobei Konversionsschichten erzeugt werden, die eine besonders hohe Alkaliresistenz
aufweisen und bei thermischen Belastungen durch die typischerweise verwendeten Einbrenntemperaturen
der kathodischen Elektrotauchlackierung und höheren Temperaturen keinen Veränderungen
unterliegen.
[0007] Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch den Einsatz von sauren wäßrigen Phosphatierlösungen,
welche im wesentlichen Barium(II)-, Zink(II)- und Phosphat-Ionen enthalten, Konversionsschichten
auf Metalloberflächen erzeugt werden können, die eine hohe
[0008] Alkaliresistenz aufweisen und bei thermischen Belastungen bis etwa 300 °C keinen
Veränderungen unterliegen.
[0009] Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Erzeugen von Phosphatüberzügen
auf Oberflächen von Eisen, Stahl, Zink, verzinktem Stahl, Nickel, Aluminium und/oder
ihren Legierungen oder Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffen durch Spritzen, Spritztauchen
und/oder Tauchen mit einer wäßrigen Lösung enthaltend:
0,01 bis 5 g/l Zink(II)-Ionen,
0,3 bis 10 g/l Barium(II)-Ionen,
3 bis 50 g/l Phosphat-Ionen,
0 bis 2 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
0,5 bis 30 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,01 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,2 bis 10 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung und/oder
0,01 bis 5 g/l einer Peroxoverbindung,
wobei der pH-Wert der Lösung zwischen 2 und 4 eingestellt ist.
[0010] Es wurde gefunden, daß hierbei, im Gegensatz zu bekannten Phosphatierverfahren,
einziger oder Hauptbestandteil dieser Schichten ein Barium-Dizink-Phosphat ist. Die
Röntgen-Pulverdiagramme der Beschichtungen sind mit denen von "BaZn₂(PO₄)₂" (M.V.
Hoffman, J. Electrochem. Soc.
110, 1223 bis 1227 (1963)) identisch. Nach eigenen thermoanalytischen Untersuchungen
liegt allerdings ein Monohydrat vor, welches sein Kristallwasser bei etwa 300 °C
abgibt. In Barium-Dizink-Phosphat können bis zu 40 Mol-% des Zinks durch Co²⁺ oder
Mg²⁺ diadoch ersetzt werden. Alle Verbindungen sind in alkalischen Medien nur sehr
schwer löslich.
[0011] Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erf indungsgemäßen Verfahrens setzt
man wäßrige Lösungen ein, die
0,5 bis 1,5 g/l Zink(II)-Ionen,
0,3 bis 1,5 g/l Barium(II)-Ionen,
3 bis 15 g/l Phosphat-Ionen,
0 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
1 bis 10 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,01 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,2 bis 10 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung und/oder 0,01 bis 5 g/l einer Peroxoverbindung
enthalten wobei der pH-Wert der Lösungen im Bereich von 2 bis 3 liegt.
[0012] Im Sinne dieser ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders
bevorzugt, solche wäßrigen Lösungen einzusetzen, die
0,5 bis 1,1 g/l Zink(II)-Ionen,
0,5 bis 1,1 g/l Barium(II)-Ionen,
4 bis 10 g/l Phosphat-Ionen,
0,5 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
2 bis 4 g/l Nitrat-Ionen und
0,1 bis 1 g/l Nitrit-Ionen
enthalten.
[0013] Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Sinne der vorstehend definierten
ersten Ausführungsform ist es ferner bevorzugt, daß die Stoffmengen der Barium(II)-,
Zink(II)- und Phosphat-Ionen im Gewichtsverhältnis 1 : 2 : (9 bis 12), insbesondere
im Gewichtsverhältnis 1 : 2 : 10, eingestellt werden.
[0014] Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
setzt man wäßrige Lösungen ein, die
0,1 bis 2,5 g/l Zink(II)-Ionen,
1 bis 7 g/l Barium(II)-Ionen,
10 bis 30 g/l Phosphat-Ionen,
0 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
1 bis 10 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,1 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,5 bis 5 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung
enthalten, wobei der pH-Wert der Lösungen im Bereich von 2,5 bis 3,8 liegt.
[0015] Im Sinne dieser zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es
ferner besonders bevorzugt, solche wäßrigen Lösungen einzusetzen, die
0,1 bis 1 g/l Zink(II)-Ionen,
2 bis 6 g/l Barium(II)-Ionen,
10 bis 30 g/l Phosphat-Ionen,
0,5 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
1 bis 5 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,1 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,5 bis 5 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung enthalten.
[0016] Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Sinne der vorstehend definierten
zweiten Ausführungsform ist es ferner bevor zugt, daß die Stoffmengen der Zink(II)-,
Barium(II)- und Phosphat-Ionen im Gewichtsverhältnis von 1 : (1 bis 30) : (7 bis
200), insbesondere im Gewichtsverhältnis 1 : (2 bis 20) : (15 bis 90), eingestellt
werden.
[0017] Die Behandlungstemperatur liegt, je nach Applikationsart, zwischen 40 und 80 °C.
Die Behandlungszeiten liegen, je nach Applikationsart, zwischen 1 und 10 Minuten.
Es werden so kristalline, dichte und homogene Beschichtungen mit Schichtgewichten
von etwa 0,5 bis zu etwa 10 g/m² erzeugt.
[0018] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnden Aluminium-Werkstoffe umfassen
das reine Metall und dessen Legierungen. Als Beispiele seien daher Reinaluminium-,
AlMg-, AlCu- und AlMgSi-Legierungen genannt. Eine ausführliche Darstellung dieser
Werkstoffe ist beispielsweise dem "Aluminium-Taschenbuch", 14. Auflage, Aluminium-Verlag,
Düsseldorf, 1983, zu entnehmen. Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu
behandelnden Stähle (CRS) sind insbesondere Gebrauchsgüter wie Automobilkarossen,
Automobilzubehör- und -ersatzteile, landwirtschaftliche Geräte, Kühlschränke und
sonstige Arten von Kleinteilen, die üblicherweise in Form von Blechen Verwendung finden.
Der Begriff "verzinkter Stahl" umfaßt Verzinkungen durch elektrolytische Abscheidung
(ZE) und Schmelztauch-Applikation (Z) und bezieht sich somit auf Zink und bekannte
Zinklegierungen, insbesondere Zink/Nickel-Legierungen.
[0019] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die wäßrigen Phosphatierungslösungen
sowohl durch Spritzen, durch Tauchen als auch durch Spritztauchen auf die Substratoberflächen
aufgebracht werden. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Spritzverfahren
muß die Spritzzeit derart gewählt werden, daß eine weitgehend geschlossene Phosphatschicht
ausgebildet wird. Moderne Volltauchanlagen zeichnen sich durch eine große Anzahl hintereinandergeschalteter
Schritte aus. Der Begriff "Volltauchanlage" resultiert aus der Phosphatierung durch
Tauchapplikation. Bei anderen Verfahrensschritten werden auch Spritzvorgänge durchgeführt,
wobei nach dem Auftauchen der Karosse aus dem Tauchbad nachgespritzt wird.
[0020] Wichtig für eine optimale Phosphatierung ist gegebenenfalls ein separater Aktivierungsschritt.
Zur Vorreinigung und Aktivierung der zu phosphatierenden Schicht wird diese üblicherweise
in mehreren Arbeitsgängen gereinigt, gespült und anschließend vor dem Phosphatieren
aktiviert. Beispielsweise können hier Titanphosphat-haltige wäßrige Suspensionen gemäß
dem Stand der Technik eingesetzt werden. Gegebenenfalls können die erhaltenen Phosphatschichten
auch in an sich bekannter Weise nachbehandelt, d.h. passiviert, werden.
[0021] Die Einhaltung der erfindungsgemäßen Konzentrationsbereiche der wäßrigen Phosphatierungsbäder
ist essentieller Bestandteil für die Erzeugung von qualitativ hochwertigen, d.h. gleichmäßigen
Phosphatüberzügen. Bei Unterschreitung der Konzentrationen werden die Schichten ungleichmäßig.
Insbesondere nimmt ihre Eignung für die spätere Elektrotauchlackierung ab.
[0022] Wie oben ausgeführt, kann in den erfindungsgemäß erhaltenen Barium-Dizink-Phosphaten
ein gewisser Anteil des Zinks durch Cobalt und/oder Magnesium diadoch ersetzt werden.
Dementsprechend besteht eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
darin, daß man wäßrige Lösungen einsetzt, die zusätzlich 0,01 bis 0,6 g/l Cobalt(II)-Ionen
enthalten. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß man wäßrige Lösungen einsetzt, die zusätzlich 0,01 bis 0,3 g/l Magnesium
(II)-Ionen enthalten. Der Diadochersatz von Zink-Ionen ermöglicht auch die gleichzeitige
Verwendung von Cobalt(II)-Ionen und Magnesium(II)-Ionen.
[0023] Die für das erfindungsgemäße Verfahren eingsetzten wäßrigen Lösungen können weiterhin
auch 0,01 bis 0,5 g/l Eisen(III)-Ionen enthalten.
[0024] Die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Phosphatierungsschichten
erweisen sich als sehr beständig sowohl gegenüber einem Angriff durch Alkalien, d.h.
in stark alkalischem Milieu, als auch gegenüber thermischen Belastungen. Ein weiterer
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß - insbesondere bei
Einhaltung der bevorzugten Verfahrensweisen - die Schlammbildung im Phosphatierungsbad
äußerst gering ist.
[0025] Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Vorteil zur Vorbehandlung von Metalloberflächen
vor einer nachfolgenden Lackierung verwenden; es dient insbesondere zur Vorbehandlung
von Metalloberflächen vor einer kathodischen Elektrotauchlackierung.
[0026] Die Herstellung der Phosphatierungsbäder zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt im allgemeinen in der üblichen Weise, die dem Fachmann an sich bekannt ist.
Als Ausgangsprodukte zur Herstellung des Phosphatierungsbades können beispielsweise
die Oxide, Nitrate oder Carbonate der erforderlichen Metallkationen dienen, z.B. Bariumcarbonat
oder -nitrat und Zinknitrat oder -oxid. Cobalt und Magnesium werden vorzugsweise in
Form von Cobaltnitrat und Magnesiumoxid, Eisen in Form von Eisennitrat, eingesetzt.
Das erforderliche Nitrat wird vorzugsweise - wie vorstehend ausgeführt - als Zink-
und/oder Bariumsalz eingebracht, gegebenenfalls auch in Form des Natriumsalzes. Auch
die erforderlichen Mengen an Nitrit- und Chlorat- sowie Fluorid-Ionen werden dem Bad
in Form der Na-triumsalze beigefügt; die Fluoridionen gegebenenfalls auch in Form
von Fluorokieselsäure und/oder Fluoroborsäure. Als bevorzugte organische Nitroverbindung
wird erfindungsgemäß das Natriumsalz der 3-Nitrobenzolsulfonsäure und als bevorzugte
Peroxoverbindung Wasserstoffperoxid eingesetzt. Phosphorsäure dient als Quelle für
die Phosphationen. Der pH-Wert des Bades wird durch Zugabe von wäßriger Natronlauge
auf den gewünschten Wert eingestellt.
Beispiele
[0028] Stahlbleche (CRS), elektrolytisch verzinkte Stahlbleche (ZE) und schmelztauchverzinkte
Stahlbleche (Z), die zuvor mit einem alkalischen Reiniger 2 Minuten bei 55 °C durch
Spritzbehandlung gereinigt und mit Wasser gespült worden waren, wurden mit den vorgenannten
Phosphatierlösungen (Tabelle 2) behandelt. Anschließend wurde mit vollentsalztem Wasser
gespült und getrocknet.
[0029] Die erzeugten Phosphatschichten waren feinkristallin und geschlossen; sie bestanden
ausschließlich aus Barium-Dizink-Phosphat.
[0030] Ferner wurden phosphatierte Bleche mit einem kathodischen Elektrotauchlack (Aqualux
R K der Firma ICI, Deutschland, auf Epoxiharz-Basis) beschichtet und 20 min bei 180
°C getrocknet. Die Trockenfilmdicke betrug 20 µm. Bei dieser Behandlung unterlag
die Ba/Zn-Phosphatschicht keiner Veränderung. Anschließend wurden die Bleche mit einem
Einzelschnitt nach DIN 53 167 versehen und dem Salzsprühtest gemäß DIN 50 021 während
einer Zeitdauer von 480 h unterworfen. Die Auswertung erfolgte nach DIN 53 167.
[0031] Die erhaltenen Resultate sind gleichfalls aus Tabelle 2 ersichtlich.
1. Verfahren zum Erzeugen von Phosphatüberzügen auf Metalloberflächen, insbesondere
von Oberflächen aus Eisen, Stahl, Zink, Zink/Nickel-Legierungen, Aluminium und/oder
dessen Legierungen oder Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffen durch Spritzen, Spritztauchen
und/oder Tauchen mit einer wäßrigen Lösung enthaltend:
0,01 bis 5 g/l Zink(II)-Ionen,
0,3 bis 10 g/l Barium(II)-Ionen,
3 bis 50 g/l Phosphat-Ionen,
0 bis 2 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
0,5 bis 30 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,01 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,2 bis 10 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung und/oder
0,01 bis 5 g/l einer Peroxoverbindung,
wobei der pH-Wert der Lösung zwischen 2 und 4 eingestellt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Lösung
einsetzt, die
0,5 bis 1,5 g/l Zink(II)-Ionen,
0,3 bis 1,5 g/l Barium(II)-Ionen,
3 bis 15 g/l Phosphat-Ionen,
0 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
1,0 bis 10 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,01 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,2 bis 10 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung und/oder
0,01 bis 5 g/l einer Peroxoverbindung
enthält, wobei der pH-Wert der Lösung zwischen 2 und 3 eingestellt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Lösung
einsetzt, die
0,5 bis 1,1 g/l Zink(II)-Ionen,
0,5 bis 1,1 g/l Barium(II)-Ionen,
4 bis 10 g/l Phosphat-Ionen,
0,5 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
2 bis 4 g/l Nitrat-Ionen und
0,1 bis 1 g/l Nitrit-Ionen
enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffmengen der
Barium(II)-, Zink(II)- und Phosphat-Ionen im Gewichts-Verhältnis von 1 : 2 : (9 bis
12), vorzugsweise 1 : 2 : 10, eingestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Lösung
einsetzt, die
0,1 bis 2,5 g/l Zink(II)-Ionen,
1 bis 7 g/l Barium(II)-Ionen,
10 bis 30 g/l Phosphat-Ionen,
0 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
1 bis 10 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,1 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,5 bis 5 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung
enthält, wobei der pH-Wert der Lösung zwischen 2,5 und 3,8 eingestellt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Lösung
einsetzt, die
0,1 bis 1 g/l Zink(II)-Ionen,
2 bis 6 g/l Barium(II)-Ionen,
10 bis 30 g/l Phosphat-Ionen,
0,5 bis 1 g/l Fluorid-Ionen
und als Beschleuniger:
1 bis 5 g/l Nitrat-Ionen und/oder
0,1 bis 1 g/l Nitrit-Ionen und/oder
0,5 bis 5 g/l Chlorat-Ionen und/oder
0,1 bis 2 g/l einer organischen Nitroverbindung
enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffmengen der
Zink(II)-, Barium(II)- und Phosphat-Ionen im Gewichtsverhältnis von 1 : (1 bis 30)
: (7 bis 200), vorzugsweise 1 : (2 bis 20) : (15 bis 90), eingestellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man wäßrige
Lösungen einsetzt, die 0,01 bis 0,6 g/l Cobalt(II)-Ionen enthalten.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man wäßrige
Lösungen einsetzt, die 0,01 bis 0,3 g/l Magnesium(II)-Ionen enthalten.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man wäßrige
Lösungen einsetzt, die 0,01 bis 0,5 g/l Eisen(III)-Ionen enthalten.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man
Barium-Dizink-Phosphatüberzüge erzeugt.
12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Vorbereitung der
Metalloberflächen für die kathodische Elektrotauchlackierung.