[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren beim Phosphatieren von mindestens teilweise
aus Eisen oder Stahl bestehenden Metalloberflächen durch Tauchen oder Fluten mittels
schichtbildender Kationen und Nitrat oder äquivalente Beschleuniger enthaltender Phosphatierungslösungen,
deren Eisengehalt durch Fällung von Eisenphosphat begrenzt wird, indem diskontinuierlich
ein Teilvolumen der Phosphatierungslösung aus dem Badbehälter (1) abgezogen, in einer
separaten Begasungsvorrichtung (3) mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas in Kontakt
gebracht wird und die erhaltene, von Eisenphosphatschlamm befreite Lösung in den Badbehälter
(1) zurückgeführt wird.
[0002] Bei der Herstellung von Phosphatüberzügen auf Metalloberflächen durch Behandlung
mit z.B. einer Zinkphosphatlösung ist es generell üblich, zur Beschleunigung der Schichtausbildung
der Phosphatierungslösung ein oder mehrere Oxidationsmittel zuzusetzen. Soweit die
Herstellung von Phosphatüberzügen auf Eisen- und Stahloberflächen betroffen ist, ergeben
sich aus der hiermit verbundenen Auflösung von Eisen, das zunächst in Form von Eisen(II)ionen
in Lösung geht, besondere Probleme.
[0003] Bei einer Kategorie von Phosphatierverfahren arbeitet man mit Phosphatierungslösungen,
die Eisen(II) in Eisen(III) überführende Oxidationsmittel enthalten, so daß unlösliches
Eisenphosphat gebildet wird. Mit zunehmendem Durchsatz an Oberfläche entstehen dann
erhebliche Schlammengen, die physikalisch entfernt werden müssen. Bei einigen Verfahren
bereitet jedoch diese Schlammentfernung Schwierigkeiten bzw. ist schwer durchführbar,
so daß es vorteilhafter ist, das Phosphatierverfahren so zu leiten, daß praktisch
kein oder nur wenig Schlamm gebildet wird.
[0004] Bei dieser Kategorie von Phosphatierverfahren, die "auf der Eisenseite" arbeiten,
wird die Phosphatierlösung aus Chemikalien formuliert, die das in Lösung gehende Eisen
nicht in den dreiwertigen Zustand überführen. Dies gelingt beispielsweise durch Verwendung
von Nitrat oder ähnlich schwachen Oxidationsmitteln als Beschleuniger.
[0005] Obgleich bei den "auf der Eisenseite" arbeitenden Phosphatierverfahren die Schlammbildung
weitgehend unterdrückt ist, haften ihnen andere Nachteile an. So ist infolge Abwesenheit
starker Oxidationsmittel die Phosphatschichtausbildung langsam. Durch die Anreicherung
von Eisen(II)phosphat in der Lösung kann zudem der Anteil des Eisenphosphats in der
gebildeten Phosphatschicht unerwünscht hoch werden. Auch neigen die gebildeten Phosphatschichten
zur Grobkörnigkeit.
[0006] Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die verschiedenartigsten Probleme auszuräumen.
So soll bei dem Verfahren gemäß GB-A-996 418 dem Phosphatierbad Harnstoff zugesetzt
werden, wodurch die Temperatur bei der Phosphatierung erhöht werden kann, ohne eine
wesentlich erhöhte Schlammbildung zu riskieren. Hiermit ist zwar eine beschleunigte
Phosphatschichtausbildung verbunden, die anderen zuvor genannten Nachteile bleiben
jedoch bestehen.
[0007] Darüber hinaus entsteht der zusätzliche Nachteil, daß eine an sich nicht erforderliche,
zusätzlich Energie verbrauchende Aufheizung der Phosphatierungslösung erforderlich
ist.
[0008] Bei einem anderen, nicht "auf der Eisenseite" arbeitenden Bad hat man versucht, das
Schlammproblem zu lösen, indem dessen Feststoffgehalt erhöht und infolgedessen die
Schlammenge reduziert wird (GB-A-1 555 529). Obgleich ein kompakter Schlamm erhalten
wird und demzufolge die Intervalle zwischen der erforderlichen Entschlammung der jeweiligen
Behandlungsvorrichtung größer sind, hat sich gezeigt, daß es schwieriger sein kann,
kompakten Schlamm anstelle von leichtem, voluminösem Schlamm zu entfernen.
[0009] Aus der EP-A-45 110 ist es bekannt, bei der Herstellung von Phosphatschichten auf
Eisen- oder Stahloberflächen im Tauch- oder Flutverfahren mit Lösungen bestimmter
Zusammensetzung zu arbeiten, in denen durch geeignete Bemessung von ClO₃ oder einen
gleichwirkenden Eisen(II) zu Eisen(III) oxidierenden Beschleuniger ein Eisen(II)-Gehalt
von 0,05 bis 1 Gew.-% eingestellt wird.
[0010] Bei einem weiteren Verfahren zum Phosphatieren von mindestens teilweise aus Eisen
oder Stahl bestehenden Metalloberflächen durch Tauchen oder Fluten mittels schichtbildender,
insbesondere Zink-Kationen, und Nitrat oder äquivalente Beschleuniger enthaltender
Phosphatierungslösungen wird ein Teilvolumen der Phosphatierungslösung aus dem Badbehälter
abgezweigt, in einer separaten Vorrichtung zwecks Fällung von Eisenphosphat mit Oxidationsmitteln
versetzt und die erhaltene, von Eisenphosphatschlamm befreite Lösung in den Behälter
zurückgeführt. Die Eisenphosphatfällung erfolgt vornehmlich durch Zusatz von Chlorat
und/oder Wasserstoffperoxid, wobei man zweckmäßigerweise das Ausmaß der Eisenphosphatfällung
derart bemißt, daß der Eisengehalt der Phosphatierungslösung im Badbehälter maximal
gleich dem Gehalt des den Schichttyp bestimmenden Kations ist (DE-A-33 45 498).
[0011] Die beiden letztgenannten Verfahren arbeiten hinsichtlich der Regelung des Eisen(II)-Gehaltes
in der Phosphatierungslösung zwar zufriedenstellend, jedoch ist die Handhabung des
gebildeten Phosphatschlammes nicht in befriedigender Weise gelöst.
[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren beim Phosphatieren von mindestens teilweise
aus Eisen oder Stahl bestehenden Oberflächen bereitzustellen, das die bekannten, insbesondere
vorgenannten Nachteile nicht aufweist, ohne zusätzlichen Aufwand an Chemikalien arbeitet,
dennoch ohne Einbuße in der Schichtqualität einfach in der Durchführung ist und keinen
wesentlichen apparativen Aufwand erfordert sowie eine einfache Schlammhandhabung ermöglicht.
[0013] Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend
der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß man das Teilvolumen der Phosphatierungslösung
von unten in eine, mit einem selbstansaugenden Begasungsrührer (4) ausgestattete Begasungsvorrichtung
(3), die sich zumindest im unteren Bereich verengt, einbringt und begast, nach Beendigung
der Begasung das gebildete Eisenphosphat sedimentieren läßt, und die hinsichtlich
des Eisen(II)-Gehaltes verarmte Phosphatierungslösung nach oben absaugt und in den
Badbehälter (1) zurückleitet.
[0014] Die Ausstattung der Begasungsvorrichtung mit einem selbstansaugenden Begasungsrührer
hat den Vorzug, daß auf einen anderweitigen apparativ aufwendigen Eintrag der erforderlichen
sauerstoffhaltigen Gase verzichtet werden kann.
[0015] Mit der Verengung der Begasungsvorrichtung, zumindest im unteren Bereich, läßt sich
eine bessere Sedimentation und eine einfachere Entfernung des Eisenphosphatschlammes
erzielen.
[0016] Mit der Absaugung der an Eisen(II) verarmten Phosphatierungslösung wird erreicht,
daß die regenerierte Lösung möglichst wenig Eisenphosphat in den Badbehälter einträgt.
[0017] Hinsichtlich der Abmessungen der Begasungsvorrichtung sind insbesondere das Volumen
des zu behandelnden Phosphatierungsbades und die Belastung des Phosphatierungsbades,
d.h. die Durchsatzleistung, beachtlich. Dabei sind die Platzgegebenenheiten und die
Zugänglichkeit bei Wartungsarbeiten zu berücksichtigen.
[0018] Die Drehzahl des Begasungsrührers richtet sich in gewissem Ausmaß nach der Größe
der Begasungsvorrichtung. Sie sollte möglichst oberhalb 800 U/min. liegen, damit die
angesaugte Luftmenge und deren Verteilung über die Begasungsvorrichtung hinreichend
groß sind. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung von Begasungsrührern mit einer
Drehzahl von ca. 1200 bis 1500 U/min. Es ist wesentlich, daß der Begasungsrührer das
sauerstoffhaltige Gas in möglichst feinen Blasen in der Phosphatierungslösung verteilt.
[0019] Das Ausmaß der Eisenentfernung bzw. -fällung bestimmt sich im wesentlichen nach dem
Schichttyp, der bei der Phosphatierung erzeugt werden soll. Das Mindestmäß ist durch
Eisengehalte gegeben, bei denen eine beginnende Störung der Schichtausbildung zu beobachten
ist (ca. 12 bis 13 g/l). In der Regel wird man deutlich unter derartigen Konzentrationen
bleiben.
[0020] Im allgemeinen wird es als zweckmäßig zu erachten sein, das Ausmaß der Eisenfällung
derart zu bemessen, daß der Eisengehalt der Phosphatierungslösung im Badbehälter maximal
gleich dem Gehalt des den Schichttyp bestimmenden Kations ist, sofern hierdurch nicht
bereits der zuvor genannte und zulässige Gehalt überschritten ist.
[0021] Im allgemeinen ist es empfehlenswert, Teilvolumina von z.B. 5 bis 10 % des Gesamtvolumens
des Phosphatierungsbades abzuzweigen und zu behandeln, was entsprechend große zeitliche
Abstände möglich macht. Es können aber auch innerhalb kürzerer Zeitabstände vergleichsweise
kleine Teilvolumina von z.B. 3 bis 7 % behandelt werden. Im allgemeinen richtet sich
die Art der Arbeitsweise nach dem Gesamtvolumen des Phosphatierungsbades, d.h. letztlich
nach der Durchsatzleistung.
[0022] Selbstverständlich können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mehrere
Phosphatierungsbäder regeneriert werden.
[0023] Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere beim Einsatz von Phosphatierungslösungen
geeignet, die als schichtbildendes Kation überwiegend Zink, neben gegebenenfalls zusätzlichen
Gehalten an Mangan und/oder Calcium enthalten.
[0024] Weiterhin ist es vorteilhaft, Phosphatierungslösungen anzuwenden, deren Temperatur
zwischen 35 und 70°C, vorzugsweise zwischen 45 und 55°C liegt. Erfahrungsgemäß erfolgt
bei diesen Temperaturen durch Nitrat oder äquivalente Beschleuniger keine Eisen-Oxidation
und damit keine Eisenphosphatfällung. Darüber hinaus arbeiten Phosphatierverfahren
infolge geringeren Energiebedarfs bei derartigen Temperaturen wirtschaftlicher.
[0025] Eine zur Durchführung des Phosphatierungsverfahrens geeignete Phosphatierungslösung
enthält beispielsweise mindestens 0,3 Gew.-% Zn, mindestens 0,3 Gew.-% PO₄ und mindestens
0,75 Gew.-% NO₃ oder einen gleichwirkenden, Eisen(II) nicht oxidierenden Beschleuniger
und besitzt ein Gewichtsverhältnis Zn: PO₄ größer als 0,8 sowie ein Verhältnis von
Gesamtsäure zu Freier Säure von mindestens 5. Insbesondere enthält sie maximal 2,2
Gew.-% Zn, maximal 2,2 Gew.-% PO₄ und maximal 5,5 Gew.-% NO₃ oder einen gleichwirkenden
Beschleuniger bei einem Gewichtsverhältnis Zn : PO₄ kleiner als 4 und einem Verhältnis
von Gesamtsäure zu Freier Säure von maximal 30. Weitere Einzelheiten sind in der EP-A-45
110 beschrieben.
[0026] Bei einem anderen einsetzbaren Verfahren werden die Metalloberflächen bei Behandlungstemperaturen
von 50 bis 98°C mit einer Phosphatierungslösung in Berührung gebracht, die mindestens
0,6 g/l, vorzugsweise 1 g/l, Manganionen enthält, in der das Gewichtsverhältnis
P₂O₅ : NO₃ = 1: (0,3 bis 3,0),
Gesamt-P₂O₅ : Freies P₂O₅ = 1 : (0,25 bis 0,70),
Mn : Zn = 1 : (22 bis 0,2),
vorzugsweise 1 : (12 bis 0,8),
beträgt und die im eingearbeiteten Zustand eine Gesamtsäurepunktezahl von mindestens
20 Punkten aufweist.
[0027] Die Phosphatierungslösungen können zusätzlich einfache und/oder komplexe Fluoride,
wie NaF, NaHF₂ und/oder Na₂SiF₆, enthalten und hinsichtlich der Komponenten Zink-,
Mangan-, Phosphat- und Nitrationen im Gewichtsverhältnis
P₂O₅ : NO₃ = 1: (0,3 bis 2,0),
Gesamt-P₂O₅ : Freies P₂O₅ = 1 : (0,3 bis 0,8),
Mn : Zn = 1 : (2 bis 80)
ergänzt werden (EP-A-42 631).
[0028] Weitere beispielsweise geeignete Phosphatierungslösungen sind in DE-C-22 41 798 und
DE-B-11 84 592 beschrieben.
[0029] Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, erst nach der Fällbehandlung
mehrerer Einsätze den vornehmlich im verengten Bereich der Begasungsvorrichtung abgelagerten
Eisenphosphatschlamm mit Hilfe eines in den sich verengenden Bereich ragenden Rührers
in Wasser aufzuwirbeln. Diese Arbeitsweise hat den Vorzug einer größeren Durchsatzleistung
von Phosphatierungslösung, da auf das Austragen des sedimentierten Phosphatschlammes
nach jeder einzelnen Sedimentationsphase verzichtet werden kann. Insbesondere bei
dieser Ausgestaltung der Erfindung wirkt sich die Einbringung der zu behandelnden
Phosphatierungslösung von unten vorteilhaft aus, weil dadurch der Eisenphosphatschlamm
der vorherigen Fällbehandlung bzw. Fällbehandlungen aufgewirbelt wird und feste Anbackungen
an der Behälterwandung vermieden werden.
[0030] Prinzipiell kann der Rührer zur Aufwirbelung des sedimentierten Eisenphosphatschlammes
in Wasser beliebig und separat angeordnet sein, besonders vorteilhaft ist es jedoch,
wenn entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung der Phosphatschlamm mit Hilfe
eines Rührers mit - bezüglich des Begasungsrührers - koaxialer Welle aufgewirbelt
wird. Im allgemeinen wird der in Wasser aufgeschwämmte Eisenphosphatschlamm nach einer
Rührzeit von ca. 10 min. über den Bodenauslauf der Begasungsvorrichtung in die Kanalisation
der Neutralisationsanlage abgeleitet. Sollte eine derartige Neutralisationsanlage
nicht zur Verfügung stehen, kann entsprechend einer zweckmäßigen Weiterbildung der
Erfindung die gebildete Aufschlämmung auch in der Begasungsvorrichtung neutralisiert
und dann abgelassen werden.
[0031] Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt es, in apparativ wenig aufwendiger
Weise den Eisengehalt in Phosphatierungslösungen, die auf der Eisenseite arbeiten,
innerhalb enger Grenzen konstant zu halten. Zusätzlicher Chemikalien zur Oxidation
des Eisen(II) zu Eisen(III) bedarf es nicht. Durch die geschickte Zuführung der zu
regenerierenden Phosphatierungslösung von innen in die Begasungsvorrichtung wird insbesondere
bei der Ausgestaltung der Erfindung mit mehrfacher Fällbehandlung verhindert, daß
sich eine fest haftende schwer entfernbare Eisenphosphatkruste ausbildet. Außerdem
hat die mehrfache Fällbehandlung den erheblichen Vorzug, daß der sonst übliche große
Frischwasserbedarf erheblich reduziert werden kann.
[0032] Die Erfindung wird anhand des Fließschemas und des Beispiels beispielsweise und näher
erläutert.
[0033] Die Phosphatierungslösung wird diskontinuierlich z.B. mittels einer Druckluftmembranpumpe
aus dem Phosphatierbad (1) über die Leitung (2) und den Bodenauslauf in den Begasungsbehälter
(3) gepumpt, bis die vorgesehene Füllhöhe erreicht ist. Danach wird der Begasungsrührer
(4) in Tätigkeit gesetzt und solange in Betrieb gehalten, bis die erwünschte Ausfällung
an Eisenphosphatschlamm erfolgt ist.
[0034] Nach Beendigung der Begasung läßt man den gebildeten Eisenphosphatschlamm sedimentieren
und saugt anschließend die regenerierte Phosphatierungslösung über Leitung (5) ab
und trägt sie über Leitung (6) in das Phosphatierbad (1) ein. Nach vorzugsweise mehreren
Fällbehandlungen wird über Leitung (7) Frischwasser in die Begasungsvorrichtung (3)
geleitet und der Rührer (8) in Tätigkeit gesetzt. Wenn der gesamte sedimentierte Eisenphosphatschlamm
aufgewirbelt ist, wird die Aufschlämmung über Leitung (9) - gegebenenfalls nach einer
vorherigen Neutralisation - abgezogen. Mit (10) ist eine Notüberlaufleitung gekennzeichnet.
Beispiel
[0035] Kaltstauchdraht verschiedener Stahlqualitäten wurde nach folgendem Verfahrensgang
behandelt:
1. Entfetten
2. Kaltwasserspülen (im Tauchen)
3. Beizen in Schwefelsäure, 20 Gew.-%
Das Beizbad enhielt 0,5 g/l Beizinhibitor.
Beiztemperatur 65°C
Beizdauer ca. 20 min.
4. Kaltwasserspülen
5. Aktivierendes Vorspülen in einer Titanorthophosphatdispersion
6. Phosphatieren bei 50°C mit einer Behandlungsdauer von 10 min.
7. Kaltwasserspülen
8. Neutralisierende Spülung
9. Beseifen mittels einer Natriumseifenlösung Konzentration der Seifenlösung 5 Gew.-%
Temperatur der Seifenlösung 75°C Behandlungsdauer 3 min.
10. Trocknen der Kaltstauchdrähte an der Luft.
[0036] Im Anschluß an diese Behandlung wurden die Kaltstauchdrähte kalt umgeformt.
[0037] Die Phosphatierung gemäß Stufe 6 erfolgte mit einer Phosphatierungslösung, deren
anfängliche Zusammensetzung wie folgt war:
18,3 g/l Zink
15,0 g/l Phosphat (ber. als P₂O₅)
33,8 g/l Nitrat
Die Gesamtsäurepunktzahl betrugt 64.
[0038] Zur Aufrechterhaltung der Phosphatiereigenschaften der Phosphatierungslösung wurde
das Bad mittels einer Ergänzungslösung, die
12,1 Gew.-% Zink
24,4 Gew.-% Phosphat (ber. als P₂O₅)
11,3 Gew.-% Nitrat
enthielt, auf Konstanz der Gesamtsäurepunkte ergänzt.
[0039] Der Behälter der Begasungsvorrichtung (3) hatte eine Gesamthöhe von 1500 mm bei einem
Durchmesser des zylindrischen Teils von 800 mm. Der konisch ausgebildete Behälterboden
besaß einen Neigungswinkel von 60°. Das Füllvolumen der Begasungsvorrichtung bis zum
Überlauf betrug 470 l.
[0040] Der Begasungsbehälter war mit einem Belüftungsrührer (4), der eine Drehzahl von 1400
U/min. besaß, ausgestattet. Er hatte eine Eintauchtiefe von 500 mm und besaß eine
Begasungsleistung von ca. 7 m³/h.
[0041] Das Phosphatierungsbad enthielt 6 m³ Phosphatierungslösung. Nachdem der Eisengehalt
der Phosphatierungslösung einen Wert von etwa 6 g/l erreicht hatte, wurden 450 l dieser
Lösung in die Begasungsvorrichtung (3) eingeleitet und dort während einer Begasungszeit
von 30 min. mit Luftsauerstoff in Kontakt gebracht. Aufgrund der vorgenannten Saugleistung
betrug das Luftangebot 0,78 m³/100 l Phosphatierungslösung.
[0042] Nach der Begasung wurde der gebildete Eisenphosphatschlamm 6 min. absitzen gelassen.
Die Abscheidung erfolgte vornehmlich im konisch ausgebildeten Teil des Behälters.
[0043] Nach Beendigung des Absetzvorganges wurde die Phosphatierungslösung mittels Leitung
(5) abgesaugt und mittels Leitung (6) in das Phosphatierungsbad (1) zurückgeführt.
Die Absaugung hat zur Folge, daß ein Restvolumen von ca. 30 l Phosphatierungslösung
im Begasungsbehälter (3) verbleibt.
[0044] Nach einer fünfmaligen Fällungsbehandlung wurde die Begasungsvorrichtung (3) über
Leitung (7) mit Frischwasser in einer Menge von ca. 80 l gefüllt und der Rührer (8)
in Tätigkeit gesetzt. Der Begasungsrührer (4) ist während der Betriebszeit des Rührers
(8) außer Aktion. Nach einer Rührzeit von ca. 10 min. war der vornehmlich im konischen
Teil der Begasungsvorrichtung (3) sedimentierte Eisenphosphatschlamm suspendiert und
konnte zur Neutralisation abgeleitet werden.
[0045] Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gelang es, den Eisengehalt der Phosphatierungslösung
von ca. 6 m³ bei einer durchschnittlichen Badbelastung von 800 m²/8 h auf einen Wert
im Bereich von 6 bis 7 g/l konstant zu halten.