[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phosphatierung von Metallen, insbesondere
Eisen, Stahl und verzinktem Stahl mit wäßrigen, sauren Bädern, die Zinkphosphat und
gewünschtenfalls übliche aktivierende und/oder die Schichtbildung verbessernde Zusatzstoffe
enthalten. Das neue Verfahren eignet sich insbesondere als Vorbehandlung der Metalloberflächen
für eine nachfolgende katodische Elektrotauchlackierung.
[0002] Zur Phosphatierung von Metalloberflächen sind heute eine Mehrzahl charakteristischer
Badtypen und damit verbundener Verfahrensbedingungen bekannt. Die klassischen Zinkphosphatbäder
arbeiten im vergleichsweise hohen Temperaturbe- reich von 5
0 - 60 °C und bilden auf der Metalloberfläche im wesentlichen eisenfreie-Zinkphosphatschichten
aus. In einer späteren Entwicklung wird mit vergleichsweise zinkarmen und phosphatreichen
Bädern - ebenfalls bei vergleichsweise höheren Temperaturen - der Einbau von Eisen
in die abgeschiedenen Zinkphosphatschichten und damit die Ausbildung besonders erwünschter
stabiler Zinkphosphatschichten ermöglicht. So schildert die
DE-
OS 22 32 067 wäßrige, saure Phosphatierlösungen mit einem Gewichtsverhältnis von Zn
: PO
4 = 1 : (12 - 110) zur Oberflächenbehandlung von Metallen. Die dünnen und gleichmäßigen
Phosphatüberzüge sind insbesondere als Grundlage für die anschließende Elektrotauchlackierung
besonders geeignet. Als Beschleuniger für solche Phosphatierungsbäder sind beispielsweise
Nitritionen und/oder aromatische Nitroverbindungen bekannt - vergleiche DE-OS 30 04
927.
[0003] Demgegenüber will die offengelegte europäische Patentanmeldung 0056881 eine Verbesserung
dadurch erreichen, daß im Temperaturbereich von 30 - 60 °C mit chlorathaltigen
Zinkphosphatlösungen gearbeitet wird, die O,5 - 1,5 g/1 Zn, 0,4 - 1,3 g/1 Ni, 10 -
26 g/l P
2O
5 und 0,8 - 5 g/l ClO
3 enthalten, denen kein Nitrit zugesetzt wird und in denen das Gewichtsverhältnis von
Zn : Ni auf einen Wert zwischen 1 : (0,5 - 1,5), Zn : P
2O
5 auf einen Wert zwischen 1 : (8 - 85) und freiem P
2O
5 : Gesamt-P
2O
5 auf einen Wert zwichen (0,005 (bei ca. 30 °C) - 0,06 (bei ca. 60 °C)) : 1 eingestellt
ist. Von ausschlaggebender Bedeutung für die Qualität der nach diesem Verfahren erzeugten
Phosphatschichten soll die Einhaltung des Konzentrationsverhältnisses zwischen Zn
und P
20
5 sein. Bei einem Umrechnungsfaktor P
2O
5 → PO
4 von 1,338 liegt die Untergrenze dieses Verhältnisses (Zn/P
2O
5 = 1/8) bei 10,7 Gewichtsteilen PO
4 je 1 Gewichtsteil Zn.
[0004] Alle diese Vorschläge des Standes der Technik arbeiten mit vergleichsweise hohen
Gesamtsäuregehalten,oder mit anderen Worten: mit einem nicht unbeträchtlichen Chemikalienverbrauch
je Volumeneinheit der wäßrigen Behandlungslösung. Eine Verringerung dieses Chemikalienbedarfes
könnte die Wirtschaftlichkeit solcher Phosphatierungsverfahren ganz erheblich verbessern.
So kann beispielsweise der durch Ausschleppung bedingte Stoffverlust deutlich vermindert
werden. Insgesamt wird damit der Chemikalienverbrauch verringert.
[0005] Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, im Rahmen des an sich bekannten Wissens zur
Phosphatierung von Metalloberflächen saure, wäßrige Zinkphosphat enthaltende Bäder
vorzuschlagen, die insbesondere mit deutlich niedrigerem Gehalt an Gesamtsäure arbeiten.
Gleichzeitig soll aber die Herstellung qualitativ hochwertiger Zinkphosphatschichten
sichergestellt sein, die insbesondere durch vergleichsweise hohe Eisengehalte gekennzeichnet
sind und sich dementsprechend ganz besonders für eine nachfolgende katodische Elektrotauchlackierung
eignen. Gleichzeitig will die Erfindung einen Verfahrenstyp ermöglichen, der bei sehr
niedrigen Temperaturen wirkungsvoll gefahren werden kann.
[0006] Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung geht von der Feststellung aus,
daß durch die Kombination bestimmter Badparameter die wirkungsvolle Senkung des Gehaltes
an Gesamtsäure und damit die gewünschte Verringerung des Chemikalienbedarfes möglich
wird, daß aber gleichzeitig mit diesen Bädern bei Temperaturen unter 40 °C wirkungsvoll
die gewünschten eisenhaltigen Zinkphosphatschichten abgeschieden werden können.
[0007] Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend in einer er- sten Ausführungsform ein
Verfahren zur Phosphatierung von Metalloberflächen, insbesondere von Eisen, Stahl
und verzinktem Stahl, durch deren Behandlung mit wäßrigen, sauren Zinkphosphatbädern
bei nur mäßig erhöhten Temperaturen.
'
[0008] Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man im Temperaturbereich von 22
- 38 °C mit Phosphatierungsbädern arbeitet, die den folgenden Bedingungen entsprechen:
2 - 6 g/1 Zink, 4 - 23 g/1 PO
43-, Gehalt an freier Säure 0,05 0,4 Punkte und pH-Wert des Bades 3,0 - 4,0.
[0009] Die Bestimmung des Gehaltes an freier Säure nach der Punktzahl ebenso wie die später
noch erörterte Punktzahl zur
Gesamtsäure erfolgt dabei nach den hier einschlägigen anerkannten Methoden (vergleiche
beispielsweise "Die Phosphatierung von Metallen", Leuze-Verlag/Saulgau, 1974, S. 274
- 277):
Die Punktzahl der freien Säure entspricht dem Verbrauch an ml an n/10 NaOH bei der
Titration von 10 ml-Badlösung bis zum Umschlag der ersten H3P04-Stufe (Indikator Methylorange oder Bromphenolblau).
Pünktzahl der Gesamtsäure entsprechend dem Verbrauch an ml von n/10 NaOH bei der Titration
von 10 ml-Badlösung gegen Phenolphthalein als Indikator.
[0010] Das erfindungsgenäße Verfahren setzt damit also - insbesondere gegenüber den zitierten
Druckschriften des Standes der Technik - vergleichsweise hohe Gehalte an Zink in der
Badlösung ein, gleichzeitig werden jedoch nur beschränkte Mengen an Phosphationen
- und letztlich damit nur beschränkte Mengen an Gesamtsäure - verwendet. Bevorzugt
wird mit Bädern gearbeitet, in denen das Verhältnis Zn/ PO
43- im Bereich von 1 : 2 bis höchstens 1 : 11, vorzugsweise höchstens bis 1 : 10,5 oder
10 liegt. Die Erfindung erschließt die Möglichkeit, Bäder einzusetzen, in denen dieses
Verhältnis von Zn/PO
43- deutlich innerhalb der niedrigeren Werte des angegebenen maximalen Arbeitsbereiches
liegt. So kann mit Verhältnissen Zn/PO
43- im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 8 und insbesondere im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 4 gearbeitet
werden.
[0011] Bezüglich des PO
43 -Gehaltes des Bades bedeutet das absolut gesehen, daß mit vergleichsweise geringen
Konzentrationen des PO
43- -Werts gearbeitet werden kann. So liegt dieser PO
43- -Gehalt bevorzugt im Bereich von etwa 4 - 15 g/1 Badlösung, vorzugsweise bis maximal
13 g/1 Badlösung. Besonders zweckmäßig wird erfindungsgemäß mit einem PO
43- -Gehalt im Bereich von etwa 4 - 8 g/1 Badlösung gearbeitet.
[0012] Es ist weiterhin bevorzugt, innerhalb des genannten Gesamtbereiches für Zink auch
wiederum den niedrigeren Bereich auszuwählen, also daß in einer besonders zweckmäßigen
Ausführungsform der Erfindung der Gehalt an Zink im Phosphatierungsbad im Bereich
von 2 - 4 g/l Badlösung liegt. Der bevorzugte Gehalt an freier Säure liegt im Bereich
von 0,1 - 0,2 Punkten. Der bevorzugte pH-Bereich für diese Phosphatierungsbäder der
Erfindung liegt im Bereich von etwa 3,5 - 4,0. Mit Bädern dieser Art
wirkungsvoll im Temperaturbereich von 28 - 38 °C gearbeitet werden.
[0013] Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren und die damit erhaltenen Ergebnisse
ist, daß durch die erfindungsgemäß bestimmt ausgewählte Parameter-Kombination die
Ausbildung von Zinkphosphatschichten eines hohen Eisengehaltes möglich wird. In der
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden solche Zinkphosphatschichten mit
Eisengehalten im Bereich von etwa 5 - 20 Gew.-% geschaffen. Damit entstehen im erfindungsgemäßen
Verfahren Phosphatierungsschichten, die - vermutlich auf Grund ihres hohen Gehaltes
an Phosphophyllit - beim nachfolgenden Einsatz in der katodischen Elektrotauchlackierung
die erwünschte hohe Stabilität aufweisen.
[0014] Im Rahmen der erfindungsgemäßen Zielsetzung wird bevorzugt mit Phosphatierungsbädern
gearbeitet, deren Gehalt an Gesamtsäure zahlenmäßig begrenzte Werte im Bereich von
etwa 30 Punkten nicht überschreitet. Geeignet sind für das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere Phosphatierungsbäder mit einem Gehalt an Gesamtsäure im Bereich von 8
- 30 Punkten, bevorzugt im Bereich von etwa 9 - 15 Punkten.
[0015] Im übrigen können in den erfindungsgemäßen Phosphatierungslösungen die in Bädern
dieser Art üblichen Hilfskomponenten bzw. -bestandteile mit verwendet werden. Von
besonderer Bedeutung ist dabei allerdings, daß die bis heute übliche Mitverwendung
von Mangan nicht erforderlich ist. Hier liegt in wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens gegen andere charakteristische Bäder des Standes der Technik, insbesondere
gegenüber den sogenannten Niedrig-Zink-Bädern, die bei vergleichsweise höherer Temperatur
arbeiten.
[0016] Übliche aktivierende Zusatzstoffe umfassen Komponenten wie Chlorat, Nitrat, Nitrit,
Wasserstoffperoxid, aromatische Nitroverbindungen, einfache und/oder komplexe Fluoride
und/oder organische und/oder anorganische Komplexbildner. Im einzelnen gilt hier das
Folgende:
Die Mitverwendung von Chlorat empfiehlt sich in aller Regel. Der Chloratgehalt liegt
zweckmäßig im Bereich von etwa 0,1 - 30 g/1 Badlösung, vorzugsweise im Bereich von
etwa 1,5 - 10 g/1 Badlösung. Eventuell mitverwendete Nitrationen liegen zweckmäßigerweise im Konzentrationsbereich
von 1 - 10 g/1 Badlösung. Sollen Nitritionen im Bad zum Einsatz kommen, so eignet
sich hier besonders der Bereich von 0,01 - 1 g/1 Badlösung. Im gleichen Bereich kann
Wasserstoffperoxid zum Einsatz kommen. Aromatische Nitroverbindungen, insbesondere
3-Nitrobenzolsulfonsäure oder ihre Salze, aber auch andere Vertreter dieser Stoffklasse,
z. B. Nitroresorcin oder Nitrobenzoesäure sind bekannte Beschleuniger in Phosphatierungsbädern.
Verbindungen dieser Art werden zweckmäßigerweise in Mengen von 0,01 - 2 g/1 Badlösung mit verwendet.
[0017] In an sich bekannter Weise kann die Schichtbildung auf den Metalloberflächen durch
Zusätze von einfachen und/oder komplexen Fluoriden verbessert werden. Der Gehalt an
Fluoridionen liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 0,01 - 2 g/1 Badlösung. Daneben
oder statt dessen kann als komplexes Fluorid beispielsweise das SiF
6 2- -Ion zum Einsatz kommen, wobei auch.hier Konzentrationsbereiche von etwa 0,01 - 2
g/1 Badlösung bevorzugt sind.
[0018] Die Lösungen können weiterhin an sich bekannte Komplexbildner organischen oder anorganischen
Ursprungs enthalten. Geeignete organische Komplexbildner sind beispielsweise Weinsäure
oder Tartrat, Hydroxy-ethylen-diamino-triessigsäure oder deren Salze, Gluconsäure
oder deren Salze und/ oder Zitronensäure bzw. ihre Salze. Anorganische Komplexbildner
sind Polyphosphate, beispielsweise Tripolyphosphat. oder Hexamethaphosphat. Komplexbildner
dieser Art liegen üblicherweise im Bad in Mengen von 0,01 - 5 g/l vor.
[0019] Neben Zink kann das Behandlungsbad weitere Metallkationen, insbesondere zweiwertige
Metallkationen, enthalten. Bevorzugt kann die Mitverwendung von Nickel (
II)- im Phosphatierungsbad sein. Dabei ist jedoch in den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung der Nickelgehalt im Verhältnis zum Zink beschränkt und erreicht höchstens
diesen Zinkgehalt Vorzugsweise wird jedoch das Verhältnis Zn/Ni von etwa 1/0,5 nicht
überschritten. Bevorzugte Nickelgehalte können im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre
im Bereich von etwa
0,01 - 1 g/1
Badlösung liegen.
[0020] Es kann zweckmäßig sein - ist aber keineswegs erforderlich - vor der Anwendung der
erfindungsgemäßen Phosphatierungsbäder die zu behandelnden Metalloberflächen einer
an sich bekannten Aktivierung zu unterwerfen. Geeignet sind hier beispielsweise entsprechende
Aktivierungsmittel-auf Basis von Titanphosphat.
[0021] Erfindungsgemäß ausgebildete Zinkphosphatschichten mit hohem Eisengehalt eignen sich
zwar für alle Anwendungsarten bis heute bekannter Phosphatschichten, sie weisen jedoch
besondere Vorzüge für eine nachfolgende katodische Elektrotauchlackierung auf. Sie
zeigen hier hohe Beständigkeit des Lackfilmes gegen Lackunterwanderung bei korrosiver
Beansprschung sowie hohe und zufriedenstellende Werte der Lackhaftung zum metallischen
Untergrund. Praktische Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren damit.beispielsweise
bei der Phosphatierung von Autokarosserien.
[0022] Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung sind in den folgenden Beispielen geschildert.
Beispiel 1
[0023] Ein Konzentrat wurde hergestellt aus
[0024] Dieses Konzentrat wurde verdünnt, um eine Lösung mit 0,18 % Zn, 0,002 % Ni, 0,96
% PO
4, 0,17 % NO
3, 0,004 % Tar- trat und O,15 % ClO
3 zu ergeben, die eine Gesamtsäure-
Punktzahl von 9,8 aufweist. Die freie Säure wurde durch Zusatz von Natriumhydroxid
auf einen pH im Bereich 3,5 - 4 reduziert.
[0025] Stahlteile wurden 2 Minuten im Spritzen bei 40 °C mit einer alkalischen Reinigungslösung
gereinigt und mit Wasser gespült. Die Teile wurden dann 2 Minuten im Spritzen bei
35 °C mit der oben beschriebenen Arbeitslösung phosphatiert.
[0026] Die Teile wurden anschließend mit Wasser gespült, mit destilliertem Wasser nachgespült
und durch Blasen mit Druckluft getrocknet. Danach wurden die Teile mit einem katodischen
Elektrotauchlack beschichtet und 20 Minuten durch Erwärmen bei 185 °C getrocknet.
Die Trockenfilmdicke des Anstrichs betrug 18 pm. Die Teile wurden dann mit Einzelschnitten
versehen und dem Salzsprühtest DIN 50021 für 240 Stunden unterworfen. Die Auswertung
nach DIN 53167 ergab eine Unterwanderung von <0,1 mm. Daraus ergibt sich, daß die
vorgeschlagene Arbeitsweise trotz der niedrigen Behandlungstemperatur einen guten
Überzug ergibt.
Beispiel 2
[0027] Ein Konzentrat wurde hergestellt aus
[0028] Dieses Konzentrat wurde verdünnt, um eine Lösung mit 0,48 % Zn, 1,68 % PO
4, 0,19 % NO
3, 0,19 % ClO
3 und 0,024 % Gluconat zu ergeben, die eine Gesamtsäure-Punktzahl von 25,5 aufweist.
Die freie Säure wurde durch Zusatz von Natriumhydroxid auf einen pH im Bereich 3,5
- 4 reduziert. Anschließend wurden der Lösung 0,1 gl NaN0
2 zugesetzt.
[0029] Stahlteile wurden 5 Minuten im Tauchen bei 50 °C mit einer alkalischen Reinigungslösung
gereinigt und dann mit Wasser gespült. Die Teile wurden dann 5 Minuten im Tauchen
bei 32 °C mit der oben beschriebenen Arbeitslösung phosphatiert. Danach wurden die
Teile mit Wasser gespült, mit destilliertem Wasser nachgespült und dann durch Blasen
mit Druckluft getrocknet. Anschließend wurden die Teile mit einem katodischen Elektrotauchlack
beschichtet und 20 Minuten durch Erwärmen bei 185 °C getrocknet.
[0030] Die Trockenfilmdicke des Anstrichs betrug 18 µm. Die Teile wurden dann mit Einzelschnitten
versehen und dem Salzsprühtest DIN 50021 für 240 Stunden unterworfen. Die Auswertung
nach DIN 53167 ergab eine Unterwanderung von <0,1 mm. Daraus ergibt sich, daß die
vorgeschlagene Arbeitsweise trotz der niedrigen Behandlungstemperatur einen guten
Überzug ergibt.
Beispiel 3
[0031] Ein Konzentrat wurde hergestellt aus
[0032] Dieses Konzentrat wurde verdünnt, um eine Lösung mit 0,34 % Zn, 0,85 % PO
4, 0,34 % NO
3, 0,27 % ClO
3,
0,007 % Si F
6, 0,007 % F und 0,014 % 3-Nitrobenzolsulfosäure zu ergeben, die eine Gesamtsäure-Punktzahl
von 14,4 aufweist. Die freie Säure wurde durch Zusatz von Natriumhydroxid auf einen
pH im Bereich 3,5 - 4 reduziert.
[0033] Stahlteile wurden 2 Minuten im Spritzen bei 40 °C mit. einer alkalischen Reinigungslösung
gereinigt und dann mit Wasser gespült. Die Teile wurden dann 1 Minute im Spritzen
und 2 Minuten im Tauchen bei 32 °C mit der oben beschriebenen Arbeitslösung phosphatiert.
Danach wurden die Teile mit Wasser gespült, mit destilliertem Wasser nachgespült und
durch Blasen mit Druckluft getrocknet. Anschließend wurden die Teile mit einem katodischen
Elektrotauchlack beschichtet und 20 Minuten durch Erwärmen bei 185 °C getrocknet.
[0034] Die Trockenfilmdicke des Anstrichs betrug 18 µm. Die Teile wurden dann mit Einzelschnitten
versehen und dem Salzsprühtest DIN 50021 für 240 Stunden unterworfen. Die Auswertung
nach DIN 53167 ergab eine Unterwanderung von <0,1 mm. Daraus ergibt sich, daß die
vorgeschlagene Arbeitsweise trotz der niedrigen Behandlungstemperatur einen guten
Überzug ergibt.
1. Verfahren zur Phosphatierung von Metalloberflächen, insbesondere von Eisen, Stahl
und verzinktem Stahl, durch deren Behandlung mit wäßrigen, sauren Zinkphosphat-Bädern
bei-nur mäßig erhöhten Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß man im Temperaturbereich
von 22 - 38 °C mit Bädern arbeitet, die den folgenden Bedingungen entsprechen:
Gehalt an freier Säure 0,05 - 0,4 Punkte pH 3,0 - 4,0
-2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Bäder einsetzt, in
denen das Verhältnis Zn/PO43- im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 11, vorzugsweise im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 4 liegt.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Bäder einsetzt,
deren PO43-Gehalt 4 - 15 g/l, insbesondere 4 - 8 g/l beträgt.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Bäder einsetzt,
die den folgenden Bedingungen entsprechen:
bevorzugter Gehalt an freier Säure 0,1 - 0,2 Punkte pH 3,5 - 4,0.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung
bei Temperaturen von 28- 38 C durchführt.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß Bäder eingesetzt werden,
die zusätzlich Nickel-(II)-Ionen enthalten, wobei bevorzugt der Nickelgehalt das Verhältnis
Zn/Ni von 1/0,5 nicht überschreitet.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß eisenhaltige Zinkphosphatschichten
mit einem Eisengehalt von 5 - 20 Gew.-% ausgebildet werden.
8. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit Bädern gearbeitet
wird, deren Gehalt an Gesamtsäure im Bereich von 8 - 30 Punkten, insbesondere im Bereich
von 9 - 15 Punkten, liegt.
9. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß Bäder eingesetzt werden,
die übliche aktivierende und/ oder die Schichtbildung verbessernde Zusatzstoffe, wie
Chlorat, Nitrat, Nitrit, Wasserstoffperoxid, aromatische Nitroverbindung en, einfache
und/oder komplexe Fluoride und/oder Komplexbildner enthalten.
10. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß es als Vorbehandlung
für eine nachfolgende katodische Elektrotauchlackierung eingesetzt wird.
11. Wäßrig saures Behandlungsbad für die Phosphatierung von Metalloberflächen, insbesondere
von Eisen, Stahl und verzinktem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß seine Zusammensetzung
den folgenden Bedingungen entspricht:
Gehalt an freier Säure 0,05 - 0,4 Punkte Gehalt an Gesamtsäure 8 - 30 Punkte Verhältnis
Zn/PO
43- 1 : 2 bis 1 : 11 pH 3,0 - 4,0
12. Wäßriges Behandlungsbad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß seine Zusammensetzung
den folgenden Bedingungen entspricht:
Gehalt an freier Säure 0,1 - 0,2 Punkte Gehalt an Gesamtsäure 9 - 15 Punkte Verhältnis
Zn/PO
43- 1 : 2 bis 1 : 4 pH 3,5 - 4,0
sowie zusätzlich enthaltend übliche aktivierende und/oder die Schichtbildung verbessernde
Zusatzstoffe.