Möglichkeiten der Vorbehandlung zur Oberflächenveredelung

Transkript

1 Möglichkeiten der Vorbehandlung zur Oberflächenveredelung SurTec International GmbH Peter Volk SurTec International GmbH EFM-Symposium 18./ Aalen

2 Gliederung SurTec Vorstellung des Unternehmens Magnesium Ein hochinteressanter Konstruktionswerkstoff Chemisches Verhalten des Elementes Magnesium und Korrosion Herstellung von Magnesiumguss Mögliche Verunreinigungen beim Gießprozess Vorbehandlung elementarer Schritt für nachfolgende Prozesse Reinigung der Magnesiumoberfläche Beizen Neuentwicklung SurTec 486 Passivieren chemisch erzeugter Korrosionsschutz Beispiele - Tests und Ergebnisse zu passivierten und lackierten Magnesiumteilen Zusammenfassung 2 SurTec Deutschland

3 SurTec SurTec Deutschland GmbH SurTec entwickelt, produziert und vertreibt chemische Spezialitäten für die Oberflächenveredlung Industrielle Teilereinigung Metallvorbehandlung Galvanotechnik 3 SurTec Deutschland

4 FREUDENBERG CHEMICAL SPECIALITIES Organisationsstruktur Freudenberg Chemical Specialities KG Weltmarktführer für Spezialschmierstoffe Weltmarktführer für Spezialtrennmittel Partner für Hochleistungs- Schmierstoffe Führend bei Oberflächenund Galvanotechnik 4 SurTec Deutschland

5 Oberflächenbehandlung von Magnesium Offener Erfahrungsaustausch innerhalb der FCS-Gruppe: vom Gießprozess und den dort eingesetzten Trennmitteln über die mechanische Bearbeitung mit Schmierstoffen der industriellen Teilereinigung bis hin zur Vorbehandlung und Beschichtung der Oberfläche. Details können offen ausgetauscht werden und dies führt zu einem abgestimmten Prozess 5 SurTec Deutschland

6 Magnesium Ein hochinteressanter Konstruktionswerkstoff Spezifisches Gewicht Leichtbaupotenzial Hohe Duktilität Gute Schwingungsdämpfung Versprödet nicht bei tiefen Temperaturen Gießwerkstoff (dünne Wandstärken herstellbar) Sehr gute mechanische Bearbeitbarkeit ABER Magnesium ist aufgrund seines unedlen Charakters sehr korrosionsanfällig! Quelle: 6 SurTec Deutschland

7 Magnesiumguss Mögliche Verunreinigungen der Oberfläche Verunreinigung der Magnesiumoberfläche durch eingesetzte Hilfsmittel beim Gießen: Kolbenschmiermittel beim Kaltkammergießverfahren Paste/Silberleitpaste bzw. Anti-Lötfett bei Auftreten von Hotspots und um ein Anlegieren (Kleben) an die Form zu vermeiden Paste/Silberleitpaste bzw. Anti-Lötfett als Hilfsstoff beim Anfahren der Maschine Undichtigkeiten der Form und Austreten von Temperier-Medium Rückstände Formtrennmittel Schmand bzw. Oxid beim Abschrecken Oxidation und Korrosion während der Lagerung Verschmutzung der Oberfläche durch unsachgemäße Lagerung Der Reinigung der Oberfläche vor dem Beschichten kommt besondere Bedeutung zu! 7 SurTec Deutschland

8 Magnesium Behandlung der Oberfläche vor der Beschichtung Exemplarischer Ablauf einer Vorbehandlung Hochalkalisch Entfetten Spüle Spüle Sauer Beizen Spüle VE-Spüle Nach der Aktivierung und vor der Passivierung muss die Oberfläche sauber und benetzbar sein Passivieren VE-Spüle Trocknen / Ofen Lackieren 8 SurTec Deutschland

9 Magnesiumoberfläche Entfetten Oberflächeneigenschaften vor dem Reinigen: Behaftet mit Fremdsubstanzen (Fette/Öle, Staub, Trennmittel, ) Keine Benetzbarkeit der Oberfläche mit Wasser, d.h. die Oberfläche ist hydrophob Passive Oberfläche Reinigung der Magnesiumoberfläche durch: Hochalkalische wässrige Medien, die die Oberfläche reinigen, aber das Grundmetall nicht angreifen (ph 10), erhöhte Temperaturen Ultraschallunterstützung ist hilfreich Werden Reiniger mit einem niedrigeren ph-wert verwendet, so können Verfärbungen an der Oberfläche durch Legierungsbestandteile auftreten (Schmand) Oberfläche ist zwar von Verunreinigungen aus dem Herstellungsprozess befreit, aber lose aufliegende Legierungsbestandteile können bspw. Lackhaftung vermindern Quelle: Wichtig für anschließende Korrosionsschutzbehandlung: die Oberfläche des Werkstücks muss sauber sein! 9 SurTec Deutschland

10 Magnesiumoberfläche Beizen Beizen der Magnesiumoberfläche Das Beizen resultiert in einem deutlichen Masseabtrag Es erfolgt eine Zunahme der Oberflächenrauigkeit Vergrößerung der Oberfläche Oxide und Korrosionsprodukte (auch durch Lagerung) werden minimiert Inhomogene Grenzschichten werden entfernt; eingelagerte Rückstände werden freigelegt und abgebeizt; der Kohlenstoffgehalt der Oberfläche wird reduziert Die Korrosionsbeständigkeit der gebeizten Oberflächen wird verbessert durch: Art des Reinigers Säurekonzentration in der Beize und Entfernen/Vermeiden von Beizbast Ausbildung von Konversionsschichten WICHTIG: Auch das gründliche Spülen mit geeignetem Wasser zwischen den einzelnen Prozessbädern trägt zu einem guten Korrosionsschutz sowie zu einer guten Lackhaftung bei Entfernung von Salzresten auf der Oberfläche Quelle: A. Schütz, U. Mierau, A. Rudolf: Verfahren zur Herstellung definierter Magnesiumoberflächen, Vortrag beim 4. Korrosionsschutzsymposium vom Mai 2011 in Trent / Rügen 10 SurTec Deutschland

11 Neuentwicklung: Magnesiumbeize SurTec 486 Beizen: Legierungsmetalle werden von der Oberfläche gleichmäßig entfernt. 1) Reinigung: SurTec 138 (4 Vol.%) + SurTec 089 (1 Vol.%); 5 min; Tauchen; 60 C 2) Beizen in Oxalsäure; 5 %; 25 C; 15 s (erzeugt einen dunklen Beizbast auf MgAl4RE4Mn) 3) Dekapieren in SurTec 486; 10 %; 55 C Legierung: MgAl4RE4Mn 0 s 10 s 20 s 30 s 40 s 50 s 60 s 70 s 11 SurTec Deutschland

12 Neuentwicklung: Magnesiumbeize SurTec 486 Entfernen von mit Trennmittel kontaminierten Oxiden: Legierung AZ 91 SurTec 138/089; 5 min; 60 C SurTec 486; 5 Vol%; 55 C; 2 min Oberfläche im Anlieferungszustand SurTec 138/089; 5 min; 60 C SurTec 486;10 Vol%; 55 C; 2 min 12 SurTec Deutschland

13 Neuentwicklung: Magnesiumbeize SurTec 486 Entwickelt in Kooperation mit Chem-Trend: Die auf die Trennmittel abgestimmt Magnesiumbeize SurTec 486 liefert beste Ergebnisse im Bereich Lackhaftung. Alkalische Reinigung ohne SurTec 486 Vorbehandlung mit SurTec 486 Legierung: MgAl4RE4Mn 13 SurTec Deutschland

14 Magnesiumoberfläche Passivieren Grundlagen Durch den Kontakt der sauberen und aktivierten Magnesiumoberfläche mit einer chemischen Lösung, die geeignete Anionen enthält, wird auf der Magnesiumoberfläche eine nichtmetallische, meist anorganische Schicht erzeugt, die fest mit dem Metall verbunden ist (Erzeugung einer Konversionsschicht) Unterteilung in: 1. Chromatieren (Cr(VI)-haltig), ph = 1 4 Mg + 2 H + Mg H (aktivieren) Mg 2+ + Cr 2 O 2-7 MgCr 2 O 7 2. Phosphatieren Mg + 2 H + Mg H (aktivieren) 3 Mg PO 3-4 Mg 3 (PO 4 ) 2 Ziele des chemischen Passivierens: Erzeugung einer haftfesten, homogenen Schicht Guter Korrosionsschutz Geeignet für nachfolgende Beschichtung / Lackierung 3. Passivieren (Cr(III)-haltig) Mg + 2 H+ Mg2+ + 2H (aktivieren) x Cr 3+ + y Mg 2+ + z OH - Cr x Mg y (OH) z 14 SurTec Deutschland

15 Magnesiumoberfläche Passivieren mit Cr(III) Oxidationsstufe Eigenschaften +6 (CrO 3 ) giftig, karzinogen, brandfördernd T +, (C), N, O +3 (Cr 2 O 3 ) nicht kennzeichnungspflichtig 0 (Metall) nicht kennzeichnungspflichtig Masseanteil Chrom in der Erdhülle: 200 g/tonne Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999 Im Jahr 2000 wurden ungefähr 15 Millionen Tonnen marktfähiges Chromiterz (FeCr 2 O 4 ) gefördert. Wikipedia Amtsblatt der Europäischen Union: RICHTLINIE 2008/100/EG DER KOMMISSION vom 28. Oktober über die Nährwertkennzeichnung von Lebensmitteln hinsichtlich der empfohlenen Tagesdosen,... empfohlene Tagesdosis für Chrom: 40 µg 15 SurTec Deutschland

16 Magnesiumoberfläche Passivieren mit Cr(III) Verbote und Einschränkungen beziehen sich nur auf Cr(VI)-Verbindungen Farbpigmente Holzschutz Piper J-3 Cub - Wikipedia van Gogh, Neue Pinakothek München Eine gängige Imprägnierung für Holz enthält Chrom(VI), Kupfer, Arsen (CCA). Der CrO 3 -Gehalt ist etwa 50 %. In den USA wurden Tonnen verwendet. Das Chrom dient eigentlich nur als Bindemittel für die Cellulose. Wikipedia... und natürlich Verchromungselektrolyte und Gelbchromatierung 16 SurTec Deutschland

17 Magnesiumoberfläche Passivieren mit Cr(III) Chrom(III)-Verbindungen sind nicht betroffen Rubin Rubinkorund Procof e.k. Farbpigment für Gläser und Porzellan Gerben von Leder Porzellan Manufaktur Hütter 17 SurTec Deutschland

18 Magnesiumoberfläche Passivieren mit Cr(III) Farbpigment Thomas Seilnacht, Snaefellsness (Island) Mühlheimer Brücke und natürlich Chrom(III)-haltige Elektrolyte und Passivierungen 18 SurTec Deutschland

19 SurTec 650 Passivieren mit Cr(III) REM-Analyse der Passivierungsschicht auf Magnesium Passivschicht Wirkung als: 1. Korrosionsschutz 2. Haftvermittler Magnesium / Lack Schichtdicke: ~ nm (bei 20 Vol.% SurTec 650) Mg Substrat (AZ31) 19 SurTec Deutschland

20 Legierung AZ 31 Beispiele Neutraler Salzsprühtest nach DIN EN ISO 9227 Einfluss der Offenzeit Gelbchromatierung (direkt im Anschluss an die Chromatierung lackiert) SurTec 650, 20 %, RT, 2 min, ph 3.6 (direkt im Anschluss an die Passivierung lackiert) SurTec 650, 168 h bis Lackierung SurTec 650, 48 h bis Lackierung Fazit: es sollten maximal 48 h zwischen Passivierung und anschließender Lackierung vergehen, um eine gute Lackhaftung sowie einen optimalen Korrosionsschutz zu erzielen. 20 SurTec Deutschland

21 SurTec 650 Beispiele 1 2 SurTec SurTec 089, 40 C, 2 min, Ultraschall Stadtwasser, RT, 1 min Stadtwasser, RT, 1 min SurTec 486 (5 Vol.%) 2 min, 45 C Stadtwasser, RT, 1 min VE-Wasser, RT, 1 min SurTec 650 (5 Vol.%), 1 min, RT, ph = 3,6 AZ 91 6 VE-Wasser, RT, 1 min 7 Trocknen / Ofen (10 min, 60 C) 8 Lackieren µm, Pulverbeschichtung Polyester, 10 min 180 C Objekttemperatur Teile wurden komplett lackiert und danach zersägt Beste Haftung an den Schnittkanten! 21 SurTec Deutschland

22 SurTec 650 Beispiele 1 2 SurTec SurTec 086, 60 C, 5 min, Spritzen Stadtwasser, RT, 1 min Stadtwasser, RT, 1 min HNO 3, ph = 1,9, 2 min, C Stadtwasser, RT, 1 min VE-Wasser, RT, 1 min SurTec 650 (20 Vol.%), 1 min, 35 C, ph = 3,6, Spritzen AZ 91 6 VE-Wasser, RT, 1 min 7 Trocknen / Ofen (10 min, 60 C) 8 Lackieren µm, Pulverbeschichtung Polyester, 10 min 180 C Objekttemperatur Haftfest und gegen Korrosion geschützt AZ 91 NSS DIN EN ISO 9227 Enthaftung durch Unterwanderung 480 h 0 mm 22 SurTec Deutschland

23 SurTec 650 Beispiele 1 2 SurTec SurTec 089, 60 C, 5 min, Tauchen Stadtwasser, RT, 1 min Stadtwasser, RT, 1 min HNO 3, ph = 1,9, 2 min, C Stadtwasser, RT, 1 min VE-Wasser, RT, 1 min SurTec 650 (20 Vol.%), 1 min, 35 C, ph = 3,6, Tauchen AZ 91 6 VE-Wasser, RT, 1 min 7 Trocknen / Ofen (10 min, 60 C) 8 Lackieren µm, Pulverbeschichtung Polyester, 10 min 180 C Objekttemperatur Haftfest und gegen Korrosion geschützt AZ 91 NSS DIN EN ISO 9227 Enthaftung durch Unterwanderung 480 h 0 mm 23 SurTec Deutschland

24 SurTec 650 Beispiele 1 2 SurTec 143, 60 C, 3 min, Spritzen Stadtwasser, RT, 1 min Stadtwasser, RT, 1 min SurTec 486 (5 Vol.%) 2 min, 45 C Stadtwasser, RT, 1 min VE-Wasser, RT, 1 min SurTec 650 (20 Vol.%), 1 min, 35 C, ph = 3,6, Spritzen AZ 91 6 VE-Wasser, RT, 1 min 7 Trocknen / Ofen (10 min, 60 C) 8 Lackieren µm, Pulverbeschichtung Polyester, 10 min 180 C Objekttemperatur Korrosionsschutz gegen Wechselklima AZ 91 VDA Enthaftung durch Unterwanderung 10 Zyklen 0,5-1 mm 24 SurTec Deutschland

25 Zusammenfassung Reinigung/Beizen der Magnesiumoberfläche ist unverzichtbar: Abreinigung von Fremdstoffen, die durch Herstellungs- und/oder Lagerungsprozesse die Oberfläche verunreinigen Vorbereitung für eine nachfolgende Passivierung Auswahl geeigneter Reiniger kann zur Verbesserung des Korrosionsschutzes beitragen Passivieren mit Chrom(III)-haltigen Elektrolyten bietet die Möglichkeit: die Korrosionsbeständigkeit von zu lackierenden Magnesiumoberflächen zu erhöhen einen hervorragenden Haftgrund für anschließende Lackierung bereitzustellen ohne signifikante anlagentechnische Veränderungen gegenüber der Chromatierung ABER: einfachere Abwasserbehandlung Passivierte Oberfläche kann nachfolgend mit nahezu allen bekannten Lackiermethoden beschichtet werden Bei Einhaltung gegebener Parameter können eine sehr gute Lackhaftung, sowie ein sehr guter Korrosionsschutz der Bauteile erreicht werden (abhängig von der Magnesiumlegierung) 25 SurTec Deutschland

26 Vielen Dank! SurTec International GmbH