Innovative Produkte für Magnesium vom Guss bis zur Beschichtung Sascha Olbrich SurTec Deutschland GmbH

Transkript

1 Innovative Produkte für Magnesium vom Guss bis zur Beschichtung Sascha Olbrich SurTec Deutschland GmbH SurTec International GmbH Pulversymposium Dresden

2 Gliederung 1. SurTec Vorstellung des Unternehmens 2. Magnesium Ein hochinteressanter Konstruktionswerkstoff Chemisches Verhalten des Elementes Magnesium und Korrosion Herstellung von Magnesiumguss Mögliche Verunreinigungen beim Gießprozess 3. Vorbehandlung elementarer Schritt für nachfolgende Prozesse Reinigung der Magnesiumoberfläche Neuentwicklung Magnesiumbeize SurTec Schutz des Magnesiums vor Korrosion auf chemischem Weg Passivieren und lackieren 5. Beispiele - Tests und Ergebnisse zu passivierten und lackierten Magnesiumteilen 6. Zusammenfassung 2 SurTec Deutschland

3 SurTec SurTec ist ein weltweit aktiver Spezialist für Chemikalien in der industriellen Teilereinigung, der Vorbehandlung von Metallen und der 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 Übersicht Metal Pretreatment (MPT) Stahl + verzinkter Stahl Aluminium Magnesium SurTec 609 GV Phosphatersatz ohne Flugrostbildung SurTec 618 LT Nickel- und kupferfreie Zinkphosphatierung SurTec 650/ SurTec 650 R Chrom(VI) freie Vorbehandlung für Aluminium und Nachbehandlung von voranodisiertem Aluminium mit anschließender Lackierung SurTec 486 Beize und Dekapierung für Magnesium SurTec 650 Chrom(VI) freie Vorbehandlung für Magnesium mit anschließender Lackierung 6 SurTec Deutschland

7 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: 7 SurTec Deutschland

8 MAGNESIUM Chemisches Verhalten des Elementes und Korrosion Reines Mg überzieht sich an feuchter Luft mit einer schützenden Oxidschicht MgO, Passivschicht (d < 1 µm) Wird die Deckschicht mit neutralen, wässrigen Medien in Kontakt gebracht, so wandelt sich MgO in Mg(OH) 2 um Mg(OH) 2 ist erst ab ph ~ 8,5 (und höher) stabil keine geschlossene Deckschicht, da das spezifische molare Volumen des Oxides kleiner ist als das des Metalls es kommt zur Ausbildung von Fehlstellen Mg(OH) 2 ist gegenüber aggressiven Medien wie Chloriden (Neutraler Salzsprühnebel) nicht beständig Korrosion Grund: die entstehenden Salze sind wasserlöslich es wird keine schützende Deckschicht mehr ausgebildet Magnesium muss durch Maßnahmen vor Korrosion geschützt werden, um als Konstruktionswerkstoff breite Anwendung zu finden Legierung des reinen Metalls mit anderen Elementen Passivierung der Oberfläche mit chemischen / elektrochemischen Methoden Auftragen einer Schutzschicht (bspw. Lack) 8 SurTec Deutschland

9 Herstellung 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! 9 SurTec Deutschland

10 Magnesiumoberfläche Reinigung 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! 10 SurTec Deutschland

11 Magnesiumoberfläche Beizen Das Beizen resultiert in einem deutlichen Masseabtrag, der mit der Säurestärke (pks-wert) korreliert Es erfolgt eine Zunahme der Oberflächenrauigkeit Vergrößerung der Oberfläche Die Oberfläche wird mit Sauerstoff angereichert, der Kohlenstoffgehalt wird reduziert Die Korrosionsbeständigkeit der gebeizten Oberflächen im neutralen Salzsprühnebel wird verbessert durch: Beizdauer Ausbildung von Konversionsschichten Säurekonzentration Art des Reinigers WICHTIG: Auch das gründliche Spülen mit geeignetem Wasser (bspw. Stadt- oder VE-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 11 SurTec Deutschland

12 Neuentwicklung: Magnesiumbeize SurTec 486 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 12 SurTec Deutschland

13 Neuentwicklung: Magnesiumbeize SurTec 486 Entfernen der mit Trennmittel kontaminierten Gusshaut am Beispiel: 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 13 SurTec Deutschland

14 Neuentwicklung: Magnesiumbeize SurTec 486 Entwickelt in Kooperation mit Chem-Trend und auf die Trennmittel abgestimmt liefert die Magnesiumbeize SurTec 486 beste Ergebnisse im Bereich Lackhaftung. Alkalische Reinigung ohne SurTec 486 Vorbehandlung mit SurTec 486 Legierung: MgAl4RE4Mn 14 SurTec Deutschland

15 MAGNESIUM Passivieren und Lackieren Passivieren Was passiert? 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) Ziele des chemischen Passivierens: Erzeugung einer haftfesten, homogenen Schicht Guter Korrosionsschutz Geeignet für nachfolgende Beschichtung / Lackierung 3 Mg PO 4 3- Mg 3 (PO 4 ) 2 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 15 SurTec Deutschland

16 MAGNESIUM Schutz vor Korrosion - praktisch Exemplarischer Ablauf einer Vorbehandlung mit verschiedenen gängigen Verfahren 1 Hochalkalisch Entfetten 1 Hochalkalisch Entfetten 2 Spüle Spüle 2 Spüle Spüle 3 Sauer Beizen 3 Sauer Beizen 4 Spüle Spüle 4 Spüle Spüle Nach der Aktivierung und vor der Passivierung muss die Oberfläche sauber und benetzbar sein 5 Chromatieren Cr(VI)-haltig 5 Passivieren Cr(III)-haltig 6 Spüle Cr(VI)-haltig aufwendige Abwasserbehandlung 6 Spüle Cr(III)-haltig 7 Trocknen / Ofen 7 Trocknen / Ofen 8 Lackieren 8 Lackieren 16 SurTec Deutschland

17 SurTec 650 Cr(VI)-freie Passivierung 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) 17 SurTec Deutschland

18 Legierung AZ 31 Lackhaftungstest + Ergebnisse Salzsprühtests Neutraler Salzsprühtest nach DIN EN ISO 9227 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. 18 SurTec Deutschland

19 SurTec 650 Cr(VI)-freie Passivierung 1 2 SurTec SurTec 089, 40 C, 2 min, Ultraschall Stadtwasser, RT, 1 min Stadtwasser, RT, 1 min 3 4 SurTec 486 (5 Vol.%) 2 min, 45 C Stadtwasser, RT, 1 min VE-Wasser, RT, 1 min AZ 91 5 SurTec 650 (5 Vol.%), 1 min, RT, ph = 3,6 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! 19 SurTec Deutschland

20 SurTec 650 Cr(VI)-freie Passivierung 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 8 Trocknen / Ofen (10 min, 60 C) Lackieren µm, Pulverbeschichtung Polyester, 10 min 180 C Objekttemperatur NSS DIN EN ISO 9227 AZ 91 Enthaftung durch Unterwanderung 480 h 0 mm 20 SurTec Deutschland

21 SurTec 650 Cr(VI)-freie Passivierung 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 8 Trocknen / Ofen (10 min, 60 C) Lackieren µm, Pulverbeschichtung Polyester, 10 min 180 C Objekttemperatur AZ 91 VDA Enthaftung durch Unterwanderung 10 Zyklen 0,5-1 mm 21 SurTec Deutschland

22 Zusammenfassung 1. Reinigung/Beizen der Magnesiumoberfläche stellt einen elementaren Schritt dar hinsichtlich: Abreinigung von Fremdstoffen von der Oberfläche, die durch Herstellungs- und/oder Lagerungsprozesse die Oberfläche verunreinigen Vorbereitung für eine nachfolgende Passivierung Auswahl geeigneter Reiniger kann zur Verbesserung des Korrosionsschutzes beitragen 2. 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 3. Passivierte Oberfläche kann nachfolgend mit nahezu allen bekannten Lackiermethoden beschichtet werden 4. Bei Einhaltung gegebener Parameter können eine sehr gute Lackhaftung, sowie ein sehr guter Korrosionsschutz der Bauteile erreicht werden (abhängig von der Magnesiumlegierung) SurTec Deutschland

23 Vielen Dank! SurTec International GmbH