EP0012399B1 - Verfahren zum Aufbringen metallischer Überzüge auf metallische Werkstücke durch mechanisch-chemisches Behandeln der Werkstücke - Google Patents
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- EP0012399B1 EP0012399B1 EP79105012A EP79105012A EP0012399B1 EP 0012399 B1 EP0012399 B1 EP 0012399B1 EP 79105012 A EP79105012 A EP 79105012A EP 79105012 A EP79105012 A EP 79105012A EP 0012399 B1 EP0012399 B1 EP 0012399B1
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
- C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
- C23C24/045—Impact or kinetic deposition of particles by trembling using impacting inert media
Definitions
- the invention relates to a method for applying metallic coatings to metallic workpieces by treating the workpieces in an inert baffle containing bath, by immersing the workpieces in the bath and generating a relative movement between workpieces and baffle bodies or bath, which is an aqueous acidic solution with bath containing nonylphenol polyglycol ether as activator after cleaning the workpieces, metal ions and further a reaction mixture and the metal powder forming the coating are added.
- Such a method has the advantage over galvanically operating methods that the danger of hydrogen embrittlement of the treated workpieces is largely excluded.
- such a process is carried out in such a way that the workpieces are cleaned, an intermediate layer of a thin tin coating being applied at the same time. Then the metal powder that forms the actual coating is added to the bath, and only when this has been distributed in the bath after further relative movement and the pH of the bath has risen to about 5 is acidic sodium sulfate added, under the effect of which further movement moves then the coating forms on the workpieces.
- the workpieces are freed of rust and scale and the surface is prepared for receiving an intermediate layer of a non-ferrous metal, in particular copper, which is then to be applied.
- the intermediate layer is deposited from a copper solution which is filled into the drum.
- a so-called promoter chemical is entered, which ensures that the powdered coating metal also added is cleaned and a uniform surface distribution is achieved.
- the size of the glass balls is chosen so that the powdered coating metal also in recesses, for. B. gets to the bottom of thread grooves and thus an optimal coating is achieved.
- the contents of the drum are fed to a separator in which the workpieces are separated from the glass balls.
- a separator in which the workpieces are separated from the glass balls.
- a disadvantage of the known method is the relatively large outlay for the application of the intermediate layer and for the production of the so-called promoters, which act as catalysts in the production of the intermediate layer.
- the intermediate layer is often applied in a separate chemical bath in one or more other treatment containers before the workpieces are treated to apply the actual metallic coating. But even if the application of the intermediate layer does not take place in a separate treatment container, a relatively large amount of time and the expenditure of promoters and the like mentioned are required for this.
- the object of the invention is to provide a method of the type described in the opening paragraph in which the formation of an intermediate layer is no longer necessary and with which metallic coatings can be applied more quickly to metallic workpieces.
- the bath set to a pH between 1 and 2 simultaneously contains the metal powder and a reaction mixture of hydrazine chloride and / or hydrazine sulfate and / or iron (II) sulfate with metal ions for local element formation and with tin (II) and / or antimony III sulfate is added to form a spongy tin or antimony layer adhering to the metal powder particles.
- copper and / or tin ions can be added to the reaction mixture.
- the method according to the invention is particularly suitable for the use of zinc, tin, cadmium, silver, gold or their alloys as coating material.
- the metal powder should have a grain size of less than 10 m.
- metallic coatings to metallic workpieces can apply, J teeth that before an intermediate layer has been applied.
- the use of oxyethylated nonylphenol polyglycol ether achieves solidification and leveling of the coating to be applied. It is essential when carrying out the method according to the invention that local elements are formed. Such local elements arise during the development of hydrogen when metal and acid meet. However, a coherent hydrogen skin often forms, which prevents further reactions. This is especially true when pure zinc meets acid.
- oxyethylated nonylphenol polyglycol ethers prevents redissolving, oxidizing or agglomeration of the individual particles until they reach the surface of the material and are firmly connected to the workpiece surface by mechanical action (impact of the glass balls) and the resulting short-term temperature increase.
- the workpieces treated with it have a corresponding corrosion resistance.
- coating metals that have only a low corrosion resistance such as. B. zinc, it is desirable to improve the corrosion resistance.
- a further reaction mixture with a metal salt of a metal other than the coating metal or with a plastic can be added to the bath.
- the additional reaction mixture can contain in particular 50% metal salt or plastic, 30% potassium chloride, 15% sodium acetate and 5% silica.
- tin-II sulfate or antimony-III sulfate or lead chloride are particularly recommended as metal salts.
- plastic it should be in granulate form with a grain size of less than 8 ⁇ m.
- Granules made of PVC or melamine resin are particularly suitable as plastics.
- the procedure for carrying out the method is such that the metallic workpieces are placed in an acid-proof drum which rotates about its own axis or are hung on a rotating frame which rotates in a bath. In the bath or in the drum are then sponged with water baffle, z. B. glass balls introduced. The diameter of the impact body is kept so that it also in recesses, for. B. thread grooves of screws.
- the pH of the bath is adjusted to a value of approx. 1 to 2 with mineral acids.
- metal powder particles e.g. B. zinc particles, the diameter of which is 10 micrometers, and dispersed by a few revolutions in the bath.
- the metal powder particles are activated and by the presence of the oxyethylated nonylphenol Polyglycol ethers are kept in this activated form until they come into contact with the likewise activated workpiece surface and adhere there.
- the pH value of the bath increases during the treatment of the workpieces in the bath. When the pH has reached 3 to 4, a further reaction mixture, if any, is introduced into the bath.
- This consists of a metal salt or plastic granulate as well as potassium chloride, sodium acetate and silica.
- a metal salt or plastic granulate as well as potassium chloride, sodium acetate and silica.
- potassium chloride sodium acetate
- silica silica
- the zinc powder was activated immediately, deposited on the base metal and formed a uniform, matt glossy coating of 8 ⁇ m.
- the running time was 10-15 minutes, after which the pH rose to pH 5-6.
- the screws were separated from the glass balls by unloading them onto a sieve plate. 1
- the frame was continuously passed through 50 1 glass balls (composition as in experiment 1), which 1 1 of an activator, consisting of: 1 were added to adjust the pH. Then immediately 1000 g of zinc powder and 100 g of a reaction mixture consisting of: added.
- the zinc powder was deposited and formed a 100 ⁇ m thick coating on the wheel springs.
- the pH had risen to 5-.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen metallischer Überzüge auf metaliische Werkstücke durch Behandeln der Werkstücke in einem inerte Prallkörper enthaltenden Bad, indem die Werkstücke in das Bad getaucht werden und eine Relativbewegung zwischen Werkstücken und Prallkörpern bzw. Bad erzeugt wird, wobei dem eine wäßrige saure Lösung mit Nonylphenol-Polyglykoläther als Aktivator enthaltenden Bad nach dem Reinigen der Werkstücke Metallionen und ferner ein Reaktionsgemisch sowie das den Überzug bildende Metallpulver zugegeben werden.
- Ein derartiges Verfahren hat gegenüber galvanisch arbeitenden Verfahren den Vorteil, daß die Gefahr einer Wasserstoffversprödung der behandelten Werkstücke weitgehend ausgeschlossen ist. Im allgemeinen geht man bei einem solchen Verfahren so vor, daß die Werkstücke gereinigt werden, wobei gleichzeitig eine Zwischenschicht aus einem dünnen Zinnüberzug aufgebracht wird. Dann wird dem Bad das den eigentlichen Überzug bildende Metallpulver zugeführt, und erst wenn dieses sich nach weiterer Relativbewegung im Bad verteilt hat und der pH-Wert des Bades auf ca. 5 angestiegen ist, wird saures Natriumsulfat zugegeben, unter dessen Wirkung bei weiterer Relativbewegung sich dann der Überzug auf den Werkstücken bildet. - Man kann aber auch so vorgehen, daß die entfetteten Werkstücke zusammen mit den Prallkörpern, die in der Regel aus einer Glaskugel-Mischung bestehen, in eine Trommel eingebracht werden. Durch Zugabe einer Entzunderungschemikalie werden die Werkstücke von Rost und Zunder befreit und die Oberfläche für die Aufnahme einer dann aufzubringenden Zwischenschicht aus einem NE-Metall, insbesondere Kupfer, vorbereitet. Die Zwischenschicht wird aus einer Kupferlösung abgeschieden, die in die Trommel eingefüllt wird. Dann wird eine sogenannte Promoterchemikalie eingegeben, die dafür Sorge trägt, daß das ebenfalls zugefügte pulverförmige Überzugmetall gereinigt und eine gleichmäßige Oberflächenverteilung erzielt wird. Während der Relativbewegung zwischen Werkstücken und Bad bzw. Glaskugeln-, d. h. während des Drehens der Trommel, wirken die Glaskugeln als Träger für die Metallpulverteilchen und bringen diese an die Werkstückoberfläche heran, an der sie durch Kaltverschweißung haften bleiben. Der bei der Relativbewegung entstehende mechanische Druck sorgt für die entsprechende Verfestigung des Gefüges. Die Größe der Glaskugeln wird so gewählt, daß das pulverförmige Überzugmetall auch in Vertiefungen, z. B. auf den Grund von Gewinderillen gelangt und damit eine optimale Beschichtung erreicht wird. Nach einer bestimmten Behandlungszeit wird der Trommelinhalt einem Separator zugeleitet, in dem die Werkstücke von den Glaskugeln getrennt werden. Ein derartiges Verfahren ist in der DE-C-1 771 816 beschrieben.
- Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist der verhältnismäßig große Aufwand für das Aufbringen der Zwischenschicht und für die Herstellung der sogenannten Promotoren, die als Katalysatoren bei der Erzeugung der Zwischenschicht mitwirken. Vielfach wird nämlich die Zwischenschicht noch in einem gesonderten chemischen Bad in einem oder mehreren anderen Behandlungsbehältern aufgebracht, bevor die Werkstücke zum Aufbringen des eigentlichen metallischen Überzuges behandelt werden. Aber selbst wenn das Aufbringen der Zwischenschicht nicht in einem gesonderten Behandlungsbehälter erfolgt, benötigt man dafür verhältnismäßig viel Zeit und den genannten Aufwand an Promotoren und dergleichen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, bei dem die Bildung einer Zwischenschicht nicht mehr erforderlich ist und mit dem metallische Überzüge schneller auf metallische Werkstücke aufgebracht werden können.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem auf einen pH-Wert zwischen 1 und 2 eingestellten Bad gleichzeitig das Metallpulver und ein Reaktionsgemisch aus Hydrazinchlorid und/oder Hydrazinsulfat und/oder Eisen-II-Sulfat mit Metallionen zur Lokalelementbildung sowie mit Zinn-II- und/oder Antimon-III-Sulfat zur Bildung einer schwammigen, auf den Metallpulverpartikelri anhaftenden Zinn- oder Antimonschicht zugegeben wird.
- Insbesondere können dem Reaktionsgemisch Kupfer- und/oder Zinnionen zugesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für die Verwendung von Zink, Zinn, Kadmium, Silber, Gold oder deren Legierungen als Überzugsmaterial. Das Metallpulver sollte eine Korngröße von kleiner 10 m besitzen.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich metallische Überzüge auf metallische Werkstücke aufbringen, Jhne daß vorher eine Zwischenschicht aufgebracht worden ist. Dabei wird insbesondere durch den Einsatz oxäthylierter Nonylphenol-Polyglykoläther eine Verfestigung und Einebnung des aufzubringenden Überzuges erreicht. Wesentlich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß Lokalelemente gebildet werden. Derartige Lokalelemente entstehen bei der Entwicklung von Wasserstoff beim Zusammentreffen von Metall und Säure. Dabei bildet sich jedoch häufig eine zusammenhängende Wasserstoffhaut, die weitere Reaktionen verhindert. Das gilt insbesondere wenn reines Zink mit Säure zusammentrifft. - Werden dem Zink jedoch Verunreinigungen in Form von Kupfer- oder Zinnionen zugesetzt, dann bildet sich ein Lokalelement weil am Zink Zn2+ in Lösung geht, die Elektronen zum Kupfer wandern und dort das Wasserstoffion entladen und somit die Bildung der Wasserstoffhaut vermieden wird. Gleichzeitig wird durch Reduktion mit Hydrazindichlorid und/oder Hydrazin und/oder Eisen-II-Sulfat Zinn II in metallisches Zinn oder Antimon 111 in metallisches Antimon überführt, das sich schwammig, ein oder mehrere Zinkpartikeln umhüllend, abscheidet. Durch die Anwesenheit oxäthylierter Nonylphenol-polyglykoläther wird ein Rücklösen, Oxydieren oder Zusammenballen der einzelnen Partikeln so lange vermieden, bis sie an die Werkstoffoberfläche gelangen und dort durch mechanische Einwirkung (Schlagwirkung der Glaskugeln) sowie die dabei entstehende kurzzeitige Temperaturerhöhung fest mit der Werkstückoberfläche verbunden werden.
- Je nach Art des verwendeten Überzugmetalls, das z. B. Zinn, Zink, Kadmium, Blei aber auch Silber oder Gold sein kann, besitzen die damit behandelten Werkstücke eine entsprechende Korrosionsbeständigkeit. Bei Überzugsmetallen, die eine nur geringe Korrosionsbeständigkeit besitzen, wie z. B. Zink, ist es wünschenswert, die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Hier kann kurz vor Beendigung der Überzugsbildung dem Bad ein weiteres Reaktionsgemisch mit einem Metallsalz eines anderen Metalls als dem Überzugsmetall oder mit einem Kunststoff zugesetzt werden.
- Die Beendigung der Überzugsbildung läßt sich am Ansteigen des pH-Wertes des Bades ablesen. Deswegen empfiehlt es sich, das weitere Reaktionsgemisch zuzusetzen, wenn der pH-Wert des Bades auf 3 bis 4 angestiegen ist.
- Das zusätzliche Reaktionsgemisch kann insbesondere 50% Metallsalz oder Kunststoff, 30% Kaliumchlorid, 15% Natriumacetat und 5% Kieselsäure enthalten.
- Bei Überzügen aus Zink empfehlen sich als Metallsalze insbesondere Zinn-II-Sulfat oder Antimon-III-Sulfat oder Bleichlorid.
- Bei Verwendung von Kunststoff sollte dieser in Granulatform mit einer Korngröße kleiner 8 µm vorliegen. Als Kunststoffe kommen insbesondere Granulate aus PVC oder Melamin-Harz in Frage.
- Im einzelnen geht man bei der Durchführung des Verfahrens so vor, daß die metallischen Werkstücke in eine säurefeste, um die eigene Achse rotierende Trommel gebracht oder an ein rotierendes Gestell gehängt werden, das in einem Bad rotiert. In das Bad bzw. in die Trommel werden dann mit Wasser ausgeschwämmte Prallkörper, z. B. Glaskugeln, eingebracht. Der Durchmesser der Prallkörper wird so gehalten, daß sie auch in Vertiefungen, z. B. Gewinderillen von Schrauben, gelangen können.
- Der pH-Wert des Bades wird mit Mineralsäuren auf einen Wert von ca. 1 bis 2 eingestellt. Nach einigen Umdrehungen der Trommel oder des Gestells wird eine im Hinblick auf Oberfläche und gewünschte Schichtdicke bestimmte Menge an Metallpulverpartikeln, z. B. Zinkpartikeln, deren Durchmesser 10 micrometer ist, eingesetzt und durch einige Umdrehungen im Bad dispergiert. Durch Zusatz eines Reaktionsgemisches aus Hydrazindichlorid und/oder Hydrazinsulfat und/oder Eisen-II-Sulfat unter Anwesenheit von Zinn-II-Sulfat oder Antimon-III-Sulfat und Kupferionen und/oder Zinnionen werden die Metallpulverpartikel aktiviert und durch die Anwesenheit der oxäthylierten Nonylphenol-Polyglykoläther in dieser aktivierten Form gehalten, bis sie mit der gleichfalls aktivierten Werkstückoberfläche in Berührung kommen und dort haften bleiben. Während der Behandlung der Werkstücke im Bad steigt der pH-Wert des Bades an. Wenn der pH-Wert 3 bis 4 erreicht hat, wird ein gegebenenfalls weiteres Reaktionsgemisch in das Bad eingegeben. Dieses besteht aus einem Metallsalz oder Kunststoffgranulat sowie zusätzlich Kaliumchlorid, Natriumacetat und Kieselsäure. Durch lonenaustausch bildet sich innerhalb von 5 bis 10 Min. eine elementare Metall- oder Kunststoffschicht auf dem vorher gebildeten Überzug (aus Zink), wobei die Metall- oder Kunststoffschicht fest im Überzug verankert ist. Das führt zu einer ganz wesentlichen Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit.
- Im folgenden werden zwei Versuchsergebnisse wiedergegeben.
- In eine achteckige säurefeste Trommel mit einem Volumen von 200 I, die auf beiden Seiten eine Be- und Entladungsöffnung hat, werden 100 I Glaskugeln mit einem Durchmesser von 0,2 bis 6,2 mm gefüllt und 400kg vorgereinigte Schrauben M 8 x 12 zugesetzt und mit Wasser überdeckt. Anschließend wurde mit 1,5-2,21 eines Aktivators, bestehend aus:
- 300-400 g/I H2S04
- 10- 20 g/I oxäthylierter Nonylphenol-Polyglykoläther
- 1 - 5 g/I Korrosionsinhibitor
-
- Das Zinkpulver wurde sofort aktiviert, auf dem Grundmetall abgeschieden und bildete einen gleichförmigen, mattglänzenden Überzug von 8 µm.
- Die Laufzeit betrug 10-15 Minuten, wonach der pH-Wert auf pH 5 - 6 anstieg. Die Schrauben wurden von den Glaskugeln durch Entladen auf ein Siebblech getrennt. 1
- Der Versuch wurde mit Zinnpulver, Kadmiumpulver, Bleipulver u. a. Metallpulvern und deren Legierungen untereinander mit gleichem Ergebnis wiederholt. Bei einer Variante dieses Versuches wurde nach ca. 10 Minuten und bei einem pH-Wert des Bades von 3 bis 4 ein weiteres Reaktionsgemisch aus
- Durch Ionenaustausch bildete sich innerhalb von 5 bis 10 Minuten eine elementare Schicht aus Zinn oder Antimon oder Blei oder deren Legierungen auf dem vorher gebildeten Zinküberzug, so daß die Korrosionsbeständigkeit nach ASTM B 117 um ca. 300 Stunden anstieg.
- Auf ein Rotationsgestell wurden 8 Radfedern mit einer Länge von 30 cm und einem Durchmesser von 8 cm gehängt.
-
- Nach 10 Minuten Laufzeit war das Zinkpulver abgeschieden und bildete einen 100 µm dicken Überzug auf den Radfedern. Der pH-Wert war auf 5 - angestiegen.
- Dieser Versuch wurde ebenfalls mit den unter Versuch 1 beschriebenen Metallpulvern durchgeführt. Die Ergebnisse waren äquivalent.
- Bei einer Variante dieses Versuches wurde nach ca. 7 Minuten und bei einem pH-Wert des Bades von 3-4 ein weiteres Reaktionsgemisch aus 50% eines Kunststoffgranulates (PVC-Granulat und/oder Melamin-Harz-Granulat) einer Korngröße kleiner 8 µm, 30% Kaliumchlorid, 15% Natriumacetat und 5% Kieselsäure in das Bad gegeben. Nach weiteren 5-10 Minuten war auf dem Zinküberzug eine gleichmäßig im Zinküberzug verankerte Kunststoffschicht gebildet, die eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Radfedern um ca. 1000 Stunden nach ASTM B 117 bewirkt.
der pH-Wert 1-2 eingestellt.
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