DE19615664A1 - Chrom(VI)freie Chromatschicht sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Chrom(VI)freie Chromatschicht sowie Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Chrom(VI)freie Chromatschichten gemäß
Anspruch 1, ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß Anspruch 4, ein Konzentrat
gemäß Anspruch 7, ein Passivierungsbad gemäß Anspruch 11, ein Verfahren zur
Passivierung gemäß Anspruch 17 sowie eine Passivschicht gemäß Anspruch 21.
Metallische Werkstoffe insbesondere Eisen und Stahl werden verzinkt oder
verkadmet, um sie vor korrosiven Umwelteinflüssen zu schützen. Der
Korrosionsschutz des Zinks beruht darauf, daß es noch unedler ist als das
Grundmetall und deshalb den korrosiven Angriff zunächst ausschließlich auf sich
zieht, es fungiert als Opferschicht. Das Grundmetall des betreffenden verzinkten
Bauteils bleibt unversehrt, solange es noch durchgehend mit Zink bedeckt ist, und
die mechanische Funktionalität bleibt über längere Zeiträume erhalten als bei
unverzinkten Teilen. Dicke Zinkschichten gewähren natürlich einen höheren
Korrosionsschutz als dünne Schichten - der korrosive Abtrag von dicken Schichten
dauert eben länger.
Der korrosive Angriff auf die Zinkschicht ihrerseits kann durch das Aufbringen einer
Chromatierung stark verzögert werden, und somit wird auch die
Grundmetallkorrosion noch weiter hinausgezögert als durch eine Verzinkung alleine.
Der Korrosionsschutz durch das Schichtsystem Zink/Chromatierung ist erheblich
höher als nur durch eine gleichdicke Zinkschicht. Ferner wird durch eine
Chromatierung auch die optische Beeinträchtigung eines Bauteils durch
Umwelteinflüsse hinausgezögert - auch die Korrosionsprodukte von Zink, der soge
nannte Weißrost, wirken sich störend auf das Aussehen eine Bauteils aus.
Die Vorteile einer aufgebrachten Chromatierung sind so groß, daß fast jede
galvanisch verzinkte Oberfläche zusätzlich auch chromatiert wird. Der Stand der
Technik kennt vier nach ihren Farben benannte Chromatierungen, die jeweils durch
Behandeln (Tauchen, Spritzen, Rollen) einer verzinkten Oberfläche mit der
entsprechenden wäßrige Chromatierungslösung aufgebracht werden. Ferner sind
Gelb- und Grünchromtierungen für Aluminium bekannt, die auf analoge Weise
hergestellt werden. Es handelt sich jedenfalls um unterschiedlich dicke Schichten
aus im wesentlichen amorphem Zink/Chromoxid (bzw. Aluminium/Chromoxid) mit
unstöchiometrischer Zusammensetzung, einem gewissen Wassergehalt und
eingebauten Fremdionen.
Bekannt und nach DIN 50960 Teil 1 in Verfahrensgruppen eingeteilt sind:
Die Blauchromatierungsschicht ist bis zu 80 nm dick, schwach blau in der
Eigenfarbe und weist je nach Schichtdicke eine durch Lichtbrechung erzeugte
goldene, rötliche, bläuliche, grünliche oder gelbe Irisierfarbe auf. Sehr dünne
Chromatschichten fast ohne Eigenfarbe werden als Farbloschromatierungen
(Gruppe A) eingestuft. Die Chromatierungslösung kann in beiden Fällen sowohl
aus sechswertigen als auch aus dreiwertigen Chromaten sowie Gemischen aus
beiden, ferner aus Leitsalzen und Mineralsäuren bestehen. Es gibt
fluoridhaltige und fluoridfreie Varianten. Die Anwendung der Chroma
tierungslösungen erfolgt bei Raumtemperatur. Der Korrosionsschutz von
unverletzten Blauchromatierungen beläuft sich auf 10-40 h im
Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS bis zum ersten Auftreten von
Korrosionsprodukten. Die Mindestforderung für die Verfahrensgruppen A und B
nach DIN 50961 Kapitel 10 Tabelle 3 beträgt 8 h für Trommelware und 16 h für
Gestellware.
Die Gelbchromatierungsschicht ist etwa 0,25-1 µm dick, goldgelb gefärbt und
häufig stark rotgrün irisierend. Die Chromatierungslösung besteht im
wesentlichen aus in Wasser gelösten sechswertigen Chromaten, Leitsalzen
und Mineralsäuren. Die gelbe Farbe rührt von dem signifikanten Anteil (80-220
mg/m²) sechswertigen Chroms her, das neben dem bei der
Schichtbildungsreaktion durch Reduktion erzeugten dreiwertigen Chrom,
eingebaut wird. Die Anwendung der Chromatierungslösungen erfolgt bei
Raumtemperatur. Der Korrosionsschutz von unverletzten Gelbchromatierungen
beläuft sich auf 100-200 h im Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS bis zum
ersten Auftreten von Korrosionsprodukten. Die Mindestforderung für die
Verfahrensgruppe C nach DIN 50961 Kapitel 10 Tabelle 3 beträgt 72 h für
Trommelware und 96 h für Gestellware.
Die typische Olivchromatierungsschicht ist bis zu 1,5 µm dick, deckend olivgrün
bis olivbraun. Die Chromatierungslösung besteht im wesentlichen aus in
Wasser gelösten sechswertigen Chromaten, Leitsalzen und Mineralsäuren,
insbesondere Phosphaten bzw. Phosphorsäure und kann auch Formiate
enthalten. In die Schicht werden erhebliche Mengen von Chrom(VI) (300-400
mg/m²) eingelagert. Die Anwendung der Chromatierungslösungen erfolgt bei
Raumtemperatur. Der Korrosionsschutz von unverletzten Olivchromatierungen
beläuft sich auf 200-400 h im Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS bis zum
ersten Auftreten von Korrosionsprodukten. Die Mindestforderung für die
Verfahrensgruppe D nach DIN 50961 Kapitel 10 Tabelle 3 beträgt 72 h für
Trommelware und 120 h für Gestellware.
Die Schwarzchromatierungsschicht ist im Grunde eine Gelb- oder
Olivchromatierung, in die kolloidales Silber als Pigment eingelagert ist. Die
Chromatierungslösungen haben in etwa die gleiche Zusammensetzung wie
Gelb- oder Olivchromatierungen und enthalten zusätzlich Silberionen. Auf
Zinklegierungsschichten wie Zn/Fe, Zn/Ni oder Zn/Co lagert sich bei
geeigneter Zusammensetzung der Chromatierungslösung Eisen-, Nickel- oder
Cobaltoxid als Schwarzpigment in die Chromatschicht ein, so daß in diesen
Fällen Silber nicht erforderlich ist. In die Chromatschichten werden erhebliche
Mengen Chrom(VI) eingebaut, und zwar je nach dem, ob eine Gelb- oder eine
Olivchromatierung die Basis darstellt zwischen 80 und 400 mg/m². Die
Anwendung der Chromatierungslösungen erfolgt bei Raumtemperatur. Der
Korrosionsschutz von unverletzten Schwarzchromatierungen auf Zink beläuft
sich auf 50-150 h im Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS bis zum ersten
Auftreten von Korrosionsprodukten. Die Mindestforderung für die
Verfahrensgruppe E nach DIN 50961 Kapitel 10 Tabelle 3 beträgt 24 h für
Trommelware und 48 h für Gestellware. Schwarzchromatierungen auf
Zinklegierungen liegen erheblich oberhalb der genannten Werte.
Die Grünchromatierung auf Aluminium (bekannt auch als Alugrün) ist mattgrün
und nicht irisierend. Die Chromatierungslösung besteht im wesentlichen aus in
Wasser gelösten sechswertigen Chromaten, Leitsalzen und Mineralsäuren
sowie insbesondere aus Phosphaten und Silicofluoriden. Die sich bildende
Chromat-/Phosphatschicht ist, wie Iod/Stärketests zeigen, entgegen der
landläufigen Meinung nicht immer 100%ig Chrom(VI)frei. Die Herstellung von
Alugrün in Chromatierungslösungen auf der Basis von ausschließlich
Chrom(III) ist unbekannt.
Nach dem Stand der Technik lassen sich dicke Chromatschichten mit hohem
Korrosionsschutz <100 h im Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS bis zum
Auftreten von ersten Korrosionsprodukten nach DIN 50961 (Juni 1987) Kapitel 10,
insbesondere Kapitel 10.2. 1.2, ohne Versiegelung und weitere besondere
Nachbehandlung (DIN 50961, Kapitel 9) nur durch Behandlung mit gelösten
ausgesprochen giftigen Chrom(VI)-Verbindungen herstellen. Dementsprechend
enthalten die Chromatschichten mit den genannten Anforderungen an den Kor
rosionsschutz noch diese ausgesprochen giftigen und karzinogenen Chrom(VI)-
Verbindungen, die zudem nicht vollständig in der Schicht immobilisiert sind. Die
Chromatierung mit Chrom(VI )-Verbindungen ist hinsichtlich Arbeitsschutz
problematisch. Der Gebrauch von verzinkten und mit Chrom(VI)-Verbindungen
hergestellten Chromatierungen wie z. B. die weitverbreiteten Gelbchromatierungen
z. B. auf Schrauben stellt ein Gefährdungspotential der Bevölkerung dar und erhöht
das allgemeine Krebsrisiko.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine chrom(VI)freie, dicke
Chromatschicht mit hohem Chromanteil auf Zink, Cadmium oder Aluminium zur
Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bezüglich einer Schicht durch die Merkmale der
Ansprüche 1 und 21, verfahrenstechnisch durch die Merkmale der Ansprüche 4 und
17 und hinsichtlich einer Zusammensetzung, die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Merkmale der Ansprüche 7 und 11.
Die Unteransprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dar.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand von theoretischen
Überlegungen, die einerseits nicht bindend sind und andererseits in Kenntnis der
vorliegenden Erfindung von den Erfindern angestellt wurden.
Es wurde folgendes Experiment durchgeführt:
Kleine Stahlteile wurden elektrolytisch glanzverzinkt (ca. 15 µm) und nach der Verzinkung einzeln getaucht in eine kochende (ca. 100 °C), wäßrige Lösung enthaltend:
Kleine Stahlteile wurden elektrolytisch glanzverzinkt (ca. 15 µm) und nach der Verzinkung einzeln getaucht in eine kochende (ca. 100 °C), wäßrige Lösung enthaltend:
100 g/l CrCl₃ · 6 H₂O (dreiwertiges Chromsalz)
100 g/l NaNO₃
15,75 g/l NaF
26,5 g/l Citronensäure · 1 aq
100 g/l NaNO₃
15,75 g/l NaF
26,5 g/l Citronensäure · 1 aq
die zuvor mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 2,5 eingestellt wurde. Die
Tauchzeit betrug 30 s. Die Teile wurden daraufhin mit Wasser gespült und im
Luftstrom getrocknet. Auf den Teilen hatte sich eine grünliche stark irisierende
Schicht, wie sich später herausstellte, aus Zink/Chromoxid gebildet.
Überraschenderweise zeigte sich beim Korrosionstest im Salzsprühschrank nach
DIN 50021 SS, daß die ausgebildete Chromatschicht einen Korrosionsschutz bis zum
Auftreten von ersten Korrosionsprodukten nach DIN 50961 Kapitel 10, insbesondere
Kapitel 10.2.1.2 von sensationellen 1000 h aufwies.
Die neue grünliche Chromatschicht hatte eine Schichtdicke von ca. 800 nm und
wurde auf chrom(VI)freiem Wege erzeugt und war nachweislich chrom(VI)frei.
Die Herstellungsmethode nach Beispiel 1 für die neue grünliche chrom(VI)freie
Chromatierung ist für konventionelle Anlagen wegen der relativ hohen Temperatur
der Prozeßlösung nicht sehr wirtschaftlich. Weitere theoretische Überlegungen zur
chrom(VI)freien Chromatierung und weitere Versuche führten schließlich zu
wirtschaftlichen Herstellungsbedingungen.
Die Chromatierung von Zink geschieht durch die Ausbildung einer sogenannten
Konversionsschicht auf der Zinkoberfläche, d. h. die Zinkoberfläche reagiert
chemisch mit der Chromatierungslösung und wird in eine Chromatschicht
konvertiert. Die Ausbildung von Konversionsschichten ist ein dynamischer Prozeß
jenseits vom chemischen Gleichgewicht. Zur Beschreibung der zugrundeliegenden
Prozesse muß man sich deshalb der chemischen Kinetik bedienen. Mit dem speziell
aufgestellten kinetischen Modell ließen sich Ansatzpunkte zur Optimierung der
vorliegenden Erfindung gewinnen.
Die Konversionsschichtbildung in einer Chromatierungslösung auf der Basis von
Chrom(III) läßt sich anhand von zwei Reaktionsgleichungen beschreiben:
I
Elementares Zink geht durch Säureangriff in Lösung:
Elementares Zink geht durch Säureangriff in Lösung:
II
und fällt zusammen mit Chrom(III) als Zinkchromoxid auf der Zinkoberfläche aus:
und fällt zusammen mit Chrom(III) als Zinkchromoxid auf der Zinkoberfläche aus:
Das kinetische Modell muß Differentialgleichungen für die Konzentrationsverläufe
von Zn⁺, H⁺, CrIII und für das Dickenwachstum der ZnCrO-Schicht umfassen. In
den Reaktionsgeschwindigkeitsansätzen wurde durch Einfügung des Terms
1/(1 + p₁ · m ZnCrO)² berücksichtigt, daß Reaktion I durch die aufwachsende
Passivschicht zunehmend gebremst wird. p₁ ist ein Maß für die Dichtigkeit der
Schicht.
Der Term tanh (p · mZnCro) steht für die zwingende Voraussetzung der Rückreaktion
II, nämlich das Vorhandensein von ZnCrO. Die tanh-Funktion sorgt für einen
gleitenden Übergang von 0 auf 1, der sich mit p₂ einstellen läßt. Das
Differentialgleichungssystem wurde mittels Computer numerisch gelöst. Als Ergebnis
wurden der Schichtdickenverlauf und die Konzentrationsverläufe über die Zeit
erhalten. Als Anfangswerte zur Zeit t₀ = 0 dienten:
= 0
= 10-2 mol/l (pH 2)
= 0,5 mol/l
m0,ZnCrO = 0
= 10-2 mol/l (pH 2)
= 0,5 mol/l
m0,ZnCrO = 0
In Bild 1 sind die Schichtdickenverläufe für verschiedene Werte der
Geschwindigkeitskonstanten ki dargestellt. Für einen guten Korrosionsschutz sollte
die Passivschicht so dick und gleichzeitig so kompakt wie möglich sein.
Je schneller die anfängliche Zinkauflösung (Geschwindigkeitskonstante k₁) und je
schneller das gelöste Zink mit dem Chrom(III) ausfällt (Geschwindigkeitskonstante
k₂), umso dicker wird die Chromatschicht. Das Schichtwachstum wird stark
begünstigt, wenn bereits gelöstes Zink im Bad vorliegt, das ergaben Simulationen
mit < 0. Ein niedriger pH-Wert begünstigt die Zinkauflösung, sorgt aber
auch für eine verstärkte Rücklösung der Schicht.
Aus dem Modell lassen sich im Grunde zwei Forderungen für die Herstellung einer
möglichst dicken Chromatschicht aufstellen. Die Reaktion I und die Hinreaktion II
müssen so schnell wie möglich ablaufen, die Rückreaktion II muß langsam bleiben.
Hierfür ergeben sich folgende Ansatzpunkte:
Reaktion I
a pH-Optimierung
b Vermeidung von Inhibitoreinschleppung aus dem Zinkbad
c Zugabe von Oxidationsmitteln zur Beschleunigung der Zinkauflösung
d Beschleunigung der Zinkauflösung durch Bildung von galvanischen Elementen
a pH-Optimierung
b Vermeidung von Inhibitoreinschleppung aus dem Zinkbad
c Zugabe von Oxidationsmitteln zur Beschleunigung der Zinkauflösung
d Beschleunigung der Zinkauflösung durch Bildung von galvanischen Elementen
Hinreaktion II
e Die Geschwindigkeitskonstante k₂ sollte so groß wie möglich sein. Chrom(III)-Komplexe haben allgemein eine langsame Kinetik. Durch Einsatz geeigneter Liganden sollte sich die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen lassen.
f Bei Verwendung weitere Übergangsmetallkationen in der Chromatierungslösung ergeben sich i.a. auch höhere Geschwindigkeitskonstanten als für Cr(III). Ferner können diese Übergangsmetallkationen als Katalysatoren beim Ligandenaustausch am Chrom(III) wirken.
e Die Geschwindigkeitskonstante k₂ sollte so groß wie möglich sein. Chrom(III)-Komplexe haben allgemein eine langsame Kinetik. Durch Einsatz geeigneter Liganden sollte sich die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen lassen.
f Bei Verwendung weitere Übergangsmetallkationen in der Chromatierungslösung ergeben sich i.a. auch höhere Geschwindigkeitskonstanten als für Cr(III). Ferner können diese Übergangsmetallkationen als Katalysatoren beim Ligandenaustausch am Chrom(III) wirken.
Rückreaktion II
g Einbau von schwer rücklösbaren Hydroxiden, z. B. Nickel-, Cobalt- und/oder Kupferhydroxid.
g Einbau von schwer rücklösbaren Hydroxiden, z. B. Nickel-, Cobalt- und/oder Kupferhydroxid.
Es wurden Reihenversuche durchgeführt. Die Ansatzpunkte a und b sind dem
Fachmann bekannt. Die Beschleunigung der Zinkauflösung über die Punkte c und d
führte zwar auch zu dicken, allerdings gelblichen Überzügen mit einem Chrom/Zink-
Verhältnis von 1 : 4 bis 1 : 3, die nur einen geringen Korrosionsschutz aufwiesen. Es
zeigte sich, daß gute Korrosionsschutzwerte erst bei Chrom/Zink-Verhältnissen
oberhalb von 1 : 2 erreichbar sind.
Ein höheres Chrom/Zink-Verhältnis bei gleichzeitig dickeren Chromatschichten erhält
man bei Erhöhung der Geschwindigkeitskonstante k₂ (Ansatzpunkt e) bzw.
Beschleunigung der Hinreaktion II. Nachdem die Erfinder der vorliegenden
Anmeldung erkannt hatten, daß heiße Chrom(III)-Lösungen zu überraschenden
Passivschichten führen, gibt es im Zusammenhang mit den theoretischen
Überlegungen der Erfinder folgende Möglichkeiten:
- - Erhöhung der Temperatur der Chromatierungslösung und/oder der Teileoberfläche
- - Erhöhung der Chrom(III)-Konzentration in der Prozeßlösung
- - Beschleunigung der Ligandenaustauschkinetik am Chrom(III). Hierzu muß man wissen, daß Chrom(III) in wäßrigen Lösungen im wesentlichen in Form von hexagonalen Komplexen vorliegt die im allgemeinen eine hohe kinetische Stabilität aufweisen und ferner, daß der Ligandenaustausch der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in Hinreaktion II ist. Durch Auswahl geeigneter Komplexliganden, mit denen das Chrom(III) kinetisch weniger stabile Komplexe bildet, wird demnach k₂ erhöht.
- - Zusatz von Elementen in die Chromatierungslösung, die auf den Ligandenaustausch katalytisch wirken.
In Reihenversuchen erwiesen sich Chelatliganden (wie Di- und Tricarbonsäuren
sowie Hydroxydi- und Hydroxytricarbonsäuren) als solche, die kinetisch weiniger
stabile Komplexe mit Chrom(III) bildeten. Wohingegen die Fluoridkomplexe kinetisch
sehr stabil sind. Bei Verwendung nur solcher Chelatliganden zur Komplexierung des
Chrom(III) und Verzicht auf Fluorid in der Passivierungslösung wurden
ausgezeichnete Resultate auch bei einer Behandlungstemperatur von nur 60°C
erzielt, wie die Beispiele 2 und 3 zeigen.
Elektrolytisch glanzverzinkte (15 µm) Stahlteile wurden in eine wäßrige
Chromatierungslösung enthaltend:
50 g/l CrCl₃ · 6 H₂O (dreiwertiges Chromsalz)
100 g/l NaNO₃
31,2 g/l Malonsäure
100 g/l NaNO₃
31,2 g/l Malonsäure
getaucht, die zuvor mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 2,0 eingestellt wurde.
Die Tauchzeit betrug 60 s. Nach Spülung und Trocknung ergab sich im
Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS ein Korrosionsschutz von 250 h bis
Erstangriff nach DIN 50961.
Malonsäure ist ein Ligand, der eine am Chrom(III) eine schnellere
Ligandenaustauschkinetik ermöglicht als das Fluorid aus Beispiel 1. Ein guter
Korrosionsschutz, der die Mindestanforderung von DIN 50961 für die
Verfahrensgruppe C (Gelbchromatierung) bei weitem übertrifft, läßt sich somit schon
bei 60 °C erreichen.
Elektrolytisch glanzverzinkte (15 µm) Stahlteile wurden in eine wäßrige
Chromatierungslösung bestehend aus:
50 g/l CrCl₃ 6 H₂O (dreiwertiges Chromsalz)
3 g/l Co(NO₃)₂
100 g/l NaNO₃
31,2 g/l Malonsäure
3 g/l Co(NO₃)₂
100 g/l NaNO₃
31,2 g/l Malonsäure
getaucht, die zuvor mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 2,0 eingestellt wurde.
Die Tauchzeit betrug 60 s. Nach Spülung und Trocknung ergab sich im
Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS ein Korrosionsschutz von 350 h bis
Erstangriff nach DIN 50961.
Cobalt ist ein Element, daß nach der Modellvorstellung den Ligandenaustausch
katalysieren und ferner durch Einbau von kinetisch stabilen Oxiden in die
Chromatschicht die Rückreaktion II reduzieren könnte, so daß die Chromatschicht
insgesamt dicker werden sollte. Auch in diesem Punkt wird die für die vorliegende
Erfindung aufgestellte Modellvorstellung durch die Praxis gestützt. Der
Korrosionsschutz ließ sich allein durch Zusatz von Cobalt in die
Chromatierungslösung nochmals im Vergleich zu Beispiel 3 deutlich steigern.
Neue grünliche Chromatierungsschichten auf Zink wurden analog zu Beispiel 2 bei
40, 60, 80 und 100°C hergestellt. Die Schichtdicken der jeweiligen
Chromatschichten wurden mittels Rutherford-Rückstreu-Experimenten (RBS =
Rutherford-Backscattering) ermittelt. In der Tabelle aufgeführt sind zusätzlich die
korrespondierenden Korrosionsschutzwerte in Stunden Salzsprühschrank nach DIN
50021 SS bis Erstangriff nach DIN 50961 Kapitel 10.
Je nach dem verwendeten Komplexliganden, in Beispiel 2 und 3 Malonat, lassen
sich zum Teil noch erheblich höhere Schichtdicken und Korrosionsschutzwerte
erzielen. Mit Komplexliganden, bei denen die komplexierende funktionelle Gruppe
Stickstoff, Phosphor oder Schwefel enthält (-NR₂, -PR₂, wobei R unabhängig
voneinander ein organischer, insbesondere aliphatischer Rest und/oder H ist,
und/oder -SR, wobei R ein organischer, insbesondere aliphatischer Rest oder H, ist),
ist es möglich, die aufgezeigten Schichteigenschaften in Grenzen auch bei
Raumtemperatur zu erzeugen.
Weitere vorteilhafte Liganden ergeben sich aus der Aufzählung gemäß Anspruch 6
und 8.
Die neue grünliche chrom(VI)freie Chromatschicht ist demnach je nach
Herstellungstemperatur zwischen 100 und 1000 nm dick, schwach grün in der
Eigenfarbe und rotgrün irisierend. Die Chromatierungslösung besteht aus
dreiwertigen Chromaten, ferner aus Leitsalzen und Mineralsäuren. Die
Anwendung der Chromatierungslösungen erfolgt in der Regel bei
Temperaturen oberhalb 40°C. Der Korrosionsschutz von unverletzten
grünlichen chrom(VI)freien Chromatierungen beläuft sich je nach
Herstellungstemperatur auf 100-1200 h im Salzsprühschrank nach
DIN 50021 SS bis zum ersten Auftreten von Korrosionsprodukten. Damit erfüllt
die neue Chromatierung die Mindestforderungen an den Korrosionsschutz für
die Verfahrensgruppen C und D nach DIN 50961 (Kapitel 10, Tabelle 3) und
zwar ohne Chrom(VI) weder bei der Herstellung noch im Produkt.
In Aluminiumbeize vorbehandelte Aluminiumteile wurden in eine wäßrige
Chromatierungslösung enthaltend:
50 g/l CrCl₃ · 6 H₂O (dreiwertiges Chromsalz)
3 g/l Co(NO₃)₂
100 g/l NaNO₃
31,2 g/l Malonsäure
3 g/l Co(NO₃)₂
100 g/l NaNO₃
31,2 g/l Malonsäure
getaucht, die zuvor mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 2,0 eingestellt wurde.
Die Tauchzeit betrug 60 s. Nach Spülung und Trocknung ergab sich im
Salzsprühschrank nach DIN 50021 SS ein Korrosionsschutz von 350 h bis
Erstangriff nach DIN 50961.
Die Passivschicht war grau.
Claims (23)
1. Chrom(VI)freie Chromatschicht für Zink- Cadmium- oder Aluminiumober
flächen,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie im Salzsprühtest nach DIN 50021 SS bis Erstangriff nach DIN 50961 Kapitel 10 einen Korrosionsschutz von mindestens 100 Stunden aufweist; und daß
sie im wesentlichen chrom(VI)frei erhältlich ist.
sie im Salzsprühtest nach DIN 50021 SS bis Erstangriff nach DIN 50961 Kapitel 10 einen Korrosionsschutz von mindestens 100 Stunden aufweist; und daß
sie im wesentlichen chrom(VI)frei erhältlich ist.
2. Chromatschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie für
Zink eine grünliche, rot-grün irisierende Farbe aufweist.
3. Chromatschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ihre Schichtdicke < 100 nm ist.
4. Verfahren zum Herstellen von chrom(VI)freien Chromatschichten wenig
stens mit dem Korrosionsschutz von herkömmlichen chrom(VI)-haltigen
Gelbchromatierungen, wobei
man eine Zink-, Cadmium- oder Aluminiumoberfläche mit einer Lösung aus wenigstens einem Chrom(III)-Komplex sowie wenigstens einem Salz behandelt; dadurch gekennzeichnet, daß
man die Konzentration des Chrom(III)-Komplexes im Vergleich zu einer herkömmlichen dreiwertigen Blauchromatierung erhöht; und/oder
man einen Chrom(III)-Komplex mit einer Ligandenaustauschkinetik ein setzt, die schneller als die Fluoridaustauschkinetik in Chrom(III)- Fluorokomplexen ist.
man eine Zink-, Cadmium- oder Aluminiumoberfläche mit einer Lösung aus wenigstens einem Chrom(III)-Komplex sowie wenigstens einem Salz behandelt; dadurch gekennzeichnet, daß
man die Konzentration des Chrom(III)-Komplexes im Vergleich zu einer herkömmlichen dreiwertigen Blauchromatierung erhöht; und/oder
man einen Chrom(III)-Komplex mit einer Ligandenaustauschkinetik ein setzt, die schneller als die Fluoridaustauschkinetik in Chrom(III)- Fluorokomplexen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei erhöh
ter Temperatur, insbesondere 20 bis 100°C, vorzugsweise 20 bis 80°C,
bevorzugt 30 bis 60°C, besonders bevorzugt 40 bis 60°C, behandelt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Liganden des Chrom(III)-Komplexes ausgewählt werden aus der
Gruppe bestehend aus:
Chelatliganden, wie Dicarbonsäuren, Tricarbonsäuren, Hydroxycarbon säuren, insbesondere Oxal-, Malon-, Bernstein-, Glutar-, Adipin-, Pimelin-, Kork-, Azelain-, Sebazinsäure; und
ferner, Maleinsäure, Phthalsäure, Terephthalsäure, Weinsäure, Citronen säure, Äpfelsäure, Ascorbinsäure; und
weiteren Chelatliganden wie Acetylaceton, Harnstoff, Harnstoffderivate, und
weiteren Komplexliganden, bei denen die komplexierende funktionelle Gruppe Stickstoff, Phosphor oder Schwefel enthält (-NR₂, -PR₂, wobei R unabhängig voneinander ein organischer, insbesondere aliphatischer Rest und/oder H ist, und/oder -SR, wobei R ein organischer, insbesonde re aliphatischer Rest oder H, ist); Phosphinaten und Phosphinatderivaten; sowie
deren geeignete Mischungen, sowohl untereinander als auch in gemisch ten Komplexen mit anorganischen Anionen und H₂O.
Chelatliganden, wie Dicarbonsäuren, Tricarbonsäuren, Hydroxycarbon säuren, insbesondere Oxal-, Malon-, Bernstein-, Glutar-, Adipin-, Pimelin-, Kork-, Azelain-, Sebazinsäure; und
ferner, Maleinsäure, Phthalsäure, Terephthalsäure, Weinsäure, Citronen säure, Äpfelsäure, Ascorbinsäure; und
weiteren Chelatliganden wie Acetylaceton, Harnstoff, Harnstoffderivate, und
weiteren Komplexliganden, bei denen die komplexierende funktionelle Gruppe Stickstoff, Phosphor oder Schwefel enthält (-NR₂, -PR₂, wobei R unabhängig voneinander ein organischer, insbesondere aliphatischer Rest und/oder H ist, und/oder -SR, wobei R ein organischer, insbesonde re aliphatischer Rest oder H, ist); Phosphinaten und Phosphinatderivaten; sowie
deren geeignete Mischungen, sowohl untereinander als auch in gemisch ten Komplexen mit anorganischen Anionen und H₂O.
7. Konzentrat zur Herstellung einer Passivierungslösung von unedlen Me
talloberflächen, insbesondere Zink-, Cadmium- oder Aluminiumoberflä
chen, wobei es als passivierende Komponente im wesentlichen Chrom(III)
enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Chrom(III) in Form wenigstens eines Komplexes mit einer Liganden austauschkinetik vorliegt, die schneller als die Fluoridaustauschkinetik in Chrom(III)-Fluorokomplexen ist.
das Chrom(III) in Form wenigstens eines Komplexes mit einer Liganden austauschkinetik vorliegt, die schneller als die Fluoridaustauschkinetik in Chrom(III)-Fluorokomplexen ist.
8. Konzentrat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Chrom(III)-Komplex ausgewählt wird aus Komplexen mit Chrom (III) und
wenigstens einem Liganden aus der Gruppe bestehend aus:
Chelatliganden, wie Dicarbonsäuren, Tricarbonsäuren, Hydroxycarbon säuren, insbesondere Oxal-, Malon-, Bernstein-, Glutar-, Adipin-, Pimelin-, Kork-, Azelain-, Sebazinsäure; und
ferner, Maleinsäure, Phthalsäure, Terephthalsäure, Weinsäure, Citronen säure, Äpfelsäure, Ascorbinsäure; und
weiteren Chelatliganden wie Acetylaceton, Harnstoff, Harnstoffderivate, und
weiteren Komplexliganden, bei denen die komplexierende funktionelle Gruppe Stickstoff, Phosphor oder Schwefel enthält (-NR₂, -PR₂ wobei R unabhängig voneinander ein organischer, insbesondere aliphatischer Rest und/oder H ist, und/oder -SR, wobei R ein organischer, insbesonde re aliphatischer Rest oder H, ist); Phosphinaten und Phosphinatderivaten; sowie
deren geeignete Mischungen, sowohl untereinander als auch in gemisch ten Komplexen mit anorganischen Anionen und H₂O.
Chelatliganden, wie Dicarbonsäuren, Tricarbonsäuren, Hydroxycarbon säuren, insbesondere Oxal-, Malon-, Bernstein-, Glutar-, Adipin-, Pimelin-, Kork-, Azelain-, Sebazinsäure; und
ferner, Maleinsäure, Phthalsäure, Terephthalsäure, Weinsäure, Citronen säure, Äpfelsäure, Ascorbinsäure; und
weiteren Chelatliganden wie Acetylaceton, Harnstoff, Harnstoffderivate, und
weiteren Komplexliganden, bei denen die komplexierende funktionelle Gruppe Stickstoff, Phosphor oder Schwefel enthält (-NR₂, -PR₂ wobei R unabhängig voneinander ein organischer, insbesondere aliphatischer Rest und/oder H ist, und/oder -SR, wobei R ein organischer, insbesonde re aliphatischer Rest oder H, ist); Phosphinaten und Phosphinatderivaten; sowie
deren geeignete Mischungen, sowohl untereinander als auch in gemisch ten Komplexen mit anorganischen Anionen und H₂O.
9. Konzentrat nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Konzentrat in fester oder flüssiger Form vorliegt.
10. Konzentrat nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß es weitere Zusätze enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe be
stehend aus: Versiegelungen, Dewatering-Fluids; und
zusätzlichen Metallverbindungen, insbesondere 2- bis 6-wertigen Metall verbindungen, wie Verbindungen aus Al, Co, Ni, Fe, Ga, In, Lanthaniden, Zr; Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, Hf, Ta, W und
Anionen, insbesondere Halogenidionen, insbesondere Chloridionen; Sulfationen, Nitrationen; phosphorhaltige Ionen, insbesondere Phos phationen, Diphosphationen, lineare und/oder cyclische Oligo phosphationen, lineare und/oder cyclische Polyphosphationen, Hydro genphosphationen; Carbonsäureanionen; und siliziumhaltige Anionen, insbesondere Silikatanionen; und
Polymeren, Korrosionsinhibitoren; Kieselsäuren, insbesondere kolloidalen oder dispergierten Kieselsäuren; Tensiden; Diolen, Triolen, Polyolen; or ganischen Säuren, insbesondere Monocarbonsäuren; Aminen; Kunststoff dispersionen; Farbstoffen; Aminosäuren, insbesondere Glycin; Siccativen, insbesondere Cobaltsiccativen; Dispergierhilfsstoffen; sowie
Mischungen aus diesen.
zusätzlichen Metallverbindungen, insbesondere 2- bis 6-wertigen Metall verbindungen, wie Verbindungen aus Al, Co, Ni, Fe, Ga, In, Lanthaniden, Zr; Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, Hf, Ta, W und
Anionen, insbesondere Halogenidionen, insbesondere Chloridionen; Sulfationen, Nitrationen; phosphorhaltige Ionen, insbesondere Phos phationen, Diphosphationen, lineare und/oder cyclische Oligo phosphationen, lineare und/oder cyclische Polyphosphationen, Hydro genphosphationen; Carbonsäureanionen; und siliziumhaltige Anionen, insbesondere Silikatanionen; und
Polymeren, Korrosionsinhibitoren; Kieselsäuren, insbesondere kolloidalen oder dispergierten Kieselsäuren; Tensiden; Diolen, Triolen, Polyolen; or ganischen Säuren, insbesondere Monocarbonsäuren; Aminen; Kunststoff dispersionen; Farbstoffen; Aminosäuren, insbesondere Glycin; Siccativen, insbesondere Cobaltsiccativen; Dispergierhilfsstoffen; sowie
Mischungen aus diesen.
11. Passivierungsbad zum Passivieren von Metalloberflächen, insbesondere
Zink-, Cadmium-, oder Aluminiumoberflächen,
dadurch gekennzeichnet, daß
es als passivierende Komponente im wesentlichen Chrom(III) enthält, wo
bei Chrom(III) in einer Konzentration von ca. 5 bis 100 g/l vorliegt.
12. Passivierungsbad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
Chrom(III) in einer Konzentration von ca. 5 g/l bis 80 g/l, insbesondere
von ca. 5 g/l bis 60 g/l, besonders bevorzugt von ca. 10 g/l bis 30 g/l, vor
zugsweise ca. 20 g/l, vorliegt.
13. Passivierungsbad nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß es einen pH-Wert zwischen ca. 1,5 und 3 aufweist.
14. Passivierungsbad nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß es ca. 20 g/l Chrom(III) enthält und einen pH-Wert von ca. 2
bis 2,5 aufweist.
15. Passivierungsbad nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß es weitere Zusätze enthält, die ausgewählt sind aus der
Gruppe bestehend aus Versiegelungen, Dewatering-Fluids; und
zusätzlichen Metallverbindungen, insbesondere 2- bis 6-wertigen Metall verbindungen, wie Verbindungen aus Al, Co, Ni, Fe, Ga, In, Lanthaniden, Zr; Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, Hf, Ta, W; und
Anionen, insbesondere Halogenidionen, insbesondere Chloridionen; Sulfationen, Nitrationen; phosphorhaltige Ionen, insbesondere Phos phationen, Diphosphationen, lineare und/oder cyclische Oligo phosphationen, lineare und/oder cyclische Polyphosphationen, Hydro genphosphationen; Carbonsäureanionen; und siliziumhaltige Anionen, insbesondere Silikatanionen; und
Polymeren, Korrosionsinhibitoren; Kieselsäuren, insbesondere kolloidalen oder dispergierten Kieselsäuren; Tensiden; Diolen, Triolen, Polyolen; or ganischen Säuren, insbesondere Monocarbonsäuren; Aminen; Kunststoff dispersionen; Farbstoffen; Aminosäuren, insbesondere Glycin; Siccativen, insbesondere Cobaltsiccativen; Dispergierhilfsstoffen; sowie
Mischungen aus diesen.
zusätzlichen Metallverbindungen, insbesondere 2- bis 6-wertigen Metall verbindungen, wie Verbindungen aus Al, Co, Ni, Fe, Ga, In, Lanthaniden, Zr; Sc, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Y, Nb, Mo, Hf, Ta, W; und
Anionen, insbesondere Halogenidionen, insbesondere Chloridionen; Sulfationen, Nitrationen; phosphorhaltige Ionen, insbesondere Phos phationen, Diphosphationen, lineare und/oder cyclische Oligo phosphationen, lineare und/oder cyclische Polyphosphationen, Hydro genphosphationen; Carbonsäureanionen; und siliziumhaltige Anionen, insbesondere Silikatanionen; und
Polymeren, Korrosionsinhibitoren; Kieselsäuren, insbesondere kolloidalen oder dispergierten Kieselsäuren; Tensiden; Diolen, Triolen, Polyolen; or ganischen Säuren, insbesondere Monocarbonsäuren; Aminen; Kunststoff dispersionen; Farbstoffen; Aminosäuren, insbesondere Glycin; Siccativen, insbesondere Cobaltsiccativen; Dispergierhilfsstoffen; sowie
Mischungen aus diesen.
16. Passivierungsbad nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß es eine Badtemperatur von ca. 20 bis 100°C, vorzugsweise
20 bis 80°C, bevorzugt 30 bis 60°C, besonders bevorzugt 40 bis 60°C
aufweist.
17. Verfahren zur Passivierung von Metalloberflächen, insbesondere von
Zink-, Cadmium- oder Aluminiumoberflächen,
dadurch gekennzeichnet, daß
man die zu behandelnden Gegenstände in ein Passivierungsbad gemäß
einem der Ansprüche 11 bis 16 eintaucht.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein
tauchdauer zwischen ca. 15 und 200 Sekunden, insbesondere zwischen
ca. 15 und 100 Sekunden, vorzugsweise ca. 30 Sekunden beträgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeich
net, daß es ein warm arbeitendes Chromatierungsverfahren mit Spülwas
serrückführung über wenigstens 2 kaskadierte Spülstufen, ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der
Spülstufen eine Blauchromatierung erfolgt.
21. Passivschicht, erhältlich nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem
der Ansprüche 17 bis 20.
22. Passivschicht nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß sie einem
Gegenstand einen solchen Korrosionsschutz verleiht, daß er im Salz
sprühtest nach DIN 50021 SS, bis Erstangriff nach DIN 50961 Kapitel 10,
einen Korrosionsschutz von mindestens 100 Stunden aufweist.
23. Passivschicht nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß
sie für Zink eine grünliche, rot-grün irisierende Farbe aufweist,
24. Passivschicht nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß ihre Schichtdicke < 100 nm ist.
24. Passivschicht nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß ihre Schichtdicke < 100 nm ist.
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