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DE19807823A1 - Verfahren zur Herstellung einer korrosionsschützenden Beschichtung und Schichtsystem für Substrate aus Leichtmetall - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer korrosionsschützenden Beschichtung und Schichtsystem für Substrate aus Leichtmetall

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Publication number
DE19807823A1
DE19807823A1 DE19807823A DE19807823A DE19807823A1 DE 19807823 A1 DE19807823 A1 DE 19807823A1 DE 19807823 A DE19807823 A DE 19807823A DE 19807823 A DE19807823 A DE 19807823A DE 19807823 A1 DE19807823 A1 DE 19807823A1
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DE
Germany
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layer
conductive
substrate
decorative
light metal
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DE19807823A
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Andreas Dietz
Volker Von Der Heide
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer korrionsschützenden Beschichtung für ein Substrat aus einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung.
Leichtmetalle, insbesondere Aluminium, finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichtes in immer mehr Technologien Verwendung. Nachteilig dabei ist, daß sie aufgrund ihres elektrochemisch unedlen Charakters sehr korrosionsanfällig sind. Sie werden deshalb mit Korrosionsschutzschichten verschiedenster Art versehen. Ein bekanntes derartiges Verfahren besteht darin, Metallschichten stromlos oder galvanisch auf dem Leichtmetall abzuscheiden. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn zusätzlich hohe dekorative Ansprüche an die Oberfläche gestellt werden.
Ein praktisches Beispiel hierfür sind Leichtmetallfelgen oder eigentlich Leichtmetallzierfelgen. Aufgrund der hohen dekorativen Ansprüche gerade bei zum Beispiel diesem Produkt wäre es wünschenswert, wenn es verchromt sein könnte. Bekannte derartige verchromte Felgen genügen zwar zunächst den hohen dekorativen Ansprüchen, sind jedoch sehr beschädigungsanfällig und verlieren dann rasch an Attraktivität.
In der DE 196 21 881 A1 wird daher vorgeschlagen, bei einem Verfahren zum Verchromen von Autofelgen aus einer Aluminiumlegierung zunächst eine Grundierungsschicht aus Pulver oder Naßlack aufzutragen, dann die Felge zu trocknen, eine Kunststoffnaßlackschicht aufzubringen, nochmals zu trocknen und letztlich eine galvanische Verchromung vorzunehmen. Diese unterschiedlichen Verfahrensschrille sind recht aufwendig und erfordern mehrfache Umlagerung der Zwischenprodukte in andere Vorrichtungen. Hinzu kommt der Zeitaufwand für das Trocknen.
Konkret und in der Praxis sehen die Verfahren im Stand der Technik zur Herstellung dekorativer Schichten mit gutem Korrosionsschutz zum Beispiel auf Aluminium etwa wie folgt aus: Auf ein Aluminiumsubstrat wird stromlos eine dünne Zinkschicht mit einer Zinkatbeize aufgebracht. Anschließend erfolgt ein galvanisch es Direktverkupfern und danach ein galvanisches Aufbringen einer Duplex- oder Tri-Nickelschicht mit dem Ziel der Einebnung und des Korrosionsschutzes. Darüber wird dann galvanisch eine dünne Glanzchromschicht aufgebracht.
Dieses Schichtsystem bietet solange einen ausreichenden Korrosionsschutz für das Aluminiumsubstrat, wie es in der Schicht keinerlei mechanische Beschädigung gibt, die bis auf das Metallsubstrat wirkt.
Kommt es zu einer derart tiefen Beschädigung der Schicht bzw. des Schichtsystems, so entsteht ein sogenanntes galvanisches Element, bei dem die äußere Schicht als Kathode wirkt und das Substrat als Anode, welche oxidiert wird.
Obwohl Chrom an sich ein chemisch sehr unedles Metall ist, bekommt es durch die Bildung einer dünnen Oxidschicht an der Oberfläche (als Passivierung bezeichnet) ein sehr positives Potential. An dieser, im Vergleich zum durch die Beschädigung freigelegten Aluminium sehr großen Oberfläche wird nun anschließend Sauerstoff reduziert. Der Oxidationsprozeß ist dabei die Umwandlung von metallischem Aluminium zu Al3+. Aufgrund der sehr großen Kathodenoberfläche des Chromoxids ist die Korrosion des Aluminiums an dieser beschädigten Stelle dramatisch. Man spricht hier von einem katastrophalen Versagen der Korrosionsschutzschicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer korrosionsschützenden Beschichtung für ein Substrat aus einem Leichtmetall und ein entsprechendes Schichtsystem vorzuschlagen, das gegenüber derartigen Beschädigungen unempfindlicher ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer korrosionsschützenden Beschichtung für ein Substrat aus einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung, bei dem zunächst auf das Substrat eine elektrisch nicht leitfähige erste Schicht aufgebracht wird, anschließend auf die nicht leitfähige erste Schicht eine metallisierte Schicht stromlos aufgebracht wird und später auf die metallische zweite Schicht eine dekorative dritte Schicht aufgebracht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe ferner durch ein Schichtsystem, aufweisend ein Substrat aus Leichtmetall oder eine Leichtmetallegierung, darauf eine nicht leitende erste Schicht, darauf eine stromlos aufgebrachte zweite Schicht aus einem oder mehreren Metallen, eine dekorative dritte Schicht.
Bevorzugt wird zur Glättung und Ebnung zwischen die stromlos aufgebrachte zweite Schicht und die dekorative dritte Schicht noch eine glättende metallische Zwischenschicht aufgebracht.
Mit einem derartigen Verfahren und einem derartigen Schichtsystem sind die Probleme lösbar. Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß die Voraussetzung für das katastrophale Versagen der bekannten Schichtsysteme die elektrische Leitfähigkeit zwischen Anode und Kathode beim Oxidationsprozeß nach der Beschädigung ist.
Erfindungsgemäß wird nun die elektrische Leitfähigkeit an genau dieser Stelle zuverlässig unterbunden. Der Elektrodenfluß wird durch eine elektrisch nicht leitende Schicht zwischen dem Substrat einerseits und den äußeren Schichten andererseits vorgesehen. Diese äußeren Schichten können dabei sowohl die bisherigen Korrosionsschutzeigenschaften weiter beibehalten, die zu der guten Funktionsfähigkeit bei unbeschädigten Schichtsystemen geführt haben, und sie können andererseits die dekorativen Effekte wie eine Glanzchromschicht besitzen und/oder verschleißfest und/oder reibungsarm sein.
Die elektrisch nicht leitende Schicht kann durch physikalische Verfahren, beispielsweise PVD (physical vapor deposition) oder Plasma CVD (chemical vapor deposition), durch einfache Polymerschichten, also Lacke, oder durch elektrochemische Verfahren erzeugt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die nicht leitfähige Schicht durch anodische Oxidation des Substrates erzeugt wird.
Ist Substrat dabei wie bevorzugt Aluminium, so wird für die Erzeugung der nicht leitfähigen Schicht ein Eloxalverfahren eingesetzt. Dabei wird einfach das Metallsubstrat als Anode geschaltet und durch Anlegen einer Spannung wird die Oberfläche oxidiert. Diese Oxidschicht ist chemisch relativ inert und bildet insbesondere nach entsprechenden Nachbehandlungen eine ideale elektrische Barriere.
Auf diese nicht leitfähige erste Schicht, hier also bevorzugt die Oxidschicht, wird dann mittels eines stromlosen Verfahrens eine Metallschicht bevorzugt aus Nickel, Kupfer oder einem anderen Metall, das sich stromlos abscheiden läßt, aufgebracht.
Auf diese Metallschicht können dann mit galvanischen Verfahren Kupfer zur Einebnung der noch rauhen Oberfläche, zum mechanischen Spannungsausgleich oder auch als Glanz aufgebracht werden, auch Nickel zu ähnlichen Zwecken und insbesondere zum zusätzlichen Korrosionsschutz ist denkbar.
Auf diese Schicht kann dann die dekorative auch im Stand der Technik außen liegende Schicht, insbesondere Chrom, aufgebracht werden.
Im Stand der Technik gab es bisher die Überzeugung, daß es zwar möglich ist, Kunststoffe stromlos zu metallisieren, in dem die nicht leitende Kunststoffoberfläche aufgerauht und entsprechend aktiviert wird. Bei Keramiken hielt man dies bisher nur für sehr bedingt möglich. Oxidschichten sind Keramiken und die Aktivierung und haftfeste Metallisierung stieß auf Probleme. Zur Erzielung der sehr guten Haftfestigkeit von stromlos aufgebrachten Metallschichten, insbesondere auf Kunststoffen, wurde bisher eine mechanische Verklammerung der beiden Oberflächen miteinander in Aussicht genommen, der sogenannte Druckknopfeffekt. Bei oxidischen Oberflächen ist dies nur bedingt möglich.
Erfindungsgemäß wird hier bevorzugt zu einem sehr erfolgreichen und vorteilhaften Verfahren gegriffen. Es wird nämlich die durch anodische Oxidation entstandene Schicht, bei Aluminium also die Eloxalschicht, nachverdichtet. Bei dem Prozeß der Oxidation entstehen nämlich Poren, die verkleinert werden sollten, um auszuschließen, daß doch Zerstörungen der nicht leitenden Schicht auftreten und dadurch womöglich leitfähige Brücken entstehen. Diese Nachverdichtung kann über verschiedene Verfahren geschehen, eines davon ist die sogenannte Heißwasserverdichtung. Durch Eintauchen in kochendes Wasser wandelt sich das entstehende wasserfreie Al2O3 in einen Böhmit-Typ Al2O3 × H2O um. Das führt zu einer Volumenvergrößerung des Materials um die Poren herum, so daß sich die Poren selbst verkleinern.
Dieser Effekt wird nun zusätzlich genutzt, um gleichzeitig mit diesem Verdichtungsschritt eine Aktivierung der Oberfläche vorzunehmen. Eine Aktivierung im Sinne einer Metallisierung von nicht leitenden Oberflächen ist in diesem Falle durch das Aufbringen von leitfähigen Kristallisationskeimen möglich. Bevorzugt wird dabei als Kristallisationskeim ein Edelmetallkeim eingesetzt, insbesondere leitfähige Palladiumkeime.
Diese Palladiumkeime bzw. anderen Kristallisationskeime werden während der Verdichtung auf die Oberfläche aufgebracht und dringen so auch in die Poren während deren Verkleinerung ein.
Dies ermöglicht nun, daß diese Kristallisationskeime eine Metallisierung im nächsten Verfahrensschritt nicht nur als Aufbringen einer weiteren Schicht auf die nicht leitfähige erste Schicht bewirken, sondern daß diese Metallisierung auch in den nun verkleinerten Poren stattfindet. Dadurch ragt die leitfähige, metallische zweite Schicht in die Poren hinein, wobei es auch zu Hinterschneidungen kommt und eine sehr gute Verzahnung und Haftung der nicht leitenden ersten Schicht mit der leitfähigen zweiten Schicht sicherstellt.
Nachdem die zweite Schicht aufgebracht ist, ist es problemlos möglich, anschließend beispielsweise galvanisch weitere gewünschte Schichten und schließlich auch eine dekorative, insbesondere Chromschicht, abzuscheiden. Weitere bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Schichtsystem; und
Fig. 2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung durch einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1.
Fig. 1 zeigt in sehr schematischer Form ein Schichtsystem. Ein Substrat 5 besteht aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, insbesondere aus Aluminium. Es kann sich dabei zum Beispiel um eine Leichtmetallfelge für ein Kraftfahrzeug handeln.
Auf dem Substrat 5 ist eine elektrisch nicht leitfähige erste Schicht 10 zu erkennen, die insbesondere ein Oxid aus dem Material des Substrates 5 sein kann, beispielsweise Aluminiumoxid. Das Aluminiumoxid kann mittels eines Eloxalverfahrens erzeugt worden sein.
Auf der nicht leitfähigen ersten Schicht 10 befindet sich eine leitfähige, metallische zweite Schicht 20. Diese wird stromlos auf der Schicht 10 abgeschieden.
An die zweite Schicht 20 schließt sich eine weitere metallische Zwischenschicht 25 an, die insbesondere zur Einebnung der üblicherweise relativ rauhen Oberfläche von stromlos abgeschiedenen Schichten 20 dient.
Die Zwischenschicht 25 wird insbesondere galvanisch abgeschieden. Dies führt zu leichten Materialunterschieden zwischen der zweiten Schicht 20 und der Zwischenschicht 25, selbst wenn beide z. B. aus Nickel bestehen sollten, da chemisch "stromlos" abgeschiedenes Nickel u. a. Phosphor- oder Borbestandteile enthält, galvanisch abgeschiedenes Nickel dagegen nicht. Für die Funktionstüchtigkeit des Schichtsystems spielt dies aber keine Rolle.
An die Zwischenschicht 25 schließt sich schließlich noch eine Schicht 30 an, beispielsweise eine Glanzchromschicht, die nach außen die dekorativen und/oder reibungsarmen und/oder verschleißfesten Eigenschaften des fertigen Produktes darstellt. Stehen die dekorativen Eigenschaften des fertigen Produktes besonders im Vordergrund, beispielsweise bei Kraftfahrzeugfelgen, wird eine Glanzchromschicht aufgetragen. Soll die Schicht besonders verschleißfest sein, käme Hartchrom in Betracht, für reibungsarme äußere dekorative Schichten Nickel-Teflon oder Blei.
In der Fig. 2 ist nun der Grenzbereich zwischen den Schichten 10 und 20 während des Herstellungsverfahrens stark vergrößert, aber wiederum schematisch dargestellt.
Die nicht leitfähige und insbesondere durch anodische Oxidation des Substrates 5 erzeugte erste Schicht 10 besitzt eine Oberfläche 12. Diese Oberfläche 12 ist allerdings nicht völlig eben, sondern weist eine Vielzahl an Poren 13 auf; dieses ist insbesondere herstellungsbedingtes Ergebnis der Durchführung eines Eloxalverfahrens.
Diese Poren 13 werden nun verkleinert bzw. die Schicht 10 "verdichtet", in dem in einer sogenannten Heißwasserverdichtung das Substrat 5 mit der Oberfläche 12 in kochendes Wasser getaucht wird. Bevorzugt wird gemeinsam mit dem kochenden Wasser auch das Aktivieren der Oberfläche 12 durch das Aufbringen von leitfähigen Kristallisationskeimen 18, insbesondere von Palladiumkeimen bewirkt. Diese Kristallisationskeime 18 gelangen nämlich aufgrund der zunächst noch großen Poren 13 in diese hinein und verbleiben dort auch nach dem Verdichtungsprozeß, wenn die Poren 13 kleiner geworden sind.
Nach Entfernung des kochenden Wassers verbleiben die Palladium- bzw. Kristallisationskeime 18 auf der Oberfläche 12 und insbesondere in den Poren 13. Nun anschließend findet die Metallisierung gerade durch die Kristallisationskeime 18 durch die nun stromlos aufgebrachten Materialien der zweiten Schicht 20 statt, insbesondere also von Kupfer und/oder Nickel. Diese Materialien reichen dadurch in die Poren hinein bzw. bilden gerade dort besonders intensive Kontakte mit dem Material der Schicht 10. Dies führt durch das Bilden von Hinterschneidungen zu einer festen Haftung der in der Fig. 2 noch nicht dargestellten Schicht 20 auf der Schicht 10.
Bezugszeichenliste
5
Substrat
10
nicht leitfähige erste Schicht
12
Oberfläche der nicht leitfähigen Schicht
13
Poren
1
8
Kristallisationskeime
20
metallische zweite Schicht
25
Zwischenschicht
30
dekorative dritte Schicht

Claims (20)

1. Verfahren zur Herstellung einer korrosionsschützenden Beschichtung für ein Substrat aus einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung, bei dem
  • - zunächst auf das Substrat (5) eine elektrisch nicht leitfähige erste Schicht (10) aufgebracht wird,
  • - anschließend auf die nicht leitfähige erste Schicht (10) eine metallisierte Schicht (20) stromlos aufgebracht wird,
  • - und später auf die metallische zweite Schicht (20) eine dekorative dritte Schicht (30) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (5) Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung unter Verwendung mindestens einer dieser beiden Leichtmetalle eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht leitfähige erste Schicht (10) durch anodische Oxidation des Substrates (5) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Substrat (5) Aluminium und zur Erzeugung der nicht leitfähigen ersten Schicht (10) ein Eloxalverfahren eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachverdichtung der nicht leitfähigen durch anodische Oxidation entstandenen ersten Schicht (10) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich mit der Nachverdichtung auch eine Aktivierung durch Aufbringung von leitfähigen Kristallisationskeimen (18) auf die Oberfläche (12) bzw. in die durch die anodische Oxidation entstandenen Poren (13) in der Oberfläche (12) der ersten Schicht (10) erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als leitfähige Kristallisationskeime (18) Edelmetallkeime, insbesondere Palladiumkeime eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite metallische Schicht (20) durch stromlose Metallisierung mittels Kupfer und/oder Nickel erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der metallischen zweiten Schicht (20) und der dekorativen dritten Schicht (30) noch eine glättende metallische Zwischenschicht (25) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die dekorative dritte Schicht (30) ein Material mit zusätzlich reibungsarmen und/oder verschleißfesten Eigenschaften eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die dekorative dritte Schicht (30) Chrom insbesondere galvanisch abgeschieden wird.
12. Schichtsystem, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
13. Schichtsystem, aufweisend
  • - ein Substrat (5) aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung,
  • - darauf eine nicht leitende erste Schicht (10),
  • - darauf eine stromlos aufgebrachte zweite Schicht (20) aus einem oder mehreren Metallen,
  • - eine dekorative dritte Schicht (30).
14. Schichtsystem nach Anspruch 13, zusätzlich zwischen der zweiten Schicht (20) und der dekorativen Schicht (30) eine metallische glättende Zwischenschicht (25) aufweisend.
15. Schichtsystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus Aluminium oder Magnesium oder einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung besteht.
16. Schichtsystem nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht leitende erste Schicht (10) aus einem Oxid des Substratmaterials besteht.
17. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der nicht leitenden ersten Schicht (10) zwischen 1 µm und 200 µm liegt.
18. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der stromlos aufgebrachten zweiten Schicht (20) zwischen 0,5 µm und 20 µm liegt.
19. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der metallischen Zwischenschicht (25) zwischen 2 um und 20 µm.
20. Felge oder Zierfelge aus Leichtmetall, insbesondere für Kraftfahrzeuge, beschichtet nach einem der Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 bzw. versehen mit einem Schichtsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 18.
DE19807823A 1998-02-26 1998-02-26 Verfahren zur Herstellung einer korrosionsschützenden Beschichtung und Schichtsystem für Substrate aus Leichtmetall Withdrawn DE19807823A1 (de)

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