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EP0012905B1 - Process for producing metal objects by forming - Google Patents

Process for producing metal objects by forming Download PDF

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Publication number
EP0012905B1
EP0012905B1 EP79105037A EP79105037A EP0012905B1 EP 0012905 B1 EP0012905 B1 EP 0012905B1 EP 79105037 A EP79105037 A EP 79105037A EP 79105037 A EP79105037 A EP 79105037A EP 0012905 B1 EP0012905 B1 EP 0012905B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal
sheet
hydroxide
forming
lubricants
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
EP79105037A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0012905A1 (en
Inventor
Hans-Jürgen Schlinsog
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ardagh Metal Packaging Germany GmbH
Original Assignee
Schmalback Lubeca AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schmalback Lubeca AG filed Critical Schmalback Lubeca AG
Priority to AT79105037T priority Critical patent/ATE3066T1/en
Publication of EP0012905A1 publication Critical patent/EP0012905A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0012905B1 publication Critical patent/EP0012905B1/en
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C26/00Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41NPRINTING PLATES OR FOILS; MATERIALS FOR SURFACES USED IN PRINTING MACHINES FOR PRINTING, INKING, DAMPING, OR THE LIKE; PREPARING SUCH SURFACES FOR USE AND CONSERVING THEM
    • B41N3/00Preparing for use and conserving printing surfaces
    • B41N3/03Chemical or electrical pretreatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing metal objects by shaping, such as deep-drawing and / or stretching, sheets provided with a conversion layer, which are provided with a conversion coating before the forming.
  • this surface layer consists of an oxide layer and / or a mixed oxide layer and / or an oxide hydrate layer and / or an oxide hydroxide layer and / or an oxide hydroxide hydrate layer and / or an oxygen-containing metal complex compound layer.
  • the surface of iron consists of mixed iron oxides, namely trivalent iron in equivalents of oxygen, hydrogen and iron that cannot be clearly defined.
  • the surface of iron can - as practical tests show - in contrast to the surface of aluminum, tin and chrome mechanically with a relatively soft friction partner, such as. B. paper, do not separate layers. Layer separation is to be understood as the oxidic layer that can be mechanically transferred to the friction partner.
  • tinned iron sheet consists of the following layers: mixture of tin (IV) oxide layer and tin (II) oxide layer, tin layer, tin-iron alloy layer and finally the bottom iron layer.
  • tinned iron sheets are known as tin sheets, which are usually passivated and greased on the surface.
  • the passivation layer e.g. chrome layer
  • the amount of tin is standardized z. B. according to Euronorm 77-65 with E1 to E4 or according to ASTM A624 from Designation No. 10 to No. 135/25. Information about the type of chemical surface treatments used and the amount of e.g. B. Chromium in the passivation layer is also contained in ASTM A 624. According to this, the amount of chromium in chemical passivation (Cromic-Acid-Treated Tin Plate) is not more than 250 mg chromium / 0.09 m 2 surface, while in electro-chemical passivation (Cathodic-Sodium Dichromate-Treated Tin Plate) is about 500 pg chromium / 0.09 m 2 .
  • tinplate is usually greased.
  • Common greasing agents are e.g. B. dioctyl sebacate (DOS), cottonseed oil and butyl stearate (ATBC).
  • the surface of electrolytically chrome-plated iron sheets (ultra-fine sheet) consists of a chrome (III) oxide layer and a metallic chrome layer.
  • the metallic chrome layer is between 3 and 13 mg chrome / 0.09 m2 surface and the overlying chrome oxide layer contains 0.3 to 0.4 mg chrome / 0.09 m 2 surface.
  • the surface of the electrolytically chrome-plated thin sheet is also greased, as is the case with the tinplate mentioned above.
  • a hydroxide of the lowest valence level of the metal is produced on the surfaces.
  • hydroxides or hydroxide-containing compounds in particular hydroxides or hydroxide-containing compounds in the lowest valence level of the metal in question are known per se from reference (1), namely US Pat. No. 3,231,376. It describes the production of aluminum hydroxide and zinc hydroxide layers on aluminum and zinc parts by treatment with strong inorganic bases.
  • Literature (2) namely US Pat. No. 2,801,604, discloses the production of a layer on tin-plated iron sheet by anodic oxidation.
  • Literature (4) namely DE-A-2 506 665, discloses the creation of coating layers on aluminum containing alkaline earth metal compounds by treatment with a basic alkaline solution containing alkaline earth metal compounds.
  • the aluminum sheet made hydrophobic as described above can be recognized as hydrophilic in that even when the sheet is placed vertically to the base, water poured on causes a complete wetting of the mechanically treated aluminum surface as described above and shows a dwell time of 60 seconds, after which time one of Evaporation of the water progresses from top to bottom or no offset color is now accepted.
  • This offset printing ink example also serves to show that the surface reactions which lead to the contrary properties such as hydrophilic - hydrophobic have not yet been sufficiently researched scientifically.
  • the described metal hydroxide level of the lowest value is made somewhat clearer by the offset printing ink example: If a hydroxide of the known value level was present, this could be rinsed off or, if not dissociated, it could be removed from the surface by rubbing with the damp printing ink. This is particularly interesting when noble (copper) as well as base metal (Cr, Fe, Al, Su) are treated as it were in the examples described. Copper always takes on color, as do the oxides of base metals, which have a hydrophobic effect; the hydroxides of the base metals are hydrophilic until they become hydrophobic again through gradual oxidation.
  • Newly added water is again accepted from the surface, i.e. H. the surface remains hydrophilic and, as tests have shown, about 24 hours. After 24 hours, the metal surface gradually becomes hydrophobic again.
  • Example 1 An aluminum sheet of the type mentioned in Example 1 is hydrophilized chemically by immersing it in a 1N sodium hydroxide solution for 30 minutes; the temperature of the sodium hydroxide solution is 60 to 80 ° C. Then the aluminum sheet from the caustic soda bath pulled out and rinsed with distilled water until there is no alkalinity in the rinsing water. Then, as described in Example 1, the hydrophilization test is carried out by observing the running speed in the vertical position of the sheet. The experiments show that the hydrophilization in the chemical manner described in this example has the same degree as the mechanical hydrophilization described in Example 1.
  • Example 1 An aluminum sheet of the type mentioned in Example 1 is immersed in an electrolyte consisting of a 0.5% sodium hydroxide solution at room temperature (25 ° C).
  • An anodic current of 70 A / m 2 is applied (based on the surface of the aluminum). After only 2 seconds, the entire aluminum sheet is of the same hydrophilic nature as the sheet treated according to Examples 1 and 2. The sheet is also cleaned here by rinsing with distilled water until the drained distilled water is alkali-free. The method of determining the hydrophilicity is also the same as in the aforementioned examples.
  • Example 1 The aluminum sheet of the type mentioned in Example 1 is placed in an electric furnace heated to 200 ° C. and left there for 6 minutes. The sheet is then removed from the electric furnace and allowed to cool to room temperature in a normal laboratory atmosphere. The test for the hydrophilicity achieved, which is shown in detail in Example 1, was then carried out; Here, too, the experiment showed that the sheet thermally treated in this way had the same degree of hydrophilicity as the sheets shown in Examples 1 to 3. In the present case, an even longer lasting hydrophilicity is achieved; it is at least 36 hours.
  • a tinplate of the DIN A4 format is subjected to the hydrophilization process shown in Examples 1 to 4.
  • a A4 tinplate is immersed in the NaOH electrolyte as above and then first switched as an anode for a second, then as a cathode for a second, then as an anode for a second, and then again as a cathode for one second.
  • the current density was again 70 A / m 2 tinplate.
  • the tinplate was removed from the bath and rinsed with distilled water until the rinsed water was no longer alkaline.
  • the hydrophilicity achieved was then measured by carrying out the hydrophilicity test already described in detail above in the vertical position of the sheet.
  • a chrome-plated iron sheet of the DIN A4 format was treated mechanically with a pressure of 5 kg / cm 2 (0.49 MPa) by means of a fine polishing disc (based on plastic fabric) by moving the fine polishing disc up and down 5 times.
  • the surface of the chrome-plated iron sheet of the DIN A4 format is treated chemically by rubbing the mixture of 10% gelatin and 2% glycerine and 88% water on the surface using dilute sulfuric acid or rubbing the sheet into immerse the solution just described for 5 seconds. Instead of immersing, the surface of the chromed iron sheet can be subjected to 5 rubbing movements using a chemically inert fleece.
  • a chromed iron sheet of the DIN A4 format is thermally treated for 6 minutes in an electric furnace with an internal temperature of 200 ° C. and then removed from this furnace. After cooling to room temperature, the chrome-plated iron sheet thus thermally treated had a hydrophilicity for a period of 100 hours.
  • a coating of a chemical compound that is both water-soluble and soluble in organic solvents as soon as possible after the hydrophilization process has ended.
  • preferred coating formers are the glycols, amines, alkanolamines, as well as gelatin and gelatin-like substances.
  • Gum arabic, iso-paraffins or polyparaffins in solution and / or in emulsion are suitable as further coating agents.
  • These coating agents desirably effect the exclusion or prevention of the access of atmospheric oxygen and / or atmospheric moisture to the hydrophilic metal surface or metal oxide surface.
  • the aluminum sheet made hydrophilic according to Example 1 is preserved immediately after the end of the hydrophilization treatment by applying tetraethylene glycol to the surface, for example by spraying; alternatively, the preservation can also be effected by passing the hydrophilized metal sheet through a bath of tetraethylene glycol immediately after the hydrophilization.
  • esters of montanic acid with ethanediol and / or 1,3-butanediol include esters of montanic acid with ethanediol and / or 1,3-butanediol, glycerol monoacetate, polyethylene glycol, copolymer of esters of acrylic acid with monohydric aliphatic alcohols C 1 - C 4, mixture of alkylphenol polyglycol ether with 20 ethylene oxide groups, alkylphenol polyglycol ether-Formaldehydacetat and C 12 -C 18 Fatty alcohol-polyethylene glycol-polypropylene glycol ether, polyvinyl acetate from aliphatic saturated aldehydes C 1 -C 6 with a molecular weight of over 1000, dibutyl sebacate, acetyltributyl citrate, acetyl-tri-2-ethylhexyl citrate, Diphenyl-2-ethylhe
  • the duration of the preservation depends on the intensity and time of the preservation treatment; at least the duration of the preservation is sufficient to ensure the further processing stages of the hydrophilized surfaces, the hydrophilic character having to be retained.
  • the distance between the formation energy of the hydroxide of trivalent aluminum and oxide of trivalent aluminum is relatively small. It is 304 to 390 kcal / mol, but with 86 kcal / mol the residual energy is so great that the hydroxide stability is lower relative to that of tin, iron and chromium.
  • the formation energy of the hydroxide of trivalent chromium is 245 kcal / mol, in contrast the formation energy of the oxide of trivalent chromium is 267 kcal / mol. It is therefore only slightly above that of the hydroxide, which in turn can be used to derive the great stability and duration of the hydrophilic stage in chromed sheet metal.
  • a chemical proof of the presence of hydroxyl-containing metal compounds on the surfaces of the hydrophilized metals consists in the fact that a condensation with hydroxyl-containing organic substances such as. B. salicylic aldehyde takes place.
  • the aluminum sheet which has been hydrophilized and preserved analogously to one of the processes mentioned in the examples, is immediately immersed in an inert solution consisting of isopropanol and 0.5% triethanolamine in order to renew the preservation effect.
  • these cups can be formed into cans without any coolant - that is, dry - and with coolants in the form of the above preservative solution without squeaking and scratching.
  • the water hydrophilicity test is positive, i. that is, that the hydrophilized surface has been maintained or, based on the end surface, has reproduced by 500/0 analogously to the hydrophilicity examples by means of mechanical friction energy.
  • the metal surface is homogeneous, hydrophilic in all areas of the can and no longer needs to be made hydrophilic in an alkaline cleaning bath, in contrast to the can produced as standard.
  • hydrophilization can be made simpler and more controllable in terms of process technology if it is carried out on a strip, that is to say prior to the forming, instead of on individual pieces which are contaminated with lubricants in the complex surface area of the can bottom contour.
  • the usual lubricants include: aqueous 3-20% oil emulsions, effecting a pH correction of e.g. B. pH 6 to pH 9 for the purpose of biological protection. Rust inhibitors are also added; synthetic lubricants such as polyglycols are also used.
  • roller coating is to be carried out for an external coating
  • spray coating and the powder coating is preferably to be used for an internal coating.
  • Dip painting is usually carried out with simultaneous interior and exterior painting.
  • the stabilizing agents such. B. the glycols and the amines in turn co-constituent of the paint.

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Abstract

This relates to the hydrophilization of metal surfaces and/or metal oxide surfaces. In the forming of sheet metal by drawing and wall ironing methods, in the past it has been necessary to provide lubricants so as to not only protect the metal, but also to hold down friction noises. The lubricants are difficult to remove and require expensive washing processes after the forming operation. It has been found that an hydroxide of the metal involved may be readily generated on the surface so that the surface is easily wetted by water, for example, and thereby conventional lubricants are eliminated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallgegenständen durch Umformen, wie Tiefziehen und/oder Abstrecken von mit einer Umwandlungsschicht versehenen Blechen, die vor dem Umformen mit einem Umwandlungsüberzug versehen werden.The present invention relates to a method for producing metal objects by shaping, such as deep-drawing and / or stretching, sheets provided with a conversion layer, which are provided with a conversion coating before the forming.

Es ist bekannt, daß die Oberflächen von Metallen mit Ausnahme der Edelmetalle infolge Einwirkung der Atmosphäre eine chemische Oberflächen-Umwandlung vom reinen Metall zu einer sauerstoffhaltigen Verbindung erfahren. Diese Oberflächenschicht besteht bei den meisten Metallen mit Ausnahme der Edelmetalle aus einer Oxidschicht und/oder einer Mischoxidschicht und/oder einer Oxid-Hydratschicht und/oder einer Oxid-Hydroxidschicht und/oder einer Oxid-Hydroxid-Hydratschicht und/oder einer sauerstoffhaltigen Metallkomplexverbindungsschicht.It is known that the surfaces of metals, with the exception of the noble metals, undergo a chemical surface conversion from the pure metal to an oxygen-containing compound due to the influence of the atmosphere. With most metals, with the exception of the noble metals, this surface layer consists of an oxide layer and / or a mixed oxide layer and / or an oxide hydrate layer and / or an oxide hydroxide layer and / or an oxide hydroxide hydrate layer and / or an oxygen-containing metal complex compound layer.

Vom Aluminium ist bekannt, daß seine Oberfläche aus einer wenige Moleküllagen dicken, harten, zusammenhängenden, durchsichtigen Oxidschicht besteht, die sich z. B. auf frisch angeritztem Aluminium an der Luft und im Wasser schon in wenigen Sekunden bildet.From aluminum it is known that its surface consists of a few molecular layers thick, hard, coherent, transparent oxide layer, which z. B. on freshly scratched aluminum in the air and in water in just a few seconds.

Diese Schutzschicht ist zunächst nur einige Nanometer dick; sie wächst im Laufe eines Monats auf 450 bis 900 Nanometer (= nm) an und bleibt dann nahezu unverändert bestehen.This protective layer is initially only a few nanometers thick; it increases to 450 to 900 nanometers (= nm) in the course of a month and then remains almost unchanged.

Die Oberfläche von Eisen besteht aus Eisenmischoxiden, nämlich des dreiwertigen Eisens in nicht klar definierbaren Äquivalenten von Sauerstoff, Wasserstoff und Eisen.The surface of iron consists of mixed iron oxides, namely trivalent iron in equivalents of oxygen, hydrogen and iron that cannot be clearly defined.

Die Oberfläche von Eisen läßt sich - wie praktische Versuche zeigen - im Gegensatz zu der Oberfläche von Aluminium, Zinn und Chrom mechanisch mit einem relativ weichen Reibpartner, wie z. B. Papier, nicht schichttrennen. Unter Schichttrennung ist die mechanisch auf den Reibpartner übertragbare oxidische Schicht zu verstehen.The surface of iron can - as practical tests show - in contrast to the surface of aluminum, tin and chrome mechanically with a relatively soft friction partner, such as. B. paper, do not separate layers. Layer separation is to be understood as the oxidic layer that can be mechanically transferred to the friction partner.

Die Oberfläche von verzinntem Eisenblech besteht aus folgenden Schichten: Mischung von Zinn-(IV)-Oxidschicht und Zinn-(II)-Oxidschicht, Zinnschicht, Zinn-Eisenlegierungsschicht und schließlich unterster Eisenschicht. Diese verzinnten Eisenbleche nennt man bekanntlich Weißbleche, welche normalerweise auf der Oberfläche passiviert und gefettet in den Handel kommen. Die Passivierungsschicht (z. B. Chromschicht) kann sowohl chemisch als auch elektrochemisch aufgetragen sein.The surface of tinned iron sheet consists of the following layers: mixture of tin (IV) oxide layer and tin (II) oxide layer, tin layer, tin-iron alloy layer and finally the bottom iron layer. These tinned iron sheets are known as tin sheets, which are usually passivated and greased on the surface. The passivation layer (e.g. chrome layer) can be applied both chemically and electrochemically.

Die Zinnmenge ist dabei normiert z. B. nach Euronorm 77-65 mit E1 bis E4 oder nach ASTM A624 von Designation No. 10 bis No. 135/25. Angaben über die Art der gebräuchlichen chemischen Oberflächenbehandlungen und die Menge an z. B. Chrom in der Passivierungsschicht sind ebenfalls in der ASTM A 624 enthalten. So beträgt hiernach die Chrommenge bei der chemischen Passivierung (Cromic-Acid-Treated Tin Plate) nicht mehr als 250 mg Chrom/0,09 m2 Oberfläche, während sie bei der elektro-chemischen Passivierung (Cathodic-Sodium Dichromate-Treated Tin Plate) etwa 500 pg Chrom/0,09 m2 beträgt.The amount of tin is standardized z. B. according to Euronorm 77-65 with E1 to E4 or according to ASTM A624 from Designation No. 10 to No. 135/25. Information about the type of chemical surface treatments used and the amount of e.g. B. Chromium in the passivation layer is also contained in ASTM A 624. According to this, the amount of chromium in chemical passivation (Cromic-Acid-Treated Tin Plate) is not more than 250 mg chromium / 0.09 m 2 surface, while in electro-chemical passivation (Cathodic-Sodium Dichromate-Treated Tin Plate) is about 500 pg chromium / 0.09 m 2 .

Weiterhin ist das Weißblech normalerweise gefettet. Gebräuchliche Einfettmittel sind z. B. Dioctyl-Sebacat (DOS), Baumwollsaatöl und Butyl-Stearat (ATBC).Furthermore, the tinplate is usually greased. Common greasing agents are e.g. B. dioctyl sebacate (DOS), cottonseed oil and butyl stearate (ATBC).

Die Oberfläche von elektrolytisch verchromten Eisenblechen (Feinstblech) besteht aus einer Chrom-(III)-Oxidschicht und einer metallischen Chromschicht. Nach ASTM A 657 beträgt hiernach die metallische Chromschichtauflage zwischen 3 und 13mg Chrom/0,09m2 Oberfläche und die darüberliegende Chromoxidschicht enthält 0,3 bis 0,4 mg Chrom/0,09 m2 Oberfläche. Auch die Oberfläche des elektrolytisch verchromten Feinstbleches ist gefettet wie es bei dem o. g. Weißblech der Fall ist.The surface of electrolytically chrome-plated iron sheets (ultra-fine sheet) consists of a chrome (III) oxide layer and a metallic chrome layer. According to ASTM A 657, the metallic chrome layer is between 3 and 13 mg chrome / 0.09 m2 surface and the overlying chrome oxide layer contains 0.3 to 0.4 mg chrome / 0.09 m 2 surface. The surface of the electrolytically chrome-plated thin sheet is also greased, as is the case with the tinplate mentioned above.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß es möglich ist, Bleche, insbesondere Aluminiumbleche, verzinnte Eisenbleche, verchromte Eisenbleche und Eisenbleche selbst, mechanischen Verformungsverfahren, insbesondere einem Tiefziehen oder einem Abstrecken zu unterwerfen ohne Verwendung der bisher als unbedingt notwendig angesehenen Schmiermittel, wenn man die Bleche vor dem Umformen mit einem hydrophilen hydroxidhaltigen Umwandlungsüberzug versieht, auf den ein konservierender Überzug aus einer chemischen Verbindung, die sowohl wasserlöslich als auch in organischen Lösungsmitteln löslich ist und/oder aus Gelatine, gelatineähnlichen Substanzen, Gummi arabicum, Isoparaffinen und/oder Polyparaffinen aufgebracht wird.It has now surprisingly been found that it is possible to subject sheet metal, in particular aluminum sheet, tin-plated iron sheet, chromium-plated iron sheet and iron sheet itself, to mechanical deformation processes, in particular deep drawing or stripping, without using the lubricants previously regarded as absolutely necessary if the sheet metal is used before the forming, is provided with a hydrophilic hydroxide-containing conversion coating onto which a preserving coating made of a chemical compound which is both water-soluble and soluble in organic solvents and / or from gelatin, gelatin-like substances, gum arabic, isoparaffins and / or polyparaffins is applied.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung erzeugt man dabei auf den Oberflächen insbesondere ein Hydroxid der niedersten Wertigkeitsstufe des Metalls.According to a preferred embodiment of the present invention, a hydroxide of the lowest valence level of the metal is produced on the surfaces.

Zum Stand der Technik ist auf folgende Literaturstellen hinzuweisen:

  • (1) US-A-3231376
  • (2) US-A-2 801 604
  • (3) Chemical Abstracts, Band 83, Nr. 10,1975, Nr. 83 811c, S. 301
  • (4) DE-A-2 506 665
  • (5) EP-A-0 001 198
The following references should be mentioned regarding the state of the art:
  • (1) US-A-3231376
  • (2) US-A-2 801 604
  • (3) Chemical Abstracts, Volume 83, No. 10.1975, No. 83 811c, p. 301
  • (4) DE-A-2 506 665
  • (5) EP-A-0 001 198

Verfahren zum Hydrophilieren von Metalloberflächen durch Erzeugen von Hydroxiden oder hydroxidhaltigen Verbindungen, insbesondere von Hydroxiden oder hydroxidhaltigen Verbindungen in der niedrigsten Wertigkeitsstufe des betreffenden Metalls sind an sich aus der Literaturstelle (1), nämlich US-A-3231 376 bekannt. Dort ist die Herstellung von Aluminiumhydroxid- und Zinkhydroxid-Schichten auf Aluminium- und Zinkteilen durch Behandlung mit starken anorganischen Basen beschrieben.Process for hydrophilizing metal surfaces by producing hydroxides or hydroxide-containing compounds, in particular hydroxides or hydroxide-containing compounds in the lowest valence level of the metal in question are known per se from reference (1), namely US Pat. No. 3,231,376. It describes the production of aluminum hydroxide and zinc hydroxide layers on aluminum and zinc parts by treatment with strong inorganic bases.

Aus der Literaturstelle (2), nämlich US-A-2 801 604 ist die Herstellung einer Schicht auf verzinntem Eisenblech durch anodische Oxidation an sich bekannt.Literature (2), namely US Pat. No. 2,801,604, discloses the production of a layer on tin-plated iron sheet by anodic oxidation.

Die Literaturstelle (3) Chemical Abstracts Band 83, Seite 301 beschreibt die Herstellung eines Aluminiumhydroxidfilms durch Behandlung von Aluminiumoberflächen mit Natronlauge.Literature (3) Chemical Abstracts Volume 83, page 301 describes the production of an aluminum hydroxide film by treating aluminum surfaces with sodium hydroxide solution.

Aus der Literaturstelle (4), nämlich der DE-A-2 506 665, ist die Schaffung von Erdalkalimetallverbindungen enthaltenden Überzugsschichten auf Aluminium durch Behandlung mit einer basischen, Erdalkalimetallverbindungen enthaltendem alkalischen Lösung bekannt.Literature (4), namely DE-A-2 506 665, discloses the creation of coating layers on aluminum containing alkaline earth metal compounds by treatment with a basic alkaline solution containing alkaline earth metal compounds.

Schließlich beschreibt die Literaturstelle (5), nämlich die EP-A-0001 198 die Herstellung von hydroxidhaltigen Schichten auf Magnesium und Aluminium durch anodische oder chemische Behandlung.Finally, reference (5), namely EP-A-0001 198, describes the production of hydroxide-containing layers on magnesium and aluminum by anodic or chemical treatment.

Die Lösung der technischen Aufgabe, ein neues und auf erfinderischer Tätigkeit beruhendes Verfahren zur Herstellung von Metallgegenständen durch Umformen wie Tiefziehen und/oder Abstrecken von mit einer Umwandlungsschicht versehenen Blechen, die vor dem Verformen mit einem Umwandlungsüberzug versehen werden, zu schaffen, wird in den oben zum Stand der Technik genannten Literaturstellen nicht gelöst und soll durch diese auch nicht gelöst werden.The solution to the technical problem of creating a new method, based on the inventive step, for producing metal objects by shaping, such as deep drawing and / or stripping, metal sheets provided with a conversion layer, which are provided with a conversion coating before being deformed, is described in the above Literature cited to the prior art is not solved and should not be solved by this.

Im folgenden wird nun anhand von einigen Ausführungsbeispielen die Hydrophilierung von Oberflächen von Metallblechen beschrieben:

  • Hydrophilierungsbeispiele
The hydrophilization of surfaces of metal sheets is now described in the following using some exemplary embodiments:
  • Examples of hydrophilization

Beispiel 1example 1

Ein Aluminiumblech der Abmessungen DINA4, einer dicke von 0,3 mm und folgender Zusammensetzung: Silicium 0,30, Eisen 0,70, Kupfer 0,25, Mangan 1,0 bis 1,5, Magnesium 0,3 bis 1,3, Zink 0,25, Rest Aluminium (Gew.-%), wird dadurch hydrophiliert, daß ein Papiervlies, auf das ein mittlerer Druck von einem kg/cm2 (0,098 MPa) ausgeübt wird, fünfmal hin- und herbewegt wird. Generell gilt die Regel, daß diese Reibbewegung so oft durchgeführt wird, bis auf dem Reibpartner Papiervlies ein geringer Rückstand der Aluminiumoberfläche sichtbar ist (schwärzliche Verfärbung des Papiervlieses). Der Nachweis, daß durch diese Behandlung die zuvor hydrophobe Aluminiumoberfläche hydrophil wurde, wird folgendermaßen durchgeführt:

  • Vor der mechanischen Hydrophilierung ist die Aluminiumoberfläche, die in vollständig entfettetem Zustand vorliegt, hydrophob, was sich leicht dadurch feststellen läßt, daß aufgegossenes Wasser bei senkrechtstehendem Aluminiumblech unter Bildung kleiner und kleinster Perlen abläuft, bzw. hydrophob reagiert, indem diese Oberfläche konventionelle Offsetdruckfarbe animmt.
An aluminum sheet with dimensions DINA4, a thickness of 0.3 mm and the following composition: silicon 0.30, iron 0.70, copper 0.25, manganese 1.0 to 1.5, magnesium 0.3 to 1.3, Zinc 0.25, balance aluminum (% by weight), is made hydrophilic by moving a paper fleece to which an average pressure of one kg / cm 2 (0.098 MPa) is applied to and fro five times. In general, the rule applies that this rubbing movement is carried out until a slight residue of the aluminum surface is visible on the friction partner paper fleece (black discolouration of the paper fleece). The proof that this treatment made the previously hydrophobic aluminum surface hydrophilic is carried out as follows:
  • Before the mechanical hydrophilization, the aluminum surface, which is in a completely degreased state, is hydrophobic, which can easily be determined by the fact that poured water runs off with vertical aluminum sheet with the formation of small and very small beads, or reacts hydrophobically by this surface assuming conventional offset printing ink.

Das wie oben geschildert hydrophobil gemachte Aluminiumblech ist als hydrophil dadurch zu erkennen, daß auch bei senkrechter Stellung des Blechs zur Unterlage aufgegossenes Wasser eine vollständige Benetzung der wie oben beschriebenen mechanisch behandelten Aluminiumoberfläche bewirkt und etwa eine Verweildauer von 60 Sekunden zeigt, nach welcher Zeit eine von oben nach unten fortschreitende Verdunstung des Wassers stattfindet bzw. nunmehr keine Offsetfarbe angenommen wird.The aluminum sheet made hydrophobic as described above can be recognized as hydrophilic in that even when the sheet is placed vertically to the base, water poured on causes a complete wetting of the mechanically treated aluminum surface as described above and shows a dwell time of 60 seconds, after which time one of Evaporation of the water progresses from top to bottom or no offset color is now accepted.

Dieses Offsetdruckfarben-Beispiel dient auch dazu zu zeigen, daß die Oberflächenreaktionen, welche zu den konträren Eigenschaften wie hydrophil - hydrophob führen, noch nicht hinreichend wissenschaftlich erforscht sind. Die beschriebene Metallhydroxidstufe der niedrigsten Wertigkeit wird durch das Offsetdruckfarben-Beispiel etwas deutlicher: Läge ein Hydroxid der bekannten Wertigkeitsstufe vor, ließe sich dieses abspülen bzw. falls nicht dissoziiert, ließe sich dieses durch Reiben mit der feuchten Druckfarbe von der Oberfläche entfernen. Dies ist besonders interessant, wenn edle (Kupfer) neben unedlen Metallen (Cr, Fe, Al, Su) gleichsam in den beschriebenen Beispielen behandelt werden. So nimmt Kupfer stets Farbe an wie auch die Oxide der unedlen Metalle, die hydrophob wirken; die Hydroxide der unedlen Metalle sind hydrophil bis diese durch allmähliche Oxidation wieder hydrophob werden.This offset printing ink example also serves to show that the surface reactions which lead to the contrary properties such as hydrophilic - hydrophobic have not yet been sufficiently researched scientifically. The described metal hydroxide level of the lowest value is made somewhat clearer by the offset printing ink example: If a hydroxide of the known value level was present, this could be rinsed off or, if not dissociated, it could be removed from the surface by rubbing with the damp printing ink. This is particularly interesting when noble (copper) as well as base metal (Cr, Fe, Al, Su) are treated as it were in the examples described. Copper always takes on color, as do the oxides of base metals, which have a hydrophobic effect; the hydroxides of the base metals are hydrophilic until they become hydrophobic again through gradual oxidation.

Neu aufgegebenes Wasser wird wieder von der Oberfläche angenommen, d. h. die Oberfläche bleibt hydrophil, und zwar - wie Versuche gezeigt haben - ca. 24 Stunden. Nach Ablauf von 24 Stunden wird die Metalloberfläche langsam in fortschreitendem Maße wieder hydrophob.Newly added water is again accepted from the surface, i.e. H. the surface remains hydrophilic and, as tests have shown, about 24 hours. After 24 hours, the metal surface gradually becomes hydrophobic again.

Beispiel 2Example 2

Ein Aluminiumblech der in Beispiel 1 genannten Art wird dadurch auf chemischem Wege hydrophiliert, daß man es 30 Minuten in eine 1n-Natronlauge eintaucht; die Temperatur der Natronlauge beträgt 60 bis 80°C. Sodann wird das Aluminiumblech aus dem Natronlaugenbad herausgezogen und mit destilliertem Wasser abgespült, bis keine Alkalität im Spülwasser mehr festzustellen ist. Sodann folgt, wie in Beispiel 1 beschrieben, der Test der Hydrophilierung durch Beobachtung der Ablaufgeschwindigkeit in senkrechter Stellung des Blechs. Dabei zeigen die Versuche, daß die Hydrophilierung auf die in diesem Beispiel geschilderte chemische Art und Weise denselben Grad aufweist, wie die in Beispiel 1 beschriebene mechanische Hydrophilierung.An aluminum sheet of the type mentioned in Example 1 is hydrophilized chemically by immersing it in a 1N sodium hydroxide solution for 30 minutes; the temperature of the sodium hydroxide solution is 60 to 80 ° C. Then the aluminum sheet from the caustic soda bath pulled out and rinsed with distilled water until there is no alkalinity in the rinsing water. Then, as described in Example 1, the hydrophilization test is carried out by observing the running speed in the vertical position of the sheet. The experiments show that the hydrophilization in the chemical manner described in this example has the same degree as the mechanical hydrophilization described in Example 1.

Beispiel 3Example 3

Ein Aluminiumblech der im Beispiel 1 genannten Art wird in einen Elektrolyten getaucht, der aus einer 0,5%igen Natronlauge von Raumtemperatur (25° C) besteht.An aluminum sheet of the type mentioned in Example 1 is immersed in an electrolyte consisting of a 0.5% sodium hydroxide solution at room temperature (25 ° C).

Es wird ein anodischer Strom von 70 A/m2 angelegt (bezogen auf die Oberfläche des Aluminiums). Bereits nach 2 Sekunden ist das gesamte Aluminiumblech von gleicher hydrophiler Natur wie das gemäß der Beispiele 1 und 2 behandelte Blech. Die Reinigung des Blechs geschieht auch hier durch Abspülen mit destilliertem Wasser, bis das ablaufende destillierte Wasser alkalifrei ist. Auch die Bestimmungsmethode der Hydrophilität ist die gleiche wie in den vorgenannten Beispielen.An anodic current of 70 A / m 2 is applied (based on the surface of the aluminum). After only 2 seconds, the entire aluminum sheet is of the same hydrophilic nature as the sheet treated according to Examples 1 and 2. The sheet is also cleaned here by rinsing with distilled water until the drained distilled water is alkali-free. The method of determining the hydrophilicity is also the same as in the aforementioned examples.

Beispiel 4Example 4

Das Aluminiumblech der in Beispiel 1 genannten Art wird in einen auf 200° C aufgeheizten Elektroofen gegeben und dort 6 Minuten belassen. Sodann wird das Blech aus dem Elektroofen herausgenommen und bei normaler Laboratoriumsatmosphäre auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Sodann wurde die in Beispiel 1 ausführlich dargestellte Prüfung auf die erzielte Hydrophilität durchgeführt; auch hier zeigte der Versuch, daß das solchermaßen thermisch behandelte Blech den gleichen Grad an Hydrophilität aufwies wie die in den Beispielen 1 bis 3 dargestellten Bleche. Im vorliegenden Fall wird darüber hinaus eine noch länger andauernde Hydrophilität erzielt; sie beläuft sich auf mindestens 36 Stunden.The aluminum sheet of the type mentioned in Example 1 is placed in an electric furnace heated to 200 ° C. and left there for 6 minutes. The sheet is then removed from the electric furnace and allowed to cool to room temperature in a normal laboratory atmosphere. The test for the hydrophilicity achieved, which is shown in detail in Example 1, was then carried out; Here, too, the experiment showed that the sheet thermally treated in this way had the same degree of hydrophilicity as the sheets shown in Examples 1 to 3. In the present case, an even longer lasting hydrophilicity is achieved; it is at least 36 hours.

Beispiel 5Example 5

Ein Weißblech des Formats DIN A 4 wird den in den Beispielen 1 bis 4 dargestellten Hydrophilierungsverfahren unterworfen.A tinplate of the DIN A4 format is subjected to the hydrophilization process shown in Examples 1 to 4.

Bei der mechanischen Hydrophilierung in analoger Anwendung des Beispiels 1 zeigte es sich, daß das Weißblech 100 Stunden lang hydrophil blieb und nach Ablauf dieser Zeit langsam seine Hydrophilität verlor.In the case of mechanical hydrophilization in the analogous application of Example 1, it was found that the tinplate remained hydrophilic for 100 hours and slowly lost its hydrophilicity after this time.

Die Behandlung mit Natronlauge geschieht völlig analog zu Beispiel 2. Das Hydrophilierungsergebnis ist das gleiche wie im vorangegangenen Beispiel.The treatment with sodium hydroxide solution is completely analogous to Example 2. The hydrophilization result is the same as in the previous example.

Beispiel 6Example 6

Ein DIN A 4 Weißblech wird in den NaOH-Elektrolyt wie oben eingetaucht und sodann zunächst eine Sekunden als Anode, sodann eine Sekunde als Kathode, hierauf wieder eine Sekunde als Anode, sodann wieder eine Sekunde als Kathode geschaltet. Die Stromdichte betrug wiederum 70 A/m2 Weißblech.A A4 tinplate is immersed in the NaOH electrolyte as above and then first switched as an anode for a second, then as a cathode for a second, then as an anode for a second, and then again as a cathode for one second. The current density was again 70 A / m 2 tinplate.

Nach Beendigung dieser elektrochemischen Behandlung wurde das Weißblech aus dem Bad herausgenommen und so lange mit destilliertem Wasser abgespült, bis das abgespülte Wasser keinerlei Alkalität mehr aufwies. Sodann wurde die erzielte Hydrophilität dadurch gemessen, daß man den oben bereits ausführlich geschilderten Hydrophilitätstest in Senkrechtstellung des Blechs durchführt.After the end of this electrochemical treatment, the tinplate was removed from the bath and rinsed with distilled water until the rinsed water was no longer alkaline. The hydrophilicity achieved was then measured by carrying out the hydrophilicity test already described in detail above in the vertical position of the sheet.

Es zeigte sich dabei, daß die Hydrophilität des elektrochemisch behandelten Weißblechs auch wieder 100 Stunden anhielt und sodann langsam abfiel.It was found that the hydrophilicity of the electrochemically treated tinplate continued for another 100 hours and then slowly decreased.

Beispiel 7Example 7

Ein verchromtes Eisenblech des Formats DIN A 4 wurde mit einem Druck von 5 kg/cm2 (0,49 MPa) mittels einer Feinstpolierscheibe (auf Kunststoffgewebebasis) dadurch mechanisch behandelt, daß man die Feinstpolierscheibe 5mal auf- und abbewegte.A chrome-plated iron sheet of the DIN A4 format was treated mechanically with a pressure of 5 kg / cm 2 (0.49 MPa) by means of a fine polishing disc (based on plastic fabric) by moving the fine polishing disc up and down 5 times.

Es zeigte sich, daß diese mechanische Behandlung zur Hydrophilierung der zuvor hydrophoben verchromten Eisenblechoberfläche führte. Die Hydrophilierung wurde wieder mit dem oben dargestellten Standardtest ermittelt; es zeigte sich, daß die Hydrophilierung über einen Zeitraum von 5 Stunden aufrechterhalten blieb und sodann langsam abfiel.It was found that this mechanical treatment led to the hydrophilization of the previously hydrophobic chrome-plated iron sheet surface. The hydrophilization was again determined using the standard test shown above; it was found that the hydrophilization was maintained for a period of 5 hours and then slowly decreased.

Beispielexample

Die Oberfläche des verchromten Eisenblechs des Formats DIN A 4 wird dadurch chemisch behandelt, daß man mittels verdünnter Schwefelsäure auf einen pH-Wert von 2 eingestelltes Gemisch aus 10% Gelatine und 2% Glyzerin sowie 88% Wasser auf der Oberfläche verreibt bzw. das Blech in die eben beschriebene Lösung 5 Sekunden lang eintaucht. Anstelle des Eintauchens kann die Oberfläche des verchromten Eisenblechs mit 5 Reibbewegungen unter Verwendung eines chemisch inerten Vlieses beaufschlagt werden.The surface of the chrome-plated iron sheet of the DIN A4 format is treated chemically by rubbing the mixture of 10% gelatin and 2% glycerine and 88% water on the surface using dilute sulfuric acid or rubbing the sheet into immerse the solution just described for 5 seconds. Instead of immersing, the surface of the chromed iron sheet can be subjected to 5 rubbing movements using a chemically inert fleece.

Sodann wird; wie oben ausführlich geschildert, bis zur Neutralität des Waschwassers abgewaschen.Then; as detailed above, washed off until the wash water is neutral.

Es wurde der gleiche Hydrophilitätstest wie oben beschrieben durchgeführt mit dem Ergebnis, daß das solchermaßen chemisch behandelte verchromte Eisenblech eine Hydrophilitätsdauer von 100 Stunden aufwies.It has the same hydrophilicity t est as described above carried out with the result that the thus chemically treated chrome-plated iron plate having a Hydrophilitätsdauer of 100 hours.

Beispiel 9Example 9

Ein verchromtes Eisenblech des Formats DIN A 4 wird für eine Zeitdauer von 6 Minuten in einem Elektroofen mit einer Innentemperatur von 200°C thermisch behandelt und sodann aus diesem Ofen herausgenommen. Nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur besaß das solchermaßen thermisch behandelte verchromte Eisenblech eine Hydrophilität für einen Zeitraum von 100 Stunden.A chromed iron sheet of the DIN A4 format is thermally treated for 6 minutes in an electric furnace with an internal temperature of 200 ° C. and then removed from this furnace. After cooling to room temperature, the chrome-plated iron sheet thus thermally treated had a hydrophilicity for a period of 100 hours.

Beispiel 10Example 10

Ein Eisenblech des Formats DIN A 4 und einer Dicke von 0,3 mm (blankes) Eisenblech, sogenanntes Feinstblech der Zusammensetzung: C 0,6%, Si 0,01 %, Mn 0,25%, P 0,010%, S 0,020%, Rest Eisen, wird in ein Elektrolytbad eingegeben, das mit einem Elektrolyten, bestehend aus 0,25 normaler Natronlauge, gefüllt war. Es wurde sodann das Schwarzblech zunächst eine Sekunde als Kathode, hierauf eine Sekunde als Anode und schließlich wiederum eine Sekunde als Kathode betrieben. Die Stromdichte betrug wieder 70 A/m2 Blech. Daraufhin wurde dieses wieder aus dem Elektrolytbad herausgenommen und mit destilliertem Wasser solange abgewaschen, bis das Waschwasser alkalifrei war. Daraufhin wurde der Hydrophilitätstest - wie oben dargestellt - durchgeführt; es zeigte sich, daß das solchermaßen elektrolytisch behandelte Schwarzblech eine einstündige Hydrophilität aufwies.An iron sheet of the DIN A4 format and a thickness of 0.3 mm (bare) iron sheet, so-called ultra-fine sheet of the composition: C 0.6%, Si 0.01%, Mn 0.25%, P 0.010%, S 0.020% The rest of iron is placed in an electrolyte bath which was filled with an electrolyte consisting of 0.25 normal sodium hydroxide solution. The black plate was then operated first as a cathode for one second, then as an anode for a second and finally as a cathode for a second. The current density was again 70 A / m 2 of sheet metal. It was then removed from the electrolyte bath and washed with distilled water until the wash water was free of alkali. The hydrophilicity test was then carried out as described above; it was found that the black plate treated in this way electrolytically had a hydrophilicity of one hour.

Auch nach Ablauf dieser Stunde beginnt sich die Oberfläche des Schwarzblechs nicht in eine hydrophobe zu verwandeln, da langsam die Bildung von deutlich gefärbtem Eisenoxid einsetzt, die ihrerseits wasserfreundlich ist.Even after this hour has elapsed, the surface of the black plate does not begin to change into a hydrophobic one, since slowly the formation of clearly colored iron oxide begins, which in turn is water-friendly.

Die Konservierung wird dadurch erreicht, daß man möglichst umgehend nach Beendigung des Hydrophilierungsvorgangs auf der Oberfläche einen Überzug aus einer chemischen Verbindung anbringt, die sowohl wasserlöslich als auch in organischen Lösungsmitteln löslich ist; bevorzugte Überzugsbildner sind die Gylkole, Amine, Alkanolamine, ebenso auch Gelatine und gelatineähnliche Substanzen.Preservation is achieved by applying a coating of a chemical compound that is both water-soluble and soluble in organic solvents as soon as possible after the hydrophilization process has ended. preferred coating formers are the glycols, amines, alkanolamines, as well as gelatin and gelatin-like substances.

Als weitere Überzugsmittel eignen sich Gummi arabicum, Iso-Paraffine bzw. Polyparaffine in Lösung und/oder in Emulsion.Gum arabic, iso-paraffins or polyparaffins in solution and / or in emulsion are suitable as further coating agents.

Diese Überzugsmittel bewirken wünschenswerterweise den Ausschluß bzw. die Verhinderung des Zugangs von Luftsauerstoff und/oder Luftfeuchtigkeit zur hydrophilen Metalloberfläche bzw. Metalloxidoberfläche.These coating agents desirably effect the exclusion or prevention of the access of atmospheric oxygen and / or atmospheric moisture to the hydrophilic metal surface or metal oxide surface.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Konservierung einer hydrophil gemachten Metallfläche beschrieben:An exemplary embodiment of the preservation of a hydrophilized metal surface is described below:

Beispiel 11Example 11

Das gemäß Beispiel 1 hydrophil gemachte Aluminiumblech wird sofort nach Beendigung der Hydrophilierungsbehandlung dadurch konserviert, daß auf der Oberfläche Tetraäthylenglykol aufgebracht wird, beispielsweise durch Aufsprühen; alternativ kann die Konservierung auch dadurch bewirkt werden, daß man das hydrophilierte Metallblech unmittelbar nach der Hydrophilierung durch ein Bad von Tetraäthylenglykol hindurchleitet.The aluminum sheet made hydrophilic according to Example 1 is preserved immediately after the end of the hydrophilization treatment by applying tetraethylene glycol to the surface, for example by spraying; alternatively, the preservation can also be effected by passing the hydrophilized metal sheet through a bath of tetraethylene glycol immediately after the hydrophilization.

Weitere Konservierungsmittel sind Ester der Montansäure mit Äthandiol und/oder 1.3-Butandiol, Glycerinmonoacetat, Polyäthylenglykol, Mischpolymerisat aus Estern der Acrylsäure mit einwertigen aliphatischen Alkoholen C1 - C4, Mischung aus Alkylphenolpolyglykoläther mit 20 Äthylenoxidgruppen, Alkylphenolpolyglykoläther-Formaldehydacetat und C12-C18 Fettalkohol-Polyäthylenglykol-Polypropylenglykoläther, Polyvinylacetat aus aliphatischen gesättigten Aldehyden C1-C6 mit einem Molekulargewicht von über 1000, Dibutylsebacat, Acetyltributylcitrat, Acetyl-tri-2-äthylhexylcitrat, Diphenyl-2-äthylhexyl-phosphat, Adipinsäurepolyester mit 1.3- und 1.4-Butandiol, saure Ester der Phosphorsäure mit einwertigen gesättigten aliphatischen Alkoholen der Kettenlänge C2-C4.Other preservatives include esters of montanic acid with ethanediol and / or 1,3-butanediol, glycerol monoacetate, polyethylene glycol, copolymer of esters of acrylic acid with monohydric aliphatic alcohols C 1 - C 4, mixture of alkylphenol polyglycol ether with 20 ethylene oxide groups, alkylphenol polyglycol ether-Formaldehydacetat and C 12 -C 18 Fatty alcohol-polyethylene glycol-polypropylene glycol ether, polyvinyl acetate from aliphatic saturated aldehydes C 1 -C 6 with a molecular weight of over 1000, dibutyl sebacate, acetyltributyl citrate, acetyl-tri-2-ethylhexyl citrate, Diphenyl-2-ethylhexyl phosphate, adipic acid polyester with 1,3- and 1,4-butanediol, acid esters of phosphoric acid with monohydric saturated aliphatic alcohols with chain length C 2 -C 4 .

Die Dauer der Konservierung hängt von der Intensität und der Zeit der Konservierungsbehandlung ab; zumindest ist die Dauer der Konservierung ausreichend, um die weiteren Verarbeitungsstufen der hydrophilierten Oberflächen sicherzustellen, wobei der hydrophile Charakter beibehalten bleiben muß.The duration of the preservation depends on the intensity and time of the preservation treatment; at least the duration of the preservation is sufficient to ensure the further processing stages of the hydrophilized surfaces, the hydrophilic character having to be retained.

Das gesamte überraschende Verhalten der erfindungsgemäß hydrophil gemachten Metalloberflächen ist beim derzeitigen Wissensstand nur auf diese Weise zu erklären, daß beim Hydrophilieren zumindest Hydroxylgruppen enthaltende Verbindungen der niedersten Wertigkeitsstufe des betreffenden Metalls erzeugt wurden, wobei es im Rahmen dieser Erfindung keine Rolle spielt, wieviel Valenzen der betreffenden Metalle mit Hydroxylgruppen abgesättigt sind.The entire surprising behavior of the metal surfaces made hydrophilic according to the invention can only be explained in the current state of knowledge in this way that the hydrophilization produced at least hydroxyl-containing compounds of the lowest valence level of the metal in question, it being irrelevant in the context of this invention how many valences of the concerned Metals are saturated with hydroxyl groups.

Aus den vier vorbeschriebenen Hydrophilierungsverfahrensweisen, nämlich der mechanischen, der chemischen, der elektrochemischen und der thermischen Methode, kann der Fachmann ermessen, daß die natürlich gewachsenen Oxide auf der Oberfläche abgetragen und hydroxylgruppenhaltige verbindungen nachgebildet oder im thermischen Hydrophilierungsprozeß aus inneren Bereichen freigesetzt wurden.From the four previously described hydrophilization procedures, namely the mechanical, the chemical, the electrochemical and the thermal method, the person skilled in the art can see that the naturally grown oxides are removed on the surface and compounds containing hydroxyl groups are reproduced or released from internal areas in the thermal hydrophilization process.

Die Erfindungserklärung findet auch ihre Stütze in der folgenden Tabelle der Bildungsenergie von Metalloxiden bzw. Metallhydroxiden·aus dem jeweiligen metallischen Zustand:

Figure imgb0001
Figure imgb0002
The declaration of the invention is also supported in the following table of the formation energy of metal oxides or metal hydroxides · from the respective metallic state:
Figure imgb0001
Figure imgb0002

Aus dieser Tabelle ist z. B. ersichtlich, daß die Bildungsenergie des Oxids des zweiwertigen Eisens wesentlich geringer ist als die Bildungsenergie des Hydroxids des zweiwertigen Eisens; demgegenüber ist wiederum die Bildungsenergie des Hydroxids des dreiwertigen Eisens wesentlich größer als diejenige des Hydroxids des zweiwertigen Eisens. Schließlich ist die Bildungsenergie des Ferro-Ferri-Oxids am größten.From this table z. B. it can be seen that the formation energy of the oxide of divalent iron is substantially lower than the formation energy of the hydroxide of divalent iron; on the other hand, the energy of formation of the hydroxide of trivalent iron is considerably greater than that of the hydroxide of divalent iron. After all, the formation energy of the ferro-ferric oxide is greatest.

Aus der Tabelle ist zu ersehen, daß die Stabilität insbesondere des Hydroxids des dreiwertigen Eisens nicht weit entfernt liegt von der Stabilität des stabilsten Körpers, nämlich des Fe304.It can be seen from the table that the stability, in particular of the hydroxide of trivalent iron, is not far from the stability of the most stable body, namely Fe 3 0 4 .

Aus der Tabelle ist ferner ersichtlich, daß der Bildungsenergienabstand zwischen dem Hydroxid des zweiwertigen Zinns und dem Oxid des vierwertigen Zinns sehr gering ist; er beträgt nur 2 kcal/Mol. Dies erklärt die hohe Stabilität und große Dauer des hydrophilierten Zinns bei Weißblech.It can also be seen from the table that the formation energy gap between the hydroxide of the divalent tin and the oxide of the tetravalent tin is very small; it is only 2 kcal / mol. This explains the high stability and long duration of the hydrophilized tin in tinplate.

Auch bei Aluminiumblech ist der Abstand zwischen der Bildungsenergie des Hydroxids des dreiwertigen Aluminiums und Oxids des dreiwertigen Aluminiums relativ gering. Er beträgt 304 zu 390 kcal/Mol, jedoch ist mit 86 kcal/Mol die Restenergie so groß, daß die Hydroxidstabilität relativ zu derjenigen von Zinn, Eisen und Chrom geringer ist.With aluminum sheet, too, the distance between the formation energy of the hydroxide of trivalent aluminum and oxide of trivalent aluminum is relatively small. It is 304 to 390 kcal / mol, but with 86 kcal / mol the residual energy is so great that the hydroxide stability is lower relative to that of tin, iron and chromium.

Die Bildungsenergie des Hydroxids des dreiwertigen Chroms beträgt 245 kcal/Mol, die Bildungsenergie des Oxids des dreiwertigen Chroms beträgt demgegenüber 267 kcal/Mol. Sie liegt also nur knapp über denjenigen des Hydroxids, woraus sich wiederum die große Stabilität und Zeitdauer der hydrophilen Stufe bei chromiertem Blech herleiten läßt.The formation energy of the hydroxide of trivalent chromium is 245 kcal / mol, in contrast the formation energy of the oxide of trivalent chromium is 267 kcal / mol. It is therefore only slightly above that of the hydroxide, which in turn can be used to derive the great stability and duration of the hydrophilic stage in chromed sheet metal.

Ein chemischer Nachweis für das Vorhandensein von hydroxylhaltigen Metallverbindungen an den Oberflächen der hydrophilierten Metalle besteht in der Tatsache, daß nachweislich eine Kondensation mit hydroxylgruppenhaltigen organischen Substanzen wie z. B. Salizylaldehyd stattfindet.A chemical proof of the presence of hydroxyl-containing metal compounds on the surfaces of the hydrophilized metals consists in the fact that a condensation with hydroxyl-containing organic substances such as. B. salicylic aldehyde takes place.

Der analytische Nachweis des Vorhandenseins von freien OH-Ionen wurde ferner dadurch erbracht, daß mit dem standardisierten Indikator Neutralrot eindeutig freie OH-Ionen in wäßrigem Medium auf der Oberfläche der hydrophilierten Metalle nachgewiesen wurden.The analytical proof of the presence of free OH ions was further provided by the fact that the standardized indicator neutral red clearly detected free OH ions in an aqueous medium on the surface of the hydrophilized metals.

Im folgenden wird nun eine der Verwendungsweisen der hydrophilierten Bleche beim Abstrecken zum Zwecke der Herstellung von Getränkedosen beschrieben.One of the ways in which the hydrophilized sheets are used in the drawing process for the purpose of producing beverage cans will now be described.

Praktischer Verwendungsfall der Weiterverarbeitung eines wie oben beschriebenen hydrophilierten Aluminiumblechs beim Abstreckverfahren ohne Verwendung eines Schmiermittels:

  • Bisher wurden Metallbleche ohne klare Definition der Metalloxid- bzw. Metallhydroxidstruktur eingesetzt. Es sind Fälle bekannt, bei denen absichtlich eine Oxidschicht erzeugt wurde und zwar in der Annahme, daß dabei hydrophobe Abstreckmittel besser haften.
Practical application of further processing of a hydrophilized aluminum sheet as described above in the ironing process without using a lubricant:
  • So far, metal sheets have been used without a clear definition of the metal oxide or metal hydroxide structure. Cases are known in which an oxide layer was deliberately created, assuming that hydrophobic ironing agents adhere better.

Das analog eines der in den Beispielen angeführten Verfahren hydrophilierte und konservierte Aluminiumblech wird nach der Umformung zu Näpfen sofort in eine inerte Lösung, bestehend aus Isopropanol und 0,5% Triäthanolamin, getaucht, um den Konservierungseffekt zu erneuern.The aluminum sheet, which has been hydrophilized and preserved analogously to one of the processes mentioned in the examples, is immediately immersed in an inert solution consisting of isopropanol and 0.5% triethanolamine in order to renew the preservation effect.

Solche hydrophile und nachkonservierte Näpfe werden der Abstreckpresse zugeführt, wobei besonders auf schnelle Verarbeitung geachtet wurde.Such hydrophilic and post-preserved bowls are fed to the ironing press, special attention being paid to rapid processing.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß diese Näpfe ohne jegliches Kühlmittel - also trocken - als auch mit Kühlmitteln in Form der obigen Konservierungslösung ohne Quietschen und Kratzen sich in Dosen umformen lassen.Surprisingly, it was found that these cups can be formed into cans without any coolant - that is, dry - and with coolants in the form of the above preservative solution without squeaking and scratching.

Da in diesem Falle das äußerst wirkungsvolle Kühlmittel Wasser fehlte, stellt sich in trockenem Zustand schon nach 8 Dosen und mittels Isopropanol und Triäthanolamin (0,5%) erst nach 22 Dosen eine Werkstückverlängerung ein, so daß der Versuch abgebrochen werden mußte. Nach Abkühlen der Werkzeuge (binnen 45 Minuten auf Raumtemperatur) konnte der Versuch erneut aufgenommen werden mit gleichem Resultat.Since the extremely effective coolant, water, was missing in this case, the workpiece lengthened after 8 cans in the dry state and only after 22 cans using isopropanol and triethanolamine (0.5%), so that the experiment had to be stopped. After the tools had cooled (within 45 minutes to room temperature), the experiment could be started again with the same result.

Der Fachmann kann ermessen, daß dieser Verwendungsfall noch bei weitem nicht für eine kommerzielle Produktion geeignet ist, da es vorab erst einmal gilt zu beweisen, daß die hydrophilierte Metalloberfläche keine Oxide freigibt während der mechanischen Umformung, wie es bei konventionellen hydrophoben Oberflächen der Fall ist, welche bei Abwesenheit von Schmiermitteln schon nach zwei Näpfdurchgängen die Oberfläche der Dose deutlich aufreibt und somit auch das Quietschgeräusch verursacht.The person skilled in the art can measure that this use case is far from being for a Commercial production is suitable, since it is first of all necessary to prove that the hydrophilized metal surface does not release any oxides during mechanical forming, as is the case with conventional hydrophobic surfaces, which, in the absence of lubricants, already clear the surface of the can after two wells rubs and thus causes the squeaking noise.

Der Fachmann kann ermessen, daß die Abführung der Arbeitswärme mittels tiefgekühlten externen oder internen Medien erfolgen muß, wenn man auf Wasser verzichten will, um eine kontinuierliche Produktion sicherzustellen. Die Dosenlängensteigerung zeigt deutlich auf die Stempelkühlung hin, da die reduzierten Abstände zwischen Ring und Stempel durch die thermische Ausdehnung des Stempels verursacht worden sind. Dosen mit einer Wanddicke unter 0,06 mm sind nicht standardgemäß, um problemlos durch die nächstfolgenden Arbeitsgänge durchgeführt werden zu können.A person skilled in the art can appreciate that the working heat must be removed by means of frozen external or internal media if water is to be avoided in order to ensure continuous production. The increase in can length clearly indicates stamp cooling, since the reduced distances between the ring and stamp were caused by the thermal expansion of the stamp. Cans with a wall thickness of less than 0.06 mm are not standard in order to be able to be carried out easily through the next work steps.

Bei mikroskopischer Betrachtung der so gefertigten Dosen können leicht milchig erscheinende Schleier auf der Außenseite der Dose festgestellt werden, was keinesfalls die optische Qualität dieser Dose in Frage stellt.When the cans made in this way are viewed microscopically, slightly milky veils can be found on the outside of the can, which in no way questions the optical quality of this can.

Der Wasserhydrophilitätstest ist positiv, d. h., daß die hydrophilierte Oberfläche aufrechterhalten worden ist bzw. sich, auf die Endoberfläche bezogen, um 500/0 nachgebildet hat analog der Hydrophilitätsbeispiele mittels mechanischer Reibenergie.The water hydrophilicity test is positive, i. that is, that the hydrophilized surface has been maintained or, based on the end surface, has reproduced by 500/0 analogously to the hydrophilicity examples by means of mechanical friction energy.

Im Vergleich zu einer standardmäßig, also in Gegenwart von Schmiermitteln und hydrophober Blechoberflächen gefertigten Dose ist die Metalloberfläche homogen, in allen Dosenbereichen hydrophil und muß nicht mehr im Gegensatz zur standardmäßig erzeugten Dose in einem alkalischen Reinigungsbad hydrophil gemacht werden.Compared to a can made as standard, i.e. in the presence of lubricants and hydrophobic sheet metal surfaces, the metal surface is homogeneous, hydrophilic in all areas of the can and no longer needs to be made hydrophilic in an alkaline cleaning bath, in contrast to the can produced as standard.

Dies ist ein besonderes Merkmal der vorliegenden erfindungsgemäß erzeugten Dosenmetalloberfläche.This is a special feature of the present can metal surface produced according to the invention.

Der Fachmann kann ermessen, daß die Hydrophilierung verfahrenstechnisch einfacher und kontrollierbarer zu gestalten ist, wenn diese an einem Band, also vor der Umformung, erfolgt, anstatt an Einzelstücken, die verunreinigt sind mit Schmiermitteln im komplexen Oberflächenbereich der Dosenbodenkontur.The person skilled in the art can appreciate that the hydrophilization can be made simpler and more controllable in terms of process technology if it is carried out on a strip, that is to say prior to the forming, instead of on individual pieces which are contaminated with lubricants in the complex surface area of the can bottom contour.

Beim Abstrecken ohne Schmierung wurde diesseits festgestellt, daß während der mechanischen Umformung mit den Zug- und Gleitkräften sich solche Teile von der Oberfläche lösen, die - wie oben beschrieben - beim Hydrophilierungsversuch unter Verwendung des Papiervlieses abgelöst wurden. Dadurch ist ersichtlich, daß an dem klar definierten Arbeitsradius der Werkzeuge sich Material aufbauen kann, welches den Arbeitsradius ändert. Hierdurch wird das Kräfteverhältnis zwischen Zug und Druck so geändert, daß der Formkörper in der Maschine abreißt. Unter dem Arbeitsradius versteht man beim Abstreckverfahren den Radius, unter dem das Material verjüngt wird. Die gebräuchlichsten Winkel liegen zwischen 10 und 6°. Unter diesem Arbeitswinkel ist dann unter der Formel p3 = pl - p2 die optimale Zugfestigkeit des bereits gezogenen Formlings gegeben; bezüglich der Einzelheiten wird auf die Fachliteratur über das Tiefziehen verwiesen. Um das Abreißen zu verhindern, das sich in der Regel zunächst in einer Änderung des Arbeitsradius anzeigt bzw. bemerkbar macht, hat man es gemäß dem bis jetzt geltenden Stand der Technik für unabdingbar notwendig gehalten, beim Abstreckverfahren konventionelle Schmiermittel auf die Oberfläche sowohl der Formlinge als auch der Abstreckwerkzeuge aufzutragen. Zu den üblichen Schmiermitteln gehören hierbei: wäßrige 3-20%ige Ölemulsionen, Bewirkung einer pH-Korrektur von z. B. pH 6 zu pH 9 und zwar zwecks biologischen Schutzes. Es werden ferner Rostinhibitoren hinzugegeben; verwendet werden auch synthetische Schmiermittel wie beispielsweise Polyglykole.When stretching without lubrication, it was found on this side that during the mechanical shaping with the tensile and sliding forces, those parts detach from the surface which, as described above, were detached in the hydrophilization test using the paper fleece. This shows that material can build up on the clearly defined working radius of the tools, which changes the working radius. As a result, the balance of forces between train and pressure is changed so that the molded body tears off in the machine. The working radius in the ironing process is the radius under which the material is tapered. The most common angles are between 10 and 6 °. At this working angle, the optimum tensile strength of the molded article which has already been drawn is then given under the formula p3 = pl-p2; with regard to the details, reference is made to the specialist literature on deep drawing. In order to prevent the tearing off, which is usually first shown or noticeable in a change in the working radius, it has been considered essential in the current state of the art to apply conventional lubricants to the surface of both the moldings and the ironing process also to apply the ironing tools. The usual lubricants include: aqueous 3-20% oil emulsions, effecting a pH correction of e.g. B. pH 6 to pH 9 for the purpose of biological protection. Rust inhibitors are also added; synthetic lubricants such as polyglycols are also used.

In Versuchen mit Weißblech wurde festgestellt, daß bei fehlenden konventionellen Schmiermitteln die Dosenoberfläche sofort aufgerauht wird, so daß bereits nach dem dritten Dosendurchgang durch das Werkzeug deutliche Geräusche, aufgeworfene Oberflächen und Abrisse festgestellt wurden. Verwendet man jedoch als Ausgangsbleche solche Bleche, die erfindungsgemäß hydrophiliert sind, so zeigt sich überraschenderweise, daß auch ohne Verwendung der bisher als unabdingbar gehaltenen Schmiermittel das Abstrecken ohne Rissebildung, ohne Quietschen, d. h. ohne die typischen Reibgeräusche, durchführbar ist.In experiments with tinplate, it was found that, in the absence of conventional lubricants, the can surface is roughened immediately, so that after the third can passage through the tool, clear noises, raised surfaces and tears were found. However, if such sheets are used as the starting sheets, which are hydrophilized according to the invention, it surprisingly shows that even without the use of the lubricants previously considered essential, the drawing without cracking, without squeaking, ie. H. without the typical rubbing noises.

Die Oberfläche der abgestreckten Bleche zeigt die gleiche Glattheit und Geschmeidigkeit auf wie die unter Verwendung von Schmiermitteln abgestreckten Bleche. Durch dieses erfindungsgemäße Anwenden der hydrophilierten Oberfläche wird ein ganzes Bündel von Vorteilen erreicht:

  • Die Abstreckung der erfindungsgemäß hydrophilierten Bleche führt zu solchen abgestreckten Teilen, die ohne jede weitere Vorbehandlung, insbesondere ohne jede weitere Reinigungsbehandlung einem Lackierverfahren unterworfen werden können. Zu solchen Lackierungsverfahren gehören die folgenden: Spritzlackieren, Tauchlackieren, Pulverlackieren, Walzenlackieren.
The surface of the ironed sheets shows the same smoothness and smoothness as that of the ironed sheets. By using the hydrophilized surface in accordance with the invention, a whole bundle of advantages is achieved:
  • The ironing of the sheets which have been hydrophilized according to the invention leads to such ironed parts which can be subjected to a painting process without any further pretreatment, in particular without any further cleaning treatment. Such painting processes include the following: spray painting, dip painting, powder painting, roller painting.

Das Walzenlackieren ist durchzuführen bei einer Außenlackierung, die Spritzlackierung und die Pulverlackierung ist vorzugsweise bei einer Innenlackierung anzuwenden. Die Tauchlackierung wird normalerweise bei einer gleichzeitigen Innen- und Außenlackierung durchgeführt.The roller coating is to be carried out for an external coating, the spray coating and the powder coating is preferably to be used for an internal coating. Dip painting is usually carried out with simultaneous interior and exterior painting.

Es wurden überraschenderweise ferner festgestellt, daß die Oberfläche von hydrophilierten abgestreckten Teilen eine bessere Affinität und eine bessere Haftfestigkeit mit dem Lack besitzt als die Oberfläche von nicht-hydrophilierten Blechen, die auf die konventionetie Weise unter Verwendung von Schmiermitteln abgestreckt wurden. Auch hierin liegt ein sprunghaft fortschrittlicher Effekt begründet. Es ist einzusehen, daß ein einmal auf die Metallblechoberfläche aufgebrachter Schmiermittelfilm nicht in jedem Falle 100%ig in allen Bereichen entfernbar ist, weshalb der Lackauftrag auf solche Blechoberflächen, die zunächst geschmiert und dann wieder gereinigt wurden, immer problematischer ist als ein Lackauftrag auf Metalloberflächen, die niemals mit Schmiermitteln in Berührung gekommen,sind.It has also surprisingly been found that the surface of hydrophilized ironed parts has a better affinity and better adhesion with the lacquer than the surface of non-hydrophilized sheets used in the conventional manner have been stripped of lubricants. This is also due to an abruptly progressive effect. It can be seen that a lubricant film once applied to the metal sheet surface cannot always be removed 100% in all areas, which is why the application of paint to sheet metal surfaces that were first lubricated and then cleaned is always more problematic than applying paint to metal surfaces. that have never come into contact with lubricants.

Ein weiterer ganz bedeutender Fortschritt des Einsatzes der hydrophilierten Metalloberflächen im Hinblick auf ihre Lackierung besteht darin, daß durch das Weglassen der Schmiermittel und damit den Wegfall der vor dem Lackieren notwendigen Entfernungsoperation von Schmiermitteln in großem Umfang sowohl Stoffe, die zur Entfernung der Schmiermittel dienen, eingespart werden, als auch in hohem Maß eine Beseitigung von Umweltgefahren erzielt wird.Another very significant advance in the use of the hydrophilized metal surfaces with regard to their painting is that by omitting the lubricants and thus the elimination of the lubrication removal operation necessary before painting, both substances which serve to remove the lubricants are saved to a large extent environmental risks are eliminated to a high degree.

Bei den konventionellen schmiermittelverwendenden Abstreckverfahren mußten die Schmiermittel in großen Reinigungsanlagen unter Verwendung von-lösungsmittelhaltigen Reinigern entfernt werden. Ein anderes Verfahren besteht in der Verwendung von wäßrigen Alkalien zur Beseitigung der Schmiermittel infolge Verseifung.With the conventional lubricant-using ironing processes, the lubricants had to be removed in large cleaning systems using solvent-containing cleaners. Another method is to use aqueous alkalis to remove the saponification lubricants.

Alle Verfahren benötigen eine große Menge an Energie und führen zum Entstehen eines großen Anfalls an toxischen Abwässern oder toxischen Lösungsmittelrückständen. Alle diese umweltgefährdenden Reinigungstechniken entfallen bei der Anwendung der erfindungsgemäßen hydrophiljerten Bleche zum Abstrecken.All processes require a large amount of energy and lead to the generation of a large amount of toxic waste water or toxic solvent residues. All of these environmentally hazardous cleaning techniques are dispensed with when using the hydrophilic sheets for ironing according to the invention.

Bei der Verwendung der mittels eines konservierenden Überzuges z. B. aus Glykol stabilisierten Metalloberflächen zum Abstrecken und anschließenden Lackieren ist festzustellen, daß ein großer Teil des Glykols beim Abstrecken verdampft, wobei jedoch dieser Anteil, verglichen mit den früher notwendigen schmiermittelentfernenden organischen Stoffen, sehr gering ist. Verbleibende geringe Reste des Stabilisators Glykol, die gegebenenfalls nicht völlig ausgeschlossen werden können, sind mit der Lackierung verträglich.When using the means of a preservative coating z. B. from glycol stabilized metal surfaces for ironing and subsequent painting, it can be seen that a large part of the glycol evaporates during ironing, but this proportion is very small compared to the previously required lubricant-removing organic substances. Remaining small residues of the stabilizer glycol, which can possibly not be completely excluded, are compatible with the coating.

Normalerweise sind nämlich die Stabilisierungsmittel wie z. B. die Glykole und die Amine ihrerseits Mitbestandteil des Lacks.Normally, the stabilizing agents such. B. the glycols and the amines in turn co-constituent of the paint.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit der mit dem konservierenden Überzug stabilisierten umgeformten Metallgegenstände ist aus Patentanspruch 5 zu ersehen.Another possible use of the formed metal objects stabilized with the preserving coating can be seen from claim 5.

Claims (5)

1. Process for the production of metal articles by the forming, such as deep-drawing and/or stretching, of metal sheets provided with a conversion layer, which are provided with conversion coating prior to the forming, characterized in that, prior to the forming, the sheets are provided with a hydrophilic hydroxide-containing conversion coating, onto which is applied a preserving coating consisting of a chemical compound which is both watersoluble and soluble in organic solvents, and/or consisting of gelatin, gelatin-like substances, gum arabic, isoparaffins and/or polyparaffins.
2. Process in accordance with claim 1, characterized in that the preserving coating is applied immediately after producing the conversion coating.
3. Process in accordance with claim 1 or 2, characterized by the use of glycol, amines, alkanolamines as compounds which are both water-soluble and soluble in organic solvents.
4. Use of the process products in accordance with claims 1 to 3 as substrates for the surface lacquering.
5. Use of the process products in accordance with claims 1 to 3 as substrates for a bond between the metal and organic compound.
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