DE10102551A1

DE10102551A1 - Corrosion-resistant inorganic coating producing process involves electrostatically depositing non-metallic inorganic nanometric particles on surface of material

Info

Publication number: DE10102551A1
Application number: DE2001102551
Authority: DE
Inventors: Michael Schuetze; Wolfram Fuerbeth; Franz Dettenwanger; Hong-Quang Nguyen
Original assignee: DECHEMA GESELLSCHAFT fur CHEMISCHE TECHNIK und BIOTECHNOLOGIE EV; Dechema Deutsche Gesellschaft fuer Chemisches Apparatewesen eV
Current assignee: Dechema-Forschungsinstitut De
Priority date: 2001-01-20
Filing date: 2001-01-20
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2021-01-21
Also published as: DE10102551B4

Abstract

The inorganic coating producing process involves depositing non-metallic inorganic nanometric particles on the surface of the material electrostatically. The deposited particles are subsequently sintered at 200-1500[deg]C to produce a sealing layer. The material surface should be degreased before the particles are deposited on it.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung korrosionsschützender Überzüge auf elektrisch leitfähigen Werkstoffen mittels eines 2-Stufen prozesses unter Verwendung nanoskaliger Partikel.The invention relates to a method for producing anti-corrosion Coatings on electrically conductive materials using a 2-stage process using nanoscale particles.

Reaktive Gebrauchsmetalle wie un- und niedriglegierter Stahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie Magnesium und Magnesiumlegierungen sind unter agressiven Bedingungen durch geeignete Verfahren gegen einen Korrosionsan griff zu schützen. Hierzu werden neben organischen Beschichtungen auch me tallische und nichtmetallisch-anorganische Überzüge eingesetzt. Solche Überzüge werden üblicherweise entweder aus Lösungen elektrolytisch oder chemisch oder aber durch physikalische Verfahren aus der Gasphase auf der Metalloberfläche abgeschieden. Bestimmte nichtmetallisch-anorganische Ver bindungen, wie z. B. SiO₂, sind jedoch durch keines dieser Verfahren auf Oberflächen abzuscheiden, bzw. erhält man durch ihre Abscheidung keine dichten und damit schützenden Deckschichten. Solche dichten Schichten sind jedoch durch ein thermisches Verfahren, das Sintern von Pulvern zu erhal ten. Bei üblichen mikroskopischen Pulvern liegt die hierfür notwendige Be handlungstemperatur vielfach über der Einsatzgrenze der zu beschichtenden Werkstoffe. Diese Problem kann durch die Verwendung nanoskaliger Partikel, welche eine stark erhöhte Sinteraktivität und damit deutlich erniedrigte Sintertemperaturen aufweisen, umgangen werden. Solche nanoskaligen Partikel sind jedoch nur sehr schwer gleichmäßig auf Oberflächen aufzubringen.Reactive metals such as unalloyed and low-alloy steel, aluminum and aluminum alloys as well as magnesium and magnesium alloys must be protected against corrosive attack by suitable processes under aggressive conditions. In addition to organic coatings, metallic and non-metallic-inorganic coatings are used for this purpose. Such coatings are usually deposited either from solutions electrolytically or chemically or by physical processes from the gas phase on the metal surface. Certain non-metallic-inorganic compounds, such as. As SiO ₂ , however, can not be deposited on surfaces by any of these methods, or by their deposition no dense and thus protective cover layers are obtained. However, such dense layers can be obtained by means of a thermal process for sintering powders. In the case of conventional microscopic powders, the treatment temperature required for this is often above the application limit of the materials to be coated. This problem can be avoided by using nanoscale particles which have a greatly increased sintering activity and thus significantly lower sintering temperatures. However, such nanoscale particles are very difficult to apply uniformly to surfaces.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstel lung korrosionsschützender Überzüge für elektrisch leitfähige Werkstoffe zu schaffen, welches die Verwendung von Nanopartikeln zur Schichtabscheidung ermöglicht. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird hier dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Herstellung korrosionsschützender anorgani scher Überzüge für elektrisch leitfähige Werkstoffe geschaffen wird, bei dem nanoskalige Partikel mittels Elektrophorese auf der Werkstoffoberfläche abgeschieden werden (Verfahrensschritt a) und bei dem dann das abgeschiede ne nanoskalige Pulver bei 200 bis 1500°C zu einer geschlossenen Schicht gesintert wird, die eine Dicke von 50 nm bis 500 µm hat (Verfahrensschritt b). The invention is therefore based on the object of a method for the production anti-corrosion coatings for electrically conductive materials create, which the use of nanoparticles for layer deposition allows. The object on which the invention is based is thereby achieved solved that a method for producing corrosion-protective inorganic shear coatings for electrically conductive materials is created at the nanoscale particle by means of electrophoresis on the surface of the material are deposited (process step a) and in which then the deposited ne nanoscale powder at 200 to 1500 ° C to form a closed layer is sintered, which has a thickness of 50 nm to 500 microns (process step b).

Process step (a)

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein na noskaliges nichtmetallisch-anorganisches Pulver in einer geeigneten Träger flüssigkeit dispergiert. Nanoskalige Pulver sind hierbei solche mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 100 nm. Beispiele für solche Pulver sind zum Beispiel Siliciumoxid, Boroxid, Aluminiumoxid wie auch Carbide, Nitride und Boride. Neben den reinen Substanzen werden auch Gemische ver schiedener Pulver oder oberflächenmodifizierte Pulver verwendet, wobei die Mischungsverhältnisse so eingestellt werden können, daß besonders niedrig schmelzende Eutektika ausgenutzt werden.To carry out the method according to the invention, a na noscale non-metallic-inorganic powder in a suitable carrier liquid dispersed. Nanoscale powders are those with a Particle diameter of less than 100 nm. Examples of such powders are for example silicon oxide, boron oxide, aluminum oxide as well as carbides, Nitrides and borides. In addition to the pure substances, mixtures are also used different powder or surface-modified powder used, the Mixing ratios can be set so that particularly low melting eutectics can be exploited.

Die Suspension der Nanopartikel wird dann in eine übliche elektrochemische Zelle eingebracht, wobei der zu beschichtende gereinigte und entfettete Werkstoff die eine Elektrode bildet und eine zweite inerte Elektrode als Gegenelektrode verwendet wird. Zwischen den Elektroden wird eine Spannung angelegt, wobei die Polung je nach Oberflächenladung der Partikel so ge wählt wird, daß diese von der Werkstoffoberfläche angezogen werden. Die Hö he der Spannung wird ebenfalls den Ladungsverhältnissen sowie der Beweg lichkeit der Partikel in der Suspension angepaßt. Unter diesen Bedingungen scheiden sich die nanoskaligen Partikel auf der Werkstoffoberfläche ab. Vorteile des gewählten Verfahrens gegenüber der Tauch- oder Schleuderbe schichtung aus einer Suspension liegen hierbei zum einen darin, daß eine erheblich höhere Gründichte in der Schicht erzielt werden kann, da diese bei den anderen Verfahren durch die maximal mögliche Feststoffkonzentration von etwa 20% in der Suspension limitiert wird. Die höhere Gründichte führt dann bei dem hier vorliegenden Verfahren dazu, daß die Rißbildung beim Sin tervorgang deutlich reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil gegenüber anderen Methoden liegt darin, daß über Stromstärke und Zeit die Dicke der aufgebrachten Schicht kontrolliert werden kann, was beim Tauchen oder Schleudern nicht möglich ist.The suspension of the nanoparticles is then converted into a conventional electrochemical Cell introduced, the cleaned to be coated and degreased Material that forms one electrode and a second inert electrode as Counter electrode is used. There is a voltage between the electrodes created, the polarity depending on the surface charge of the particles so ge is chosen that these are attracted to the surface of the material. The Hö he voltage is also the charge conditions and the movement adjusted in the suspension. Under these conditions the nanoscale particles separate on the surface of the material. Advantages of the chosen method compared to the immersion or centrifugal heritage Layering from a suspension lies in the fact that a considerably higher green density in the layer can be achieved because of this in the other processes by the maximum possible solids concentration is limited by about 20% in the suspension. The higher green density leads then in the present method that the crack formation in Sin process can be significantly reduced. Another advantage over other methods is that the thickness of the applied layer can be controlled, what when diving or Spin is not possible.

Process step (b)

In einem nachgeschalteten Verfahrensschritt wird dann das auf der Metall oberfläche befindliche Nanopulver auf thermischem Wege zu einem dichten, gut haftenden anorganischen Überzug mit hoher Korrosionsschutzwirkung ge sintert.In a subsequent process step, this is then on the metal surface nanopowder thermally to a dense, well adhering inorganic coating with high corrosion protection sinters.

Die hierzu einzustellende Temperatur hängt von der Art des aufgebrachten Pulvers ab, sie muß über der Sintertemperatur liegen, welche neben der Art der Substanz auch von der Teilchengröße und gegebenenfalls von Mischungs verhältnissen verschiedener Pulver abhängig ist.The temperature to be set for this depends on the type of applied Powder, it must be above the sintering temperature, which in addition to Art the substance also on the particle size and possibly of mixture ratios of different powders.

Die Wärmeeinbringung ist in einfachster Weise durch Auslagerung in einem Ofen zu realisieren, es können aber auch Induktionserwärmung, Infrarotbe strahlung oder Laserschmelzen zum Einsatz kommen.The heat input is in the simplest way by outsourcing in one Realize furnace, but it can also be induction heating, infrared radiation or laser melting are used.

Claims

1. A method for producing corrosion-protective inorganic coatings for electrically conductive materials, characterized in that non-metallic-inorganic nanoscale particles are deposited electrostatically on the surface of the material.

2. The method according to claim 1, characterized in that the deposited a nanoscale particle through a thermal aftertreatment at 200 up to 1500 ° C to be sintered into a dense layer.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the work degreased the material surface before the deposition of the nanoscale particles becomes.

4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized records that uses a mixture of different nanoscale particles becomes.

5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized records that uses surface-modified nanoscale particles become.

6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized records that the heat input by aging in a furnace, In Production heating, infrared radiation or laser melting takes place.

7. The method according to at least one of claims 1 to 6, characterized records that the resulting layer thickness is 50 nm to 500 microns.