Verfahren zur elektrophoretischen Beschichtung von Metallteilen
Die Elektrophorese als Auftragungsverfahren für Anstrichstoffe ist seit vielen Jahren allgemein bekannt.
Unter Elektrophorese wird die Wanderung von elektrisch geladenen Teilchen in einem elektrischen Feld verstanden. Bei einer elektrophoretischen Lackierung wird dieser Effekt dazu benutzt, um einen besonderen Lack auf zu lackierende Metallteile niederzuschlagen. Man bedient sich dazu eines Bindemittels, welches in wässriger Phase entweder als Makroion, echt gelöst, auftritt oder auch als Emulsion bzw. Dispersion erscheinen kann. In der Praxis werden meist beide Erscheinungsformen parallel laufen.
Die Bindemittelteilchen werden elektrisch negativ aufgeladen, dadurch ist eine Wanderung dieser Teilchen zur Anode in einem elektrophoretischen Bad möglich. In der Praxis wird bei einer elektrophoretischen Lackierung ein elektrisch neutrales Pigment mit dem Bindemittel zusammen zur Anode transportiert. An der Anode werden die Teilchen dann entladen und der Lack dadurch wasserunlöslich gemacht.
In dem deutschen Patent 888 539 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines elektrophoretischen Bades beschrieben worden, wobei Lösungsmittel mit einer Leitfähigkeit von höchstens 2.10-" Ohm-1 cm-1 verwendet werden und das gebrauchsfertige Bad mit oder ohne Peptisatorzusatz eine Leitfähigkeit von höchstens 2.10-4 Ohm-l cm-l aufweist. Diese Bedingungen müssen gemäss dieser Patentschrift eingehalten werden, um eine einwandfreie Abscheidung zu erzielen.
Die elektrophoretische Lackierung wird hauptsächlich für die Beschichtung kompliziert geformter Teile angewandt. Durch eine hohe Differenz zwischen dem spezifischen Badwiderstand und dem Filmwiderstand ergibt sich auch in sogenannten Faraday'schen Käfige eine Beschichtung. Die Lackierung richtet sich natürlich zunächst nach dem Feldlinienverlauf, d.h. die der Kathode zugewandten Stellen der Anode sowie hervorspringende Kanten werden zuerst beschichtet.
Der sich an den beschichteten Stellen ausbildende Filmwiderstand schirmt diese Stellen dann für den weiteren Feldlinienverlauf elektrisch ab. so dass der folgende Lackniederschlag an den verbleibenden leitfähigen Stel len erfolgen muss. Hierdurch wird dann nach einer gewissen Zeit eine gleichmässige Beschichtung erreicht.
Will man jedoch nach den an sich bekannten Verfahren elektrophoretisch beschichtete Metallteile für elektrotechnische Zwecke benutzen, so ergibt sich die Schwierigkeit, dass alle Versuche, ein derartiges Band elektrotechnisch einwandfrei, also auch an den Kanten, durch elektrophoretische Lackierung zu beschichten, scheitern.
Setzt man nämlich diese nach den herkömmlichen Verfahren beschichteten Bänder, insbesondere Aluminiumbänder für elektrotechnische Zwecke, beispielsweise im Transformatorenbau ein, so können sich Nachteile, beispielsweise Funkendurchschlag und dergleichen ergeben.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass sich diese Nachteile in erster Linie dadurch ergeben, dass die gelieferten technischen Metallteile, z.B. Aluminiumbänder, scharfe bzw. nicht abgerundete Kanten aufweisen und teilweise auch kleine, an den Kanten befindliche Metallspäne besitzen.
Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zu finden, welches erlaubt, im Verlauf eines elektrophoretischen Beschichtungsverfahrens eine elektrotechnisch einwandfreie Beschichtung der Metallteile, insbesondere Aluminiumteile, auch an den Kanten zu erzielen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung war es, im Verlauf eines elektrophoretischen Beschichtungsverfahrens eine Abrundung der Kanten und Schnittgrate der Metallteile zu erreichen. Schliesslich sollte durch das vorliegende erfindungsgemässe Verfahren der Anwendungsbereich der elektrophoretisch lakkierten Metallteile vergrössert werden.
Erfindungsgemäss wurde festgestellt, dass diese Vorteile durch die Anwendung eines Verfahrens zur elektrophoretischen Beschichtung von Metallteilen erzielt werden, indem die elektrophoretische Beschichtung in Anwesenheit eines wasserverdünnbaren oder wasseremulgierbaren organischen Bindemittels bei einer Elektrodenspannung von 124 bis 155 Volt, eine Badtemperatur von 17 bis 320C und einem Elektrodenabstand von 35 bis 115 mm durchgeführt wird.
Bei dem Verfahren werden bevorzugt solche Metalle elektrophoretisch beschichtet, die eine nichtleitende dün ne Schicht, zB. eine Oxydschicht, besitzen oder Metall- legierungen, die unter Verwendung derartiger Metalle hergestellt, oder schliesslich Metalle oder andere Stoffe, die mit derartigen Metallen beschichtet wurden. Besondere Vorteile ergeben sich bei der Anwendung von Alumi- nium, bei dem die beschriebenen Effekte und Vorteile der elektrophoretischen Beschichtung unter gleichzeitiger Kantenabrundung am deutlichsten erkennbar sind.
Gerade die einwandfreie elektrophoretische Lackierung von Aluminiumteilen ist von grosser wirtschaftlicher Bedeutung, da man beispielsweise beabsichtigt, im Transformatorenbau, speziell bei der Konstruktion mittelgrosser und grosser Einheiten, ab etwa 250 KVA, in Zukunft statt Kupfer Aluminium als Leitermaterial einzusetzen. Es ist nicht bzw. nur schwer möglich, den bisher verwendeten Kupferdraht einfach durch Aluminiumdraht zu ersetzen.
Es würde dabei ein zu grosser Platzbedarf auftreten.
Ausserdem bereitet das Ziehen von Aluminiumdraht erhebliche Schwierigkeiten im Hinblick auf die Masshaltigkeit des Durchmessers. Eine akzeptable Möglichkeit für den Einsatz von Aluminium im Transformatorenbau ist die Verwendung von Scheibenspulen, welche aus einem folienartigen Aluminiumband gewickelt sind. Eine derartige Bandwicklung lässt sich viel dichter anfertigen als eine Runddrahtwicklung, so dass die durch die Runddrahtwicklung bedingten Luftpolster wegfallen.
Weiterhin ergeben sich daraus die Vorteile, dass die Kühlmöglichkeit für den Transformator infolge der wegfallenden Lufteinschlüsse bedeutend günstiger sind und sich der SKIN Effekt bei einem folienartigen Band bedeutend besser ausnutzen lässt, als dies bei Runddraht möglich ist. Dazu treten dann noch die wirtschaftlichen Vorteile des Aluminiums, wie niedriger Preis, umEang- reiche Lagerstätten, usw. Die Vorteile der Widdung aus Aluminiumband sind bereits seit Jahren von der Elektroindustrie klar erkannt worden. Trotzdem war es bisher schwierig, Aluminiumbänder für diesen Zweck einzusetzen. Alle Versuche, ein derartiges Band einwandfrei, also auch an den Kanten zu isolieren, scheiterten mangels entsprechender Möglichkeiten.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es jedoch, auch dünne Aluminium bänder mit Hilfe eines besonderen Elektrophorese-Lakkes einwandfrei zu isolieren, wobei man
1. eine einwandfreie Kantenisolierung erzielt, die durch ein Abrunden der Kanten und Schnittgrade unterstützt wird;
2. eine elektrophoretische Beschichtung erhält, die auf dem Metall, vorzugsweise Aluminium, einwandfrei haftet.
Das beschriebene Abrunden der Kanten wird im gleichen Bad, in dem die Beschichtung erfolgt, vorgenommen.
Als Bindemittel für die elektrophoretische Beschichtung verwendet man ein in bezug auf Ammoniumionen kationenfreies und in bezug auf Alkali- und Erdalkaliionen ein kationarmes oder kationenfreies Bindemittel, d.h. aus dem Bindemittel dürfen sich keine dissoziierbaren CH-Gruppen bei der Elektrophorese bilden. Die elektrophoretische Beschichtung kann in Anwesenheit eines Hilfsstoffes, beispielsweise feingepulverter oder feingefällter Füllstoffe und nicht hydrolysierbarer Trockenstoffe, erfolgen. Als feingepulverte bzw. feingefällte Füllstoffe sind beispielsweise mikronisiertes oder gefälltes Siliziumdioxyd, fein bzw. ultrafein gefälltes Calciumcarbonat und dergleichen zu nennen. Nicht hydrolysierbare Trockenstoffe sind beispielsweise Naphthonate oder Octoate.
Je nach dem Festkörpergehalt des Bades kann die Beschichtung bei einem pH zwischen 7,5 und 8,2 erfolgen, wobei man vorzugsweise ein Bindemittel auf öl Phthalatharzbasis benutzt. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung eines langöligen, kationenfreien, wasserverdünnbaren oder wassermulgierbaren Alkydharzes als Bindemittel.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll durch das folgende Beispiel (in der nachfolgenden Tabelle als Beispiel 1 bezeichnet) erläutert werden:
Die elektrophoretische Beschichtung erfolgte mit einem in bezug auf Ammoniumionen kationenfreien und in bezug auf Alkali- und Erdalkaliionen kationenarmen oder kationenfreien, wasserverdünnbaren, langöligen Alkydharz als Bindemittel, mikronisiertem Siliziumoxyd als Füllstoff und Mangannaphthenat als Trockenstoff.
Die angegebenen Substanzen werden auf einer Walze verrieben und auf 100% mit entionisiertem Wasser aufgefüllt. Der pH-Wert wird mit Morpholin auf 7,9 bei 290C eingesteilt. Die spezifische Leitfähigkeit beträgt bei dieser Temperatur, welche auch gleichzeitig die Arbeitstemperatur ist, 984 I1S. Dieser Lack wird in einem Beschichtungsbecken einem Umlauf unterworfen, so dass dieses Becken in einer Stunde etwa 3 bis 5 mal umgepumpt wird. Bei einem Elektrodenabstand von 105 mm zu den Badkanten wird bei einer Spannung von 126 Volt beschichtet. Die Spannung sollte bei den angegebenen sonstigen Bedingungen ziemlich genau eingehalten werden.
Ein Aluminiumband wird kontinuierlich durch dieses Lackbad geleitet. Die Eintauchlänge des Aluminiumbandes bestimmt die Durchlaufgeschwindigkeit der Anlage.
Die Beschichtungszeit war bei diesem Versuch auf ca. 10 Stunden eingestellt, d.h. jedes Stück des Aluminiumban.
des muss während des Durchlaufes 10 Sekunden im Bad verweilen. Nach Auftauchen aus dem Beschichtungsbad wird der mechanisch anhaftende Lack ohne vorherige Berührung mit mechanischen Teilen der Apparatur durch einen Wasserschleier abgespült. Bremsluftdüsen verhindern einen Rücklauf des Spülwassers in das Be schichtungsbad. Nach dem Abspülen werden noch anhaftende Wassertropfen durch Pressluft entfernt und das so beschichtete Band durch einen Einbrenntunnel geleistet. Die Länge des Einbrenntunnels richtet sich natürlich nach der Durchlaufgeschwindigkeit der Anlage.
Die Einbrennzeiten richten sich in erster Linie nach den Bindemitteln. Sie lagen bei dem Versuch zwischen 200 und 2200C, zwischen 45 Sekunden und 1 Minute.
Es ist als vorteilhaft anzusehen, dass das frisch beschichtete Band vor dem Einbrennen nicht über Umlenkrollen geleitet wird. Man sollte also den Trockentunnel in einem Winkel von etwa 450C aufstellen. Um eine Kaminwirkung in diesem Trockentunnel zu verhindern, wird am Ende dieses Tunnels ein Luftpolster angeordnet.
Dieses Luftpolster sorgt auch für eine schnelle Abkühlung des Aluminiumbandes, so dass dieses unmittelbar dahinter aufgespult werden kann.
Untersuchungen ergaben, dass die Kantenabrundung bereits in der ersten Sekunde der Beschichtung erfolgt.
Es wurden Bandproben kurzfristig durch einen Stromstoss bei entsprechenden Bedingungen dünn beschichtet.
Auch diese Proben zeigten deutlich das Abrunden der Kanten. In der nachfolgenden Tabelle sind die Bedingungen einiger elektrophoretisch durchgeführter Metallbeschichtungen (Beschichtungen von Aluminium) zusammengestellt. Bei allen 4 Versuchen konnten Kantenabrun dungen bei gleichzeitiger elektrophoretischer Beschichtung festgestellt werden.
TABELLE Laufende Versuche-Nr.: 1 2 3 4 pH-Wert 7,9 7,6 7,6 8,0 Festkörpergehalt in % 8,592 10,121 10,5 11,5 spezifische Leitfähigkeit in ssS 984 984 984 984 Badtemperatur in C 29 31,5 27,5 30,5 Elektrodenabstand von den Kanten in mm 105 45 115 63 Bad spannung (Elektrodenspannung) in Volt 126 118 144 124
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren beschichteten Metallteile, insbesondere Aluminiumteile, lassen sich auf den unterschiedlichsten Gebieten einsetzen.
Besonders vorteilhaft ist jedoch die Anwendung elektrophoretisch beschichteter Aluminiumteile, insbesondere Aluminiumbänder, für elektrotechnische Zwecke, beispielsweise im Transformatorenbau.
Process for the electrophoretic coating of metal parts
Electrophoresis as an application method for paints has been well known for many years.
Electrophoresis is the migration of electrically charged particles in an electric field. In the case of electrophoretic painting, this effect is used to deposit a special paint on metal parts to be painted. A binder is used for this purpose, which in the aqueous phase either appears as a macroion, genuinely dissolved, or can also appear as an emulsion or dispersion. In practice, both manifestations will usually run in parallel.
The binder particles are electrically negatively charged, which enables these particles to migrate to the anode in an electrophoretic bath. In practice, in electrophoretic painting, an electrically neutral pigment is transported with the binder to the anode. The particles are then discharged at the anode, making the paint insoluble in water.
In the German patent 888 539 a process for the production of an electrophoretic bath has already been described, whereby solvents with a conductivity of at most 2.10- "ohm-1 cm-1 are used and the ready-to-use bath with or without the addition of a peptizer has a conductivity of at most 2.10- 4 ohm-1 cm-1. According to this patent specification, these conditions must be complied with in order to achieve proper separation.
Electrophoretic painting is mainly used for the coating of complex shaped parts. Due to a large difference between the specific bath resistance and the film resistance, there is also a coating in so-called Faraday cages. The painting is of course initially based on the course of the field lines, i.e. the places on the anode facing the cathode and protruding edges are coated first.
The film resistance that forms at the coated areas then electrically shields these areas for the further course of the field lines. so that the subsequent paint deposit must take place on the remaining conductive points. As a result, a uniform coating is achieved after a certain time.
However, if one wants to use electrophoretically coated metal parts for electrotechnical purposes according to the process known per se, the difficulty arises that all attempts to coat such a tape in an electrotechnically flawless manner, i.e. also on the edges, by electrophoretic painting fail.
If these strips coated according to the conventional method, in particular aluminum strips, are used for electrotechnical purposes, for example in transformer construction, disadvantages, for example spark breakdown and the like, can arise.
In the context of the invention it was recognized that these disadvantages arise primarily from the fact that the technical metal parts supplied, e.g. Have aluminum strips, sharp or non-rounded edges and sometimes also have small metal chips on the edges.
The aim and object of the present invention was therefore to find a method which allows, in the course of an electrophoretic coating process, an electrotechnically perfect coating of the metal parts, in particular aluminum parts, also on the edges. Another object of the present invention was to achieve rounding of the edges and burrs of the metal parts in the course of an electrophoretic coating process. Finally, the present inventive method was intended to enlarge the area of application of the electrophoretically painted metal parts.
According to the invention it was found that these advantages are achieved by using a method for the electrophoretic coating of metal parts by applying the electrophoretic coating in the presence of a water-thinnable or water-emulsifiable organic binder at an electrode voltage of 124 to 155 volts, a bath temperature of 17 to 320C and an electrode spacing from 35 to 115 mm.
In the process, those metals are preferably coated electrophoretically that have a non-conductive thin layer, for example. an oxide layer, or metal alloys that are manufactured using such metals, or finally metals or other substances that have been coated with such metals. Particular advantages result from the use of aluminum, in which the described effects and advantages of the electrophoretic coating with simultaneous edge rounding are most clearly recognizable.
The flawless electrophoretic painting of aluminum parts is of great economic importance, as one intends, for example, to use aluminum instead of copper as a conductor material in transformer construction, especially in the construction of medium-sized and large units from around 250 KVA. It is not or only with difficulty possible to simply replace the copper wire used up to now with aluminum wire.
It would take up too much space.
In addition, the drawing of aluminum wire causes considerable difficulties with regard to the dimensional accuracy of the diameter. An acceptable option for using aluminum in transformer construction is to use disc coils, which are wound from a foil-like aluminum tape. Such a tape winding can be made much more densely than a round wire winding, so that the air cushions caused by the round wire winding are eliminated.
Furthermore, this results in the advantages that the cooling option for the transformer is significantly cheaper due to the absence of air inclusions and the SKIN effect can be exploited significantly better with a film-like strip than is possible with round wire. In addition, there are the economic advantages of aluminum, such as the low price, sufficient storage facilities, etc. The advantages of combing made of aluminum strip have been clearly recognized by the electrical industry for years. Even so, it has been difficult to use aluminum strips for this purpose. All attempts to properly isolate such a tape, including the edges, failed due to a lack of appropriate options.
The inventive method, however, allows even thin aluminum strips to be properly isolated with the aid of a special electrophoresis lacquer, whereby one
1. A perfect edge insulation is achieved, which is supported by a rounding of the edges and degrees of cut;
2. receives an electrophoretic coating that adheres perfectly to the metal, preferably aluminum.
The described rounding of the edges is carried out in the same bath in which the coating takes place.
The binding agent used for the electrophoretic coating is a binding agent which is free of cations with respect to ammonium ions and a binding agent which is low in or free of cations with respect to alkali and alkaline earth ions, i. No dissociable CH groups may form from the binder during electrophoresis. The electrophoretic coating can take place in the presence of an auxiliary, for example finely powdered or finely precipitated fillers and non-hydrolyzable drying agents. Finely powdered or finely precipitated fillers include, for example, micronized or precipitated silicon dioxide, finely or ultrafine precipitated calcium carbonate and the like. Non-hydrolyzable drying agents are, for example, naphthonates or octoates.
Depending on the solids content of the bath, the coating can be carried out at a pH between 7.5 and 8.2, preferably using a binder based on oil, phthalate resin. It is particularly advantageous to use a long-oil, cation-free, water-thinnable or water-emulsifiable alkyd resin as the binder.
The method according to the invention is to be explained by the following example (referred to as Example 1 in the table below):
The electrophoretic coating was carried out with a water-thinnable, long-oil alkyd resin as a binder, micronized silicon oxide as a filler and manganese naphthenate as a drying agent, which is free of cations with regard to ammonium ions and low or cation-free with regard to alkali and alkaline earth ions.
The specified substances are rubbed on a roller and made up to 100% with deionized water. The pH is adjusted to 7.9 at 290C using morpholine. The specific conductivity at this temperature, which is also the working temperature, is 984 I1S. This paint is circulated in a coating tank so that this tank is pumped around 3 to 5 times in one hour. With an electrode distance of 105 mm from the bath edges, coating is carried out at a voltage of 126 volts. The voltage should be maintained fairly precisely under the specified other conditions.
An aluminum strip is continuously passed through this paint bath. The length of immersion of the aluminum strip determines the throughput speed of the system.
The coating time in this test was set to about 10 hours, i.e. each piece of aluminum tape.
des must remain in the bath for 10 seconds during the run. After emerging from the coating bath, the mechanically adhering lacquer is rinsed off using a water veil without prior contact with mechanical parts of the apparatus. Brake air nozzles prevent the rinsing water from flowing back into the coating bath. After rinsing, any remaining water droplets are removed by compressed air and the tape coated in this way is passed through a burn-in tunnel. The length of the burn-in tunnel depends, of course, on the throughput speed of the system.
The stoving times depend primarily on the binders. During the experiment, they were between 200 and 2200 ° C., between 45 seconds and 1 minute.
It is to be regarded as advantageous that the freshly coated strip is not passed over pulleys before it is burned in. So you should set up the drying tunnel at an angle of about 450C. In order to prevent a chimney effect in this drying tunnel, an air cushion is placed at the end of this tunnel.
This air cushion also ensures that the aluminum strip cools down quickly so that it can be wound up immediately behind it.
Investigations have shown that the edges are rounded off in the first second of the coating.
Tape samples were briefly coated thinly by an electric shock under appropriate conditions.
These samples also clearly showed the rounding of the edges. The following table summarizes the conditions for some electrophoretically carried out metal coatings (coatings on aluminum). In all 4 tests, rounded edges were found with simultaneous electrophoretic coating.
TABLE Current test no .: 1 2 3 4 pH value 7.9 7.6 7.6 8.0 Solid content in% 8.592 10.121 10.5 11.5 Specific conductivity in ssS 984 984 984 984 Bath temperature in C 29 31 , 5 27.5 30.5 Electrode distance from the edges in mm 105 45 115 63 Bath voltage (electrode voltage) in volts 126 118 144 124
The metal parts coated by the method according to the invention, in particular aluminum parts, can be used in the most varied of fields.
However, the use of electrophoretically coated aluminum parts, in particular aluminum strips, for electrical engineering purposes, for example in transformer construction, is particularly advantageous.