Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.4.2 Pre-treatment
The surfaces of car bodies which leave the body shop after bending, joining, and welding may be 
contaminated with grease, scale and maybe rust. Of course, there is a thin oxide layer on the metal 
surface. To guarantee optimum corrosion protection and adhesion of the following coating layers, 
the car bodies have to be cleaned very carefully. Cleaning is followed by pre-treatment 
[51]
.
Cleaning 
Cleaning focuses on removing residues of the grease used for rolling and bending the steel pan-
els. But scale and loose rust particles also have to be removed. In the past, solvents were used to 
clean the car bodies (aliphatic hydrocarbons, chlorinated hydrocarbons). But due to emissions and 
the harmful behaviour of chlorinated compounds, the solvents have been replaced by aqueous 
surfactant solutions. Preferred surfactants are alkali salts of alkyl or aryl polyether sulphonates. 
Cleaning takes place at a pH values of 8 to 9 and a temperature of 60 to 80 °C. The ester greases 
are hydrolysed under these conditions. Those greases which cannot be hydrolysed are removed by 
adding colloidal emulsifiers or wetting agents. Cleaning is done either by dipping or by spraying. 
The cleaning solutions for dipping contain 50 g/l surfactant while the spraying solutions contain 
about 1 g/l. Both these processes have to be followed by rinsing with pure water.
Pre-treatment
Cleaning is followed by the real pretreatment. In the past, the steel panels were treated with chro-
mate solution, sometimes in combination with chromium(III) salts. On account of the toxicity of 
chromium VI compounds (they are carcinogenic), their use is restricted. The current preferred 
method for treating car bodies utilises zinc phosphates 
[52]
. Treatment is effected either by dip-
ping or by spraying. In the low-zinc process, the concentration of zinc is 0.7 g/l for spraying 
and 1.5 g/l for dipping. The aqueous solutions contain an excess of phosphoric acid (6 to 15 g/l, 
calculated as phosphorus pentoxide). Additionally, the solutions contain oxidation agents, such 
as nitrites, peroxides, hydroxylamine, and nitroguanidine. Other cations, e.g. nickel, manganese, 
and calcium, may be added to improve the corrosion resistance. Treatment with zinc phosphate is 
suitable not only for iron and steel, but also for zinc surfaces and aluminium parts. In the case of 
aluminium, some fluoride salts must be added, as otherwise the aluminium oxide on the surface 
of the metal is unable to dissolve in the treatment solution. The pH values of the solutions are 
2.0 to 3.6 and the temperatures are 40 to 70 °C. Dipping lasts 3 to 5 minutes. Spraying takes 
just 1 to 2 minutes.
The first chemical reaction which occurs in pre-treatment is pickling. The metal ions and oxides 
react with the acidic agents to form a solution. Oxidation agents then transform iron(II) ions 
into iron(III) ions. Since the pH value is relatively low close to the surface of the metal, sparingly 
soluble phosphates are formed and precipitated on the surface. The products of the reactions 
are zinc phosphate (Zn
3
[PO
4
]
2
· 4 H
2
O, known as hopeite) and zinc iron phosphate (Zn
3
Fe[PO
4
]
2
· 
4 H
2
O, phosphophyllite). As phosphophyllite forms smaller crystals which are oriented parallel to 
the metal surface, the process is carried out such that the yield of phosphophyllite is a maximum. 
The important influences here are the concentration of zinc ions and the temperature. The smooth 
surface of the pre-treatment layer is of advantage to the following coating layers. The application 
quantities are between 1.2 and 6.0 g /cm², corresponding to a layer thickness of 0.5 to 2.0 µm. A 
typical pre-treatment solution for car steel bodies has the following composition: 1.2 g/l Zn
2+
, 
0.1 g/l Ni
2+
, 15 g/l H
3
PO
4
or H
2
PO
4
–
, and 0.1 g/l NO
2
–
.
The precipitate of the pre-treatment solutions consists of iron(III) phosphate. For the pre-treat-
ment of aluminium, the precipitate consists of sodium hexafluoroaluminate (Na
3
AlF
6
). The pre-
treatment solution can be regenerated by means of ultra-filtration. The pre-treatment layer thus 
formed protects the steel surface against corrosion and promotes adhesion of the following coating 
Automotive OEM coatings

---

49
layer (primer). The corrosion protection effect stems from the fact that the phosphate layer is less 
reactive (in the sense of the electro chemical series) than the metal. The layer acts as a barrier 
to corrosive agents (electrolytes, water, products of air pollution). A precondition for optimum 
adhesion is the formation of homogeneous crystal structures between compatible crystal lattices 
of phosphates and steel. Some inorganic compounds are surprisingly compatible with organic 
structures; they include chromates, phosphates, and phosphites, as well as some silanes and 
siloxanes that have been modified with special organic compounds.