Der zunehmende Trend zum Leichtmetallbau macht es notwendig, dass die konventionellen Stähle mit Leichtmetall und Kunststoff zu einem Verbund verarbeitet werden können. Dafür werden Vorbehandlungen für Mischverbau mittels nasschemischer Verfahren ebenso entwickelt wie trocken arbeitende Technologien unter Einsatz von Lasern. Das Reinigen muss darüber hinaus mit Mess- und Prüfverfahren betreut werden, die auch in Großserien nutzbar sind. Ein großer Bereich kommt hierbei den Korrosionsmesstechniken zu. Diese müssen zunehmend spezieller auf die unterschiedlichen Angriffsarten ausgerichtet werden und zudem schneller durchgeführt werden. Diese unterschiedlichen Entwicklungen wurden im Rahmen der Tagung der DFO angesprochen und diskutiert.
Fortsetzung aus WOMag 9/2019
Dünnschichtvorbehandlungen bei Multimetallsubstraten
Dr. Ulrich Christ, Fraunhofer IPA, befasste sich mit dem Einfluss von Dünnschichtvorbehandlungen auf den Korrosionsschutz von Multimetallsubstraten für den Einsatz in Fahrzeugen. Anwendung finden derartige Verfahren vor allem für die Lackierung von Eisenwerkstoffen, in großem Umfang unter Einsatz einer Vorbehandlung mittels KTL und anschließender Decklackierung. Als Vorbehandlung hat sich für Eisenwerkstoffe die Zinkphosphatierung in breitem Maße durchgesetzt.
Neue Herausforderungen entstehen allerdings bei Multimetallsubstraten mit Aluminium. Hier sind vor allem die hohen Kosten durch Energie, Abwasserbehandlung und Prozesssicherheit ausschlaggebende Größen. Die Dünnschichtvarianten sind mit 20 nm bis 200 nm deutlich dünner, als die klassischen Zinkphosphatschichten mit 1 µm bis 3 µm. Für den Einsatz der neuen Dünnschichtvorbehandlungen spielt die Herstellung einer sauberen Oberfläche des Substrats eine noch größere Rolle, als bei klassischen Zinkphosphatierungen.
Oberflächen- und Schichtmorphologie auf elektrolytisch verzinktem Stahl (TLP sind Dünnschichtvarianten), die gute Haftung und Korrosionsschutz ergeben (Bild: U. Christ)
Oberflächen- und Schichtmorphologie auf Aluminium (TLP sind Dünnschichtvarianten), die gute Haftung und Korrosionsschutz ergeben (Bild: U. Christ)
Zur Charakterisierung der Dünnschichtvorbehandlungen wurden unterschiedliche Werkstoffe und unterschiedliche Werkstoffkombinationen mit Aluminium und Magnesium betrachtet. Die Dünnschichtvarianten zeichnen sich durch eine gleichmäßig geschlossene und kompakte Schicht aus, während bei der klassischen Zinkphosphatierung grobe Kristalle auf der Oberfläche gebildet werden. Die Dünnschichtausführung zeigt im Übrigen neben der geschlossenen dünnen Schicht eine unterschiedliche Anzahl an blumenkohlartigen Aufwüchsen, durch die eine besonders gute Haftung zwischen Lack und Grundwerkstoff erreicht wird. Die Qualität der Prüfung wurde mit Änderung des Testsystems auf den neuen VDA-Test deutlich verbessert, da die Prüfzeit erheblich reduziert und gleichzeitig die Reproduktion verbessert werden konnte.
Ein weiteres Kriterium neben der Korrosionsbeständigkeit ist die Wasseraufnahme des Lacks. Hier zeigt sich bei den geprüften Systemen eine hohe Reversibilität, die darauf hinweist, dass kein Wasser (in schädlichem Umfang) zwischen Vorbehandlung und Lack eingelagert wird. Es liegt also eine sehr gute Barrierewirkung vor.
Korrosionsschutz an Kulturgütern
Von der Anwendung im Automobilbau vollzog Jürgen Schmidt (Innovent e. V.) einen Schwenk hin zum Korrosionsschutz bei Luftfahrzeugen, die ausgemustert wurden und als Kulturgüter gelten. Dazu wurdenObjekte des militärhistorischen Flugplatzes in Berlin-Gatow betrachtet, die einer Freibewitterung unterliegen und zudem Materialkombinationen aus Stählen, Aluminium und Magnesium aufweisen. Bei derartigen Werkstoffkombinationen machen sich schadhafte Beschichtungen oder aggressive Korrosionsmedien besonders stark abträglich bemerkbar. Vor den Arbeiten an den eigentlichen Projekten wurden Laborversuche an MgMn2 mit unterschiedlichen Beschichtungsaufbauten einem Korrosionstest gemäß DIN 11997-1 unterzogen. Die eingesetzte Chrom(VI)beschichtung schnitt dabei am schlechtesten und die Plasmavorbehandlung am besten ab.
An den Flugzeugen lagen vor allem erhebliche Korrosionsangriffe an den Stahlschrauben von Aluminiumaußensegmenten vor. Darüber hinaus waren Schäden an den Magnesiumteilen von Triebwerk, Flügeln und Rädern aufgetreten. Aufgabenstellung war es, den bestehenden Zustand der Teile zu erhalten und die Korrosion drastisch zu reduzieren. Auch die Lackierungen der Außenhaut der Flugzeuge aus Aluminium und lackiertem Aluminium wurden betrachtet. Hier sollte die Zerstörung des Lacks verzögert werden.
Durch Strahlen mit Walnussgranulat lässt sich die Außenhaut (Bereich der Stahlschrauben) reinigen (Bild: J. Schmidt)
Beschichtung von senkrechten und waagerechten Flächen mittels APCVD-Technik (Bild: J. Schmidt)
Auf ausgewählten Bereichen der Flugzeuge wurde eine APCVD-Beschichtung (Beschichtung mittels Atmosphärendruckplasma auf Basis der CVD-Technologie) aufgebracht. Hierbei wiesen die Metallsegmente (Magnesium und Aluminium) Stahlnieten und Stahlschrauben auf. Zum Teil war es erforderlich, eine mechanische Vorbehandlung durch Strahlen mit Nussgranulat oder Glasperlen durchzuführen. Im Anschluss an die Plasmavorbehandlung mit einer Siliziumoxidschicht folgten mehrschichtige Lackierungen. Nach den erfolgten 666 Tagen Freibewittung war die gute Schutzwirkung der Siliziumoxidschicht zu erkennen. Zudem war die Lackhaftung auf diesen Vorbehandlungsschichten deutlich besser, als auf den nicht behandelten Oberflächenbereichen.
Korrosionstest für Klimakondensatoren
Dr. Oliver Mamber, Mahle Behr GmbH & Co. KG, befasste sich mit der Bewertung von Korrosionsangriffen auf Klimaanlagen aus Aluminium für Fahrzeuge auf der Basis eines neuen Korrosionstests. Der Kühler der betrachteten Klimaanlage besteht aus dünnwandigen Röhren und Wellblechen, die eine möglichst große Wirkoberfläche für das System aufweisen sollen. Um die Röhren für das Kühlmittel zu schützen, sind die Wellbleche aus einer geringfügig unbeständigeren Legierung gefertigt, die als Opferanode fungiert. Das gesamte System ist durch Ofenlöten verbunden. Über mehrere Jahre hat es sich gezeigt, dass die Feldausfälle nur geringfügig mit den auftretenden Schäden im früher üblichen SWAAT-Test übereinstimmen. Es sollte daher ein angepasster Korrosionstest entwickelt werden, welcher die korrekte Korrosionsmorphologie und die Korrosionsraten abbilden kann.
Vergleich der etablierten Korrosionstests mit dabei entstehenden Schädigungen, wobei die Ergebnisse aller Tests von den vorliegenden Schädigungen in Feldversuchen abweichen (Bild: O. Mamber)
Für das Löten werden üblicherweise Schichten auf Siliziumoxidbasis vor dem Löten aufgetragen. Weitere Varianten sind die Verwendung von aufgespritzen Zinkschichten sowie lotplattiertes Bandmaterial.
Für den neuen Test wurden die bestehenden Korrosionsarten ermittelt und Korrelationen zu den Feldtests in Bezug auf die Laufzeit der Fahrzeuge betrachtet. Die genauere Analyse der Testparameter der unterschiedlichen Testmethoden zeigte Unterschiede bezüglich der Feuchtigkeitsbelastungen; so liegt beim SWAAT-Test eine Dauerbefeuchtung vor. Deutlich kritischer ist jedoch ein Wechselklima. Außerdem wurden detaillierte Betrachtungen zur Wirkung des verwendeten Salzes aus Natriumchlorid (NaCl) und Magnesiumchlorid (MgCl2) untersucht sowie die Wirkung der Temperatur.
Aus allen Einzelerkenntnissen entstand ein Wechseltest mit Feuchtigkeitswerten zwischen 50 % und 95 % sowie Temperaturen zwischen etwa RT und 80 °C. Die Salzfracht kann gering sein, wobei die bisher im CASS-Test (NaCl, CuCl2 und Essigsäure) eingesetzte Lösung die beste Korrosionsinitiierung erzeugt. Mit diesem neuen Testverfahren konnten die Erscheinungsbilder aus Feldtest sehr gut reproduziert werden. Geringfügige Variationen sind bei den unterschiedlichen Werkstoffkombinationen zu erkennen.
Der neu entwickelte Test erlaubt das Nachstellen der Korrosionsschäden aus Feldversuchen (Bild: O. Mamber)
Oberflächenanalytik
Die Oberflächenanalytik im Umfeld von Vorbehandlung und Beschichtung war das Thema von Dr. Birgit Hagenhoff, Tascon GmbH. Zu betonen ist, dass für Beschichtungen jeder einzelne Schritt – von der Auswahl des Grundwerkstoffs bis zur Qualität des Beschichtungsmittels – Einfluss auf das Gesamtergebnis Oberflächeneigenschaften hat. Besonders hoher Aufwand sollte in eine Analytik gesteckt werden, wenn Prozesse entwickelt werden und die Aufklärung von Schadensursachen benötigt wird.
Bei der Oberflächenanalytik ist zu berücksichtigen, dass die unterschiedlichen Analyseverfahren in unterschiedliche Tiefen einer Werkstoffoberfläche vordringen. Schwierig ist zudem die Auswahl des Analyseverfahrens dahingehend, dass für die Analyse eine Vorstellung davon vorliegen sollte, welcher Art ein zu findender Stoff ist und in welcher Konzentration dieser vorliegt. Hilfreich ist die Auswahl anhand einer Skalenauflistung der verschiedenen Analyseverfahren. Eine solche Auswahl ist besonders anspruchsvoll beim Vorliegen von beschichteten Oberflächen. Unterschieden werden die Verfahren darüber hinaus nach der Art der gewonnenen Aussagen: physikalische und chemische Charakterisierung.
Näher ging die Vortragende auf die Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-Sims) und die Streuspektroskopie niederenergetischer Ionen (LEIS) ein. Mit SIMS lassen sich Aussagen über Moleküle und Atome in hoher Empfindlichkeit ermitteln. Die Information bei SIMS stammt aus der äußersten Monolage einer Oberfläche. Mittels LEIS werden Informationen aus der äußersten Atomlage und damit aus noch geringerer Tiefe als bei SIMS geliefert. Damit lässt sich erkennen, ob eine Deckschicht nur auf der Oberfläche aufliegt oder ob Diffusionsprozesse abgelaufen sind.
Zur Aufklärung von Benetzungsfehlern empfiehlt die Vortragende die Abarbeitung von Frage-Folge-Entscheidungen, aus der sich das sinnvoll einsetzbare Analyseverfahren ergeben sollte. Anhand von Beispielen erläuterte Dr. Hagenhoff den Ablauf der Analyse mit den möglichen Ergebnissen und deren Interpretation.
Analytischer Baum für die Analyse von Benetzungsstörungen und Kratern (Bild: B. Hagenhoff)
Praxiskonforme Simulation von Korrosionsproblemen
Neue Prüfmethoden für die Simulation von Korrosionsproblemen im Gebrauch stellte Dr. Karl-Heinz Stellnberger, voestalpine Stahl GmbH, vor. Hierbei bezog er sich zunächst auf die Korrosion von Coilmaterial durch Kondenswasser, das sich zwischen den einzelnen Lagen bildet und dort zu erheblichen Schädigungen führt. Eine Prüfung dieser Korrosionsneigung beziehungsweise -schädigung erfolgt mittels eines Stapeltests. Bisher wurde hierzu der Stapel im klassischen Kesternichttest geprüft.
Oberflächenschädigung von Coilmaterial durch Kondenswasserbildung (Bild: K.-H. Stellnberger)
Durch Verbesserung der Stapelgestaltung mittels Schraubverbindung lässt sich der in der Praxis auftretende Spalt an der Außenseite einstellen. Beim neuen Test wurden darüber hinaus die Rahmenbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit modifiziert. Der Test soll in absehbarer Zeit in eine Norm eingebracht werden.
Ein weiteres neues Verfahren ist der Tropfentest, mit dem Konstruktionsfehler aufgedeckt werden sollen. Hier steht die Zinkschicht im Vordergrund, bei der in der Praxis Fehler durch eine nicht stattgefundene Passivierung auftreten. Dadurch unterliegt die Zinkschicht einem erheblichen korrosiven Schwund. Mit dem Verfahren zeigen sich beispielsweise deutliche Unterschiede zwischen Zink und Zink-Magnesium.
Zur Schnellprüfung wurde der Fast Corrosion Test (FCT) entwickelt, der Fehler im Zusammenhang mit einer Lackunterwanderung erzeugt. In der Praxis tritt die Korrosion als Border Line Corrosion auf. Als wichtige Größe beim neuen Test gilt die Verwendung eines Gasraums mit Sauerstoff, der aufgrund der ablaufenden Sauerstoffreduktion stark korrosiv wirkt. Hauptvorteil des Verfahrens ist, dass praxisrelevante Ergebnisse in deutlich kürzerer Zeit vorliegen als bisher und damit die Entwicklung von neuen Beschichtungen deutlich beschleunigt werden kann.
Ergebnisse aus solchen Versuchen werden mit einem neuartigen Analysensystem dokumentiert und zur Bewertung herangezogen. Die Eignung der unterschiedlichen bestehenden Korrosionsprüfungen wird mit Hilfe des Korrosionsprüfrads - einer weiteren Verbesserung des Prüfwesens - bewertet.
Reinigung mittels Lasertechnik
Die Lasertechnologie zeichnet sich durch eine sehr breite Einsatzmöglichkeit aus, da mit relativ geringem Aufwand die Eigenschaften des eingesetzten Laserlichts variiert werden können. Olav Schulz, SLCR Lasertechnik GmbH, befasste sich mit der Nutzung von Laser zur Oberflächenvorbehandlung und zur Reinigung von Oberflächen. Das Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass ein deutlich geringerer Anlagenaufwand als bei den häufig genutzten Reinigungsverfahren mit wässrigen oder organischen Lösemitteln benötigt wird. Zudem können sehr viele verschiedene Werkstoffe mit geringer Belastung bearbeitet werden.
Reinigungswirkung einer Laserbestrahlung im Schema (Bild: O. Schulz)
Neben der Reinigung einer Oberfläche können mittels Lasereinsatz auch Aktivierungseffekte an unterschiedlichen Materialien erzielt werden. Dieser Effekt kann für die Herstellung von Klebeverbindungen zwischen verschiedenen Werkstofftypen genutzt werden. Dazu hat das Unternehmen des Vortragenden an einem Projekt zur Vorbehandlung für das Verkleben von faserverstärktem Kunststoff mit Metall teilgenommen. Das zu entwickelnde Verfahren war primär auf den Einsatz in der Automobilindustrie ausgerichtet, weshalb neben der Erfüllung der technischen Kennwerte auch die Integration in eine Serienproduktion sowie eine optimierte Mess- und Prüftechnik Gegenstand der Entwicklung waren. Als Ergebnis konnte die Machbarkeit der Technologie nachgewiesen werden. Im Weiteren müssen die Parameter der Reinigungstechnik für den Einsatz optimiert werden.
Messen filmischer Verunreinigungen
Die Reinigungstechnik erfährt seit einigen Jahren eine stetig steigende Wertschätzung in der Produktion, was sich beispielsweise darin zeigt, dass die Vorteile einer gezielten Reinigung zwischen Produktionsschritten häufiger genutzt werden. Dazu wird die Reinigung zunehmend auf Zulieferer verlagert, wie Dr. Markus Rochowicz, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), vermerkte. Sinnvoll ist in diesem Zusammenhang die Erarbeitung von einheitlichen und verbindlichen Standards für die Reinheit und die Verfahren zur sicheren Prüfung der Reinheit.
Vorschlag für die Zuordnung der Methoden zur Prüfung der Teileverunreinigung (Bild: M. Rochowicz)
Ein derartiges Regelwerk befasst sich unter anderem mit der Betrachtung der verfügbaren Verfahren für die unterschiedlichen Verunreinigungsarten oder der Größen von Verschmutzungen. Hier kann auf bereits bestehende Unterlagen und Wissenssammlungen, wie sie in Form der VDA 19.1 bestehen, zurückgegriffen werden. Zur Weiterentwicklung der Regelungen wird beispielsweise näher festgelegt, welche Werte wie eingegrenzt werden oder wie die Überwachung der Prozesse durchgeführt wird. Dabei werden bereits die unternehmensübergreifenden Lieferketten in die Betrachtungen mit einbezogen. Großes Augenmerk wird auf die jeweiligen Anwendungsbereiche der verschiedenen Prüfverfahren gerichtet, das heißt, es wird eingegrenzt, bei welchen Arten und Mengen an Verschmutzungen die Verfahren sinnvollerweise zum Einsatz kommen. Dabei hat es sich gezeigt, dass die filmischen Verunreinigungen heute intensiver betrachtet werden, als die früher im Fokus stehenden Partikelverunreinigungen. Mitte des nächsten Jahres sollen die Arbeiten zur neuen Regelung abgeschlossen sein und in einem entsprechenden Regelwerk zur Verfügung stehen.
Qualitätssicherung
Vor allem Chromate haben in der Oberflächenbehandlung von Aluminium lange Zeit eine wichtige Rolle gespielt, beispielsweise bei der Passivierung aber auch beim Anodisieren. Inzwischen wird versucht, weitgehend auf diesen kritischen Stoff zu verzichten. Kai Brune, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), stellte Arbeiten zum Aufbau einer QS-Methode vor, mit der die Qualität von chrom(VI)freien nasschemischen Vorbehandlungsverfahren kontrolliert werden soll.
Die Oberflächen von Aluminiumteilen können vor dem Beschichten mit Lacken einerseits aus geschlossenen Schichten mit Chrom- oder Zirkonverbindungen bestehen, oder aus partikulären Deckschichten mit Titan. Die Charakterisierung dieser Metalle kann als Basis für eine Qualitätsbestimmung von Oberflächen herangezogen werden. Zur Analyse eignet sich die laserinduzierte Plasmaspektroskopie. Wie gezeigt werden konnte, ist die Analysenmethode ausreichend schnell und genau, um in der Serienproduktion beispielsweise in der Automobilindustrie, zum Einsatz kommen zu können.
Nachweis von fertigungsbedingten Kontaminationen auf Aluminiumoberflächen (Bild: K. Brune)
ZIM-Netzwerk HybOM
Anna Scharbert, DFO e. V., stellte das ZIM-Kooperationsnetzwerk Hybride Fügeverfahren und Oberflächenschutz von Magnesium (HybOM) vor, das von der DFO geleitet wird. Eingangs ging sie auf die Voraussetzungen zur Einrichtung eines ZIM-Netzwerks ein. Bei HybOM sind Unternehmen aus den Bereichen Herstellung, Fügen, Beschichten, Prozessoptimierung und QS beteiligt. Herausforderungen ergeben sich insbesondere aus der Verbindung mit Stahl, durch die eine deutliche Einsparung beispielsweise im Fahrzeugbau erzielbar ist. Allerdings muss dazu ein guter Korrosionsschutz verfügbar sein und der Ausschuss bei der Herstellung der Magnesiumteile reduziert werden. So führen beispielsweise Poren im Magnesium, Trennmittelrückstände oder ungeeignete mechanische Oberflächenbehandlungen zum Abplatzen einer Lackierung.
Derzeit besteht das Netzwerk aus verschiedenen Arbeitsgruppen, die sich beispielsweise mit der Bauteilauslegung, der Trennmittelentfernung, dem Beizen der Metalloberfläche, einem Beizverfahren zur Aufdeckung von Gussfehlern, Wasserstoffaufnahme bei der Herstellung der Teile und dessen Einfluss auf Korrosion und Beschichtung befassen. Über die Ergebnisse wird zukünftig im Rahmen weiterer DFO-Veranstaltungen informiert.
