Innovativer Korrosionsschutz: flexibel, kostengünstig und umweltfreundlich
Die Beschichtung mit Zink stellt einen effektiven Korrosionsschutz von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen dar. Bei hochfesten Stählen scheiden allerdings alle Verfahren aus, bei denen im Prozess atomarer Wasserstoff erzeugt wird, also insbesondere die galvanische Beschichtung. Hier bietet sich die Zink-Thermo-Diffusion als effektive Methode an. Die zu beschichtenden Teile werden mit einem speziellen Zinkpulver vermischt und in einer rotierenden Kammer auf eine Temperatur von 395 °C aufgeheizt. Hierbei diffundiert Zink in die Stahloberfläche und bildet eine widerstandsfähige Zink-Eisen-Legierungsschicht. Durch eine zusätzliche Lackierung kann die Korrosionsbeständigkeit zusätzlich gesteigert werden, wodurch sich ein Einsatz insbesondere bei hochfesten Stahlteilen empfiehlt.
Zinc Thermodiffusion: An Innovative Corrosion Protection that is Flexible, Cost-Effective and Environmentally-Friendly
Zinc coatings provide an effective corrosion protection for components made of ferrous alloys. However in the case of high alloy steels, because these are so at risk from hydrogen embrittlement, those processes in which atomic hydrogen is formed, in particular electroplating, are largely precluded. An effective alternative is the use of zinc thermodiffusion. Components to be zinc coated are placed in a rotating drum with a special grade of zinc powder and heated to a temperature of 395 °C. This causes the zinc to defuse into the surface of the steel to form a corrosion resistant layer of zinc iron alloy. Corrosion resistance can be further improved by subseqent application of a paint coating, the overall process lending itself especially to high-alloy steels.
Um Bauteile aus Metall vor Korrosion zu schützen, werden heute meist verschiedene Verfahren, wie beispielsweise Feuerverzinken, Brünieren, Phosphatieren oder galvanisch Verzinken eingesetzt. Ein bereits lange bekanntes Verfahren findet durch die Aufwertung der Verfahrenstechnik in den letzten Jahren zunehmend Beachtung. Die so genannte Zink-Thermo-Diffusion zeigt viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Korrosionsschutzverfahren. Die Ebbinghaus Verbund Management- und Dienstleistungs GmbH in Solingen bietet seit einiger Zeit die Zink-Thermo-Diffusion, einen hochwertigen Korrosionsschutzprozess, für Schüttgutteile an. Die Zink-Thermo-Diffusion (ZTD) bietet hochwertigen Schutz für Teile aus unterschiedlichsten Bereichen, wie zum Beispiel Automobil- und Fahrzeugbau, Luftfahrt, Infrastruktur oder Offshore bei niedrigen und hohen Umgebungstemperaturen, auch an Kanten und Gewinden. Zudem wird die Verschleißfestigkeit erhöht und die Anbindung an Gummi und Kunststoffe verbessert.
Das Verfahren
Der ZTD-Prozess basiert auf dem bekannten Sheradisieren und bietet die Vorteile eines homogenen Schichtaufbaus und der Verformbarkeit. Bei diesem Verfahren wird Zink nicht als Schicht auf den Grundwerkstoff abgelagert, sondern das Zink wird in die Randschicht der metallischen Strukturen des Grundwerkstoffs eingelagert. Dadurch entsteht eine starke Adhäsionsverbindung, die verhindert, dass die Schicht abplatzt beziehungsweise bei Beschädigungen (z. B. Kratzer) durch eindringende Feuchtigkeit unterwandert werden kann. Außerdem entsteht ein optimaler Untergrund für weiterführende Oberflächenverfahren wie Lackieren oder Vulkanisieren.
Die ZTD kann als technische Oberfläche mit einer Schichtstärke von 15 Mikrometer bis 25 Mikrometer ausgeführt werden. Durch die verhältnismäßig geringe Prozesstemperatur können beispielsweise auch Federn behandelt werden, ohne dass die mechanischen Eigenschaften oder die Festigkeit des Stahls verloren gehen. Der Prozess findet in geschlossenen, rotierenden Kammern unter Zugabe eines speziellen Zinkpulvers bei Temperaturen von 395 °C statt (Abb. 1). Bei diesen Temperaturen laufen Reaktionen ab, durch die an der Bauteiloberfläche eine intermetallische diffusionsgesteuerte Phasenreaktion stattfinden kann, die zur Bildung einer widerstandsfähigen Zink-Eisen-Legierungsschicht führt (Abb. 2). Im Vergleich zu anderen Verzinkungsverfahren können durch ZTD auch Legierungen und Bauteile aus Federstahl, hochfestem Stahl, Kohlenstoff- und niedrig legierte Stähle, Gusseisen, Schmiedestahl und Sintermetall, Titan- und Nickellegierungen, verzinkt werden.
Abb. 1: Anlage zur Zink-Thermo-Diffusion
Prozessablauf
Die zu behandelnden Teile müssen nur vorbehandelt werden, wenn Verunreinigungen (z. B. Walzzunder oder Rost) vorhanden sind. Diese Verunreinigungen werden beispielsweise durch Sandstrahlen beseitigt. Sind die Produkte metallisch blank oder auch leicht geölt, ist keine Vorbehandlung notwendig.
Anschließend werden die Teile zusammen mit der entsprechenden Menge Zinkpulver in der ZTD-Anlage unter rotierenden Bewegungen erhitzt. Durch die Reaktion mit der Randschicht des Bauteils entsteht die Zink-Eisen-Legierungsschicht. Der Schichtaufbau zeigt eine abnehmende Zinkkonzentration in Richtung Bauteilkern. Im äußeren Schichtbereich, der den größten Teil der Schichtstruktur darstellt, ist Zink mit circa 90 % dominant. Ist das Ende der Prozesszeit erreicht, werden die Bauteile aus der Anlage entnommen, kühlen an der Luft ab und werden mechanisch über Siebmaschinen vom Restpulver getrennt. Dieses Restpulver, das jetzt vorwiegend aus Hilfs- und Trägerstoffen besteht, ist so umweltverträglich, dass es über den Hausmüll entsorgt werden könnte.
Oberflächenhärte, Abrieb- und Verschleißfestigkeit
Die durch den ZTD-Prozess entstandene Randschicht ist auch bei komplizierten Bauteilen (z. B. mit Hohlräumen und Innengewinden) sehr gleichmäßig in der Schichtdicke und homogen in der Struktur. Es entsteht eine glatte Oberfläche ohne Zinkhautbildung. Es wird eine Schichthärte von etwa 52 HRC erreicht. Dadurch weisen die so behandelten Bauteile eine sehr hohe Verschleißfestigkeit auf, was mit anderen Korrosionsschutzverfahren unter Einsatz von Zink nicht erreicht wird.
Abb. 2: Schliffbild von Sinterteilen vor (links) und nach (rechts) der Versiegelung der Poren durch die Zink-Thermo-DiffusionQuelle Greenkote
Keine Wasserstoffversprödung
Die Gefahr der Wasserstoffversprödung besteht vor allem aufgrund von Beizprozessen und galvanischen Beschichtungsprozessen aus wässrigen Elektrolyten. Durch das Eindringen und Einlagern von atomarem Wasserstoff in das Metallgefüge entstehen hierbei Änderungen in der Dehnbarkeit (Duktilität) des Materials, was zu Sprödbruch und so genannter Spannungsrisskorrosion und damit zum Bauteilversagen führen kann. Durch den trocken ablaufenden ZTD-Prozess kann die Gefahr der Wasserstoffversprödung für die bearbeiteten Bauteile ausgeschlossen werden, wodurch das Verfahren auch besonders für sicherheitsrelevante Bauteile geeignet ist.
Ein weiterer Vorteil beim Einsatz der Zink-Thermo-Diffusion an sicherheitsrelevanten Bauteilen ist die Gewährleistung der Maßtoleranzen und Anzugsmomente. Durch die Oberflächenbeschichtung mit herkömmlichen Verfahren können sich je nach Schichtdicke die definierten Anzugsmomente durch die aufgebrachte Schutzschicht verändern. Außerdem müssen die Gewinde dieser beschichteten Schrauben oder Bolzen oft nachbearbeitet werden, damit sie die geforderten Toleranzen gewährleisten. Allerdings wird durch die mechanische Nachbearbeitung die aufgebrachte Schutzschicht teilweise wieder zerstört und der Korrosionsschutz verschlechtert.
Da bei der Zink-Thermo-Diffusion ein homogener und gleichmäßiger Schichtaufbau vorliegt und keine zusätzliche Schicht aufgebracht, sondern der Korrosionsschutz in den Randbereich des Materials eingebracht wird, ist keine mechanische Nachbearbeitung notwendig und die definierten Maßtoleranzen und Anzugsmomente ändern sich nicht. Darüber hinaus kommt es im Gegensatz zu anderen Schichten auch zu keinem Setzverhalten, was bei sicherheitsrelevanten Bauteilen ebenfalls von besonderer Bedeutung ist.
Duplexbeschichtungen
Mit der Zink-Thermo-Diffusion behandelte Bauteile lassen sich durch KTL-Beschichtungen oder durch andere Nass- oder Pulverlackierungen mit einer hoch korrosionsfesten Oberfläche in jeder Farbe versehen und zu einem Duplex-System aufwerten (Abb. 3). Unter Duplex-Systemen ist gemäß EN ISO 12944-5 ein Korrosionsschutz-System, das aus einer Verzinkung in Kombination mit einer oder mehreren nachfolgenden Beschichtungen besteht, zu verstehen. Verzinkung und Beschichtung ergänzen sich. Die Verzinkung wird durch die darüber liegende Beschichtung vor atmosphärischen und chemischen Einflüssen geschützt. Hierdurch wird die Lebensdauer der Verzinkung erhöht.
Abb. 3: ZTD-behandelte Bauteile lassen sich durch KTL-Beschichtungen oder andere Nass- oder Pulverlackierungen aufwerten
Umgekehrt haben Beschädigungen an Beschichtungen keine nachteiligen Auswirkungen zur Folge, da die Verzinkung aufgrund ihrer hohen Widerstandsfähigkeit und Abriebfestigkeit hohen Belastungen standhält. Hierdurch können bei Beschichtungen typische Unterrostungen nicht entstehen. Durch diesen Synergismuseffekt zwischen Verzinkung und Beschichtung ist die Gesamtschutzdauer eines Duplex-Systems etwa 1,2- bis 2,5-fach höher, als die Summe aus der jeweiligen Einzelschutzdauer von Verzinkung und Beschichtung. Auch für Beschichtungen mit Gummi (Vulkanisieren) oder Kunststoffen sind ZTD-Bauteile geeignet und bieten eine gute Adhäsion.
Richtlinien und Salzsprühtests
Thermo-Diffusions-Verzinkungen unterliegen den Richtlinien der ELV (End of Life Vehicles), RoHS (Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment) und der WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment). Als standardisierte Prüfungen für die Bewertung des Korrosionsschutzes werden in der Regel Salzsprühtests (ASTM B117, DIN EN ISO 9227) durchgeführt (Abb. 4). Damit werden vergleichbare Ergebnisse für unterschiedliche Korrosionsschutzverfahren erhalten. Diese Tests werden in entsprechenden Prüfkammern durchgeführt, die vorgegebene Umweltbedingungen quasi im Zeitraffer simulieren.
Abb. 4: Bauteile nach Tests in Schwefeldioxidatmosphäre und nach Salzsprühtests: A – ZTD-Bauteil nach SO2-Atmosphäre (4 Zyklen), B – Bauteil mit Zinklamellenüberzug nach SO2-Atmosphäre, C – ZTD-Bauteil nach 1200 h Salzsprühtest, D – Bauteil mit Zinklamellenüberzug nach 1200 h SalzsprühtestQuelle: Greenkote
Darüber hinaus gibt es auch Langzeittests unter realen Bedingungen, bei denen verschieden behandelte Bauteile, zum Beispiel in Prüfanordnungen auf dem Meer, über Wochen und Monate den Umwelteinflüssen ausgesetzt werden. Je nach verwendetem Zinkpulver ergibt sich eine Korrosionsbeständigkeit von 1000 Stunden (ohne KTL) bis 1500 Stunden (mit KTL). Durch Korrosion entsteht auch immer ein gewisser
Materialverlust (Abb. 5); dieser ist bei ZTD im Vergleich mit anderen Verzinkungsverfahren relativ gering. Das trägt natürlich ebenfalls stark zur Bauteilsicherheit bei.
Abb. 5: Materialverlust durch Korrosion: 1 = Feuerverzinken, 2 = Sheradisieren mit Passivierung, 3 = Feuerverzinken mit zusätzlichen Aluminium, 4 = Zink-Thermo-Diffusion
Resümee
Das Thermodiffusionsverfahren zur Herstellung von unterschiedlichen Diffusionsbeschichtungen ist das Ergebnis innovativer Entwicklungsarbeit auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik. Hier zählt aber nicht nur die technische Ausstattung, sondern auch das Know-how des Beschichters. Die Zielsetzung, metallische Überzüge kostengünstiger, flexibler und umweltfreundlicher herstellen zu können, als dies mit anderen Verfahren derzeit möglich ist, wird erfüllt. Das Verfahren gewährleistet hohe Qualität und Haltbarkeit der damit erzeugten Beschichtungen. In vielen Industriebereichen erschließen sich dadurch neue und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Angaben zum Autor
Rudolf Münnich ist Technischer Leiter bei der
Ebbinghaus Verbund Management- und Dienstleistungs GmbH
DOI: 10.7395/2014/Muennich1
