Einsatzgebiete der Zinklamellenbeschichtung

Oberflächen 10. 07. 2014
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Von Dr. Martin Welp, Herdecke

Eisenwerkstoffe werden in breitem Umfang durch Zink oder zinkhaltige Schutzsysteme gegen Korrosion geschützt. Dabei spielen Zink-lamellensysteme seit mehr als 20 Jahren insbesondere für Verbindungselemente eine wichtige Rolle. Zu den Vorteilen zählen die gute Einstellmöglichkeit der Schutzdauer oder auch weiterer Kenngrößen wie Reibung oder Farbe. Durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Beschichtungshersteller und Beschichter sowie Zulieferer und OEM wird eine hohe Prozessfähigkeit bei allen Lizenznehmern des Verfahrens erzielt und damit eine hohe Zuverlässigkeit bei Einsatz weltweit garantiert.

Applications for Zinc Flake Coatings

Ferrous materials in a wide range of applications are protected from corrosion using zinc or zinc-containing coating systems. Among these, zinc flake coating systems have played a major role in the last 20 years, not least in respect of connectors such as nuts, bolts and washers. Among the advantages of zinc flake systems are their ease of introduction in the manufacturing environment, their long-lasting protective action, not to mention aspects such as friction and their ability to be coloured. Thanks to cooperation between coating manufacturers, coating applicators as well as component suppliers and OEM, a high degree of process assurance has been achieved by all licensees for the process, thereby guaranteeing the highest reliability in their use worldwide.

1 Korrosionsschutz bei Eisen und Stahl

Pro Jahr entstehen Schäden durch Korrosion in Höhe von circa vier Prozent des weltweiten BIP (Bruttoinlandsprodukt –Gesamtwert aller Güter, das heißt Waren und Dienstleistungen, die innerhalb eines Jahres innerhalb der Landesgrenzen einer Volkswirtschaft hergestellt werden) – das ist eine Summe von 1571 Milliarden Euro. Doch was ist Korrosion? Die ISO-Norm 8044-1986 beschreibt Korrosion als: Korrosion ist die physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der ­Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann (Abb. 1). Was das ausgedrückt in chemischen Formeln bedeutet, zeigt Abbildung 2.

Abb. 1: Korrodierte, verzinkte Schraube mit Weißrost (oben) und Rotrost (unten) 

Abb. 2: Korrosion eines Stahls unter Einwirkung von Feuchtigkeit (links) und in Kombination mit Zink und der Wirkung des kathodischen Korrosionsschutzes

In der Praxis des Alltags kann Rost auf viele verschiedene Arten entstehen, beispielsweise indem verschiedene Metalle durch einen Elektrolyt miteinander verbunden werden. Kommt zum Beispiel unlegierter Stahl mit edleren oder unedleren Metallen wie Aluminium, Kupfer oder Messing in Kontakt, rosten die Metalle unterschiedlich schnell, denn der unedlere Stahl wird zur Anode, opfert sich für das edlere Metall (wird zur Kathode): Dies nennt sich Kontaktkorrosion.

Weitere korrosive Einflüsse sind UV-Bestrahlung, Chemikalien sowie Temperatur­einflüsse; alle Einflussfaktoren können Auswirkungen auf die Beschaffenheit des Stahls haben und Korrosion fördern. Dies sollte, vor allem vor dem Hintergrund des wirtschaftlichen Schadens, der entsteht, verhindert werden. Gängig ist dabei der Überzug des Stahls mit einem Beschichtungssystem. Dabei gibt es zwei vollkommen unterschiedliche Ansätze:

  • Erstens, das Bauteil wird komplett gekapselt; das ist der Fall bei Pulverbeschichtungen, Farbe, Emaillieren.
  • Zweite Möglichkeit ist der kathodische Korrosionsschutz mit einer vergleichsweise dünnen Beschichtung, was sich Zinklamellenbeschichtungen, galvanische Beschichtungen und die Feuerverzinkung zunutze machen.

Die erstgenannten Beschichtungssysteme arbeiten durch dicke Schichten, um den Untergrund zu schützen. Hier wird die Schutzfunktion allerdings nur solange gewährleistet, wie die Schutzschicht unbeschädigt bleibt. Entsteht eine Verletzung der Oberfläche oder ist sie komplett abgetragen, wird der freiliegende Stahl zwangsläufig unverzüglich rosten.

Eine andere Herangehensweise ist das Nutzen des kathodischen Schutzmechanismus. Durch eine applizierte Oberfläche, die unedler ist als der Stahl, wird der korrosive Angriff auf den Stahl verlangsamt beziehungsweise verhindert. Gängig ist dabei der Auftrag von Zink. Kommt der Stahl in Kontakt mit einem Elektrolyten, so reagiert zunächst das außen befindliche Zink, indem es korrodiert. Ist die Zinkschicht soweit aufgelöst, dass partiell das Stahlgrundmaterial in Kontakt mit dem Elektrolyten kommt, so findet zunächst keine Auflösung des Stahls statt, da jetzt der Stahl elektrochemisch edler als Zink ist und Zink sich weiterhin auflöst; die Zinkschicht opfert sich zu Gunsten des Stahls – diese Opferfunktion wird als kathodischer Korrosionsschutz bezeichnet. Die Zinkauflösung äußert sich, vereinfacht gesprochen, als Weißrost – auch Überzugskorrosion genannt.

Kommt auf diese Zinkschicht noch ein so genannter Topcoat/eine Versiegelung, kann die Reaktion von Zink mit den korrosiv­ wirkenden Bestandteilen des Elektrolyts komplett verhindert oder zumindest retardiert werden. Treten mechanische Verletzungen auf, kommt ebenfalls der kathodische Schutzeffekt des Zinks zum Tragen. Das kann bereits im Beschichtungsprozess, unter anderem beim Trommelverfahren (Massenschüttgut) passieren, aber auch im Gebrauch in Form von Kratzern oder Schlagstellen.

2 Zinklamellensysteme

Ein in der Automobilindustrie weit verbreitetes kathodisches Schutzsystem sind Zink­lamellenüberzüge. Bei den Zinklamellensystemen werden lamellenartige und mit Bindemittel vernetzte Zinkpartikel lackähnlich auf den Stahl appliziert. Neben dem hohen kathodischen Korrosionsschutz zeichnen sie sich durch extrem dünne Schichten von 5 µm bis 20 µm aus. Diese dünnen Schichten werden ermöglicht durch die laminare Struktur, denn sie macht den elektrochemischen Prozess kontrollierbarer und die Opferwirkung des Zinks steuerbarer (Abb. 3). Zinklamellensysteme werden bei niedrigen Temperaturen von 180 °C bis 320 °C vernetzt. Bei Temperaturen unter 200 °C entsteht gewöhnlich keine Veränderung des Stahlgefüges. Zudem kann auf den Einsatz von Säuren oder Elektrolyten unter Ablauf von elektrochemischer Wasserstoffentwicklung verzichtet werden, sodass eine applikationsbedingte Wasserstoffversprödung ausgeschlossen werden kann. Daher sind typische Anwendungsfelder hochfeste­ Stähle sowie metrische Verbindungselemente.

Abb. 3: REM-Aufnahme eines Querschliffs durch eine Zinklamellenbeschichtung 

3 Zulassung von Zinklamellensystemen

Die Dörken MKS-Systeme GmbH & Co. KG aus Herdecke beschäftigt sich mittlerweile­ seit mehr als 30 Jahren mit der Zinklamellentechnologie. Die erste Anwendung wurde 1989 gemeinsam mit Volkswagen für Federbandschellen entwickelt. Für die Federbandschellen (Abb. 4) wurden genau die Eigenschaften der Zinklamelle gesucht: ­hoher Korrosionsschutz bei hoher Duktilität auf hochfestem Federnstahl, ohne Veränderung der Geometrie.

Abb. 4: Federbandschelle als eines der ersten Bauteile mit Spezifikation durch einen OEM 

Seitdem haben sich die Anwendungsfälle in der Automobilindustrie stark erweitert. Bei allen globalen OEMs der Automobilindustrie sind die DELTA-MKS®-Zinklamellensysteme freigegeben, unter anderem in der TL 245 (Volkswagen), der DBL 8440 (Daimler), der GS 90010 (BMW) und der GMW 3359 (General Motors). Bei etwa 1200 bis 1400 Schrauben im Auto oder, anders ausgedrückt, bei circa zwölf Kilogramm Verbindungselementen in einem Mittelklassefahrzeug ist das ein großes­ und spannendes Anwendungsfeld.

4 Neue Anforderungen bewältigen

Im Laufe der Zeit veränderten sich die Anforderungen an eine beschichtete Schraube, was stetige Innovationen erfordert. So muss diese heute neben der klassischen Korrosionsbeständigkeit und der Lehrenhaltigkeit auch eine prozesssichere Verschraubung sicherstellen. Dazu gehört auch der Mehrfachanzug gegen verschiedene Oberflächen wie KTL und Aluminium, die Vermeidung von sogenannten Stick-Slip-Effekten im automatischen Verbau oder die Verhinderung des Warmlösens.

Darüber hinaus müssen der Abrieb minimiert beziehungsweise die Haftung und mechanische Beständigkeit ebenso gegeben sein, wie die Beständigkeit gegen Chemikalien oder sonstige Medien. Schließlich sind die Möglichkeit der Überlackierung oder die mögliche Farbgebung ein Thema.­ Besonders im Punkt Farbe kann wieder der Bogen zur Korrosionsbeständigkeit geschlagen werden: Weißkorrosion auf Beschichtungssystemen (weiße Schlieren) beeinträchtigt zwar nicht die Funktion, sieht aber nicht schön aus.

Aufgrund der steigenden Anforderungen­ an die Optik einer Oberfläche wurden auch die Beschichtungssysteme weiterentwickelt. Ein besonders schwieriger Inno­vationsansatz ist die schwarze Optik, die vielfach für Verbindungselemente im Innenraum, Motorraum oder Radbereich – eben im Sichtbereich – gefordert wird. Dafür muss die Grundchemie betrachtet werden, sodass der Weißrost besser unterdrückt werden kann. In Verbindung mit einem angepassten Topcoat kann so eine dauerhaft schwarze Oberfläche erreicht werden. Abbildung 5 zeigt schwarze und silberne beschichtete Schrauben nach 240 beziehungsweise 1000 Stunden im Salzsprühnebeltest (SST) nach DIN EN ISO 9227. Zum Einsatz kam hier der kathodisch schützendeStandard-Zinklamellenbasecoat Delta-Protekt® KL 100 und die im Markt fest etablierte organische Versiegelung Delta®-Seal GZ in silbern oder schwarz. Erkennbar ist besonders beim schwarzen System eine deutliche Weißrostbildung, Anzeichen von Grundmetallkorrosion (Rotrost) sind bei beiden nicht erkennbar.

Abb. 5: Zinklamellensysteme im Vergleich – Salzsprühtest DIN EN ISO 9227

Zum Vergleich wurde der selbe Test mit dem neuen kathodisch schützenden, mattgrauen Basecoat Delta-Protekt® KL 120 durchgeführt. Ebenfalls mit Delta®-Seal GZ in schwarz überlackiert, zeigt sich eine deutlich reduzierte Weißrostbildung nach 1000 Stunden und sogar nach vorheriger Temperaturbelastung von 96 Stunden bei 180 °C und anschließendem Salzsprühtest zeigen sich weder Grundmetall- noch Überzugskorrosion. Gleiches gilt für den System-aufbau Delta-Protekt® KL 120 und dem neuen schwarzen Topcoat Delta-Protekt® VH 321 GZ (Abb. 6).

Abb. 6: Schwarze Zinklamellenbeschichtung im Salzsprühtest DIN EN ISO 9227 

Diese Neuentwicklung entstand besonders­ auf Wunsch von Volkswagen. Sie erfüllt neben den strengen Anforderungen an den Korrosionsschutz und den Reibwerten von 0,09 µges bis 0,14 µges auch die Mehrfachanzüge gegen verschiedene Gegenlagen. So wird der Fünffachanzug gegen KTL sowie der Zweifachanzug gegen Aluminium erfüllt, aber auch das Warmlöseverhalten gemäß VDA 235-203 wird sicher bestanden. Teile dieser Anforderungen waren mit dem Delta®-Seal nicht erfüllbar.

Über die Schraube erschlossen sich die Dörken MKS-Systeme nach und nach weitere Anwendungsfelder in der Automobilindustrie. Denn die guten Eigenschaften der Zink­lamellensysteme hatten Signalwirkung. So sind die DELTA-MKS®-Systeme mittlerweile unter anderem auf Federn, Gurtschlössern, Gurtumlenkern und Bremsscheiben fest etabliert, aber auch auf Großteilen wie Achs- und Motorträgern. Dabei kommt das gesamte Produktportfolio zum Einsatz, um die diversifizierenden Anforderungen der jeweiligen OEMs an unterschiedlichste ­Teile zu erfüllen.

Beispielsweise erfordert der Hinterachsträger des Porsche 911 – ausgesetzt extremer mechanischer Belastung unter anderem durch Steinschlag – eine entsprechende Beständigkeit. Der Werkstoff wurde hier umgestellt von Aluminium auf hochfesten Leichtbaustahl. Da nun kathodischer Korrosionsschutz gefordert wurde, kam die übliche KTL aus farbtechnischen Gründen nicht mehr infrage. In dem Zusammenhang kam ein klassisches DELTA-MKS®-System zum Tragen. Dieses hat sich seit Jahren real im Feld bei Porsche bewährt. Vorab wurden im Labor mehr als 2000 Stunden Salzsprühtest (nach DIN EN ISO 9227) oder sechs Zyk­len VDA-Klimawechseltest, jeweils nach vorheriger Steinschlagbelastung, sicher ­bestanden (Abb. 7).

Abb. 7: Korrosionsbeständigkeit nach Steinschlag; 2028 StundenSalzsprühtest (links) und sechs Zyklen Klimawechseltest (rechts)

Auch bei den oben genannten Federbandschellen werden, beschichtet mit dem neuen Basecoat Delta-Protekt® KL 120 prozesssicher mehr als 1000 Stunden im Salzsprühtest erreicht – unabhängig davon, ob sie vorher temperaturbelastet (getempert bei 180 °C über 96 Stunden) waren oder nicht. Auch die Beschädigung (Ritz) zum Grundmetall provoziert keinen Rost, lediglich leichter Weißrost ist im Ritz erkennbar – damit greift die Fernschutzwirkung. Um diese vorzeigbaren Ergebnisse zu generieren, waren lediglich dünnste Schichten von 22 g/m² beim Basecoat notwendig, was deutlich weniger als 10 µm im Gesamtsystem bedeutet und eine klare ­Effizienzsteigerung zum bisher eingesetzten Basecoat ist (Abb. 8).

  

Abb. 8: Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest mit Ritz 

5 Qualität durch umfassende Betreuung

Auch aus dem Lkw- und Baumaschinenmarkt sowie der Windindustrie sind mit DELTA-MKS®-Systemen beschichtete Verbindungselemente nicht mehr wegzudenken. Langsam, aber stetig geht auch hier der Trend zum Einsatz der Lamelle auf größeren Komponenten sowie Baugruppen. Ein Highlight war 2012, dass der Germanische Lloyd das Standardsystem Delta®-Tone + Delta®-Seal GZ für die maritime Anwendung in die Korrosionsschutzklasse C5M (Offshore) aufgenommen und entsprechend zertifiziert hat.

Diese Erfolge konnten unter anderem nur erreicht werden, weil die Dörken MKS-Systeme die Qualität entlang der Wertschöpfungskette konsequent sicherstellt. Dazu gehört ein ständiger Dialog mit allen Beteiligten. Nicht nur zum nächsten Zulieferer in der Wertschöpfungskette, sondern auch der kontinuierliche Austausch mit allen ­lizenzierten Beschichtern weltweit – mittlerweile mehr als 150 mit mehr als 300 Anlagen.

Das Lizenzsystem als wesentlicher Faktor der Qualitätsführerschaft ist ein Querschnitt aus Prozessen, Anlagentechnik und Produkten, was sich, entsprechend kombiniert und richtig angewendet, zu einer gleichbleibenden Qualität weltweit zusammenfügt. Sichergestellt wird die richtige Mischung durch ein Auditsystem, dem sich jährlich alle Beschichter unterziehen müssen. Dabei werden neben Teilestichproben, die im Labor in Herdecke gemäß der Endkundenspezifikationen getestet werden, auch die gesamte Erscheinung des Beschichtungsbetriebs, Ausfallquoten und Beschwerden sowie der gesamte Prozess betrachtet. Entsprechend der Ergebnisse werden dann Aktionspläne und gegebenenfalls weitere Aktivitäten abgeleitet – die wiederum überprüft werden.

6 Neuentwicklungen beim Korrosionsschutz

Neben den Zinklamellensystemen gibt es zwei weitere, komplementäre Korrosionsschutzsysteme im Produktportfolio von Dörken MKS: die galvanische Beschichtung unter dem Markennamen Delta-Prozinc® und die KTL unter dem Namen Delta-eLACK®. Diese neuen Kombinationsaufbauten beziehungsweise Systeme wurden Ende 2013 erstmals vorgestellt. Nach erfolgreichen Tests in Pilotkundenanlagen­ konnten erste Spezifikationen erreicht werden. Es handelt sich noch nicht um ein ­Serienverfahren.

Bei den galvanischen Systemen Delta-Prozinc® 5011 und 5015 handelt es sich um alkalische Korrosionsschutzsysteme mit unterschiedlichen Reibzahlfenstern. Das Delta-Prozinc® 5011 zielt auf das VDA-Reibzahlfenster und erreicht prozesssichere 0,09 µges bis 014 µges; das Delta-Prozinc® 5015 ist für den französischen Markt und bedient somit das Reibzahlfenster von 0,12 µges bis 0,18 µges.

Auch diese Systeme werden den allgemein gängigen Tests wie dem Salzsprühnebeltest nach DIN EN ISO 9227 unterzogen. Sowohl mit vorheriger Temperaturbelastung von 24 Stunden bei 120 °C als auch ohne schaffen die Systeme mehr als 840 Stunden ohne Anzeichen von Rotrost. Die Farbveränderung ist minimal, leichte Weißrostschleier­ sind erkennbar. Das Besondere an dem System ist – neben der Korrosionsschutz-wirkung, die für Dörken allerdings selbstverständlich ist – die Sicherstellung der weltweiten Qualität, was auch hier durch ein Lizenzsystem und weltweite Verfüg-barkeit der Produkte erreicht wird (Abb. 9).

Abb. 9: Delta-Prozinc im Korrosionstest

Das zweite neue System Delta-eLACK® ist ein System aus zinkbasierter Grundbeschichtung und kathodischer Tauchlackierung (KTL). Mit einem Delta-MKS®-Basecoat werden ohne äußerliche Veränderungen leicht mehr als 1600 Stunden im SST erreicht (Abb. 10).

Abb. 10: KTL-System (DELTA-PROTEKT® KL101 + DELTA®-eLACK 800) nach 1600 Stunden im Korrosionstest

Das System zeichnet sich durch eine weitere Besonderheit aus: Eine innovative, auf das Produkt zugeschnittene Anlagentechnik ­erlaubt die Beschichtung von größeren Stanzbiegeteilen (wie u. a. dem Gurtschlosskasten) im Massenschüttgutverfahren. So kann die Zeit für das aufwändige, händische Bestücken der Racks eingespart werden. Auch wird die Verklebungstendenz der Teile­ untereinander sowie das Zulaufen von Innenangriffen verhindert. Darüber hinaus kann der Topcoat Delta-eLACK® auch auf anderen Untergründen als der Zinklamelle appliziert werden.

7 Fazit

Seit mehr als 20 Jahren haben sich Zink-lamellensysteme zunehmend ein breiter werdendes Anwendungsfeld als Schutz von Eisenwerkstoffen erobert. Die Systeme­ ­besitzen durch die aufgebrachten Lamellen einen guten kathodischen Korrosionsschutz und sind zugleich sehr beständig ­gegen nahezu alle in Betracht kommenden Korrosionsmedien.

Durch die gute Schichtdickenverteilung und die geringe notwendige Schichtdicke eignen­ sich die Beschichtungen insbesondere für Verbindungselemente. Da kein Wasserstoff bei der Abscheidung erzeugt wird, können die Schichten gefahrlos auf hochfesten Stählen zum Einsatz kommen.

Mit den neuesten elektrochemischen Verfahren erweitert Dörken sein Angebot deutlich und verbessert dadurch die Möglichkeiten zur Kombination der unterschiedlichen Schutzverfahren. Diese Abrundung des Portfolios unter der Dachmarke DELTA-MKS® belegt, dass das weltweite Team mit Basis in Herdecke den Kampf gegen Korrosion als seine Leidenschaft betrachtet und betreibt.

DOI: 10.7395/2014/Welp1 

 

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