Zink im Automobilbau für Optik, Wertigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit

Werkstoffe 06. 09. 2015
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Von Dr.-Ing. Sabina Grund, Initiative Zink, Düsseldorf

Zink ist ein Metall mit weitreichenden vorteilhaften Eigenschaften, die insbesondere im Automobilbau geschätzt sind. So besitzt Zink ein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und unterstützt damit die Bestrebungen zur Erniedrigung des Fahrzeuggewichts. Darüber hinaus ist es für alle Stähle der optimale Korrosionsschutz. Dabei lassen sich Zinkschichten auf Stahlband und Stahlbauteile sowohl galvanisch als auch durch das Tauchen in schmelzflüssiges Zink (Feuerverzinken) aufbringen.

Use of Zinc in Automobile Construction for Appearance, Good Value and Sustainability

Zinc is a metal with a wide range of useful properties, many of which are specially advantageous in the automobile industry. Thus the metal offers a good strength:weight ratio which can contribute to the continuing pressure to reduce total vehicle weight. It is also the preferred corrosion-protective coating for all grades of steel. Zinc coatings can be applied by hot-dip galvanising and also by electrogalvanising.

Im September öffnet in Frankfurt mit der IAA die weltweit wichtigste Automobilmesse unter dem Motto Mobilität verbindet ihre Türen. Gemeint ist damit die schon heute als Megatrend bezeichnete Entwicklung zum vernetzten und automatisierten Fahren. Geblieben ist seit der IAA 2013 der Fokus auf elektrischen Antrieben und – allen Forderungen nach geringeren Fahrzeuggewichten zum Trotz – die Entwicklung der Verkaufszahlen für geländegängige Limousinen, der SUVs, die noch immer steil nach oben weist. Was darüber hinaus immer aktuell ist, sind die Fahrzeugsicherheit, das Design und die Umwelteigenschaften. Der Werkstoff Zink trägt in vielen Funktionen im Automobilbau dazu bei, dass Wünsche Wirklichkeit werden – seien es die der Kunden oder auch die der Automobilbauer.

Abschirmende Eigenschaften sind gefragt

Connected Car, Automated Driving, E-Mobility: Die Megatrends der IAA 2015 bedingen den Einsatz elektrischer Antriebe und elektronischer Steuerungseinheiten. Gleichzeitig wird es immer wichtiger, an entscheidenden Stellen auch eine Abschirmung gegen elektrische und elektromagnetische Kräfte vorzusehen – auf die sogenannte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) kommt es an: Der Einfluss von Wechselfeldern auf Geräte und Umwelt soll möglichst vermieden werden, verbaute Einheiten sollen sich keinesfalls gegenseitig beeinflussen und vor unerwünschten Einflüssen von außen geschützt sein.

Zink ist sehr gut als Werkstoff für die Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung geeignet. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Wege, diese Wirkung des Zinks zu nutzen: So kann das Bauteil, zum Beispiel Steckverbindungen oder Gehäuse, aus Zink – meist aus Zinkdruckguss – gefertigt werden (Abb. 1). Sollte Zink als Werkstoff für ein komplettes Bauteil nicht infrage kommen, entfaltet eine durch Thermisches Spritzen aufgebrachte Zinkschicht die gleiche Wirkung, sodass sich die positiven Eigenschaften mehrerer Werkstoffe gut kombinieren lassen. Als EMV-Schutz kann Zink auch auf Kunststoff aufgespritzt werden.

Abb. 1: Beim Einbaugehäuse für die Video-Einheit in einer Autokopfstütze ist es unter anderem der EMV-Schutz, der zur Auswahl von Zink für diese Anwendung geführt hat (Quelle 1, links: Initiative Zink; Quelle 1, rechts: Stefan Körber-Fotolia.com)

Authentizität und Wertigkeit des Designs durch Zinkdruckguss

Haptik ist ein Schlüsselreiz für den Verbraucher. Ob Metall echt ist, spürt man sofort: Fühlt es sich nicht kühl an, führt das zu Irritationen und die Enttäuschung ist groß, wenn sich der optische Eindruck später als Mogelpackung erweist. Beispielsweise wenn Kunststoff wie Metall aussieht – man aber beim Befühlen und Klopfen den Unterschied bemerkt. Mogelpackungen sind allerdings auch Metalle, die eine strukturierte Oberfläche suggerieren, die sich jedoch nicht erfühlen lässt, da hier eine glatte Schicht aufgebracht ist, die nur eine strukturierte Optik erzeugt. Das Gesamtbild passt dann nicht zum Gefühl von Wertigkeit, das sich aus Struktur, Temperatur und Ton zusammensetzt.

Aus dieser unterschwelligen Wirkung entsteht die Herausforderung, Produkte zu entwickeln, die die Stimmigkeit von Optik und Haptik erzeugen. Vorreiter ist hier die Automobilindustrie: Die Metalloptik ist im Automobildesign ein beliebtes Gestaltungsmittel, um markante Akzente zu setzen. Die Lösung sind Bedienelemente aus Zinkdruckguss, die durch ihre metallische Oberflächenstruktur überzeugen und sich auch spürbar kühler anfühlen. Dieser Effekt wird deshalb Cool Touch genannt – er unterstreicht die Authentizität und Wertigkeit des Designs.

Fühlen, was zu sehen ist: Metall

Zinklegierungen können in nahezu jeder gewünschten Geometrie gegossen und bereits endkonturnah gefertigt werden (Abb. 2). Das ermöglicht die Herstellung extrem präziser Designs – auch Scharfkantigkeit oder plane Flächen. Danach werden galvanische Schichten auf das Gussteil aufgebracht. Die Haftung galvanischer Schichten auf Zink beruht zum einen auf der direkten Metall-Metall-Bindung, die in der Grenzschicht durch die Diffusion der Metalle untereinander unterstützt wird. Zum anderen wirkt die Adhäsion der Schicht auf dem Grundmetall Zink.

Abb. 2: Schalterkappe (Schalterwippe) mit integrierten hinterleuchteten Symbolen aus Zinkdruckguss mit fließend variierenden Wandstärken (Quelle: Initiative Zink)

Zum Einsatz kommt diese Methode beispielsweise bei Easy-to-Clean-Oberflächen. Diese sind aufgrund ihrer Beschichtung stark schmutzabweisend. Dank moderner Verfahren bleibt die metallische Haptik bei gleichzeitiger Easy-to-Clean-Wirkung erhalten. Durch eine geeignete Prozessführung kann zudem die Strukturierung der Oberfläche fühlbar bleiben – und der Kunde erlebt, was er sieht: eine metallische, glatte oder strukturierte Oberfläche.

Sicherheit geht vor

Unabhängig davon, wie ein Auto angetrieben wird, ob es einen Fahrer benötigt oder selbst fährt oder ob es umfänglich vernetzt ist: Der sichere Transport der Insassen von A nach B bleibt als zentrale Aufgabe erhalten (Abb. 3). Hier gilt es, höchste Anforderungen zu erfüllen. Die Festigkeitseigenschaften von Zinkdruckguss prädestinieren den Werkstoff für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Bauteilen [1-3].

Abb. 3: Der klassische Gurtaufwickler ist eine Anwendung, bei der Zink seine mechanische Belastbarkeit dank intelligenter Konstruktion gewichtsoptimiert ausspielt (Quelle: Initiative Zink) 

Neue Stahlsorten optimal geschützt

Kaum jemand weiß heute noch, was eine Rostlaube ist! Seit der Einführung verzinkter Karosserien im Automobilbau fällt dieser Begriff in die Kategorie historisch. Was für den Kunden heute selbstverständlich ist, setzt aber permanente Weiterentwicklungen und Innovationen voraus, um mit wechselnden, komplexen Anforderungen Schritt zu halten beziehungsweise diesen immer einen kleinen Schritt voraus zu sein. In den vergangenen Jahren haben die neuen hoch- und höchstfesten Stahlsorten Einzug in den Automobilbau gehalten. Jede neue Stahlsorte macht gleichzeitig eine Optimierung der Verzinkung als Korrosionsschutz erforderlich. Stahl und Zink arbeiten hier Hand in Hand im Galvanized Autobody Partnership-Programm [4].

Der vom Kunden gewünschte Trend zu größeren Autos (Abb. 4) – den sogenannten SUVs, den Sport Utility Vehicles – kann so ermöglicht werden, ohne dass das Gewicht der Fahrzeuge aus dem Ruder läuft.

Abb. 4: Im März 2015 verzeichneten SUVs ein Verkaufsplus von 17 % im Vergleich zum März 2014: 57.674 Geländewagen und SUVs wurden im März 2015 neu zugelassen [5]; Dank weiterentwickelter Verzinkung erhalten auch hoch- und höchstfeste Stähle den optimalen Korrosionsschutz (Bild: lassedesignen-Fotolia.com) 

Zinkoberflächen für extreme Betriebs- und Witterungsbedingungen

Winter, Matschwetter und Tausalze – dazu auch noch Steinschläge von unten. Eine Kombination, die dem Korrosionsschutz alles abverlangt. Feuerverzinkter, das heißt stückverzinkter Stahl, ist in vielen Fällen der Weg zu einem robusten Schutz unter schwierigsten Bedingungen. Ausschlaggebend ist dafür neben der elektrochemischen Schutzwirkung von Zink auf Stahl die feste Verbindung beider Werkstoffe durch die Ausbildung einer Stahl-Zink-Legierungsschicht. Diese sorgt dafür, dass zusätzlich zum sogenannten Selbstheilungseffekt auch mechanischen Beanspruchungen durch Verformung oder eben durch Steinschlag Widerstand entgegengesetzt wird.

Eingesetzt werden Bauteile aus feuerverzinktem Stahl immer dann, wenn es auf eine robuste, widerstandsfähige Oberfläche ankommt, sowohl im Pkw-Sektor als auch im Nutzfahrzeug-, Lkw- und Anhängerbau (Abb. 5). Je nach erwarteter Beanspruchung ist dabei die klassische Feuerverzinkung die richtige Lösung. Neue Anwendungsfälle vor allem im Pkw-Bau werden darüber hinaus zum Beispiel durch die Verfahren zur Dünnschichtverzinkung erschlossen.

Abb. 5: Feuerverzinkter Stahl sorgt im Nutzfahrzeugbau für robuste und haltbare Oberflächen auch unter extremen Einsatzbedingungen (Bildquelle: Sigtrix-Fotolia.com)

Ausblick: Zink im Automobilbau – ressourceneffizient und nachhaltig

Es gibt viele Einsatzbereiche, in denen Zink im Automobilbau überzeugt. Oft bedingt das Design die Verwendung von Zinkdruckguss im dekorativen wie im funktionalen Bereich. Darüber hinaus sind die Festigkeitseigenschaften von Zinkdruckguss ausschlaggebend für den Einsatz bei sicherheitsrelevanten Bauteilen. Zink hat sich als Korrosionsschutz für Stahl im Automobilbau auch unter extremsten Betriebs- und Witterungsbedingungen bewährt. Dabei hält Zink einerseits mit den Entwicklungen beim Werkstoff Stahl Schritt und wartet andererseits mit eigenen Innovationen auf.

Die Verlängerung der Lebensdauer von Stahl im Automobil durch einen optimalen Korrosionsschutz ist für sich genommen schon ein Indiz für einen effizienten und schonenden Umgang mit Klima und Ressourcen [6]. Wichtig ist aber auch, dass die verwendeten Werkstoffe dann, wenn das Auto nach vielen Jahren verschrottet wird, wieder nutzbar gemacht werden. Für Zink gilt: Zink wird recycelt und erneut dem Werkstoffkreislauf zugeführt: Aus Zinkdruckgussteilen werden wieder Zinklegierungen. Verzinkter Stahl wird in der Stahlindustrie recycelt. Das anhaftende Zink wird dabei im Stahlwerksstaub angereichert und in der Zinkindustrie wieder zu Zink verarbeitet [7]. Die auf diese Weise weitgehend geschlossenen Kreisläufe stehen für einen verantwortungsvollen Umgang mit Rohstoffen ganz im Sinn einer modernen Kreislaufwirtschaft.

Quellen

[1] Online-Zinkdruckguss-Datenbank www.zinc-diecasting.info der International Zinc Association am 16. Mai 2015

[2] Handbuch Werkstofftechnik, 2. Auflage, Abschnitt: Zink und seine Legierungen; Seiten 505–515, Carl Hanser Verlag 2013

[3] Ullmann’s Encyclopedia: Zinc alloys; Wiley-VCH Verlag 2013

[4] The Galvanized Autobody Partnership; unter http://www.zinc.org/galvanized-autobody-partnership/ am 17. August 2015

[5] SUV-Zulassungszahlen März 2015: die Tops und Flops bei den SUV; http://www.auto-motor-und-sport.de/news/suv-zulassungszahlen-maerz-2015-die-tops-und-flops-bei-den-suv-9422157.html am 17. August 2015

[6] Why Steel; http://www.worldautosteel.org/why-steel/ am 17. August 2015

[7] Sabina Grund: Recycling von Zink aus verzinktem Stahl; EU Recycling, 08/2015, Seiten 30 und 31

 
 

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