Durch das Auftragen von metallischen Überzügen aus Zink, Zink-Nickel oder als neue Variante auch Zink-Eisen werden die Korrosionsbeständigkeiten von Eisenwerkstoffen deutlich verbessert. Ebenso tragen Lamellenbeschichtungen sowie die verschiedenen Nachbehandlungen für die Zinkvarianten zu einer zusätzlichen Steigerung der Beständigkeit bei. Zur Überwachung der Korrosionsbeständigkeit oder Bewertung von neuen Beschichtungsvarianten stehen verschiedene Korrosionstests zur Verfügung, die je nach Grundwerkstoff und Beschichtung in unterschiedlichem Umfang zum Einsatz kommen.
Biomasse für die Energieerzeugung
Bei der Entwicklung von Beschichtungsverfahren und deren Einsatz rückt der sparsame Umgang mit Energie seit einigen Jahren stark in den Vordergrund. Einen etwas anderen Blick auf energiesparende Prozesstechnik bot Walter Schätzl, Holzenergie Wegscheid GmbH, im Rahmen eines Gastvortrags. Walter Schätzl befasst sich seit langem mit der klimaneutralen und wirtschaftlichen Erzeugung von Wärme, Kälte und Strom in der Metallverarbeitung unter dem Einsatz von Biomasse.
Basis der Technologie ist die Holzverstromung aus Hackschnitzeln bei gleichzeitiger Gewinnung von Strom und thermischer Energie, beruhend auf der Kraft-Wärme-Kopplung. Einer der wichtigsten Punkte ist die Reinigung des Holzgases, erzeugt mit einem Festbettvergaser bei Temperaturen zwischen 700 °C und 800 °C, um eine hohe Effizienz und eine hohe Ausbeute des Motors zu erreichen. Diese wird über spezielle Filtersysteme gewährleistet. Mit einem modifizierten Gasmotor und einem Generator werden elektrischer Strom und Wärme erzeugt. Als Abfall fallen nach Aussage von Walter Schätzl nur geringe Mengen an Asche an.
Container- und Rahmenbauweise der Anlagen zur Energiegewinnung mit Holz (Bild: W. Schätzl)
Besonders vorteilhaft ist die Erzeugung von Kälte, die um ein Vielfaches effizienter ist, als durch den Einsatz von konventionellen, strombetriebenen Anlagen. Wichtiges Kriterium bei der Holzvergasung ist die Verwendung von Holz mit geringer Feuchtigkeit. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, Rest- und Altholz zu verwerten. Durch die Modulbauweise lässt sich diese Art der Energiegewinnung mit relativ geringem Aufwand an den jeweils vorliegenden Energiebedarf und damit auch an die jeweilige Betriebsgröße anpassen.
Öffentliche Förderung
Inga Markwart, International Consulting & Training, Berlin, ging in ihrem Vortrag auf die öffentliche Förderung in Deutschland mit Fokus auf Innovationen und Umweltschutz ein. Eingangs bemerkte sie, dass in der Regel der Abruf von Fördermitteln aufgrund hohem bürokratischem Aufwand nur eingeschränkt durchgeführt wird. Dabei werden aktuell in Deutschland etwa 2500 Förderprogramme für Unternehmen angeboten. Bei der Übersicht fällt zunächst auf, dass Umweltschutz nicht direkt angesprochen wird; dies ist in der Regel bei den unterschiedlichen Förderprogrammen als Unterpunkt vorhanden.
Des Weiteren wies sie darauf hin, dass für die Inanspruchnahme von Förderprogrammen mit Förderhöhen bis zu etwa 50 000 Euro kaum Berater für die Beantragung notwendig sind. Bei größeren Förderhöhen ist die Hinzuziehung von Beratern sinnvoll oder zum Teil auch unabdingbar. Dies gilt ganz besonders für länderübergreifende Förderprogramme. Wichtige Kriterien können der Standort des geförderten Unternehmens sein, die Anzahl der Mitarbeiter oder auch der erzielte Umsatz. Grundsätzlich gilt zudem, dass das geförderte Unternehmen einen mehr oder weniger hohen Eigenanteil leisten muss. Zu bedenken ist darüber hinaus, dass in der Regel ein Projekt gefördert wird und nicht das Unternehmen. Sinnvoll ist zu Beginn der Überlegungen die Nutzung der Förderdatenbank des Bundes.
Zu empfehlen ist die industrielle Förderung, da hier die erhaltenen Fördergelder nicht zurückbezahlt werden müssen. Im Gegensatz dazu wird bei der experimentellen Entwicklung ein Darlehen gewährt. Wichtig ist in vielen Fällen, eine Förderung möglichst frühzeitig zu beginnen, also nicht zu viel Aufwand für eine Vorprüfung zu betreiben.
Korrosionswechseltest
Für viele galvanische Beschichtungen ist der mit ihnen erzielbare Korrosionsschutz eine der wichtigsten Hürden für deren umfangreiche Nutzung. Mit dem Korrosionswechseltest nach DIN 55635 Beschichtungsstoffe - Zyklische Korrosionsprüfung von Beschichtungssystemen auf Werkstoffen und Bauteilen im Automobilbau befasst sich Dr. Olaf Claus, VW AG, Werkstoffentwicklung Metalle, Aufbau und Korrosionsschutz, Wolfsburg. Der Test nach DIN 55635 wurde bei Volkswagen im Rahmen von studentischen Arbeiten an Stahl, verzinktem Stahl und Aluminium, jeweils an realen Bauteilen aus unterschiedlichen Grundwerkstoffen genauer betrachtet. Zum Vergleich wurde der Volkswagentest PV 1210 herangezogen, bei dem verschiedene Phasen durchlaufen werden. Grundsätzlich ist dabei zu berücksichtigen, dass der neue DIN-Test im Ablauf komplexer ist. Bei Stahl wurden Zink und Pulverlack, bei Aluminium ETL und Pulverlack als Beschichtungssysteme herangezogen. Generell zeigte sich, dass die Zinkkorrosion beim DIN-Test reduziert ist. Im Gegensatz dazu ist die Blasenbildung sowie der Test mit Ritz ausgeprägter. Vergleichbare Ergebnisse traten bei zwei von zehn Teilen auf.
Kurzergebnisse des Vergleichs von PV 1210 und DIN 55635 (Bild: O. Claus)
Die Prüfung von Aluminiumpunktschweißungen zeigt bei beiden Verfahren vergleichbare Ergebnisse. Bei Zink-Nickel-Beschichtungen ist der DIN-Test zwar geeignet, aber durch zu lange Prüfzeiten eher nachteilig zu sehen. Bei Zinklamellenbeschichtungen auf Stahl traten erhebliche Streuungen im DIN-Test auf.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass VW bei nicht verzinktem Stahl beim vorhandenen Volkswagentest (PV 1210) bleibt. An verzinktem Stahl liefert der Korrosionswechseltest DIN 55635 zwar brauchbare Ergebnisse, allerdings erfordert der Test sehr hohe Investitionen. Für Untersuchungen an lackierten Bauteilen wird der neue Test bei VW in die Prozesstechnik aufgenommen. Lediglich bei Aluminium weist der Test nach DIN 55635 Vorteile auf. Für Zink-Nickel und Zinklamellenbeschichtung auf Stahl bringt das neue Testverfahren keine Vorteile.
Beispiel für die Ergebnisse bei Anwendung der DIN 55635, hier bei Zinklamellenbeschichtung auf Stahl; die Ergebnisse zeigen deutlich größere Streuungen (Bild: O. Claus)
Produktübersicht – Zink-Nickel, Zinklamellen und PFAS
Das im sauren Bereich abscheidende Zink-Nickel-Verfahren Zinni 220 zeigt laut Frederik Heß, Atotech, Vorteile im Hinblick auf die Emissionen an Kohlenstoffdioxid, also den CO2-Fußabdruck. Der Elektrolyt arbeitet ohne Ammonium und Borsäure, besitzt eine hohe kathodische Stromausbeute und Abscheidegeschwindigkeit, gute Streufähigkeiten, ergibt eine homogene Legierung und zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer aus.
In der Praxis ergibt sich der große Vorteil durch die gute Streufähigkeit beziehungsweise durch eine höhere Schichtdicke bei geringen Stromdichten. Damit kann auf den Einsatz von Innenanoden verzichtet sowie mit mit höheren Durchsätzen gearbeitet werden. Auch wenn die Zahl an Zusätzen hoch ist, ist deren Wirkungsweise, insbesondere im Falle auftretender Abscheidefehler, sehr gut.
Gute Streufähigkeit bringt vor allem bei Vertiefungen, hier am Beispiel eines Bremssattels, Vorteile (Bild: F. Heß)
Zinklamellenbeschichtung für Schüttgut und Gestellware mit und ohne Topcoat ist das Thema, mit dem sich Andreas Fink, Atotech, befasst. Die besonders kostengünstigen und produktiven Einschichtsysteme liegen in ihren Dicken bei etwa 6 µm bis 8 µm und sind damit zum Beispiel auf nahezu allen Verbindungselementen anwendbar.
Der aufgebrachte Topcoat weist Schichtdicken zwischen 1 µm und 2 µm auf und kann mit zusätzlichen Eigenschaften ausgestattet werden sowie im Bedarfsfall zusätzlich beschichtet werden. Bei Trommelware wird mit zweischichtiger Zintek eine Korrosionsbeständigkeit von mehr als 1000 Stunden im Test gemäß DIN EN ISO 9227 erreicht, bei Schichtdicken unter 10 µm.
Im Gestellverfahren mit Zintek ONE HP beschichtete Teile zeigen auch nach 1200 Stunden im Test gemäß DIN EN ISO 9227 kaum Korrosion auf (Bild: A. Fink)
Dr. Volker Krenzel, Atotech, ging in seinen Ausführungen auf die aktuelle Situation bei PFAS ein, eine Stoffgruppe, bei der durch die REACh-Verordnung in Zukunft eine eingeschränkte Verwendbarkeit erwartet wird.Diese Verbindungsgruppe findet sich zum Beispiel in Form von Teflon, PVDF, PFOS oder Fluor-Tenside. Die damit hergestellten Produkte beziehungsweise Oberflächen zeichnen sich beispielsweise durch gute Schmierwirkung oder als Schicht durch ihre Antihafteigenschaften aus. Das Problem ist die Beständigkeit, durch die die Verbindung als biologisch nicht abbaubar eingestuft wird. Nachteile treten auch im Falle einer thermischen Überlastung auf, da giftige Verbindungen entstehen. Vermutlich dürfen PFAS-Verbindungen ab 2027 nicht mehr eingesetzt werden.
In Zinklamellenbeschichtungen ist PTFE enthalten, während diese in galvanischen Schichten nicht zum Einsatz kommen. Anorganische Topcoats enthalten ebenfalls keine derartigen Verbindungen. Organische Topcoats werden so weiterentwickelt, dass sie in absehbarer Zeit keine PFAS mehr enthalten werden.
Korrosionsschutz bei Elektrobauteilen für Fahrzeuge
Dr. Christina Schmidt, Porsche, befasst sich mit Korrosion bei Elektrobauteilen für Fahrzeuge. Problematisch geworden ist die Situation bezüglich Korrosion ihren Erfahrungen zufolge, seit immer mehr Stecker, Kabel oder Platinen den Nassbereich des Fahrzeugs erreichen. Aufgrund der hohen geforderten Funktionsbeständigkeit von 15 Jahren beziehungsweise etwa 300 000 Kilometer Fahrleistung, aber auch der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), müssen diese Bauteile eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion aufweisen.
Geprüft wurden unter anderem Teile aus Aluminium gemäß VW 96380, bei dem vor allem die langsamen Änderungen von Temperatur und Feuchtigkeit als Unterschied zu anderen Prüfverfahren zu nennen sind. Bei den ersten Tests zeigte sich bereits, dass die Korrosion bei allen Elektrogehäusen in Innenbereichen aufgetreten war. Der Prüfzeitraum gibt ein Zeitfenster von etwa sechs Jahren im Einsatz wieder. Ein Ansatz zur Verbesserung der Situation ist die Verbesserung der Dichtfunktion von Gehäusen für Elektronik- beziehungsweise Elektrikbaugruppen.
Ergebnisse nach zwölf Wochen im Test gemäß VW 96380-1 zeigen Schwachpunkte bei der Dichtung von Gehäusen (Bild: Ch. Schmidt)
So wurden unter anderem die Geometrie des Gehäuses und die Ausführung des Dichtungsbereichs, die Dichtung selbst oder auch die Oberflächenbehandlung des verwendeten Aluminiumteils in Betracht gezogen. Angestrebt wurden eine bessere Beständigkeit der Abdichtung von Gehäusen unter Einsatz der Dichtwerkstoffe VMQ und EPDM sowie Passivierungen des Aluminiumgehäuses. Für die Bewertung der Korrosionsbeständigkeit der Metallteile eignen sich die Impedanzspektroskopie (EIS) und Stromdichte-Potential-Kurven. Die EIS-Technologie erlaubt zudem die Bewertung des Dichtungsmaterials.
Um die relevanten Kennwerte eines Gehäuses zu ermitteln, wurde ein Standardgehäuse entwickelt und an diesem die Auswahl der bestmöglichen Werkstoffe, Bearbeitungsverfahren sowie Dichtungsmaterialien vorgenommen. Die elektrochemischen Messungen erbrachten für ein Gehäuse aus AlMg3Mn mit Chrom(III)passivierung die beste Eignung, gefolgt von AlMg4Fe2 mit Passivierung und AlMg3Mn mit Gusshaut. Die Prüfung mittels Korrosionstest gemäß VW 96380-1 nach einer Prüfungsdauer von 12 Wochen kehrte die Rangfolge vollständig um, so dass AlMg3Mn mit Gusshaut am besten abschnitt gefolgt von AlMg4Fe2 und AlMg3Mn, jeweils mit Passivierung.
Zinksystem Hiron
Frederik Heß, Atotech, stellte mit dem Elektrolytsystem Hiron die galvanisch Zink-Eisen-
Beschichtung mit hohem Eisengehalt vor. Diese Art der Beschichtung gewinnt unter anderem dadurch an Interesse, da Nickel in den letzten Monaten deutlich teurer wurde und zudem aus Gründen des Umweltschutzes vermieden werden soll. Die Anforderungen an die Schicht werden durch die Eigenschaften für Zink-Nickel festgelegt; sie sollen nach Möglichkeit nicht davon abweichen. Der Eisengehalt der neuen Schicht liegt bei 12 % bis 15 %. Der Elektrolyt selbst zeichnet sich dadurch aus, dass hier keine Gefahr der Cyanidbildung besteht. Das Verfahren erreicht als Gestell- und als Trommelbeschichtungen Ergebnisse, die mit Zink-Nickel vergleichbar sind, mit und ohne Passivierung. Weniger vorteilhaft ist, dass durch den Eisenanteil Verfärbungen der Schicht festzustellen sind.
Erste Ergebnisse aus einem Feldversuch mit einem kleinvolumigen Ansatz zeigen, dass in Bezug auf die Optik kein Unterschied zu Zink-Nickel, sowohl mit und ohne zweistufige schwarze Nachbehandlung, besteht. Innerhalb von 30 Minuten werden Schichtdicken um 8 µm erreicht. Die Korrosionsbeständigkeit ist vor allem mit einer Nachbehandlung sehr gut. Das neue Verfahren ist zudem ein guter Ansatz zur Erhöhung der Nachhaltigkeit als Alternative zu sauer Zink-Nickel.
Direktverschraubung
Im letzten Vortrag der Tagung ging Thomas Jakob von der Arnold Umformtechnik auf die Direktverschraubung mit Gewindefurchung für Leichtmetall ein. Wie er eingangs vermerkte, wird die Zahl der Verbindungselemente bei E-Fahrzeugen um etwa 20 % bis 25 % pro Fahrzeug abnehmen. Bei dem von ihm vorgestellten Typ der gewindefurchenden Schrauben für Verbindungen von Leichtmetallen stehen das aufzubringende Drehmoment und die Vorspannkraft im Vordergrund; allerdings ist dafür eine höhere Einschraubtiefe notwendig.
Beim Schraubentyp Powertite wurde gegenüber bisherigen Schrauben die Gewindegeometrie geändert. Die hauptsächliche Herausforderung hierbei war die Herstellung der Gewinde durch Walzen. Darüber hinaus zeigen Untersuchungen zu den Kräften bei der Herstellung der Verbindung, dass die Art der Oberfläche einen wichtigen Einfluss hat. Vorteilhaft ist zum Beispiel der Einsatz von Gleitmittel in der Beschichtung.
Durch die neue Verbindungstechnik lassen sich höhere Kräfte übertragen, so dass sich kleinere Schrauben bei gleichen Kräften einsetzen lassen. Zudem entfällt bei dieser Art der Verbindung das kostenintensive Gewindeschneiden, häufig auch das Bohren, indem gegossene Löcher zum Einsatz kommen können. Die Tragfähigkeitsleistung wird bei diesem neuen Schraubentyp um mehr als 20 % gesteigert. Des Weiteren erlaubt die überelastische Montage bei den neuen Verbindungselementen höhere Vorspannkräfte, eine höhere Lösesicherheit sowie eine Optimierung der Kosten.
Fazit
Die hohe Teilnehmerzahl am Korrosionsgipfel zeigte, dass die mks Atotech mit ihren Themen das Interesse der Industrie, sowohl aus dem Kreis der Beschichtungsunternehmen als auch aus dem Kreis von deren Kunden, getroffen hat. Dazu trägt sicher bei, dass neben neuen Beschichtungen zur Verbesserung des Korrosionsschutzes auch die Energie- und Ressourceneinsparung, aber auch die Ermittlung von Kenngrößen wie der Emission an Kohlenstoffdioxid zur Ermittlung des CO2-Fußabdrucks bei den Industrieunternehmen, eine wichtige Rolle für zukünftige Geschäftsentwicklungen spielt. Auch hier gehört die mks Atotech mit dem Fokus auf Green Deal zu den Wegbereitern.
- www.atotech.com
Text zum Titelbild: Zink-Eisen-Schichten zeigen sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die Optik (Bild: F. Heß)
