Zinklamellenüberzug

Zinklamellenüberzüge sind nicht-elektrolytisch aufgebrachte Beschichtungen, die einen guten Korrosionsschutz anbieten. Diese Überzüge bestehen aus einer Mischung von Zink- und Aluminiumlamellen, die durch eine anorganische Matrix verbunden sind.

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Geschichte

Da elektrolytisch verzinkte Oberflächen einen geringen Korrosionsschutz bieten, und auch galvanische Zinkschichten hochfesten Stahl (z.B. Hochfeste Schrauben mit Festigkeitsklasse 10.9 und 12.9) verspröden können, brauchte die Industrie ein Korrosionsschutzsystem, um die Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Hochfeste Stahlteile wie Schrauben mit Festigkeitsklasse > 10.9, hochfeste Muttern mit Festigkeitsklasse > 10), Konstruktionsteile mit Zugfestigkeit > 1000 N/mm² oder > 320 HV sind empfindlich zu Wasserstoffversprödung. Galvanische Beschichtungsverfahren und Beizen mit Säuren haben einen großen Einfluss bei der Ursache wasserstoffinduzierter Brüche u.A.

In den 70er Jahren wurde in den USA ein neues Beschichtungssystem entwickelt: die Zinklamellenüberzüge. Durch eine geringe Schichtdicke ergab dieses System hohen Korrosionsschutz und ermöglichte die Vermeidung der Wasserstoffversprödung.

In den 80er und 90er Jahren verbreitete sich die Anwendung dieser Beschichtungssysteme, z.B. in der Automobilindustrie. Die Automobilindustrie benötigt Beschichtungssysteme mit hoher Korrosionsbeständigkeit. Bei Schraubenverbindungen mit hochfesten Schrauben spielt die Vermeidung von Wasserstoffversprödung eine wesentliche Rolle. Da Zinklamellenüberzüge keinen Wasserstoff im Prozess erzeugen, wurden sie als Alternative zu galvanischen Oberflächen bei kritischen Anwendungen benutzt.

Heute werden diese Beschichtungen für Verbindungselemente und andere Bauteile in der Automobilindustrie bevorzugt, weil sie gute Optik (Farbe), einen sehr guten Korrosionsschutz, auch unter Temperaturbelastung, gute Chemikalienbeständigkeit, Umweltfreundlichkeit (die Cr6-freie Alternativen) und Reibungseigenschaften (bei Schrauben und Muttern) und keine Gefahr von Wasserstoffversprödung bei hochfesten Verbindungselementen anbieten. Die Anforderungen der Automobilindustrie haben neue Ziele festgelegt; Korrosionsschutz und Optik sind die einzigen und wichtigsten Eigenschaften nicht mehr.

Neben den Anwendungen bei der Automobilindustrie findet man auch diese Beschichtungssysteme bei Windkraftanlagen, Bauindustrie, Elektrotechnik (Anlagenbau).

Eigenschaften

Neben dem Verzinken bieten Zinklamellenüberzüge den so genannten kathodischen Schutz; die Schicht "opfert" sich, um das Basismetall zu schützen. Stahl kann mit diesen Schichten geschützt werden. Die Schichtdicke kann zwischen 5 µm und 15 µm dick sein. Dicke Schichten bieten mehr Korrosionsschutz; dünnere Schichten bieten wenigen Korrosionsschutz, beeinträchtigen jedoch die Funktionalität der beschichteten Oberfläche nicht, z.B. bei Schrauben und Muttern. Bei metrischen Gewindeteilen ist es erforderlich die Toleranzen nach ISO 965 einzuhalten. Die Schichtdicke der Zinklamellenüberzüge muss guten Korrosionsschutz mit dünner Schicht geben, damit die Verbindung zwischen Schraube und Mutter nicht negativ beeinflusst wird. In Vergleich zu Schichtdicken feuerverzinkter Verbindungselemente mit Gewinde haben Zinklamellenüberzüge einen Vorteil, da die Schichtdicke dünner ist.

Im Gegensatz zu Lacken breitet sich Korrosion unter der Beschichtung nicht aus. Beim Salzsprühtest ergeben Zinklamellenschichten 480 St ohne Rotrost (RR). Es ist auch möglich 720 oder 840 Stunden ohne Rotrost beim Salzsprühtest zu erreichen, mit oder ohne Nachbehandlung. Diese Ergebnisse beim Salzsprühtest zeigen einen besseren Korrosionsschutz als eine typische galvanische Zink-Beschichtung, die beim Salzsprühtest von 96 bis 200 Stunden ergeben kann.

Neben dem Korrosionsschutz liefern diese Beschichtungen mittlere Temperaturbeständigkeit, gute elektrische Leitfähigkeit und auch gute Chemikalienbeständigkeit (z.B. gegen Reiniger, Kraftstoff, Kühlmittel, Öle).

Beschichtungstechnik

Das Beschichtungsmaterial der Zinklamellenüberzüge wird in flüssiger Form geliefert; es muss vor der Anwendung zu den gewünschten Anwendungsbedingungen vorbereitet werden. Die Viskosität, Temperatur, Rührungszeit vor der Anwendung spielen hier eine wichtige Rolle. Das Material kann mit den folgenden Anwendungstechniken aufgebracht werden:

• Sprühverfahren
• Dip-Spinning (englisch für Tauch-Schleuder-Verfahren)

Vor der Beschichtung musst die Oberfläche der Teile vorbehandelt werden. Beizen mit Säuren (z.B. Schwefelsäure, Chlorsäure) erzeugt atomaren Wasserstoff und kann in die Stahlstruktur eindringen und sie verspröden. Um Beizverfahren zu vermeiden, sind andere Vorbehandlungsprozesse nötig. Die typischen Reinigungsverfahren sind Entfettung mit einer alkalischen wässrigen Lösung und dann Strahlen mit sehr kleinen Stahlkugeln (Strahlmittel). Reinigungsmittel beseitigen Fett, Öl und Schmutz von der metallischen Oberfläche. Strahlen beseitigt Zunder und Rost durch die mechanische Aktion der Stahlkugeln, die mithilfe einer Turbine auf die Teile in einer Kammer beschleunigt werden. Beide Verfahren erzeugen keinen Wasserstoff, aus diesem Grund gibt es keine Gefahr von Wasserstoffversprödung bei hochfesten Stählen.

Nach der Vorbehandlung kommt dann das Beschichtungsverfahren. Die Teile werden auf einem Gestell mit dem Zinklamellenmaterial gesprüht (Sprühverfahren) oder in einem Behälter getaucht und zentrifugiert (Dip-Spinning). Auf der Oberfläche der Teile bildet das Beschichtungsmaterial eine flüssige und uniforme Schicht, die noch nicht kompakt ist und alle ihre Eigenschaften nicht zeigt. Um die ausgezeichneten Eigenschaften der Zinklamellenüberzüge zu bilden, ist ein Einbrennverfahren erforderlich.

Die Beschichtung ist noch hochreaktiv und es muss sich eine kompakte Schicht durch Hitze bilden. Die beschichteten Teile müssen in einem Ofen unter kontrollierter Temperatur eingebrannt werden. Diese Temperatur hängt vom Beschichtungsmaterial und Produkthersteller ab, da jeder Hersteller von Zinklamellenprodukten seine patentierte Formel hat. Typische Einbrenntemperaturen sind 200°C, 240°C und 300°C. Nach dem Einbrennen wird die Beschichtung vernetzt und eine uniforme, dünne, haftfeste und trockene Schicht wird erzeugt.

Normung

Die Anforderungen der Zinklamellenüberzüge werden in der internationalen Norm ISO 10683 und auch in der europäischen Norm EN 13858 festgelegt. ISO 10683 legt die Anforderungen der Zinklamellenüberzüge für Verbindungselemente mit Gewinde fest, und EN 13858 beschreibt die Anforderungen der Zinklamellenbeschichtungen für Verbindungselemente ohne Gewinde und auch für andere Bauteile. Es gibt zwei Gruppen von Zinklamellenüberzügen:

1. Cr6-haltige (sechswertiges Chrom) Zinklamellenüberzüge. Cr6-haltige Oberflächen bieten höheren Korrosionsschutz mit weniger Schichtdicke an, aber Cr6 ist krebserzeugend und nicht umweltfreundlich. Neue europäische Verordnungen verbieten die Anwendung Cr6-haltiger Oberflächen, wie die Altautoverordnung EG 2000/53 ab 1. Juli 2007 und EG 2002/95 über Elektro- und Elektronikgeräte (RoHS-Richtlinie). Bei Anwendungen außer Automobil- bzw. Elektroindustrie sind diese Überzüge noch gültig
2. Cr6-freie Zinklamellenüberzüge. Cr6-freie Schichten sind umweltfreundlicher als Cr6-haltige Oberflächen. Alle Zinklamellenüberzüge in der Automobilindustrie heutzutage haben kein Cr6. Cr6-freie Oberflächen werden in der Regel aus Umweltfreundlichkeit bevorzugt.

Verschiedene Konstrukteure, wie Automobilfirmen und ihre Lieferanten haben auch ihre eigene Spezifikationen und Liefervorschriften erstellt, um die Anforderungen dieser Beschichtungssysteme festzulegen.

Anwendung

Zinklamellenüberzüge werden weltweit in der Automobil- und Bauindustrie als kathodische Korrosionsschutzschichten benutzt. In Kombination mit nachbehandelten dünnen organischen Beschichtungen können diese auch Farbe (schwarz, silber, grün, blau, usw.), Chemikalienbeständigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit (wegen Einfluss der organischen Schicht) und Reibungseigenschaften anbieten. Lackieren ist auch möglich über der Zinklamellenschicht, besonders wenn die ganze Baustruktur mit Lacken beschichtet werden muss. Schmieren ist auch möglich.

Die Zinklamellenschicht dient als Basisüberzug für organische oder anorganische Nachbehandlungen, die als Endschicht aufgebracht werden.

Stahlteile die mit Zinklamellenüberzügen beschichtet werden können sind z.B. Schrauben, Muttern, Federn und Bleche.

Bei Windkraftanlagen (siehe erneuerbare Energie) werden diese Beschichtungen für Verbindungselemente mit Gewinde oft aufgebracht.

Zinklamellenüberzüge sind besonders für hochfeste Schrauben (FK 10.9 und höher), hochfeste Muttern (FK 10 und höher) Konstruktionsteile mit Zugfestigkeit > 1000 N/mm² oder > 320 HV geeignet, weil Wasserstoffversprödung vermieden wird.

Quellen

• ISO Internationale Organisation für Normung. ISO 10683 Fasteners -- Non-electrolytically applied zinc flake coatings, 2000
• CEN Comité Européen de Normalisation. EN 13858 Corrosion protection of metals. Non-electrolytically applied zinc flake coatings on iron or steel components
• Qualicor - European Quality Label Association. Vademecum - Nicht-elektrolytisch applizierte Zinklamellen-Schichten