Zinklamellenbeschichtung: Korrosionsschutz für den Spezialfall

In den 1970er Jahren wurde in den USA ein neues Beschichtungssystem entwickelt: die Zinklamellenüberzüge. In den 1980er und 1990er Jahren verbreitete sich die Anwendung dieser Beschichtungssysteme. Bis heute erobert die Zinklamelle aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften immer mehr Einsatzgebiete und ist in vielen Branchen und deren Spezifikationen freigegeben.

Eine Beschichtung aus Zinklamellen ist ein „Lack“ mit vielen mikroskopisch kleinen Plättchen, den Korrosionsschutzpigmenten. Gemäß DIN EN ISO 10683 und DIN EN13858 sind diese eine Kombination aus Zink- und Aluminiumlamellen (Flakes), die durch ein anorganisches Bindemittel verbunden sind. Zinklamellenüberzüge schützen Bauteile verschiedener Art primär vor Korrosion. Auf diese Grundschicht (Basecoat) wird zur Verbesserung oder Erweiterung der Eigenschaften des Gesamtsystems meist eine Deckschicht (Topcoat) aufgetragen.

Früher enthielten manche Zinklamellenüberzüge Chrom, dessen sechswertige Form mittlerweile als krebserregend und umweltgefährdend gilt. Aufgrund entsprechender gesetzlicher Reglementierungen (Altautoverordnung, RoHS-Richtlinie,…) kommen heute fast ausschließlich Cr(VI)-freie Zinklamellensysteme zum Einsatz.

Korrosion

Korrosion ist gemäß DIN EN ISO 8044-2015 „die physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung“. Elektrochemische Reaktionen führen zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls und zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Bauteils in einem technischen System.

Die jährlichen Kosten durch Korrosion belaufen sich in den Industriestaaten auf bis zu vier Prozent des Bruttoinlandsprodukts (BIP), das sind in Deutschland über 100 Milliarden Euro. 

Einflussfaktoren für Korrosion sind vor allem atmosphärischer Natur wie Feuchtigkeit, Temperatur, UV-Strahlung sowie mechanische Belastung, Einwirkung von Chemikalien und die ungünstige Kombination von verschiedenen Werkstoffen.

Mit geeigneten Beschichtungssystemen kann Korrosion verhindert bzw. stark verlangsamt werden, so dass die Bauteilfunktionalität erhalten bleibt. Hier gibt es zwei unterschiedliche Ansätze: 

Der passive Schutz verhindert durch eine meist dicke Barriereschicht die Korrosion des Substrats. Beim aktiven kathodischen Schutz opfert sich ein unedleres Metall für den edleren Bauteilwerkstoff. Um Stahlbauteile zu schützen, eignet sich beispielsweise Zink sehr gut.

Basecoat bietet kathodischen Korrosionsschutz

Zinklamellenüberzüge erzeugen den so genannten kathodischen Schutz. Zink als das unedlere Metall korrodiert und bewahrt den Stahl vor einer Zersetzung. Hier lassen sich bereits bei dünnen Schichten von 8 bis 12 μm Schutzwirkungen von bis zu 1.000 Stunden gegen Grundmetallkorrosion (Rotrost) nach DIN EN ISO 9227-NSS erreichen. Bei passiv schützenden Barriereschichten besteht die Gefahr der Enthaftung oder Unterrostung beispielsweise im Bereich von Verletzungen der Schicht. Dieses Phänomen wird bei der Zinklamelle durch die Opferwirkung des Zinks verhindert.
Auf diesen Zinklamellen-Basecoat wird typischerweise ein Topcoat aufgebracht.

Topcoat bietet multifunktionelle Eigenschaften

Während der Basecoat für den Korrosionsschutz sorgt, bietet der Topcoat weitere multifunktionale Eigenschaften, wie erhöhte chemische oder mechanische Beständigkeit, Farbgebung oder eine definierte Reibungszahleinstellung für Gewindeteile. Die Schichtdicken des Topcoats liegen je nach Art und Applikation typischerweise bei 1 bis 10 μm.
Klassische Technologien benötigen eine weit höhere Schichtdicke, um ähnlichen Korrosionsschutz zu bieten oder sind applikationsbedingt nicht im dünnsten Mikroschichtbereich darstellbar.

Die Anforderung bestimmt die Beschichtung

Es gibt viele Technologien, die vor Korrosion schützen, jede mit eigenen Mechanismen und spezifischen Eigenschaften. Und viele haben eine Schnittmenge. Besteht jedoch die Notwendigkeit für dünnste Schichten bei gleichzeitig hohem Anspruch an den Korrosionsschutz, haben Zinklamellensysteme oft die Nase vorn. Besonders dünne Schichten können beispielsweise aufgrund von Platz- oder Gewichtsbegrenzung oder aber besonderer Passgenauigkeit gefordert sein. So ist es bei metrischen Gewindeteilen erforderlich, die Toleranzen nach ISO 965 einzuhalten, sodass das Gewinde der Schraube nicht verklebt und die Reibungszahlen entsprechend einstellbar sind. Ist dabei Korrosionsschutz höher als 720-Stunden-Salzsprühtest gefordert, werden häufig Zinklamellenbeschichtungen eingesetzt. Bei diesen besteht zudem keine Gefahr der Wasserstoffversprödung. Hochfeste Stahlteile wie Schrauben mit Festigkeitsklasse ab 10.9, hochfeste Muttern ab Festigkeitsklasse 9, Konstruktionsteile mit einer Zugfestigkeit > 1000 N/mm² oder Härte > 320 HV sind hierfür empfindlich. Beim stromlosen Beschichten mit Zinklamellensystemen wird kein Wasserstoff erzeugt, somit besteht keine Gefahr durch applikationsbedingte wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion. Aus diesem Grund eignet sich die Zinklamelle auch besonders gut für hochfeste Stähle der Klassen 10.9 und höher.
Zudem sind dünnste Schichten aufgrund ihres geringen Ressourceneinsatzes auch aus ökologischer und ökonomischer Sicht interessant.
Dafür kann die Zinklamelle Anforderungen in Bezug auf Kratz- oder Abriebbeständigkeit nur bedingt erfüllen. Bauteile mit starker mechanischer Belastung wie zum Beispiel Sägeblätter werden daher mit anderen Technologien beschichtet.

Vielseitig applizierbar

Das Verfahren für die Zinklamellenbeschichtung lässt sich je nach Anforderung bzw. Bauteil variieren. Vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess wird die Oberfläche der Bauteile vorbehandelt. Um Beizverfahren zu vermeiden, die wiederum schädlichen Wasserstoff erzeugen können, der in die Stahlstruktur eindringen und sie verspröden kann, sind andere Vorbehandlungsprozesse nötig. Das typische Reinigungsverfahren ist die Entfettung mit einer alkalischen wässrigen Lösung. Reinigungsmittel beseitigen Fett, Öl und Schmutz von der metallischen Oberfläche. Anschließend wird die Oberfläche mit sehr kleinen Stahlkugeln gestrahlt. Diese werden durch eine Turbine oder Druckluft in einer Kammer auf die Teile beschleunigt und beseitigen beim Auftreffen Zunder und Rost auf dem Bauteil.
Das Beschichten erfolgt je nach Größe und Geometrie der Bauteile mit verschiedenen Applikationstechniken. Die Teile können entweder mit dem vorbereiteten Beschichtungsmaterial besprüht oder in einen befüllten Behälter getaucht werden. Bei letzterem werden Schüttgut oder Gestellware eingetaucht und anschließend zentrifugiert, um überschüssiges Beschichtungsmaterial zu entfernen. Teile mit geeigneter Geometrie können auch mittels Tauch-Ziehen effizient beschichtet werden. Durch das Eintauchen in den Beschichtungsstoff und definiertes Herausziehen ist das Beschichten von Außen- und Innenseite von beispielsweise Rohren in einem Prozessschritt möglich – vorausgesetzt, die Teile haben genügend Öffnungen, damit das Material wieder ablaufen und Lufteinschlüsse vermieden werden können. Bei allen Applikationen bildet das Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche der Teile idealerweise eine uniforme Schicht.
Es folgt ein Vortrocknen und im Anschluss das Einbrennen im Ofen. Die Temperatur-Zeit-Konstellation hängt vom Beschichtungsmaterial und Produkt ab. Beim Einbrennen wird die Beschichtung vernetzt und eine gleichmäßige, haftfeste und trockene Schicht entsteht. Die Vernetzung erfolgt bereits bei relativ geringen Einbrenntemperaturen. Ein Vorteil, da sich die Eigenschaften einiger Eisenwerkstoffe ab etwa 220°C verändern, was bei flexiblen Bauteilen wie beispielsweise Klammern oder Federn von Bedeutung ist. Den Abschluss des Beschichtungsverfahrens bildet das Kühlen.

Eigenschaften der Zinklamelle

Die so hergestellten Zinklamellensysteme aus Base- und Topcoat bieten eine Reihe spezifischer und je nach Anforderungen anpassbarer Eigenschaften:
• hohen kathodischen Korrosionsschutz
• geringe Schichtdicke
• geringes Gewicht
• ansprechende Optik
• Farbgebung
• hohe Chemikalienbeständigkeit
• Temperaturbelastbarkeit
• individuelle Anpassbarkeit (Reibungs-/Verschraubungseigenschaften)
• Beschichtung von Gewindeteilen ohne Nacharbeit
• keine applikationsbedingte Wasserstoffversprödung

Ein Spezialist erobert den Markt

Zinklamellenüberzüge werden weltweit als kathodische Korrosionsschutzschichten für Stahlteile genutzt. Neben der Automobilindustrie, die vor allem bei kritischen Anwendungen Beschichtungssysteme mit hoher Korrosionsbeständigkeit benötigt, sind Zinklamellen auch in der Windkraft- und Bauindustrie, Schieneninfrastruktur, Elektrotechnik (Anlagenbau) und in weiteren Märkten zu finden. Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit bei geringer Schichtdicke ist die Zinklamelle in der Verschraubung und Verbindungstechnik der Automobilindustrie jedoch am weitesten verbreitet: Jede zweite Schraube der führenden Hersteller ist mit Zinklamellensystemen beschichtet. Aber ein Auto besteht nicht nur aus Schrauben, sondern aus insgesamt rund 10.000 Einzelteilen, hergestellt aus unterschiedlichen Werkstoffen wie Stahl, Aluminium, Kunststoff und einigen mehr, die alle bestmöglich geschützt werden müssen. Daher findet die Zinklamelle hier ein breites Anwendungsfeld: von kleinen Massenschüttgutteilen bis hin zu großen Teilen wie Bremsscheiben oder Achsträgern.
Im Baubereich ist zwar Edelstahl nach wie vor ein bevorzugter Werkstoff. Doch mit Blick auf die Kosten und dank ihrer Performance kann die Zinklamelle auch hier eine Alternative bieten. Freigaben, beispielsweise für den Einsatz auf Strukturbauteilen in Bauwerken, hat das Deutsche Institut für Bautechnik erteilt.
Bei Windkraftanlagen werden Zinklamellensysteme häufig bei Verbindungselementen eingesetzt. Den erforderlichen Langzeitkorrosionsschutz in Küstennähe oder off-shore hat unter anderem der Germanische Lloyd zertifiziert.

Über die Galvano- und Oberflächentechnik:

Die Galvano- und Oberflächentechnik ist eine mittelständisch geprägte Industriebranche, die europaweit rund 440.000 Mitarbeiter beschäftigt, davon 50.000 in Deutschland. Allein in Deutschland erwirtschaftet die Branche einen Umsatz von ca. 7,5 Mrd. EUR. Die Struktur der Galvanobetriebe wird dabei von KMUs dominiert, nur ein geringer Anteil der Betriebe erreicht Größen von mehr als 100 Mitarbeitern. Die Oberflächenbranche ist eine Schlüsselindustrie, deren Dienstleistung Voraussetzung für die Funktionalität von Bauteilen, Geräten und Maschinen nahezu jeder anderen Branche ist. Die Galvanotechnik verhindert dabei jährlich Korrosionsschäden von ca. 150 Mrd. EUR. Galvanotechnik ermöglicht eine zuverlässige Funktionalität einer Vielzahl unterschiedlichster Bauteile: Kein Auto verlässt mehr das Band, bei dem nicht wesentliche Teile oberflächenveredelt sind. Die moderne Medizintechnik ist ohne neuere Verfahren der Oberflächentechnik nicht denkbar, aber auch Bauwirtschaft und Sanitärindustrie, die Elektrotechnik und die Elektronikindustrie sowie die Flugzeugindustrie kommen ohne Oberflächenveredelung nicht aus.