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16.10.2019

Vorbehandeln & Entlacken

Vorbehandeln & Entlacken: 18.10.2017

Alternativen zur Zinkphosphatierung

Vielversprechende Ergebnisse mit Dünnschichtvorbehandlungen auf Basis von Zirkonoxid

Im Rahmen eines Forschungsprojekts untersuchte das Fraunhofer IPA jetzt alternative Vorbehandlungen zur Zinkphosphatierung. Hierbei wurden zwei neue Zirkonoxid-basierte Vorbehandlungen auf Stahl-, ver­zinkten Stahl- und Aluminiumwerkstoffen im Vergleich zu einer marktüblichen Trikation-Zinkphosphatierung als Benchmark geprüft.

Die REM-Aufnahmen zeigen die Bedeckung von verzinktem Stahl mit einer Zinkphosphatierung (ZnPh) und Dünnschichtvorbehandlungen (DVBH). Abbildungen: Fraunhofer IPA

Die REM-Aufnahmen zeigen die Bedeckung von verzinktem Stahl mit einer Zinkphosphatierung (ZnPh) und Dünnschichtvorbehandlungen (DVBH). Abbildungen: Fraunhofer IPA

Der auf der Trikation-Technologie mit Zink, Nickel und Mangan basierende Zinkphosphatierprozess bietet für Stahlsubstrate im Automobilbau einen hohen Korrosionsschutz in Kombination mit der KTL und weiteren Lackschichten. Aufgrund der seit 2010 in der EU bestehenden Einstufung von Nickelsalzen als CMR (cancerogen, mutagen und reprotoxisch) rücken alternative Dünnschicht-Vorbehandlungen (Dünnschicht-VBH) zunehmend in den Fokus. Da diese Technologien neu sind, sind ihre Korrosionsschutzwirkung und Performance im Automobilbau noch nicht ausreichend für alle in Frage kommenden Werkstoffe untersucht.

Prüfungen als Rundversuch

Das Fraunhofer IPA hat deshalb ein durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) gefördertes Forschungsprojekt durchgeführt (siehe Kasten), um grundlegendes Wissen über Dünnschicht-VBH und deren Einfluss auf den Korrosionsschutz zu generieren. Ein wichtiger Aspekt dieses Forschungsprojekts war die Korrelation zwischen verschärfter Freibewitterung und den Korro­sionswechseltests nach VDA 621-415 (VDA alt) und VDA 233-102 (VDA neu) hinsichtlich des Korrosionsverhaltens. Daher wurden diese Prüfungen als Rundversuch durchgeführt. Beide Rundversuche wurden in drei Prüflaboratorien (I, II und III) durchgeführt, wobei jeweils alle Substrate mit den drei VBH geprüft wurden. Die Ergebnisse der Unterwanderung stimmten auf ± 1 mm überein. Der "neue VDA-Wechseltest" ist für neue Substrate und Dünnschicht-VBH ebenso zuverlässig und reproduzierbar wie für herkömmliche Systeme. Auch bei den Dünnschicht-VBH zeigt sich ein ähnliches Verhältnis der Unterwanderungszonen wie bei der Zinkphosphatierung von Stahl (CRS, HRS), Stahl mit Zink und Zink-Magnesium-Überzügen (ZM) und Aluminium von etwa 3:1:1.

WARUM DAS WICHTIG WIRD
Alternative Dünnschicht-Vorbehandlungen rücken zunehmend in den Fokus, sind allerdings noch nicht ausreichend für alle in Frage kommenden Werkstoffe untersucht worden. Dieser Problematik widmete sich ein von der Stiftung Stahlanwendungsforschung der FOSTA (Forschung Stahl) gefördertes Forschungsprojekt, das neue Dünnschichtvorbehandlungen auf ihre Leistungsfähigkeit hin untersuchte. Insbesondere der Korrosionsschutz und die Prozessfähigkeit bzw. -stabilität beim Beschichten von Multisubstraten wurde im Vergleich zum herkömmlichen Zinkphosphatierprozess evaluiert. Das Probenprogramm umfasste Standard- und neue Substratmaterialien (u.a. Stahl kalt- und warmgewalzt, verzinkte Stähle, Stahl mit Zink-Magnesium-Überzügen, Aluminium-Legierungen). Nach der Vorbehandlung wurden sie mit einer automobiltypischen KTL beschichtet. Die Untersuchungen im Rahmen dieses Projekts ergaben, dass die Dünnschichtvorbehandlungen auf neuen Substratmaterialien bei milder korrosiver Belastung (VDA 233-102) eine ebenso gute Performance aufweisen wie die Zinkphosphatierung. Bei starker korrosiver Belastung zeigen sie vor allem durch Alkali- und Chloridempfindlichkeit bei den meisten Systemen Schwächen. Dennoch gibt es Systeme mit Dünnschichtvorbehandlung, die auch unter hoher korrosiver Belastung sehr guten Korrosionsschutz aufweisen.

Der Korrosionswechseltest nach VDA 621-415 ("VDA alt"), der im Vergleich zum "VDA neu" eine intensivere Salzbelastung aufweist, zeigt eine deutlich stärkere Unterwanderung der verzinkten Proben. Diese Beanspruchung korreliert mit der verschärften Freibewitterung. Diese wurde ebenfalls als Rundversuch mit Abdeckung der nur mit KTL beschichteten Proben durchgeführt, da die KTL durch UV-Strahlung degradiert. Diese Prüfung ergab deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Standorten, was vermutlich auf unterschiedliche Abtrocknung der Proben nach dem regelmäßigen Besprühen mit Salzlösung zurückzuführen ist.

Untersuchungen im Detail

Untersuchungen im Raster­elektronenmikroskop (REM) zeigten eine homogene Bedeckung der verschiedenen Proben mit allen Vorbehandlungen, wobei die Zinkphosphatierung deutlich größere Kristalle bildet als die Dünnschichtvorbehandlungen. Querschnitte mit dem Focused Ion Beam (FIB) im REM zeigten, dass die neuen Vorbehandlungen trotz der deutlich geringeren Dicke der Vorbehandlungsschichten die Substrate homogen bedecken und dass die KTL gut an die Vorbehandlung angebunden wurde. Die Haftung der zwei untersuchten handelsüblichen KTL auf den Dünnschichtvorbehandlungen der verschiedenen Substrate war ausnahmslos gut. Die Dünnschichtvorbehandlungen halten bei salzarmen Bedingungen durchaus mit der Zinkphosphatierung mit, allerdings besitzen sie eine erhöhte Alkali- und Chlorid­empfindlichkeit gegenüber der Zinkphosphatierung. Ansätze zur Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung wären daher die Erzeugung einer höheren Alkali- und Chlorid-Ionenstabilität. Da die Ergebnisse der Korrosionstests je nach Kombination aus Substrat, Vorbehandlung und KTL stark schwanken, sollte vor jedem Einsatz die Wirksamkeit der gewählten Kombination überprüft werden.

Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. + 49 711 970-3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de, Dr. Ulrich Christ, Tel. +49 711 970-3861, ulrich.christ@ipa.fraunhofer.de, Dr. Stefanie Wunder, Tel. +49 711 970-3807, stefanie.wunder@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung

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