Korrosionsschutz Kathodisches Tauchlackieren ist geeignet für den Korrosionsschutz im Stahlbau

Die positiven Schichteigenschaften einer kathodischen Tauchlackierung (KTL) sind aus dem Fahrzeug- in den Stahlbau übertragbar. Werden die Oberflächen vor dem Lackieren gestrahlt und phosphatiert, erhält man einen sehr guten Korrosionsschutz mit niedrigeren Schichtdicken als bei konventionellen Korrosionsschutzschichten. Bei hoher Oberflächenrauheit sind zusätzliche Deckschichten empfehlenswert.

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Das kathodische Tauchlackieren (KTL) ist heute fast nur auf den Fahrzeugbau begrenzt. Dort wird es seit vielen Jahren mit großem Erfolg angewendet. Die zunehmende Werkstattfertigung im Stahlbau bietet aber beim Korrosionsschutz das Anwendungsspektrum gut automatisierbarer und hocheffektiver Beschichtungsverfahren wie der KTL zu verbreitern.

Dennoch kann das im Fahrzeugbau etablierte und ausgereifte kathodische Tauchlackieren nicht uneingeschränkt auf die Bedingungen im Stahlbau übertragen werden. Im Gegensatz zur gleichbleibenden Oberflächenqualität von Feinblechen im Fahrzeugbau ist im Stahlbau mit anderen Werkstoffen – unterschiedlichen Baustählen – sowie einer stark schwankenden Produktqualität bezüglich der chemischen Zusammensetzung und Oberflächenbeschaffenheit (Rost und Zunder) zu rechnen.

Dazu kommt, dass konstruktive Schwachstellen wie Werkstoffüberlappung und Schraubverbindungen eine Schichtapplikation erschweren.

Daher haben die Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH und die Limbacher Oberflächenveredelung GmbH die Anwendbarkeit von KTL im Stahlbau untersucht. Die Aufgabe bestand in der Entwicklung eines kombinierten Korrosionsschutzverfahrens aus drei Prozessen: aus Oberflächenvorbehandlung, KTL als Grundbeschichtung und einer Korrosionsschutz-Deckschicht-Applikation. Danach wurde die Korrosionsschutzwirkung getestet und optimiert, um dem Stahlbau ein praxistaugliches Verfahren zur Verfügung zu stellen.

Korrosion und Zunder erfordern Vorbehandlung

Bei den ersten Versuchen wurde mit den aus dem Fahrzeugbau bekannten Feinblechqualitäten – Tiefziehblech mit 1 mm Blechdicke – gearbeitet, danach nur noch mit der im Stahlbau üblichen Stahllegierung DC01 mit 3 mm Blechdicke. Um die in der Praxis üblichen Oberflächenzustände zu simulieren, wurden mit Korrosionsschutzöl versehene, metallisch blanke Stahlbleche, aber auch ein Jahr unter Freibewitterungsbedingungen gelagerte Proben für Versuche ausgewählt. Diese hatten zum Teil eine ankorrodierte Zunderschicht und konnten dem Rostgrad B nach DIN EN ISO 8501 zugeordnet werden.

Es ist selbstverständlich, dass korrodierte und verzunderte Bleche vor dem Lackieren entfettet und phosphatiert werden müssen. Erst danach lassen sich kathodische Tauchlacke und unter Umständen weitere Schichten applizieren.

Derartig hergestellte Proben müssen sich den Anforderungen des Korrosionsschutzes stellen und Belastungstests unter Einhaltung bestimmter Eigenschaften absolvieren. Folgende Belastungen wurden aus der DIN EN ISO 12944 Korrosivitätskategorie C5-I (Industrieatmosphäre) Schutzdauer lang (mehr als 15 Jahre) entnommen und für Versuche berücksichtigt: eine 720-h-Belastung durch Kondenswasser und Schwefeldioxid (SO2, ISO 3231), eine 720-h-Belastung durch Wasserdampfkondensation (ISO 6270) und eine 1440-h-Belastung durch neutralen Salzsprühnebel (ISO 7253).

Reine Oberflächenentfettung ist nicht ausreichend

In einem ersten Schritt wurden zunächst unterschiedlich phosphatierte Blechproben im Vergleich zu einer entfetteten Probe mit einer KTL-Beschichtung untersucht. Tabelle 1 (Download siehe unten) enthält die Phosphatierverfahren, die dabei angewendet wurden. Auf den phosphatierten Blechen wurde eine rund 40 µm dicke KTL-Schicht appliziert.

Die Belastungstests mit Salzsprühnebel sowie Kondenswasser und SO2 ergaben eine sehr guten Korrosionsschutz bei den trikationenphosphatierten Blechen. Die Salzsprühnebelbelastung wurde jedoch nicht über die geforderte Dauer von 1440 h durchgeführt, weil man den Versuch wegen der hohen Delamination (D) der zinkphosphatierten Proben vorzeitig abbrechen musste. Die Korrosion an der „verletzten“ Stelle blieb aber auf einem akzeptablen Niveau.

Bei alleiniger Betrachtung der Korrosion an der Einritzung konnte folgende Rangfolge hinsichtlich der Verfahrenseignung ermittelt werden: Am besten hat die Trikationenphosphatierung abgeschnitten, gefolgt von der Eisen- und Zinkphosphatierung (Tabelle 2). Die Ergebnisse der rein entfetteten Probe (ohne Phosphatierung) entsprach nicht den Forderungen der DIN EN ISO 12944.

KTL-Korrosionsschutzschicht haftet meistens gut

Von den nichtphosphatierten, eisen-, trikationen- und zinkphosphatierten Ausgangsproben wurden Querschliffe zur REM-Untersuchung angefertigt. KTL-Schicht und Substrat sind bei allen Proben gleich und homogen beschaffen. Mit Ausnahme der zinkphosphatierten Probe ist die Haftfestigkeit der KTL-Beschichtung auf dem Substrat oder der Phosphatschicht gut. Es sind keine Fehlstellen wie Gaseinschlüsse oder nicht haftende Bereiche vorhanden.

Bei der zinkphosphatierten Probe kommt es in einigen Bereichen zu größeren Delaminationszonen der KTL-Beschichtung auf der Phosphatschicht. Das schlägt sich in einer schlechten Haftfestigkeit beim Stempelabreißversuch nieder. Ursache dafür könnte die zu hohe Schichtdicke der Phosphatierung sein.

Zusätzliches Phosphatieren sorgt für hohe Haftfestigkeit

Um mögliche Qualitätsunterschiede zwischen Feinblech und Baustahl herauszuarbeiten, wurden Versuche mit blanken, 3 mm dicken Blechen vorgenommen. Die Bleche durchliefen die Prozesse Entfetten, Eisen- oder Trikationenphosphatierung und KTL-Beschichtung. Die in Tabelle 1 aufgeführte Zinkphosphatierung blieb unberücksichtigt, weil sie sich nicht bewährt hatte.

In den einzelnen Belastungtests stellte sich die Qualität aller Proben als sehr gut heraus. Eine Differenzierung zwischen Eisen- und Trikationenphosphatierung war unter den genannten Bedingungen nicht möglich. So wurde kein Verlust an Haftfestigkeit und keine Verschlechterung des Bruchverhaltens nach den Belastungstests festgestellt.

Als weiterer Belastungsversuch stand der Delta-T-Test an. Bei diesem Test werden die Proben in einem mit destilliertem Wasser gefüllten Behälter so angeordnet, dass sie in der Mitte eine Trennwand bilden und damit den Behälter in zwei Abschnitte teilen. In den beiden Behälterabschnitten werden unterschiedliche Temperaturen eingestellt: üblicherweise 37 °C auf der Rückseite und 42 °C auf der Vorderseite der Probe, so dass sich ein Temperaturgradient im Probeninnern und damit in der Beschichtung einstellt. Dadurch kommt es in der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Metall zu beschleunigten, osmotischen Vorgängen, die bereits nach kurzer Zeit Schwachstellen – zum Beispiel in Form von Blasen oder Ablösungserscheinungen – aufdecken können. Derartige Vorgänge wurden bei den Proben nicht beobachtet.

Mechanisches Strahlen kann Phophatieren ersetzen

Auf metallisch blanken beziehungsweise vorkorrodierten Blechproben wurde durch mechanisches Strahlen eine Oberflächenrauheit RZ DIN von 40 und 80 µm erzeugt. Auf diese Oberflächenstruktur kam die KTL-Schicht ohne vorherige Phosphatierung. Es zeigte sich, dass eine KTL-Beschichtung ohne vorheriges Phosphatieren möglich ist und sich unter Berücksichtigung der Rauheitsparameter homogene KTL-Schichten ausbilden.

Um die Auswirkung der Oberflächenrauheit des Substrats auf die Ausbildung der Schichtdicke und Haftfestigkeit der KTL-Beschichtung zu zeigen, werden Lichtmikroskopaufnahmen von Querschliffen erstellt. Der in Bild 1 gezeigte Querschliff stammt von einer mit KTL beschichteten Probe, deren Rautiefe Rz 40 µm beträgt. Es ist zu sehen, dass die aus der Oberflächenvorbereitung resultierenden Unebenheiten regelmäßigen Charakters sind.

Die homogene KTL-Schicht mit einer durchschnittlichen Schichtdicke von 40 µm haftet an allen Stellen. Bild 2 zeigt den Querschliff einer Oberfläche mit einer Rauheit RZ DIN von 80 µm. Auch bei dieser Probe hat die KTL-Beschichtung eine durchschnittliche Schichtdicke von rund 40 µm. Deutlich zu erkennen sind aber Bereiche mit Schichtdicken von nur etwa 6 µm über den Spitzen.

Bei den Belastungsversuchen unter unterschiedlichen Bedingungen trat bei allen KTL-Schichten keine Blasenbildung auf. Die Auswertung der Rostgrade ergab, dass die hohe Rautiefe von 80 µm jedoch stets zu starker Durchrostung führte. Die Haftfestigkeit der KTL-Beschichtung war auf den stark aufgerauten Probenblechen nach der Salzsprühnebelbelastung geringer.

Daher wurde bei den nachfolgenden Untersuchungen mit Stahlblechen gearbeitet, die eine Oberflächenrauheit RZ DIN von 40 µm hatten. So ergab eine zusätzliche Phosphatierung nach der mechanischen Oberflächenvorbereitung eine sehr gute Haftfestigkeit und Korrosionsschutzwirkung.

Aufbringen weiterer Schichten verbessert die Wirkung des Korrosionsschutzes

Selbstverständlich besteht bei nur einer Schicht die Gefahr von unbedeckten Spitzen bei zu hoher Rautiefe, aber auch von durchgehenden Poren, die bei bestimmten Schichtstoffen oder Verunreinigungen auf der Metalloberfläche entstehen können und zwangsläufig Korrosion erzeugen. Für Außenanwendungen ist des Weiteren eine einschichtige KTL-Grundbeschichtung auf Epoxidharzbasis aufgrund der eingeschränkten Beständigkeit gegen UV-Strahlung nicht geeignet. Dadurch wird eine zusätzliche Deckbeschichtung erforderlich. Demzufolge wurden bei den Tests die KTL-Grund- mit unterschiedlichen Deckschichten kombiniert, um nicht nur den allgemeinen Korrosionsschutz, sondern auch die Haftfestigkeit der Deckbeschichtungen beurteilen zu können.

Für die Adaption konventioneller Flüssiglacke auf Polyurethan- oder Epoxidharzbasis auf die KTL-Grundbeschichtung wurden eisen- und trikationenphosphatierte Stahlbleche als Substrate verwendet. Sie können vor den Phosphatieren selbstverständlich gestrahlt sein. Außerdem ist der Einsatz rein gestrahlter, nicht phosphatierter Bleche möglich.

Nach den Belastungstests wurden insgesamt sehr gute Ergebnisse erzielt. Lediglich bei der Kombination Trikationenphosphatierung, KTL-Grund- und PUR-Deckbeschichtung wurden nach der Delta-T-Belastung Blasen gefunden (zwei Stück/Größe 5).

Für die Blasenbildung waren offensichtlich Verunreinigungen verantwortlich. Dafür spricht, dass bei den trikationenphosphatierten Proben die Korrosion am Ritz etwas geringer ausfiel als bei den eisenphophatierten Blechen. Beide Probengruppen haben aber die Anforderung der Norm erfüllt (Tabelle 3).

Alle weiteren Untersuchungen wie Gitterschnittprüfung und Stempelabreißversuch ergaben sehr gute Ergebnisse. Die Haftfestigkeit der Beschichtungen ist nach Beendigung aller Belastungstests auf sehr hohem Niveau geblieben.

KTL- plus Pulverbeschichtung bestehen Belastungstests

Um das Korrosionsschutzvermögen eines Schichtsystems aus KTL-Grundierung und Pulverbeschichtung zu ermitteln, wurden gestrahlte und ungestrahlte Blechproben eisen- oder trikationenphosphatiert. Nach der KTL-Grundierung erfolgte die Beschichtung mit Polyester- oder Epoxidharzpulver. Das Epoxidharz- und ein hochwetterfestes Polyesterharzpulver kamen nur auf den gestrahlten trikationenphosphatierten Blechen zur Anwendung.

Bei den anschließenden Belastungstests wurden an keiner Probe Blasen oder Durchrostung gefunden. Die Korrosion an der eingeritzten Stelle war nach der Belastung durch Kondenswasser und SO2 bei konstanten Klimabedingungen auf allen Blechen sehr gering (kleiner als 0,3 bis 0,4 mm Abtrag).

Auch hielt sich die Schichtenthaftung stark in Grenzen (auf rund 0,3 mm Querschnitt beschränkt). Die üblicherweise typische Korrosion an einer eingeritzten Oberfläche war nach der Salzsprühnebelbelastung nicht zu beobachten.

Korrosion macht sich im Ritz stark bemerkbar

Allerdings fand im Ritz ein deutlicher Korrosionsangriff in die Tiefe des Werkstoffs statt. Beim Vergleich der ungestrahlten, aber phosphatierten Proben wurden zwischen der Eisen- und Trikationenphosphatierung mit jeweils rund 1,5 mm gleiche Werte der Delamination am Ritz nach der Salzsprühnebel-Belastung gemessen. Die unterschiedlichen Pulverbeschichtungen haben jedoch keinen Einfluss auf die Korrosion und Enthaftung an der eingeritzten Stelle (Tabelle 4).

Bei alle Blechproben waren die Bruchspannung der unbelasteten Ausgangsproben auf einem sehr hohen Niveau (über 20 MPa). Der Bruch erfolgte mit 10% in den Pulverbeschichtungen und mit 90% in der Klebstoffschicht. Nach den Belastungstests blieben die Festigkeitswerte auf demselben hohen Niveau.

Die durchgängig hohen Anteile an Klebstoffbrüchen deuten darauf hin, dass die Haftfestigkeit des Systems noch höher liegt. Derartige Klebstoffbrüche treten bei Pulverbeschichtungen sehr häufig auf. Unerwünschten Brüche zwischen Substrat und KTL-Beschichtung sowie zwischen KTL-Schicht und Pulverbeschichtung wurden nicht beobachtet (Tabelle 5). MM

Dr-Ing. Jörg Gehrke ist Abteilungsleiter am Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH, Dr. Andreas Schütz ist Geschäftsführer des Instituts, Dipl.-Ing. Michael Kirmse ist Geschäftsführer der Limbacher Oberflächenveredelung GmbH in Limbach-Oberfrohna.

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