Beschichtungen Richtige Beschichtung erweitert die Einsatzmöglichkeiten

Autor: Stéphane Itasse

Nicht nur das Aussehen, auch die Funktion von Bauteilen bestimmen ihre Oberflächen maßgeblich mit. Interessante Fortschritte machen in jüngster Zeit Beschichtungen, die für weniger Reibung, Verschleiß oder Korrosion sorgen.

Auf hoher See sind die Anforderungen an den Korrosionsschutz besonders stark.
Auf hoher See sind die Anforderungen an den Korrosionsschutz besonders stark.
(Bild: Siemens)

Wenn Herbststürme auf dem Meer die Wellen hochpeitschen, überspülen sie nicht nur Plattformen aller Art. Auch die Luft ist äußerst salzhaltig und bildet mit dem Wasser schon bei ruhigerem Wetter eine Umgebung, in der die meisten Industriemetalle schnell verrosten. Wohl kaum eine Anwendung stellt deshalb so hohe Anforderungen an den Korrosionsschutz wie die Offshore-Industrie, weil nicht nur der Bau, sondern auch die Reparatur oder gar der Austausch von Bauteilen auf hoher See gleich ein Vielfaches von dem an Land kostet. Das Wachstum der Offshore-Windkraft hat deshalb auch die Anbieter von Korrosionsschutzschichten angespornt.

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Für Offshore-Anwendungen hat die MTV Metallveredlung eine galvanische Schutzbeschichtung mit hoher Verschleißbeständigkeit und einem Korrosionsschutz namens M-Protect entwickelt. Diese intermetallische Zinn-Nickel-Verbindung aus 35 % Nickel und 65 % Zinn wird aus einem Hochleistungselektrolyten mittels einer speziellen Strommodulation abgeschieden, wie Heiko Reski, Marketing & Sales Manager bei MTV, auf Anfrage von MM MaschinenMarkt erläutert. Es entsteht eine metallische, atomare Bindung mit exzellenter Haftfestigkeit zum Grundmaterial, die sich wie ein Verbundwerkstoff verhält.

Bronze erhöht den Korrosionsschutz

Eine zusätzliche Steigerung dieser Korrosionsbeständigkeit hat MTV durch die Abscheidung einer Bronzeschicht als Diffusionssperre erreicht. „Bronze zeichnet sich durch hohe Mikrostreufähigkeit aus, wodurch Ungänzen im Grundmaterial sehr gut verschlossen werden“, sagt Reski. Gleichzeitig wird durch ihre hohe Duktilität eine Beständigkeit gegen dynamische Belastung erreicht. Die Bronze besteht dabei aus einer circa 5 bis 8 µm dicken Schicht Anschlagkupfer plus einer ungefähr 32 bis 35 µm dicken Schicht Gelbbronze aus etwa 88 % Kupfer und 12 % Zinn. Diese Kombination von Bronze als Sperrschicht und M-Protect als Deckschicht hat sich der Hersteller patent- und namensrechtlich als Nil35 schützen lassen.

Dank der elektrolytischen Abscheidung der Nil35-Schichten sind laut Hersteller selbst große sowie Bauteile mit komplizierter Geometrie und Innenbeschichtungen kostengünstig realisierbar. Nil35-­Schichten bieten daher eine Alternative zu den teuren Verfahren wie Spritzschichten oder geschweißten Beschichtungen (Claddings), die bisher bei schwierigen Umgebungsbedingungen und in aggressiver Atmosphäre angewendet wurden.

Nil35-Schichten sind korrosionsbeständig gegen Seewasser, starken Säuren und ätzenden Chloridlösungen wie Salzsäure, Eisen-III-Chlorid oder gar Königswasser. Dadurch eignen sie sich zum Beispiel für Hydraulikzylinder im Offshore-­Einsatz oder für Armaturen in der chemischen Industrie. So hat Nil35 bei Bosch Rexroth als erste galvanische Beschichtung den verschärften Seewasserbeständigkeitstest nach ASTM G48-C in einer Salzsäure+Eisen-III-Chlorid-Lösung bei 40 °C über 72 h ohne Lochfraßkorrosion bestanden. Liebherr hat diese Beschichtung 2000 h lang einem neutralen Salzsprühnebeltest (NSS) unterzogen.

Doch auch Bronzeschichten als solche erfüllen noch ihre Aufgaben, denn Bronze zählt zu den korrosionsbeständigsten Metallen überhaupt. Aufgrund ihrer Eigenschaften wie Zähigkeit und Schlagfestigkeit werden Bronzeschichten insbesondere für die korrosions- und verschleißfeste Ausrüstung von Hydraulikteilen im Bergbau eingesetzt. Weitere Anwendungsbereiche liegen in der Nahrungsmittel- und chemischen Industrie. MTV hat dabei nicht nur das Verfahren der galvanischen Bronzeabscheidung prozessfähig gemacht, sondern auch in jüngerer Zeit noch weiter verbessert. „Wir können die Legierung als Gradienten abscheiden, sodass zuerst fast ausschließlich Kupfer abgeschieden wird und dann mit zunehmender Schichtstärke mehr und mehr Zinn eingebaut wird. Hierdurch wird direkt am Grundmaterial eine exzellente Korrosionsbeständigkeit gewährleistet und nach außen zur Umgebung dann durch die Weißbronze eine gute Verschleißbeständigkeit“, so Reski.

Zinklamellenbeschichtung verbessert

Neben Sperrschichten wie Bronze zum Schutz des Metallsubstrats spielen auch Opferschichten nach wie vor eine wichtige Rolle, allen voran mit Zink als Opferanode. So hat Dörken MKS aus Herdecke erst im vergangenen Jahr einen neuen Zinklamellen-Base­coat vorgestellt. Bei gleicher Performance ist Deltaprotekt KL 120 laut Hersteller um bis zu 30 % ergiebiger als andere Basecoats der Reihe. Mit den Systemen werden bei einer Gesamtschichtdicke von 18 µm – abhängig von Schichtaufbau, Geometrie der Teile und Applikationsform – Korrosionsstandzeiten von 1000 h gemäß DIN EN ISO 9227 gegen Rot- und Weißrost prozesssicher im Massenschüttgut erreicht. Besonders deutlich wird dies bei schwarzen Topcoats: Die schwarze Oberfläche bleibt im Salzsprühtest bis 1000 h nahezu unverändert.

Durch die schuppenartig angeordneten Zinklamellenschichten kommt es zu einem Barriereeffekt, der den Angriff von korrosiven Medien wie Feuchtigkeit und Sauerstoff im Vergleich zu herkömmlichen galvanischen Korrosionsschutzschichten verlangsamt. Da im Beschichtungsvorgang kein Wasserstoff angeboten wird, ist außerdem die Gefahr der Wasserstoffversprödung gebannt.

Einen ähnlichen Schichteffekt wie bei den Zinklamellen haben sich Forscher des Leibniz-Instituts für Neue Materialien (INM) zunutze gemacht: Sie haben spezielle Zinkphosphat-Nanopartikel entwickelt, die im Gegensatz zu herkömmlichen, kugelförmigen Zinkphosphat-Nanopartikeln plättchenförmig sind – zehnmal so lang wie dick. Diese Anisotropie verlangsamt das Vordringen der Gasmoleküle zum Metall, wie das Forschungsinstitut mitteilt.

„In ersten Testbeschichtungen konnten wir zeigen, dass sich die plättchenförmigen Nanopartikel mauerartig übereinanderschichten“, erklärt Carsten Becker-Willinger, Leiter des Programmbereichs Nanomere am INM. „Dadurch verlängert sich der Weg der Gasmoleküle durch die Schutzbeschichtung hindurch, weil sie sich einen Weg durch die Mauerritzen suchen müssen.“ Das Ergebnis sei eine deutlich langsamere Korrosion als bei Beschichtungen mit kugelförmigen Nanopartikeln.

Doch nicht nur der Korrosionsschutz, auch die Verschleißbeständigkeit steht als Anforderung an moderne Oberflächen weit oben auf der Forderungsliste der Anwender. Bei diesem Thema allerdings hatte es die EU-Kommission geschafft, die Oberflächentechnikbranche in helle Aufregung zu versetzen: Wegen erbgutverändernder und krebserregender Wirkung hat die Europäische Chemikalienagentur Echa im Annex 14 der Reach-Verordnung Chrom­(VI)-Elektrolyte als besonders besorgniserregende Substanz (Substance of Very High Concern – SVHC) klassifiziert. Um wie bisher Bauteile verchromen zu können, benötigen Galvanikunternehmen ab September 2017 eine besondere Autorisierung.

Hier hat MTV mit der Entwicklung von Nil35 gleichsam zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen. M-Protect ist laut Hersteller nicht nur ein vollwertiger Ersatz für Hartchrom, sondern übertrifft dieses in vielen Anwendungsbereichen.

Auch bei seinen aus Sulfamatbädern abgeschiedenen Nickelbeschichtungen hat es das Unternehmen geschafft, die Verschleißbeständigkeit zu steigern. Unter dem Namen Nicabor bietet es eine Beschichtung aus einer duktilen Nickelmatrix mit eingelagerten Borcarbidpartikeln einer mittleren Korngröße von circa 1 μm in einer Konzentration von etwa 15 Vol.-%. Dieses Borcarbid wird aufgrund seiner Festigkeit auch als schwarzer Diamant bezeichnet.

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Die Mischhärte dieser Beschichtung beträgt etwa 400 HV0,1 und lässt sich durch das Zulegieren von Kobalt bis auf ungefähr 550 HV0,1 steigern. MTV bezeichnet diesen Schichtstoff dann als Conibor. Die Verschleißbeständigkeit kann zudem durch die Verwendung anderer Korngrößen und Konzentrationen der Borcarbidpartikel beeinflusst werden.

Kunststoff bringt Antihaft-Eigenschaften

Sollen die Schichten obendrein Antihaft-Eigenschaften mitbringen, kommen Kunststoffe ins Spiel. PTFE (Polytetrafluorethylen) ist seit langer Zeit unter dem Namen Teflon bewährt. Auch für den Korrosionsschutz gegenüber Chemikalien sind Fluorkunststoffe verwendbar. Der Hersteller Hüni + Co. aus Friedrichshafen hat dazu ein Beschichtungsverfahren unter der Bezeichnung Proco–E-CTFE auf den Markt gebracht. Es basiert auf dem Fluorcopolymer E-CTFE (Ethylen-Chlortrifluorethylen). Auch das Beschichtungsverfahren Proco–PFA 7000 gehört in diese Gruppe, es beruht auf dem fluorierten Kunststoff PFA (Perfluor­alkoxy).

Die mechanische Beanspruchung einer Kunststoffbeschichtung resultiert meist aus dem abrasiven Produkt, welches über die Beschichtung fließt, rieselt oder auch rutscht. Aber auch kurze Reinigungsintervalle, zum Beispiel vom Produktwechsel einer Fertigungsanlage bedingt, können die Beschichtung mechanisch beanspruchen.

Für eine längere Standzeit bei mechanischer Beanspruchung bietet Hüni jetzt das Verfahren Proco-PFA 7152. Es bettet Keramikpigmente in den Kunststoff PFA ein. Diese Partikel sind deutlich härter als die Kunststoffmatrix und erwirken damit eine geringere Abnutzung, speziell bei Schlupf.

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Geht es um komplexe Geometrien, verweist Hüni auf sein Verfahren Proco-PFA 9000. Es basiert ebenfalls auf dem fluorierten Kunststoff PFA (Perfluoralkoxy), doch ist die maximal zulässige Betriebstemperatur bei den meisten Medien deutlich höher. Mit circa 400 bis 1000 µm Schichtdicke und einer D-Shorehärte von etwa 60 ist laut Hersteller eine relative Schlagfestigkeit gegeben, wie sie im Betriebsalltag benötigt wird. Das Beschichtungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es auch für komplexe Werkstücke genutzt werden kann, ohne Einbußen in der Oberflächenstruktur oder Porenfreiheit.

Auch die AHC-Gruppe expandiert in Richtung Kunststoffbeschichtungen. Deren Muttergesellschaft, die niederländische Aalberts Industries, hat zu Jahresanfang die Impreglon Surface Engineering in Kaufbeuren übernommen. Das Unternehmen bietet ein seriensicheres Beschichtungsverfahren namens Safecoat an: Mittels Fluorpolymeren können Anhaftungen an Bauteilen verhindert werden. Die Beschichtungen sind bis etwa 280 °C temperaturbeständig und verfügen über eine FDA-Zulassung, wie AHC Oberflächentechnik in Kerpen mitteilt. Damit sind sie auch in der Lebensmittelindustrie einsetzbar. Safecoat wird zudem in Lkw- und Busmotoren eingesetzt. Eine vollautomatische Anlage appliziert einen Schutzlack im Innenbereich des Druckguss-Motorbauteils. Dieser sorgt für mehr Funktionsschutz bei schwefelhaltigen Abgasen und für eine Reduzierung von Verkokungen in der Motoren- und Abgastechnik.

Individuelle Beschichtungsmöglichkeiten

Wie groß die Möglichkeiten bei solchen Kunststoffbeschichtungen sind, verdeutlicht Henk Schreuder, Geschäftsführer des niederländischen Unternehmens Coatinc Anox, auf Anfrage von MM MaschinenMarkt: „Wir haben Nituff, eine PTFE-Imprägnierung von anodischen Schichten, auf den Markt gebracht. Doch dieser Schritt ist nur einer in der gesamten Prozesskette. Wenn wir zum Beispiel chemisch polieren, verbessern wir die Antihafteigenschaften und die Reinigungsfähigkeit. Wenn wir mechanisch strahlen und eine sehr matte Oberfläche schaffen, verbessern wir die Fingerabdruckeigenschaften.“

Denn das Anodisieren ist nach seinen Worten kein Ein-Schritt-Prozess: Es beginnt bei der Auswahl des Aluminiums und geht weiter über die Bearbeitung, die mechanische Vorbehandlung, das Aufspannen, die Maskierung, die chemische Vorbehandlung, die Art des Anodisierprozesses, die Farbgebung bis hin zum letzten Schritt, der Versiegelung. Für jeden Schritt gibt es verschiedene Optionen und Einstellungen, die alle das Endergebnis beeinflussen. „Da jeder Schritt sorgfältig auf die Bedürfnisse des Endanwenders abgestimmt ist, gibt es Millionen von Behandlungen“, sagt Schreuder. Das gelte auch für andere Beschichtungsverfahren. „Andere Beschichter haben einen stabilen, zertifizierten Prozess, den der Kunde wählen kann. Coatinc Anox passt seinen Prozess kontinuierlich den Bedürfnissen des Kunden an. Jeder hat seine eigenen Anforderungen – das Anodisieren von Küchengeräten ist völlig verschieden von dem für Gebäudeelemente“, berichtet der Geschäftsführer. MM

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MM MaschinenMarkt