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Feuerverzinken/Lackieren Schluss mit Lackstörungen auf feuerverzinkten Stahlbauteilen

| Autor/ Redakteur: Jost Friedrich und Matthias Bader / Stéphane Itasse

Die Feuerverzinkung von Stahlbauteilen erzeugt hohlraumreiche Überzüge, die beim Einbrennen von Pulverlacken ausgasen können und Lackfilmstörungen hervorrufen. Ein Forschungsprojekt hat untersucht, wie sich diese Probleme verhindern lassen, und Lösungsstrategien erarbeitet.

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Bild 1: Pusteln auf einem lackierten Bauteil. Sie können auftreten, wenn das feuerverzinkte Bauteil nach dem Einbrennen der Grundierung noch mit einem Decklack versehen wird.
Bild 1: Pusteln auf einem lackierten Bauteil. Sie können auftreten, wenn das feuerverzinkte Bauteil nach dem Einbrennen der Grundierung noch mit einem Decklack versehen wird.
(Bild: Bader-Pulver)

Die Feuerverzinkung hat sich zu einem leistungsfähigen Korrosionsschutz von Stahlbauteilen entwickelt. Sie wird üblicherweise im Schmelztauchverfahren appliziert. Oftmals besteht jedoch der Wunsch nach farbigen Oberflächen, sodass die Feuerverzinkung mit einer zusätzlichen Lackschicht versehen werden muss (Duplexsystem).

Pulverbeschichtung auf Zinküberzügen kann spezifische Lackfehler hervorrufen

Die Pulverbeschichtung ist lösungsmittelfrei, wirtschaftlich und einfach in ihrer Handhabung. Im Gegensatz zur Nasslackierung sind jedoch relativ hohe Vernetzungstemperaturen erforderlich, die auf schwierigen Untergründen, namentlich Zinküberzügen, spezifische Lackfehler hervorrufen können.

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Allgemein sind diese Lackfehler auf thermisch bedingte Ausgasungen des Zinkuntergrundes zurückzuführen und äußern sich in Form von Blasen, Nadelstichen, Kratern und Pusteln. Diese Erscheinungen stellen eine optische Beeinträchtigung der lackierten Oberflächen dar und können den Korrosionsschutz des Stahles herabsetzen.

Das Forschungsinstitut Edelmetalle & Metallchemie (FEM), Schwäbisch Gmünd, hat deshalb zusammen mit drei Industriepartnern untersucht, welche Materialeigenschaften, Prozessparameter und externe Einflussgrößen die Fehler verursachen, Maßnahmen zur Steigerung der Qualität und Marktattraktivität der Produkte beschrieben, die Prozesssicherheit und Produktionsauslastung in den Beschichtungsbetrieben gesteigert sowie den Beschichtungsprozess optimiert.

Beim Feuerverzinken entstehen palisadenförmige Kristalle in der Diffusionsschicht

Beim Feuerverzinken werden die Stahlteile nach der Oberflächenvorbehandlung in einem Flussmittel aus wässeriger Ammoniumchlorid-Zinkchloridlösung üblicherweise in eine 450 °C heiße Zinkbadschmelze eingetaucht. Nachfolgend kommt es zu einer Interdiffusion von Eisenatomen des Stahlwerkstoffes in die Zinkschmelze und von Zinkatomen in die Stahloberfläche. Bereits ab einer Konzentration von 0,08 % Eisen im Zink scheiden sich palisadenförmige Kristalle aus, die während der Eintauchzeit weiter wachsen und als Zeta-Phase der späteren Diffusionsschicht bezeichnet werden.

Mit der Ausscheidung von Zeta-Kristallen geht eine Erstarrung des flüssigen Zinks einher, die zu einer Volumenabnahme führt. Zudem weisen die Stahlteile, die am Tauchzeitende aus dem Zinkbad herausgezogen werden, eine viskos anhaftende Reinzinkschicht auf. Durch Abkühlung in der Umgebungsluft erstarrt diese Schicht von außen nach innen.

Zeta-Phase begünstigt Entstehung von Hohlräumen unterhalb der Reinzinkschicht

Die beiden Prozesse der Materialschwindung – als Folge der Zeta-Phasenausscheidung und der Reinzinkerstarrung – begünstigen die Entstehung einer Zone hoher Hohlraumdichte direkt unterhalb der Reinzinkschicht. Diese Zone kann große Mengen an Luftfeuchtigkeit aufnehmen, die sowohl selbst als Reagenz fungiert als auch Lösungsmittel für andere Oxidantien sein kann und bei thermischer Aktivierung teilweise wieder entweicht.

Eine gut ausgebildete Reinzinkschicht wirkt diesen Ausgasungen entgegen. Abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit der Stahlteile und von der Stahlsorte kann es jedoch zu einem Durchlegieren der Zinkoberfläche kommen. Dann setzen sich die intermetallischen Phasen der Diffusionsschicht bis zur Bauteiloberfläche hin fort und ein gasdichter Abschluss unterbleibt.

Wärmeausdehung führt zu Rissen in der Zinkschicht

Aber auch wenn diese Bedingungen zur Ausbildung einer Reinzinkschicht erfüllt sind, werden die Oberflächen nicht absolut gasdicht. Zink besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 26 × 10–6 K–1, der damit mehr als doppelt so groß ist wie der von unlegiertem Stahl (12 × 10–6 K–1).

Während der Abkühlphase des frisch verzinkten Stahlteils schrumpft der Zinküberzug also wesentlich stärker als der Substratwerkstoff; dies führt zu Zug- eigenspannungen und letztendlich zu zahlreichen offenen Mikrorissen in der Reinzinkschicht.

Kommt es später zur Bildung von Pusteln in Duplexbeschichtungen, spielen Chloridionen aus dem Flussmittel eine zentrale Rolle. Sie sind auch nach dem Schmelztauchverzinken noch auf den Bauteiloberflächen nachzuweisen und als Initiator einer lokalen und inneren Oxidation der Zinküberzüge anzusehen. Durch Kohlendioxidaufnahme aus der Luft entstehen dabei basische Zinkcarbonate, die in einer Folgereaktion unter den typischen Einbrennbedingungen der Pulverlacke thermisch zersetzt werden, und die Pusteln bildenden Gase, konkret: Wasser und Kohlendioxid, abgeben können.

Hohlräume unter der Zinkschicht speichern Wasser und andere Reagenzien

Begünstigend wirkt sich die hohe Hohlraumdichte der Zinküberzüge aus, die demzufolge sowohl Wasser und andere Ausgangsstoffe als auch deren chemische Reaktionsprodukte sehr gut aufnehmen und speichern können. Dazu passt die Beobachtung, dass höher siliziumhaltige Stähle eher zu Ausgasungen neigen als niedrig siliziumhaltige. Letztere bilden geringere Zinküberzugsdicken mit weniger Speichervolumen für reaktive Substanzen.

Bei der Oxidation des Zinks entsteht Wasserstoff in atomarer Form, der in das Metallgitter eindiffundieren und sich dort lösen kann. Als weitere zur Pustelbildung beitragende Folgereaktion ist daher der thermisch aktivierte Vorgang der Wasserstoffeffusion aus den Zinküberzügen mit nachfolgender Rekombination zu gasförmigem Wasserstoff anzusehen.

Im Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass diese Reaktionen ein hohes Mengenangebot an Wasser benötigen. Im Zinküberzug adsorptiv und kristallin gebundenes Wasser stellt somit eine weitere wesentliche Spezies dar, die beim Lackeinbrennen ausgasen kann.

Fehlerfreie Grundierung bei Zweischichtlackierungen unabdingbar

Der Fehlerentstehungsmechanismus in einer Einschichtlackierung, in der Blasen, Nadelstiche und Krater auftreten können, unterscheidet sich von der Entstehung sogenannter Pusteln in einer Zweischichtlackierung. Zielpräparationen im metallografischen Querschliff zeigen, dass Pusteln das Ergebnis von Ausgasungen im Grundierungslack sind. Daher muss der Fehlerfreiheit der Grundierung besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Durch die Verfügbarkeit ausgasungsarmer und Niedrigtemperatur-Lacke kann dem Problem ausgasungsbedingter Fehler in der Grundierung sehr gut begegnet werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, fehlerfreie Decklackierungen zu applizieren und dabei aus dem kompletten Dekorspektrum verfügbarer Standard-Polyesterlacksysteme auszuwählen. MM

* Dr. Jost Friedrich ist Abteilungsleiter Leichtmetall-Oberflächentechnik am Forschungsinstitut Edelmetalle & Metallchemie (FEM) in 73525 Schwäbisch Gmünd, Matthias Bader ist Geschäftsführer der ­Bader Pulverbeschichtung GmbH in 73434 Aalen, Tel. (0 73 66) 92 47 27-0, mb@bader-pulver.de

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