Projekt 24298/01

Hybridbeschichtung: Dünnschichtiger anorganischer/organischer Oberflächenschutz für verzinkte Stahl- und Aluminiumoberflächen als Chrom(VI)-Ersatz

Projektträger

Pfinder KG
Rudolf-Diesel-Str. 14
71032 Böblingen
Telefon: 015110843061

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines schwermetallfreien Behandlungsverfahrens von Metalloberflächen zur Erzeugung von dünnen Korrosionsschutzschichten. Die Substrate sind primär verzinkte Stahloberflächen (ELO-Zink, feuerverzinkte oder spritzverzinkte Stahlkörper), die nach dem neuen Ver-fahren passiviert und versiegelt werden sollten. Das neue Beschichtungsverfahren sollte darüber hinaus an Aluminiumoberflächen erprobt werden. Das neue Behandlungs- und Beschichtungsverfahren sollte ein Einschichtsystem darstellen, das sowohl passivierende als auch versiegelnde Eigenschaften vereint. Hierzu sollte eine polymere organische, filmbildende Komponente mit einer anorganischen Komponente durch chemische Reaktion zu einem Hydridpolymer verbunden werden. Bei der Entwicklung sollten umwelt- und arbeitshygienische Aspekte sowie das Emissionsverhalten und die Energiekosten mit betrachtet und optimiert werden.
Das neue Behandlungsverfahren sollte sich sowohl zur Tauch- als auch zur Spritzapplikation mit marktgängigen Applikationsverfahren eignen, um hohe Anlaufinvestitionen für die Praxisanwendbarkeit zu vermeiden.
Anlass für das Vorhaben ist der Bedarf an einem Ersatz für Chrom(VI)-haltige Korrosionsschutzsysteme, von denen Gefahren für die Umwelt und Gesundheit ausgehen und deren Verwendung per EU-Richtlinie bzw. Altfahrzeugverordnung in naher Zukunft verboten wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFolgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt:

Arbeitspaket 1 Recherchephase
Arbeitspaket 2 Untersuchung Beschichtungsversuche mit anorganischen Substanzen
Arbeitspaket 3 Untersuchung der schichtbildenden organischen Komponente
Arbeitspaket 4 Grundlagenuntersuchung an standardisierten ELO-Blechen zur chemischen Verknüpfung von anorganischen Bestandteilen und schichtbildender Komponente
Arbeitspaket 5 Übertragung der aus den Grundlagenuntersuchungen gewonnenen Erkenntnissen auf verzinkte Realteile
Arbeitspaket 6 Aufbau der Versuchsumgebung für die Applikationsuntersuchungen
Arbeitspaket 7 Durchführung von Applikationsuntersuchungen
Arbeitspaket 8 Übertragung der Untersuchungsergebnisse auf Aluminiumlegierungen
Arbeitspaket 9 Durchführung von Feldtests/Validierungen gemeinsam mit Anwendern
Arbeitspaket 10 Entsorgungskonzept


Ergebnisse und Diskussion

Es ist im Rahmen des Projektes gelungen, ein schwermetallfreien Behandlungsverfahren von Metalloberflächen zur Erzeugung von dünnen Korrosionsschutzschichten zur Passivierung und Versiegelung dieser Oberflächen als Einschichtsystem zu entwickeln. In dem entwickelten Beschichtungssystem erfolgt eine chemische Verknüpfung der organischen filmbildenden Komponente mit der anorganischen netzwerkbil-denden Komponente. Dadurch ist es gelungen, die Vorzüge sowohl organischer als auch anorganischer Beschichtungen zu vereinen. Die entwickelten Beschichtungssysteme verfügen über eine hohe mechanische Beständigkeit und thermische Belastbarkeit bis ca. 200°C ohne Versprödung des Films. Durch die hohe Vernetzungsdichte anorganischer Materialien konnten Korrosionsschutzbeschichtungen mit 3 bis 5 µm Trockenfilmdicke erzeugt werden, die den Korrosionsschutzleistungen von Cr (VI)-behandelten Substraten entsprechen. Dieses wurde unter verschiedenen Belastungen, wie Salzsprühtest und Klimawechseltests überprüft. Die hohe Barrierewirkung konnte mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie, die gute Haftfestigkeit und damit der Schutz gegen Unterwanderung mittels Abreißprüfung durch Stirnabzug bestätigt werden. Das entwickelte Beschichtungssystem ist aufgrund seiner wässrigen Basis (VOC <2%) und Schwermetallfreiheit wesentlich umweltverträglicher (WGK 1) und erfordert einen niedrigeren Aufwand an Arbeitssicherheitsmaßnahmen als seine chromhaltigen oder stark lösemittelhaltigen Alternativen. Zur Applikation der Beschichtungen sind sowohl die Tauch- als auch die Spritzapplikation geeignet. Hierbei können durch die Anwendung der no-rinse-Technologie Prozessschritte eingespart werden. Eine aufwendige Entsorgung schwermetallhaltiger Spülbäder entfällt. Um Kosten im Trocknungsprozess einzusparen, wurden erste erfolgversprechende Untersuchungen mittels NIR-Trocknung durchgeführt. Für das in diesem Projekt entwickelte Korrosionsschutzsystem liegt in der Automobil- und Zuliefererindustrie wie auch in der Elektroindustrie und Bauindustrie ein großes Anwendungspotential.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

In der Endphase des Projektes wurden die entwickelten Beschichtungssysteme verschiedenen Firmen aus der Automotive- und Haushaltsgeräte-Branche vorgestellt. Eine breitenwirksame Veröffentlichung in Fachzeitschriften wie JOT, MO oder Galvanotechnik sowie in Industriearbeitskreisen ist geplant.


Fazit

Im Rahmen des Hybridprojektes ist es gelungen, eine Alternative zu Cr(VI)-haltigen Konversionsbeschichtungen zu entwickeln.
Neben einer generellen Schwermetallfreiheit zeichnen sich die hybriden Beschichtungssysteme durch ihre wässrige Basis mit einem Rest-VOC-Gehalt von maximal 2% aus. Damit können diese in die Wasser-gefährdungsklasse 1 eingeordnet werden. Durch den Einsatz der no-rinse-Technologie entfällt im Tauchverfahren die Aufbereitung bzw. Entsorgung von Spülbädern, was zu einer zusätzlichen Umweltentlastung beiträgt.
Zur Realisierung der Maßhaltigkeit von Bauteilen konnten Beschichtungen im angestrebten Dünnschichtbereich mit Schichtdicken von kleiner 5 µm erzielt werden. Die Beschichtungen wurden vorrangig für Zink- bzw. verzinkte Substrate und Aluminiumsubstrate entwickelt. Als positiver Nebeneffekt konnten in-zwischen auch auf Stahloberflächen gute Korrosionsschutzergebnisse erzielt werden. Die hybriden Beschichtungsmaterialien sind sowohl im Tauch- als auch im Spritzverfahren applizierbar.
Zum Einsatz des Materials sind für den einzelnen Anwendungsfall Prozessoptimierungen notwendig. So werden zurzeit Versuche zur Erniedrigung der Einbrenntemperatur auf maximal 140°C durchgeführt. Auch muss das Abtropfverhalten nach Tauchapplikation optimiert werden.
Auf Grund der äußerst niedrigen Schichtdicken beeinflusst der Zustand der vorliegenden Substratoberfläche das Ergebnis der Beschichtung entscheidend. Auch hier müssen besonders hinsichtlich Reinigung und Vorbehandlung sowie Rauhigkeit und Oberflächenspannung der Bauteile weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Im Projektanschluss wird In Zusammenarbeit mit namhaften Anwendern die Einsatzfähigkeit der Systeme überprüft werden. So wird die Eignung als Grundierung vor Pulverbeschichtung mit verschiedenen Pulverlacken und Applikationsparametern, der Korrosionsschutz auf Hartmetall sowie der Verschleiß- und Korrosionsschutz auf Aluminiumbauteilen und Coils geprüft.

Übersicht

Fördersumme

125.000,00 €

Förderzeitraum

20.12.2005 - 30.09.2008

Internet

www.pfinder.de

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik