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Bericht zum 9. TAW-DFO-Gesprächskreis Bergisch Land in Wuppertal am 7. Dezember 2009

Die neunte Ausgabe des TAW-DFO-Gesprächskreises wurde von dem TAW-Kompetenzzentrum Farbe und Lacke veranstaltet, deren Träger die Technische Akademie Wuppertal (TAW) ist. Als Kooperationspartner leisten die Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung (DFO), die Hochschule Niederrhein, das Fraunhofer IPA, die Evonik Tego Chemie GmbH und die BASF ihre Beiträge, um Weiterbildung, aber auch eine Plattform und ein Diskussionsforum zu einer Vielzahl von fachspezifischen Themen aus dem Bereich Farben und Lacken zu bieten. Der neunte Gesprächskreis befasste sich mit der Haftung aus juristischer Sicht und Fehlern im Beschichtungsprozess.

SurTec 522 mit nanoskaligem Siliciumdioxid schützt Schrauben

Bei den Top-Coats bringt eine Neuentwicklung der Firma SurTec die größten Vorteile gleich im Dreier- pack. Die Beschichtung mit dem organischen Polymerfilm SurTec 522 mit Siliciumdioxid garantiert einfache Einstellbarkeit auf die Reibungszahl, hohen Korrosionsschutz und leichtes Abreinigen. Damit zeichnet sich dieses Produkt für Schrauben mit hohen Anforderungen aus. SurTec 522 ist eine wässrige Gleitbeschichtung (Polyethylendispersion) zum Auftragen auf metallische, dickschichtpassivierte Oberflächen, auch direkt in der Trommel. Sie bildet einen gleichmäßigen, farblosen, glänzenden Film, verringert die Reibungszahl der Oberfläche auf 0,10 bis 0,12 µ und verbessert deutlich den Korrosionsschutz. Die Beschichtung zeichnet sich durch eine exzellente Haftung aus. Für Schraubverbindungen fordert der Verband der Automobilindustrie eine Gesamtreibungszahl zwischen 0,09 und 0,14 µ (Prüfblatt VDA 235-101). Eine dickschichtpassivierte Oberfläche liegt jedoch üblicherweise in einem deutlich höheren Bereich (0,20 bis 0,28 µ).

Mit Hochdruck wird schon seit einigen Jahren am Chrom(VI)ersatz gearbeitet, da ab 2006 beziehungsweise 2007 kein Chrom(VI) mehr für Elektro-, Elektronik- oder Automobilteile verwendet werden darf. Für den Bereich der Verzinkung mit anschließender Passivierung wurde eine entsprechende Lösung gefunden. Die dreiwertige Dickschichtpassivierung erfüllt die Anforderungen der bisherigen Gelbchromatierung. Doch wie sieht es mit einem Ersatz von Chrom(VI) für die Aluminiumchromatierung aus? Ersatzstoffe der unterschiedlichsten Art wurden bereits getestet, doch meist waren Korrosionsschutz und teilweise auch Lackhaftung nicht annähernd so gut wie bei der chrom(VI)haltigen Chromatierung. Im Folgenden wird eine echte 1:1 Alternative zur sechswertigen Gelbchromatierung auf Aluminium vorgestellt.

In this column, I want suggest how cleaning and pre-treatment of metal and plastic parts will be done in a future beyond the horizon. I will describe a specific type of future metal finishing – surface modification to produce superhydrophobicity (SH). I believe superhydrophobicity will be a new type of metal finish. This outcome, produced in many ways for a like number of purposes, will become a dominant characteristic of products manufactured by the next generation of metal finishing operators. The two conferences Tenth International Symposium on Particles on Surfaces – Detection, Adhesion and Removal and Fifth International Symposium on Contact Angle – Wetability and Adhesion in June in Toronto – both directed by a well-known scientist in technology associated with surfaces Dr. K. L. Mittal - present many papers about superhydrophobicity, and others alluded to it. Superhydrophobicity is technology du jour. // 

Der vorliegende Beitrag befasst sich damit, wie die Reinigung und Vorbehandlung von Metallen in ferner Zukunft vor sich gehen könnte. Hierzu wird eine besondere Variante der Oberflächentechnik vorgestellt – die Methode zur Erzeugung der Superhydrophobie (SH). Es liegt nahe, die Superhydrophobie als neue Oberflächentechnik anzusehen. Diese an zahlreichen Beispielen aufgezeigte Möglichkeit wird eine tragende Säule der Oberflächenbehandlung bei zukünftigen Produkten werden. Die beiden Tagungen 10. Internationales Symposium über Partikel auf Oberflächen – Bestimmung, Haftung und Entfernung und 5. Internationales Symposium über Kontaktwinkel – Benetzung und Adhäsion in Toronto im Juni – beides unter der Schirmherrschaft des bekannten Oberflächentechnikers Dr. K. L. Mittal – stellten zahlreiche Beiträge zur Superhydrophobie und verwandten Themen vor. Superhydrophobie ist demnach hochaktuell.

Die Reinheit der Oberfläche ist in der Fertigung meist von entscheidender Bedeutung, wenn es um die Qualität der Produkte geht. Haftfestigkeit und Fehlerfreiheit von Beschichtungen hängen maßgeblich von der vor dem Beschichtungsprozess durchgeführten Reinigung ab. Auf dem Markt existieren hierzu zahlreiche etablierte Verfahren, die jedoch dort an ihre Grenzen stoßen, wo es darum geht, Oberflächen restlos von organischen Rückständen zu befreien. Gerade die bei konventionellen Verfahren verbleibenden organischen Reste, wie die der eingesetzten Detergenzien, bilden einen dünnen, monomolekularen Film, welcher zwischen dem Substrat und der Beschichtung verbleibt und somit die Haftung verschlechtert.

21. Workshop des Anwenderkreises Atmosphärendruckplasma

Innovative Plasmaanwendungen zur Haftungsverbesserung, organisiert in Zusammenarbeit mit der Hessen Trade & Invest GmbH

Eine gute Haftung ist die Grundlage aller Kleb- und Lackierprozesse und einer Vielzahl weiterer Verbundtechnologien. Die Haftung hängt dabei von den verwendeten Materialien und dem Verhältnis der Oberflächenenergien der zu verbindenden Materialien und Stoffe ab. Atmosphärische Plasmen haben hier in den letzten Jahren ihr technologisches und ökologisches Potenzial bewiesen.

Moderne Beschichtungsprozesse in der Automobilherstellung müssen den hohen Anforderungen genügen, die aus den Qualitätsansprüchen, dem Prozesskostenmanagement und der Bauweise mit verschiedenen Materialien abgeleitet werden. Für die Metallvorbehandlung vor dem Lackieren bedeutet dies ständige Entwicklung und Optimierung von Verfahren zur Abscheidung oder zum Auftragen von gleichmäßig dünnen Konversionsschichten auf unterschiedlichen Substraten, um dauerhaft Korrosionsschutz und Lackhaftung zu gewährleisten. Wettbewerbsfähig sind dabei nur solche Prozesse, die in einer Gesamtkostenbetrachtung eine hohe Wirtschaftlichkeit aufweisen und zugleich im Einklang mit der erwarteten Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit stehen.

Eine Grundvoraussetzung für einen wirksamen Verschleißschutz ist eine hinreichende Härte der Schutzschichten. Mit nitridischen und karbidischen Hartstoffen lassen sich Härten im Bereich von 20 bis 30 GPa erreichen. Diese Grenzen lassen sich durch den Übergang zu nanostrukturierten Schichtsystemen überschreiten. Durch einen Schichtaufbau aus Nanometer-Einzelschichten bzw. als Nanokompositmaterial werden Härten oberhalb 40 GPa, d. h. im superharten Bereich ermöglicht. Amorphe Kohlenstoffschichten mit überwiegend diamantartigen Bindungen (ta-C) liegen mit Härten zwischen 40 und 70 GPa bereits in diesem Bereich. Allerdings haben sie wegen der für ihre Abscheidung erforderlichen hohen Teilchen- energien und niedrigen Beschichtungstemperaturen beträchtliche Haftungsprobleme. Durch ein geeignetes nanotechnologisches Schichtdesign gelingt es, superharte amorphe Kohlenstoff-Schichten in Dicken von mehreren Mikrometern mit ausgezeichneter Haftung abzuscheiden.

Bericht über eine Veranstaltung der IIR-Deutschland GmbH in Stuttgart bzw. München

Metallischen Bauteile werden seit der Industrialisierung beschichtet, um dekorative Effekte zu erzielen oder den Grundwerkstoff gegen Umwelteinflüsse zu schützen. In den letzten Jahren und Jahrzehnten spielten aber funktionelle Anforderungen eine immer stärkere Rolle. Während die Substratwerkstoffe bevorzugt die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils ausmachen, sollen die Beschichtungen die Korrosion verhindern, den Verschleiß minimieren, Reibwerte gewährleisten oder die Haftung zu einer Decklackierung oder Klebefläche ermöglichen. Dazu müssen die Eigenschaften der Beschichtung definiert sein, um vom Konstrukteur als Bauteileigenschaften erfasst werden zu können. Auf diese Weise trägt die Oberflächen- und Beschichtungstechnologie nicht unerheblich zu einem ressourcenschonenden Einsatz von Materialien bei. Einerseits kann bei der Konstruktion auf den Einsatz von Werkstoffkomponenten verzichtet werden, deren Funktion auf den Oberflächenbereich beschränkt bleibt und die teilweise eine Verarbeitung durch Schmieden, Fräsen, Drehen oder Umformen deutlich erschweren würden. Und andererseits ist die Beschichtungstechnologie an sich ein Paradebeispiel für den sparsamen Einsatz von Rohstoffen schlechthin; sowohl in Bezug auf die Auftragung auf das Substrat, die meist im Bereich von Mikrometern liegt, als auch bei der Ausnutzung der Ausgangsstoffe, da in der Regel bei der Beschichtung nur sehr wenig Material als Abfall anfällt. über eine Veranstaltung der IIR-Deutschland GmbH in Stuttgart bzw. München

In the early sixties, ABS graft polymers of butadiene dispersed in styrene acrylonitrile copolymer matrix were shown to produce adherent metallic films with only chemical pre-treatment and without prior mechanical abrasion – Figure 1 shows butadiene particles dispersed in SAN. The adhesion level was higher by about one order of magnitude compared with that produced by mechanical roughening of the surfaces of other polymers [1]. Consequently, ABS became the preferred thermoplastic substrate for electroplating. The qualities of ABS for electroplating led to major advances in the technology for the industry of metal finishing and the growth of plastics for decorative applications in autos, plumbing, cosmetic packaging and furniture decoration. // 

In den frühen 60er Jahren wurde gezeigt, dass auf ABS-Propfpolymere aus dispergiertem Butadien in einer Styren-Acrylonitril-Copolymer-Matrix (SAN) haftfeste Metallschichten aufgebracht werden können, wobei ausschließlich chemisch und nicht mechanisch vorbehandelt wird – Abbildung 1 zeigt Butadienpartikel in SAN. Die Haftfestigkeit lag um etwa eine Größenordnung über der, die mit einer mechanischen Aufrauung bei anderen Kunststoffen erzielbar war [1]. Deshalb wurde ABS der bevorzugte Kunststoff für die galvanische Metallisierung. Die Qualität von ABS für die Metallisierung wurde zur treibenden Kraft für den Fortschritt beim Galvanisieren, und die dekorative Verwendung von Kunststoffen erweiterte sich auf Autos, Sanitäreinrichtungen, Kosmetikverpackungen und Möbel.

Durch das im November 2007 in Kraft getretene Umweltschadensgesetz werden die etwa drei Millionen Unternehmen in der Bundesrepublik Deutschland mit neuen verschärften Haftungsrisiken konfrontiert. Das Bundesumweltministerium hatte nach langen Verhandlungen im März 2005 den Gesetzentwurf über die Umwelthaftung zur Vermeidung und Sanierung von Umweltschäden – Umweltschadensgesetz (USchadG) – vorgelegt. Dieses Gesetz basiert auf der EU-Umwelthaftungsrichtlinie 2004/35/EG, die bis zum 30. April 2007 in nationales Recht umzusetzen war. Mit dem Gesetz wird die Grundlage geschaffen, die Vermeidung, Sanierung und Haftung von Umweltschäden einheitlich zu regeln.

Bericht zum Jubiläum des Fachbereichs und über die IWO-Tagung 2007

Methoden der Galvanotechnik Der zweite Tag der Veranstaltung begann mit dem Vortrag Moderne Methoden der Galvanotechnik. Prof. Dr. Nasser Kanani, Berlin, versuchte zu Beginn seines Beitrags, die Aussage des Nobelpreisträgers Wolfgang Ernst Pauli, Gott schuf die Materie, aber die Oberfläche ist ein Werk des Teufels, zu relativieren. Zwar sind Oberflächen in keiner Weise ideal, doch sie sind beherrschbar durch den kombinierten Einsatz von Wissenschaft und Praxis. Moderne Methoden zur Charakterisierung von Oberflächen machen es heute zum Beispiel möglich, schon die Entstehung erster Keime als Vorstufe der Schichtbildung in-situ zu beobachten. Die Keimbildung startet an atomaren Stufen, das heißt an Imperfektionen (!) und die Haftung der entstehenden Schicht wird durch Diffusionsvorgänge über Leerstellenmechanismen bewirkt. Durch Stufenversetzungen sind auch haftfeste Verbunde zwischen kristallographisch völlig unterschiedlichen Metallen wie Eisen (kubisch raumzentriert) und Zink (hexagonal) möglich. Entscheidend für die Schichtbildung und viele Schichteigenschaften ist auch die Phasengrenze zwischen Bauteil und Elektrolyt.

Vor allem durch den Einsatz der Galvanotechnik in der Mikrosystemtechnik sowie der Galvanoformung sind zum Ende des letzten Jahrhunderts die Eigenspannungen von galvanisch abgeschiedenen Schichten stärker in den Vordergrund gerückt. Die hierbei hergestellten Teile erfahren je nach Art und Stärke der vorliegenden Spannungen eine makroskopische Formänderung, während bei der klassischen Beschichtungsaufgabe das Substrat durch die in Relation geringen Kräfte keine Verformung erfahren kann. Hier äußern sich Spannungen in den Schichten jedoch in Form von Rissbildung oder – bei einer geringen Haftung zwischen Substrat und Schicht – als Blasenbildung oder Abheben der Schicht. Insofern sind und waren Eigenspannungen auch immer ein Kriterium zur Charakterisierung von galvanischen Schichten.

Neue Gesetzgebungen und Vorschriften, aber vor allem die EU-Altautoverordnung aus dem Jahr 2000 haben im Bereich der Konversionsbehandlung/Passivierung von Zink und Aluminium dazu geführt, neue Verfahren zu entwickeln. Chrom(VI)haltige Verfahren sind im Bereich des Bauwesens im Moment noch nicht verboten, jedoch sind strenge Auflagen hinsichtlich Arbeitssicherheit, Anlagentechnik und Entsorgung zu beachten. Die Chemielieferanten haben heute verschiedene Systeme zur Verfügung, mit denen die Anforderungen hinsichtlich Lackhaftung und Korrosionsschutz erfüllt werden können. Im Bauwesen haben sich vor allem die Passivierungen auf Basis von Zirkon/Titan als Alternative zur Chromatierung bewährt. Mit diesen Systemen können mit den gängigen Aluminiumlegierungen in Verbindung mit Pulverlacken die Anforderungen der Qualitätsorganisationen wie zum Beispiel der GSB-International erfüllt werden.

Bericht über eine Veranstaltung von DFO, DGO, GDA und GSB

-Fortsetzung aus Heft 8/2007-

Verschleißschutz für Urformwerkzeuge

Dr. rer. nat. Klaus Stefan Klimek (TU Braunschweig) referierte über verschleißgeschützte Urformwerkzeuge für Leichtmetallbauteile, die im Rahmen eines vom BMBF geförderten Forschungsprojektes untersucht wurden. Auch hier lag der Schwerpunkt auf Anwendungen im Automobil- bereich. Das Druckgießen ist in diesem Sektor eine der bedeutendsten Methoden für die Serienfertigung von Leichtbaukomponenten (Abb. 9). Die Werkzeuge für das Druckgießen, Strangpressen und Schneiden von Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen unterliegen hohen Beanspruchungen, die zu schnellem Verschleiß und Beschädigungen der Werkzeugoberflächen führen. Verschleiß bei Druckgusswerkzeugen ergibt sich aus Thermoschockeinflüssen, Abrasion, Adhäsion, Erosion, Wasserstoffversprödung und Korrosion durch die verarbeiteten flüssigen Metallschmelzen. Zur Standzeiterhöhung werden Trennmittel eingesetzt, die vor Korrosion und Anhaftung schützen sollen.

Moderne Elektrochemie und Phosphatierung

Technisch verwendete Werkstoffe erfüllen oft nur die Anforderungen an mechanischen Eigenschaften bestimmter Bauteile, während sie gegen chemische Angriffe wie Korrosion anfällig sind. Daher besteht eine wichtige Aufgabe der Oberflächentechnologie darin, durch preiswerte Oberflächenbehandlung den Werkstoff zu schützen und für nachfolgende Beschichtungen vorzubereiten. Die Phosphatierung von billigem, rohem oder verzinktem Automobilstahl bildet ein Beispiel, das in den letzten 20 Jahren durch die Verlängerung des garantierten Korrosionsschutzes auf bis zu 10 Jahre einen entscheidenden Fortschritt der Oberflächentechnik dokumentiert. Die phosphatierte Oberfläche erhält wichtige Funktionalitäten, wie Verbesserung der Lackhaftung, Korrosionsschutz, Verschleißfestigkeit, Schmierfähigkeit.

1997 wurden die ersten Leichtmetallräder, im Volksmund als Alufelgen bezeichnet, in einem Be- triebsversuch mit SAM beschichtet. Heute werden Leichtmetallräder auf der ganzen Welt mit SAM behandelt. Der terminus technicus Self Assembling Molecules SAM be- zieht sich u. a. auf eine Eigenschaft, spezielle Strukturen auf metallischen Oberflächen ausbilden zu können. Diese stabile Struktur wird nach einer Reaktion der Vorbehandlungschemikalie erzeugt. Unter bestimmten Bedingungen kann hierdurch ein homogener Film aufgebaut werden, der die gesamte zu behandelnde Oberfläche bedeckt, zu einem sehr guten Korrosionsschutz unter Lack führt und eine sehr gute Lackhaftung ermöglicht, da reaktive Gruppen für den Lack zur Verfügung stehen.

Cleanliness and Surface Energy

As any expert will confirm, poor cleaning is the most important single cause of defective finishing. In the case of paint and powder coated surfaces, the main result is poor adhesion. For plated surfaces, blistering and spotting are commonly found. So how does the Metal Finisher ensure that surfaces are properly cleaned, prior to plating or coating? Over the years, a wide range of cleanliness testing methods have been developed, indeed, a search of Surface Finishing Abstracts  using keywords cleanliness and testing reveals that new instrumental methods continue to be reported.// 

Sauberkeit und Oberflächenenergie

Wie jedem Fachmann der Oberflächentechnik bekannt ist, beruhen die meisten Beschichtungsfehler auf unzureichender Reinigung. Beim Lackieren tritt als Ergebnis meist eine schlechte Haftung auf, beim galvanischen Beschichten sind dies Blasen und Poren. Doch wie soll der Beschichter sicher sein, dass eine Oberfläche sauber genug für das Beschichten ist? Im Laufe der Zeit wurden einige Methoden zur Reinheitsprüfung entwickelt; so ergibt eine Suche in der Datenbank SFA  nach den Begriffen Reinheit und Prüfung, dass neue instrumentelle Methoden laufend vorgestellt werden.

Steigende Anforderungen an Produktqualität und Prozesssicherheit bedingen ebenfalls wachsende Anforderungen an die Prozesskontrolle. Optimale Verfahren zur Prozesskontrolle sollten im Idealfall schnell sein, die zu prüfenden Objekte nicht verändern und automatisiert werden können. Praktisch alle heute angewandten Techniken zur Oberflächenbeschichtung setzen saubere Oberflächen voraus. Ölreste und andere Verschmutzungen sind eine der häufigeren Ursachen von Haftungsproblemen und visuellen Defekten beschichteter Oberflächen. Wichtige Verunreinigungen neben den in der Metallverarbeitung verbreitet eingesetzten Ölen und Fetten können Kohlenstoff (Pyrolysekoks) und Reste anorganischer Salze (z. B. Bariumsulfat aus Formtrennmitteln) sein.

Steigende Anforderungen an Produktqualität und Prozesssicherheit bedingen ebenfalls wachsende Anforderungen an die Prozesskontrolle. Optimale Verfahren zur Prozesskontrolle sollten im Idealfall schnell sein, die zu prüfenden Objekte nicht verändern und automatisiert werden können. Praktisch alle heute angewandten Techniken zur Oberflächenbeschichtung setzen saubere Oberflächen voraus. Ölreste und andere Verschmutzungen sind eine der häufigeren Ursachen von Haftungsproblemen und visuellen Defekten beschichteter Oberflächen. Wichtige Verunreinigungen neben den in der Metallverarbeitung verbreitet eingesetzten Ölen und Fetten können Kohlenstoff (Pyrolysekoks) und Reste anorganischer Salze (z. B. Bariumsulfat aus Formtrennmitteln) sein.