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Wenn phosphatieren, dann besser nickelfrei

Die Phosphatierung ist ein bewährtes Verfahren zur Bildung einer funktionalen Konversionsschicht auf verschiedenen Metallsubstraten. In vielen herkömmlichen Phosphatierungen werden Nickelsalze eingesetzt. Dabei muss allerdings
berücksichtigt werden, dass Nickelsalze international gemäß den gültigen Einstufungs- und Klassifizierungsregularien, in der EU gemäß der VO 1272/2008; CLP, als toxisch, CMR-Stoff, also kanzerogen und mutagen fruchtschädigend, sensibilisierend und zumindest in Europa auch als umweltgefährdend eingestuft sind. Der Hautkontakt mit Nickel löst nachweisbar bei sehr vielen Menschen eine allergische Sensibilisierung aus, die bei wiederholter Exposition zu chronischen Hautreaktionen führen kann. Entsprechend sind im Betrieb beim Einsatz von nickelhaltigen Produkten erhöhte Aufwendungen für technische Arbeitsschutzmaßnahmen, wie adäquate technische Quellabsaugung der Bäder und entsprechende Schulung der Mitarbeiter einzukalkulieren.

Niedertemperatur-Phosphatierungen
Doch nicht nur hinsichtlich Arbeitssicherheit und Umweltschutz ist der Einsatz einer nickelfreien Phosphatierung sinnvoll. Im Vergleich zur klassischen Phosphatierung ist ein Absenken der Prozesstemperatur um bis zu 15°C möglich (Tabelle 1). So können mit nickelfreien Phosphatierungen im Schnitt 20 bis 25 % der Heizkosten eingespart werden und dies bei gleichbleibender Performance.
Zudem können Verkrustungen,etwa durch Verdunstung an Sprühdüsen oder an überhitzten Heizstäben, reduziert und der Wartungsaufwand verringert werden.

Zwar gibt es auch alternative phosphatfreie Vorbehandlungssysteme, aber die Phosphatierung kann nicht in allen Anwendungsfeldern durch solche Alternativsysteme ersetzt werden. Die kristalline Struktur und die höheren Schichtdicken sind derzeitig die Alleinstellungsmerkmale der schichtbildenden Phosphatierung. Vor allem wenn Verschleißbeständigkeit oder Gleiteigenschaften gefragt sind, ist ein Ersatz schwierig. Auch bei Gummi-Metall Verbindungen ist die klassische Phosphatierung den phosphatfreien Alternativen überlegen. Hierfür ist die gute Aufnahme des Haftvermittlers in der mikroporigen, kristallinen Oberflächenstruktur der Phosphatschicht verantwortlich, die zu sehr guter Bindungsfähigkeit zwischen Elastomer und dem phosphatierten Trägermaterial führt. Zudem wird von OEM‘s oftmals immer noch eine Phosphatierung bei bestimmten Bauteilen gefordert. 

Je nach Anwendungsgebiet und Anforderung an die Oberfläche werden unterschiedliche Phosphatierungsarten verwendet. Eine Übersicht der verschiedenen Arten bietet die EN ISO 9717:2013. Die Wahl der an der Schichtbildung beteiligten Kationen, zum Beispiel Zn2+, Mn2+ oder Ca2+, und das Einstellen der Schichtdicke definieren die im Vordergrund stehenden Eigenschaften der Phosphatierung: Korrosionsbeständigkeit, Haftfestigkeit von organischen Beschichtungen, Erleichtern von Umformungsverfahren oder Gleitverhalten. 

Tri-Kationen-Phosphatierung als Konversionsschicht
Die Tri-Kationen-Phosphatierung (SurTec 618 LT) gemäß ISO 9717 – Me/Znph1-5 ist besonders als Konversionsschicht vor der Lackierung für Stahl-, Zink- und Aluminiumsubstrate geeignet. Sie bildet auf gestrahlten, kaltgewalzten und elektrolytisch verzinkten Stahl und auf Aluminium jeweils eine gleichmäßig, geschlossene Phosphatschicht aus (Bild 1), die eine haftfeste Verbindung zwischen Grundmaterial und einer anschließenden Beschichtung gewährleistet.
Schon bei 25°C Raumtemperatur wird mit dieser nickelfreien Phosphatierung eine
sehr gute Phosphatschicht gebildet, die sich auch für Gummi-Metall-Verbindungen
eignet. Eine an ASTM D429B angelehnte 90°Schälprüfung der auf diese Weise
vorbehandelten und mit polaren und unpolaren Gummimischungen beschichteten Prüfteile zeigte, dass ausschließlich ein kohärenter Bruch im Gummi und kein adhäsives Ablösen vom Metall stattfand (Bild 2). Es lassen sich auch Lacke applizieren. Stahlgussprüfkörper, die in laufender Produktion mit der Tri-Kationen-Phosphatierung phosphatiert und mit KTL-Lack 20 bis 25 μm beschichtet wurden, zeigten bei einer Salzsprühnebelprüfung gemäß DIN EN ISO 9227 nach 480 Stunden Beanspruchung keine vom Ritz ausgehende Unterwanderung (Bild 3). Mit entsprechenden Lacken lassen sich auch höhere Korrosionsschutzklassen erfüllen, zum Beispiel Kategorie C5 gemäß ISO 12944-5 und einer Korrosionsschutzwirkung von >1000 h im neutralen Salzsprühnebel.

Dickschicht-Zink-Phosphatierung mit Beölung kombinieren
Die nickelfreie Dickschicht-Zink-Phosphatierung (SurTec 619 LT) gemäß ISO 9717 - Me/Znph10-20 kann beschleunigt oder auf der Eisenseite gefahren werden. Bei
Verwendung eines Beschleunigers wird die Phosphatschicht dichter und feinkristalliner,
was vor allem für Walz- und Schmiedeteile, die eine sehr gleichmäßige Oberfläche benötigen, von Vorteil ist. Im Gegensatz dazu bilden sich bei der Fahrweise ohne Beschleuniger durch das im Bad vorhandene Eisen(II) größere Kristalle. Das ist insbesondere für Bauteile günstig, die nach der Phosphatierung beölt oder beseift werden. Entsprechend phosphatierte und beölte Schrauben erhalten einen guten Korrosionsschutz, beseifte Oberflächen sind für ein Kaltumformen geeignet wie zum Beispiel das Ziehen von Rohren, Drähten oder Profilen.

Mangan-Phosphatierung für guten Verschleißschutz
Die nickelfreie Mangan-Phosphatierung (SurTec 615 LT) gemäß ISO 9717 – Me/Mnph10-20 bildet eine sehr gleichmäßige und feinstrukturierte Phosphatschicht auf Stahl- und Gusseisenteilen. Bedingt durch die stabile Verankerung im Grundwerkstoff und die gute Aufnahmefähigkeit von Schmierölen, bietet sie beachtliche Gleiteigenschaften und guten Verschleißschutz. Diese Phosphatierung eignet sich daher für Maschinenteile wie beispielsweise Kurbelwellen, Getriebeteile, Schrauben oder Unterlegscheiben.
Hier kommt der Vorteil der geringeren Prozesstemperatur besonders zum Tragen. Die Badtemperatur, die üblicherweise bei über 90°C liegt, kann um mehr als 10°C gesenkt werden. Somit sind signifikante Einsparungen an Energiekosten möglich. Zudem führt die niedrigere Temperatur dazu, dass der Schlamm einfacher zu filtrieren ist und die üblichen Anhaftungen an den Heizungen geringer sind. Notwendige Badstillstandzeiten zum Reinigen der Anlage werden somit ebenfalls reduziert.

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