Sicher in der Luft. Quelle/Publication: Farbe und Lack. Seite/Page:

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1 1 Sicher in der Luft Bisher verhinderten Chrom VI-Verbindungen, dass Aluminiumlegierungen in Flugzeugstrukturen korrodierten Aufgrund der krebserregenden Eigenschaften sind Chromate aber nur noch eingeschränkt verwendbar Das Wehrwissenschaftliche Institut für Werkund Betriebsstoffe fand heraus, dass Zinkstaubgrundierschichten Korrosion vermindern Zusätzlich hilft ein vorher aufgebrachter Haftfestigkeitsverbesserer Aluminium mit Haftpromoter und Zinkstaubgrundierung reparieren Georg Bockmair*, Katharina Kranzeder Die Luftfahrtindustrie benötigt umweltfreundliche Materialien und Prozesse, um Korrosion auf Aluminiumlegierungen zu verhindern Bis jetzt erreichten dies Chrom VI-Verbindungen, entweder als Oberflächenvorbehandlung oder in Grundierungen Die Flugzeuginstandsetzung behandelt Aluminium häufig mit einem chromathaltigen Wash-Primer vor Aufgrund der krebserregenden Eigenschaften schränkt die Reach- bzw Gefahrstoffgesetzgebung aber Chrom VI-Verbindungen ein Eine Anwendung von solchen Produkten ist nur möglich, wenn keine Alternativen existieren Mittelfristig ist von einem generellen Anwendungsverbot auszugehen Passivierungen gegen Korrosion Beim Oberflächenschutz von Luftfahrtaluminium hoher spezifischer Festigkeit waren Chromate immer die erste Wahl, nicht zuletzt wegen der hervorragenden Beständigkeit so geschützter Oberflächen gegen interkristalline Korrosion und Schichtkorrosion Alternativen legen den Schwerpunkt auf die Oberflächenvorbehandlung, den Konversionsüberzug oder die Grundierung selbst Ein Ersatz der ersten Kategorie umfasst Passivierungslösungen mit Verbindungen von Ti, Cr, Zr, Mn oder anderen Metallen, die stabile Oxidschichten bilden [1, 2, 3] Diese führen dann zu einer guten Haftfestigkeit für die folgende organische Beschichtung, ähnlich wie Anodisierschichten, die beim Neubau von Luftfahrzeugen von großer Bedeutung sind Es ist bekannt, dass ebenso wie die durch Konversionsprozesse erzeugten Oxidschichten auch dünne Schichten von organischen Haftverbesserern wie Silanen positiv auf das Korrosionsschutzverhalten wirken [4] Diese oberflächenaktiven Verbindungen verlangsamen den Korrosionsprozess, indem sie die kathodische Reaktion unterdrücken und die Ionendiffusion zur Metalloberfläche behindern Korrosionsschutz mittels verschiedener Grundierungen Eine weitere Möglichkeit, um das Korrosionsverhalten eines Al-Bauteils zu verbessern, stützt sich auf die Formulierung von Lacken mit geeigneten Bindemitteln und wirksamen Antikorrosions-Pigmenten Normalerweise werden amin- oder amidgehärtete Epoxid-Grundierungen bevorzugt, gefolgt von den etwas weniger korrosionsresistenten 2-KomponentenPolyurethan-Grundierungen Die Antikorrosions-Pigmente in der Grundierung dürfen nur eine geringe Wasserlöslichkeit aufweisen, andernfalls kann es zu Blasenbildung in der Beschichtung kommen Magnesiumstaub-Grundierungen wurden wegen ihrer großen elektrochemischen Potenzialdifferenz von Mg zum zu schützenden Al-Substrat als sehr wirksame Antikorrosions-Anstriche beschrieben [5, 6] Entsprechende Produkte sind inzwischen als 2K-EpoxyGrundierungen am Markt verfügbar Um Al-Legierungen im Reparaturfalle nach Entfernen der alten Beschichtung zu schützen, eignen sich zudem 2-komponentige Zinkstaub-Epoxy-Grundierungen Diese werden bisher überwiegend im Stahlbau eingesetzt Hier bieten sie wegen der Opferwirkung der Zinkpartikel entsprechend der elektrochemischen Spannungsreihe (-0,76 V für Zink gegenüber Normal-Wasserstoffelektrode) einen ausgezeichneten Korrosionsschutz Geschützt mit Zink Der Wirkmechanismus von Zinkstaubgrundierungen auf Aluminium besteht aus zwei Schritten: Am Anfang, nach Schädigung der Beschichtung und der Freisetzung des Aluminiumsubstrats wird von einem kathodischen Prozess ausgegangen, da es eine leitende Verbindung zwischen Aluminiumsubstrat und Zinkstaubgrundierung gibt [7], sofern nicht noch eine intakte Anodisierschicht vorliegt Wenn die Korrosion fortschreitet, herrscht Barriereschutz vor, weil die kompakter werdenden Korrosionsprodukte die Legierung darunter abdichten Im Gegensatz zu Zinkstaubgrundierungen für Stahlaufbauten wird aufgrund des Fehlens einer aufgerauten Oberfläche und der insgesamt geringen kohäsiven Festigkeit von Zinkstaubgrundierungen eine deutlich geringere Trockenfilmschichtdicke (10 bis 20 µm) empfohlen In der Fachliteratur finden sich noch andere Erfolg versprechende Konzepte wie das der selbstheilenden Grundierungen Hierbei entfalten verkapselte anorganische oder organische Korrosionsinhibitoren an der zur Korrosion neigenden Metalloberfläche mit Beschichtungsdefekt ihre passivierende Schutzwirkung Eine weitere Methode, die Sol-Gel-Technik kombiniert organisch modifizierte Silane, zweckmäßigerweise solche mit funktionellen Gruppen zur optimalen Lackanbindung, z B Epoxy-Gruppen, mit Metallalkoxiden und Korrosionsschutzpigmenten [8, 9] Zinkstaub-Epoxid-Grundierungen sind nicht nur ein hochwirksames Mittel zum schweren Korrosionsschutz im Stahlbau, sondern leisten auch einen wichtigen Beitrag beim Schutz von Luftfahrtaluminium genauer gesagt bei der Reparaturbeschichtung von zuvor bis auf die Al-Oberfläche entlackten Bauteilen Mit Haftfestigkeitsverbesserern lässt sich das Schutzverhalten weiter verbessern

2 2 Lackhaftungs- und Korrosionsversuche Versuche wurden mit Testblechen und TornadoTragflächen durchgeführt (Abb 1)Während die Testbleche für die Laborprüfungen entfettet und mit handelsüblichem Schleifvlies angeraut wurden, ließen sich die gewünschten Oberflächenverhältnisse für die Flugversuche mit TornadoTragflächen durch Strahlen mit Kunststoffgranulat und anschließendes Reinigen mit Reinigungsmitteln erreichen Die Bewertung des Aussehens der Tragflächen nach fast einem Jahr Flugbetrieb (vier Inspektionen nach je 80 Flugstunden) mittels Gitterschnittprüfung (DIN EN ISO 2409) [10] zeigte ausgezeichnetes Verhalten (Werte 0 1, Abb 2) Korrosionsversuche mit Prüfblechen im Labor gemäß DIN EN ISO /DIN EN ISO [10], 1000 h (FiliformKorrosionstest) beziehungsweise DIN EN ISO (Zyklus B, 6 Wochen, zyklischer Korrosionswechseltest)/ DIN EN ISO [10] führten zu ≤ 4 mm für die häufigste Länge der Filiformfäden (Mittelwert) bzw ≤ 1 mm für den Grad der Enthaftung und der Korrosion Abb 3 zeigt das Korrosionsverhalten, also die Beständigkeit gegenüber Filiformkorrosion auf unplattiertem Al 2024 Nach dem Abbeizen wurde wie folgt vorbehandelt: Nach dem Anschleifen wurde eine 60 µm dicke Schicht 2-Komponenten-Zinkstaub-EpoxyGrundierung (TSD 20 µm) aufgetragen Abb 4 zeigt denselben Versuch, allerdings wurde zusätzlich der Haftpromoter aufgetragen Die Gesamtschichtdicke betrug dann 69 µm In Abb 5 ist die Beständigkeit von unplattiertem Al 2024 gegenüber zyklischer Korrosion (DIN EN ISO , Zyklus B, 6 Wochen/DIN EN ISO ) zu sehen Vorbehandelt wurde wiederum durch Anschleifen und Auftragen einer 60 µm dicken Schicht 2-KomponentenZinkstaub-Epoxy-Grundierung (TSD 20 µm) Abb 6 zeigt das ebenso behandelte Blech mit zusätzlichem Haftpromoter Die Gesamtschichtdicke betrug dabei 69 µm Tests zur Lackreparatur Im Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB) wurden sowohl lösemittelbasierte als auch wasserbasierte Zinkstaubgrundierungen getestet Beide Lackarten zeigten sehr gutes Verhalten bei der Flugerprobung Für die Reparaturarbeiten bei der Bundeswehr werden zurzeit nur lösemittelbasierte Zinkstaubgrundierungen empfohlen, da diese eine vergleichsweise höhere Toleranz im Falle einer trotz vorheriger Reinigung noch vorhandenen geringfügigen, nicht immer ganz auszuschließenden Belegung der Oberfläche mit Ölrückständen aufweisen Weitere Untersuchungen im WIWeB zeigten, dass noch bessere Ergebnisse erhalten werden, wenn die zuvor mit Schleifvlies angerauten Al-2024-Bleche noch mit einer 0,1 %igen Lösung (Aceton) des Haftfestigkeitsverbesserers Asconium-144 behandelt wurden, welcher Amine von Fettsäuren, 3-Aminopropyltriethoxysilan und 4-tButyl-Benzoesäure enthält Über die Tatsache, dass sich Organosilane vorteilhaft zur Verbesserung der Haftfestigkeit auf verschiedenen Metallen einsetzen lassen, wurde schon vor längerer Zeit berichtet [11, 12] Zusammenfassung der Werte Tab 1 zeigt die Ergebnisse der Gitterschnittprüfung und der häufigsten Länge der Fäden nach dem Filiformkorrosionstest (DIN EN ISO , 1000 h, Auswertung DIN EN ISO ) sowie den Grad der Enthaftung nach dem zyklischen Korrosionstest (DIN EN ISO , Zyklus B, 6 Wochen, Auswertung DIN EN ISO ) Zu sehen sind die Haftung und das Korrosionsverhalten einer 2-Komponenten-EpoxyGrundierung (ca 45 µm) nach Vorbehandlung von unplattierten Al 2024 Platten mit Schleifvlies und Applikation von Haftfestigkeitsverbesserer (Asconium 144, 0,1 % in Aceton) sowie Zinkstaub-Epoxy-Grundierung (Trockenfilm 20 µm) Ein Vergleich zeigt, dass beide Korrosionstests die bei weitem besten Ergebnisse dann erbringen, wenn die Dreifach-Vorbehandlung (Schleifen, Oberfläche mit Haftpromoter behandeln, Zinkstaubprimer) angewendet wird Haftpromoter plus Zinkstaubgrundierung Im Labor und mittels Flugerprobung wurde herausgefunden, dass zweikomponentige, aminbzw amidgehärtete Epoxy-ZinkstaubGrundierschichten ein hervorragendes Potenzial als Korrosionsschutzvorbehandlung aufweisen, wenn sie in dünner Schicht auf Luftfahrt-Aluminium des häufig eingesetzten Typs Al 2024 aufgebracht werden Auf diese Weise kann in Übereinstimmung mit den europäischen Gefahrstoffvorschriften die Anwendung der toxikologisch bedenklichen, chromathaltigen WashPrimer bei Reparaturbeschichtungen für die Luftfahrt eingeschränkt werden, wenn zuvor die Altlackierung entfernt wurde Eine weitere deutliche Verbesserung ist möglich, wenn nach der Aufrauung der Al-Oberfläche durch Schleifvlies oder durch Strahlen mit Kunststoffgranulat, also vor der Applikation der dünnen Zinkstaubgrundierung, ein Haftpromoter aufgebracht wurde Dieser enthält als wesentlichen Bestandteil ein oberflächenaktives Silan Künftigen Untersuchungen bleibt die Klärung der Frage vorbehalten, welchen Einfluss die einzelnen Komponenten dieses kommerziell erhältlichen Haftfestigkeitsverbesserers ausüben und wie sich andere Al-Legierungen verhalten Referenzen [1] Jüptner, U: Tagung "Leichtmetall-Anwendungen Neue Entwicklungen in der Oberflächentechnik", DFO, Düsseldorf, , 5056 [2] Ruhland, Ch: J Oberflächentechn 2003, 8, 5659 [3] Wendel, T: Tagung "Leichtmetall-Anwendungen Neue Entwicklungen in der Oberflächentechnik", DFO, Düsseldorf, , 3248 [4] Mulder, J: "Vorbehandlung von Aluminium mit Silanen", DFO/DGO-Tagung "Leichtmetall-Anwendungen Neue Entwicklungen in der Oberflächentechnik", Münster, 2001 [5] Nanna, M; Bierwagen, G: J of Coat Techn, Research, 2004, Vol 1, No 2, 6880 [6] Bockmair, G; Kranzeder, K: Aluminium, 2005, 81, [7] Rudolf: Tagung "Leichtmetall-Anwendungen Neue Entwicklungen in der Oberflächentechnik", DFO, Düsseldorf, , 5056 [8] Raps, D: Dissertation, "Development of a Self-Healing Corrosion Protection Coating System for High Strength Aluminium Alloys", Technische Universität München, 2008 [9] Voevodin, N; Buhrmaster, D; Balbyshev, V; Khramov, A; Johnson, J; Mantz, R: "Non-Chromated Coating Systems for Corrosion Protection of Aircraft Aluminium", Tri-Service Corrosion Conference, Orlando, Florida, 2005 [10] DIN EN ISO-Standards: DIN EN ISO 2409, Beschichtungsstoffe, Gitterschnittprüfung;

3 3 DIN EN ISO , Beschichtungsstoffe, Bestimmung der Beständigkeit gegen Filiformkorrosion, Aluminium als Substrat; DIN EN ISO , Beurteilung von Beschichtungsschäden, Bewertung der Menge und der Größe von Schäden und der Intensität von gleichmäßigen Veränderungen im Aussehen, Bewertung der von einem Ritz ausgehenden Enthaftung und Korrosion; DIN EN ISO , Beschichtungsstoffe, Beurteilung von Beschichtungsschäden, Bewertung der Menge und der Größe von Schäden und der Intensität von gleichmäßigen Veränderungen im Aussehen, Bewertung der Filiformkorrosion; DIN EN ISO , Beschichtungsstoffe, Bestimmung der Beständigkeit bei zyklischen Korrosionsbedingungen, Nass (Salznebel)/ trocken/feuchtigkeit [11] Walker, P: Journ of the Oil and Colour Chemists Assoc, 1984, 67, 5, [12] Bockmair, G; Frenzel, A: J Oberflächentechn 2002, 10, 7679 Ergebnisse auf einen Blick Zweikomponentige, aminbzw amidgehärtete Epoxy-Zinkstaub-Grundierschichten eignen sich als Korrosionsschutzvorbehandlung - Damit lässt sich die Anwendung der toxikologisch bedenklichen, chromathaltigen Wash-Primer bei Reparaturbeschichtungen für die Luftfahrt einschränken - Ein Haftpromoter mit oberflächenaktivem Silan verbessert die Schutzwirkung der Reparaturbeschichtung weiter * Korrespondierender Autor Kontakt: Dr Georg Bockmair Wehrwissenschaftliches Institut für Werk - und Betriebsstoffe T GeorgBockmair@bundeswehrorg

4 4 Abb 1: Flugerprobung Oberflächenschutz mit einem Tornado

5 5 Abb 2: Gitterschnittprüfung, Beschichtungssystem (Basis Zinkstaubgrundierung) bei der Flugerprobung Abb 3: Beständigkeit gegenüber Filiformkorrosion mit 2K-Zinkstaub-Epoxy-Grundierung und 2K-EpoxyGrundierung