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1 Gut vorbereitet Pulverbeschichtungen in Duplex-Systemen haften besser, wenn die verzinkte Oberfläche richtig vorbehandelt wird. Duplexsysteme, bestehend aus Verzinkung und Beschichtung, bieten hervorragenden Langzeit-Korrosionsschutz. Um aber speziell bei Pulverbeschichtungen die Haftfestigkeit auf dem Zinküberzug zu gewährleisten, kommt es entscheidend auf die chemische Vorbehandlung der verzinkten Oberfläche an - die Art des Zinküberzuges spielt demgegenüber keine nennenswerte Rolle. Andreas Schütz*, Jürgen Triebert, Isabell Schubert, Dresden. * Korrespondierender Autor. Kontakt: Dr. Andreas Schütz, Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH, Gostritzer Str. 6, Dresden, Im Rahmen eines Forschungsprojektes sollte geklärt werden, welche Einflussgrößen bei der Zusammensetzung des Zinküberzuges/Zinkbades und der Art der Oberflächenvorbehandlung eine Rolle für die Haftfestigkeit der Beschichtungen spielen. Die wesentlichen Fragestellungen dieser Untersuchung waren folgende: - Welchen Einfluss hat die Zusammensetzung der Zinkschmelze auf die nachfolgende Oberflächenvorbehandlung und Ausbildung der Konversionsschichten bezüglich der einzelnen Verfahren? - Welche Zusammenhänge bestehen zwischen der Art der Zinkschmelze, der Art und der Ausbildung der Konversionsschicht, der Art der Beschichtung und deren Haftfestigkeit und Korrosionsschutzwirkung? Beeinflusst die Zinklegierung die Haftung der Beschichtung? Circa 60 bis 70% der gegenwärtig verwendeten Baustähle weisen einen Silizium- und Phosphor-Gehalt im sog. Sebisty-Bereich auf. Beim Korrosionsschutz durch Verzinken führt diese Materialeigenschaft oft zu sehr hohen Schichtdicken der Zinküberzüge (z.t. bis zu 600µm). Um Zinküberzüge mit geringeren Schichtdicken zu erzielen, wie dies bei siliziumarmen Stählen problemlos möglich ist, legieren viele Verzinkereien erfolgreich ihren Schmelzen u.a. Zinn und Wismut zu. An diesen seit einigen Jahren im Einsatz befindlichen Zinküberzügen treten jedoch immer wieder Probleme bei der Ausbildung von Konversionsschichten auf. In der Praxis führt dies zu Schadensfällen, auch infolge mangelnder Haftfestigkeit von z.b. (Pulver-)Beschichtungen auf dem Zinküberzug. Die entsprechenden Zusammenhänge waren jedoch noch weitestgehend unerforscht [1-6]. Experimentelles 1. Schritt: Feuerverzinkung Neben dem elektrolytischen Aufbringen des Zinküberzuges besteht die Möglichkeit des Feuerverzinkens. Letzteres wird vor allem bei Teilen angewandt, die stückverzinkt werden müssen. Hierbei wird der metallische Überzug auf den Stahl im Schmelztauchverfahren appliziert [7-9]. Ausgangsmaterial dieser Studie waren zwei Stahlsorten, Baustahl im Niedrigsilizium-Bereich und Baustahl im Sebisty-Bereich, sowie drei legierte Zinkschmelzen, mit unterschiedlichen Anteilen der Legierungselemente Zinn (Schmelze N1: < 0,025Ma%, Schmelze N2: ca. 0,95Ma%, Schmelze N3: ca. 1,2Ma%) und Wismut (Schmelze N1: <0,002Ma%, Schmelze N2: ca. 0,08Ma%, Schmelze N3: ca. 0,1Ma%). Die Charakterisierung der Zinküberzüge erfolgte am metallographischen Querschliff mittels Lichtmikroskopie und REM/EDX. Exemplarisch ist in (Abb. 1) die Querschliffaufnahme einschließlich der Elementverteilung des Zinküberzuges auf Baustahl im Niedrigsilizium-Bereich dargestellt. 2. Schritt: Oberflächenvorbehandlung Vor dem Beschichten wurde feuerverzinkter Baustahl einer Oberflächenvorbehandlung unterzogen, um eine möglichst gute Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Zinküberzug zu erzielen [10,11]. Fünf verschiedene Oberflächenvorbehandlungen und eine Oberflächenvorbereitung kamen zur Anwendung: - Gelbchromatierung - Zinkphosphatierung - chromatfreie Vorbehandlung auf Silanbasis - Titan-Zirkon-Fluorid-Polymer-Konversionsschicht - Trikationen-Phosphatierung - Sweepen Die Gelbchromatierung, Trikationen-Phosphatierung sowie das Herstellen einer Titan-Zirkon-Fluorid-Polymer-Konversionsschicht wurden im Tauchverfahren am IKS (Institut für Korrosionsschutz) in Dresden ausgeführt. Die bei der Gelbchromatierung gebildeten Konversionsschichten auf Baustahl mit Zinn- und Wismut-haltigem Zinküberzug und auf Baustahl mit konventionellem Zinküberzug sind exemplarisch in Abb. 2 bzw. Abb. 3 dargestellt. Die Oberflächenvorbereitung durch Sweepen erfolgte im Technikum des IKS. Um die Oberflächenvorbehandlung möglichst praxisnah durchzuführen, wurde ein Unternehmen, welches auf dem Gebiet der Oberflächenvorbehandlung tätig ist, mit der Zinkphosphatierung und der chromatfreien Vorbehandlung auf Silanbasis beauftragt. Die Umsetzung erfolgte hierbei im industriellen Maßstab. 3. Schritt: Pulverbeschichtung Pulverbeschichtungen sind lösemittelfrei, deshalb bieten sie ökologische Vorteile. Zudem zeichnen sie sich durch gute mechanische, korrosionsschützende und dekorative Eigenschaften aus. Im Rahmen der Untersuchungen wurden u.a. Pulverbeschichtungen auf Epoxidharzbasis (EP), Polyesterbasis (SP) und Polyurethanbasis (PUR) eingesetzt. Belastungstests Die unterschiedlichen Duplexsysteme wurden nach der Applikation mit den Kennwerten Schichtdicke, Gitterschnitt, Blasengrad und Zugfestigkeit charakterisiert. Anschließend wurden sie mittels Kochtest, T-Test, VDA-Wechseltest belastet und hinsichtlich ihrer Haftfestigkeitseigenschaften bewertet. Das typische Erscheinungsbild der Proben nach der Belastung mittels VDA-Wechseltest ist in Abb. 4 dargestellt. Aufgrund der Vielzahl der untersuchten Parameter wurde für die Bewertung der Haftfestigkeiten der unterschiedlichen Pulverbeschichtungen in Abhängigkeit der jeweiligen Oberflächenvorbehandlung und der Art des Zinküberzuges folgendes vereinfachtes Bewertungsschema eingeführt: die Bewertungsskala reicht von sehr gut (++) über gut (+), ausreichend (o) bis zu mangelhaft (-). Mit sehr gut wurden Duplexsyteme bewertet, die beispielsweise Gitterschnittkennwerte von 0-1 und Zugfestigkeiten über 5MPa aufwiesen. Mit mangelhaft bewertet wurden

2 Duplexsyteme mit Gitterschnittkennwerten von 4-5, Zugfestigkeitswerten von kleiner 2-4 MPa, starker Blasenbildung und Adhäsionsbruch zwischen Substrat und Beschichtung. Auf dieser Basis ergeben sich die in Tab. 1 zusammengefassten Korrosionsschutzeigenschaften in Abhängigkeit von der Oberflächenvorbehandlung. Oberflächenvorbehandlung ist entscheidend Die umfangreichen Testergebnisse, wie die der Schichtdickenmessung, Gitterschnittprüfung und der Zugfestigkeitsprüfung belegen deutlich, dass die Art des Zinküberzuges keinen Einfluss auf die Haftfestigkeitseigenschaften besitzt, die neuen Zinn- und Wismut-haltigen Zinküberzüge wirken sich nicht negativ aus. Vielmehr ist die Art der Oberflächenvorbehandlung bzw. -vorbereitung für das Endresultat entscheidend. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Art des Zinküberzuges, d.h. seine unterschiedlichen Legierungselemente, keinen Einfluss auf die Korrosionsschutzeigenschaften des kompletten Duplexsystems haben. Unterschiede beruhen vielmehr auf der Art der Oberflächenvorbereitung und der Bindemittelbasis der Pulverbeschichtung. So zeigt sich, dass nach wie vor eine Gelbchromatierung den besten Haftvermittler für eine nachfolgende (Pulver-)Beschichtung darstellt und zudem auch den Korrosionsschutz des Gesamtsystems verbessert. Trikationen-Phosphatierung und Titan-Zirkon-Fluorid-Polymer-Verfahren stellen gut geeignete Alternativen dar. Es werden zwar nicht durchgängig die sehr guten Kennwerte einer Gelbchromatierung erreicht, aber beide Oberflächenvorbehandlungsverfahren führen zu insgesamt gutem Korrosionsschutz des Duplexsystems. Die Ergebnisse nach den Laborkorrosionstests liefern für die Zinkphosphatierung und die chromatfreie Oberflächenvorbehandlung auf Silanbasis ein gemischtes Bild. Während in einigen Kennwerten das vorhandene Potenzial dieser Verfahren zu erkennen ist, sind gleichzeitig aber auch Schwachpunkte im Korrosionsschutz des Gesamtsystems zu verzeichnen. Die mechanische Oberflächenvorbereitung durch Sweepen ist in ihrem Einfluss auf das Duplexsystem mit der Trikationen-Phosphatierung und dem Titan-Zirkon-Fluorid-Polymer-Verfahren gleichzusetzen. Literatur [1] Ameling, D.: Stahl im Fokus - Anmerkungen zur aktuellen Lage auf den Rohstoff- und Stahlmärkten, Wirtschaftsvereinigung Stahl im Stahlzentrum, [2] Baumann, K.: Korrosionsschutz für Metalle, Leipzig, Stuttgart, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, [3] Uhlig, H.: Korrosion und Korrosionsschutz, Berlin, Akademieverlag, [4] Institut für Korrosionsschutz: Vorlesungen über Korrosion und Korrosionsschutz von Werkstoffen Teil I Korrosion. Wuppertal, TAW - Verlag, [5] Institut für Korrosionsschutz: Vorlesungen über Korrosion und Korrosionsschutz von Werkstoffen Teil II Korrosionsschutz, Wuppertal, TAW - Verlag, [6] Wesche, K.: Baustoffe für tragende Bauteile Bd. 3 Stahl Aluminium, Wiesbaden und Berlin, Bauverlag, [7] Schubert, P., Schulz, W.-D., Katzung, W., Rittig, R.: Struktur und Eigenschaften von Feuerzinküberzügen, Metall Verlag, 1999 [8] Schubert, P., Schulz, W.-D., Katzung, W., Rittig, R.: Ermittlung des Einflusses der Feuerverzinkungsbedingungen, insbesondere der Zusammensetzung der Zink-Schmelze (Pb, Ni, Sn, Al), der Tauchdauer und des Abkühlverlaufes auf die Haftfestigkeit und das Bruchverhalten von Zinküberzügen nach DIN EN ISO 1461, Fachzeitschrift "Mat.-wiss. U. Werkstofftech." Nr. 5/2001. [9] Böttcher, H.-J.: Feuerverzinkung. Jahrbuch Oberflächentechnik Bd. 50. Heidelberg: Metall Verlag, 1994 [10] Jüptner, U.: Chemische Oberflächenvorbehandlung verzinkter Oberflächen, 6. Dresdner Korrosionsschutztage: Feuerverzinken + Duplexsysteme, IKS Dresden, [11] Hohenstein, J.: Pulverbeschichten von verzinkten Oberflächen Anforderungen und Erfahrungen beim Applikateur. 6. Dresdner Korrosionsschutztage: Feuerverzinken + Duplexsysteme, IKS Dresden, Ergebnisse auf einen Blick - Im Labor des IKS Dresden wurden verschiedene Duplexsysteme auf ihre Korrosionsschutz-eigenschaften untersucht. - Es wurden konventionelle und Zinn-Wismut- haltige Zinkschmelzen untersucht, die nachfolgend mittels Gelbchromatierung, Zinkphosphatierung, chromatfreier Vorbehandlung auf Silanbasis, Trikationen-Phosphatierung, Titan-Zirkon-Fluorid-Polymer-Verfahren und Sweepen oberflächenvorbehandelt wurden. Darauf kamen jeweils verschiedene Pulverbeschichtungen zum Einsatz. - Es konnte gezeigt werden, dass die Art des Zinküberzuges keinen Einfluss auf die Haftfestigkeit hat, die neuen Zinnund Wismut -haltigen Zinküberzüge wirken sich nicht negativ aus. Dagegen ist die Art der Oberflächenvorbehandlung für das Endresultat bestimmend. - Die konventionelle Gelbchromatierung lieferte bei den untersuchten Duplexsystemen das beste Endresultat. Diese Untersuchungen wurden über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen 'Otto von Guericke e.v.' unter dem Projektkennzeichen AiF 14077BR/1 finanziell gefördert und vom Gemeinschaftsausschuss Verzinken e. V. (GAV) fachlich betreut. Allen Beteiligten sei dafür gedankt Dr. Andreas Schütz, geboren 1968, studierte Chemie an der Universität- Gesamthochschule Siegen und promovierte 1997 an der TU Dresden. Seit 1998 arbeitet er im Institut für Korrosionsschutz Dresden und ist als Geschäftsführer und Abteilungsleiter für Überzüge und Analytik tätig. Dr. Jürgen Triebert, geboren 1966, studierte Chemie an der heutigen Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und promovierte dort Nach Tätigkeiten als Laborleiter in verschiedenen Umweltlaboren ist er seit 2003 im Institut für Korrosionsschutz Dresden als Laborleiter in der Abteilung Überzüge und Analytik tätig. Isabell Schubert, geboren 1977, studierte Chemieingenieurwesen an der FH Lausitz und ist seit 2004 am Institut für Korrosionsschutz Dresden als wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung für Überzüge und Analytik tätig.

3 Abb. 1: REM /EDX Querschliff-Aufnahme eines Zinküberzuges einschließlich der Elementverteilung auf Baustahl im Niedrigsilizium-Bereich.

4 Abb. 2: REM- Aufnahme der Gelbchromatierung auf Baustahl mit Zinn- und Wismut-haltigem Zinküberzug, 2000 fach vergrößert.

5 Abb. 3: REM - Aufnahme der Gelbchromatierung auf Baustahl mit konventionellem Zinküberzug, 2000 fach vergrößert.

6 Abb. 4: VDA-Wechseltest, Enthaftung am Ritz, Gelbchromatierung, Beschichtung auf Polyurethanbasis.

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