Dünnschichttechnik

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Die Dünnschichttechnik umfasst eine Vielzahl von Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenschichten, die maximal 100 Nanometer dick sind. Ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters. Von dieser Maßeinheit leitet sich der Name für die Nano-Technologie ab, die zunehmend auch bei der Vorbehandlung von Metalloberflächen eingesetzt wird.

Die chemische Oberflächenvorbehandlung von Metallen

Bei der chemischen Vorbehandlung verbinden sich Bestandteile von Salzen, Laugen oder Säuren mit Metallionen des Werkstoffs. Dabei gehen Metallionen aus dem Werkstoff in die Lösung über. Dort reagieren sie mit Ionen des Behandlungsmittels zu komplexen, unlöslichen Salzen, die aus der Lösung ausfallen. Die abgeschiedenen Salze bilden eine dünne feste Schicht auf der Oberfläche. Bei dieser chemischen Reaktion (Fällungsreaktion) wird Metall in Salz umgewandelt. Der Prozess wird als Konversion bezeichnet. Der Begriff stammt aus der lateinischen Sprache und bedeutet formal übersetzt Umwendung oder Umkehr. Die Schicht, die sich gebildet hat, ist eine Konversionsschicht.

Die Konversionsschicht stellt einen temporären Korrosionsschutz dar. Sie ist die Voraussetzung dafür, dass im Anschluss aufgebrachte Farben oder Lacke fest haften und verhilft ihnen zur Bildung einer gleichmäßigen, dichten Schicht.

Konversionsverfahren

Der Aufbau einer Konversionsschicht erfolgt durch Brünieren, Phosphatiren, Chromatieren oder durch chromfreie Verfahren. Die Methoden unterscheiden sich vor allem durch die eingesetzten Chemikalien. Von diesen Stoffen hängen die Eigenschaften und die Dicke der erzeugten Konversionsschichten ab. Der Prozess erfolgt in drei Schritten. Zuerst werden die Oberflächen gründlich gesäubert. Fette, Öle, Zunder oder Rost würden die Schichtbildung stören oder verhindern. Die Reinigungslösung wird gründlich entfernt. Den Abschluss der Wäsche bildet Spülen mit vollentsalztem Wasser.

Die sauberen Oberflächen werden durch Spritz- oder Tauchverfahren mit der Behandlungslösung in Kontakt gebracht. Hierbei sind für jedes Konversionsverfahren vorgegebene Temperaturen und Verweilzeiten zu beachten. Im letzten Schritt werden die Reste der Behandlungslösungen durch mehrmaliges Spülen entfernt. Durch diesen Prozess werden alle Oberflächenbereiche von Bauteilen, auch Innenseiten und Bohrungen, erreicht. Die Teile werden zuvor komplett fertiggestellt und als Ganzes behandelt. Durch eine spätere mechanische Bearbeitung könnte die Schicht zerstört werden.

Dünnschichttechnik mit chromfreien Behandlungslösungen

Die Behandlungslösungen bei der Dünnschichttechnik sind Elektrolyte. Sie bestehen aus Wasser, in dem die benötigten Chemikalien gelöst sind. Weite Verbreitung finden die seit langem bekannten Konversionsverfahren mit wässriger Phosphatlösungen. Dabei werden abhängig vom konkreten Phosphatierungsverfahren Schichtdicken von 0,15 bis 20 µm erreicht. In der Vergangenheit wurden überwiegend Chromelektrolyte zum Aufbau von Konversionsschichten verwendet. Dabei wird zwischen Gelbchromatierung mit Chrom (IV)- und Grünchromatierung mit Chrom (III)-Ionen unterschieden. Chrom (IV)-Verbindungen sind giftig und erbgutverändernd. Deshalb werden sie nur noch in absoluten Ausnahmefällen eingesetzt.

Die Chromatschichten haben eine Dicke von 0,01 bis 1,25 µm. Die herkömmlichen Verfahren sind mit hohen Belastungen der Umwelt und damit auch mit hohen Kosten für Umwelt- und Arbeitsschutz verbunden. Deshalb wurden chromfreie Behandlungslösungen entwickelt. Die beim chromfreien Konversionsverfahren eingesetzten Elektrolyte basieren auf Titan- und Zirkoniumverbindungen und führen zu Schichtdicken von 0,02 bis 0,05 µm. Das sind 20 bis 50 nm. Deshalb werden diese Methoden der Nano-Technologie zugeordnet.

Einige Vorbehandlungsmethoden der Dünnschichttechnik mit chromfreien Behandlungslösungen erfordern keine Spülvorgänge vor den nachfolgenden Prozessen. Diese werden als no-rinse-Verfahren bezeichnet. Sind Spülvorgänge nach dem Aufbau der Konversionsschicht notwendig, handelt es sich um rins-Verfahren.

Vorteile der Dünnschichttechnologie

• Ein wesentlicher Vorteil der Dünnschichttechnologie ist die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens, die aus der Unbedenklichkeit der eingesetzten Chemikalien und dem wesentlich geringeren Anfall von Schlamm resultieren. Daraus ergeben sich reduzierte Kosten für Wartung, Instandhaltung und Abfallentsorgung.
• Da die Dünnschichttechnologie schon bei Temperaturen ab 25 °C durchführbar ist, sind auch die Kosten für den Energieverbrauch niedriger als bei den anderen Verfahren.
• Bei der Erzeugung dünnerer Schichten ist zwangsläufig der Verbrauch an Chemikalien geringer.
• Die Oberflächenvorbehandlung auf der Grundlage der Dünnschichttechnik ist für unterschiedliche Metalle geeignet, während die anderen Verfahren in der Regel speziell auf einzelne Werkstoffe abgestimmt sind. Diese Eigenschaft wird auch als Multimetallfähigkeit bezeichnet.

Anwendungsbereiche der Dünnschichttechnik

Die Dünnschichttechnik wird vor allem zu Vorbehandlung der Metalle für Pulver- und Nasslackbeschichtungen eingesetzt. Diese Beschichtungen dienen hauptsächlich dem dauerhaften Korrosionsschutz. In vielen Fällen steht zusätzlich die dekorative Gestaltung im Mittelpunkt.

Maschinenbau

Ein großes Anwendungsgebiet bildet der Maschinenbau in zahlreichen Sparten. Vor allem Landmaschinen, Baumaschinen und Flurförderfahrzeuge sind im rauen Betrieb hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die Oberflächen der Bauteile müssen außerdem den Witterungsbedingungen standhalten. Die Vorbehandlung hat einen hohen Stellenwert für die Haltbarkeit der Farbschicht. Nimmt die Lackierung bei unsanfter Behandlung an einigen Stellen Schaden, verhindert die Konversionsschicht das Unterwandern der Lackschicht durch Rost. Auch die Verkleidungen von Maschinen und Schaltschränken werden von den dünnen Konversionsschichten besser vor dem Verrosten geschützt.

Fahrzeugbau

Im Automobilbau und im Schienenfahrzeugbau setzt das Verfahren beispielsweise an den zur Verkleidung eingesetzten Blechen dem Rost Widerstand entgegen. Die Verkleidungen sind aus gestalterischen Gründen und zur Verbesserung der Stabilität oft mit Biegungen versehen. Sicken bilden verstärkt Angriffspunkte für die Korrosion, da sich das Metall an diesen Stellen vom umgebenden Material unterscheidet. Die Dünnschichttechnik gleicht diesen Effekt wirksam aus.

Bauwesen

Sowohl im Innen- als auch Außenbereich von Gebäuden befinden sich Teile aus Metall. Die Dünnschichttechniken sorgen für die Haltbarkeit der Farbe von Geländern, Konstruktionselementen und Heizkörpern. Ein Abblättern und Verwittern wird langfristig vermieden. Das Design behält seine Wirkung.

Möbelindustrie

In der Möbelindustrie wird die Dünnschichttechnik für die Gestaltung von Gestellen und Griffen genutzt. Häufiges Anfassen und gelegentliches Anstoßen hinterlassen weniger Spuren, wenn die Farbe fest am Untergrund haftet und eine stabile Schicht bildet. Dazu verhilft ihr die sorgfältige Vorbehandlung der Oberflächen.

Fahrräder

Mit der Entwicklung der E-Bikes und der Erhöhung des Umweltbewusstseins erfreuen sich Fahrräder immer größerer Beliebtheit. Vor allem für Rahmen und Schutzbleche bildet die korrosionshemmende und farbhaftungsfördernde Dünnschicht einen wirksamen Schutz der Metalle gegen den Einfluss von Nässe und Schmutz.