Phosphatieren mit Eisen, Zink und Mangan

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Mit dem Begriff Phosphatieren werden Verfahren der Oberflächentechnik bezeichnet, mit denen auf Metalloberflächen aus Eisen, Zink oder Aluminium definierte Schutzschichten erzeugt werden. Diese Schichten sind elektrisch isolierend. Sie tragen zum Korrosionsschutz, zur Verbesserung der Lackhaftung oder zur Verringerung von Verschleiß bei. Der vorgesehene Einsatz der Metallteile und die Art des Metalls bestimmen, welche dieser Aufgaben erfüllt werden sollen und welche Mittel eingesetzt werden.

Grundlagen des Phosphatierens

Phosphate

Phosphate sind Salze der Phosphorsäure. Phosphorsäure besteht aus drei Wasserstoffionen und einem Phosphation. Die chemische Formel lautet H₃PO₄. Bei der Bildung der Salze werden ein, zwei oder alle Wasserstoffionen durch andere Ionen ersetzt. Entsprechend entstehen primäre, sekundäre oder tertiäre Phosphate. Einige Phosphate sind in Wasser schwer oder gar nicht löslich. Werden sie bei einer chemischen Reaktion in einer wässrigen Lösung gebildet, fallen sie als feste Stoffe aus. Dieser Vorgang wird beim Phosphatieren für die Herstellung von Konversionsschichten genutzt. Eine Konversionsschicht entsteht durch die chemische Umwandlung der oberflächennahen Werkstoffbereiche.

Aktivierung

Um ein Metall zu phosphatieren, wird es zunächst aktiviert. Das bedeutet, es wird in einen Zustand versetzt, der es zu einer chemischen Reaktion befähigt. Durch den Kontakt des Werkstoffs mit einem sauren oder alkalischen Medium lösen sich Metallionen aus der Oberfläche. Sie können dann mit Bestandteilen der Lösung Verbindungen eingehen. Häufig werden für die Aktivierung verdünnte Phosphorsäureverbindungen oder spezielle Verbindungen, die wie Impfkristalle wirken, verwendet.

Schichtbildung

Die gelösten Metallionen reagieren mit den Bestandteilen der Behandlungslösung. Beim Phosphatieren entstehen Phosphate, die sich zu Kristallgittern ordnen und auf der Oberfläche absetzen. Die Kristalle wachsen solange, bis ihr Wachstum durch benachbarte Kristalle gebremst wird. Sie bilden eine dichte Schutzschicht, die verhindert, dass weitere Ionen des Werkstoffs in die Lösung über gehen. Bei starker Vergrößerung ähnelt die äußere Kontur dieser Schicht einem mit feinem Kies bestreuten Untergrund. Die Zusammensetzung der Phosphatschicht hängt von den Bestandteilen der Behandlungslösung und von den Reaktionsbedingungen ab.

Die Oberflächenbehandlung unterscheidet zwischen schichtbildenden und nicht schichtbildenden Verfahren. Bei dem nicht schichtbildenden Vorgehen liefert die Behandlungslösung nur das Phosphation, das sich mit den Ionen aus dem Werkstoff verbindet. Die schichtbildenden Reagenzien bringen darüber hinaus weitere Metallionen, wie Zink, Kalzium, Nickel, Magnesium, Titan oder Mangan mit.

Verfahrenstechnische Umsetzung

Die verfahrenstechnische Umsetzung erfolgt durch Spritzen der Behandlungslösung auf die Werkstoffoberfläche oder durch Tauchen der Teile in Bäder. Dabei entscheiden die Reaktionsbedingungen über die Zusammensetzung, Form und Dicke der Konversionsschicht. Zu den Reaktionsbedingungen gehören, die Konzentrationen der Bestandteile der Behandlungslösung, der pH-Wert und die Temperatur. Eine weitere Einflussgröße ist die Verweilzeit, in der die Behandlungslösung und die Oberfläche miteinander in Kontakt sind. Eine Anlage zum Phosphatieren besteht aus mehreren Stationen, die die Teile durchlaufen. Zu Beginn der Arbeiten muss die Oberfläche von anhaftenden Korrosionsprodukten, Zunder und Ölen oder Fetten gereinigt werden, damit sich eine gleichmäßige Beschichtung ausbilden kann.

Dabei geschieht meistens gleichzeitig die Aktivierung des Werkstoffs. Nach dem Phosphatierungsprozess müssen die Teile gründlich gespült werden. Andernfalls würden Reste der Behandlungslösung antrocknen und Salzkrusten bilden. Der letzte Schritt ist die Spülung mit vollentsalztem Wasser. Auf der Grundlage der eingesetzten Wirkstoffe wird bei den Phosphatierverfahren zwischen Eisenphosphatieren, Zinkphosphatieren und Manganphosphatieren unterschieden.

Eisenphosphatierung

Die Eisenphosphatierung wird eingesetzt, um Bleche und andere Bauteile gegen Korrosion zu schützen und eine Grundlage für die Lackierung zu erzeugen. Mit dieser Art des Phosphatierens lassen sich Eisen, Zink und Aluminium behandeln. Da die Aktivierung und die Phosphatierung in einem Arbeitsgang von statten gehen können, ist diese Art der Beschichtung besonders kostengünstig und flexibel. Die Beschichtung erfolgt bei Temperaturen zwischen 25 °C und 65 °C bei pH-Werten von 4 bis 6. Es bilden sich Schichten mit einem Gewicht von 0,2 bis 0,8 g/m².

Zinkphosphatierung

Die Zinkphosphatierung eignet sich für Teile aus Eisen, verzinktem Eisen und Aluminium. Die Schichten bilden einen noch höheren Korrosionsschutz als diejenigen, die durch die Eisenphosphatierung erzeugt werden. An der Schichtbildung sind Zink, Kalzium und zuweilen auch Eisen, Nickel oder Mangan beteiligt. Das Verfahren wird bei Temperaturen von 35 bis 80 °C und pH-Werten von 2,2 bis 3,2 durchgeführt. Die Zinkphosphatniederschläge erreichen Gewichte von 1,5 bis 30 g/m².

Manganphosphatierung

Für eine Beschichtung von Oberflächen aus Stahl ist die Phosphatierung mit Mangan geeignet. Dabei werden nichtmetallische Trenn- und Verschleißschichten erzeugt, die einen hervorragenden Einlaufschutz für Motoren und Getriebe bilden. Nach dem Manganphosphatieren werden die Teile in der Regel in ein Ölbad getaucht. Manganphosphatschichten werden bei Temperaturen zwischen 90 und 95 °C erzeugt. Der pH-Wert liegt dabei im Bereich von 2,2 bis 2,4. Es werden Schichtgewichte von 10 bis 25 g/m² erreicht.

Vergleich zu anderen Methoden der Oberflächentechnik – Brünieren

Die Oberflächentechnik umfasst vielfältige Verfahren und Techniken, mit denen die Eigenschaften von Werkstückoberflächen gezielt verändert werden. Neben mechanischen Vorgehen, die mit einem Abtrag des Materials einhergeht und Beschichtungsverfahren, bei denen fremdes Material aufgetragen wird, findet Oberflächenbehandlung zur Erzeugung von Konversionsschichten ein großes Anwendungsgebiet.

Die bekanntesten Methoden aus dieser Gruppe sind das Chromatieren, das Phosphatieren, chromfreie Verfahren und das Brünieren. Beispielhaft soll hier der Vergleich von Phosphatieren und Brünieren erfolgen.

Eigenschaften der Schutzschicht

Die Phosphatschichten sind feinkristallin und bestehen aus Eisen- Zink- oder Manganphosphat. Gelegentlich enthalten sie Anteile von Kalzium, Magnesium oder auch Nickel. Sie haben eine Dicke von bis zu 10 µm (im Einzelfall bis 20 µm). Das ist bei eng tolerierten Passungen zu berücksichtigen. Die unregelmäßige Kontur der Schicht bewirkt, dass Korrosionsschutzöle gut haften bleiben und sich bei der Handhabung der Teile nicht abwischen lassen. Die Schichten, die bei der Brünierung entstehen, sind amorph. Die Moleküle bilden ein ungeordnetes gleichmäßiges Gefüge. Sie bestehen aus Eisenoxiden.

Die Schichtstärken liegen bei ca. 1 µm. Da der Materialabtrag gleich dem Materialzuwachs ist, bestehen keine Probleme bei Passungen. Deshalb wird dieses Verfahren bei Werkzeugen, Maschinenteilen und Waffen angewendet, bei denen außer dem Korrosionsschutz die Maßhaltigkeit entscheidend ist. Die ursprüngliche Oberflächenstruktur des Werkstoffs bleibt erhalten. Der Korrosionsschutz einer Brünierschicht ist geringer als der einer Zink- oder Manganphosphatschicht. Öle zur Verbesserung des Korrosionsschutzes haften auf den glatten Flächen nur mäßig. Brünierschichten sind dunkel-grau bis nahezu schwarz, aber auch mit Manganphosphatschichten werden sehr dunkle Schichten erhalten, die zudem gute Verschleißeigenschaften zeigen.

Prozessparameter

Das Phosphatieren erfolgt bei Temperaturen von 35 bis 95 °C. Die Einwirkdauer der Behandlungslösung liegt zwischen 2 und 15 Minuten, bei Inline-Verfahren auch deutlich darunter. Beim Brünieren werden Temperaturen von 120 bis 150 °C benötigt. Das Arbeiten mit hochkonzentrierten Brüniersalzlösungen (Hauptbestandteile sind Ätznatron, Natriumnitrit und/oder Natriumnitrat) bei den erforderlichen hohen Temperaturen stellt besondere Anforderungen an die Arbeitssicherheit. Die Lösung muss 5 bis 20 Minuten einwirken.