Kluthe Magazin
Konversion bedeutet Umwandlung. Eine Konversionsschicht ist nach dieser Definition also nichts anderes als eine umgewandelte Schicht. Doch was wird umgewandelt und wie genau? Erfahren Sie mehr.
Was versteht man unter einer Konversionsschicht genau?
Als Konversionsschicht wird in der Oberflächentechnik eine sehr dünne Schicht bezeichnet, die durch chemische oder elektrochemische Reaktion auf der Oberfläche von Metallen erzeugt wird. Bei der Konversion reagieren entweder Metallionen aus der Oberfläche mit der behandelnden Lösung oder es lagern sich anorganische Schichten auf der Metalloberfläche ab. Diese sind fest mit dem darunter liegenden Metall verbunden. Die Ausbildung der Schicht ist ein wichtiger Schritt in der Oberflächenvorbehandlung, denn diese sorgt für eine gute Lackhaftung und garantiert gleichzeitig einen guten Korrosionsschutz.
Typische Verfahren für die Bildung einer Korrosionsschicht sind die Eisenphosphatierung, die Zinkphosphatierung sowie die Trikationphosphatierung. Neuere Verfahren nutzen Titaniumfluoride oder Zirkoniumfluoride, die in Verbindung mit Spezialpolymeren für eine optimale Lackhaftung sorgen. Diese ersetzen die noch vor einigen Jahren eingesetzten Chrom(VI)-Vebindungen, welche heutzutage aufgrund ihrer Toxizität und des hohen Gefährdungspotenzials nicht mehr eingesetzt werden. Unbedenklich sind dagegen Konversionsverfahren, die Chrom(III)-Verbindungen einsetzen, da diese als unbedenklich eingestuft sind.
Wie werden Konversionsschichten erzeugt?
Welches Verfahren zur Beschichtung ausgewählt wird, hängt vor allem davon ab, welches Metall beschichtet wird. Typische Metalle sind Stahl, Aluminium und Magnesium, deren Oberflächen vor einer Lackierung oder Pulverbeschichtung mit einer Konversionsschicht versehen werden. Für deren Bildung stehen in der Oberflächentechnik verschiedenen Verfahren zur Verfügung. Zu den wichtigsten gehört die Phosphatierung, die weiter in Eisen-, Zink- und Trikation-Phosphatierung unterschieden werden kann. Weitere Verfahren sind die Passivierung sowie anodische Oxidationsverfahren.
Die Alkali- oder Eisenphosphatierung
Die Alkali- oder Eisenphosphatierung wird hauptsächlich für die Beschichtung von Eisen- oder Stahloberflächen eingesetzt, aber auch die Behandlung von Zink- oder Alumiumlegierungen ist mit dieser Methode möglich. Die Konversionsschichten werden durch folgende, teilweise nebeneinander ablaufende Reaktionen gebildet. Das saure Phosphatiermedium löst aus der Metalloberfläche Eisenionen heraus. Diese reagieren wiederum mit den in Lösung befindlichen Alkaliphosphaten zu verschiedenen unlöslichen Eisenphosphaten, die sich auf der Metalloberfläche niederschlagen. Dabei bildet sich ein amorphes Gemisch aus verschiedenen Eisenoxiden, Hydroxiden und Eisenphosphaten.
Schichten, die durch Eisenphosphatierung entstehen, haben typischerweise eine Schichtdicke zwischen 0,15µm und 0,8µm. Der amorphe Aufbau führt dazu, dass die Oberflächen sehr unterschiedliche Färbungen aufweisen, die von gelb über blau-irisierend bis zu golden oder grau reichen. Die Eisenphosphatierung wird vor allem für lackierte Metalloberflächen eingesetzt, die später in Innenräumen genutzt werden. Für Oberflächen, die starken Witterungseinflüssen oder Feuchtigkeit ausgesetzt sind, sind auf diese Weise erzeugte Schichten nicht geeignet. Da sich die Beschichtung der “eigenen” Ionen aus der Metalloberfläche bedient, wird diese Art der Schichtbildung auch als “arteigene” Konversionsschicht bezeichnet.
Die Zinkphosphatierung – “artfremde” Schichten schützen die Metalloberfläche
Im Gegensatz zur Eisenphosphatierung bilden sich bei der Zinkphosphatierung die Konversionsschichten durch Reaktion von Zink und anderen Metall-Ionen aus der Lösung mit dem Phosphatanionen – daher der Begriff der “artfremden” Schicht. Die als Zinkphosphatierlösung eingesetzte Mischung enthält hauptsächlich primäres Zinkphosphat sowie Phosphorsäure und sogenannte Beschleuniger. Dabei handelt es sich beispielsweise um Chlorat, Nitrat oder Nitrit, um Hydroxylamin oder Nitroguanidin. Diese, auch bei der Eisenphosphatierung eingesetzten Verbindungen, verhindern die Blockierung der Metalloberfläche durch Wasserstoffblasen, die während der chemischen Reaktionen gebildet werden können. Im Gegensatz zu den amorphen Konversionsschichten, die typisch für die Eisenphosphatierung sind, bilden sich bei der Zinkphosphatierung kristalline Schichten, vor allem aus tertiärem Zink- und Zinkeisen-Phosphat, auf der Metalloberfläche aus. Deren Schichtdicke liegt zwischen 8µm und 20µm und damit um einiges höher als bei einer Eisenphosphatierung. Dies hat beispielsweise eine bessere Korrosionsbeständigkeit zur Folge.
Die Trikationenphosphatierung – weitere Kationen ersetzen Eisenionen für die Ausbildung einer Schutzschicht
Diese Methode der Phosphatierung wird vor allem für verzinkte Bleche eingesetzt, aus deren Oberfläche keine Eisenionen herausgelöst werden können. Stattdessen werden der Phosphatierungslösung geeignete Kationen zugesetzt, wie Mangan, Calcium, Kupfer oder Magnesium. Diese bilden Schichten auf der Oberfläche des Metalls und schützen damit vor Korrosion und bereiten für die anschließende Oberflächenbehandlung vor.
Passivierung – eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung einer schützenden Konversionsschicht
Aluminium ist ein wichtiger Werkstoff, beispielsweise für die Luftfahrtindustrie. Eine Möglichkeit, dieses Metall vor Korrosion zu schützen, ist die Passivierung. Dieses Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung sollte nicht mit der sogenannten Gelb- oder Grünchromatierung verwechselt werden. Dies sind Verfahren, die giftige Chrom(VI)-Verbindungen eingesetzt haben und heutzutage nicht mehr genutzt werden. Bei der Passivierung reagiert Chrom(III) mit dem Aluminium und es bilden sich schwerlösliche Chrom(III)oxide auf der Metalloberfläche. Auch hier bilden sich somit Konversionsschichten, die das darunter liegende Metall vor Korrosion schützen und gleichzeitig für eine gute Lackhaftung sorgen. Nicht nur Aluminium, auch Zink oder Zinklegierungen können durch das Passivierungsverfahren gut geschützt werden.
Anodische Oxidation – eine Alternative zur Passivierung
Aluminiumoxidschichten die als schützende Konversionsschichten dienen, können nicht nur auf chemischem, sondern auch auf elektrochemischem Weg erzeugt werden. Dabei wird das Metall, in diesem Fall Aluminium, in eine Elektrolytlösung getaucht und als Anode geschaltet. Während der Elektrolyse entsteht Sauerstoff. Dieser reagiert mit dem Aluminium unter Bildung von Aluminiumoxid, welches als dünne Lage das darunter liegende Metall schützt. Die Schichtstärke kann über die Stromstärke, Zeitdauer, die Temperatur sowie die Säurekonzentration der Elektrolytlösung beeinflusst werden. In der Praxis hat sich eine Schichtstärke zwischen 5µm und 8µm als gut geeignet erwiesen.
Was bringt die Zukunft?
Es wird immer wieder an neuen Verfahren geforscht. Diese nutzen anorganische Verbindungen, wie Titan- oder Zirkoniumverbindungen und organische Polymere. Titan bzw. Zirkonium bilden eine chemische Verbindung mit der Metalloberfläche. Diese Konversionsschicht ist aber sehr viel dünner als die konventionellen Varianten. Als zweite Komponente kommen organische Polymere dazu. Gemeinsam wird eine hybride Schicht aus organisch – anorganischen Bestandteilen geformt. Bei Aluminium wurde dieses System bereits ausgetestet. Die gebildete Schicht ist sehr dünn und liegt im Nanometerbereich, zeigt aber trotzdem eine sehr gute Lackhaftung.
Bevor ein Metall seinen letzten Schliff bekommt durch eine schöne Lackierung, muss es verschiedene Schritte durchlaufen. Ein wichtiger Prozess innerhalb der Oberflächenvorbehandlung ist die Bearbeitung der Metalloberfläche. Die Konversionsschicht spielt dabei eine sehr wichtige Rolle – sowohl was die Lackhaftung als auch den Korrosionsschutz angeht. Durch die Abstimmung von Metall und Oberflächentechnik wird das beste Ergebnis erzielt – in Zukunft sicherlich mit neuen Anwendungen aus der chemischen Nanotechnologie.
