Phosphatierung
Die Phosphatierung ist ein weit verbreitetes Verfahren in der Oberflächentechnik, bei dem durch chemische Reaktionen von metallischen Oberflächen mit wässrigen Phosphat-Lösungen eine sogenannte Konversionsschicht aus fest haftenden Metallphosphaten gebildet wird. Die Phosphatierung wird meist bei Stahl angewandt, kann aber auch für verzinkte oder cadmierte Stähle und Aluminium verwendet werden. Hauptanwendungsbereiche sind Korrosionsschutz, Haftvermittlung, Reib- und Verschleißminderung sowie elektrische Isolation. Phosphatieren ist auch unter verschiedenen Markenbezeichnungen wie Bondern, Atramentieren oder Parkerisieren bekannt.
Arten
Es gibt mehrere Arten der Phosphatierung, die sich hauptsächlich dadurch unterscheiden, welches Material – abgesehen von den Phosphaten – in die Schutzschicht eingebaut wird
Eisenphosphatieren
Das einfachste Verfahren ist das Eisenpohsphatieren. Das Eisen wird chemisch aus dem Werkstoff selbst entnommen und zusammen mit den Phosphaten wieder eingebaut. Daher wird es als Nicht-Schichtbildendes Verfahren bezeichnet.
Zinkphosphatieren
Die Zinkphosphatierung bietet einen höheren Korrosionsschutz als die Eisenphosphatierung und verbessert die Lackhaftung erheblich, sowohl auf blankem als auch auf verzinktem Stahl. Außerdem bilden sich Poren, die ausgezeichnet Korrosionsschutzöle aufnehmen. Die Schicht ist hell- bis mittelgrau und matt.
Manganphosphatieren
Die Manganphosphatierung erzeugt eine reibungsreduzierende Schicht, die sehr aufnahmefähig für Öl ist, sodass sie beispielsweise für Gleitlager und Buchsen verwendet wird. Der Korrosionsschutz kann nahe an den von Zinkphosphat heranreichen. Die Schicht ist dunkelgrau bis schwarz und matt und ein sehr guter Haftgrund für Lacke.
Weitere Arten
Weniger Bedeutung haben die Zirkonium- und die Titanphosphatierung. Bei allen Arten können weitere Stoffe (z. B. Kalzium) hinzugefügt werden, um die Eigenschaften zu verändern.
Ausführung
Bei der Phosphatierung erfolgt zunächst ein Beizangriff auf den Grundwerkstoff, bei dem Metallkationen unter Wasserstoffentwicklung in Lösung gehen und die natürlich Oxidschicht auf dem Metall entfernt wird. Dann erfolgt die Schichtbildung durch Ausfällung schwerlöslicher Phosphate. Je nach Art der Lösung kann es sich dabei um Eisen-, Zink- oder Manganphosphatschichten handeln. Bei der nichtschichtbildenden Phosphatierung stammen die an der Schichtbildung beteiligten Metallkationen aus dem Grundwerkstoff, die Metallkationen aus der Phosphatlösung sind nicht am Schichtaufbau beteiligt. Bei der schichtbildenden Phosphatierung erfolgt der Schichtaufbau durch Metallkationen aus der Phosphatlösung, zusätzlich können Metallkationen aus dem Grundwerkstoff beteiligt sein. Die Schichtdicken reichen von einigen hundert Nanometern bei der Eisenphosphatierung bis zu zwei Mikrometern und mehr bei Zink- und Manganphosphatierungen. Die Phosphatiertechnologie ist der Schlüssel zur Langlebigkeit von Metallen. Vor dem Beschichten von Metallstrukturen mit einer Farb- und Lackzusammensetzung wird die Oberfläche einer speziellen Behandlung mit einer Mischung von Phosphatsalzen unterzogen. Qualitativ durchgeführte Phosphatierung sichert die Haltbarkeit der Außenbeschichtung und schützt den Untergrund vor Korrosion. Dank des Phosphatfilms wird die Haftung des Lacks auf dem Grundwerkstoff erhöht und die Korrosion des Unterfilms aufgrund von Lackschäden deutlich verlangsamt.
Anwendungen
Die große Bedeutung des Phosphatierens rührt von verschiedenen Eigenschaften der Phosphatschicht her. Die Phosphatschicht haftet sehr gut auf dem Untergrund und erlaubt durch die mikroporöse beziehungsweise mikrokapillare Schichtstruktur eine gute Verankerung nachfolgender Beschichtungen. Deswegen werden Phosphatschichten sehr oft als Untergrund für Beschichtungen verwendet. Zusätzlich erschwert sie die Unterrostung an schadhaften Stellen der Beschichtung. Phosphatschichten alleine bieten einen brauchbaren temporären Korrosionsschutz, der für das Lagern vor einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt oft ausreicht. Zinkphosphatschichten sind Eisenphosphatschichten in der Schutzwirkung überlegen. Der Korrosionsschutz der Phosphatierung kann durch Einölen oder Wachsen verbessert werden. Die Phosphatschichten haben gute Gleiteigenschaften. Dies wird bei der Kaltumformung von Stahl ausgenutzt. Hier werden aufgrund der leichten Abscherbarkeit Zinkphosphatschichten eingesetzt. Letztere können mit den häufig als Schmierstoff eingesetzten Alkaliseifen zu Zinkseifen reagieren und dadurch ein fest haftendes und thermisch höher belastbares Schmierstoffsystem bilden. Manganphosphatschichten werden zur Verschleißminderung von hochbelasteten Gleitpartnern verwendet. Sie sollen den Verschleiß beim Einlaufen gering halten und ein Festfressen bei kurzzeitigem Schmierstoffmangel verhindern. Der hohe elektrische Widerstand von Phosphatschichten wird bei Elektroblechen für Magnetkerne ausgenutzt, um sie mit einer dünnen Trennschicht gegeneinander zu isolieren.
Für die Befestigung von gipshaltigen Materialien im Innenausbau z. B. für Gipskartonplatten werden phosphatierte Schrauben verwendet, die nicht chemisch mit Gips (Calciumsulfat) reagieren. Unbehandelte oder verzinkte Schrauben können korrodieren und Rostflecken verursachen.
Umwelt
Unter ökologischen Gesichtspunkten werden Phosphatierungen kritisch gesehen, da z. B. anfallende Verfahrensschlämme und -abwässer als Sondermüll entsorgt werden müssen. Phosphatfreie Konversionsschichten für Automobillackierungen befinden sich in der Entwicklung.
Siehe auch
Literatur
- Eintrag zu Phosphatieren. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag
- Willi Machu: Die praktische Durchführung der Phosphatierung. In: Nichtmetallische Anorganische Überzüge. Springer-Verlag, 1952, Kap. 40, S. 247–258, doi:10.1007/978-3-7091-5060-3_40.
- Jürgen Rudolph, Rich Mole, Erik Ehinger, Mark Simpson: Ersatz für die Zinkphosphatierung. In: JOT Journal für Oberflächentechnik. Band 48, Nr. 4, April 2008, S. 16–20, doi:10.1007/BF03240235.
Weblinks
- Phosphatieren von Stahl und Zink (abgerufen am 18. Juni 2020)
- Die Phosphatierung von Metallen (abgerufen am 18. Juni 2020)
- Eigenschaften der Beschichtungen (abgerufen am 18. Juni 2020)
- Chemische Oxidation Chromatieren Phosphatieren von Alu (abgerufen am 18. Juni 2020)
- Verfahren zur Phosphatierung elektrolytisch verzinkter Metallwaren. (abgerufen am 18. Juni 2020)