(1) Die Schichten
Phosphatieren (früher gelegentlich auch Bondern oder Parkerisieren genannt) ist eine Oberflächenbehandlung für vorzugsweise Stahl- und Eisenteile. Es können aber auch z. B. Zink und in besonderen Fällen einige andere Nichteisenmetalle phosphatiert werden.
Beim Phosphatieren wird eine schwerlösliche Metallphosphatschicht auf der Oberfläche ausgebildet.
Dabei wird unterschieden zwischen verschiedenen Phosphatierungsarten, insbesondere Eisenphosphat, Zinkphosphat und Manganphosphat. Darunter gibt es verfeinernde Sondervarianten, wie beispielsweise Zink-Calcium-Phosphat, Trikationenphosphat.
Während das Eisenphosphat als einziges nicht schichtbildendes Verfahren durch Einwirkung von freier Phosphorsäure und saurem Alkaliphosphat auf den Eisenwerkstoff eine amorphe Konversionsschicht bildet und vorwiegend als grundierender Zwischenschritt vor anderen Beschichtungsprozessen wie z. B. Lackierungen eingesetzt wird, sind die übrigen Phosphatierungen klassische schichtbildende Verfahren.
Beim Eisenphosphat stammen die Kationen zum Schichtaufbau vom Grundwerkstoff und in der wässrigen Prozesslösung befinden sich nur die Phosphatanionen.
Bei den schichtbildenden Phosphatierungen beinhaltet die wässrige Prozesslösung Phosphatanionen und Metallkationen. Zusätzlich können Metallkationen vom Grundwerkstoff mit eingebaut werden.
Die häufiger nachgefragten schichtbildenden Phosphatierungen werden von uns ausnahmslos auf modernen Produktionsautomaten im Tauchverfahren angeboten sowie auf Wunsch zusätzlich produktspezifisch angepasst.
(1a) Zinkphosphat / ZnPh
Beim Zinkphosphat steht der Korrosionsschutz im Vordergrund, welcher durch den enthaltenen Zinkanteil erhöht wird. Ebenso eignen sich die zwischen den Kristallen vorhandenen Poren ausgezeichnet zur verstärkten Aufnahme diverser Korrosionsschutzöle.
Zinkphosphat ist aber auch als Gleitschicht geeignet.
Besonders bei der spanlosen Umformung wird ihm der Vorzug vor Manganphosphat gegeben, weil dort verwendbare Alkaliseifen mit dem Zinkphosphat reibungssenkende Zinkseifen bilden.
Die Schicht ist hell- bis mittelgrau und matt. Sie wächst grob- bis feinkristallin auf und lässt sich auch bei geringen Schichtdicken von wenigen Mikrometern noch kontrollieren. Die Schichtdicken liegen üblicherweise im Bereich von 3 bis 10 µm.
Die Feinkörnigkeit bzw. die Kristallgröße der Schicht lässt sich besonders gut steuern, indem neben geeigneter Wahl der Prozessparameter beispielsweise besondere Beschleunigersysteme oder Calcium (Zink-Calcium-Phosphat) der Phosphatierlösung für Feinkörnigkeit zugegeben wird. Der Einsatz spezieller Voraktivierungssysteme wird auch häufig verwendet, um speziellen Einfluss auf die Schichtbildung auszuüben.
(1b) Manganphosphat / MnPh
Beim Manganphosphat stehen belastbare Gleiteigenschaften im Vordergrund.
Die Schicht wirkt reibungsreduzierend und ist sehr aufnahmefähig für Öl, so dass sie beispielsweise für Gleitlager und Buchsen verwendet wird. Für hochbelastete Gleitpartner wird ihr der Vorzug vor den anderen Phosphatierungen gegeben.
Sie hat zusätzlich einen von dem verwendeten Öl abhängigen guten Korrosionsschutz, der nahe an Zinkphosphat heranreichen kann.
Bei den in der heutigen Zeit verwendeten Phosphatiersystemen ist der Korrosionsschutz beider Schichten nahezu identisch.
Manganphosphat wächst eher feinkristallin auf und ist mittels Verwendung heutiger Phosphatiersysteme auch in Bereichen von 2 bis 3 µm Schichtaufbau möglich, was bei früher verwendeten Substraten nur schwer unterhalb von etwa 5 μm Dicke gleichmäßig gelang.
Das Verwenden einer Voraktivierung (Vorspüllösung zur Keimablagerung) ist hier nahezu zwingend, was beim Zinkphosphatieren nicht der Fall ist.
Das Abscheiden auch dickerer Schichten Manganphosphat ist durch spezielle Einstellungen der Phosphatierlösung in Abhängigkeit des zu behandelnden Phosphatiergutes ebenfalls möglich.
Die Gleiteigenschaften verbessern sich jedoch nicht durch zu dicke Schichten, weswegen meist wie beim Zinkphosphat ein Bereich von 3 bis 10 µm sinnvoll ist. Die Schicht ist dunkelgrau bis schwarz und matt.
(2) Die Schichtdicke und das Flächengewicht
Bei den schichtbildenden Phosphatierungen wird vorzugsweise nicht die Schichtdicke in Mikrometer spezifiziert, sondern das Flächengewicht angegeben. Dies hat damit zu tun, dass die Schichten relativ weich und porös sind. Bei einer mechanischen Messung mit Messtaster verringert bereits der Messtasterandruck die zu messende Dicke. Ebenso verändert sich die Dicke im Einsatz bei aufgebrachter Belastung. Daher werden für nachprüfbare Spezifikationen besser Flächengewichte angegeben (siehe auch DIN EN 12 476).
Nur als Anhaltswert haben wir jedoch angegeben, dass die üblichen und meistverwendeten Schichten im unbelasteten Herstellungszustand Schichtdicken meist zwischen etwa 5 und 15 μm haben.
Dabei sind Lackgrundierungen deutlich unter 10 µm (i.d.R. 0,5 bis 5 µm) und ölaufnehmende korrosionshemmende Schichten im Bereich von ca. 10 µm angesiedelt.
Es gilt für die Flächengewichte:
- Manganphosphat, wahlweise etwa 5–30 g/m², als Dünnschicht ab 2 g/m²,
- Zinkphosphat, wahlweise etwa 5–30 g/m², als Dünnschicht ab 2 g/m²,
- in beiden Fällen sind darüberhinausgehende noch höhere Flächengewichte auf Wunsch für spezielle Anwendungen realisierbar,
- Zink-Calcium-Phosphat, etwa 2–20 g/m².
Zum Vergleich:
- Eisenphosphat, etwa 0,3–0,8 g/m², Konversionsschichtdicke unter 0,8 µm.
(3) Die Herstellung
Wir bieten alle Phosphatierungen im Tauch- und nicht im Sprühverfahren an.
Dies ist die für allgemeine Beschichtungsaufgaben übliche Ausführung. Das Sprühen wird für einige Sondereinsatzfälle wie z. B. bei der Fahrzeugkarosseriebeschichtung vor der Lackierung u. ä. verwendet.
Die zu phosphatierenden Stahl-, Guss- oder Eisenbauteile werden nacheinander in eine Reihe verschiedener Bäder getaucht. Es handelt sich um außenstromlose, rein chemische Prozesse. Dabei wird die Oberfläche zunächst entfettet und gereinigt, ggf. noch gebeizt, je nach Prozess in einer separaten Aktivierung einer Keimbildung unterzogen, dann im Phosphatierbad beschichtet, um anschließend gespült, ggf. getrocknet und abschließend konserviert zu werden.
Bei allen Phosphatierprozessen wird mit Säureanteilen gearbeitet, da ein Beizangriff mit Anlösen von Eisen bzw. Metallkationen aus der Oberfläche für den Reaktionsablauf erforderlich ist. Hierdurch ergibt sich eine leichte Aufrauhung der Oberfläche unter der Schicht, die aber von uns aufgrund langjähriger Optimierung gut beeinflusst und sehr gering gehalten werden kann.
Das einzusetzende Phosphatierkonzentrat sollte in Art und Konzentration den zu phosphatierenden Werkstücken sowie den Beschichtungszielen angepasst werden.
Durch die beim Beizangriff (erster Reaktionsschritt der mehrstufigen Gleichgewichtsreaktion zum Schichtaufbau) auftretende Wasserstoffentstehung an der Grenzfläche zwischen Metalloberfläche und Phosphatiersubstrat kann es bei gehärteten, kritischen Bauteilen angezeigt sein, eine thermische Nachbehandlung durchzuführen, um ggf. ins Gefüge eingedrungenen Wasserstoff auszutreiben und somit einer möglichen Wasserstoffsprödigkeit der Bauteile vorzubeugen.
Die dafür notwendigen Zeiten und Temperaturen werden i. d. R. vorgegeben und sind als normative Regelungen speziellen Normen zu entnehmen (z. B. mitgeltende Normen, genannt in DIN EN 12476, sowie auch Werksnormen).
Die maximale Arbeitstemperatur liegt beim Manganphosphatieren knapp unter 100 °C, bei Zinkphosphat sogar noch deutlich niedriger, und somit weit unterhalb der üblichen Anlasstemperaturen.
Der Auslieferzustand des Phosphatiergutes (phosphatierte Werkstücke) erfolgt wahlweise zumeist entweder mit Ölemulsion konserviert oder aber passiviert mittels wässriger aminhaltiger Systeme.
Es sind aber in Absprache auch nachträglich durchgeführte Varianten wie Wachsen bzw. Fetten oder Sonderbeölungen möglich.
Die genannten Phosphatierungen werden in unserem Hause mittels automatischer Anlagen und rechnerbasierten Programmsteuerungen durchgeführt, um mögliche Abweichungen und Ungleichmäßigkeiten, wie sie bei handbedienten Anlagen häufig auftreten, vollständig auszuschließen. Somit kann dem Kunden ein hochwertiges, reproduzierbares, verlässliches sowie wirtschaftliches Ergebnis garantiert werden.
(4) Werkstücke / Bauteile
Da die Werkstücke eingetaucht werden, ergeben sich allseitige Schichtbildungen und keine partiellen Phosphatierungen. Es ist jedoch möglich, Kaschierungen aus abziehbaren Lacken oder abnehmbare Schutzabdeckungen zu verwenden und damit bestimmte Flächen blank zu belassen. Dies kann wünschenswert sein, wenn einzelne Flächen ihre Maße und Toleranzen nicht verändern dürfen oder die Phosphatierung an diesen Teilflächen technisch nachteilig wäre.
Solche Kaschierungen werden manuell angebracht und entfernt und führen daher oft zu erheblichem Mehraufwand. Jedoch kann eine absolut geradkantige Abgrenzung nicht gewährleistet werden. Ein Unterlaufen des Substrates an den Rändern verschiedenster Abdeckungen ist nie ganz auszuschließen.
Die Bauteile können als Trommelware im kostengünstigen Schüttgutprozess gefahren werden. Hierzu werden zulässige Reib- und Druckwerte an den Teilen in der Trommel genau definiert, sowie auch die zulässigen Fallhöhen bestimmt und eingehalten. Bei größeren und noch berührungsempfindlicheren Teilen wird in Körben bzw. Gestellen gearbeitet.
Diese Gestellware wird von geschulten Mitarbeitern – selbstverständlich mit Handschuhen – sorgfältig manuell be- und entladen, um auch hier mechanische Beschädigungen auszuschließen.
Nach Bekanntgabe Ihrer Werkstückabmessungen, -geometrie, Gewicht, Materialsorte und Oberflächengüte erstellen wir Ihnen gerne kurzfristig ein präzises Angebot zur Bearbeitung.
Die Kenntnis der genauen Werkstückgeometrie (evtl. Zeichnung) ermöglicht uns, die Werkstückpositionierung zu optimieren und Schöpfwirkung oder Lufteinschlüsse korrekt zu berücksichtigen.
Wichtig ist in jedem Falle, dass die Bauteile komplett aus einem phosphatierfähigen eisenhaltigen Werkstoff bestehen, sowie möglichst sauber (auch nicht mehr als nötig mit Konservierungsmitteln behaftet) und keinesfalls mit Silikonöl/Silikonfett oder mit wachshaltigen Medien benetzt angeliefert werden.
Gehärtete oder ungehärtete Stahloberflächen, die frisch mechanisch bearbeitet sind, eignen sich besonders gut für eine ansprechende Phosphatierung.
Werkstücke mit Passivschichten, Rostanflug oder Zunderresten müssen zusätzlich mit einer sauren Beize behandelt werden, was wir selbstverständlich auch anbieten können.
Der saure Phosphatierprozess ist im Vergleich zu einer Brünierung jedoch toleranter gegenüber störenden Oberflächeneinflüssen.
Da einige Legierungselemente im Stahl den Prozess beeinflussen können und manche Stoffe als Badgifte gelten, ist die genaue Angabe der Stahlsorte für das Erreichen gewünschter technischer Eigenschaften sehr hilfreich.
Üblicherweise wird das Phosphatieren angewandt auf unlegierten oder niedrig- bis maximal mittel-legierten Stählen.
Nichtrostende Stähle sind daher mit ihren hohen Legierungsanteilen nicht im klassischen Verfahren phosphatierbar. Hierfür, wie auch für andere metallische Werkstoffe, bieten wir jedoch andere Verfahren an.
(5) Beständigkeit und Schutzwert der schichtbildenden Phosphatierungen
Phosphatierungen sind insbesondere beständig gegen Schmierstoffe wie Öle, Fette und die meisten enthaltenen Öladditive und daher für viele technische Anwendungen gut geeignet. Kontakt mit diversen Glykolen kann ggf. zu Schichtangriffen führen und sollte empirisch überprüft werden.
Ein Angriff und Ablösen der Schicht ist mittels hochalkalischer Lösungen und spezieller Beize möglich.
Es besteht in Zusammenwirken mit einer geeigneten Beölung oder Versiegelung eine gute Abschirmung des Stahls vor äußeren Umwelteinwirkungen und insbesondere vor Korrosion. Der Rostschutz erfüllt dabei weit höhere Ansprüche als dies eine Brünierung kann.
(6) Tribologie und technische Eignung
Phosphatierte Bauteile besitzen eine Reihe unterschiedlicher Eigenschaften, die je nach Anwendungsfall an Bedeutung gewinnen. Die jeweils gewünschte Eigenschaft, kann dann durch das spezielle Verfahren in ihrer Ausprägung unterstützt werden:
- Hinsichtlich des Aussehens wird die mattgraue bis fast mattschwarze Oberfläche gerne für Komponenten verwendet, bei denen Lichtreflektionen unerwünscht sind. Die Oberfläche (mikroporöse, kristalline Struktur) „schluckt” das einfallende Licht und sendet keine spiegelnde Rückstrahlung aus. Hier ist insbesondere das noch dunklere Manganphosphat interessant.
- Die Phosphatierung wird wohl am häufigsten als reiner Korrosionsschutz eingesetzt. In diesem Falle wird oft eine Phosphatschicht mit entsprechender Beölung oder Versiegelung verwendet. Die schichtbildenden Phosphatierungen sind mit Hohlräumen, Poren und verbindenden Kapillaren zwischen den Kristallen (mikroporöse Struktur) sehr saug- und aufnahmefähig für Öle.
Oft wird diese Eigenschaft auch in Verbindung mit den sehr guten Hafteigenschaften zum Grundmaterial genutzt, so dass die Phosphatierung (unbeölt) als Grundierung für einen Nasslack oder eine Pulverbeschichtung dient. Diese mikroporöse/kristalline Struktur bietet so einen ausgezeichneten verzahnenden Haftuntergrund für Lacke.
Im trockenen, unbeölten Zustand führen die Poren zwischen den Kristallen und deren Verbindungsgängen (mikroporöse Struktur), die ja auch die Teiloberflächen erreichen, zu einer gegenteiligen Wirkung. Hier kann es schneller zur Aufnahme von Feuchtigkeit und anderer der Korrosion dienenden Medien kommen.
- Als weitere wesentliche Eigenschaft einer Phosphatschicht ist die elektrische Isolationseigenschaft zu nennen, die für besondere Einsatzzwecke, wie z. B. Elektrobleche, Magnetkerne, Trafos, Generatoren, und auch für nicht stromdurchlässige Kugel- und Rollenlager genutzt werden kann.
Phosphatierte Bauteile weisen auch besondere technische Eigenschaften bei Relativbewegung gegeneinander auf. Im Allgemeinen sind die für das Gleiten konzipierten Bauteile aus gehärtetem oder verschleißbeständigem Stahl gefertigt und durch spanabhebende Bearbeitung auf eine geringe Oberflächenrauheit hin bearbeitet, sowie anschließend phosphatiert:
- Als Vorteile können die Verbesserung der Einlauf- und Notlaufeigenschaften, Verminderung des Gleitwiderstandes und ein verringerter Verschleiß bei Gleitbewegungen angeführt werden. Die Neigung zum „Fressen” der aufeinander bewegten Flächen wird vermindert.
- Die Verbesserung der Gleiteigenschaften wird auch in Zusammenwirken mit Gleitmitteln, die durch die mikroporöse Struktur hervorragend gehalten und dann unter Druck gewünscht abgegeben werden können, erreicht.
Dies ist heute in der spanlosen Kaltumformung (Stanz-, Biegeteile, Tiefziehen) Grundlage des Bearbeitungsprozesses. Hier werden Halbzeuge wie beispielsweise Bleche oft nur deswegen zink- oder eisenphosphatiert, um sie immer anspruchsvoller umformen und weiterverarbeiten zu können. Auch die Werkzeugstandzeiten können hierdurch weiter erhöht werden.
Das Feld tribologischer Anwendungen für schichtbildende Phosphatierungen ist so groß, dass wir hier nur einen Umriss abbilden können.
In unserem gut ausgestatteten Technikum bieten wir Ihnen gerne entsprechende Musterbearbeitungen an und können die Prozessparameter im Versuch wie auch in späterer Serienfertigung auf die Ergebniswünsche hin anpassen.
(7) Besondere Kompetenz von DEWE Brünofix
Phosphatierungen können in sehr unterschiedlicher Ausführung und Qualität durchgeführt werden, auch wenn die Ergebnisse optisch zunächst ähnlich wirken können.
Schichtwachstum, Kristallgröße und Verankerung an der Oberfläche können von uns durch gezielte Prozessführung positiv beeinflusst werden. Dabei wird ebenfalls berücksichtigt, eine Schädigung des Grundwerkstoffes in Form von zu großen und zahlreichen Beizgrübchen zu verhindern.
Die zuverlässige Einhaltung der Schichtdicke setzt enge Badführungstoleranzen voraus.
Die verwendeten Chemikalien, Konzentrationen, Temperaturen, Reaktionszeiten und die genaue Prozessführung können wir präzise auf das gewünschte Ergebnis abstimmen.
Gesagt werden darf auch, dass viele klassische Phosphatier-Rezepturen umweltschädliche Substanzen wie z. B. Nickel enthalten, deren spezielle positive Eigenschaften bezüglich der Schichtbildung allgemein bekannt sind.
Im Zuge innovativer Entwicklungen der Phosphatiersysteme sollte nun jedoch die Wahl auf eine zeitgemäße und umweltfreundliche Rezeptur fallen.
Wir haben stets daran gearbeitet, unsere chemischen Produkte möglichst umweltverträglich zu gestalten und anwenderfreundlich zu konzipieren.
Somit können wir unseren Kunden solche umweltverträglichen Produkte für den Einsatz in eigenen Anlagen zur Verfügung stellen, als auch Lohnbeschichtungen in unserem Hause mit modernsten Rezepturen bieten.
Wir sind nicht nur Lohnbeschichter, sondern bieten auch komplette Phosphatieranlagen an, entwickeln und stellen Phosphatierchemikalien selbst her, so dass bei uns ein besonders umfassendes Wissen über alle Aspekte des Prozesses vorliegt.
Mit unserem gut ausgestatteten eigenen Labor führen wir die Badkontrollen engmaschig und zeitnah durch.
Als Entwickler und Hersteller der verwendeten Chemikalien sind unsere Ingenieure in der Lage, die Zusammensetzung der Bäder zu analysieren und genau nachzusetzen oder auf besondere Anforderungen abzielend anzupassen.
Wir stellen die Prozessbäder und Abläufe bezüglich der Anforderungen und Besonderheiten von Werkstücken optimal ein und bieten so dem Kunden im Zusammenspiel mit unserer modernen Anlagentechnik ein hohes und gleichbleibendes, reproduzierbares Qualitätsniveau zur stetigen Sicherstellung der gewünschten technischen und optischen Produkteigenschaften.
Es sind viel Erfahrung und Knowhow erforderlich, um die optimalen Parameter zu wählen, die gewünschten Effekte zu erzielen und dann reproduzierbar sicherzustellen.
Dieses Knowhow ist in unserem Hause vorhanden und für unsere Kunden zielführend nutzbar.
Nachdruck, auch auszugsweise, verboten. (CB/KN/TS/12.10.2011)