• Fehler: Delaminierung
• Substrat: bandverzinktes Blech
• Ursache: Abfall des Zirkoniumgehalts
• Mögliche Lösung: Prozessüberwachung

Treten Haftfestigkeitsprobleme zwischen der Beschichtung und dem metallischen Substrat auf, liegt die Ursache häufig in der Vorbehandlung. Im vorliegenden Fall kam es bei bandverzinkten Blechen mit zirkoniumhaltiger Passivierung zu einer vollständigen Delamination der Pulverbeschichtung. Die Beschichtung ließ sich rückstandsfrei vom Substrat ablösen. Mit der Ursachenklärung wurde die DFO Service GmbH beauftragt.

Die Bauteile waren bandverzinkt, zirkoniumbasiert passiviert und anschließend mit einem Zweischichtsystem aus Grundierung und Grobstrukturdecklack pulverbeschichtet. Die Anwesenheit der Passivierung wurde durch den Vorbehandlungshersteller bestätigt. Dennoch traten massive Haftfestigkeitsprobleme auf (Abb. 1).

Umweltfreundliche Alternative

Zirkoniumhaltige Passivierungsschichten gelten heute als umweltfreundliche Alternative zu chromhaltigen Vorbehandlungen. Sie können sowohl als alleinige Vorbehandlung als auch in Kombination mit einer Zinkphosphatierung eingesetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Zinkphosphatierung ist, dass keine Abfälle wie Zinkphosphatschlämme anfallen. Ein entscheidender Unterschied liegt in der Schichtausbildung: Während bei der Zinkphosphatierung das Wachstum der Schicht irgendwann abgeschlossen ist, wächst die zirkoniumhaltige Konversionsschicht bei ungünstigen Prozessbedingungen kontinuierlich weiter.

Zur Bestimmung der Bruchebene wurde die Unterseite der delaminierten Beschichtung untersucht, also die Fläche, die ursprünglich in Kontakt mit der Sub­stratoberfläche stand. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte eine geschlossene und homogene Oberfläche der Beschichtungsunterseite ohne Hinweise auf ein Versagen innerhalb der Pulverbeschichtung. Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) ergab lokal erhöhte Zirkoniumkonzentrationen auf der Unterseite der Beschichtung (Abb. 2).

Zur Bewertung der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass zirkoniumhaltige Passivierungen Sollschichtdicken von typischerweise um die 100 nm (1 µm = 1.000 nm) aufweisen. Aufgrund der Informationstiefe der EDX-Analyse von etwa 3 µm entsprechen Zirkoniumkonzentrationen oberhalb von ca. 0,1 Atomprozent deutlich zu hohen Werten. Die gemessenen Werte lagen signifikant über diesem Bereich. Auf Basis der Analytik war daher von einem kohäsiven Bruch innerhalb der zirkoniumhaltigen Passivierung auszugehen. Die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Passivierung sowie zwischen Passivierung und Beschichtung war grundsätzlich gegeben, versagt hat die Passivierungsschicht selbst infolge ihrer Sprödigkeit.

Ursachen erkennen und Maßnahmen ableiten

Überhöhte Schichtdicken können durch zu hohe Badkonzentrationen, erhöhte Badtemperaturen oder zu lange Behandlungszeiten entstehen. Ein möglicher Einflussfaktor ist die Verschleppung von Alkalität aus der Reinigung. Werden die Bauteile alkalisch gereinigt und dann unzureichend gespült, gelangt Alkalität in das Aktivbad. Der pH-Wert steigt an. Daraus wurde im vorliegenden Fall darauf geschlossen, dass der Zirkoniumgehalt abgefallen war. Daher wurde Passivierungsmittel nachdosiert. Dies führte jedoch nicht nur zu einer Reduzierung des pH-Wertes, sondern zu einem Anstieg des Zirkoniumgehalts.

Zusätzlich kann es im Aktivbad zu einer Anreicherung biologischer Organismen („Biologie“) kommen. Diese stammen häufig aus dem VE-Wasser und werden durch Verdampfer begünstigt, da organische Bestandteile bei dem Verdampfungsprozess in das VE Wasser übertragen werden. Mikroorganismen können Metallionen wie Zirkonium akkumulieren und setzen diese beim Absterben wieder frei, was die Metallkonzentration im Bad weiter erhöht.

Zur Bekämpfung der Biologie stehen verschiedene Maßnahmen zur Verfügung. UV-Anlagen zeigen nur bei konsequenter Wartung eine ausreichende Wirkung, Biozide sind nur temporär effektiv. Als besonders wirkungsvoll gelten Ozonanlagen, die Mikroorganismen vollständig zu Wasser, Kohlendioxid und eventuell Schwefeldioxid abbauen. Voraussetzung hierfür sind geschlossene Systeme und eine geeignete sicherheitstechnische Auslegung.

Der Fall zeigt, dass zirkoniumbasierte Passivierungen nur in einem engen Prozessfenster zuverlässig funktionieren. Neben der Kon­trol­le klassischer Badparameter müssen insbesondere Verschleppungen aus der Reinigung und biologische Einflüsse berücksichtigt werden, um überhöhte Schichtdicken und daraus resultierende Haftfestigkeitsprobleme sicher zu vermeiden.

Zum Netzwerken:

DFO – Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e. V., Neuss
Viviane von der Burg, Tel. +49 2131 40811-13
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