Oberflächenbehandlung: Schutz durch Beschichtung

Oberflächenbehandlung: Schutz durch Beschichtung

 

Die Oberflächen vieler Materialien müssen gegen Umwelteinflüsse durch Beschichten geschützt werden. Dazu steht eine Vielzahl von Oberflächenbeschichtungsverfahren zur Verfügung.

 

 Bewährte Technologien

 

Zu den bewährtesten Oberflächenbeschichtungsverfahren gehören das Emaillieren und das Verzinken. Email ist ein glasartiger Überzug (u. a. aus Siliziumoxid), der z.B. durch Eintauchen, Spritzen oder Aufpudern auf die Oberfläche aufgetragen und anschließend bei 800-900 ºC eingebrannt wird. Email ist beständig gegen Säuren und Laugen, elektrisch isolierend und schlag-, stoß- und biegeunempfindlich. Verzinken schützt z. B. die Karosserie eines Kraftfahrzeuges vor Korrosion. Durch Tauchen in flüssiges Zink (Feuerverzinken) entsteht auf den zuvor gereinigten und vorbehandelten Stahlteilen ein Zinküberzug von ca. 0,1 mm. Das Zinkbad hat eine Temperatur von 450-460 ºC, die Tauchdauer beträgt einige Minuten. Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit werden die Zinküberzüge oft noch chromatisiert, geölt oder mit Kunststoffen beschichtet.

 

 Thermisches Spritzen

 

Beim thermischen Spritzen werden Metallschmelzen auf einen kalten Haftgrund aufgespritzt. Dabei werden Metallpulver (z. B. sehr harte Wolframcarbide, Titannitride, Chromboride oder Zirkoniumoxide) oder Spritzdrähte aus Leicht- und Schwermetallen (Zink, Aluminium, Bronze oder Stähle) eingesetzt. Die Teilchen haften hierbei nicht durch Verschmelzen mit dem Grundwerkstoff, sondern durch mechanisches Verzahnen und Verklammern. Die Untergründe müssen zuvor durch Schrupp-Schleifen, Drehen oder chemische Verfahren (Beizen) gut aufgeraut werden.

 

Beim Lichtbogenspritzen wird in einer Lichtbogenspritzpistole zwischen zwei Spritzdrähten ein Lichtbogen gezündet, in dem die beiden Drähte bei ca. 4000 ºC aufgeschmolzen werden. Mittels Druckluft wird die Schmelze zerstäubt und auf das zu beschichtende Werkstück gebracht. Verwendet man Drähte aus unterschiedlichen Metallen, so lassen sich Legierungen auf die Werkstückoberfläche aufbringen. Beim Plasmaspritzen können Pulver mit sehr hohen Schmelztemperaturen (bis 20000 ºC) verarbeitet werden. Das Pulver wird mithilfe eines Trägergases in die Plasmaflamme eingeblasen, dort aufgeschmolzen und verspritzt. Plasma bedeutet hierbei, dass das verwendete Gas in einem Lichtbogen so hoch erhitzt wird, bis die Elektronen und Atomkerne der Gasteilchen frei sind (ionisierter Zustand). Dadurch wird ein sehr hoher thermischer Energiezustand erreicht. So können auch nichtmetallische Werkstoffe (z. B. Quarze auf Silizium-Basis) gespritzt werden.

 

 Beschichten mit Hartstoffen

 

Um die Verschleißanfälligkeit eines Werkzeugs zu senken, d. h. die Standzeit zu erhöhen, werden z. B. Bohrer, Drehwerkzeuge, Fräser und Schraubbits mit Hartmetallen beschichtet. Die Werkzeuge erhalten z. B. einen goldfarbenen Überzug aus Titannitrid, wodurch sie bis zu 10-mal länger standhalten. Das Titannitrid wird dazu unter Zugabe von Gasen (z. B. Stickstoff) verdampft und in einen Ofen geleitet. Dort befinden sich die Werkstücke bei einer Temperatur von 700-1100 ºC. An der Oberfläche des Werkstücks wandern die Hartmetallteilchen in das Gefüge (Diffusion) und verbinden sich mit den Werkstoffteilchen. Dieses Verfahren ist unter der Kurzbezeichnung CVD (englisch chemical vapor deposition) bekannt.

 

 Galvanisieren - elektrolytisches Abscheiden

 

Beim Galvanisieren nutzt man elektrisch leitende Flüssigkeiten (Elektrolyte), in die die Werkstücke eingetaucht und in denen sie mit einem Metallüberzug beschichtet werden. Als Elektrolyte werden wässrige, saure oder alkalische Lösungen verwendet. Die Anoden bestehen meist aus dem sich abzuscheidenen Metall. Zum Verkupfern von z. B. Messing wird eine Kupfersulfatlösung (CuSO₄) verwendet. Man taucht das Werkstück in den Elektrolyt ein und legt es an den Minuspol (Kathode) einer Gleichspannung an. Zusätzlich taucht man eine sich auflösende Kupferanode (Pluspol) in das Bad. Unter dem Einfluss der Gleichspannung trennen sich die aufgespalteten Salzmoleküle je nach ihrer Ladung. Die positiven Kupferionen wandern zum negativen Pol, dem Werkstück, und lagern sich dort ab. Auf dem Werkstück entsteht durch Reduktion (Elektronenaufnahme) der positiven Kupferionen die Beschichtung. Gleichzeitig gibt die Anode Kupferionen an die Lösung ab, wodurch sie sich langsam auflöst. Die negativen Sulfationen geben ihre Ladung an der Anode ab.

 

Es können so nicht nur metallische (leitende) Werkstücke beschichtet werden, sondern auch Kunststoffe. Dazu werden sie chemisch metallisiert, d. h. leitend gemacht. Der Einsatzbereich ist weit: Es können Haushaltsgegenstände, Sanitärartikel oder Kraftfahrzeugteile beschichtet werden.