Substratvorbehandlung vor der Beschichtung

Mit der Vorbereitung einer Metallfläche vor der Pulverbeschichtung sollen insbesondere folgende Ziele erreicht werden:

  1. Vollständige Entfernung aller Fremdkörper, beispielsweise Zunder, Fett, Schneidöl, Schmutz, Schweißperlen usw.
  2. Die Vorbereitung der Oberfläche, damit sie die aufzutragende Beschichtung aufnehmen kann.
  3. Die Vorbehandlung soll die Einheitlichkeit aller behandelten Werkstückoberflächen gewährleisten, unabhängig von der Art des Metalls oder eventuell anhaftenden Verunreinigungen.

Wie bei anderen organischen Lackierungen spielt die Vorbehandlungsphase bei der Ausnutzung des vollen Potenzials der Pulverlacke eine wichtige Rolle.

Die Vorbehandlung der Oberfläche kann je nach den spezifischen Anforderungen des Endanwenders der Produkte verschieden sein – von der einfachen Reinigung bis zur mehrstufigen Vorbehandlung mit Aufbringen einer Umwandlungsschicht auf die Metalloberfläche.

Elektrostatisch geladene Partikel können nur dann auf einer geerdeten Metallfläche aufgebracht werden, wenn die Oberfläche frei von Verbindungen mit hohem elektrischen Widerstand ist. Wenn auf der Oberfläche des zu beschichtenden Teils eine isolierende Schicht vorhanden ist, kann nur wenig oder gar kein Pulver abgelagert werden.

Untergründe

Pulverlacke werden meist als Beschichtung für Stahl, Aluminium, Kupfer, Zinklegierungen sowie verzinkten Stahl eingesetzt. Bei normalen Einsatzbedingungen werden zufriedenstellende Eigenschaften oft schon mit gründlich gereinigtem Metall erreicht.

Stahl

Bei Eisen- und Stahlflächen werden mit einer Zinkphosphatierung maximaler Korrosionsschutz und maximale Salzsprühbeständigkeit erreicht.

Aluminium

Bei Aluminium und Aluminiumlegierungen lassen sich zwar die sauberen Oberflächen einfach beschichten und die Haftung ist exzellent, die Eigenschaften können mit einem speziellen Chromatüberzug jedoch noch weiter verbessert werden.

Zinklegierungen

Bei allen zinkhaltigen Untergründen wie Zintec, Mazac und verzinktem Stahl wird eine geeignete Phosphatierung empfohlen.

Poröse Gussteile und „gestrahlte“ Flächen

Solche Oberflächen können durch „Wegblasen“ der Pulverbeschichtung durch ausgasende Luft erhebliche Probleme verursachen. Das Metallprofil und die Dicke der Beschichtung müssen daher streng kontrolliert werden. Dieses Problem lässt sich mitunter durch einige Minuten Vorwärmung beseitigen.

Entfernung von Oxiden und Zunder

Erreicht werden kann dies durch mechanische Reinigung. z. B. mit Drahtbürsten, oder bei größeren Flächen durch Abstrahlen. Sand als Strahlmittel ist in Großbritannien und vielen europäischen Ländern verboten.

Die groben Einweg-Strahlmittel bzw. die wieder verwendbaren Metallstrahlmittel, die den Strahlsand ersetzten, werden heute durch eine ganze Palette ultrafeiner Strahlmittel ergänzt, beispielsweise durch Schmelzkorund mit einer Korngröße von 600 Mesh (so fein wie Talkumpuder), weiche pflanzliche Strahlmittel wie Wallnussschalen und Pfirsichkerne oder Glaskugeln mit einem Durchmesser von nicht mehr als 25 µm. Mit diesen extrem feinen Schleifmitteln kann eine vollständig einheitliche Oberfläche erzeugt werden. Bei einer sehr feinen Korngröße ist natürlich die Abtraggeschwindigkeit sehr gering, bei einem groben Strahlmittel dagegen wird die Oberfläche so rau, dass das Pulver beim Einbrennen nicht richtig verläuft. Letzteres führt zu einer extrem rauen Oberfläche und Glanzverlust.

Die relative Oberflächenrauheit einer abgestrahlten Stahloberfläche hätte beispielsweise Höhenunterschiede von ca. 100 µm. Bei Verwendung von Schmelzkorund (Korngröße 180/220) betrüge sie 3-5 µm, bei Verwendung von Glasperlen 1-1,5 µm.

Entfernung von Öl und Fett

Dies ist in der Regel der erste Schritt zur Vorbereitung der Metallflächen auf die Beschichtung. Hierfür gibt es diverse Verfahren, einige davon werden hier kurz erläutert.

Abwischen mit lösemittelgetränkten Putzlappen

Fett kann durch Abwischen des Werkstücks mit einem in einem geeigneten Lösemittel getränkten Putzlappen entfernt werden. Mit diesem Verfahren werden Öl und Fett effektiv entfernt, bis der Putzlappen und das Lösemittel verschmutzt sind. Danach wird mit diesem Verfahren das Fett nur verteilt; zur effektiven Reinigung von Fett müssen Putzlappen und Lösemittel häufig gewechselt werden. Bei Verunreinigung mit losem Staub werden oft Staubaufnahmetücher verwendet.
Dieses Verfahren ist zwar für Kleinserien schnell und bequem, jedoch arbeitsintensiv und teuer. Je nach dem eingesetzten Lösemittel stellt es außerdem eine Brand- oder Gesundheitsgefahr dar.

Eintauchen in Lösemittel

Bei diesem Verfahren wird das Werkstück in einen Behälter mit Lösemittel eingetaucht. Nach dem Herausnehmen und Verdunstung des Lösemittels sind Öl und Fett komplett entfernt.

Dieses Verfahren ist solange effektiv, bis sich ähnlich wie beim Abwischen mit lösemittelgetränkten Putzlappen in dem Tauchbehälter mit dem Lösemittel Dreck angesammelt und ein Gleichgewicht eingestellt hat, bei dem genauso viel Öl oder Fett wieder auf dem Werkstück abgeschieden wird, wie entfernt wurde. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Verfahren liegt darin, dass dieses Öl gleichmäßig über das ganze Teil verteilt wird.

Bessere Ergebnisse lassen sich mit einer Reihe von Behältern erreichen, die hintereinander angeordnet sind, allerdings wird dafür viel Platz benötigt. Hohe Lösemittelverluste durch Verdunstungen führen außerdem zu hohen Kosten für dieses Verfahren.

Auch hier kann das eingesetzte Lösemittel eine Brand- oder Gesundheitsgefahr darstellen. Wir empfehlen weder ein Abwischen mit lösemittelgetränkten Putzlappen noch ein Eintauchen in Lösemittel.

Entfetten mit Lösemitteldämpfen

Bei diesem Verfahren hängt das Werkstück in einer speziellen Anlage in den Dämpfen eines chlorierten Lösemittels wie Trichloroethylen. Das Metall wird durch Kondensation dieser Dämpfe auf der kalten Metalloberfläche entfettet. Dabei löst das Lösemittel die Öle und Fette, die zusammen mit der Flüssigkeit von den Teilen in den Sumpf laufen.

Dieses Verfahren ist deutlich effektiver, weil das Lösemittel ständig siedet, um die kondensierten Dämpfe zu ersetzen.
Mit diesem Verfahren allein wird eine effektive Entfettung erreicht; eventuelle feste Partikel dagegen verbleiben auf der Oberfläche, auch wenn das gesamte Öl und Fett entfernt wurde.

Verbesserungen können durch eine Siedestufe oder durch Einsatz von Ultraschall erreicht werden. Außerdem können dem chlorierten Lösemittel spezielle Zusatzstoffe zugesetzt werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern.

Reinigungsmittel

Das Werkstück kann in eine Lösung mit einem geeigneten Reinigungsmittel in heißem Wasser eingetaucht oder wenn möglich damit besprüht werden. Anschließend wird das Teil gespült und getrocknet. Dies entfernt leichte Verunreinigungen effektiv, nicht jedoch Altöl, Fett oder starke Verunreinigungen.

Emulsionsreiniger

Emulsionsreiniger sind in der Regel voremulgierte Kerosin-Wasseremulsionen oder Kerosinkonzentrate, die beim Zusatz von Wasser emulgieren. Wie alkalische Reinigungsmittel sind Emulsionen dann am wirksamsten, wenn sie in Sprühanlagen eingesetzt werden, sie können jedoch in vielen Fällen auch beim Eintauchen effektive Reinigungsmittel sein.
Emulsionsreiniger benötigen in der Regel niedrigere Temperaturen als alkalische Reinigungsmittel und können in einigen Fällen selbst bei Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.

Alkalische Reinigungsmittel – auch hier kann das Werkstück entweder wieder in eine heiße, wässrige Lösung eingetaucht oder damit besprüht werden. Als Lösung wird eine geeignete alkalische Mischung verwendet; anschließend wird das Werkstück zwei Mal gespült und dann getrocknet. Aufsprühen ist effektiver als Eintauchen; angesichts der höheren Betriebstemperaturen (70-90 °C) und der höheren Konzentrationen, die beim Eintauchen erforderlich sind, ist der Sprühauftrag außerdem auch billiger. Aufsprühen dauert 5 bis 60 Sekunden, eine Reinigung durch Eintauchen 1 bis 5 Minuten. Tauchreiniger können Fette und Öle entfernen, indem sie diese in der Lösung emulgieren. Andere Reiniger trennen das Öl in einer Schicht ab, sodass es über einen geeigneten Ablauf von der Oberfläche des Reinigungsmittels abgezogen werden kann.

Alkalische Reiniger entfernen Öl, Fett und Schmutz effektiv und beseitigen auch starke Verunreinigungen.
Es gibt eine Vielzahl alkalischer Reinigungsmittel, deren Eigenschaften so eingestellt werden können, dass eine effektive Reinigung von allen Verunreinigungen möglich ist. Solche Reinigungsmittel enthalten oft körnige Scheuermittel, um sicherzustellen, dass die Phosphatüberzüge, die später auf Stahloberflächen aufgebracht werden sollen, eine feinkörnige Kristallstruktur haben.

Neben alkalischen Stoffen enthalten die Mischungen Reinigungsmittel, Emulgatoren, Trennmittel, Komplexbildner und Chelatbildungsstoffe, ggf. auch Zusätze zur Wasserenthärtung.

Es sei darauf hingewiesen, dass alkalische Reiniger nur unter kontrollierten Bedingungen für Leichtmetalllegierungen, Zink, verzinktes Metall oder Aluminium geeignet sind, da diese von alkalischen Stoffen angegriffen werden.

Säurereinigung

Ein Säureätzen mit wasserfreier Schwefel- oder Chlorwasserstoffsäure kann Rost und Zunder vollständig entfernen und außerdem die Oberfläche konditionieren. Dieses Verfahren kann in der Regel nur bei Eisen- und Stahloberflächen eingesetzt werden.

Besonders wichtig ist, dass bei Verwendung wassergebundener Reinigungsverfahren sichergestellt ist, dass das später verwendete Spülwasser alle Anforderungen erfüllt, damit die getrockneten und gereinigten Teile nicht wieder mit Säure, Alkali oder Emulsionen verunreinigt werden. Wenn danach kein Schutzüberzug für das Werkstück vorgesehen ist, muss es schnell und effizient getrocknet werden, um eine Rostbildung auf der Oberfläche zu vermeiden.

Phosphatierung als Schutzüberzug

Phosphatierung ist das anerkannte Vorbehandlungsverfahren für Stahluntergründe unmittelbar vor dem Auftrag von Pulverlacken. Es gibt unterschiedliche Schichtdicken.

Je dicker die Umwandlungsschicht, umso besser der Korrosionsschutz; je dünner die Umwandlungsschicht, umso besser sind die mechanischen Eigenschaften. Es muss daher ein Kompromiss zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit gefunden werden. Dicke Phosphatierungen können bei Pulverlackbeschichtungen dadurch Probleme verursachen, dass es zu einem Kristallbruch kommt, wenn die Schutzschicht lokalen mechanischen Kräften ausgesetzt ist, beispielsweise durch Biege- oder Stoßbeanspruchung.

Aufgrund der ausgezeichneten Haftung des Pulverlacks auf der Phosphatierung tritt eine Ablösung in der Regel zwischen der Phosphatierung und dem Metallsubstrat und nicht zwischen der Phosphatierung und der Pulverlackbeschichtung ein.
Phosphatierungen sind in der Norm BS3189/1959, Klasse C, für Zinkphosphat und Klasse D für Eisenphosphat definiert.
Es wird eine feinkörnige, kristalline Zinkphosphatierung mit einem Beschichtungsgewicht von 1 bis 2 g/m² und bei Eisenphosphat 0,3 bis 1 g/m² empfohlen. Die Auftragung kann durch Sprühen oder Tauchen erfolgen. Chromatierung als Passivierung ist in der Regel nicht erforderlich.

Eisenphosphatierungen werden normalerweise in drei oder vier Etappen aufgesprüht. Vor der Trocknung passiert das Werkstück in der Regel zwei Wasserspülsektionen.

Zinkphosphat kann in fünf Etappen, d. h. Entfettung mit alkalischen Reinigungsmitteln, Spülung, Zinkphosphatierung und zwei weitere Spülungen mit Wasser, entweder durch Aufsprühen oder Eintauchen aufgebracht werden.
Wichtig ist, dass das Werkstück nach Phosphatierung und Trocknung so schnell wie möglich mit Pulverlack beschichtet wird.

Vorbehandlung von Zinkflächen

Eine leichte Zinkphosphatierung wird empfohlen. Bei galvanisch abgeschiedenen Zinkschutzschichten bestehen keine Vorbehandlungsprobleme, bei feuerverzinkten Teilen kann die Haftung beeinträchtigt sein. Bei stärkeren Ausblühungen (Zinkblume) verschlechtern sich die Haftungseigenschaften.

Chromatierung

Der wichtigste Schutzüberzug für Aluminium und Aluminiumlegierungen ist die Chromatierung; diese kann entweder farblos, Chromoxid-Gelb oder Chromphosphat-Grün sein. Als Beschichtungsgewicht werden 0,1 bis 0,5 g/m² empfohlen.
Der fünfstufige Prozess umfasst normalerweise eine Entfettung mit alkalischen Reinigungsmitteln, die Spülung, die Chromatierung und danach zwei weitere Spülungen.

Auch die Chromatierung sollte möglichst dünn sein, um eine maximale Haftung zu gewährleisten.

Bei Anwendungsfällen mit hohen Ansprüchen ist es in der Regel erforderlich, eine Abschlussspülung mit entmineralisiertem Wasser durchzuführen. Um die Sauberkeit zu gewährleisten, wird dann die Leitfähigkeit des letzten Spülbades überwacht.

Verfahren ohne Spülung

Eine Möglichkeit zur Vermeidung solcher Probleme ist es, Prozesse zu verwenden, bei denen die Trocknung vor Ort und ohne Spülung erfolgt. Diese Systeme sind vorwiegend Chromatierungssysteme. Es ist dabei strittig, ob es sich um echte Umwandlungsschichten oder nur um angetrocknete Filme handelt, die in gewisser Weise mit dem Substrat reagieren, allerdings sind die Vorteile der spülfreien Systeme offensichtlich.

Vorbehandlungen ohne Schwermetalle

Die immer strengeren Umweltnormen in den entwickelten Ländern bringen es mit sich, dass auf eine Vorbehandlung mit Schwermetallen, insbesondere auf die Chromatierung, verzichtet wird. Die ersten Vorbehandlungen ohne Chromatierung hatten ungenügende Eigenschaften, aber in jüngster Zeit wurde die Messlatte mit den ersten Zulassungen für Aluminium bei Architekturanwendungen durch Qualicoat 1996 höher gelegt.

Abwasserentsorgung

Die lokalen Behörden arbeiten an verschiedenen Normen zur Regulierung der Abwassereinleitung. All diese Normen werden strenger sein und genauer regeln, welche Abwasser zulässig sind.

Eisen-Phosphatlösungen allgemein können ohne Behandlung in die Kanalisation gegeben werden, Zink-Phosphatlösungen dürfen in der Regel eine bestimmte Konzentration nicht überschreiten, die normalerweise durch Verdünnung mit normalem Wasser erreicht werden kann.

Einige Lösungen für die Abschlussspülung enthalten Chromat, das eine besondere Behandlung erfordert, weil es für Wasserorganismen toxisch ist.