Stand der Technik: Oberflächen- und Beschichtungstechnologien
02.12.2019 Technologien & Prozesse Grundlagenwissen

Stand der Technik: Oberflächen- und Beschichtungstechnologien

Die Qualität von Bauteilen wird durch zwei Faktoren bestimmt: Funktionalität und Aussehen. Um ästhetische und funktionale Anforderungen zu erfüllen, können verschiedene Oberflächen- und Beschichtungstechnologien eingesetzt werden.

Bild von verschiedenen Beschichtungs-Beispielen. Neben den funktionalen Eigenschaften können auch Oberflächen- und Beschichtungstechnologien eingesetzt werden, um ein elegantes Oberflächenfinish zu erzielen.
Starke Belastungen und äußere Einflüsse stellen eine Herausforderung für die Haltbarkeit von Bauteilen dar. Um die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen äußere Einflüsse zu gewährleisten, werden Bauteile mit einer Beschichtung versehen. Dabei wird die Oberfläche eines Werkstücks mit einer oder mehreren fest haftenden Schichten aus formlosem Material versehen. Die bei der Beschichtung aufzubringenden Werkstoffe können nach ihrem Ausgangszustand klassifiziert werden: gasförmig, flüssig, gelöst oder fest. Die verwendete Technologie hängt von dem zu behandelnden Metall und seinen Legierungsvarianten ab.

Wozu werden Beschichtungen verwendet?

  • Korrosionsschutz
  • Langlebigkeit
  • Kratzfestigkeit
  • Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß
  • Adhäsionskraft
  • Härtung der Oberfläche
  • Verbesserte elektrische Leitfähigkeit
  • Chemische Beständigkeit
  • Dekorative Zwecke: Farbe, Glanz, etc.

Was sind die gängigsten Beschichtungsverfahren?

Eloxieren: Diese Technik beinhaltet die elektrolytische Oxidation von Aluminium. Die Metalloberfläche wird in eine Oxidschicht umgewandelt, die einen undurchlässigen Schutz bietet. Je nach Art der Legierung bieten Eloxalschichten eine verschleißfeste, harte Oberfläche mit zuverlässigem Korrosionsschutz. Darüber hinaus sind sie elektrisch nicht leitend und haben daher eine hohe Isolierwirkung. Bei der optischen Gestaltung können verschiedene Farben und eine glatte oder matte Oberfläche erzielt werden, weshalb eloxierte Metallteile auch zu dekorativen Zwecken eingesetzt werden können.

Galvanische Beschichtung: Hier werden Bauteile mit einer metallischen Beschichtung - wie Aluminium, Chrom oder Zink - versehen, die die Oberfläche elektrisch leitfähig macht. Dies wird durch die Behandlung in einem Tauchbad erreicht. Alternativ kann bei der Tampongalvanik der Elektrolyt mit einem Schwamm aufgetragen werden. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer Verfahren, die je nach Größe und Material der Bauteile zum Einsatz kommen. Grundsätzlich können alle gängigen metallischen Grundwerkstoffe beschichtet werden. Der funktionelle Mehrwert der galvanischen Beschichtung liegt im Verschleiß- und Korrosionsschutz, insbesondere bei mechanischen Beschädigungen. Darüber hinaus werden die Reibungskräfte durch elektrische Leitfähigkeit, Abriebfestigkeit und Gleiteigenschaften verbessert. Je nach Schicht dient die galvanische Beschichtung auch der optischen Aufwertung. So sind beispielsweise Chromelemente wegen ihrer glänzenden Oberfläche im Automobildesign beliebt.

Pulverbeschichtung: Neben Alltagsgegenständen werden auch elektrisch leitfähige Bauteile für Maschinen und Fahrzeuge durch Pulverbeschichtung geschützt. Das elektrostatisch aufgeladene Lackpulver wird in einer Applikationsanlage aufgetragen und anschließend bei bis zu 250 °C ausgehärtet. Dabei verzahnen sich die Strukturen des Farbpulvers mit der Oberfläche des Werkstücks. Dabei vernetzen sich die Strukturen des Lackpulvers mit der Oberfläche des Werkstücks. Gleichzeitig erhalten die behandelten Bauteile ein hochwertiges Aussehen. Bis auf wenige Ausnahmen können alle Metalle mit unterschiedlichen Farben und Glanzeffekten pulverbeschichtet werden.

E-Coating: Bei der elektrophoretischen Beschichtung werden die Bauteile in ein Bad aus elektrifiziertem Flüssiglack getaucht. Die Hauptvorteile dieser Technik liegen darin, dass die Schichtdicke durch die Strommenge bestimmt werden kann. Auch komplexe Strukturen mit schwer zugänglichen Stellen lassen sich problemlos beschichten.

Nasses Spritzen: Durch chemische und physikalische Prozesse bildet der flüssige Beschichtungsstoff einen festen Film auf dem Werkstück. Die Lackierung mit Flüssiglacken bietet zahlreiche Farbvarianten und einen schnellen Farbwechsel. Mit dieser Technik können auch Spezialeffekte erzielt werden.

Innovative Beschichtungen in der Praxis

Die Metaker Surface-Technologie von Automoteam ermöglicht die elektroplasmachemische Herstellung von metallkeramischen Oberflächen auf Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium und Titan. Damit lassen sich die gewünschten funktionalen, optischen und haptischen Eigenschaften optimal auf die Anwendungsanforderungen der Bauteile abstimmen - auch bei komplexen Geometrien. Das Verfahren eignet sich als Serientechnologie und ist daher besonders attraktiv für die Automobil- und Luftfahrtindustrie, aber auch für den Maschinen- und Anlagenbau oder die Medizintechnik.

Die Firma AHC Oberflächentechnik GmbH hat die plasmachemischen Verfahren Kepla-Coat für Aluminium sowie Titan und Magoxid für Magnesium entwickelt. Während das erste Verfahren weiße, verschleiß- und korrosionsbeständige Oberflächen erzeugt, entstehen beim zweiten Verfahren schwarze, UV-beständige und lichtabsorbierende Oxidkeramikschichten. Bei diesen Verfahren wird die Oberfläche des Bauteils in eine weitgehend kristalline Schicht umgewandelt. Dies geschieht durch Plasmaentladungen im Elektrolyten, der aus den Oxiden des behandelten Metalls gebildet wird. Da die Schichten teilweise in das Metall einwachsen, wird eine hohe Haftfestigkeit erreicht. Aufgrund seiner hohen Dauerfestigkeit ist Kepla-Coat weiß auch für Maschinenteile und Spezialanwendungen geeignet. Magoxid-Coat weiß eignet sich auch für die nachträgliche Lackierung, zum Beispiel von Felgen oder Fahrrädern. Die schwarzen Varianten der Beschichtung werden vor allem dann eingesetzt, wenn eine sehr gute Lichtabsorption und hohe UV-Beständigkeit gefordert sind. Da sich diese Beschichtungen besonders für die Automobilindustrie eignen, entwickelt das Unternehmen eine vollautomatische Magoxid-Coat-Anlage für die Serienproduktion.

Thermoplastische Pulverbeschichtungen sind auch für die Automobilindustrie und Industrieanlagen von Bedeutung, da sie erhebliche Material- und Energieeinsparungen ermöglichen. Die Pulverlacke Plascoat und Abcite von Axalta Coating Systems sind effektive und wirtschaftliche Lösungen für einen lang anhaltenden Korrosionsschutz. Diese Beschichtungen basieren auf einem Polymer, dessen chemische Zusammensetzung an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Neben Stahl sind die Lacke auch für Aluminium und verzinkte Untergründe geeignet.

Auch Aluminium- und Gießereibetriebe profitieren von geeigneten Beschichtungen. Pyrotec bietet Hochtemperaturbeschichtungen - typischerweise aus Bornitrid (BN) - an, die das Anhaften von geschmolzenem Aluminium an Kontaktflächen verhindern. Laut Pyrotek Global Product Manager George Stavnes liegt der Vorteil dieser Beschichtungen darin, dass Bornitrid chemisch nicht mit geschmolzenem Aluminium benetzbar ist, die Erosion von Substraten verhindert und mehrere Güsse auf Sauen- und Masselformen überdauert. Auf diese Weise kann die Lebensdauer einer Form verlängert werden.

    Autoren

    Alexander Stark