Korrosionsschutz bei Fahrzeugunterbodenteilen 

Ein Blick auf die Herausforderungen und Möglichkeiten

Von G.-B. Dick, Lorch 

Die Automobilindustrie ist einer der treibenden Kräfte bei der Weiterentwicklung von Korrosionsschutzsysteme. Dabei ergeben sich einerseits aus dem zunehmenden Einsatz von Leichtbauwerkstoffe und zum anderen aus der unvermeidlichen Werkstoffkombination mit zahlreichen anderen Materialien besondere Herausforderungen. An Beispielen aus der Praxis werden solche Korrosionsfälle aufgezeigt und die verschiedenen Möglichkeiten zum Schutz der Grundwerkstoffe kurz dargelegt.

1 Herausforderungen

Die Automobilindustrie ist nach wie vor einer der treibenden Industriebereiche, wenn es darum geht, innovative Korrosionsschutzsysteme zu initiieren. Dieser Trend wird noch dadurch unterstützt, dass in den letzten Jahren vermehrt neue, vor allem leichtere Werkstoffe zum Einsatz kamen oder versuchsweise eingesetzt wurden. Darüber hinaus sind Fahrzeuge ideale Systeme, wenn es darum geht, die Vielfalt an angreifenden und werkstoffschädigenden Bedingungen aufzuzeigen. Sowohl die sehr breite Palette an unterschiedlichen Werkstoffen und Werkstoffverbindungen, aber auch die verschiedensten Klimate oder die unterschiedlichen Beanspruchungen stellen Automobilhersteller immer wieder vor neue Herausforderungen. Schließlich trägt die hohe Aufmerksamkeit, die viele Menschen ihrem Fahrzeug schenken, dazu bei, auch kleinste, oftmals nur dekorative Veränderungen am Fahrzeug zu erkennen.

Die vorliegende Betrachtung richtet sich auf Teile des Unterbodenbereichs. Hier kommen sowohl korrosive Belastungen in Verbindung mit Deckschichten durch Schmutz und der darin gebundenen Feuchtigkeit als auch mechanische Beanspruchungen durch Schlagwirkung und Abrasion zum Tragen. Als wirksamer Schutz gegen diese Beanspruchungen wird seit einigen Jahren Zink in unterschiedlicher Zusammensetzung (Legierungen) und in verschiedenen Schicht­arten eingesetzt.

Eine weitere Herausforderung für die Auto­mobilhersteller besteht in der Vermeidung­ von Kontaktkorrosion. Vor allem bei lösbaren Schraubverbindungen ist die Aufgabe zu lösen, die interessanten Werkstoffe Aluminium und Magnesium mit den klassischen Stahlwerkstoffen zu verbinden, wobei in der Regel hochfeste Stähle für die Schrauben zum Einsatz kommen. Insbesondere bei Gussteilen kommt hinzu, dass sich die Werkstoffoberfläche nach der erforderlichen Bearbeitung durch Bohren, Drehen oder Fräsen anders verhält, als dies bei einer unbeschädigten Gusshaut der Fall ist (Abb. 1).

Bei durchgeführten Tests hat sich gezeigt, dass unter bestimmten Umgebungsbedingungen bereits bei Neuwagen Teile im Unterbodenbereich nach einigen Monaten erhebliche Korrosionserscheinungen aufweisen können (Abb. 2). Auch wenn diese Erscheinungen in erster Linie das Aussehen und nicht die Funktion beeinträchtigen, so wird der Gesamteindruck des Fahrzeugs beeinträchtigt. Darüber hinaus zeigen solche Erscheinungen aber auch, dass hier ein Bauteil einem erhöhten Abtrag unterworfen ist, der im Gebrauch frühzeitig zu einem kritischen mechanischen Versagen oder ­zumindest zur Reparatur Anlass gibt.

2 Möglichkeiten des Korrosionsschutzes

Für Bauteile im sogenannten Unterbodenbereich (underbody parts), wie Fahrwerkskomponenten, Achskörper, Motorhilfsrahmen oder Federlenker, bewähren sich Schichten aus oder mit Zink und Zinklegierungen. Sie widerstehen sowohl dem Angriff durch Korrosion als auch durch Steinschlag und schützen die eingesetzten Stahlwerkstoffe effektiv. Nach wie vor ist allerdings die Art der Beschichtung ein Diskussionsthema sowohl bei den einzelnen OEMs, bei den übergeordneten Verbänden oder auch den Beschichtern und den Chemie- und Verfahrenslieferanten. Durch die vor mehr als zehn Jahren umgesetzte Verbannung von Chromatierungen auf den bis dahin klassischen Zinkbeschichtungen hat sich die Zahl der in Betracht kommenden Beschichtungsvarianten, bestehend aus Grundschicht und Nachbehandlung, deutlich erhöht. Ebenso hat der vermehrte Einsatz von Leichtbauwerkstoffen zu einer deutlichen Differenzierung der eingesetzten Beschichtungen geführt. Nachfolgend werden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren für den Bereich der Unterbodenbauteile in kompakter Form aufgezeigt.

2.1 Feuerverzinkung

Die zu schützende Metalloberfläche wird in ein geschmolzenes Metall oder eine Metalllegierung getaucht (Schmelztauchbeschichtung), wobei eine Unterscheidung aufgrund der Verzinkungstemperatur getroffen wird:

• Normaltemperatur-Verzinkung ≤ 450 °C
• Hochtemperatur-Verzinkung ≥ 530 °C

Die Beschichtungsverfahren der Anbieter unterscheiden sich hinsichtlich der Betriebs­temperaturen, der Legierungszusammensetzung der Überzüge sowie der erzielbaren Schichtstärken. Für hochfeste­ Stahlsorten kommt die Normaltemperatur-Verzinkung mit Betriebstemperaturen von circa 450 °C in Frage. Die üblichen Schichtstärken liegen zwischen 60 µm und 100 µm.

Die Schichten bilden Übergangszonen mit dem Grundmaterial, wodurch eine außerordentlich gute Haftung erzeugt wird. Dar­über hinaus lassen sich die Zinkschichten nachbehandeln. Für bestimmte Anwendungen kommen darüber hinaus auch Duplexschichten zum Einsatz, bei denen nach dem Feuerverzinken eine Lackierung durchgeführt wird.

2.2 Galvanische Verzinkung

Der galvanisch (auch: elektrolytisch) abgeschiedene Metallüberzug wird durch katho­dische Metallabscheidung aus einer wässrigen Elektrolytlösung hergestellt. Ein hoher Korrosionsschutz wird durch eine zusätzliche Nachbehandlung, wie Passivierung und Versiegelung, erzeugt. Für die Abscheidung stehen prinzipiell drei Varianten zur Auswahl:

• saure Verfahren
• alkalische Verfahren
• cyanidische Verfahren

Mit galvanischen Verzinkungsverfahren lassen sich Überzüge mit Zink- und Zinklegierungen (Zink-Nickel, Zink-Kobalt, Zink-­Eisen, Zink-Zinn, Zink-Zinn-Kobalt) herstellen. Die Zinklegierungen unterscheiden sich in Härte und Korrosionsbeständigkeit sowie in der Eignung für eine nachfolgende Passivierung. Zur Erzeugung von schwarzen Oberflächen weisen zum Beispiel Zink-Eisen-Schichten die beste Eignung auf. Auf bestimmten Stahlsorten wird beispiels­weise zur Erzielung einer guten Haftung in erster Linie aus sauren Verfahren eine Grundschicht aufgebracht. Duktile Zinkschichten werden durch eine zusätzliche Abscheidung aus alkalischen oder cyanidischen Verfahren hergestellt. Zudem besitzen die alkalischen und cyanidischen Verfahren eine bessere Streufähigkeit, also Schichtverteilung bei komplexen Geometrien.

Hervorzuheben sind duktile Zinkschichten für die Unterzinkung von hochbeanspruchten Achsbauteilen zur anschließenden ­kathodischen Tauchlackierung (KTL) oder Zinklamellenbeschichtung.

Die Innenbeschichtung von engen Hohlkörpern, wie zum Beispiel von Hinterachs­trägern, ist mit galvanischen Verfahren nur schwer möglich. Einfache Strukturen wie Federlenker lassen sich dagegen problemlos galvanisch verzinken.

Die Korrosionsanforderungen nach TL 217 (Technische Liefervorschrift von VW) werden mit dem erprobten Verfahren Zink duktil mit anschließender DKTL-Außen- und -Innenbeschichtung (Dickschicht – Kathodische Tauchlackierung) wesentlich besser erfüllt. Im Gegensatz dazu waren bei einer reinen DKTL-Beschichtung in einigen Fällen unzureichende Ergebnisse erzielt worden (Abb. 3).

Abb. 3: Fahrzeug Audi A3, Erstzulassung 2005/04, Federlenker mit Serien-DKTL-Beschichtung; bereits nach zwei Jahren zeigen sich erhebliche Korrosionsprobleme an Schweißnähten und Kanten

2.3 Mechanische Verzinkung

Im Vordergrund steht hier die Herstellung von Überzügen durch Kugelplattieren. Dazu wird auf die zu schützende Metalloberfläche eine Schicht dadurch aufgebracht, dass Metallpulver (reines Metall oder Metalllegierungen) mit den Teilen in Trommeln bewegt und damit im Prinzip aufgedrückt (eingehämmert) wird. Die Technologie ist besonders für Stückgut (Schrauben, Verbindungselemente) geeignet, während das Verfahren für großflächige Einzelteile unwirtschaftlich ist. Einer der Vorzüge des Verfahrens liegt in der Möglichkeit, hochfeste Stähle ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung oder thermischer Belastung mit einer Zinkschicht zu versehen. Die Herausforderung liegt hier in der Erzeugung von dichten und allseitig aufgebrachten Schichten auch bei komplexen Geometrien, wie sie beispielsweise Gewinde bei Schrauben darstellen.

2.4 Sheradisieren/Sherad-Verzinkung

Das zu beschichtende Teil wird beim Sheradisieren unter ständiger Bewegung in einem Zinkstaubgemisch auf etwa 400 °C erhitzt. Dabei entstehen Diffusionsüberzüge aus Eisen-Zink, die ähnlich aufgebaut sind wie Zinkschichten beim Feuerverzinken. In Bezug auf die Anwendung liegen hier die Verhältnisse ähnlich wie beim Kugelplat­tieren:

• geeignet für Stückgut (Schrauben, Verbindungselemente)
• unwirtschaftlich bei großflächigen Einzelteilen

2.5 Verzinken durch thermisches Spritzen

Beim thermischen Spritzen wird die zu schützende Metalloberfläche durch Auftragen von geschmolzenem Überzugsmetall beschichtet. In der Regel weisen die entstehenden Überzüge Poren auf. Durch hohe Schichtdicken können durchgehend Poren vermieden werden. Das Verfahren ermöglicht bei kleineren Beschichtungsflächen einen schnellen und – je nach Teile­geometrie – auch partiellen Aufbau von Zinkschichten sowie die Herstellung von Zinkschichten mit unterschiedlichen Dicken. Allerdings ist das Verfahren bei großflächigen Einzel­teilen eher unwirtschaftlich.

2.6 Alternative Beschichtungsverfahren

Ein Verfahren zur Herstellung von außergewöhnlichen Schichten ist die Metallabscheidung aus nichtwässrigen sogenannten aprotischen Elektrolyten. Umgesetzt wurde die umweltschonende Zukunftstechnologie zur Herstellung von Aluminium- und Aluminiumzinklegierungsschichten.

Begeistert von den technischen Möglichkeiten im Oberflächenschutz wurde im Jahr 2002 eine Großanlage in Betrieb genommen. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Punkte aus:

• kathodischer Korrosionsschutz für hochbeanspruchte Bauteile
• keine Wasserstoffversprödung bei hochfesten Stählen
• Direktabscheidung auf Stahl mit guter Haftfestigkeit

Allerdings stehen dem Verfahren auch einige Nachteile entgegen:

• sehr hohe Arbeitssicherheitsanforderungen
• hoher technischer Anlagenaufwand
• kritische Prozesssicherheit
• hohe Herstellungskosten (Wirtschaftlichkeit kritisch)
• Großserienfertigung aufgrund der begrenzten Prozesssicherheit kritisch
• Korrosionsversuche mit Zwischenschichten nicht erfolgreich

Wegen der signifikanten Nachteile konnte kein Massenmarkt erschlossen werden, weshalb der Betrieb wieder eingestellt wurde (Aluminal GmbH Co. KG; 2009).

Eine weitere Technologie mit sehr vorteilhaften Eigenschaften ist die Feuerverzinkung von Fahrzeugunterbodenteilen, wie sie beispielsweise von Électropoli mit GFE® 2.0 und DARK GFE® 2.0 angeboten wird [4]. Bei der Variante GFE® 2.0 handelt es sich um eine Zinkschicht mit 0,05 % bis 0,2 % Aluminium und einer Dicke im Bereich zwischen 30 µm und 80 µm ohne Blei und Chrom(VI). Die Beschichtung zeichnet sich durch folgende Verfahrensvorteile aus:

• mit zwölfjähriger Korrosionsbeständigkeit überragende Qualität ohne zusätzliche Beschichtung und ohne Korrosionsgefahr an Verbindungsstellen
• Beschichtung von komplexen Bauteilen aus verschiedenen Stahlsorten möglich
• Beschichtung von legierten Stahlsorten mit Silicium und Phosphoranteil möglich
• Einhaltung der europäischen Gesetzgebung CEE 374/1985 und Umweltschutz und Recycling CEE 53/2000
• gleichmäßige Zinkschichtdickenverteilung selbst in Hohlkörpern und Aussparungen
• größte Flexibilität beim Transport der Bauteile
• keine Gefahr der Wasserstoffversprödung der Materialien
• keine zusätzliche Beschichtung (KTL, Passivierung, Versiegelung) notwendig
• ohne Gefahr der Beschädigung (z. B. Kratzer) zu verpacken, zu transportieren und zu lagern
• Reduzierung vom Zinkgewicht durch geringere Schichtdicke (ca. 30 µm)
• stärkerer Widerstand und Verbesserung des Verhaltens von Fahrzeugen im Crashtest
• Wegfall von Auswucht- und Akustikmasse; erst bei der Endmontage erforderlich

Die Beschichtung eignet sich aufgrund der Vorteile für besonders stark gefährdete Teile unter Beaufschlagung von Feuchtigkeit, korrosive Salze und Steinschlag. Sie kommt damit vor allem für die metallischen Strukturteile wie Fahrschemel Hinterachse, Gerüst, Quer-und Federlenker, Schienen oder Streben im Bodenbereich eines Fahrzeugs in Betracht. Die Beschichtung bringt neben der guten Korrosionsbeständigkeit auch Sicherheitsvorteile bei der Fahrzeugauslegung durch ein besseres Bauteilverhalten bei Frontalzusammenstößen. Die Wirtschaftlichkeit erhöht sich durch den denkbaren Einsatz von dünneren Blechen und der damit verbundenen Gewichtsersparnis, die deutliche Reduzierung der Schweißpunkte (um ca. 50 %). Schließlich ist auch eine Verbesserung der Steifigkeit und des Ermüdungsverhaltens sowie der statisch und dynamischen mechanischen Eigen­schaften durch einen Verlötungseffekt­ zu erwarten. Zum Einsatz kam die Beschichtung bisher bei verschiedenen Fahrzeugen der französischen Hersteller und Volvo.

Eine weitere interessante Beschichtungsart ist Microzinq® D4 (Mikroverzinken der Vista Group für Automobilteile). Die Normaltemperatur der Verzinkung liegt bei maximal 450 °C und zeichnet sich durch dünne Schichten zwischen 8 µm und 15 µm aus. Überzüge werden aus einer Metallschmelze aus Zink mit 5 % Aluminium aufgebracht. Progatec AB aus Schweden liefert die Anlagentechnologie mit einfacher Programmsteuerung. Be- und Entladung sowie die Nacharbeitsprüfung erfolgt manuell.

Das Verfahren wurde von Galva Power Group N. V., 3545 Halen, Belgien, patentiert und kann nach derzeitigem Kenntnisstand durch folgende Angaben charakterisiert werden:

• Die mittlere Schichtstärke soll 12 µm betragen
• Die jährliche Ausbringungsleistung bei 250 Arbeitstagen beträgt 3,725 Millionen Stück
• Kompliziert geformte Hinterachsträger mit der Forderung nach Innen- und Außenbeschichtung ist mit dem vorhandenen Standard nur schwer möglich
• Korrosionsanforderungen nach TL 217 werden ohne Nachbehandlung (Passivierung oder Versiegelung) nicht erreicht

Microzinq® D4 stellt eine kostengünstige Alternative zu organischen Beschichtungen dar. Punktegeschweißte Hinterachsträger (HAT) sind noch in der Prüfung unter Praxisbedingungen. Bei Querlenker E83 gelangte das Verfahren zur Serienreife (BMW-Mini).

Quellen

[1] GD-Engineering: Interne Patent- und Literaturanalyse, Kathodischer Korrosionsschutz von hochfesten Stählen; 1995–2013 (nicht veröffentlicht)

[2] GD-Engineering: Interne Untersuchungen zur Verbesserung der kathodischen Schutzwirkung von Stahl gegen Korrosion bei Fahrwerksteilen; 1995–2013

[3] GD-Engineering: Marktstudie Anlagenhersteller KTL-Lackanlagen; 1995–2013 (nicht veröffentlicht)

[4] Groupe électropoli Electro-Recherche, Le Grand Chemin, F- 50540 Isigny le Buat; Patent DE 199 13 531 A1

GD-Engineering – Ingenieurbüro für Oberflächentechnik (1995–2013), D-73547 Lorch

E-Mail: gd-engineering@arcor.de