Phosphatierung: Arten, Vorteile und Anwendungen

Schwarze Phosphatbeschichtung

Lacke und Pulverbeschichtungen Sie werden heute bei einer Vielzahl von Stahlteilen eingesetzt. In den letzten Jahrzehnten haben viele Hersteller von galvanischen Oberflächenbehandlungen auf organische Beschichtungen umgestellt. Dieser Wandel erfolgte hauptsächlich, weil Lackieren und Pulverbeschichten einfacher auf große Produktionsmengen aufzutragen sind und einen guten allgemeinen Korrosionsschutz bieten.

Stahl wird für fast alles verwendet, was Sie sehen. Lackiert oder pulverbeschichtet Stahl wird für Einkaufswagen, Lagerregale, Lagergestelle und andere Fahrzeugkomponenten verwendet. 

Darüber hinaus findet man Lack- oder Pulverbeschichtungen auf Geräten und Werkzeugen, die im Bauwesen, im Transportwesen und sogar bei Konsumgütern eingesetzt werden. 

Farbe haftet jedoch nicht gut auf rohem, unbehandeltem Stahl. Ist die Stahloberfläche sauber (frei von Verunreinigungen) und glatt, kann die Farbe hingegen gut haften. reißen, abblättern oder abfallen Frühzeitige Ablösung. Daher wenden die meisten Hersteller vor der Beschichtung ein spezielles Verfahren auf den Stahl an. Eine sehr gängige Methode zur Stahlvorbereitung ist die Verwendung von Phosphatierungsbeschichtung.

Diese Beschichtung Es bildet sich eine dünne, kristalline Schicht auf der Stahloberfläche. Diese Schicht bietet eine Haftgrundlage für die Farbe. Darüber hinaus trägt sie zur Verbesserung des Korrosionsschutzes bei. 

Daher ist die Phosphatierung eine der am häufigsten verwendeten Vorbehandlungen für das Lackieren oder Pulverbeschichten verschiedenster Stahlteile.

 

Was ist eine Phosphatkonversionsbeschichtung?

Phosphatbeschichtete, CNC-gefräste Metallteile

Die Phosphatierung ist eine chemische Behandlung von Stahl nach der Reinigung. Das Werkstück wird in eine saure Phosphatlösung getaucht, die mit der Metalloberfläche reagiert. Dabei bildet sich direkt auf dem Stahl eine dünne Phosphatschicht. Ein kleiner Teil des Grundmetalls wird während der Reaktion aufgelöst.

Diese leichte Ätzung sorgt für eine gute Haftung der Phosphatschicht auf der Oberfläche. Je nach Verfahren kann das Beschichtungsgewicht stark variieren. Das Beschichtungsgewicht kann im Bereich von … liegen. 40 mg/ft² bis 4000 mg/ft²Auch wenn die Schichten sehr dünn sein können, sind sie im Allgemeinen gleichmäßig und haften gut am Stahl. 

Oberflächenreaktion während der Phosphatierung

Sobald der gereinigte Stahl in das Phosphatbad eingetaucht wird, beginnt die Säurelösung mit der Oberfläche zu reagieren. Metallionen lösen sich im Bad und verbinden sich mit Phosphatsalzen. 

Dies führt zur Bildung eines unlöslichen Belags auf dem Bauteil. Unter Vergrößerung erscheinen viele Phosphatbeschichtungen kristallin. Einige der helleren Beschichtungen weisen jedoch eine kleinere Kristallgröße auf und sind daher weniger sichtbar.

Unabhängig von der Kristallgröße bildet sich die Ablagerung direkt auf der Metalloberfläche. Durch die leichte Ätzung des Stahls während des Phosphatierungsprozesses verbindet sich die Beschichtung fest mit dem Stahl und blättert daher nicht so leicht ab. 

Warum die Beschichtung vor dem Lackieren verwendet wird

Unbeschichteter, blanker Stahl bietet aufgrund seiner glatten Oberfläche keine gute Haftung für Lacke. Schlechte Haftung führt zu vorzeitigem Verschleiß. Die Phosphatierung erzeugt eine rauere Mikrostruktur als unbeschichteter Stahl. Dadurch haften Lacke und Pulverbeschichtungen deutlich besser auf dieser Oberfläche. 

Die Beschichtung bietet zudem einen grundlegenden Korrosionsschutz, während die Endbeschichtung aufgebracht wird. Bei Bedarf kann die Beschichtung auch Öle, Wachse oder Rostschutzmittel aufnehmen. 

Gängige Phosphatbeschichtungsarten

In der Industrie werden heute verschiedene Phosphatierungsverfahren eingesetzt. Eisenphosphat ist eines der gebräuchlichsten. Es erzeugt eine dünne Beschichtung und wird häufig vor dem Lackieren von Blechen, Geräten und anderen Stahlkonstruktionen verwendet. Zinkphosphat hingegen erzeugt eine dicke, kristalline Beschichtung.

Beschichtungsgewichte für Zinkphosphat-Konversionsbeschichtung reichen typischerweise von 100 bis 1,000 mg/ft². Es bietet einen besseren Korrosionsschutz und wird häufig als Vorbehandlungsbeschichtung für Autolackiersysteme verwendet.

Gelb verzinkte Schrauben

Manganphosphat Erzeugt die dickste Beschichtung. Manganphosphat wird für Teile verwendet, die Ölrückhaltung und Verschleißfestigkeit erfordern, wie z. B. Zahnräder, Waffenteile und Motorkomponenten. Es wird manchmal in Kombination mit fortschrittlichen Oberflächenbehandlungen eingesetzt, wie z. B. Mikrolichtbogenoxidation, für zusätzlichen Schutz.

Wie die Beschichtungen aufgetragen werden

Das Applikationsverfahren hängt von der Art der Beschichtung und der jeweiligen Produktionslinie ab. Eisenphosphat wird häufig mittels Sprühsystem oder mehrstufiger Waschanlagen aufgebracht.

Diese Methoden sind typisch für die in Vorbehandlungsanlagen für Lacke angewandten Verfahren. Zink und Mangan Phosphatierung werden im Allgemeinen mithilfe von Tauchbädern angewendet.

Die Teile verbleiben so lange im beheizten Bad, bis die Reaktion ausreichend Zeit zur Bildung der gewünschten Beschichtung gegeben hat. Alle Phosphatbäder arbeiten unter sauren Bedingungen und benötigen Wärme, um die Reaktion aufrechtzuerhalten. Im Normalbetrieb bildet sich im Bad als Nebenprodukt der Reaktion Schlamm. Dieser Schlamm muss regelmäßig entfernt werden, um die ordnungsgemäße Funktion des Bades zu gewährleisten.

 

Typische Dicke von Phosphat-Konversionsbeschichtungen

Die Menge der Beschichtung, die auf Metall haftet, kann je nach Art variieren. Die Beschichtungsdicke kann die Korrosionsbeständigkeit und die Lackhaftung (bei beschichteten Produkten) sowie die Ölrückhalteeigenschaften beeinflussen. 

Je nach Art des zu beschichtenden Metalls und dem beabsichtigten Endanwendungszweck werden unterschiedliche Arten von Phosphatierungen eingesetzt.

Schwere Zinkphosphat-Beschichtungen

Verzinkte CNC-Gewinderinge

Schwere Zinkphosphat-Beschichtungen sind grau und kristallin. Die Schichtdicke kann variieren von 100 bis 1000 mg/ft². Schwerere Beschichtungen sind dichter als leichtere; sie bleiben jedoch in gewissem Maße porös.

Öle und Wachse haften sehr gut an den rauen Oberflächen dieser Beschichtungen. Aufgrund dieser Eigenschaft werden diese Beschichtungen häufig auf Teile aufgebracht, die für den Betrieb mit Schmierstoffen ausgelegt sind. Ein Nachteil der Verwendung dicker Zinkphosphat-Beschichtungen besteht darin, dass sie bei unvorsichtiger Handhabung abplatzen können, da sie übereinanderliegende Kristallschichten bilden.

Praktischer Tipp: Vor dem Eintauchen des Stahls in die Zinkphosphatlösung muss die Stahloberfläche gründlich von Fett und Öl gereinigt werden. Verbleiben Fett- oder Ölreste auf der Stahloberfläche, kann die Beschichtung keine ordnungsgemäße Verbindung eingehen.

Leichte Zinkphosphat-Beschichtungen

Leichtere Zinkphosphatbeschichtungen fallen typischerweise in den Bereich Schichtdickenbereich: 100–1,000 mg/ft². Diese Beschichtungen sind im Allgemeinen glatter und weniger porös als die schwereren Beschichtungen.
Da sie relativ dünn und glatt sind, werden diese Beschichtungen meist vor dem Lackieren oder Pulverbeschichten aufgetragen. 

Diese Beschichtungen bieten einen ausreichenden Korrosionsschutz und eine starke Grundierung für nachfolgende Beschichtungsanwendungen, tragen aber nur minimal zur Gesamtdicke der Beschichtung bei.

Eisenphosphat-Beschichtungen

Eisenphosphat-Beschichtungen sind die dünnste der drei Phosphat-Beschichtungsoptionen. Typischerweise reichen die Beschichtungen von 40 bis 80 mg/ft². Im Gegensatz zu Zink- und Manganphosphatbeschichtungen, die eine kristalline Struktur bilden, erzeugen Eisenphosphatbeschichtungen eine glatte, blaue oder irisierende Oberfläche.

Eisenphosphatbeschichtungen werden hauptsächlich als Grundierung für Lacke und als Vorbehandlung eingesetzt. Öle und Schmierstoffe haften schlecht auf den Beschichtungen; daher sind sie für bewegliche Teile nicht empfehlenswert.

Praxistipp: Im Vergleich zu Zink- und Manganphosphatbeschichtungen ist die Prozesssteuerung bei der Herstellung von Eisenphosphatbeschichtungen deutlich einfacher. Sowohl pH-Wert- als auch Titrationsmessungen sind wesentlich einfacher durchzuführen und zu steuern. Zudem wird weniger Wärme benötigt, wodurch die Energiekosten sinken.

Manganphosphatbeschichtungen

mit Magnesiumphosphat beschichtetes Teil

Manganphosphat-Beschichtungen sind dicker als Eisen- und Zinkphosphat-Beschichtungen. Im Allgemeinen variieren die Schichtdicken von Manganphosphat-Beschichtungen zwischen 1,000 bis 4,000 mg/ft². Die Beschichtung ist schwarz, grob und hochkristallin.

Dank ihrer dicken, grobkristallinen Struktur speichert die Beschichtung Schmierstoffe und Rostschutzöle hervorragend. Sie sorgt außerdem für einen niedrigen Reibungskoeffizienten, wodurch Fressen und Verschleiß an beweglichen Teilen wie Zahnrädern, Wellen und Lagern verhindert werden.

Praxistipp: Die mit dem Manganphosphat-Verfahren hergestellten Beschichtungen werden häufig auf bewegliche oder rotierende Bauteile aufgebracht, insbesondere auf solche, bei denen Korrosionsschutz und Verschleißfestigkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Haftung und Oberflächeneigenschaften der Beschichtung

Alle Phosphatbeschichtungen haften fest auf Stahl. Porosität und Oberflächenrauheit der Beschichtungen unterscheiden sich je nach Schichtdicke (dick oder dünn). Dicke Beschichtungen sind im Allgemeinen poröser und rauer als dünne und halten daher Öle besser. Dünne Beschichtungen hingegen sind glatter und eignen sich besser für die Lackhaftung.

Öl- und Schmierstoffrückhaltung

Sowohl Zink- als auch Manganbeschichtungen absorbieren aufgrund ihrer kristallinen Struktur Öle und Wachse. Eisenphosphat hingegen absorbiert keine Öle und Schmierstoffe. Aus diesem Grund werden Manganphosphatbeschichtungen häufig für bewegliche oder tragende Teile bevorzugt.

Steuerung &

Eisenphosphatbeschichtungen sind von den drei Beschichtungsarten am einfachsten zu kontrollieren. Zur Prozessüberwachung sind lediglich einfache pH-Wert- und Titrationstests erforderlich. Die Überwachung des Gesamtsäure-, des freien Säure- und des Eisengehalts der Zink- und Manganphosphatbeschichtungen ist notwendig. Die Einhaltung des korrekten Verhältnisses von Gesamt- zu freier Säure ist entscheidend für die Erhaltung der Beschichtungsqualität.

Farbindikatoren

• Schweres Zink: grau, leicht rau
• Helles Zink: grau, glatter
• Eisenphosphat: blau bis irisierend
• Manganphosphat: schwarz, grob

Vergleich von Schwarzoxid- und Phosphatbeschichtungen

schwarz oxidbeschichteter Stahlflansch

Obwohl sowohl Schwarzoxid- als auch Phosphatbeschichtungen weit verbreitet zum Schutz von Metalloberflächen eingesetzt werden, unterscheiden sie sich in ihren Anwendungsbereichen grundlegend. Sie eignen sich für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen. Um die richtige Beschichtung für ein bestimmtes Bauteil auszuwählen, ist es hilfreich, die Unterschiede zu kennen.

Zusammensetzung

Das Schwarzoxid für Stahl Es wird eine dünne Schicht Eisenoxid hinzugefügt. Phosphatbeschichtungen hingegen bilden Zink-, Mangan- oder Eisenphosphat, die chemisch mit der Metalloberfläche reagieren.

Zweck

Schwarzoxid wird hauptsächlich zur optischen Aufwertung und zum Schutz vor leichter Korrosion eingesetzt. In Kombination mit Ölen verbessert es zudem die Schmierfähigkeit. Phosphatbeschichtungen dienen primär als Basis für Lacke oder Pulverbeschichtungen und bieten darüber hinaus zusätzlichen Korrosions- und Verschleißschutz.

Korrosions- und Verschleißfestigkeit

Schwarzoxid bietet nur minimalen Korrosionsschutz. Öl oder Dichtmittel sind in der Regel erforderlich, um Rost zu verhindern. Phosphatbeschichtungen bieten einen verbesserten Korrosionsschutz, insbesondere mit Zink- und Manganphosphat. Manganphosphat verbessert zudem die Verschleißfestigkeit und sorgt für eine gute Schmierstoffbindung.

Oberflächenfinish

Schwarzoxid erzeugt eine dunkle, glatte und glänzende Oberfläche. Phosphatbeschichtungen hingegen erzeugen eine matte oder seidenmatte Oberfläche. Diese Oberflächen sind etwas rauer als die durch Schwarzoxid erzielten. Die raue Oberfläche trägt zur besseren Haftung von Lacken oder Beschichtungen bei.

Beschichtungsdicke

Schwarzes Oxid ist extrem dünn und reicht von 0.0002 bis 0.0006 Zoll. Phosphatbeschichtungen sind deutlich dicker und reichen von etwa 0.0002 bis 0.002 Zoll. Die Dicke der Phosphatbeschichtung hängt von der Art der aufgebrachten Beschichtung ab.

Temperaturbeständigkeit

Schwarzes Oxid weist eine höhere Hitzebeständigkeit auf. Schwarzes Oxid hält Temperaturen bis zu ... stand. 500 ° C. Phosphatbeschichtungen sind weniger hitzebeständig und sollten nur bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden.

Adhäsion und Schmierfähigkeit

Beide Beschichtungsarten eignen sich hervorragend als Grundlage für Öle oder Farben. Schwarzes Oxid verbessert die Schmierfähigkeit jedoch deutlich, insbesondere bei Zugabe von Ölen oder Wachsen. Manganphosphat bindet aufgrund seiner kristallinen Struktur Schmierstoffe auf natürliche Weise.

Anwendung

Schwarzoxid kann entweder in einem chemischen Bad oder in einem heißen alkalischen Bad aufgebracht werden. Die Phosphatierung erfolgt durch Eintauchen der Bauteile in eine Phosphatlösung. Produktionsprozesse können auch Sprühvorgänge umfassen.

Kosten- und Umweltaspekte

Schwarzoxid ist im Allgemeinen günstiger. Allerdings werden dabei mehr gefährliche Chemikalien verwendet. Phosphatbeschichtungen sind teurer. Sie erfordern jedoch einen komplexeren Herstellungsprozess und dickere Schichten. Sie gelten als umweltschonender. Allerdings ist eine Abwasserbehandlung erforderlich.

Typische Anwendungen

Schwarzoxid:

• Befestigungselemente
• Zubehör
• Firearms
• Komponenten von Schneidwerkzeugen
• Elektronische Bauteile (vorwiegend für die Optik und zum Schutz vor leichter Korrosion)

Phosphatbeschichtung:

• Kfz-Komponenten
• Getriebe
• Lager
• Nockenwellen
• Militärische Hardware
• Haushaltsgeräte (vorwiegend für Korrosionsschutz, Hafteigenschaften für Farben und Lacke sowie Schmierstoffhaftung)

Referenzvergleichstabelle

Faktoren	Schwarzes Oxid	Phosphatbeschichtung
Schicht	Eisenoxid	Zink-, Mangan- oder Eisenphosphat
Zweck	Leichte Korrosion, Aussehen	Korrosionsschutz, Lackbasis
Materialstärke	Sehr dünn	Dicker, variiert je nach Art
Oberfläche	Glatt, glänzend	Matt, rau
Tragen	Moderat	Gut, insbesondere Mangan
Schmierfähigkeit	Benötigt Öl/Wachs	Hält Öl/Wachs auf natürliche Weise
Anwendung	Chemisches Bad	In Phosphatlösung tauchen oder besprühen
Allgemeiner Gebrauch	Werkzeuge, Befestigungsmittel, Schusswaffen	Autoteile, Zahnräder, Haushaltsgeräte

Lesen Sie auch unseren Leitfaden: Alodin-Beschichtung.

 

Geeignete Materialien für die Phosphatierung

Phosphatbeschichtungen eignen sich gut für eine Vielzahl von Metallen. Sie verbessern Korrosionsbeständigkeit, Lackhaftung und VerschleißschutzNachfolgend finden Sie eine kurze Liste gängiger beschichteter Metalle und typischer Anwendungsgebiete.

Gemeinsame Materialien

• Kohlenstoffstahl
• Werkzeugstahl
• Aluminiumlegierungen
• Edelstahl

Typische Anwendungen und Branchen

Material	Beispielnoten	Common-Gebrauch
Kohlenstoffstahl	AISI 4140, AISI 4130	Motorlager, Fahrwerksteile
Werkzeugstahl	H13, D2	Halterungen, Werkzeugeinsätze
Aluminium	6061, 7075	Fahrgestellteile, leichte Halterungen
Edelstahl	SUS304, SUS316L	Verbindungselemente, Maschinenteile

Industrielle Anwendungen von Phosphatbeschichtungen

Metallprodukte mit einer Phosphatbeschichtung sind vor Korrosion geschützt. Darüber hinaus weisen sie eine verbesserte Lackhaftung auf und bieten möglicherweise einen besseren Schutz vor übermäßigem Verschleiß. 

Die Beschichtung ermöglicht es außerdem, dass Schmierstoffe besser an der Metalloberfläche haften, was in vielen mechanischen Anwendungen von Vorteil ist.

Die aufgeführten Branchen haben die Phosphatierung jeweils auf unterschiedliche Weise eingesetzt:

Automobilindustrie

Motor, Fahrwerk und andere Chassis-Teile werden üblicherweise phosphatiert. Die Phosphatierung schützt diese Teile vor Korrosion und sorgt für eine gute Lackhaftung. Darüber hinaus reduziert sie den Verschleiß beweglicher Teile wie Zahnräder und Nockenwellen.

Luft-und Raumfahrtindustrie

Aluminium- und Stahlbauteile, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, werden vor dem Lackieren mitunter phosphatiert. Diese Beschichtung verbessert die Korrosionsbeständigkeit und die Haftung des Lacks auf Struktur- und Maschinenteilen. 

Die Phosphatierung trägt außerdem dazu bei, Befestigungselemente und Präzisionsbauteile während des Betriebs und der Wartung vor Oberflächenverschleiß zu schützen.

Industriemaschinen

Teile von Industriemaschinen, darunter Zahnräder, Lager und Werkzeuge, werden phosphatiert. Phosphatierte Beschichtungen reduzieren den Verschleiß. Darüber hinaus verhindern sie Fressen und gewährleisten die Schmierung im Betrieb.

Haushaltsgeräte

Stahl- und Aluminiumteile von Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Trocknern und Kühlschränken werden phosphatiert. Diese Beschichtungen verbessern die Haftung der Lackierung und hemmen die Korrosion.

Draht- und Rohrproduktion

Beim Ziehprozess von Draht und Rohren erhalten diese eine Phosphatierung. Die Phosphatierung reduziert die Reibung und verbessert die Schmierstoffhaftung.

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