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Phosphatieren von Stahl

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Unter Phosphatieren versteht man ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Metallen. Es ist weit verbreitet und wird unter anderem für Stähle, aber auch für Aluminium sowie für verzinkte und cadmierte Stähle angewandt.

Bei der Phosphatierung wird durch chemische Reaktionen von wässrigen Phosphat-Lösungen mit der metallischen Oberfläche eine sogenannte Konversionsschicht gebildet. Diese besteht aus fest haftenden Metallphosphaten.

Es gibt unterschiedliche Gründe, aus denen eine Phosphatierung durchgeführt werden kann. Die Hauptanwendungsgebiete sind die Minderung von Reibung und Verschleiß, Korrosionsschutz, Haftvermittlung sowie die elektrische Isolation des Werkstücks. Das Verfahren wird auch unter diversen Markenbezeichnungen angeboten, zu denen Parkerisieren, Bondern und Atramentieren gehören.

Ausführung der Phosphatierung

Bei der Phosphatierung wird das betreffende Werkstück zunächst gebeizt. Hierbei gehen, unter Wasserstoffentwicklung, Metall-Kationen in Lösung. Anschließend erfolgt die Schichtbildung, indem schwer lösliche Phosphate ausgefällt werden. Abhängig von der verwendeten Phosphat-Lösung entstehen hierbei Eisen-, Zink-, oder Manganphosphatschichten.

Man unterscheidet zwischen schichtbildender und nicht schichtbildender Phosphatierung. Bei der nicht schichtbildenden Variante stammen die Metall-Kationen, die an der Schichtbildung beteiligt sind, aus dem bearbeiteten Werkstoff selbst. Die Kationen aus der Phosphat-Lösung sind somit nicht am Schichtaufbau beteiligt.
Bei der schichtbildenden Phosphatierung hingegen stammen die Metall-Kationen für den Schichtaufbau aus der Phosphat-Lösung, wobei zusätzlich auch Kationen aus dem Grundwerkstoff daran beteiligt sein können. Die Stärke der Konversionsschicht ist abhängig von der verwendeten Phosphat-Lösung. Sie beträgt bei der Eisenphosphatierung einige Hundert Nanometer und kann bei Zink- und Manganphospatierungen bis zu 2 Mikrometer erreichen.

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Anwendungsbereiche der Phosphatierung

Die Phosphatierung hat aufgrund der Eigenschaften der Konversionsschicht eine große Bedeutung in der Metall-Werkstofftechnik. Einerseits haftet die Phosphatschicht sehr gut auf dem metallischen Untergrund. Sie hat eine mikroporöse bzw. mikrokappilare Oberfläche, wodurch die Verankerung anschließender Beschichtungen des Werkstücks vereinfacht wird. Daher wird die Phosphatierung häufig als Vorbereitung für eine nachfolgende Beschichtung durchgeführt.

Phosphatieren als Korrosionsschutz

Zusätzlich wird durch die Phosphatschicht eine Unterrostung von schadhaften Stellen einer Beschichtung erschwert. Schon die Phosphatierung alleine kann Werkstücke eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit während der Lagerung bis zum nächsten Verarbeitungsschritt verleihen. Hierbei sind Zinkphosphatierungen den Eisenphosphatierungen überlegen. Durch Einölen oder Wachsen lässt sich die Schutzwirkung der Phosphatschicht noch verbessern.

Verbesserung der Gleiteigenschaften durch Phostphatschichten

Weiterhin bieten Phosphatschichten sehr gute Gleiteigenschaften, was häufig bei der Kaltumformung von Stahl ausgenutzt wird. Wegen ihrer guten Abscherbarkeit werden zu diesem Zweck meist Zinkphosphatschichten eingesetzt. Sie bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sie mit den oft als Gleitmittel verwendeten Alkaliseifen zu Zinkseifen reagieren können. Diese bilden dann ein thermisch höher belastbares und sehr gut am Werkstück haftendes Schmierstoffsystem.

Vor allem Manganphosphatschichten werden eingesetzt, um den Verschleiß zwischen hochbelasteten Gleitpartnern zu vermindern. Sie halten den Verschleiß geringen und können ein Festfressen der Werkstücke auch bei kurzfristigem Mangel an Schmierstoff verhindern.

Elektrische Eigenschaften

Alle Phosphatschichten haben einen hohen elektrischen Widerstand. Dies wird zum Beispiel bei Elektroblechen für Magnetkerne ausgenutzt, um diese mittels einer dünnen Phosphat-Trennschicht gegeneinander zu isolieren.

Umweltaspekte der Phosphatierung

Die bei der Phosphatierung anfallenden Abwässer und Verfahrensschlämme müssen als Sondermüll entsorgt werden. Daher muss das Verfahren unter ökologischen Gesichtspunkten kritisch betrachtet werden. Es befinden sich jedoch bereits phosphatfreie Konversionsschichten, etwa für Fahrzeug-Lackierungen, in der wissenschaftlichen Entwicklung.

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