Strukturierte Zink(oxid)schichten

Das Gemeinschaftsprojekt befasst sich mit der Entwicklung eines umweltverträglichen Beschichtungssystems für Stahl mit herausragendem kathodischen Korrosionsschutz.

Derzeit kommen bei Cr-basierten Passivierungen häufig umwelt- und gesundheitskritische Stoffe wie Chrom(VI), Kobalt und Nickel zum Einsatz. Wird auf diese Inhaltsstoffe verzichtet, leiden oft z. B. die Korrosionsschutzeigenschaften darunter. Getestet wurden bereits verschiedene Zink- und Zinklegierungsabscheidungen, Konversionsschichten sowie nanokristalline Beschichtungen. Jedoch gibt es bisher keine kathodischen Korrosionsschutzsysteme, mit denen die Korrosionsschutzeigenschaften der Zinkschicht gezielt durch Nanostrukturierung eingestellt werden. Auch der gezielte Verzicht auf gesundheitsschädliche Schwermetallverbindungen wurde bislang nicht verfolgt.

Aus diesem Grunde wurde 2017 ein Gemeinschaftsprojekt ins Leben gerufen. Die drei Verbundpartner (Universität Paderborn, Parker Hannifin und Dörken MKS) haben sich zum Ziel gesetzt, ein umweltverträgliches System zur elektrochemischen Abscheidung eines neuartigen Beschichtungswerkstoffes auf Stahl zu entwickeln. Schlüssel zum Erfolgt ist dabei die Abscheidung von innovativen Zink-, Zinklegierungs- und Hybridschichten, die mit einer nanostrukturierten, anorganischen Passivierungsschicht kombiniert werden. Das Besondere an dem multifunktionalen Beschichtungssystem: Unter der Verwendung ausschließlich umweltschonender Rohstoffe und Prozessführung, soll das Leistungsniveau trotzdem über dem bereits hohen Niveau üblicher Cr(VI)/Ni/Co-haltiger Systeme liegen. Gleichzeitig strebt das Projektteam dank des neuen Systems eine verbesserte Lebensdauervorhersage an.

Eine Vernetzung innerhalb der Wertschöpfungskette

Die Universität Paderborn, der chemische Industrie-/Beschichtungsentwickler Dörken MKS und der Beschichter und gleichzeitig Endanwender Parker Hannifin erarbeiten gemeinschaftlich die Grundlagen für die neue Technologie. Während die Universität Paderborn die Koordination der Schichtstrukturentwicklung verantwortet, bildet Dörken das zentrale Bindeglied zwischen der universitären Forschung und der Nutzung der Funktionsmaterialien, indem die grundlegenden Erkenntnisse in Schichttechnologien umgesetzt werden. Parker Hannifin koordiniert die Überprüfung der Eigenschaften der Schichtsysteme in Kombination mit den technisch relevanten Bauteilen.

So gibt es ein perfektes Zusammenspiel aus Laborexperimenten und Anwendung unter technischen Bedingungen. 

Projektaufbau – Von der Theorie in die Praxis


REM-Aufnahme von einer Oberfläche aus elektrolytisch verzinktem Stahl (Bildquelle: Universität Paderborn)

Zunächst einmal sollen neuartige Zinkschichten mit definierter Mikro- und Nanostruktur entwickelt und analytisch untersucht werden. Darauf aufbauend soll eine nanostrukturierte halbleitende Schicht entstehen, deren Abscheideprozess detailliert untersucht und optimiert wird. Gleichzeitig wird ein neuartiges Versiegelungssystem erarbeitet. Bei diesen beiden Entwicklungsstufen wird besonders darauf geachtet, dass die eingesetzten Rohstoffe umweltverträglich sind. Anschließend erfolgen die Untersuchung der Wirkung des Gesamtschichtsystems und die Ausformung eines materialwissenschaftlichen Modellbildes. Dieses Modellbild sowie die analytischen Ergebnisse dienen als Grundlage für die Prozesskontrolle und Steuerung.


Elektrolytisch verzinkter Stahl mit anschließender Aufhellung, um Verunreinigungen auf der Oberfläche zu entfernen. (Bildquelle: Universität Paderborn)

Das entwickelte System und die Prozesse sollen anschließend auf ausgesuchten Teilen auf einer Technikumsanlage angewendet und getestet werden. Dabei werden begleitend zu allen Versuchen auch technische Prüfungen durchgeführt, die die Leistungseigenschaften der neuentwickelten Systeme im Vergleich zu „state-of-the-art“ Systemen zeigen.


REM-Aufnahme von Zinkoxid-Nanostäbchen auf dem gesäuberten elektrolytisch verzinkten Stahl. (Bildquelle: Universität Paderborn)

Gemeinschaftlich arbeiten heißt gemeinschaftlich aufteilen

Die Erkenntnisse aus dem Projekt und das entwickelte Schichtsystem sollen nach Möglichkeit patentiert und anschließend in Produkten umgesetzt werden. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird die Firma Dörken MKS Beschichtungsprodukte entwickeln, die sowohl im Trommel- wie auch im Gestellprozess für galvanische Beschichter anwendbar sind. Die Verwertung der wissenschaftlichen Ergebnisse erfolgt vorrangig durch die Universität Paderborn im Rahmen von internationalen, wissenschaftlichen Tagungen und durch die Veröffentlichung in referierten internationalen Journalen. Parker Hannifin ist durch das Projekt bereits in einer sehr frühen Phase in die Entwicklung von neuen Beschichtungen eingebunden und kann so aus Sicht des Kunden Rückmeldung auf die Entwicklungsrichtung geben.

Fazit

Ziel ist es, mit dem Projekt eine vollkommen neue Art von korrosionsschützenden Beschichtungssystemen und detaillierte Kenntnisse über deren Einstellbarkeit und Anpassbarkeit verfügbar zu machen. Der Verzicht auf die toxischen Schwermetalle wie Nickel, Cobalt und Chrom vereinfacht dabei die Recyclefähigkeit deutlich und erlaubt z. B. die Materialen ohne weiteres der Stahlerzeugung als Kühlschrott wieder zuzuführen.