Auf Verbindungselementen verhindern Beschichtungen zuvorderst Korrosion. Zudem sorgen sie für einen definierten Reibwert, um bei vorgegebenem Anziehdrehmoment eine geforderte Mindestvorspannkraft zu erreichen. Beschichtet wird auch wegen der Optik.

Bei Schraubenverbindungen achten Konstrukteure überwiegend auf ausreichende Dimensionen, Festigkeitsklassen und Schraubensicherungen. Dabei vernachlässigen sie häufig die Behandlung der Oberfläche. Deshalb korrodieren Schrauben vorzeitig oder brechen wegen einer Wasserstoffversprödung. Das allerdings verursacht meist sehr hohe Folgekosten. Die Schraubverbindungen sind zu tauschen, oft werden durch versagende Verbindungselemente weitere Teile von Maschinen und Anlagen beschädigt. Deutlich besser ist es deshalb, auch die Oberflächen der Verbindungselemente entsprechend den Umgebungsbedingungen richtig zu behandeln.

Beim galvanischen Beschichten, einem elektrolytischen Prozess, bildet das Werkstück die Kathode, Stäbe aus Zink, Zink-Eisen- oder Zink-Nickel-Legierungen dienen als Anode. Weiter werden Cadmium, Nickel, Chrom, Kupfer, Silber, Zinn und deren Legierungen zum Beschichten genutzt. Zusätzliche Konversionsschichten, Versiegelungen und Deckschichten erhöhen den Korrosionsschutz erheblich. Sie dienen zudem dazu, die Beständigkeit gegen Chemikalien, die Festigkeit und die thermische Stabilität der Beschichtung zu verbessern. Mit integrierten und nachträglich aufgebrachten Schmiermitteln kann ein definiertes Reibwertfenster verwirklicht werden. Überzüge aus Zink, Zinklegierungen und Cadmium schützen zudem kathodisch bei Beschädigungen der Schicht. Chrom (VI) darf nur noch vereinzelt eingesetzt werden.

Im Trommel- oder im Gestellverfahren taucht und schleudert man die Bauteile oder sprüht die Zinklegierungen auf. Wie beim galvanischen Beschichten können zusätzliche Deckschichten und Schmiermittel aufgebracht werden. Beim Tauch-Schleuder-Verfahren können je nach Bauteilgeometrie die Schichtdicken stark variieren. Speziell innen, in Hohlräumen und im Gewindegrund können grössere Rückstände verbleiben. Deshalb empfiehlt die Norm, dass Lieferanten und Auftraggeber für Verbindungselemente mit einer Steigung kleiner 1 mm (entspricht Gewinde bis M5) spezielle Vereinbarungen treffen. Sperrige Verbindungselemente mit grossen Durchmessern und Längen werden üblich auf einem Gestell beschichtet. Beim Trommelbeschichten können die Gewindeflanken erheblich beschädigt werden. Zudem können grossflächige, dünne sowie leichte Bauteile miteinander verkleben.

Beim stromlosen Verfahren entsteht kein Wasserstoff, die Bauteile können also nicht verspröden. Allerdings müssen sie richtig vorbehandelt werden. Zinklamellensysteme sind bei hochfesten Bauteilen inzwischen Standard.

Beim Feuerverzinken taucht man die Bauteile in geschmolzenem Zink und schleudert anschliessend überschüssiges Zink ab. Nach ISO 10684 dürfen Verbindungselemente aus Stahl nur mit Regelgewinden von M8 bis M64 sowie der Festigkeitsklassen bis 10.9 bei Schrauben und bis 12 bei Muttern mit diesem Verfahren beschichtet werden. Die Vorgaben der Norm können auch auf Bauteile aus Stahl ohne Gewinde angewendet werden. Zum Feuerverzinken zählen das Stückverzinken nach DIN EN ISO 1461 und das Bandverzinken nach EN 10143 und EN 10346.

Nach der Norm ISO 10684 gibt es Verfahren bei Normaltemperatur (455 °C bis 480 °C) und bei Hochtemperatur (530 °C bis 560 °C). Das Zinkbad darf nicht zwischen 480 °C und 530 °C warm sein. Bei Hochtemperatur verzinken ergibt glattere und matte Überzüge. Allerdings dürfen Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 grösser M27 nicht bei Hochtemperatur verzinkt werden, da Mikrorisse entstehen können.

Beim Feuerverzinken muss die örtliche Schichtdicke mindestens 40 µm betragen. Deshalb sind die Gewinde mit besonderen Grenzabmassen herzustellen. Nur so lässt sich das notwendige Gewindespiel verwirklichen, das die Gängigkeit von Mutter und Schraube gewährleistet.

Dazu kann man Muttern mit Gewindeübermass (6AZ oder 6AX) oder Schrauben mit Gewindeuntermass in der Toleranzklasse 6az herstellen. Doch dürfen Muttern mit Gewindeübermass keinesfalls mit Schrauben mit Gewindeuntermass gepaart werden. Diese Kombination kann wahrscheinlich zum Abstreifen des Gewindes führen. Für Schrauben mit Gewindeuntermass sowie Muttern mit Gewindeübermass grösser als M12 gelten die mechanischen Eigenschaften nach den Normen ISO 898-1 und ISO 898-2.

Dieses Verfahren erzeugt gleichmässige, schwarze Überzüge. Die Bauteile werden dazu in heisse alkalische Salzlösungen getaucht. Dabei entsteht eine thermisch erzeugte schwarze oxidische Umwandlungsschicht. Behandeln lassen sich unlegierte und niedriglegierte Stähle sowie Gusseisen. Die Schichten sind nur etwa 1 µm dünn. Deshalb bleiben die Werkstücke masshaltig. Vor dem Brünieren müssen die Oberflächen der Bauteile frei von Fett, Zunder, Oxiden und anderen Fremdstoffen sein.

Brünieren teilt man abhängig von der flächenbezogenen Masse der Brünierschicht in drei Verfahrensgruppen. Es gibt das Ein-, das Zwei- und das Dreibadbrünieren. Eine grössere Anzahl an Bädern generiert Schichten mit grösserer flächenbezogener Masse der Brünierschicht. Brüniert wird in etwa 135 °C bis 145 °C warmen Salzbädern. Bei den Mehrbadverfahren spült man die Bauteile zwischen dem Badwechsel jeweils mit kaltem Wasser. Die Tauchzeiten betragen 5 bis 20 Minuten – abhängig von der Werkstoffzusammensetzung, der Konzentration und der Temperatur der Salzlösung sowie von der Art und der Beschaffenheit der Bauteile. Nach dem Brünieren werden die Bauteile kalt und heiss gespült, bei etwa 120 °C getrocknet und mit Schutzöl gegen Korrosion konserviert.

Entsprechend der Norm sollte die Brünierschicht die Oberfläche des Grundwerkstoffs gleichmässig und vollständig einheitlich, möglichst tief schwarz bedecken. Durch Überkonzentration oder Verunreinigung der Brünierlösung bewirkte bräunliche oder grünliche Flecken dürfen nicht sichtbar sein. Beim Abwischen der Brünierschicht mit einem reinen, weissen Tuch dürfen sich keine Abfärbungen zeigen – ausgenommen davon sind hierbei Gusswerkstoffe sowie gehärtete Bauteile.

Zum Phosphatieren werden Bauteile (überwiegend aus Eisenwerkstoffen, Aluminium, Zink und Cadmium) in eine Phosphatlösung getaucht, geflutet oder besprüht. Zuvor müssen die Werkstücke sorgfältig gereinigt werden, um Fett, Öl oder Zunder zu entfernen. Meist verwendet man Eisen-, Mangan-, Zink- sowie Zink-Calcium-Phosphate. Unbehandelte Phosphatüberzüge bieten nahezu keinen Korrosionsschutz. Meist werden sie mit Versiegelungsmitteln, Fetten, Ölen oder Wachs, zusätzlich beschichtet. Phosphatieren verbessert das Haften weiterer organischer Beschichtungen. Als vorteilhaft erweisen sich die guten Reibeigenschaften. Letzteres optimiert beispielsweise Kaltumformverfahren. Nachteilig wirkt, dass Phosphatschichten porös sind. Sie lassen sich aber nachträglich versiegeln.

Je nach Überzugstyp sind Phosphatierungen hell- bis dunkelgrau oder schwarz. Da Phosphatschichten bei Temperaturen über 120 °C beschädigt werden, sind weitere Beschichtungen, zum Beispiel Mikroverkapselungen, die bei über 120 °C Temperatur eingebrannt werden, kritisch.

Korrosionsbeständige Stähle sind nach der Norm DIN EN ISO 3506-1/4, unabhängig von der Stahlgruppe (austenitisch, martensitisch, ferritisch), mit mindestens 10,5% Chrom legiert. Durch den Kontakt mit Sauerstoff aus den umgebenden Medien bildet sich auf der Stahloberfläche eine sehr dünne, transparente Passivschicht aus Chromoxid. Wird die Oberfläche mechanisch beschädigt, bildet sich diese Passivschicht unter dem Einfluss von Sauerstoff selbstständig neu – das bezeichnet man als Selbstheilungseffekt.

Beim Einsatz von Edelstahl in sauerstoffarmen und sauerstofflosen Umgebungen kann sich kein neues Chromoxid bilden (keine Repassivierung möglich) und der Werkstoff ist somit ungeschützt. Durch Passivieren wird die Oxidschicht von Edelstahl um etwa 0,002 mm dicker. Zuvor werden die Werkstücke, abhängig vom Stahlwerkstoff, in 20 °C bis 80 °C warmen Salpeter- oder Schwefelsäuren bei 5 bis 30 Minuten Dauer gebeizt. Das entfettet die Oberfläche, sie wird chemisch rein. Nach dem Beizen wird in Salpetersäure für 10 bis 30 Minuten bei 15 °C bis 40 °C passiviert.

Die Beständigkeit einer Beschichtung gegen Korrosion bewertet man mit der Salzsprühnebelprüfung nach DIN EN ISO 9227. So überwacht man beim Galvanisieren auch die Stabilität des Prozesses. Deshalb muss man vollständig beschichtete – mit Versiegelungen, Deckschichten und Schmiermitteln versehene – Proben noch vor dem Schütten, Sortieren, Verpacken und Transportieren prüfen. Nach der Norm gibt es zum einen den Schutz gegen Überzugskorrosion (Weisskorrosion) und zum anderen gegen Grundmetallkorrosion (Rotrost) bei Trommelbeschichtung. Die Norm DIN EN ISO 19598 enthält darüber hinaus Korrosionsschutzwerte für Gestellbeschichtung. Letztere sorgt für länger andauernden Korrosionsschutz.

Nach Produktnormen hergestellte Verbindungselemente werden standardisiert als «verzinkt blau passiviert» – umgangssprachlich als «blauverzinkt» – bezeichnet. Ist diese Schicht 5 µm dick (Standard), widersteht sie 48 Stunden lang Rotrost, ist sie 8 µm dick, erreicht sie bereits 72 Stunden Schutz. Passivierte Überzugsysteme aus Zink-Nickel sorgen für den hochwertigsten Korrosionsschutz – 8 µm dick widerstehen sie 720 Stunden Rotrost. Bei speziellen Anwendungen prüft man zinkbasierte Beschichtungen mit Schwefeldioxid (Kesternich-Prüfung).

Beim elektrolytischen Abscheiden von Metallen entstehen unterschiedlich dicke Schichten über den Werkstückkonturen – an Aussenkanten dickere, in Hohlräumen dünnere Schichten. Lange Bauteile weisen an den Enden dickere, in Bauteilmitte dünnere Schichten auf. Letzteres bezeichnet man als «Hundeknocheneffekt». Abmessungen und Formgenauigkeiten beschichteter Innengewinde sind mit einer GUT-Lehre im Toleranzfeld «h», beschichtete Aussengewinde mit einer GUT-Lehre im Toleranzfeld «H» zu prüfen und zu beurteilen. Für eindeutige Prüfergebnisse gibt die Norm zusätzlich ein maximal zulässiges Aufschraubmoment für die Prüfung mit der Lehre vor.

Beim Galvanisieren entsteht auch Wasserstoff (Elektrolyse). Dadurch können speziell hochfeste Werkstoffe verspröden und die Bauteile versagen. Dieser Sachverhalt wird in einem separaten Beitrag ausführlich beschrieben.

Auch beim nicht elektrolytischen Beschichten bewertet man die Schutzfunktion der Schichten nach der neutralen Salzsprühnebelprüfung gemäss ISO 9227 mit Proben im «beschichteten» Zustand (entsprechend ISO 4042). 5 µm dicke Schichten schützen 480 Stunden gegen Korrosion, 8 µm dicke 720 Stunden. Somit haben Zinklamellensysteme einen wesentlich höheren Schutzwert als übliche galvanische Verzinkungen. Bei speziellen Anwendungen prüft man ebenfalls mit Schwefeldioxid (Kesternich-Prüfung). Hinsichtlich der Gewindegängigkeit und des Prüfens mit Gewindelehren gelten die gleichen Vorschriften wie bei galvanischen Beschichtungen nach der Norm ISO 4042.

Feuerverzinkte Bauteile sind optisch zu prüfen. Sie müssen frei von Blasen, Flussmittelablagerungen, schwarzen Flecken und Schlackeneinschlüssen sein. Sie dürfen keine blanken Stellen ohne Überzug sowie andere Mängel aufweisen, die die vorgesehene Funktion und Verwendung der Bauteile beeinflussen könnten. Um die Haftfestigkeit der Feuerverzinkung zu prüfen, gibt es ein speziell definiertes Verfahren.

Brünieren schützt nur minimal gegen Korrosion. Deshalb prüft man so beschichtete Bauteile, auch Verbindungselemente, nicht mit der Salzsprühnebelprüfung nach ISO 9227, sondern mit dem Kondenswasser-Konstantklimatest nach DIN EN ISO 6270-2-CH sowie im Essigsäure- und Oxalsäuretest.

Phosphatierungen müssen nach Definition der Norm die Metalloberflächen gleichmässig bedecken. Sie dürfen keine weissen Flecken und Korrosionsprodukte aufweisen. Leichte Schwankungen beim Aussehen der Überzüge geben keinen Grund zur Beanstandung. Zum Korrosionsverhalten werden meist spezielle Prüfverfahren vereinbart. Ansonsten arbeitet man mit der Salzsprühnebelprüfung nach ISO 9227.

Für passivierte Oxidschichten auf korrosionsbeständigen Edelstählen gibt es aktuell kein bekanntes Prüfverfahren, um die Dicke der aufgebrachten Oxidschicht nachzuweisen. Den Nachweis erbringt der Hersteller mit einem spezifischen Qualitätssicherungssystem.

Neben den genormten Oberflächenüberzügen gibt es eine Vielzahl weiterer Beschichtungen. Diese werden von Galvanikbetrieben und Chemiekonzernen entwickelt und verwirklicht. Sie unterliegen nicht der Normung. Häufig sind sie herstellerspezifisch geschützt. Das Spektrum reicht von tribotechnischen Trockenbeschichtungen, die das Festfressen rostfreier Verbindungselemente verhindern sollen, bis hin zu Beschichtungssystemen, die im Salzsprühnebeltest weit länger als 2000 Stunden Korrosion verhindern. Eine «beste» oder «ideale» Beschichtung kann es kaum geben. Bei der Wahl ist eine Vielzahl an Faktoren hinsichtlich der jeweiligen Situation und der Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.

Zink-Thermo-Diffusion erhöht Korrosions- und Verschleißfestigkeit

Schrauben richtig gegen Losdrehen sichern

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