Aluminium Konversionsschichten mit Passivierung 

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Die Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG hat eine Passivierung mit reduzierten Chromgehalten auf Basis von Chrom(III) und Zirkonium entwickelt. Diese kommt bei der 3RM Oberflächen GmbH & Co. KG in einer hochautomatisierte Passivierungsanlage für Aluminiumbauteile zum Einsatz. 

Aluminium ist ein technisch hochrelevanter Werkstoff, dessen Einsatz aufgrund seiner günstigen mechanischen Eigenschaften, des geringen Gewichts und seiner hohen Formbarkeit in zahlreichen Industriebereichen kontinuierlich zunimmt. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen und den daraus resultierenden Korrosionsprozessen werden Aluminiumoberflächen häufig durch chemische oder elektrochemische Verfahren modifiziert. Einen etablierten Ansatz stellen hierbei Aluminium-Konversionsschichten dar, die eine chemisch gebundene, funktionale Schutz- und Haftschicht auf der Metalloberfläche ausbilden.Über viele Jahrzehnte galt die Chrom(VI)-haltige Chromatierung als Standardverfahren für den Korrosionsschutz und als Haftgrund für nachfolgende Beschichtungen. Aufgrund regulatorischer Vorgaben (z. B. REACH) sowie steigender Anforderungen an Umwelt- und Arbeitsschutz werden heute jedoch chrom(VI)-freie Systeme gefordert, die hinsichtlich Schutzwirkung und Prozessrobustheit gleichwertige oder bessere Ergebnisse liefern. Chromfreie Systeme erreichen diese Leistungsfähigkeit bislang nur eingeschränkt, weshalb Schlötter den Fokus auf die Entwicklung einer Passivierung mit reduzierten Chromgehalten auf Basis von Chrom(III) und Zirkonium gelegt hat.
Das Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit ist die Passivierung Slotopas AL 4270.

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Motivation für die Entwicklung

Im Jahr 2023 nahm die 3RM Oberflächen GmbH & Co. KG eine hochautomatisierte Passivierungsanlage für Aluminiumbauteile in Betrieb. Die Anlage verfügt über moderne Steuerungs- und Prozessführungselemente, die eine hohe Effizienz, Flexibilität und Integrationsfähigkeit gewährleisten. Sie schafft damit die technischen Voraussetzungen sowohl für die Anwendung etablierter Passivierungsverfahren als auch für die Implementierung neuer Entwicklungen, wie der Passivierung Slotopas AL 4270. Die Kombination aus innovativer Anlagentechnik und einer optimierten chemischen Formulierung ermöglicht es, zukünftige Anforderungen an Korrosionsschutz, Nachhaltigkeit und Prozesssicherheit zuverlässig zu erfüllen.

Anforderungen an Konversionsschichten und an die Passivierungsprodukte

Chrom(III)-haltige Passivierungslösungen bilden bei korrekt eingestelltem pH-Wert Konversionsschichten aus, die nach dem Spülen und Trocknen die geforderten optischen und korrosionsschutztechnischen Eigenschaften aufweisen. Während der Behandlung wird Aluminium aus der Substratoberfläche gelöst, wobei die Schicht durch nachfolgende Umwandlungsreaktionen entsteht. Speziell formulierte Additive unterdrücken unerwünschte Nebenreaktionen, stabilisieren den Prozess und ermöglichen lange Badstandzeiten sowie die Ausbildung einer transparenten, homogenen Konversionsschicht.Eine stabile und zugleich einfach kontrollierbare Prozessführung ist für den Betrieb einer Passivierungslösung von zentraler Bedeutung. Hierzu zählen insbesondere ein gut gepufferter und damit konstanter pH-Wert sowie die Möglichkeit, in einem breiten Temperaturfenster reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Die Passivierung Slotopas AL 4270 erfüllt diese Anforderungen und kann im Bereich von 15 bis 40 °C betrieben werden. Eine kontinuierliche Filtration unterstützt zusätzlich die Badstabilität und trägt zur Prozesssicherheit bei.Die erzeugten Passivschichten dienen sowohl als funktioneller Haftvermittler für nachfolgende Beschichtungs- oder Fügeverfahren als auch als blanker Korrosionsschutz. Unter blankem Korrosionsschutz wird hierbei eine alleinstehende, transparente und anorganische Schutzschicht verstanden, die ohne zusätzliche organische Beschichtungen auskommt und dennoch eine definierte Barrierewirkung gegenüber korrosiven Medien bietet. Mit zunehmender Schichtdicke beziehungsweise steigendem Schichtgewicht zeigen die zunächst nahezu farblosen Konversionsschichten eine leicht gelblich irisierende Färbung. Die Ausprägung dieses optischen Effekts ist zudem stark von der Oberflächentopographie des Substrats abhängig, welche maßgeblich durch die vorangegangenen mechanischen oder chemischen Vorbehandlungsschritte beeinflusst wird.

Dossier Automatisierung

Automatisierung in der Blechbearbeitung

Um die hohen Ansprüche an einen blanken Korrosionsschutz zu gewährleisten, empfiehlt Schlötter die Passivierung SLOTOPAS AL 4270 mit einer höheren Konzentration von bis zu 200 ml/l, Temperaturen von 30 bis 40 °C und Tauchzeiten mit ca. 3 bis 4 Minuten zu betreiben. Die bei diesen Parametern gebildeten Konversionsschichten, zeichnen sich durch stabile Schichtdicken und ein reproduzierbar gutes Korrosionsschutzverhalten aus. Selbst nach einer Badbelastung von 2,0 m²/l und einer Prüfdauer von 336 Stunden im Neutral-Salzsprühtest (NSS) zeigen Testbleche aus AlMg1 (AW-5005) keine Korrosionserscheinungen.Werden die Anforderungen auf eine hervorragende Verträglichkeit mit Lackier- und Klebeprozessen fokussiert, kann durchaus mit Konzentrationen von ca. 100 ml/l und kürzeren Tauchzeiten bei niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden.

Im Rahmen der Laboruntersuchungen fanden Durchsatzversuche mit einer Badbelastung von 2,0 m²/l statt (entsprechend 670 Blechen auf 4,5 Liter Lösung). Die chemische Analytik ließ sich über den gesamten Versuch hinweg kontinuierlich bei dieser Belastung durchführen.Die Analyse der Badzusammensetzung erfolgte primär mittels Titration und wurde bei Bedarf ergänzt. Zur gezielten Überwachung und Nachverfolgung der Konzentrationen von Chrom (Cr) und Zirkonium (Zr) kam ergänzend die ICP-Analyse (Inductively Coupled Plasma) zum Einsatz.Die notwendigen Ergänzungsmengen zur Stabilisierung des Bades beliefen sich im Mittel auf etwa 50 ml/m².

Haftungsprüfungen wie der Multischlagprüfung (DIN EN ISO 20567-1), die Gitterschnittprüfung (DIN EN ISO 2409) sowie der Stempelabrissversuch (DIN EN ISO 4624) stellen etablierte Verfahren zur quantitativen Bewertung der Haftfestigkeit von Beschichtungs- und Fügesystemen dar. Für die Funktionalisierung der Konversionsschicht als Haftgrund müssen diese Prüfungen reproduzierbar erfüllt werden, da sie die Interaktion zwischen Substrat, Konversionsschicht und nachfolgender Beschichtung bzw. Klebung direkt abbilden.Die Passivierung Slotopas AL 4270 erfüllt die hierfür notwendigen prozess- und schichttechnischen Anforderungen. Dazu zählen die Ausbildung eines definierten Konversionsschichtgewichts, eine homogene und defektfreie Oberflächenmorphologie nach der Behandlung sowie eine hohe Prozessrobustheit. Letztere umfasst einen stabil gepufferten pH-Wert, geringe Sensitivität gegenüber Aluminium- und Fremdmetallionen, eine gute Filtrierbarkeit der Passivierung sowie eine konstant reproduzierbare Badführung. Diese Parameter gewährleisten die zuverlässige Performance der Konversionsschicht als Haftvermittler in anspruchsvollen industriellen Anwendungen.

Sicherstellung der Produktqualität und Untersuchung der Produktperformance

Die Qualitätsstrategie der Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG basiert auf einer konsequenten Ausrichtung an Produktzuverlässigkeit, Prozessstabilität und Anwenderzufriedenheit. Dieser Anspruch prägt bereits den Beginn der Entwicklungsarbeit, insbesondere durch die sorgfältige Auswahl geeigneter Rohstoffe. Dabei werden neben chemisch-physikalischen Kriterien auch Anforderungen hinsichtlich Umweltverträglichkeit, Nachhaltigkeit, REACH-Konformität und langfristiger Verfügbarkeit berücksichtigt.Jeder Rohstoff wird vor der Verarbeitung analytisch bewertet, und jedes Endprodukt durchläuft eine vollständige Ausgangskontrolle, um die Einhaltung der definierten Spezifikationen sicherzustellen. Die Komponenten der Passivierung Slotopas AL 4270 werden ausschließlich in den firmeneigenen Produktionsanlagen am Standort Geislingen hergestellt, wodurch eine reproduzierbar hohe Produktqualität und eine robuste Versorgung gewährleistet werden. Im Rahmen der Entwicklung der Passivierung Slotopas AL 4270 führte Schlötter umfangreiche Belastungs- und Stabilitätsuntersuchungen durch. Dabei wurde insbesondere die Optik der Passivierung überwacht, da chemische Reaktionsprozesse zu Eintrübungen, zur Bildung unerwünschter Reaktionsprodukte oder sogar zu Ausfällungen führen können. Durch ein systematisch aufgebautes Ursache-Wirkungs-Modell sowie die gezielte Auswahl geeigneter Inhaltsstoffe in Kombination mit leistungsfähigen Komplexbildnern konnte eine außergewöhnlich hohe Badstabilität erreicht werden. Mehrmonatige Belastungsversuche ermöglichten darüber hinaus die Ermittlung der spezifischen Produktverbräuche sowie der wesentlichen Einflussfaktoren auf die Konversionsschichtbildung. Die Schichteigenschaften wurden mittels Konversionsschichtgewichtsbestimmungen und deren Korrosionsverhalten mithilfe von Neutral-Salzsprühtests (NSST) validiert.

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Der blanke Korrosionsschutz der gebildeten Konversionsschichten wurde an verschiedenen industrierelevanten Aluminiumlegierungen (AW 2024, AW 5005, AW 5754, AW 6061, AW 7075) untersucht. Aufgrund der unterschiedlichen Legierungselemente und Mikrostrukturen variiert das resultierende Korrosionsschutzverhalten teils erheblich. Zusätzlich beeinflussen die eingesetzten Vorbehandlungsschritte – wie Entfettung, Beizen oder Neutralisation – die Qualität der Konversionsschicht signifikant. Daher ist eine Kenntnis der eingesetzten Legierungen für die prozesstechnische Auslegung zwingend erforderlich. Auf dieser Basis kann die Vorbehandlung gezielt optimiert werden. Standardmäßig erfolgt die Vorbehandlung vollständig fluoridfrei; falls die Legierungszusammensetzung dies erfordert, kann Fluorid über gezielte, separat dosierte Additive eingebracht werden. Bauteile aus Aluminium und dessen Legierungen kommen nicht nur in Anwendungen zum Einsatz, in denen der blanke Korrosionsschutz im Vordergrund steht, sondern auch in Bereichen, in denen die Haftung nachfolgender Funktionsschichten von zentraler Bedeutung ist. In solchen Fällen dienen die erzeugten Konversionsschichten als Haftgrund für Kleb-, Lackier- oder Dichtsysteme und ermöglichen deren direkte Applikation auf der vorbehandelten Metalloberfläche.Zur quantitativen Bewertung der Haftfestigkeit, die mit der neu entwickelten Konversionsschicht erzielt werden kann, wurden durch die Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG unabhängige Haftungstests am akkreditierten Institut FEM in Schwäbisch Gmünd beauftragt. Um die Prüfergebnisse möglichst realitätsnah zu gestalten, führte das FEM die komplette Behandlung der Prüfkörper vor Ort mit hierfür geeigneten industriellen Prozessschritten durch. Zum Einsatz kamen eine mild alkalische Abkochentfettung (Slotopas AK 2790), eine saure Beize (Slotech 590), eine Neutralisierung (Slotoxal NTR 2940) sowie die Passivierung Slotopas AL 4270.Die Prüfbleche der Legierungen AW 2024-T3, AW 6061-T6 und AW 7075-T6 wurden nach der Vorbehandlung mit einem gemäß GSB und Quali Coat zugelassenen Pulverlacksystem beschichtet (STI Pulverlack, Serie P-G 20 Matte Smooth, RAL 9006). Die Vernetzung erfolgte bei 190 °C über 25 min. Anschließend wurden die beschichteten Proben für mehr als 11 Tage unter Normalklima (23 °C / 50 % r. F.) ausgelagert, bevor die Haftungsprüfungen durchgeführt wurden.

Übersicht der eingesetzten Prüfverfahren und Prüfgeräte

Für den Stempelabreißversuch gemäß DIN EN ISO 4624 wurden zylindrische Prüfstempel mit Durchmessern von 20 mm bzw. 10 mm mittels eines zugelassenen Klebstoffsystems auf die passivierten Prüfblechoberflächen appliziert. Nach vollständiger Aushärtung des Klebstoffes erfolgte der senkrechte Abzug der Stempel unter definierten Prüfbedingungen. Die resultierenden Bruchbilder sowie die charakteristischen Haftversagensmuster der mit der Passivierung Slotopas AL 4270 passivierten Aluminiumoberflächen sind in den Abbildungen 2 bis 4 dargestellt.

Die Ergebnisse dieser vom Prüfinstitut durchgeführten Haftungsprüfungen wurden wie folgt zusammengefasst: „Das eingesetzte Schlötter-Vorbehandlungssystem erweist sich für alle geprüften Proben der Legierungsvarianten als wirksamer Haftvermittler für das gewählte und verwendete Beschichtungspulver. Die Ergebnisse bestätigen eine einheitlich gute Adhäsion der Beschichtung, unabhängig von der Legierung oder der Form des Ausgangsmaterials.“ Ergänzend ließ Schlötter bei der TAZ GmbH in Aichach eine XRF- und GDOES-Analyse durchführen. Untersucht wurden jeweils eine polierte und eine gebürstete Aluminiumblechtafel nach der Passivierung. Ziel war es, den Einfluss der mechanischen Vorbehandlung auf die Ausbildung der Konversionsschicht zu bewerten.

Die Analysen zeigen deutliche Unterschiede: Auf der polierten Oberfläche wurden nur etwa halb so hohe Mengen an Chrom und Zirconium pro Fläche detektiert wie auf der gebürsteten. Ursache hierfür ist die unterschiedliche Oberflächentopografie beider Proben. Dadurch bildet sich die Konversionsschicht trotz identischer Vorbehandlung unterschiedlich stark aus.

Ergebnisse im Produktionsbetrieb

Die Einführung von Slotopas AL 4270 führte unmittelbar zu reproduzierbar hohen Qualitätsstandards. Sowohl unbehandelte Aluminiumoberflächen als auch beschichtete oder geklebte Substrate erfüllten die spezifizierten Korrosions- und Haftungsanforderungen zuverlässig. Damit bestätigt sich die industrielle Eignung des Verfahrens hinsichtlich Stabilität, Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit.

Die Zusammenarbeit zwischen der Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG und 3RM Oberflächen GmbH & Co. KG zeigt, dass die Verbindung aus moderner Anlagentechnik, innovativer Chemie und praxisorientierter Anwendungskompetenz eine tragfähige Basis für zukünftige Marktanforderungen schafft. Slotopas AL 4270 vereint ökologische Nachhaltigkeit, hohe Qualitätsstandards und maximale Prozesssicherheit und bietet damit ein zukunftsfähiges Verfahren für die Aluminium-Passivierung der nächsten Generation.

* Project Manager Anodising, **Chief Operating Officer, ***Head of Research & Development bei Dr.-Ing. Max Schlötter GmbH & Co. KG