Oberflächen für Verbindungselemente: von Verzinkung bis DLC

1. Eine Überraschung beim Salzsprühtest

Im Jahr 2021 spezifizierte ein Anbieter von Ladeinfrastruktur für den Außenbereich blauweiß galvanisch verzinkte Schrauben mit einem Salzsprühbericht über 24 Stunden. Ein halbes Jahr nach der Installation beschwerten sich Kunden an der Südküste, dass jede Gehäuseschraube rostete und braune Ränder über das Gehäuse liefen.

Die Ursachen:

1. Blauweiße Verzinkung mit 24 h ist nur die Mindestgrenze für das Ausbleiben von Rotrost. Die reale Bewitterung im Freien kombiniert UV, Regen und Salz, und die Beschichtung zerfällt deutlich schneller.
2. Das Produkt war im Außenbereich für IP54 spezifiziert, die Oberfläche entsprach jedoch einem Innenstandard.
3. Zinklamelle oder Edelstahl wurden nie erwogen.

Der Austausch aller Teile gegen Zinklamelle mit 720 h löste das Problem. Die Oberfläche muss zur realen Umgebung passen, nicht zur Standard-Salzsprühzahl des Lieferanten.

2. Was eine Oberfläche tatsächlich leistet

2.1 Korrosionsschutz

Kohlenstoffstahl rostet an der Luft. Eine Oberfläche schützt auf drei Wegen: als Sperrschicht, die Luft fernhält, als Opferanode, bei der Zink vor dem Stahl korrodiert, oder als Passivschicht wie bei Edelstahl.

2.2 Reibungssteuerung

Das Anziehdrehmoment folgt T = K·F·d, wobei K der Reibwert ist. Jede Oberfläche ergibt ein anderes K:

3. Acht Oberflächen im Vergleich

4. Galvanische Verzinkung

4.1 Prinzip

Das Teil wird in eine Zinksalzlösung getaucht, und Strom schlägt Zink auf der Oberfläche nieder. Zink ist unedler als Eisen, daher schützt auch eine verkratzte Beschichtung den Stahl weiter als Opferanode.

4.2 Passivierungsfarben

• Blauweiß: Chromatpassivierung, transparenter blauer Film, 24–48 h.
• Gelb: Regenbogenpassivierung, 72–96 h.
• Schwarz: Schwarzpassivierung, 48–72 h, häufig an sichtbaren Teilen.
• Chromfrei: RoHS-konform, etwas geringerer Salzsprühtest.

4.3 Wasserstoff

Das Beschichten treibt Wasserstoff in den Stahl, und über 1.000 MPa — Festigkeitsklasse 10.9 und höher — verursacht das Spätbruch. Innerhalb von vier Stunden nach dem Beschichten vier Stunden bei 200 °C tempern. Siehe den Abschnitt zur Wasserstoffversprödung unten.

5. Zinklamellenbeschichtungen

5.1 Prinzip

Zink- und Aluminiumplättchen mit einem Bindemittel werden durch Tauchen oder Sprühen aufgebracht und anschließend ausgehärtet. Es findet keine Elektrolyse statt, daher entsteht kein Wasserstoff.

5.2 Vorteile

• 720–1.000 h Salzsprühtest, das Zehnfache der galvanischen Verzinkung.
• Kein Wasserstoff, daher unbedenklich bei hochfestem Stahl.
• Beständig bis 300 °C.
• Stabiler Reibwert.

5.3 Einschränkungen

Dacromet ist eine Marke. Die gattungsbildenden Normen sind die Zink-Chrom-Beschichtung (GB/T 18684) und die nichtelektrolytische Zinklamellenbeschichtung (Geomet, Delta-Protekt). Varianten mit sechswertigem Chrom erfüllen RoHS nicht, daher ist heute chromfrei der Standard.

6. Eloxieren und Brünieren

6.1 Eloxieren (Aluminium)

Aluminium wird in Schwefelsäure eloxiert, um eine dichte Al₂O₃-Schicht aufzubauen, die schwarz, rot oder gold eingefärbt werden kann. Sie ist hart und ansprechend und lässt sich nur auf Aluminium und Titan aufbringen, niemals auf Stahl.

6.2 Brünieren (Stahl)

Stahl wird in einem alkalischen Bad behandelt, um eine schwarze Fe₃O₄-Schicht von wenigen Mikrometern zu bilden. Sie schützt nicht vor Rost; sie ist kosmetisch und bietet kurzfristigen Oxidationsschutz und muss geölt werden. Häufig an innenliegenden Maschinen.

7. PVD und DLC

7.1 PVD

Die physikalische Gasphasenabscheidung schlägt Titan- oder Chromionen im Vakuum nieder und bildet harte Schichten wie TiN (gold) oder TiCN (grauschwarz). Verschleißfest und ansprechend, aber teuer.

7.2 DLC

Diamond-like Carbon ist eine ultraharte Kohlenstoffschicht mit einem Reibwert um 0,1. Eingesetzt an hochwertigen Werkzeugen, Präzisionsteilen und Motorkomponenten, bei fünf- bis zehnfachem Aufwand gegenüber Verzinkung.

8. Wasserstoffversprödung

8.1 Was sie ist

Hochfester Stahl nimmt beim Beizen oder Beschichten Wasserstoff auf. Der Wasserstoff sammelt sich an Korngrenzen und verursacht Spätbruch, typischerweise Stunden bis Wochen nach der Montage, ohne Vorwarnung.

8.2 Wo Aufmerksamkeit nötig ist

• Zugfestigkeit über 1.000 MPa, Festigkeitsklasse 10.9 und darüber.
• Federstahl und martensitischer Edelstahl.
• Scharfe Kerben, die Spannungen konzentrieren.

8.3 Gegenmaßnahmen

1. Innerhalb von vier Stunden nach dem Beschichten vier bis acht Stunden bei 200 °C tempern.
2. Ein Verfahren ohne Wasserstoff einsetzen, etwa Zinklamelle oder mechanische Verzinkung.
3. Saures Beizen vermeiden; stattdessen strahlen.

9. Einen Salzsprühbericht lesen

Der Salzsprühtest (GB/T 10125, ASTM B117) setzt Proben einem Nebel aus 5 % NaCl aus und protokolliert die Zeit bis zum Rotrost. Zu beachten ist:

• Es ist eine beschleunigte Prüfung; 1.000 h in der Kammer sind nicht 1.000 Stunden im Freien.
• Die Abnahmekriterien unterscheiden sich zwischen den Normen (5 % gegenüber 1 % Rotfläche).
• Die reale Bewitterung ergänzt UV und Temperaturwechsel, die härter wirken.

10. Entscheidungsbaum und häufige Fragen

Schritt 1 — Welcher Werkstoff?

Stahl → Verzinkung oder Zinklamelle. Aluminium → Eloxieren. Edelstahl → ausschließlich Passivieren.

Schritt 2 — Innen oder außen?

Innen → blauweiß verzinkt. Außen → gelb verzinkt oder Zinklamelle. Küste → Zinklamelle oder 316.

Schritt 3 — Welche Festigkeitsklasse?

Klasse 10.9 und höher → Tempern ist Pflicht, oder Zinklamelle verwenden.

Schritt 4 — Optik?

Schwarz → schwarz verzinkt, brüniert oder PVD. Farbig → Eloxieren bei Aluminium.

Schritt 5 — Budget?

Allgemeine Teile 1× Verzinkung; anspruchsvolle 2,5× Zinklamelle; hochwertige 5–10× DLC.

Häufige Fragen

F. Blauweiß oder gelb verzinkt? Gelb korrosionsbeständiger; blauweiß wirkt sauberer. Innen blauweiß, außen gelb.

F. Warum ist Zinklamelle teuer? Das Verfahren ist aufwendiger, liefert aber den zehnfachen Salzsprühtest und kein Wasserstoffrisiko bei hochfestem Stahl, sodass die Gesamtkosten oft niedriger liegen.

F. Warum verhindert Brünieren keinen Rost? Die Schicht ist nur wenige Mikrometer dick und bietet keine Opferwirkung. Ölen schützt kurzfristig nur gegen Fingerabdrücke.

F. Braucht Edelstahl eine Oberflächenbehandlung? Er benötigt eine Passivierung, um freies Eisen zu entfernen. Siehe den Beitrag zur Passivierung.

F. Lässt sich PVD auf jede Schraube aufbringen? Nein. Die Anlagen sind teuer und kleine Serien unwirtschaftlich; das Verfahren ist nur für hochwertige Teile sinnvoll.