pulver auf pulver in einem einbrennvorgang

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Wirtschaftlicher Korrosionsschutz

Pulver auf Pulver in einem EinbrennvorgangSchnittkanten an pulverbeschichteten Teilen sind aufgrund der Kanten�ucht bei der elektrostatischen

Applikation immer wieder anfällig für Korrosion. Um eine verbesserte Kantendeckung zu erreichen,

wurde eine Pulver-auf-Pulver-Technologie für die Herstellung von zweischichtigen Pulverbeschichtungen

mit nur einem Einbrennvorgang entwickelt.

Ausgangspunkt für die bisher durch-geführten Untersuchungen ist der

zum Teil nach wie vor unzureichen-de Korrosionsschutz von Pulverbe-schichtungen an Kanten. Eine Mög-lichkeit zur Verbesserung des Korrosi-onsschutzes von Pulverbeschichtungen an Schnittkanten ist die Verwendung von Pulverbeschichtungen mit gutem Kantenabdeckungsvermögen. Pulver-beschichtungen mit glattem Verlauf und hohen Glanzgraden (Glanzgrad 60° > 70) besitzen prinzipiell ein gerin-ges und Strukturpulverlacke ein gutes Kantenabdeckungsvermögen (Bild 2 und Bild 3).

Für bestimmte Anwendungen wer-den jedoch glatt verlaufende Pulverbe-schichtungen mit hohem Glanzgrad und gleichzeitig guter Kantenabde-ckung gefordert. Dem stehen die sto�-lichen Eigenschaften glatter Pulver-beschichtungen gegenüber. Der hohe Glanzgrad von Pulverbeschichtungen

nach dem Einbrennen wird durch die niedrige Viskosität und das Verlaufen während der Aufschmelz- und Filmbil-dungsphase bei Temperaturbeaufschla-gung des Pulvers im Ofen erreicht. Dies hat die starke Kanten�ucht mit den da-raus resultierenden Korrosionsproble-men zur Folge.

Das Problem der zum Teil man-gelha�en Kantenabdeckung von glat-ten Pulverbeschichtungen ist schon viele Jahre bekannt. Die von Pietsch-mann, J. E. et al im Jahre 1990 veröf-fentlichten Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass die maßgeblichen Größen für die Kanten�ucht die Ober-�ächenspannung und die Schmelzvis-kosität des �üssigen Lackes sind (Bild 4) [4].

Ein möglicher Ansatzpunkt könn-te die Verwendung eines zusätzlichen Kantenschutzpulvers beziehungswei-se eines Grundpulvers sein. In der Pra-xis ist diese Variante bekannt und stellt

den Stand der Technik dar. Für höher-wertige Korrosionsschutzanforderun-gen werden ab einer Korrosivitäts-kategorie von C3, Schutzdauer hoch, zweischichtige Pulverbeschichtungen empfohlen (Tabelle 1).

De�zite klassischer zwei-schichtiger PulverbeschichtungenBei der Herstellung von zweischichti-gen Pulverbeschichtungen wird seriell beziehungsweise nacheinander gear-beitet. Das heißt, nach Applikation des Grundpulvers erfolgt das Einbrennen, o� auch Vorgelieren genannt, danach erfolgen die gleichen Arbeitsschritte noch einmal für das Deckpulver.

Sowohl bei diskontinuierlichem Einbrennen der Pulverschichten mit-tels Kammerofen als auch beim kon-tinuierlichen Einbrennen der Pulver-schichten in einem Durchlaufofen muss das Bauteil zweimal den Prozess des Einbrennens der Pulverbeschich-

Tabelle 1: Beispiele für Pulverbeschichtungssysteme auf unlegiertem und niedrig legiertem Stahl [3]

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tung durchlaufen, was unwirtschaft-lich ist.

Zudem ist auch bei der üblichen Vorgehensweise bei zweischichtiger Applikation mit zwei Einbrennvor-gängen nicht immer abgesichert, dass eine gute Kantenüberdeckung mit der Pulverbeschichtung vorhanden ist (Bild 5). Die neue Produkt- und Ver-fahrenstechnologie soll mit nur einem Einbrennvorgang auskommen, wo-bei zwei Pulverschichten nacheinan-der (Pulver auf Pulver) appliziert wer-den sollen, die unterschiedliche Eigen-scha�en haben. Das Grundpulver muss ein gutes Kantenabdeckungsvermögen besitzen, das Deckpulver muss glän-zend mit einem Glanzgrad, wenn ge-fordert, von größer 70 Einheiten (60°) sein (Bild 6).

Notwendigkeit für die Verfahrens-variante Pulver auf PulverEine alleinige Erhöhung der Schichtdi-cke eines Pulvers reicht zumindest bei Verwendung einer glänzenden Pulver-beschichtung nicht aus, um eine ausrei-chende Kantenabdeckung zu erreichen. Dies gilt insbesondere für schar�anti-ge Schnittkanten. Die glänzende Pul-verbeschichtung muss demnach mit einem geeigneten Grundpulver quasi „unterfüttert“ werden, damit die Kan-ten�ucht des glänzenden Deckpulvers gehemmt wird.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Technologie – also zweischichtigen Pulverbeschichtungen mit zweimali-gem Durchlaufen der Applikations- und Härtungszonen – sollen mit der zu entwickelnden Methode eine Pul-ver-auf-Pulver-Applikation mit ein-maliger, nachgeschalteter Einbrenn-zone die Vorteile einer zweischichti-gen Pulverbeschichtung mit nur einem Einbrennvorgang erreicht werden. Mit dieser Verfahrensvariante lassen sich enorme Kosten sparen.

Voraussetzungen und Bedingungen für die Pulver-auf-Pulver-TechnologieUm die Problemstellung zu lösen müs-sen Grund- und Deckpulver prinzipiell miteinander verträglich sein, im Ein-zelnen ist darunter folgendes zu ver-stehen:

1. Grund- und Deckpulver müssen nacheinander in ausreichender Schichtdicke in der Verfahrensva-riante Pulver auf Pulver applizier-bar sein. In automatischen Pulver-applikationsanlagen können dabei Probleme durch Pulververschlep-pungen entstehen.

2. Während der Aushärtung bezie-hungsweise während der Filmbil-dung im Ofen darf die Durchmi-schung der beiden Pulverschichten nicht zu intensiv sein, damit der Farbton und die wetterbeständigen Eigenschaften der Deckbeschich-tung nicht beeinträchtigt werden.

3. Es dürfen keine Fehlstellen durch Benetzungsstörungen oder ausge-löst durch Abspaltung von Wasser bei Verwendung von HAA-ver-netzenden Polyesterharzen im Be-schichtungs�lm des Deckpulvers erkennbar sein.

4. Zwischen Grund- und Deckpulver muss nach dem Einbrennen eine ausreichende Ha�festigkeit vorhan-den sein (kein adhäsives Versagen).

5. Die Kanten�ucht der neuen Ver-fahrenskombination muss gering sein. Die Kantenabdeckung muss bedeutend besser als bei Standard-varianten sein.

Bild 2: Schichtdicke einer Polyesterharzpulver-beschichtung an Schnittkante auf unvorbereitetem Stahlblech, Glanzgrad der Pulverbeschichtung (60°)>80

Bild 3: Schichtdicke einer Polyesterharzpulverbeschichtung an Schnittkante auf unvorbereitetem Stahlblech, Feinstrukturpulver

Bild 1: Schnittkantenkorrosion an einer pulverbeschichteten Entlüfterhaube Kanten�ucht [1]

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Berücksichtigung unterschied-licher ApplikationsverfahrenIm Labor erfolgten umfangreiche Ap-plikationsversuche zur Auswahl ge-eigneter Verfahren beziehungswei-se Verfahrenskombinationen für die Pulverapplikation. Dabei hat sich ei-ne Kombination aus elektrostatischer Au�adung für das Grundpulver und Tribo-Au�adung für das Deckpulver

als besonders geeignet herauskristal-lisiert.

Ergebnisse von ApplikationsversuchenFür eine ausgewählte Pulverkombina-tion aus Grund- und Deckpulver wur-den unter Berücksichtigung der oben genannten Applikationsverfahren ebe-ne Blechproben pulverbeschichtet und

nachfolgend einmalig, wie beschrieben, eingebrannt. Für die gewählte Pulver-kombination hat sich gezeigt, dass fol-gende Einzelschichten einzuhalten sind:

— Grundpulver: 40 bis 60 µm — Deckpulver: 100 bis 120 µm

Diese Schichtdicken können nach dem Einbrennen gemessen werden, zum Beispiel zerstörend mittels Keil-schnittprüfung. Zur genauen Ermitt-lung der Einzelschichtdicken für das Grund- und Deckpulver wurden me-tallogra�sche Querschli�e angefertigt (Bild 7). Auf den Querschli�aufnah-men ist neben den Einzelschichten des Grund- und Deckpulvers eine gewisse Durchmischungszone der beiden Pul-verlackschichten zu erkennen, die sich wesentlich von der exakt abgegrenzten Grenzschicht zwischen Grund- und Deckpulver bei klassischer Applika-tion unterscheidet. In vergleichenden infrarotspektroskopischen Untersu-chungen auf dem Deckpulver konnte dort aber keine Verunreinigung durch Anteile der Grundierung nachgewiesen werden. Einfache Misch- und Applika-tionsversuche haben aber ergeben, dass bereits geringste Mengen an Grundpul-ver (0,1 Masse%) im Deckpulver nach dem Einbrennen sichtbar sind.

Bei den Pulver-auf-Pulver-Pro-ben zeigte sich in der Draufsicht un-ter bestimmten Betrachtungswinkeln noch eine leichte Oberf lächenstö-rung/Mattierung des Deckpulvers, die man durch Glanzmessungen im Winkel 20° am ehesten erfassen kann (Tabelle 2).

Korrosionsschutzvermögen von zwei schich tigen PulverbeschichtungenZur Bewertung des Korrosionsschutz-vermögens von zweischichtigen Pulver-beschichtungen nach klassischer und Pulver-auf-Pulver-Applikationsmetho-de wurden Belastungsversuche nach DIN 55633 beziehungsweise DIN EN ISO 12944-6 durchgeführt. Aufgrund der applizierten Schichtdicken wurden die Belastungsbedingungen der Korro-sivitätskategorie C4, Schutzdauer hoch, wie folgt gewählt:

— Neutraler Salzsprühnebel gemäß DIN EN ISO 9227 NSS, Belas-tungsdauer: 720 h (mit Ritz)

Bild 4: Abhängigkeit der Ober�ächenqualität einer Pulverlackierung von der Ober�ächen-spannung und der Schmelzviskosität [2, 4]

Bild 5: Geringe Kantenabdeckung einer zweischich-tigen Pulver-beschichtung auf einem verzinkten Stahlblech (Epoxidharz-Grundpulver + Polyesterharz-Deckpulver)

Probe CharakterisierungGlanzmessung Farbmessung20° 60° L a b

E1 Referenz (einschichtig) 59,8 89,6 40,5 41,3 23,4

E10 Pulver-auf-Pulver-Probe 45,9 85,2 41,0 43,5 24,0

Tabelle 2: Ergebnisse von Glanz- und Farbmessungen

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— Kondensieren von Wasserdampf gemäß DIN EN ISO 6270, Belas-tungsdauer: 480 h

Als klassische Pulverbeschichtungs-variante wurde eine zweischichti-ge Pulverbeschichtung bestehend aus Epoxid harz-Grundpulver plus Polyes-terharz-Deckpulver verwendet. Beide Pulverschichten wurden nacheinander zunächst appliziert und eingebrannt. Für die Pulver-auf-Pulver-Varian-te wurde eine durch umfangreiche Versuche optimierte Pulverbeschich-tungsvariante bestehend aus einem Epoxidharz-Polyester-Mischpulver als Grundpulver und einem Polyesterharz-Deckpulver gewählt.

Aufgrund der unterschiedlichen Bindemittelbasis der Grundpulver beider Varianten ist zwar kein direk-ter Vergleich der Versuchsergebnisse möglich, es kann aber eine neutrale Beurteilung der Ergebnisse der Belas-tungsversuche vorgenommen werden. Um den direkten Ein�uss der Herstell-methode auf die Ergebnisse der Belas-tungsversuche zu ermitteln, laufen derzeit noch Belastungsversuche mit dem Epoxidharz-Polyester-Mischpul-ver als Grundpulver plus Polyester-harz-Deckpulver, aber klassisch nach-einander appliziert und eingebrannt (Tabelle 3).

Die Pulverbeschichtungen der un-belasteten Referenzproben zeigten bei beiden Varianten gute Ha�festigkeits-werte. Nach Belastung wurden bei den untersuchten Pulverbeschichtungen keine Au�älligkeiten in Form von Ris-sen, Rostdurchbrüchen der Beschich-tung und Blasen gefunden. Auch die

Gitterschnittprüfung ergab mit einer Ausnahme (Gt 3 bei einer Pulver-auf-Pulver-Probe nach Kondensieren von Wasserdampf) den Kennwert Gt0 (sehr gut).

Mit dem Stempelabreißversuch werden auf Pulverbeschichtungen im Vergleich zu Korrosionsschutzbe-schichtungen, bei der Wahl eines ent-sprechend geeigneten Klebsto�es (2K-Epoxidharz-Klebsto�) und bei guter Ober�ächenvorbereitung der Metal-lober�äche vor dem Pulverbeschich-ten, zumeist sehr hohe Festigkeits-werte erzielt. Die Festigkeitswerte schwanken zwischen 17 und 25 MPa, mit zumeist geringen Unterschie-den im Bruchbild. Lediglich nach der Dauerfeuchte belastung „Kondensie-

ren von Wasserdampf“ fällt die „Pul-ver-auf-Pulver“-Variante im Festig-keitsniveau mit 90 % adhäsivem Versa-gen deutlich ab, was negativ zu werten ist (Bild 8).

Zu erwähnen wären an dieser Stelle noch die Ergebnisse zur Korrosion und Delamination am Ritz nach neutraler Salzsprühnebelbelastung. Hier wur-den bei beiden Varianten vergleichba-re Werte gemessen (siehe visuelles Er-scheinungsbild der im neutralen Salz-sprühnebel belasteten Proben, Bild 9). Allerdings lag die Gesamtschichtdicke der Pulver-auf-Pulver-Proben mit etwa 270 µm deutlich über der Schichtdicke der klassischen Variante mit circa 150 µm. Wie bereits erwähnt, werden diese Versuche wiederholt.

Tabelle 3: Aufteilung der Proben nach Belastung und Prüfung

Bild 6: Prozessschritte beim Pulverbeschichten, oben: herkömmliche Technologie, unten: neue Technologie

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Bild 9: Visuelles Erscheinungsbild der beiden Pulvervarianten nach neutraler Salzsprühnebel-belastung

ZusammenfassungFür höherwertige Korrosionsschutz-anforderungen ab einer Korrosivitäts-kategorie von C3 mäßig, Schutzdauer hoch, ist in der Regel die Ausführung zweischichtiger Pulverbeschichtungen empfehlenswert. Unter bestimmten Bedingungen kann damit ein besserer Korrosionsschutz an Schnittkanten er-reicht werden, was die Bauteilqualität insgesamt steigert. Ein besseres Kan-tenabdeckungsvermögen bei zwei-schichtigen Pulverbeschichtungen kann aber nicht immer erreicht wer-den, insbesondere dann, wenn glatte, glänzende Ober�ächen gefordert sind In einem Vorgängerprojekt wurde un-ter anderem festgestellt, dass Struktur-pulverbeschichtungen im Gegensatz zu glänzenden Pulverbeschichtungen ein vorteilha�es Kantenabdeckungs-vermögen besitzen. Strukturpulverbe-schichtungen besitzen aber auch spezi-elle Additive, die die Zwischenha�ung zum darüber liegenden Deckpulver stören können. Die hier vorgestellten Arbeiten werden durchgeführt, um ei-nerseits die Pulver-auf-Pulver-Tech-nologie für die Herstellung von zwei-schichtigen Pulverbeschichtungen mit nur einem Einbrennvorgang zu entwi-ckeln. Gleichzeitig soll eine verbesser-te Kantenüberdeckung mit den Pulver-beschichtungen durch die Kombinati-on von zwei Pulverbeschichtungen mit unterschiedlichen Eigenscha�en/Auf-gaben erreicht werden.

Die ersten Untersuchungsergeb-nisse im Labor und unter produkti-

Bild 8: Ergebnisse von Stempelabreißversuchen auf den beiden Pulverbeschichtungs-systemen vor und nach Belastung

Bild 7: Metallogra�scher Querschli� von Probe 50-6

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Dr. Jörg GehrkeInstitut für Korrosionsschutz Dresden GmbH, Dresden,Tel. 0351 871 7110,joerg.gehrke@iks-dresden.de,www.iks-dresden.de

Jens LorenzBriloner Leuchten GmbH, BrilonTel. 037349 13420j.lorenz@briloner.dewww.briloner.de

onsnahen Bedingungen zeigten, dass eine Pulver-auf-Pulver-Applikation mit der entwickelten Kombination aus Grund- und Deckpulver mit nachfol-gend einem Einbrennvorgang funktio-niert. Weitere Detailarbeiten hinsicht-lich der Pulverbeschichtung von kom-plizierten Bauteilgeometrien sowie der Pulverbeschichtung unter Groß-serienbedingungen müssen noch er-folgen. Hierüber kann gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt berich-tet werden.

FörderhinweisDie Arbeiten zum Thema „Entwick-lung eines zweischichtigen Pulverbe-schichtungssystems für einmaliges Ein-brennen nach der Applikation Pulver auf Pulver“ werden aus Haushaltsmit-teln des Bundesministeriums für Wirt-schaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industriel-ler Forschungsvereinigungen (AiF) im Programm „Zentrales Innovationspro-gramm Mittelstand“ (ZIM) gefördert.

Für diese Förderung und Unterstützung sei, im Namen aller Projektbeteiligten, gedankt.

Literatur[1] AiF-ProInno II-Projekt: Thema: Beschichtungsgerechtes

Zuschneiden von Halbzeugen vor dem Pulverbeschichten.

Teilprojekt: Korrosionsschutzvermögen von Pulverbeschichtungen

an Schnittkanten. Registriernummer: KF0130905SU7. Institut für

Korrosionsschutz Dresden GmbH. 12. Mai 2010

[2] Pietschmann, J.: Industrielle Pulverbeschichtung Grundlagen

Anwendungen Verfahren. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage.

Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden

2003

[3] DIN 55633: Beschichtungsstoffe – Korrosionsschutz von

Stahlbauten durch Pulver-Beschichtungssysteme – Bewertung der

Pulver-Beschichtungssysteme und Ausführung der Beschichtung,

Ausgabe April 2009

[4] Pietschmann, J. E.; Pfeifer, H.; Raub, Ch. J.: Einfluß der

Zusammensetzung des Pulverlackes auf die Kantendeckung.

Metalloberfläche 44 (1990) 11, Seite 513-516

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