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Phosphatierung von Eisen

Autor: Hans Lohninger

Die Qualität einer Lackierung auf Metall hängt entscheidend von der Art und der Reinheit des Untergrundes ab. Um einen hohen Korrosionsschutz zu gewährleisten, werden daher vor allem in der Automobilindustrie Werkstücke und Bleche aus Eisen, Aluminium oder Zink mit einer Phosphatschicht überzogen, die sehr dicht ist, und die als Grundlage für die Lackierung dient. Im Folgenden soll die Phosphatierung von Eisen näher beschrieben werden, da dies eine der Hauptanwendungen in der Automobilindustrie ist.

Vor dem Phosphatieren ist zur Entfernung oberflächlicher Oxide die Reinigung durch Beizen der Oberfläche notwendig. Allerdings ist das Beizen als eigener Prozessschritt aufwändig und wird, wenn möglich, vermieden. Besser kombiniert man den Beizvorgang mit der eigentlichen Schichtbildung durch geeignete Tauchbäder. Bei der Phosphatierung unterscheidet man "schichtbildende" und "nicht-schichtbildende" Verfahren (der Name "nicht-schichtbildende" Verfahren ist irreführend, solche Verfahren erzeugen natürlich ebenfalls Schichten).

Bei nicht-schichtbildenden Verfahren wird ausschließlich Eisenphosphat als Schutzschicht erzeugt, da sowohl die Beizreaktion als auch die Schichtbildung durch Alkali- bzw. Ammonium-dihydrogenphosphatlösungen erfolgt. Der pH-Wert der Lösung wird durch einen Phosphorsäurepuffer auf Werte zwischen 3.5 bis 6 eingestellt. Die erzeugten Schichten sind sehr dünn (typ. weniger als 1 g/m2).

Beizreaktion:

Fe + 4 NaH2PO4 Fe(H2PO4)2 + 2 Na2HPO4 + H2

Schichtbildung:

2 Fe(H2PO4)2 + 2 Na2HPO4 + [O] 2 FePO4 + 4 NaH2PO4 + H2O
2 Fe(H2PO4)2 + 4 Na2HPO4 + [O] + 5 H2O Fe2O33 H2O + 8 NaH2PO4

Neben den dreiwertigen Eisenverbindungen entstehen auch noch kleinere Anteile an Eisen(II)phosphat und Eisen(II)oxid.

Schichtbildende Verfahren scheiden auf Eisen kein Eisenphosphat ab, sondern - je nach Reagens - Zinkphosphat, Zink-Eisen(II)phosphat, oder Zink-Manganphosphat. Der Unterschied zu den nicht-schichtbildenden Verfahren liegt darin, dass das Kation für die entstehende Phosphatschicht im Reagens mitgeliefert wird und nicht aus dem Basismaterial herausgelöst wird. Dadurch ist es möglich, als Phosphatschicht eine "Fremdschicht" aufzubringen (z.B. Zinkphosphat auf Eisen, anstatt Eisenphosphat auf Eisen).

Vor dem Entstehen der Phosphatschicht muss die Oberfläche gebeizt werden, so dass ein Teil der oberflächlichen Eisenatome in Lösung geht:

Fe + 2 H+ Fe++ + 2 H2

Die Schichtbildung erfolgt dann nach folgendem Reaktionsschema:

3 Zn2+ + 2 H2PO4- + 4 H2O Zn3(PO4)24 H2O + 4 H+
2 Zn2+ + Fe++ + 2 H2PO4- 4 H2O Zn2Fe(PO4)24 H2O + 4 H+
Zn2+ + 2 Mn++ + 2 H2PO4- 4 H2O Mn2Zn(PO4)24 H2O + 4 H+


Zugesetzte Oxidationsmittel (Chlorate, Bromate, Nitrate, Molybdate) beschleunigen die Phosphatierung in dem sie den freiwerdenden Wasserstoff zu Wasser oxidieren und dadurch die Blockierung der Eisenoberfläche durch Wasserstoffbläschen vermeiden. Außerdem kann durch Aktivierung der Oberfläche mit Hilfe von Titanphosphat die Feinkörnigkeit des Phosphatüberzugs deutlich verbessert werden und damit nicht nur Material gespart, sondern auch die Dichtheit des Überzugs gesteigert werden.


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Last Update: 2013-08-08