Zink/Mangan-Schichten für ein verbessertes Korrosionsverhalten von Stählen für die Automobilindustrie
Dargestellt wurden Zink/Mangan-Schichten auf Stahl durch Gasphasenabscheidung der Schichtmetalle mit PVD- und IBAD-Verfahren. Es wurden Schichtsysteme entwickelt, die trotz einer geringeren Dicke die Korrosionsbeständigkeit eines konventionell (elektrogalvanisch) verzinkten Stahls erreichten bzw. übertrafen. Die Schichten waren mechanisch belastbar, insbesondere verformbar, steinschlagresistent und gut schweißbar. Gute Haftung einer im Anschluß aufgebrachten Lackschicht war eine Grundvoraussetzung im Hinblick auf mögliche Anwendungen des Schichtsystems in der Automobilindustrie. Folgende Arten von Schichtsystemen wurden dargestellt: •Legierungen: durchgängige Zn/Mn-Legierungsschichten. •Toplayer: Zn-Schichten mit reinen Mn-Deckschichten, Zn-Schichten mit legierten Zn/Mn-Deckschichten. •Multilayer: Zn-Mn-Multilagensysteme mit reinen Mn-Zwischen- und Deckschichten, Zn-Zn/Mn-Multilagensysteme mit legierten Zwischen- und Deckschichten (typischerweise 4 - 6 Einzelschichten). •Reine Zn-Schichten als Vergleichssysteme: mit und ohne Ionenstrahlunterstützung aufgebracht. Die Korrosionsbeständigkeit der Schichten wurde mit Salzsprühverfahren (Salzsprühtest nach DIN 50021, Wechseltest nach VDA 621-415), elektrochemisch durch Potential-Zeit-Messungen, in praxisnahen Bewitterungs- und Fahrversuchen (DYKO-Test) und durch Bestimmung der Kontaktkorrosion im Verbund mit Aluminium und Stahl untersucht. Adhäsions- und Steinschlagtests wurden zur Prüfung der mechanischen Belastbarkeit eines Schichtsystems durchgeführt. Schweißversuche ergänzten die industriellen Prüfverfahren. Topographie, Morphologie, Mikrostruktur und Zusammensetzung eines Schichtsystems wurden mit Schichtdickenmessungen, Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen und EDX-Analysen bestimmt. Einige der industriellen Testverfahren wurden an lackierten Proben vollzogen. Um die potentielle Anwendbarkeit eines Schichtsystems in der Automobilindustrie beurteilen zu können, diente eine industriell gefertigte, elektrogalvanisch abgeschiedene 8 µm dicke Zn-Schicht als Referenz. Es zeigten sich folgende Trends hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeiten: •Die Schichtdicke war, besonders bei lackierten Proben, ein entscheidendes Kriterium der Korrosionsbeständigkeit, mit wachsender Schichtdicke nahm die Beständigkeit eines Systems zu. •Ionenbeschuß während der Beschichtung wirkte sich günstig auf das Korrosionsverhalten einer Schicht aus. •Reine Zn-Schichten bis 5 µm Zn übertrafen die Beständigkeit der dickeren galvanischen Referenz nicht. •Beimischungen von Mn (Legierungsschichten) bewirkten eine geringe Steigerung der Korrosionsbeständigkeit. •Multilagensysteme konnten die Beständigkeit der Referenz nicht ganz erreichen. •Toplayer mit reinem Mn oder 75 % Zn und 25 % Mn in der Deckschicht erzielten die besten Resultate, einige Systeme übertrafen die Korrosionsbeständigkeit der Referenzproben deutlich. •Die mittels Salzsprühverfahren bestimmten Korrosionsbeständigkeiten der Schichtsysteme korrelierten qualitativ sehr gut mit den durch elektrochemische Messverfahren gewonnenen Erkenntnissen. Danach lässt sich eine Reihe aufstellen, in der die Korrosionsbeständigkeit wie folgt zunimmt: Zn  Zn/Mn-Legierungen  Zn/Mn-Multilayer < Referenz  Zn/Mn-Toplayer Den industriellen Praxistests wurden in erster Linie die sehr korrosionsbeständigen Toplayer-Systeme unterzogen. Sie zeigten keine Mängel und genügten den industriellen Anforderungen. Adhäsionsmessungen ergaben sehr gute Haftungen der aufgebrachten Zn/Mn-Schichten. Der Steinschlagtest wurde von allen untersuchten Proben bestanden. In Schweißversuchen erwies sich ein Multilagensystem der Schichtfolge (2 µm Zn + 0.5 µm Mn) x 3 als besonders gut schweißbar. Andere Schichtsysteme zeigten eine mit der galvanischen Referenzprobe vergleichbare Schweißbarkeit. Morphologie, Mikrostruktur und Topographie der Schichtsysteme wurden durch REM-Aufnahmen und EDX-Analysen charakterisiert. Im Hochvakuum aufgedampftes Zn wuchs weitgehend kolumnar und sehr homogen auf und kristallisierte hexagonal. Die Verzahnung des Zn mit dem Stahlsubstrat war weniger ausgeprägt als bei der elektrogalvanisch beschichteten Referenzprobe. Der Ionenstrahl wirkte sich positiv aus, indem er die Schichten glättete und feinkörniger gestaltete. Bei Toplayer- und Multilayer-Systemen konnte man die Einzelschichten im Bruchbild deutlich voneinander unterscheiden. EDX-Analysen liessen zudem die leichte Oxidierbarkeit von Mn erkennen. Bei Top- und Multilayern sah man in den Spektren die Schichtübergänge mit ihren Grenzbereichen sehr gut, wobei dünne Mn-Zwischenschichten durch den Ionenstrahl mit Zn aus den darüber- und darunterliegenden Schichten legiert wurden. Potentielle Anwendung in der Automobilindustrie könnten besonders Toplayer-Systeme der Schichtfolge Zn + Mn und Zn + Zn/Mn (75/25) mit einer Basisdicke von 4 - 5 µm Zn und jeweils einer 1 µm dicken Deckschicht finden.
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