Oberflächentechnik: Phosphatüberzug

Bei der Restauration von Waffen aus dem 20. Jahrhundert, speziell amerikanische Handfeuerwaffen aus dem 2. Weltkrieg und westliche Handfeuerwaffen aus dem Kalten Krieg, stösst man immer wieder auf Stahloberflächen, die mit Phosphat überzogen sind. Das Verfahren zum Phosphatüberzug kennt viele Namen, abhängig vom damaligen Anbieter: Parkerisieren (Parkerizing), Bondern, Atrametieren, Phosphatieren, etc.

Verfahren

Der Phosphatüberzug ist eine Form der Verbesserung von Korrosionsbeständigkeit und Gleiteigenschaften und ist weit verbreitet. Bei der Phosphatierung werden die Stahlteile zunächst blank gemacht und entfettet.

Phosphate

Phosphate sind Salze der Phosphorsäure. Phosphorsäure besteht aus drei Wasserstoffionen und einem Phosphation. Die chemische Formel lautet H3PO4. Einige Phosphate sind in Wasser schwer oder gar nicht löslich. Werden sie bei einer chemischen Reaktion in einer wässrigen Lösung gebildet, fallen sie als feste Stoffe aus. Dieser Vorgang wird beim Phosphatieren für die Herstellung von Konversionsschichten genutzt. Eine Konversionsschicht entsteht durch die chemische Umwandlung der oberflächennahen Werkstoffbereiche. Die Konversionsschicht eignet sich sehr gut zur weiteren Behandlung mit Öl oder als Haftgrund für Lackierungen.

Eisenphosphatierung

Die Eisenphosphatierung wird eingesetzt, um Bleche und andere Bauteile gegen Korrosion zu schützen und eine Grundlage für die Lackierung zu erzeugen. Mit dieser Art des Phosphatierens lassen sich Eisen, Zink und Aluminium behandeln. Da die Aktivierung und die Phosphatierung in einem Arbeitsgang von statten gehen können, ist diese Art der Beschichtung besonders kostengünstig und flexibel. Die Beschichtung erfolgt bei Temperaturen zwischen 25°C und 65°C bei pH-Werten von 4 bis 6. Es bilden sich Schichten mit einem Gewicht von 0.2 bis 0.8 g/m2. Im Waffenbau ist der Eisenphosphatüberzug nicht verbreitet und wird hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

Zinkphosphatierung

Die Entwicklung des Verfahrens wurde in England begonnen und von der Familie Parker in den Vereinigten Staaten fortgeführt. Die Begriffe “Parkerizing”, “Parkerize” und “Parkerized” sind technisch gesehen allesamt eingetragene US-Marken von Henkel Adhesives Technologies, obwohl die Terminologie seit vielen Jahren weitgehend in den allgemeinen Sprachgebrauch übergegangen ist. Das Verfahren wurde erstmals in grossem Umfang bei der Herstellung von Handfeuerwaffen für die US-Streitkräfte während des Zweiten Weltkriegs eingesetzt.

Parkerisieren ist grundsätzlich ein Zinkphosphatüberzug. Zinkphosphatierung ergibt eine nicht reflektierende, hell- bis mittelgraue Oberfläche. Einige parkerisierte Pistolen aus dem Zweiten Weltkrieg, speziell 1911 aus Fertigungen von Remington Rand und Ithaca, haben einen fast olivgrünen Farbstich. Dies wurde durch Verunreinigungen in der Säurelösung verursacht und nicht durch Cosmoline, wie gemeinhin angenommen wird.

Wie bei anderen chemischen Umwandlungsbeschichtungen muss die parkerisierte Oberfläche vollständig mit einer leichten Ölschicht bedeckt sein, um die Korrosions- und Verschleissfestigkeit zu maximieren. Parkerisieren ist das häufigste Phosphatierungsverfahren, das von den USA während des Zweiten Weltkriegs eingesetzt wurde, um amerikanisches Kriegsmaterial vor Rost und Korrosion zu schützen. Dies gründet sich auf der Verfügbarkeit von strategischen Grundmaterialien, wie Zink, zu denen die USA während des Krieges einfachen Zugang hatten.

Die Zinkphosphatierung eignet sich für Teile aus Eisen, verzinktem Eisen und Aluminium. Die Schichten bilden einen noch höheren Korrosionsschutz als diejenigen, die durch die Eisenphosphatierung erzeugt werden. An der Schichtbildung sind Zink, Kalzium und zuweilen auch Eisen, Nickel, Kupfer oder Mangan beteiligt. Das Verfahren wird bei Temperaturen von 35°C bis 80°C und pH-Werten von 2.2 bis 3.2 durchgeführt. Die Zinkphosphatniederschläge erreichen Gewichte von 1.5 bis 30 g/m2. Typisch für den Waffenbau ist ein Niederschlag von 5-10 g/m2.

Manganphosphatierung

Neuer Manganphosphatüberzug auf Lauf, Gassystem und Kornträger bei Restaurationsarbeiten an FN FAL

Die Manganphosphatierung wurde gleichzeitig mit dem Parkerisieren entwickelt und ist grundsätzlich ein Manganphosphatüberzug. Manganphosphatierung ergibt eine mittel- bis dunkelgraue Oberfläche. Manganphosphatierungen wurden während des Zweiten Weltkrieges eher weniger angewandt, da die Beschaffung des Grundmaterials Mangan, komplex war und Mangan nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung stand. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden westliche Waffen in grossen Mengen mit einem Manganphosphatüberzug versehen. Gute Beispiele dazu sind die in Belgien bei FN gefertigten FAL. Diese sind mehrheitlich alle mit Manganphosphat gegen Korrossion geschützt, wogegen die FAL aus englischer Fertigung mit einem Schutzlack überzogen wurden.

Für eine Beschichtung von Oberflächen aus Stahl ist die Phosphatierung mit Mangan geeignet. Dabei werden nichtmetallische Trenn- und Verschleissschichten erzeugt, die einen hervorragenden Einlaufschutz für Motoren und Getriebe bilden. Nach dem Manganphosphatieren werden die Teile in der Regel in ein Ölbad getaucht. Manganphosphatschichten werden bei Temperaturen zwischen 90 und 95°C erzeugt. Der pH-Wert liegt dabei im Bereich von 2.2 bis 2.4. Es werden Schichtgewichte von 5 bis 25 g/m2 erreicht. Typisch für den Waffenbau ist ein Niederschlag von 5-10 g/m2.

Heute ist der Manganphospatüberzug, wie auch der Zinkphosphatüberzug nach ISO 9717 genormt.

Vergleich zu anderen Methoden der Oberflächentechnik – Brünieren

Die Oberflächentechnik umfasst vielfältige Verfahren und Techniken, mit denen die Eigenschaften von Werkstückoberflächen gezielt verändert werden. Neben mechanischen Vorgehen, die mit einem Abtrag des Materials einhergeht und Beschichtungsverfahren, bei denen fremdes Material aufgetragen wird, findet Oberflächenbehandlung zur Erzeugung von Konversionsschichten ein grosses Anwendungsgebiet.

Die bekanntesten Methoden aus dieser Gruppe sind das Chromatieren, das Phosphatieren, chromfreie Verfahren und das Brünieren. Beispielhaft soll hier der Vergleich von Phosphatieren und Brünieren erfolgen.

Eigenschaften der Schutzschicht

Phosphatierung

Heissbrünieren

Die Phosphatschichten sind feinkristallin und bestehen aus Eisen- Zink- oder Manganphosphat. Gelegentlich enthalten sie Anteile von Kalzium, Magnesium oder auch Nickel. Sie haben eine Dicke von bis zu 10 µm (im Einzelfall bis 20 µm). Das ist bei eng tolerierten Passungen zu berücksichtigen. Die unregelmäßige Kontur der Schicht bewirkt, dass Korrosionsschutzöle gut haften bleiben und sich bei der Handhabung der Teile nicht abwischen lassen. Die Schichten, die bei der Brünierung entstehen, sind amorph. Die Moleküle bilden ein ungeordnetes gleichmäßiges Gefüge. Sie bestehen aus Eisenoxiden Die Schichtstärken liegen bei ca. 1 µm. Da der Materialabtrag gleich dem Materialzuwachs ist, bestehen keine Probleme bei Passungen. Deshalb wird dieses Verfahren bei Werkzeugen, Maschinenteilen und Waffen angewendet, bei denen ausser dem Korrosionsschutz die Masshaltigkeit entscheidend ist. Die ursprüngliche Oberflächenstruktur des Werkstoffs bleibt erhalten. Der Korrosionsschutz einer Brünierschicht ist geringer als der einer Zink- oder Manganphosphatschicht. Öle zur Verbesserung des Korrosionsschutzes haften auf den glatten Flächen nur mässig. Brünierschichten sind dunkel-grau bis nahezu schwarz, aber auch mit Manganphosphatschichten werden sehr dunkle Schichten erhalten, die zudem gute Verschleisseigenschaften zeigen.
Das Phosphatieren erfolgt bei Temperaturen von 35 bis 95 °C. Die Einwirkdauer der Behandlungslösung liegt zwischen 2 und 15 Minuten, bei Inline-Verfahren auch deutlich darunter. Beim Brünieren werden Temperaturen von 120 bis 150°C benötigt. Das Arbeiten mit hochkonzentrierten Brüniersalzlösungen (Hauptbestandteile sind Ätznatron, Natriumnitrit und/oder Natriumnitrat) bei den erforderlichen hohen Temperaturen stellt besondere Anforderungen an die Arbeitssicherheit. Die Lösung muss 5 bis 20 Minuten einwirken.