Schrauben Lacke: Was unsere Welt zusammenhält

Lacke, Farben und Druckfarben machen unsere Welt seit Jahrtausenden schöner. Mehr noch: Sie schützen, was uns lieb und teuer ist und machen unsere Umgebung bunter. Doch moderne Beschichtungen können noch viel mehr: Sie schonen Ressourcen, beschleunigen Prozesse, helfen der Umwelt oder retten sogar Leben. In unserer Serie „Smarte Farben“ stellen wir solche unverzichtbaren Lacke, Farben und Druckfarben vor.

Das Prinzip der Schraube ist bereits seit Archimedes‘ Erfindung der Wasserschnecke im dritten Jahrhundert vor Christus bekannt. Doch erst mit der Industriellen Revolution beginnt die Massenproduktion von Metallschrauben. Unweigerlich kommt bei Metallschrauben das Thema Rost in den Sinn. Ob winzig oder groß: Jede Schraube benötigt bereits in der Planungsphase ein durchdachtes Schutzkonzept gegen Korrosion. Denn elektrochemische Prozesse können die Materialeigenschaften verändern und damit die Funktion des Verbindungsteils erheblich beeinträchtigen. Hier bewährt sich besonders der kathodische Korrosionsschutz, z. B. durch eine Zinklamellenbeschichtung für Schrauben. „Die Zinklamellenbeschichtung ist ein aktiver und hochleistungsfähiger Korrosionsschutz, etwa für Schrauben in der Automobilindustrie“, erläutert Marcel Roth, Vice President R&D bei Dörken Coatings. „Dabei werden winzige Zink- und Aluminiumpartikel in dünnen Schichten auf das Bauteil aufgetragen, ohne dass es dabei zu einer Belastung des Metalls durch Wasserstoffversprödung kommt.“ Diese Beschichtung wirke wie ein Schutzschild: „Das Zink opfert sich bei einem Korrosionsangriff als sogenannte Opferanode und schützt so das darunterliegende Metall vor Rost. Zusätzlich sorgt die Beschichtung für eine gleichmäßige Oberfläche“. Eine andere gängige Methode ist die Galvanisierung, ein elektrochemischer Prozess, bei dem meist Zink-Nickel über ein Elektrolytbad aufgetragen wird, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Zinklamellenprimer sind gerade für den Schutz hochfester Stähle, bei denen Wasserstoffversprödung vermieden werden muss, besonders geeignet – eine wichtige Voraussetzung für sicherheitsrelevante Anwendungen.

Tribologische Beschichtungskonzepte im Fokus

Neben einem aktiven Korrosionsschutz ist zusätzlich die Tribologie beim Verschrauben eine Grundvoraussetzung. Bei Tribologie geht es um Reibung, Verschleiß und Schmierung zwischen bewegten Oberflächen, das heißt, wie verhalten sich Materialien im Kontakt, welche Kräfte werden wirksam und wie kann man etwa durch spezielle Beschichtungen Reibung und Verschleiß beeinflussen. So werden viele technische Systeme langlebiger und effizienter. „Seit den 1990er Jahren wurden in der Automobilindustrie zunehmend Zinklamellenbeschichtungen für Schrauben eingeführt: Die Beschichtung schützt zuverlässig vor Korrosion, auch bei sehr dünnen Schichten, und vermeidet die Gefahr der Wasserstoffversprödung – ein kritisches Problem bei hochfesten Schrauben. Mit dem EU-weiten Verbot von Chrom(VI) ab 2007 kam ein weiterer Faktor hinzu. Da viele herkömmliche galvanische Beschichtungen Chrom(VI) enthielten, beschleunigte die Gesetzgebung den Umstieg auf Zinklamellen. Heute gilt dieses Verfahren als Standard in der Automobilindustrie“, erläutert Roth. Die Steuerung der Tribologie auf der Schraubenoberfläche geht mit diesen Anforderungen einher und gewährleistet den zuverlässigen Einsatz einer Schraube. Eine optimale tribologische Beschichtung ist entscheidend, weil mit ihr die Reibung gezielt gesteuert werden kann. Denn die Tribologie definiert, welche Reibungskraft eine Schraube haben darf. Ist die Reibung zu niedrig, geht ein zu großer Teil der zum Anzug verwendeten Kraft in die Längung der Schraube, was zu einer Überdehnung und damit zum Bruch der Schraube führen kann. Ist die Reibung zu hoch, fehlt die notwendige Vorspannkraft, wodurch die Verbindung unsicher wird oder sich lösen kann. „Das ist eine hochkomplexe Geschichte“, bringt es Marcel Roth auf den Punkt. „Im Automobilbereich werden während der Konstruktion die Reibzahlen bzw. Vorspannkräfte gemessen – ein Abweichen von den vorgegebenen Werten führt zum Bandstillstand.“

Aufwändige Entwicklungs- und Prüfprozesse

Die Zinklamellenbeschichtung ist ein modulares System aus Base- und Topcoat. Dabei bestimmt der Basecoat die Korrosionsschutzeigenschaften, der Topcoat schützt vor chemischen und mechanischen Einwirkungen, ist aber auch für die tribologischen Reibzahlanforderungen zuständig. Zusätzlich unterstützt er den Korrosionsschutz. Entscheidend für die Einstellung der Beschichtung sind dabei höchst präzise Tribologiekonzepte. Denn jede einzelne Komponente hat Einfluss auf die Reibzahl. Das heißt, sämtliche Additive, Binde- und Lösungsmittel müssen so gesteuert werden, dass die tribologischen Eigenschaften auch nach Aushärtung des Lacks einwandfrei sind. Hinzu kommt beim Beschichtungsvorgang das Problem der so genannten Kantenflucht: Die Lackschicht ist an den Kanten dünner als auf der Fläche – relevant für die Gewinde und verschiedene Schraubengeometrien. Dennoch müssen die vorgeschriebenen Reibwerte stets eingehalten werden. Alles in allem erfordert das eine intensive Arbeit an Rezepturen wie auch Applikation. Ohne aufwändige Qualitätstests und Prüfungen geht dabei nichts – damit schließlich auch in Produktion und Fertigung alles reibungslos läuft.

Nachhaltigkeit zählt in allen Schritten

Bei der Entwicklung von nachhaltigen Schraubenbeschichtungen spielt der Nachhaltigkeitsgedanke eine entscheidende Rolle. Ökologische Aspekte seien eine wichtige Triebkraft in der Entwicklung, die sich auch aus den ökonomischen Anforderungen von Kunden ergeben, so Marcel Roth. „Sie werden auf dem Markt nachgefragt, häufig sogar gefordert.“ Ein Beispiel sind PFAS- und besonders PTFE- Beschichtungssysteme, bei denen neue umweltverträgliche Tribologiekonzepte das PTFE in der Beschichtung ersetzen. Oder der Verzicht auf toxikologisch bedenkliche Schwermetalle, wie Chrom, Nickel oder Kobalt im Bereich galvanischer Beschichtungen. In der Galvanotechnik lassen sich heute bereits all diese Stoffe vollständig ersetzen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liege auf der Entwicklung komplett lösemittelfreier Systeme. 

Auch das Thema Aushärtung der Schraubenbeschichtung beschäftigt die Experten. Die Beschichtungen werden im sogenannten Tauchschleuderverfahren durch große Zentrifugen appliziert. Anschließend durchlaufen die Schrauben einen Ofen, wo die Beschichtung bei Temperaturen von rund 200 Grad aushärtet. Die gestiegenen Energiekosten haben auch zur Entwicklung von effizienteren und kostensparenden Trocknungslösungen geführt. Mittlerweile sei es möglich, Zinklammellenbeschichtungen auf Lösemittelbasis bereits bei Raumtemperaturen auszuhärten. „Bei Radnaben wird dieses Verfahren bereits eingesetzt“, weiß Marcel Roth. „Dennoch haben wir hier noch nicht das Optimum erreicht, das alle ökologischen Anforderungen vereint. Die Herausforderung besteht darin, komplett lösemittelfreie Tauchschleuder-Beschichtungen zu entwickeln, die ebenfalls bei niedrigeren Temperauren aushärten.“

Ein Blick in die Zukunft

Es gibt immer wieder Stimmen, die behaupten, dass Kleben künftig das Schrauben ersetzen wird. Denn Klebeverbindungen gewinnen in vielen Industriezweigen zunehmend an Bedeutung, etwa in der Luftfahrt und im Fahrzeugbau. Dennoch wird die Schraube wohl nicht so schnell verschwinden. „Beides hat seine Berechtigung. Das Geniale an der Schraube ist, sie lässt sich wieder lösen, warten und über die Vorspannkraft sicherheitsrelevant immer genau definieren. Die Schraube wird sich also weiterhin bewähren“, bilanziert Marcel Roth. Hinzu kommt, dass auch die Schraubenentwicklung nicht stehenbleibt und Innovationen den Markt erobern. So gibt es mittlerweile selbstschneidende Schrauben, die ihre Löcher selbst bohren, oder selbstfurchende Schrauben, bei denen sich das Gewinde einschneidet. Auch dafür gibt es bereits spezielle hochschmierende Beschichtungen. Auch im Bezug auf Elektroautos sind Schrauben unverzichtbar. Sie verbinden Batteriemodule, Hochvolt- Komponenten, Karosserie und Fahrwerk. Ihre Sicherheit, Korrosionsbeständigkeit und Demontierbarkeit sind entscheidend, gerade bei den Batteriepacks. Schrauben sorgen nicht nur für Stabilität, sondern ermöglichen zugleich eine einfachere Wartung und Recyclingfähigkeit. Kurz gesagt: Ohne Schrauben wäre die Elektroauto-Technik kaum denkbar – und Zinklamellenbeschichtungen sorgen dafür, dass sie zuverlässig halten, selbst unter extremen Bedingungen.

Autor: Matthias Beiderbeck