Kurzfassung - MPA-IfW

Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde
Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Leitung: Prof. Dr.-Ing. C. Berger
Abteilung Bauteilfestigkeit
Verbesserung des Korrosionsschutzes für höherfeste Nutzfahrzeugbauteile
Vorhaben:
AIF 12 1257 N
Laufzeit:
01.10.1999 bis 30.06.2002
Förderung:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto-von- Guericke“ e.V. (AiF) über Forschungsgesellschaft Stahlverformung (FSV) und
Verband der
Deutschen Federindustrie (VDFi)
Kooperation: Projektbegleitender Arbeitskreis des VDFi
Bearbeitung: Dr.-Ing. Bruno Kaiser
Bericht:
Abschlußbericht: „Verbesserung des Korrosionsschutzes für höherfeste
Nutzfahrzeugbauteile“ über FSV erhältlich
Problemstellung
Fahrzeugtragfedern gehören zu den am höchsten schwingbelasteten Bauteilen im Maschinen-,
Anlagen- und Fahrzeugbau. Von diesen Federungssystemen wird in vielen Anwendungen gefordert, daß sie eine große Schwingamplitude bei gleichzeitig hoher Mittelspannung betriebs-sicher
über eine lange Einsatzzeit ertragen. Federbrüche im Fahrbetrieb werden nach wie vor zu einem
erheblichen Anteil durch Korrosion hervorgerufen. Auf dem Gebiet der Korrosions-schäden und
des möglichst optimalen Korrosionsschutzes für hochfeste Nutzfahrzeugbauteile sind eine Reihe
von Fragen offen, die einer systematischen und differenzierten Untersuchung bedürfen.
Ziele
Das Forschungsvorhaben verfolgte das übergeordnete Ziel, den Korrosionsschutz für Nutzfahrzeug-Tragfedern (Blatt-/ Parabelfedern) zu verbessern. Dabei knüpft es an die überwiegend
phänomenologischen Ergebnisse und Erkenntnisse des Vorhabens AIF Nr. 9604 an. Darin enthalten ist die Zielsetzung, umweltfreundliche wasserverdünnbare Lacke vergleichend zu konventionellen Lacken mit höherem Lösemittelanteil zu untersuchen.
Vorgehensweise
Aufgrund der aus dem vorangegangenen Forschungsvorhaben AiF-Nr. 9604 vorliegenden Ergebnisse und Erfahrungen wurde das Vorhaben in zwei Abschnitte unterteilt, und zwar in :
• Versuchsprogramm 1 : Systematische Vorversuche an einer Reihe von Beschichtungsvarianten an Prüfblechen mit unterschiedlicher Parameterkombination
• Versuchsprogramm 2 : Versuche an bauteilähnlichen Proben; nach Durchführung und
Bewertung der Ergebnisse des Versuchsprogramms 1 können entsprechend ausgewählte,
bestgeeignete Korrosionsschutzsysteme auf bauteilähnliche Proben appliziert und auf ihr
Verhalten unter kombinierter korrosiver und schwingender Beanspruchung untersucht werden.
1
Ergebnisse des Versuchsprogramms 1 (Prüfbleche)
Der projektbegleitende Arbeitskreis erörterte die Randbedingungen und Parameter sowie die Vorgehensweise für das Versuchsprogramm 1 an Prüfblechen ausführlich und legte fest, 11 unterschiedliche
Grundierungen von fünf verschiedenen Lackherstellern (siehe Tabelle 1) sowie 4 unterschiedliche
Decklacke von vier Lackherstellern (siehe Tabelle 2) in das Versuchsprogramm 1 einzubeziehen.
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Art der Grundierung (Basis)
Zinkstaubfarbe (1), (Epoxidharzester)
Zinkstaubfarbe (2), (Epoxidharzester)
Zinkstaubfarbe (3), (Polyisocyanat)
wvd. 1-K-Grund. (1), (Vinyl-Copolymer)
wvd. 1-K-Grund. (2), (modifizierte Alkydharze)
wvd. 1-K-Grund. (3), (Polybuthadien-Copolymer)
wvd. 2-K-Grund. (1), (Epoxid / Polyamid)
wvd. 2-K-Zn-Grund. (2), (Zn + Epoxid / Polyamid)
wvd. 2-K-Grund. (3), (Epoxidharzester)
wvd. 1-K-Grund. (4), (mod. Acrylat-Dispersion)
2-K-Grundierung, (Epoxidharzester)
Herst.
A
B
C
D
A
E
D
D
E
B
E
Schichtdicke
41 (36 bis 45) µm
50 (43 bis 55) µm
55 (47 bis 62) µm
63 (57 bis 71) µm
53 (46 bis 59) µm
40 (35 bis 46) µm
69 (62 bis 74) µm
37 (30 bis 42) µm
43 (39 bis 48) µm
60 (44 bis 73) µm
40 (37 bis 44) µm
Tabelle 1: Im Versuchsprogramm 1 untersuchte Grundierungen und ihre Schichtdicken,
wvd.: wasserverdünnbar, 1-K- bzw. 2-K-Grund.: 1-bzw. 2-Komponenten-Grundie-rung, Zn:
Zinkstaub; Schichtdickenangaben: Mittelwert (Kleinstwert bis Größtwert)
Zur Untersuchung der daraus resultierenden 55 Varianten von Beschichtungssystemen (11
Grundierun-gen alleine + 4 x 11 Grundierung / Decklack-Kombinationen) wurden 550 Prüfbleche in speziell gestrahlter Oberflächenausführung beschafft und gemäß Versuchsplan grundiert
und decklackiert.
Nr.
1
2
3
4
Art des Decklackes (Basis)
wvd. 2-K-Decklack (mod. Polyester)
1-K-Decklack (PVC)
wvd 2-K-(Acrylharz, Isocyanat)
wvd 1-K-(Polyacrylat)
Schichtdicke
35 (25 bis 44) µm
28 (20 bis 41) µm
58 (47 bis 78) µm
61 (48 bis 82)µm
Herst.
E
B
F
D
Tabelle 2 : Im Versuchsprogramm 1 untersuchte Decklacke und ihre Schichtdicken, Schichtdickenangaben: Mittelwert (Kleinstwert bis Größtwert)
Zunächst wurden an den Prüfblechen Schichtdickenmessungen vorgenommen. Anschließend
wurden Tiefungsprüfungen (DIN EN ISO 1520), Kugelstrahlversuche (DIN 53 154), Dornbiegeversuche (mit konischem Dorn, DIN EN ISO 6860), Gitterschnittversuche (DIN EN ISO 2409)
sowie Dämpfungsmes-sungen (DIN 53 157) durchgeführt. An angeritzten Prüfblechen wurden
Korrosionsversuche in der Atmosphäre (DIN EN ISO 8565) über 25 Wochen sowie Korrosionsversuche gemäß VDA-Prüfblatt 621-415 (Prüfung des Korrosionsschutzes von Kraftfahrzeuglackierungen bei zyklisch wechselnder Bean-spruchung) über 12 Wochen vorgenommen. Ergänzt
wurden diese Versuche durch Steinschlagversuche an allen Prüfblechen und zusätzliche weitere Korrosionsversuche gemäß VDA-Prüfblatt 621-415 über jeweils 6 Wochen an Prüfblechen
nach Kugelfallversuchen und nach Steinschlagschädigung. Außerdem wurden umfangreiche
metallografische Untersuchungen zur weiteren Beschreibung und Charakterisier-ung der Grundierungs- und Decklackschichten durchgeführt.
Decklacke
Grundierung
ohne
DL1 wvd.2-K
m. Polyester
DL2 1-K
PVC
DL3 wvd.2-K
Acryl/Isocya.
DL4 wvd.1-K
Polyacryl.
1. Zn
2
5
4
1
5
5
4
1
4
5
5
1
3
1
5
3
1
1
4
1
Epoxidharz
3
3
3
2
4
3
1
1
2
2
2
1
3
3
2
2
2
2
2
1
2. Zn
2
5
4
1
4
5
4
1
3
4
5
1
3
2
5
5
2
1
4
4
Epoxidharz
3
2
1
2
5
3
1
1
4
2
1
1
5
2
1
1
2
2
1
1
2
3. Zn
1
4
2
1
4
5
3
1
1
3
2
1
4
1
2
1
1
1
4
1
Polyisocyan.
2
1
1
3
1
3
1
1
1
3
2
1
3
3
2
1
1
3
2
1
4. wvd. 1K
1
2
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
Vinyl-Copol.
2
3
4
1
2
3
5
2
1
2
5
1
2
2
5
1
1
3
5
1
5. wvd. 1K
1
1
1
1
2
2
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
mod. Alkydh.
1
2
5
1
1
3
5
3
1
3
5
4
1
3
5
4
1
3
5
3
6. wvd. 1K
1
5
1
1
3
4
2
1
2
5
5
1
2
1
2
1
1
1
2
1
P.-buth. Co.
4
4
4
5
5
3
5
2
4
3
5
1
3
2
5
2
1
4
5
3
7. wvd. 2K
1
5
1
1
4
5
1
1
2
5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Epox./Polya.
5
3
5
1
5
3
4
1
5
3
4
1
5
2
5
1
2
2
5
1
8. wvd. 2KZn
1
5
4
1
4
5
5
1
2
5
4
4
4
1
5
3
1
1
5
5
Zn+Ep./Polya.
2
3
1
2
3
5
1
4
3
3
1
1
3
2
1
1
1
3
1
1
9. wvd. 2K
1
3
1
1
3
4
1
1
2
5
1
1
3
1
1
1
1
1
1
1
Epoxid
5
3
4
5
5
3
5
4
4
3
5
1
4
3
5
3
2
3
5
2
10. wvd. 1K
1
2
1
1
3
3
2
2
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
2
1
mod. Acrylat
1
1
5
1
1
3
5
4
1
3
5
4
1
3
5
5
1
3
5
4
11. wvd. 2K
Epoxid
1
4
1
1
5
1
1
1
4
5
1
1
4
1
1
1
1
1
2
1
4
4
5
1
4
4
5
1
4
3
5
1
3
4
5
1
1
4
5
1
Tabelle 3: Bewertung aller untersuchten Merkmale der Prüfbleche anhand
einer Notenskala von 1 bis 5
In der Tabelle 3 wird ein Gesamtüberblick über die Ergebnisse der mechanisch-technologischen und der Korrosionsprüfungen an den Prüfblechen in Form einer Notenbewertung vermittelt. Dazu sind die 55 Felder der untersuchten Varianten in je acht Segmente unterteilt, die die
Bewertung für Tiefungsversuch, Dornbiegeversuch, Gitterschnittprüfung und Kugelstrahlversuch / Steinschlag (obere Reihe von links nach rechts) sowie Dämpfungsmessung,
VDA-Wechseltest (Unterwanderung), Freibewitterung (Unte-wanderung) und VDA-Test (Blasengrad) (untere Reihe von links nach rechts) enthalten. Dabei wird deutlich, dass es kaum
Schichten bzw. Schichtsysteme gibt, die gleichzeitig sehr gute Korrosionseigenschaften und
hohe Haftfestigkeit bzw. Duktilität bieten.
Ergebnisse des Versuchsprogramms 2 (Bauteilähnliche Proben)
130 bauteilähnliche Blattfederproben mit den Abmessungen 560 mm x 80 mm x 20 mm und
einem Kantenradius von 10 mm wurden in einem Federnwerk aus dem Werkstoff 51CrV4 hergestellt, auf eine Festigkeit von etwa 1750 N/mm² vergütet, spannungsgestrahlt und vorgesetzt
(siehe auch Bild 1).
Als Grundierungen für dieses Versuchsprogramm wurden aufgrund der Ergebnisse des ersten
Versuchsprogramms ausgewählt
• Grundierung Nr. 2: Zinkstaubfarbe (Epoxidharzester)
• Grundierung Nr. 5: wvd. 1-K-Grundierung, (modifizierte Alkydharze)
• Grundierung Nr. 7: wvd. 2-K-Grundierung, (Epoxid / Polyamid)
• Grundierung Nr. 8: wvd. 2-K-Zn-Grundierung, (Zn + Epoxid / Polyamid)
Decklackierungen: Die Grundierungen wurden gemäß folgender Tabelle 4 mit den Decklacken 1 bis 4 kombiniert. Diese sieben Kombinationen aus Grundierung + Decklack werden ebenfalls in zwei Zuständen geprüft: o) wie beschichtet, St) wie beschichtet + Steinschlagschädigung (ergibt 14 Varianten). Die vier Grundierungen wurden auch ohne Decklackierung unter-
3
sucht, wobei ebenfalls die Zustände o) nur grundiert, St) grundiert + Steinschlagschädigung)
getestet wurden (ergibt 8 Varianten).
Für das Versuchsprogramm 2 ergaben sich somit insgesamt 22 Varianten, die jeweils mit 4
Proben belegt werden. Außerdem wurden ca.15 Proben unbeschichtet als Referenz für die
Schwellfestigkeit des Grundwerkstoffs geprüft sowie weitere 10 Proben unbeschichtet für Versuche mit Korrosionsauslagerung ohne Schutzschicht.
Decklack
Gr.
Nr.
2
5
7
8
Behandl.
Zinkstaub
(Epoxid)
wvd. 1-K
(m. Alkyd)
wvd.2K-Zn
(Zn+E+P)
wvd. 2-K
(EpPolya.)
Anzahl
Schichtdicke
0
DL 1
DL 2
DL 3
DL 4
ohne DL
wvd. 2-K
1-K
wvd 2-K
wvd 1-K
o
o
o
o
St
20104
50104
70104
801
804
20508
50508
70508
80508
16
16
32
51114
4
St
o
St
22124
22528
51518
4
8
ca. 40 µm
St
53134
73134
83134
4
4
8
ca. 30 µm
12
53538
73538
83538
12
24
ca. 60 µm
54144
74144
8
Anzahl
St
54548
74144
8
16
ca. 60 µm
16
ca. 50 µm
32
ca. 55 µm
24
ca. 90 µm
16
ca. 40 µm
88
88
Tabelle 4: Beschichtungsvarianten für das 2. Versuchsprogramm (angegebene Ziffernkombinationen = Probenkennzeichnung), o : ohne, St: mit Steinschlagschädigung; SchichtdickenAngaben in der rechten Spalte für die Grundierungen, in der untersten Zeile für die Decklackierungen
Bei der Grundierung der einzeln gemäß obigem Plan gestempelten Proben trat eine Verwechslung dahingehend ein, dass alle Proben mit der ersten Ziffer 7 versehentlich mit der Grundierung 8 aus dem ersten Versuchsprogramm und umgekehrt alle Proben mit ersten Ziffer 8 mit
der Grundierung 7 aus dem ersten Versuchsprogramm versehen wurden. Die tatsächlich gültige Zuordnung der Grundierungen zu der Probenkennzeichnung ist in der Tabelle 4 bereits berücksichtigt.
Die Steinschlag-Schädigung erfolgte bei der Firma Hemmelrath an Proben gemäß Tabelle 4.
An je zwei Proben aller 11 Varianten des Versuchsprogramms 2 wurden Schichtdickenmessungen durchgeführt, deren Ergebnisse als Mittelwerte für die einzelnen Grundierungen und Decklacke in Tabelle 4 mit aufgeführt sind.
Auf Anregung der projektbegleitenden Arbeitsgruppe wurden im weiteren Verlauf der Untersuchung ausführliche Schichtdickenmessungen vorgenommen, wobei 12 Messpunkte über den
Umfang des Blattprofiles festgelegt wurden. An diesen 12 Messpunkten wurden je Blattfederprobe an drei Stellen über der Probenlänge Schichtdicken ermittelt. Diese Messungen ergaben,
dass bei einigen Beschich-tungsvarianten ein ausgesprochenes Minimum der Schichtdicke im
Kantenbereich auftritt, insbesondere bei den Serien 2-0 und 2-2. Bei den Serien 5-0 und 5-1
sind die Verläufe ähnlich, aber mit Schichtdicken von 15 bzw. 20 nicht so extrem dünn. Die
Grundierung 7-0 streut in der Schicht-dicke erheblich und weist auch dünne Bereiche bis gegen
5 µm auf. Besonders auffällig ist, dass der Decklack 3 - unabhängig von der Grundierung - an
den Kanten besonders große Schichtdicken aufweist.
Die Schwingversuche wurden als Biegeschwellversuche in Form von 4-Punkt-Biegung mit
einem vertikalen 200 kN-Resonanzpulser der Bauart Schenck durchgeführt (siehe Bild 2). Die
Mittelspannung betrug 800 N/mm², die Frequenz ca. 13 Hz.
4
Bild 1 : Bauteilähnliche Proben
Schwingver- 560 mm x 80 mm x 20 mm
Bild 2 : Versuchsaufbau für die
suche an den Blattfederproben
Vergleichende Schwingversuche an nicht beschichteten Proben ohne Korrosionseinwirkung
ergaben eine Dauerfestigkeit von etwa 400 N/mm² für eine Überlebenswahrscheinlichkeit von
50 % bei einer Mittelspannung von 800 N/mm². Auffällig ist der große Anteil von Brüchen mit
Bruchausgangslage im Bereich der Rundkante der Proben.
Die grundsätzliche Methode des 2. Versuchsprogramms zur Ermittlung der Korrosionsbeständigkeit der unterschiedlich beschichteten Varianten bestand in der zeitlich nacheinander einwirkenden Korrosions-beaufschlagung der Proben im VDA-Wechseltest (ohne Verspannung) und
der anschließenden Schwing-beanspruchung mit 800 ± 375 N/mm² über 400.000 Zyklen zur
Überprüfung der erreichten Korrosions-einwirkung. Dieser Beanspruchung wurden die Proben
wiederholt ausgesetzt, bis Brüche im Schwingver-such auftreten. Als Maß für die Korrosionsbeständigkeit der jeweiligen Beschichtungen dient die bis zum Bruch insgesamt ertragene Anzahl
von VDA-Runden.
Ein Zyklus des VDA-Wechseltests gemäß VDA-Prüfblatt 621-415 dauert eine Woche und besteht aus
• 1 x (24 h Salzsprühtest)
• 4 x (8 h Kondenswassertest + 16 h Normklima)
• 2 x (24 h Normklima).
Während Blattfederproben ohne Korrosionsschutz bereits nach zwei bis drei Wochen VDA-Test
im Schwingversuch brechen, ertragen alle untersuchten Schutzschichten im intakten Zustand
mindestens 15 Wochen VDA-Testdauer. Die längste Expositionszeit erreichen Proben der Varianten 51und 53 mit 42 Wochen. Ähnlich gut schneiden die Varianten 54 (ca. 35 Wochen), 73
(ca. 33 Wochen) und 83 (ca. 29 Wochen) ab. Im Bereich von etwa 24 Wochen liegen die Serien
50, 80, 20 und 22, während die Variante 70 die niedrigsten Standzeiten aufweist, siehe Bild 3.
Bild 4 stellt die Mittelwerte der einzelnen Varianten im Vergleich dar.
5
VDA-Testzeit in Wochen bis zum Versagen im Schwingversuch
45
VDA-Testzeit in Wochen
40
35
30
25
20
15
10
5
0
20
22
50
51
53
54
70
73
80
83
84
Grüne/offene Balken: Schutzschichten ohne Steinschlag-, blaue/ausgefüllte Balken: mit
Steinschlagschädigung
Bild 3: Vergleich der VDA-Testzeit bis zum Versagen im Schwingversuch für Proben mit bzw.
ohne Steinschlagschädigung
Die Steinschlagschädigung führt generell zu einer Verkürzung der VDA-Standzeit bis zum
Schwingbruch, wobei auch größere Streubreiten als im nicht steinschlaggeschädigten Fall zu
beobachten sind. Die kleinste erreichte Standzeit liegt bei 9 Wochen (Serie 83), relativ gut erscheinen die Varianten 50, 54 und 20.Dabei fällt auf, dass bei den nur grundierten Serien
VDA-Testzeit in Wochen bis zum Versagen im Schwingversuch
45
VDA-Testzeit in Wochen
40
35
30
25
20
15
10
5
0
20
22
50
51
53
54
70
73
80
83
84
Grüne/offene Balken: Schutzschichten ohne Steinschlag-, blaue/ausgefüllte Balken: mit
Steinschlagschädigung
Bild 4: Vergleich der mittleren VDA-Testzeiten für Proben mit bzw. ohne
schädigung
6
Steinschlag-
20, 50 und 70 die Verminderung der VDA-Testzeit durch Steinschlag nicht so gravierend ausfällt bzw. diese Grundierungen in Kombination mit Decklacken kaum bessere Wert erreichen.
Zusammenfassung
Als wesentliches Ergebnis der Untersuchung ist hervorzuheben, dass umweltfreundliche, wasserverdünnbare Lacke ähnliche oder bessere Lebensdauerwerte erreichen wie konventio-nelle
Systeme. Insbesondere unverletzte Systeme auf der Basis von wasserverdünnbaren 1K- und
2K-Lacken zeigen teilweise eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Auch für die seit langem in der Praxis bewährten Zinkstaubbeschichtungen ergab sich in dieser Untersuchung eine
vergleichbare Schutzwirkung bei konventioneller oder wasserverdünnbarer Applikation.
Durch mechanische Verletzungen (Steinschlag) wird diese Korrosionsbeständigkeit erheblich
gemindert, erreicht aber auch dann die Werte konventioneller Systeme. Die Empfindlichkeit
gegenüber mechanischen Einwirkungen kann erfahrungsgemäß nicht durch dickere Schichten
wesentlich verbessert werden. Daher wird angeregt, hochbeanspruchte Federelemente durch
konstruktive Schutzmaßnahmen gegen mechanische Verletzungen abzuschirmen.
Zusammenfassend ist zu den Untersuchungsmethoden festzustellen, dass mit mechanischtechnologischen und Korrosionsprüfungen an Prüfblechen zwar eine Vorauswahl hinsichtlich
geeigneter Grundierungen und passender Decklacke getroffen werden kann. Der am Bauteil zu
erzielende Korrosionsschutz lässt sich aus diesen Ergebnissen aber nicht quantitativ vorhersagen.
Quellen:
Abschlußbericht: „Ermittlung von Dauerfestigkeits- und Relaxationsschaubildern für
hochbeanspruchte Schraubendruckfedern“ über FSV erhältlich
Veröffentlichungen:
B. Kaiser: Dauerfestigkeitsschaubilder für hochbeanspruchte Schraubendruckfedern. Draht
4/2002, S. 48/ 53
B. Kaiser: Ermittlung von Relaxationssschaubildern für hochbeanspruchte Schraubendruckfedern. Draht 6/2002, S. 34/ 37
7