Zu den wichtigen Zielsetzungen jeder organischen Beschichtung in Bezug auf das einer Beschichtung zugrundeliegende Werkstück zählen:

• Gleichmässiger Pulverlackfilm
• Gute Haftung zum metallischen Untergrund
• Hohe Beständigkeit gegen Korrosionsunterwanderung

Zur Verbesserung von Korrosionsbeständigkeit und Haftung, aber auch zur Sicherstellung einer gleichmässigen Beschichtung, sind die zu beschichtenden Oberflächen vorzubehandeln.

Dies erfolgt zumeist chemisch (Kapitel 3) oder mechanisch (Kapitel 4), um die Aufgaben der Substratreinigung und der Haftvermittlung zu erfüllen.

Die chemischen Vorbehandlungsverfahren unterteilen sich in folgende Aufgaben:

• Entfernen schädlicher Stoffe von der Oberfläche, wie zum Beispiel Zunder, Rost, Abrieb, Fette, Öle, Staub
• Aufbau einer die Pulverhaftung fördernden und die Korrosion hemmenden Schicht, wie etwa durch Phosphatieren, Chromatieren oder chromfreie Verfahren usw.
• Entfernen von schädlichen Behandlungsstoffen vorangegangener Prozesschritte durch gründliches Spülen

Verunreinigungen auf der Metalloberfläche vor dem Beschichten beeinträchtigen die Haftung zwischen Pulverschicht und Metall. Daher müssen Verunreinigungen wie Öle und Fette sowie anorganische Partikel wie Schleifstaub, Rost und Glühzunder entfernt werden. Öle, Fette und mechanisch anhaftenden Schmutz kann man mit alkalischen oder sauren Reinigern entfernen.

Die Reinigungsleistung kann unterstützt werden durch höhere Temperaturen der Aktivbäder sowie durch mechanische Energie, insbesondere durch die Spritzbehandlung oder durch Ultraschall.

Stahl kann in der Regel hochalkalisch gereinigt werden, wohingegen verzinkte Stähle und Aluminium mit mild-alkalischen Reinigern oder in mild-saurem Medium behandelt werden.

Bei der Reinigung von Zink oder Aludruckguss kann ein Anbeizen der Metalloberfläche, das die Reinigungswirkung eigentlich verstärkt, unerwünscht sein. Durch spezielle Zusätze zum Reiniger ist die Beizwirkung reduzierbar. Rost und Zunder werden durch Beizen in Säuren entfernt. Diese enthalten meistens Inhibitoren, die ein Auflösen des blanken Metalls verhindern. Zum Entzundern von unlegiertem Stahl sind Schwefel- oder Salzsäurebeizen üblich, zum Entrosten wird vorteilhaft inhibierte Phosphorsäure verwendet. Eisen- und Stahlwerkstoffe werden häufig elektrolytisch gereinigt, unterstützt durch hochalkalische Reinigungskonzentrate. Nichtrostende bzw. legierte Stähle werden meist durch eine Beizlösung aus u. a. Salpetersäure und Flusssäure gebeizt.

Für Teile mit nur geringer, leicht entfernbarer Ölverschmutzung dienen tensidhaltige Beizen, die in einem Schritt entrosten und entfetten. Werden keine besonderen Anforderungen an den Korrosionsschutz für das Werkstück gestellt, kann auf eine anschliessende Phosphatierung verzichtet werden, wenn mit Phosphorsäure gebeizt wird. Diese hinterlässt einen dünnen, bläulich irisierenden Phosphatfilm auf der Oberfläche, der einen guten Haftgrund für die anschliessende Beschichtung darstellt und als temporärer Korrosionsschutz geeignet ist.

Nach dem Beizen sowie der alkalischen Reinigung sind die Teile unbedingt mit Wasser zu spülen.

Konversionsschichten entstehen durch chemische Reaktion der Metalloberfläche mit der Behandlungslösung unter Bildung einer fest verwachsenen, meist anorganischen Schicht.

Bei der Alkali- oder auch Eisenphosphatierung reagiert die Metalloberfläche mit einer sauren Lösung von Alkaliphosphaten. Die wässrigen Lösungen aus Phosphatanionen beinhalten keine eigenen Metallkationen, die an der Schichtbildung beteiligt sind. Die Kationen zur Schichtbildung stammen aus dem Grundmaterial, weshalb bei der Alkaliphosphatierung des Öfteren von einer nicht-schichtbildenden Phosphatierung gesprochen wird. (i. Vgl. 3.2.2. Zinkphosphatierung)

Die durch die Alkaliphosphatierung auf Eisenmetallen erzeugte Schicht ist ein amorphes Agglomerat aus Phosphaten, Oxiden und Hydroxiden des zwei- und dreiwertigen Eisens mit einem Schichtgewicht von 0.2–1.0 g/m2, was einer Schichtdicke von etwa 0.15 – 0.8 μm entspricht.

Je nach Blechqualität, Schichtdicke und verwendetem Beschleuniger können die phosphatierten Oberflächen die verschiedensten Färbungen von gelb bis blau irisierend, golden oder grau zeigen.

Es ist jedoch auch möglich, andere Metalle wie Zink- oder Aluminiumlegierungen mit Alkaliphosphatierverfahren vorteilhaft zu behandeln.

Die Alkaliphosphatierung reicht für witterungs- und dauerhaft feuchtigkeitsbeanspruchte, lackierte Oberflächen im Allgemeinen nicht aus, ist jedoch als Korrosionsschutz für pulverbeschichtete Teile in unbelasteten Räumen ausreichend.

Im Gegensatz zur oben beschriebenen Alkaliphosphatierung ist die Phosphatierung mit einer sauren Lösung primären Zinkphosphats schichtbildend, da sie Schichtdicken von etwa 8 – 20 μm liefert. Zink- bzw. Metallionen aus der Phosphatlösung stellen in diesem Fall die schichtbildenden Kationen, während Phosphat aus der Phosphorlösung als Anion wirkt.
Die Schichtbildung von tertiärem Zink- und Zinkeisenphosphat (Phosphophyllit, Zn2Fe(PO4)2) auf der Stahloberfläche wird durch Oxidationsmittel beschleunigt.

Das bei der Schichtbildung aufgelöste Eisen fällt nach weiterer Oxidation als Eisenphosphat aus. Durch die chemischen Reaktionen bei der Schichtbildung sowie durch den Austrag mit den Werkstücken verarmt die Phosphatierungslösung an aktiven Bestandteilen. Diese werden kontinuierlich durch Zugabe einer sogenannten Ergänzungslösung dem Bad wieder zugeführt.

Zur Erzeugung feinkristalliner Schichten, die optimale Eigenschaften zeigen, werden aktivierende Mittel – meist auf Basis von Titanverbindungen – zur Vorspülung vor der Phosphatierung verwendet. Diese Aktivierungsmittel werden auch oft in den alkalischen Reiniger eingearbeitet, so dass kein zusätzlicher Behandlungsschritt notwendig wird. Phosphatierverfahren auf Basis Zinkphosphat werden in grossem Umfang als Vorbehandlung vor den unterschiedlichsten organischen Beschichtungssystemen eingesetzt.

Mit der Zinkphosphatierung als Vorbehandlung werden die besten Korrosionsbeständigkeiten von Lacküberzügen auf Stahl, cadmierten oder verzinkten Stählen, erzielt. Auch die Haftung der organischen Beschichtung bei Biege- und Schlagbeanspruchung genügt hohen Ansprüchen. Sonderlösungen für Aluminium und andere Legierungen sind möglich, erfordern jedoch eigene Bäder.

Ferner enthalten die Phosphatierungslösungen für bestimmte Zwecke andere Stoffe, so zum Beispiel Nickel, Mangan, für die Behandlung von Zinkoberflächen, oder Fluoride für Aluminium.

Bei der Phosphatierung von verzinkten Oberflächen stehen keine Eisenionen für den gezielten Einbau in die Phosphatschicht zur Verfügung. Durch die Zugabe geeigneter Kationen wie Nickel, Mangan oder Calcium werden Phosphatierlösungen erzeugt, die der korrosionsschützenden Wirkung von Phosphophyllitschichten entsprechen. Da diese Phosphatierlösungen in der Regel Zink, Mangan und Nickel als schichtbildende Kationen enthalten, wird dieses Verfahren auch als «Trikation»- Prozess bezeichnet. Nickelfreie Verfahren werden in diesem Zusammenhang auch als «Dikation»-Verfahren bezeichnet.

Zur gleichmässigen Schichtausbildung auf schmelztauch-verzinkten Oberflächen oder bei schwierig zu phospha-tierenden Stahloberflächen erfolgt häufig der Zusatz von komplexen Fluoriden. Durch den Zusatz von Flouriden werden Aluminiumionen, welche meist als Bestandteil der Verzinkung im sauren Phosphatierbad in Lösung gehen, komplexiert.

Um den Korrosionsschutz von Phosphatschichten zu erhöhen, besteht die Möglichkeit der Nachbehandlung.

Heute werden zumeist chromfreie Nachpassivierungsmittel eingesetzt, welche die Phosphatschicht «versiegeln», indem sie die offenen Poren in der Phosphatschicht schliessen. Hierbei unterscheidet man organische und anorganische Produkte:

Die organischen Passivierungsmittel enthalten Polymere mit komplexbildenden Eigenschaften und die anorgani-schen Produkte enthalten komplexe Zirkonium- oder Titanflouride, die auf der Oberfläche unlösliche Phosphate bilden.

Bereits im Vorfeld der Beschichtung sollte mit dem Verzinkungsbetrieb die Qualität der Verzinkung besprochen werden. Vielfach empfehlen Verzinkungsbetriebe eine Nachbehandlung nach DIN EN ISO 1461-2009 (Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge [Stückverzinken]; Anforderungen und Prüfungen), welche die Weissrostbildung verzögern, homogenisieren und den Glanz der Zinkoberfläche verlängern.

Meist sind diese Nachbehandlungen nach Erfahrung der IGP Pulvertechnik AG einer guten Zwischenhaftung von Pulverlackschichten abträglich. Vorversuche sollten daher auf dem zu beschichtenden Gut vor der Beschichtung durchgeführt werden.

Die Einführung der kathodischen Elektrotauchlackierung hat zu einer beträchtlichen Steigerung des Korrosions-schutzes bei anschliessenden Lackierungen geführt. Um die Möglichkeiten des kathodischen Elektrotauchlacks jedoch voll auszunützen, können neuere Zinkphosphatierungsverfahren eingesetzt werden. Diese zeichnen sich durch niedrigen Zink- und hohen Phosphatgehalt aus. Sie erzeugen beim Spritzen auf Stahl Schichten aus Hopeit (Zinkphosphat, Zn3[PO4]2) und Phosphophyllit (Zinkeisenphosphat, [Zn2FePO4]2), im Tauchverfahren solche aus überwiegend Phosphophyllit.
Die Prozesszeit ist bedingt durch den niedrigeren Zink-Anteil meist etwas länger als bei den herkömmlichen Verfahren.

Die Nachteile der nachstehend beschriebenen Verfahren der Gelb- und der Grünchromatierung ergeben sich aus dem vielfältigen Gefährdungspotenzial des Chrom(VI)-Oxids CrO3, welches ein sehr gutes Oxidationsmittel ist und neben brandfördernden Eigenschaften hochtoxisch ist sowie karzinogene und mutagene Wirkung hat. Die Chromatierungen werden in wässrigen, u. a. auch Chromsäure (gelöstes CrO3) enthaltenden Behandlungsbädern erzeugt, die aus besagtem Grund stark wassergefährdend sind. Dies gilt sowohl für die Transparentchromatierung als auch für die beiden Chromatierungen mit höheren Schichtgewichten, der Gelb- und der Grünchromatierung.

Obwohl nur die Chrom(VI)-Verbindungen von toxikologischer und mutagener Bedeutung sind, kommt auch zunehmend die Grünchromatierung in den prüfenden Fokus, obwohl die gebildeten Schichten nach der Reaktion theoretisch aus ungiftigen Chrom- (CrPO4) und Alu-Phosphaten (AlPO4) bestehen. Dies ist zum einen dem Umstand geschuldet, dass bei der Herstellung der Behandlungschemikalie für Gelb- und Grünchromatierungen stets von Chrom(VI)-Verbindungen ausgegangen wird und zum anderen den möglichen Restanteilen sechswertigen Chroms, welche bei einer Grünchromatierungsschicht mit etwa 0.01 μg/cm2 in der Regel unterhalb der Bestimmungsgrenze liegen dürften.

Auch wenn die Verwendung chromhaltiger Vorbehandlungen bisher nicht durch nationale Vorschriften ausgeschlossen wird, empfiehlt sich vor der Wahl chromhaltiger Vorbehandlungen für Fassadenbauteile, vor allem für öffentliche oder öffentlich geförderte Bauprojekte, die regionalen Vorschriften sowie die vorgeschriebenen Ausführungsbestimmungen in den Ausschreibungen zu prüfen.

Man unterscheidet die Gelb- und die Grünchromatierung jeweils nach der Farbe der bei höheren Schichtdicken erzeugten Konversionsschichten. Beide Behandlungslösungen können im Spritz- oder Tauchverfahren angewendet werden.

Behandlungslösungen zur Gelbchromatierung enthalten Flusssäure, Chromsäure und, neben gegebenenfalls anderen Zusätzen, die sogenannten Beschleuniger. Es bilden sich auf der Aluminiumoberfläche als Folge der primären Aluminiumauflösung durch die Säuren Schichten aus gemischten Oxiden des Aluminiums und des drei- und sechswertigen Chroms. In der Regel liegen die Schichtgewichte einer Gelbchromatierung bei 400–1000 mg/qm.

Behandlungslösungen zur Grünchromatierung enthalten im Wesentlichen Flusssäure, Chrom- und Phosphorsäure. Für die Schichtbildungsreaktion wird also gleichfalls von Chromtrioxid (CrO3) bzw. Chrom(VI)-oxid ausgegangen wie bei der Gelbchromatierung.

Die Fluoridkonzentration bestimmt das Schichtgewicht. Die Schicht ist bei nicht zu hohen Schichtgewichten frei von sechswertigem Chrom. Allerdings ist nicht auszuschliessen, dass gerade bei schöpfenden Werkteilen hohe Schichtstärken auftreten, die Chromate aus den Badlösungen verschleppen, welche dort nach der Spülung eingetrocknet in all ihren Potenzialen gefährdend sind und nebenbei zu einer Verschlechterung der Haftung führen.
Die abgeschiedene Chromatschicht besteht aus Phosphaten des Aluminiums und des dreiwertigen Chroms und zeigt keine kristalline Struktur.

Für die Anwendung als Vorbehandlung zur Beschichtung werden Flächengewichte von 400 bis 1200 mg/m2 angewendet.

Sowohl Gelb- als auch Grünchromatierung verbessern in hervorragender Weise die Haftung und die Korrosionsinhibierung für die anschliessend aufgebrachte Beschichtung. Vielfach werden Gelb- oder Grünchromatierung auch für die Bildung von Konversionsschichten auf verzinkten Stählen für eine anschliessende organische Pulverbeschichtung verwendet.

Die Chromatierung wird auch ohne weitere organische Beschichtung als Blank-Korrosionsschutz verwendet. In besonderen Fällen können auch Gelb- oder Grünchromatierungsschichten für dekorative Zwecke dienen; die Schichtgewichte liegen dann höher mit 1 bis 3 g/m2.

Auch die Chrom(III)-Passivierung kann trotz Chrombasis als umweltfreundlicheres Verfahren im Vergleich zu Gelb- und Grünchromatierung (ChromVI-Verbindungen) bezeichnet werden.
Dreiwertiges Chrom bildet auf der Aluminiumoberfläche schwer lösliche Reaktionsprodukte (Chrom(III)-Oxide), die einen guten Korrosionsinhibitor darstellen und eine gute Lackhaftung ermöglichen. Bei der Passivierung von Zink und Zinklegierungen wird dreiwertiges Chrom bereits seit längerem eingesetzt und ist dort auch unter Blaupassivierung bekannt. Für die Verwendung des Chrom(III)-Passivierungsverfahrens auf Aluminium gibt es in jüngerer Zeit von einigen wenigen Herstellern bereits von den Gütegemeinschaften Qualicoat und GSB zertifizierte Vorbehandlungschemikalien bzw. Verfahren. Auf Aluminium bilden diese meist schwach irisierende Schichten, im Farbton abhängig von der Legierung.
Vor der Konversionsbildung muss die Oberfläche fett- und oxidfrei sein, was durch
a) saures Beizreinigen oder
b) durch alkalisches (Beiz-)Enfetten und saures Dekapieren erfolgen kann.

Zwischen den einzelnen Vorbehandlungsschritten muss gut gespült werden und vor dem Passivierungsbad sollte möglichst weiches Wasser verwendet werden. Die letzte Spüle nach der Passivierung sollte für besten Korrosionsschutz der Teile mit VE-Wasser angesetzt werden.

Vor allem die wesentlich geringere Belastung der Umwelt sowie geringere Kosten für Arbeits- und Umweltschutz führen zur Verdrängung chromhaltiger durch die chromfreien Vorbehandlungen.
In der Regel ist die Badführung und Analytik etwas pflegeintensiver, die Spülprozesse sind etwas aufwändiger.
Der Korrosionsschutz für eine eventuelle Zwischenlagerung ist ebenfalls in den meisten Fällen schwächer.

Es gibt diverse Anbieter für chromfreie Vorbehandlungschemikalien, die sich in auf der Grundlage der Basischemikalien einreihen lassen in:
a) Titan- und/oder Zirkoniumverbindungen
b) Titan-/(Fluor-)Polymerverbindungen
c) Zirkon-/Fluorverbindungen
d) Organosilane

Die meisten chromfreien Vorbehandlungen lassen sich ebenfalls sowohl spritzen als auch tauchen. Einige sind auch multimetallfähig. Sie unterscheiden sich hinsichtlich notwendiger oder nicht-notwendiger Spülvorgänge nach der Konversionsbeschichtung in Rinse- und No-rinse-Verfahren.

Es ist zu empfehlen, Vorbehandlungsprozesse zu wählen, welche von den Gütegemeinschaften GSB und/oder Qualicoat freigegeben sind und somit neben langjährigen Auslagerungserfahrungen (Bsp.: Hoek van Holland) bereits vielfältigen Anforderungen hinsichtlich Prozessstabilität und Verarbeitungseignung genügen.

Wie bei den chromhaltigen Vorbehandlungen müssen die Substrate vorgereinigt und gespült werden. Während für Stähle und verzinkte Stähle bei einigen chromfreien Vorbehandlungen eine sauere Reinigung reicht, werden Aluminiumsubstrate einer sauren Beizentfettung unterzogen. Meist sind nach der Beizentfettung mehrere Spülgänge angezeigt, wobei VE-Wasser Verwendung findet.

Bei einer Behandlung im No-rinse-Verfahren entfällt die Spülung nach der Konversionsbehandlung. Chromfreie Verfahren benötigen sowohl im Rinse- als auch im No-rinse-Betrieb höhere Trocknungstemperaturen. Die höheren Temperaturen haben den Vorteil, bei porigen Substraten die Ausgasung vor der Beschichtung zu fördern.