Metalle kleben

Ein Thema welches alltäglich klingt, aber viel Know-how erfordert.

Grundsätzliches zum Thema Metall kleben

Verschiedene Metalle



Die Frage: "Haben Sie was um Metall zu kleben?" ist so alltäglich wie das Frühstück.

Die Fragen zurück lauten:

  • Um welche Art Metall handelt es sich?
  • Wie ist die Oberfläche beschaffen?
  • Welche geometrische Klebefläche liegt vor?
  • Bestehen verarbeitungstechnische Vorgaben oder Zwänge?
  • Welche Art und Umfang belasten die Klebung?
  • Wo liegt der spätere Einsatzbereich des geklebten Metalls?

Diese Rückfragen bringen den Anfragenden meist in Verlegenheit. Nur wenige gut Vorbereitete können diese klebetechnisch wichtigen Fragen sofort beantworten.

Nun lassen Sie uns mal die vorgenannten einzelnen Punkte betrachten. Auch hier gilt der Grundsatz: Kleben ist eine Verbindungstechnik welche „nur" die Oberflächen eines Werkstoffes verbindet. Anders verhält es sich bei den typischen mechanischen Verbindungen wie schrauben, nieten, schweißen, nähen usw.

Eine Standardfrage ist immer: Handelt es sich um ein blankes Metall oder liegt eine Art der möglichen Oberflächenveredelungen vor? Bei blanken Metallen muss weiter unterschieden werden um welche Art Metall es sich im vorliegenden Fall handelt. Es gilt zu unterscheiden ob klassische Metalle wie Eisen, bzw. Stahl und Edelstähle oder die sog. Buntmetalle zu verkleben sind. Typische Buntmetalle sind Aluminium, Kupfer, Nickel, Blei, Zinn, Zink, Messing und Bronze.

Metallklebung mit 2-K Epoxidharzklebstoffen

Diese vor genannten Metalle zeigen arttypische Abweichungen in der Klebeeigenschaft und es muss jeweils geprüft werden, welcher der vielen angebotenen Klebstoffe erbringt hier die besten Klebeerfolge. In den vergangenen Jahrzehnten haben sich für Klebungen dieser Werkstoffe miteinander oder untereinander die Zweikomponenten-Klebstoffe auf Basis Epoxidharze behauptet. Bei diesen 2-K-Klebstoffen spricht man auch von Konstruktionsklebstoffen oder Strukturklebstoffen. Die Klebstoffindustrie bietet eine Vielzahl von solchen Klebstoffsystemen. Je nach den rezepturmäßig eingesetzten Epoxidharzen, verwendeten Zusatzmaterialien wie Füllstoffe und Additive, erbringen diese Klebstoffe unterschiedliche Adhäsions- und Nutzungseigenschaften, wobei hier zusätzlich noch die verschiedenen Viskositätseinstellungen und anderen Verarbeitungseigenschaften mit einwirken.

Unterschiedliche Klebstoffe je nach Anwendungsgebiet

Schon hier wird klar, nur einen Klebstoff für Metalle gibt es nicht. Das breite Angebot dieser Klebstoff-Formulierungen kann auf den Anwender sehr verwirrend wirken. Es muss differenziert werden, wo die Einsatzbereiche liegen. Gerne wird in den Medien die Automobilindustrie zitiert und als Paradebeispiel für die Leistungsfähigkeit von Verklebungen bei metallischen Teilen hervorgehoben. Im Fahrzeugbau handelt es sich i.d.R. um gezielt auf den jeweiligen Einsatz hin entwickelte Rezepturen wobei die Geometrie der Klebefläche vielfach speziell für eine Klebung ausgelegt, also konstruktiv angepasst wird. Quasi gestern das Teil schrauben und heute dieses ersatzweise kleben, funktioniert nicht.

Wie schon oben hingewiesen, zeigen die unterschiedlichen Metalle ihre eigenen, oft abweichenden Klebeeigenschaften. Es ist immer zwingend notwendig vor dem Einsatz sorgfältige und praxisnahe Eignungsversuche durchzuführen. Entsprechende Alterungstests und Belastungsprüfungen hinsichtlich der späteren Verwendung gehören ebenfalls zum Pflichtenheft der Klebstoffauswahl. Extreme thermische Belastungen sowie Einflüsse durch Bewitterung, Wasser u.a. Substanzen müssen in der Beurteilung einer Eignung mit einfließen.

Mechanische Beanspruchungen der Klebungen

Nicht zu vernachlässigen sind die evtl. auftretenden mechanischen Beanspruchungen. Ob es nun plötzlich, selten oder dauerhaft auftretende große Kräfte auf die Klebefuge sind, Vibrationen oder schälende Beanspruchungen, all diese Parameter erfordern eine Berücksichtigung. Im vorausgehenden Text wurden die Zweikomponentenklebstoffe auf Basis Epoxy (EP) genannt. Die Klebstoffindustrie ist sehr innovativ und hat ein sehr großes Portfolio geeigneter Klebstoffe entwickelt. Diese müssen nicht zwingend 2-K-Produkte oder auf Basis Epoxy sein. Je nach Einsatz können auch heißhärtende 1-K-Epoxidharze, spezielle Formulieungren auf Basis 2-K-Polyurethan (PUR), sowie die in den letzten Jahren verstärkt auftretenden Acrylatklebstoffe (MMA)  Verwendung finden. Aber auch hier ist kein Alleskönner dabei.

Verarbeitung von 2-K Klebstoffen zur Metallklebung

Da eine Metallklebung üblicherweise mittels der v. g. 2-K-Klebstoffe erfolgt, kommt der Verarbeiter an der exakten Dosierung und homogenen Vermischung der Komponenten nicht vorbei. Ein sorgfältiges Arbeiten ist zwingend erforderlich. Kleine Flächen oder Streifen, bzw. Raupen lassen sich einfach und sauber mit Strukturklebstoffen aus Doppelkammerkartuschen (auch side by side genannt) verarbeiten. Diese bevorzugt in Mischungsverhältnissen 1:1, 2:1 oder 10:1 Volumenteile abgepackten Kartuschen werden mittels geeigneter Auspresspistolen und statischer Mischrohre verarbeitet. Bei größeren Bedarfsmengen wird aus entsprechenden Gebinden gearbeitet. In diesen Fällen erfolgt die Anlieferung der Komponenten in getrennten Verpackungen. Die Verarbeitung erfolgt dann entweder manuell (Dosierung abwiegen und vermischen) oder mit geeigneten Dosier- und Mischanlagen. Hier bietet die Maschinenindustrie bewährte Geräte. Je nach Topfzeit erfolgt dann die Vermischung mittels statischen Mischrohr oder dynamischen Mischer.

Verklebung von Metall mit Verbundwerkstoffen

Dickschichtkleben als weitere Möglichkeit der Metallklebung

Verstärkt wird seit einigen Jahren der Einsatz von sog. Dichtklebstoffen beobachtet. Hier handelt es sich um Systeme, die ursprünglich aus dem Bereich der Abdichtungen kommen, aber auch klebetechnisch sehr leistungsfähig sind. Diese Klebedichtmassen, bevorzugt im einkomponentigen Einsatz, werden überwiegend auf Basis Polyurethan (PUR) oder sog. silanterminierte Polymere (STP, MS) angeboten. Häufig wird auch der Begriff Hybridklebstoff verwendet. Einzelne 2-K-Systeme sowie sog. Boostersysteme behaupten sich ebenfalls.

Dieses häufig auch als Dichtkleben oder Dickschichtkleben bezeichnete Verfahren zeigt seine Stärke darin, dass die Klebefuge eine gewisse Elastizität behält und somit Spannungen, Dehnungen oder Erschütterungen ausgleicht. Diese Eigenschaft nutzt man gerne im Fahrzeug-, Maschinen- und Lüftungsbau. Also Anwendungen bei denen häufig Vibrationen und Schwingungen eine Klebung belasten. Damit solche Dichtklebstoffe die erwarteten Leistungsfähigkeiten erbringen, ist es meist notwendig, dass hier eine vorgegebene Mindestschichtdicke der Fuge eingehalten wird. Bedingt durch den Vernetzungsmechanismus (auch Härtung genannt), werden diese Produkte selten flächig verwendet, bevorzugt in Streifen und Raupen.

Dickschichtklebung mit elastischer Klebefuge

Flächige Klebung von Metallen

Die vorausgehenden Zeilen beschäftigten sich vorrangig mit sog. Struktur- oder Konstruktionsverklebungen. Vielfach ist es aber erforderlich, dass Metalle flächig miteinander oder mit anderen Werkstoffen klebetechnisch verbunden werden. Bei solchen Anwendungen können sowohl 1-K als auch 2-K-Reaktionsklebstoffe zum Einsatz kommen. Je nach Flächengrößen sind neben den Eignungsmerkmalen der Klebstoffe auch weitere Verarbeitungsparameter zu berücksichtigen. Da bei 2-K-Produktukten die sog. Topfzeit ein wichtiges Kriterium bildet, grenzt diese eine Auswahl häufig deutlich ein. Es gilt zu beachten, bei großen Klebeflächen benötigen eingesetzte reaktive Systeme eine zeitlich entsprechend bemessene Topfzeit. Lange Topfzeiten bedingen analog dazu lange Härtezeiten. Bis zur Aushärtung einer Klebstoffschicht ist ein sorgfältiges Fixieren der Teile oder Flächen nötig um zu gewährleisten, dass die Flächen komplett mit Klebstoff benetzt werden. Um hier optimale Arbeitsabläufe zu ermöglichen, ist eine Auswahl eines Klebstoffes mit passender Härtezeit sinnvoll.

Bisher wurde bei der Metallklebung bevorzugt von den Reaktiven Systemen gesprochen. Bei derartigen Klebstoffen erfolgt die Härtung mittels chemischer Reaktion. Die beiden Klebstoffkomponenten müssen zwingend in den vorgegebenen Mischungsanteilen exakt dosiert und homogen vermischt werden. Eine Verarbeitung kann nur innerhalb der rezepturbedingten Topfzeit erfolgen. Die nach Ablauf der Topfzeit beginnende Aushärtungszeit wird ebenfalls rezepturbedingt gesteuert. Eine dosierte und abgestimmte Zufuhr von Wärme kann den chemischen Prozess der Aushärtung beschleunigen. Die jeweiligen Angaben, also Zeiten, in den Datenblättern gelten i.d.R. im Temperaturbereich zwischen +20 °C und +23 °C, sog. Raumtemperatur. Geringere, also niedrigere Temperaturen verlangsamen diese Prozesse.

Flächiges Kleben von Metallen mit Kontaktklebstoffen

Neben den Reaktivsystemen kommen auch andere Klebstoffarten zum Einsatz, insbesondere bei flächigen Anwendungen. Dominierend sind hier Kontaktklebstoffe auf Rohstoffbasis Polychloroprene (im Volksmund auch Neopren genannt). Die Rohstoffe auf Basis Polychloroprene (CR) zeigen bei blanken und auch oberflächenbehandelten Metallen gute Adhäsionseigenschaften. Diese sind meist in Lösungsmitteln gelöst, fallweise in Wasser dispergiert und werden anwendungsorientiert aufgerollt, gespritzt, gepinselt, gerakelt oder in anderen Verfahren appliziert. Kontaktklebstoffe müssen beidseitig auf die Werkstoffe aufgetragen, danach abgelüftet und innerhalb der offenen Zeit sofort gefügt werden. Solche Klebstoffe erbringen eine sofortige Anfangsfestigkeit, die geklebten Teile können unmittelbar danach verarbeitet werden. Diese Klebetechnik findet  bevorzugt in Kaschierbereichen, z.B.  Bleche auf Hölzer u.a. ihren Einsatz.

Oberflächenvorbereitung vor der Klebung

Eingangs wurde schon erwähnt, „Kleben“ verbindet Oberflächen. Dass diese verschiedenen Oberflächen sich klebetechnisch unterscheiden ist ebenfalls klar gestellt worden. Einige blanke Metalle bilden Veränderungen an ihren Oberflächen. Es handelt sich hier um Oxydationen, die oft durch Verfärbungen erkennbar sind, aber nicht immer. Da solche Schichten ebenfalls wie Öle und Fette Trennschichten bilden auf denen die Klebstoffe gut kleben können, aber diese Schicht wiederum nicht ausreichend fest auf dem Metall haftet, müssen solche sorgfältig entfernt werden. Ein weiteres Hindernis bei Metallen kann die Bildung eines Filmes aus Kondenswasser sein. Dieses Symptom ist bei Metall gerne dann zu beobachten, wenn Metalle bei kalten oder niedrigeren Temperaturen gelagert werden und zur Klebung in einen wärmeren, beheizten Bereich verbracht werden. In solchen Fällen ist es zwingend nötig die zu klebenden Metalle eine ausreichende Zeit zu temperieren.

Reinigung der Oberflächen

Da metallische Oberflächen selten ausreichend sauber für eine Klebung anzutreffen sind, ist fast immer eine sorgfältige Reinigung der Klebefläche absolut notwendig. Metalle können wie schon genannt Oxydschichten aufweisen, aber häufig auch Korrosionsschutzmittel wie Öle, Fette u.a. Substanzen sowie Stäube und diverse anhaftende Verschmutzungen. All diese, eine Klebung störende oder schädigende Oberflächenzustände, müssen entfernt werden. Eine einwandfreie Reinigung der Klebeflächen ist zwingend notwendig.Bei der Oberflächenreinigung sind leichte, nicht anhaftende Verschmutzungen einfach zu entfernen. Fette, Öle und Trennmittel können nur mittels geeigneter Reinigungsmittel entfernt werden. Hier bieten sich unterschiedliche Lösungsmittel u. ä. Substanzen an. Die jeweilige Reinigungswirkung muss fallweise getestet werden. Bei Oxydschichten haben sich mechanische Reinigungen bewährt.

Bei der Oberflächenbehandlung sind Verfahren wie anschleifen und sandstrahlen sehr beliebt. Hier ist es wichtig zu berücksichtigen, es muss immer erst eine Reinigung, Entfettung mittels geeigneter Substanzen erfolgen. Erst danach darf geschliffen oder gestrahlt werden. Vorhandene trennende Medien wie Öle und Fette können im Schleifprozess ins Metall hinein geschliffen (gestrahlt) werden und wirken weiterhin trennend zum Klebstoff. Die Vorbehandlung des Schleifen oder Strahlen wird bei Metallen gerne verwendet, denn dadurch kommt es durch die Berg- und Talbildung zu einer Vergrößerung der Klebeflächen. Je nach Schleifkorn kann ein Mehrfaches an Oberfläche erreicht werden.

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