Verklebung unterschiedlicher Metalle: So wählen Sie den richtigen Klebstoff aus

Wir haben kürzlich umfassende Artikel über das Verkleben verschiedener Metalle veröffentlicht, darunter Aluminium, Kupfer und Edelstahl. Das Verbinden von Metallen mit Klebstoffen folgt im Großen und Ganzen einem ähnlichen Muster: Reinigen und ordnungsgemäß Vorbereiten der Oberfläche, idealerweise Verwendung einer Grundierung und anschließend das Verkleben. Das Verkleben unterschiedlicher Metalle, wie beispielsweise von Aluminium mit Kupfer, erfolgt in ähnlichen Schritten, stellt jedoch im Vergleich zum Verkleben zweier gleichartiger Metallteile eine zusätzliche Herausforderung dar. In diesem Artikel gehen wir auf die Faktoren ein, die Sie beim Verkleben unterschiedlicher Metalle berücksichtigen müssen, und erläutern, wie Sie den richtigen Klebstoff für Ihre Anwendung auswählen.

Warum sollten unterschiedliche Metalle miteinander verbunden werden?

Moderne Produkte bestehen selten nur aus einem einzigen Werkstoff. Bei Metallen bringen verschiedene Metalle unterschiedliche Eigenschaften mit sich – einige zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus, andere durch eine hervorragende Korrosions- und Rostbeständigkeit, wieder andere sind leicht, während sich manche einfacher bearbeiten und formen lassen. Ein wesentlicher Vorteil der Einbindung von Klebstoffen in Ihr Produktdesign besteht darin, dass Sie bei der Materialauswahl deutlich mehr Freiheit und Flexibilität gewinnen – so können Sie ganz frei die Metalle auswählen, die für die beabsichtigte Funktion Ihres Produkts am besten geeignet sind.

Wo werden unterschiedliche Metalle miteinander verbunden? Anwendungsbeispiele aus der Praxis

Es gibt zahlreiche Anwendungsbeispiele aus der Praxis, bei denen unterschiedliche Metalle miteinander in Kontakt kommen. Dazu gehören unter anderem:

• Batterien für Elektrofahrzeuge – In EV-Batterien werden Stromkollektoren aus Kupfer mit Aluminiumlaschen oder Sammelschienen verbunden. Die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von Kupfer wird hier mit den Eigenschaften von Aluminium – geringes Gewicht und Kosteneffizienz – kombiniert.
• Fahrzeugkarosserien – Eine weitere Anwendung im Automobilbereich ist das Verkleben von Aluminiumblechen mit hochfesten Stahlrahmen. Das geringe Gewicht des Aluminiums verbessert die Kraftstoffeffizienz, während die Festigkeit und Langlebigkeit des Stahls die Crashsicherheit erhöht.
• Flugzeugrumpfe – In Hochleistungsflugzeugen werden Titan-Außenhautteile mit Aluminium-Unterkonstruktionen verbunden oder befestigt, um eine optimale Belastbarkeit und Temperaturbeständigkeit zu gewährleisten.
• Sanitärtechnik – Verbindung von Kupferwasserleitungen mit Fittings aus Stahl oder Messing.

In allen oben genannten Beispielen werden unterschiedliche Metalle ausgewählt, da sich diese gegenseitig ergänzen und die Gesamtleistung des Endprodukts verbessern.

Herausforderungen beim Verbinden unterschiedlicher Metalle

Genau wie bei Kunststoffen weisen auch verschiedene Metalle unterschiedliche Eigenschaften auf. Anders als beim Verkleben gleichartiger Metallteile treten beim Verkleben unterschiedlicher Metalle bestimmte Faktoren auf, die beim Verkleben mit Klebstoffen berücksichtigt werden müssen. Die wichtigsten davon sind:

Unterschiedliche Wärmeausdehnung

Dies ist wahrscheinlich der wichtigste zu berücksichtigende Aspekt. Jedes Material verfügt über einen eigenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, kurz CTE. Dieser Wert beschreibt, um wie viel sich ein Material bei Erwärmung ausdehnt und bei Abkühlung zusammenzieht. Ein höherer CTE-Wert bedeutet eine stärkere Ausdehnung und Kontraktion bei Erwärmung und Abkühlung und umgekehrt. Beim Verkleben gleichartiger Metalle, beispielsweise Stahl mit Stahl, spielt der CTE keine so große Rolle, da die Ausdehnungs- und Schrumpfungsrate der Teile identisch ist. Bei unterschiedlichen Metallen hingegen kann sich das eine Material bei Temperaturänderungen stärker ausdehnen und zusammenziehen als das andere, was zu einer erhöhten Belastung im Verbindungsbereich führt. Beispielsweise weist Titan einen CTE-Wert von etwa 8,6 auf, während der Wert für Aluminium bei etwa 23 liegt, was bedeutet, dass sich Aluminium bei Wärme etwa dreimal so stark ausdehnt wie Titan. Eine zu große Diskrepanz in Verbindung mit einem ungeeigneten Klebstoff kann im Laufe der Zeit leicht zu einem Versagen der Verbindung führen.

Gefahr galvanischer Korrosion

Galvanische Korrosion (auch als Korrosion bei unterschiedlichen Metallen bekannt) ist ein Vorgang, bei dem ein Metall in elektrischem Kontakt mit einem anderen Metall in Gegenwart eines Elektrolyten korrodiert. Für diesen Vorgang ist eine leitfähige Flüssigkeit erforderlich, da diese als Elektrolyt dient. Das weniger reaktive der beiden Metalle fungiert als Anode und zieht Elektronen an, während das reaktivere Metall Elektronen abgibt und korrodiert. Stellen wir uns eine Anwendung vor, bei der Stahl und Aluminium in direktem Kontakt miteinander stehen und Feuchtigkeit in die Verbindungsstelle eingedrungen ist. In diesem Fall würde das Aluminium – da es das reaktivere Metall ist – allmählich zu korrodieren beginnen, und das, obwohl Aluminium für seine Korrosionsbeständigkeit bekannt ist!

Die Gestaltung der Verbindung ist von größerer Bedeutung

Angesichts der oben erwähnten Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ist es bei der Konstruktion einer Verbindung aus unterschiedlichen Metallen besonders wichtig, Scher- und/oder Druckkräfte zu maximieren und Ablösungs- oder Spaltverbindungen zu vermeiden. Dadurch werden die Spannungen und der Druck auf die Klebeverbindung nach dem Aushärten minimiert.

Wie lassen sich diese Herausforderungen bewältigen?

Bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten sollten Sie einen zähmodifizierten Klebstoff wählen. Viele Epoxidharze fallen in diese Kategorie. Ein zähmodifizierter Epoxidklebstoff mit guter Scher- und/oder Schälfestigkeit verfügt über die erforderliche Flexibilität und Belastbarkeit, um die Auswirkungen unterschiedlicher thermischer Ausdehnung und Kontraktion abzufangen. Falls eine hohe Festigkeit keine so große Priorität hat, bietet auch die Verwendung eines modifizierten Epoxidklebstoffs eine hervorragende Flexibilität, um CTE-Unterschiede auszugleichen – achten Sie auf Permabond-Klebstoffe mit der Bezeichnung „MT-“. Hilfreich ist hier zudem eine dickere Klebstoffschicht zwischen den unterschiedlichen Metallen, da diese mehr „Volumen“ bietet, um Spannungsbewegungen auszugleichen.

Um galvanische Korrosion zu verhindern, ist eine vollständige Abdichtung des Verbindungsbereichs unerlässlich. Dies ist besonders wichtig, wenn die Anwendung voraussichtlich Wasser oder Feuchtigkeit ausgesetzt ist – Meerwasser ist aufgrund seines hohen Salzgehalts (Elektrolyt) besonders problematisch. Glücklicherweise lässt sich dies durch den einfachen Einsatz von Klebstoffen wesentlich leichter erreichen. Mechanische Befestigungselemente bieten oft keine 100-prozentige Abdichtung, während der richtige Klebstoff bei sachgemäßer Anwendung dies fast immer gewährleistet. Auch hier ist eine dickere Klebefuge von Vorteil, da sie dazu beitragen kann, die elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Metallen zu verringern und „Fretting“ zu verhindern – einen Prozess, bei dem Moleküle auf den beiden Metalloberflächen aneinander reiben, was schließlich zu Korrosion führt.

Was die Konstruktion von Verbindungen betrifft, sollten Sie bei der Verwendung von Klebstoffen idealerweise Verbindungen entwerfen, die Scher- oder Druckbeanspruchungen ausgesetzt sind, und Abzieh- oder Spaltverbindungen vermeiden. Dies trägt dazu bei, die Spannungen gleichmäßiger über die Klebefläche zu verteilen. Achten Sie darauf, ausreichend Platz für einen optimalen Klebstoffspalt vorzusehen, da dies dazu beiträgt, Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu vermeiden.

Aber kann ich nicht stattdessen einfach schweißen?

Vielleicht fragen Sie sich, ob Sie nicht einfach zwei unterschiedliche Metalle miteinander verschweißen könnten, anstatt sich mit all diesen Fragen der thermischen Ausdehnung und der galvanischen Korrosion beschäftigen zu müssen?

Die Antwort lautet „Ja“, allerdings ist dies oft mit Schwierigkeiten verbunden. Anstatt sich mit CTE-Werten zu befassen, müssen Sie beim Schweißen tiefgreifendere metallurgische Aspekte wie die Schmelzpunkte verschiedener Metalle berücksichtigen. Wenn Sie beispielsweise Aluminium mit Stahl verschweißen möchten, stellt sich das Problem, dass der Schmelzpunkt von Aluminium (~660 °C/1220 °F) etwa halb so hoch ist wie der von Stahl (~1350 °C/2500 °F). Bevor man also den Punkt erreicht hätte, an dem man den Stahl schweißen könnte, wäre das Aluminium bereits geschmolzen! Das Schweißen von Metallen mit ähnlicheren Eigenschaften, wie beispielsweise Kohlenstoffstahl und Edelstahl, ist einfacher, doch Metalle mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten lassen sich nur schwer verschweißen.

Zu diesem Zweck können zwar fortschrittlichere Schweißtechniken wie das Laserschweißen zum Einsatz kommen, doch wenn man stattdessen einfach einen gewöhnlichen Konstruktionskleber verwenden und ähnliche Ergebnisse erzielen kann, ist uns nicht ganz klar, warum man das überhaupt tun sollte!

Die besten Klebstoffe zum Verkleben unterschiedlicher Metalle

Vor diesem Hintergrund wollen wir nun die besten Klebstoffe für die Verklebung unterschiedlicher Metalle erörtern. Generell hängt die richtige Wahl hier von den zu verklebenden Metallen, den Umgebungs- und Temperaturbedingungen, der Art der Verbindung sowie den Anforderungen an die Festigkeit ab. Im Folgenden listen wir einige der am häufigsten verwendeten Klebstoffe für die Verklebung unterschiedlicher Metalle auf.

Epoxidharze

Wenn Sie auf der Suche nach höchster Robustheit und Festigkeit sind, ist ein Epoxidklebstoff eine sehr gute Wahl. Epoxidklebstoffe weisen hohe Scher- und Schälfestigkeitswerte auf, wodurch sie sich hervorragend für den Ausgleich von Unterschieden bei der thermischen Ausdehnung und Kontraktion zwischen Metallen eignen. Bedenken Sie Permabond ET5428 und sein Schwesterprodukt ET5429 für Anwendungen mit unterschiedlichen Metallen, bei denen eine hohe Festigkeit wichtig ist und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten eine wesentliche Rolle spielen. Wenn Ihnen eine langsamere Aushärtung nichts ausmacht oder Sie eine Aushärtung durch Erhitzen vornehmen können, Permabond ET5441 Es wurde für die Verklebung unterschiedlicher Substrate entwickelt und weist eine hervorragende Temperaturbeständigkeit auf. Darüber hinaus ist es sehr gut gegen Temperaturwechsel beständig, wodurch die Belastung im Verbindungsbereich minimiert wird.

Einkomponentige, thermisch aushärtende Epoxidharze bieten höchste strukturelle Festigkeit beim Verkleben unterschiedlicher Metalle und erreichen dabei eine Festigkeit, die mit der des Schweißens vergleichbar ist. Wenn Festigkeit für Sie oberste Priorität hat und Ihnen eine thermische Aushärtung möglich ist, empfehlen wir Ihnen dringend, für Ihre Anwendung ein einkomponentiges Epoxidharz in Betracht zu ziehen. Typen wie Permabond ES550 und ES558 weisen eine hervorragende Scherfestigkeit auf Metallen auf.

Anaerobe Klebstoffe

Anaerobe Klebstoffe können eine sehr gute Wahl für die Verklebung unterschiedlicher Metalle sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn eines der Metalle eine aktivere Oberfläche aufweist, wie beispielsweise Kupfer oder Messing. Da diese Klebstoffe in Gegenwart von Metall und unter Ausschluss von Sauerstoff aushärten, erreichen sie eine schnelle Aushärtung in engen Spalten. Sie eignen sich besonders gut für Gewinde- und zylindrische Verbindungen, bei denen der Spalt sehr klein ist. Anaerobe Klebstoffe, die normalerweise nur für die Verbindung gleichartiger Werkstoffe geeignet sind, können bei unterschiedlichen Metallen für Gleit-, Press- und Schrumpfsitz-Verbindungstechniken eingesetzt werden.

Permabond F201 verfügt über eine Kern-Schale-Struktur zur Gummi-Verstärkung, wodurch es sich hervorragend zur Aufnahme von Belastungen und Stößen eignet. Sein Schwesterprodukt, Permabond F201HV, bietet eine höhere Viskosität bei ähnlichen Vorteilen.

Strukturelle Acrylatklebstoffe

Strukturelle Acrylklebstoffe sind ein weiterer starker Anwärter für die Verklebung unterschiedlicher Metalle. Abgesehen davon, dass sie auf vielen Metallen eine hohe Festigkeit bieten, haben wir mehrere strukturelle Acrylklebstoffe mit einer speziellen Technologie zur Oberflächenhaftung entwickelt. Diese Technologie ermöglicht es dem Klebstoff, unbehandelte Metalloberflächen zu verkleben, beispielsweise durch ölige Oberflächen oder Oxidschichten hindurch. Sie sind daher besonders interessant für diejenigen, die keine aufwendige Oberflächenvorbereitung durchführen können oder die Effizienz optimieren möchten.

Permabond TA4207, TA4208 und TA4230 – wobei letzteres zudem flammhemmende Eigenschaften aufweist – verfügen alle über diese Technologie zur Oberflächenhaftung. Permabond TA4550 ist ein weiterer geeigneter Kandidat für die Verklebung unterschiedlicher Metalle und zeichnet sich durch die seltene Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Flexibilität aus. Dieser strukturelle Acrylklebstoff, der ursprünglich für die Verklebung von Nylon entwickelt wurde, bietet eine hervorragende Festigkeit auf vielen Metallen.

Cyanacrylate

Cyanacrylate (auch als Sekundenkleber bekannt) gehören zu den am schnellsten aushärtenden Klebstoffen, die es gibt. Sie härten aus, indem sie mit Feuchtigkeit in der Luft und auf den Oberflächen von Materialien reagieren. Da sie so schnell aushärten, eignen sie sich in der Regel besser zum Verkleben kleinerer Teile. Sie eignen sich zwar nicht besonders gut für den Umgang mit großen Unterschieden bei der thermischen Ausdehnung und Kontraktion, sind jedoch ideal, wenn Sie auf kleinen Flächen eine hohe Festigkeit benötigen.

Ziehen Sie Permabond 751 in Betracht – einen neuen, flexiblen Klebstoff, der sich ideal zum Verkleben medizinischer Geräte eignet – sowie Permabond 737 und 910 zum Verkleben unterschiedlicher Metalle.

Die Bedeutung der Oberflächenvorbereitung

Beim Verkleben von Metallen ist die richtige Oberflächenvorbereitung von entscheidender Bedeutung – und dies gilt umso mehr beim Verkleben unterschiedlicher Metalle. Unterschiede bei der thermischen Ausdehnung und Kontraktion können eine Klebeverbindung im Vergleich zum Verkleben gleichartiger Metalle zusätzlich belasten; daher ist es hier unerlässlich, sicherzustellen, dass sich Ihre Oberflächen in einem für die Verklebung optimalen Zustand befinden.

Sofern Sie sich nicht für einen unserer oben genannten, oberflächenaktivierten strukturellen Acrylklebstoffe (wie TA4207 oder TA4208) entscheiden, befolgen Sie bitte die folgenden Schritte, um Ihre Metallteile für die Verklebung vorzubereiten:

• Reinigen und Entfetten. Wischen Sie Ihre Metallteile mit Aceton, Isopropanol oder Permabond Cleaner A ab, um Staub, Öle, Fingerabdrücke und Trennmittel zu entfernen. Wir empfehlen Ihnen, dies auch bei der Verwendung eines oberflächenaktivierten Strukturacrylats zu tun, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

• Schleifen. Das Schleifen mit Schleifpapier oder Schleifkörnung (oder alternativ das Sandstrahlen) trägt dazu bei, die auf vielen Metallen vorhandene Oxidschicht zu entfernen. Außerdem wird dadurch die Oberfläche „aufgeraut“, wodurch der Klebstoff besser haften kann. Das Einarbeiten von Permabond 2K Primer in die Oberfläche nach dem Abschleifen trägt dazu bei, dass die Metalloberfläche nicht erneut oxidiert. Es wirkt zudem als Haftvermittler und gewährleistet eine länger anhaltende Verbindung.

• Erneut reinigen. Reinigen Sie die Oberfläche nach dem Schleifen erneut, um eventuelle Rückstände zu entfernen.

• Verkleben. Ihre Metalle sind nun bereit zum Verkleben. Wenn Sie eine 2K-Grundierung verwendet haben, besteht hier keine Eile – die Metalloberflächen oxidieren nach dem Anschleifen nicht erneut. Falls Sie keine Grundierung verwendet haben, sollten Sie die Verklebung so bald wie möglich vornehmen; andernfalls oxidieren die Metalle erneut und Sie müssen den Schleifvorgang wiederholen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zum Verkleben unterschiedlicher Metalle

• Welcher Klebstoff eignet sich am besten zum Verkleben unterschiedlicher Metalle?
  

  Es gibt keinen einzigen Klebstoff, der für jede Metallkombination gleichermaßen geeignet ist. Strukturharze auf Epoxid- und Acrylbasis sind gängige Wahlmöglichkeiten, während Cyanacrylate und anaerobe Klebstoffe für bestimmte Fugenkonstruktionen und Anwendungen geeignet sein können. Dabei sollten die Temperatur, die Fugengröße, die erforderliche Flexibilität sowie die zu verklebenden Metalle berücksichtigt werden.

• Lässt sich Aluminium mit Klebstoffen an Stahl verkleben?
  

  Ja. Klebstoffe können Aluminium erfolgreich mit Stahl verbinden und bieten gegenüber mechanischen Befestigungen oder dem Schweißen Vorteile. Bei der Auslegung der Verbindung sollten insbesondere die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten berücksichtigt und galvanische Korrosion vermieden werden.

• Wie verhindert man galvanische Korrosion beim Verbinden unterschiedlicher Metalle?
  

  Galvanische Korrosion setzt einen elektrischen Kontakt zwischen unterschiedlichen Metallen und einem Elektrolyten, wie beispielsweise Wasser, voraus. Eine Klebeschicht kann die beiden Metalle elektrisch voneinander isolieren und gleichzeitig dazu beitragen, die Verbindung gegen Feuchtigkeit abzudichten, wodurch das Risiko galvanischer Korrosion verringert wird.

• Beeinflusst die Wärmeausdehnung die Klebeverbindungen zwischen verschiedenen Metallen?
  

  Ja. Metalle weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf, was bedeutet, dass sie sich bei Temperaturänderungen in unterschiedlichem Maße ausdehnen und zusammenziehen. Verstärkte oder flexiblere Klebstoffe können dazu beitragen, diese unterschiedlichen Bewegungen auszugleichen und Spannungen innerhalb der Verbindung zu verringern.

• Müssen unterschiedliche Metalle vor dem Kleben einer Oberflächenvorbehandlung unterzogen werden?
  

  In der Regel ja. Das Entfernen von Ölen, Verunreinigungen und schwachen Oberflächenschichten verbessert in der Regel die Zuverlässigkeit der Verbindung. Die optimale Vorbereitung hängt von den jeweiligen Metallen und dem verwendeten Klebstoff ab; einige strukturelle Acrylklebstoffe (wie Permabond TA4207, TA4208 und TA4230) sind gegenüber minimal vorbereiteten oder leicht verunreinigten Oberflächen toleranter als viele Epoxidharze.

• Wie lange nach dem Schleifen müssen die Metallteile verklebt werden?

  Das hängt vom Metall ab. Bei stark oxidationsanfälligen Metallen wie Aluminium sollten die Teile nach dem Abschleifen so schnell wie möglich verklebt werden, um eine erneute Oxidation zu verhindern. Alternativ haben Sie deutlich mehr Zeit, wenn Sie während des Abschleifvorgangs Permabond 2K Primer verwenden!

• Ist das Kleben besser als das Schweißen oder das Verbinden unterschiedlicher Metalle?

  
  Das kann der Fall sein. Klebstoffe verteilen die Belastung auf eine größere Fläche, vermeiden die beim Schweißen entstehende Hitze, können Metalle verbinden, die sich nur schwer miteinander verschweißen lassen (wie Stahl und Aluminium), und können unterschiedliche Metalle elektrisch voneinander isolieren. Klebstoffe können eine ähnliche Festigkeit wie Schweißverbindungen und Befestigungselemente bieten und sind besser geeignet, um galvanische Korrosion zwischen Metallen zu verhindern.

Sollten Sie Fragen zum Verbinden unterschiedlicher Metalle haben oder Ihre Anwendung mit uns besprechen möchten, wenden Sie sich bitte an uns.