Stahl kleben

Stahl zählt bis heute zu den verbreitetsten Werkstoffen überhaupt, ob als Baustahl, als Werkzeugstahl oder im Automobilbau. Gerade dort werden aktuell schon in hohem Maße Karosseriebauteile mittels Hightech-Klebstoffen gefügt. Mit dem passenden Klebstoff gelingt heute sogar das Kleben bei anspruchsvollen, lasttragenden Konstruktionen des Hochbaus. Dort wurden schon Stahlgussknoten mit Stahlrohren geklebt.

Ursprünglich (d.h. seit etwa 1500 v. Chr.) wurde das erste Eisen mittels Reduktion per Holzkohle aus Eisenerz in Brennöfen bei etwa 1300 °C erschmolzen. Viel später fand man heraus, dass das Material viel bessere Eigenschaften (z. B. weniger Sprödigkeit) erhält, wenn man Roheisen durch Sauerstoffkontakt frischt und so zu Stahl verarbeitet.

Zu Stahl zählen heute Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, sofern deren Kohlenstoffanteil bis zu 2,06 % beträgt und der Anteil der Legierungsbestandteile unterhalb derer des Eisens liegt. Heute wird Stahl entweder aus Eisenerz (Hochofen-Konverter) oder aus Schrott (Elektrostahlroute) hergestellt.

Um Stahleigenschaften gezielt zu beeinflussen, sind heute im Wesentlichen drei Prozesse im Einsatz:

• Legieren
• Wärmebehandlung (Vergüten, Glühen, Härten)
• Kaltumformung (Ziehen, Walzen)

Dabei werden die Qualität und Eigenschaften beim Erstarren der Schmelze festgelegt, wenn sich das Gefüge im Zusammenspiel mit den Legierungsbestandteilen ausbildet.

Verbreitete Stahlsorten sind heutzutage:

• Kohlenstoffstahl
• Baustahl
• Edelstahl / Werkzeugstahl
• Betonstahl

Im Vergleich zu anderen Werkstoffen gilt Stahl als gut klebbar. Hinzu kommt, dass die Klebtechnik bei Stahlblechen nicht nur als wenig arbeitsaufwändiges Fügeverfahren daherkommt. Kleben gilt auch als besonders schonend, weil es gänzlich ohne Wärmeentwicklung wie etwa beim Schweißen geschieht, was mit Gefügeveränderungen, Abkühlspannungen oder Verzug der Fügeteile einhergeht. Nicht zuletzt deswegen ist das Kleben im Automobilbau heute schon recht verbreitet. So sind derzeit in einem Mittelklassewagen im Schnitt 16 kg Klebstoffe sowie Klebebandmaterial mit Klebenahtlängen von über 100 Metern zu finden.

Vorteile von Stahl-Klebeverbindungen:

• unsichtbare Verbindungen, leichtere Konstruktionen, weniger Gewicht
• sicheres Fügen von Materialmix
• Vermeiden von Kontaktkorrosion.
• gleichmäßige Spannungsverteilung durch reduzierte Punktbelastung
• flächige Verbindungen möglich
• optische und Design-Aspekte
• Dichtungsfunktion
• Vereinfachung des Verarbeitungsprozesses und Senkung von Prozesskosten
• Spaltüberbrückung gleicht Toleranzen aus
• gute Dämpfungseigenschaften
• im Fahrzeugbau lässt sich das Crashverhalten verbessern

Zu beachten ist allerdings:

• vielfach ist eine vorherige Oberflächenbehandlung und Reinigung der Fügeteile erforderlich
• klebgerechter Aufbau der Fügeteile notwendig
• begrenzte Warmfestigkeit
• zerstörungsfreie Qualitätsprüfung nur eingeschränkt möglich

• Im Karosseriebau Struktur-, Falzklebungen (Klappen, Türen, Schiebedächer), Unterfütterungsklebungen sowie Kleben von Versteifungsstrukturen (z.B. Dach)
• Hybridfügen (Kleben, Nieten, Punktschweißen in der KFZ-Tragstruktur)
• Verklebung von Anbauteilen in der Automobilindustrie
• Fügen von Maschinenbauteilen in der Industrie
• Kleben von Sinterwerkstoffen auf Stahl-Hohlwellen in Motoren
• Nietklebverbindungen: etwa durch Halbhohlstanznietkleben erzeugte Verbindungen aus Aluminium mit Stahl im Bereich von PKW-Längsträgern und A-Säule
• Welle-Nabe-Verbindungen mit anaerob härtenden, aber auch 1-K- oder 2-K-Reaktionsklebstoffen (z. B. für die Montage von Rotoren auf Wellen, Einbau von Lagern in Gehäusen oder auf Wellen, Zahnrädern, Riemenscheiben, Kettenrädern, Einbau von Kernlochdeckeln in Motoren und Fügen von Zylinderlaufbuchsen)

Insgesamt trägt Kleben besonders im Automobilbau zu einem optimierten Struktur- und Crashverhalten der Fahrzeugkarosserien bei und erlaubt darüber hinaus eine effiziente Verbindung von Materialmix-Werkstoffen.

Stahl-Klebverbindungen sollten vorzugsweise auf Schubbelastung ausgelegt sein. Aufgrund der geringen Zugfestigkeit der Klebstoffe sind hingegen auf Zug beanspruchte Stumpfstoß-Verbindungen konstruktiv möglichst zu vermeiden. Spalt- oder Schälbeanspruchungen wirken ebenfalls ungünstig auf Klebverbindungen. Der Grund: hier treten im Klebstoff große linienförmige Spannungskonzentrationen auf und der Flächeneffekt fehlt. Generell sind folgende Grundsätze bei der Gestaltung von Klebverbindungen bei Stahl empfehlenswert:

• Klebverbindung möglichst nur auf Schub beanspruchen
• Klebschichtdicke passend zum verwendenden Klebstoff dimensionieren
• möglichst große Klebflächen vorsehen
• homogene Spannungsverteilung sicherstellen

Über die obigen Hinweise hinausgehende Informationen zum Thema „Kleben von Stahl“ im Merkblatt 382 des Stahl-Informations-Zentrums unter: https://www.edelstahl-rostfrei.de/fileadmin/user_upload/ISER/downloads/MB_382.pdf

Profitipp: Da sich die Stahl-Klebeverbindung meist nicht zerstörungsfrei überprüfen lässt, sollte der Klebeprozess folglich perfekt beherrscht werden. Dies betrifft sowohl die Oberflächenvorbehandlung, die Auswahl des Klebstoffes als auch die Prüfverfahren. Wichtig ist es auch, die vorgegebenen Verarbeitungsschritte exakt einzuhalten.

Bisher findet das Fügeverfahren Kleben im Bauwesen bei sicherheitsrelevanten, lastabtragenden Verbindungen kaum Anwendung. Dort werden Stahlgussknoten mit Stahlrohren für anspruchsvolle Hochbau-Konstruktionen – etwa im Brücken- und Kranbau oder für Windenergieanlagen – meist noch mittels schweißtechnischem Verbund hergestellt. Im Rahmen eines FOSTA-Forschungsprojektes wurden jetzt hier aber geklebte Verbindungen zum Anschluss von Stahlgussknoten an Rundhohlprofilen mittels Überlappungsstoß vorgestellt. Durch den bei der Montage entstehenden Fügespalt zwischen Stahlrohr und Gussknoten wurde Klebstoff injiziert. Klebversuche und deren oberflächenanalytische Untersuchungen belegen eine ausreichende Stabilität der präzise gefertigten Dickschichtklebung auf den mittels Korund gestrahlten Stahlgussoberflächen: So übertrug die Klebverbindung im statischen Lastfall bei einer Überlappung von lediglich 110 mm eine Maximalkraft von immerhin 2 MN. Im Ergebnis ermöglicht dies neue konstruktive und gestalterische Möglichkeiten für Stahl-Hohlprofilkonstruktionen.

Hier werden hauptsächlich drei Klebstofftypen verwendet: Epoxydharz-, Acrylat- und Polyurethan-Klebstoffe – gelegentlich auch Zweikomponenten Methylmethacrylat (MMA)-Klebstoffe, Schmelzklebstoffe oder Cyanacrylat-Klebstoffe (für kleinere Flächen). Was sich im Einzelfall wofür eignet, ist abhängig von den zu fügenden Werkstoffen.

• Acrylatklebstoffe sind robust. Sie haften sogar auf leicht öligen Klebe-Oberflächen und eignen sich daher auch für den praktischen Metallbau. Sie erzielen mit circa 20 MPa gute Festigkeiten. Die gängigen Klebstoffe heißen hier Scotch-Weld DP 8805, DP 8405 und DP 810.
• Epoxydharzklebstoffe, die höchste Festigkeiten zwischen 30 und 40 MPa bieten, werden vorzugsweise im Stahlbau eingesetzt. Allerdings stellen sie besondere Anforderungen an die Oberflächenvorbereitung: Voraussetzung sind eine 100%ige Fett- und Staubfreiheit. Rost- und Oxidschichten an der Metalloberfläche bereiten immer wieder Probleme. Denn Epoxydharze haften zwar meist noch sehr gut am Rost, doch haftet der Rost nicht unbedingt an den Fügeteil-Oberflächen. Die Stahlteile müssen daher vollständig entrostet oder noch besser blankgeschliffen werden.

Tipp: Die höchsten Festigkeiten besitzen Epoxidharz-Klebstoffe bei kleinen Spaltmaßen zwischen 0,3 mm und 0,5 mm.

Anwendungsbeispiele sind hier der 2-Komponenten-Konstruktionsklebstoff Scotch-Weld 7270 von 3M auf Epoxidharz- oder Acrylat-Basis, bei dem beigefügte Glaskugeln das Unterschreiten der optimalen Klebschichtdicke effektiv verhindern. Ein Farb-Indikator für den Aushärtegrad sorgt darüber hinaus für höchste Sicherheit im Produktionsprozess. Und ein Hochleistungsklebstoff wie der Scotch-Weld DP 490 von 3M, der beispielsweise im Automobil- und Flugzeugbau verwendet wird, hat schon in Demonstration auf eindrucksvolle Weise die Klebekraft eines 2-K-Konstruktionsklebstoffes auf Epoxidharzbasis veranschaulicht.

Bei der Reparatur von ursprünglichen Serien-Strukturbauteilen, z.B. im Automobilbereich, kommen häufig auch Hybrid-Fügeverfahren – also Kombinationen aus zwei Fügeverfahren, wie etwa Kleben und Nieten – zum Einsatz (Nietkleben). Hier sind spezielle 2-Komponenten-Epoxidharz-Reparaturklebstoffe für einen Werkstatteinsatz auf dem Markt, die nicht nur crash-fest sind, sondern auch über ähnliche Eigenschaften verfügen, wie die vorher verwendeten Serien-Klebstoffe.

• UV-beständige Polyurethan-Klebstoffe verkleben sogar lackierte Metalloberflächen effektiv miteinander. Optische Gründe sprechen hier meist für Glasklar-Versionen.
• Hochleistungsklebebänder bestehen zumeist zu aus 100 Prozent geschlossenzelligem Acrylatklebstoff, der ein spannungsfreies Kleben ermöglicht. Das doppelseitige, witterungsbeständige 3M VHB Klebeband W20F wurde z. B. speziell für Klebungen von Metall-Fassadenelementen (Stahl) entwickelt und haben dem entsprechend eine außergewöhnliche Verbundfestigkeit. Auf dem europäischen Markt ist es derzeit das einzige Klebeband für den Metall-Fassadenbau, das über eine Zulassung gemäß European Technical Approval ETA-10/0149 verfügt.
• Schmelzklebstoffe zählen ebenfalls zu den physikalisch aushärtenden Klebstoffen. Sie werden zunächst aufgeschmolzen und dann aufgetragen. Vorteil: Mit Schmelzklebstoffen realisierte Klebverbindungen können direkt nach der Abkühlung des Klebstoffs Kräfte übertragen.

Profitipp: Weil Metalle wie Stahl über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen, kann das bei der Anwendung von Schmelzklebstoffen dazu führen, dass dieser im Bereich der Klebeflächen zu schnell erstarrt. In der Folge würden die Klebeoberflächen unvollständig benetzt. Abhilfe schafft hier eine vorherige Erwärmung der Fügeteile.