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Nachbericht 2018

ZVO-Oberflächentage 2018: Rekordverdächtige Fülle an Fachwissen

Nach drei erfolgreichen Veranstaltungstagen mit insgesamt 640 Teilnehmern endeten am 21. September die ZVO-Oberflächentage 2018 in Leipzig. Damit schloss der Branchentreff an die hohen Besucherzahlen der Vorjahre an, in punkto Aussteller und Vorträge übertraf er sie sogar.

Die Teilnehmer der ZVO-Oberflächentage 2018 in Leipzig, der Wiege der Galvanotechnik, erlebten ein erstmals sechszügiges Vortragsprogramm mit über 90 hochkarätigen Fachvorträge zu den Themen, die die Branche bewegen. Die Industrieausstellung mit rund 80 Ausstellern sowie eine Sonderausstellung des Deutschen Museums für Galvanotechnik rundeten das umfassende Programm ab.

Traditionell eröffnete ZVO-Präsident Walter Zeschky die Veranstaltung am Abend des 19. Septembers in der KONGRESSHALLE am Zoo. In seinem Grußwort ging er auf den Mittelstand und seine drängendsten Themen wie die Energie- und EU-Chemikalienpolitik ein, aber auch auf aktuelle politische Entwicklungen, wie sie zuletzt in Chemnitz und Köthen augenscheinlich wurden. Er verurteilte Fremdenfeindlichkeit und forderte dazu auf, sich ihr entgegenzustellen.

Unterhaltsamer Auftakt

Im Anschluss stand ein lebendiges Plädoyer für „Humor im Business“ des Top-100-Keynotespeakers Dr. med. Roman Szeliga auf dem Programm. Als Arzt und Mitbegründer der CliniClowns erkannte er bereits Anfang der 1990er Jahre die positive, sogar heilende Wirkung des Humors. Heute setzt er sich dafür ein, dass auch Unternehmen das große Potenzial des Humors erkennen und nutzen. In seinem Vortrag berichtet er, was dieses legale Doping im Berufs- und Privatleben alles bewirken kann. Schließlich verbindet nichts mehr als gemeinsames Lachen.

Fortgesetzt wurde der humoristische Auftakt der Oberflächentage mit einer kabarettistischen Darbietung sowie dem ersten Surface Science Slam des ZVO. Den Abschluss bildete ein hochwertiges „Come together“, bei dem die Teilnehmer bis in den Abend hinein fachsimpelten und ihr Netzwerk ausbauten.

Am Folgetag startet das Vortragsprogramm, das alle Facetten der Oberflächentechnik bot, mit folgenden Themen:

Wirkung von Elektrolytzusätzen

Das breite Programm an Fachvorträgen wurde mit einer Vorstellung der Arbeiten des diesjährigen Jacobi-Preisträgers, Dr.-Ing. Jürgen Schulz-Harder eingeleitet. Bis etwa 1970 war nach den Worten von Dr.-Ing. Schulze-Hader über die Wirkungen von Zusätzen zu galvanischen Elektrolyten, wie beispielsweise Einebner, bekannt, dass sie vor allem von der Diffusion abhängen. Dies lässt sich durch Untersuchungen mittels Scheibenelektroden leicht erkennen; zudem können aus bestimmten Elektrolyten, leicht zu zeigen im Falle der Kupferabscheidung, hochglänzende Oberflächen hergestellt werden. Allerdings lag keine Theorie vor, welche diese Erscheinung eindeutig erklären konnte.

Um die Erkenntnisse über die Wirkung von Zusätzen zu erweitern, ging Dr. Schulz-Harder davon aus, dass in den Tälern die Mikrostruktur erhöht wird, im Vergleich zu den Spitzen. Daraus folgerte er unter anderem, dass die Konzentration der Hilfstoffe (Acceleratoren) in den Vertiefungen steigt und so die beobachtbare Metallverteilung auf Substraten entstehen kann. Die Untersuchungen dazu wurden an Pressmatrizen aus der Schallplattenindustrie durchgeführt, die eine definierte Struktur gewährleisten. Als Zusätze wurden Stoffe eingesetzt, welche die Abscheidung inhibieren, und weitere Stoffe, welche die Wirkung aufheben.

Die Ergebnisse solcher unterschiedlichen Zugaben (zum Beispiel mit Diethyldithiocarbamat als wirksame Molekülgruppe) zeigen sich an Stromdichte-Potenzialkurven, die entweder steigen oder fallen. Die Wirkung lässt sich aber auch an einem Gedächtniseffekt zeigen, da die wirksamen Stoffe nach Unterbrechung der Abscheidung auf der Oberfläche verbleiben und bei erneutem Beginn der Abscheidung denselben Effekt zeigen. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang natürlich, dass die Konzentration der Zusätze eine sehr wichtige Größe darstellt.

Wirtschaftliche Bedeutung erhielten die Untersuchungen insbesondere im Bereich der Mikroelektronik, bei der die geätzten Strukturen für Chips mit Kupfer gefüllt werden müssen. Bekannt ist dieser Effekt dort beispielsweise unter dem Begriff Superfilling. Zur Anwendung kommt hierfür beispielsweise der Stoff Polyethylenglykol.

Eine wichtige Frage für den Anwender, die in weiteren Untersuchungen zu klären ist, richtet sich auf den Verbleib sowie das Verhalten der Zusätze an der Kathode. Dies kann wiederum im Bereich der Mikroelektronik sehr wichtig werden, da ein Einbau von Zusätzen selbstverständlich die physikalischen Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit stark beeinflussen kann.

Kathodischer Korrosionsschutz

Die Herstellung von Korrosionsschutzschichten auf Eisenwerkstoffen ist einer der Schwerpunkte der Galvanotechnik. Hierfür kommen Zink- und Zinklegierungsschichten in Betracht. Darüber hinaus spielen Zinkschichten, hergestellt durch Tauchschmelzbeschichtungen (auch Feuerverzinken), eine große Rolle zur Erfüllung des sogenannten kathodischen Korrosionsschutzes.

Direkte einstufige Verzinkung von Gusseisen

Für die Beschichtung von Teilen aus Gusseisen werden üblicherweise im ersten Schritt saure Elektrolyte zur Metallabscheidung eingesetzt, wie Tobias Urban einleitend erläuterte. Dies ist erforderlich, da die Elektrolyte mit niedrigem pH-Wert zu einer sehr guten Metallbedeckung des Stahls führen. Allerdings ist die Streufähigkeit dieser Elektrolyte ungünstig; um trotzdem auch bei komplexer Teilegeometrie eine gleichmäßige Metallverteilung zu erzielen, wird nach der Abscheidung einer dünnen Metallschicht, zum Beispiel aus Zink oder Zink-Nickel, im zweiten Schritt diese Schicht unter Einsatz eines alkalischen Elektrolyten verstärkt. Ohne diese erste Schicht wird mit alkalischen Elektrolyten in der Regel auf Gusseisen keine geschlossene Schicht erzielt. Dies äußert sich unter anderem auch durch entstehende Korrosionsangriffe aufgrund von verbliebenen Elektrolytresten in Gussporen, die zu lokaler Korrosion (sogenannten Ausblühungen) führen.

Mit einem neuen System an Additiven wird es möglich, auch mit alkalischen Elektrolytsystemen eine sehr gute Deckung von Gusseisen zu erzielen, ohne den Einsatz einer Vorbeschichtung aus einem sauren Elektrolyten. Besonderer Vorteil ist hierbei, dass die Additive in bestehende alkalische Systeme eingearbeitet werden können. Die Wirkung des Additivsystems wird auf eine Verbesserung der Benetzung des Elektrolyten an dem zu beschichtenden Grundwerkstoff Stahl zurückgeführt. Das neue Additivsystem zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass es keine nennenswerte Schaumbildung verursacht und einen guten Glanz bei der Zinkabscheidung aus ­alkalischen Elektrolyten ergibt. Die erforderlichen Mengen der Zusätze entsprechen denen anderer Zusätze, ebenso die Vorgehensweise zur Anpassung der jeweils optimalen Konzentrationen.

Stahl kann sehr wirkungsvoll durch das Beschichten mit Zink gegen Korrosion geschützt werden. In diesem Fall opfert sich die aufgebrachte Zinkschicht durch ihre Auflösung und verhindert so den Korrosionsangriff auf Stahl. Wie Andreas Blumenberg in seinem Vortrag einleitend betonte, wird die Zinkschicht aufgrund einer hohen Potenzialdifferenz zu Stahl allerdings relativ schnell aufgelöst und somit geht der Mechanismus des kathodischen Korrosionsschutzes verloren. Zinklegierungen – insbesondere Zink-Nickel – sind hier merklich beständiger und stellen somit einen besseren Korrosionsschutz als reines Zink dar.

Die derzeit weit verbreitete, galvanisch abgeschiedene Zink-Nickel-Legierung zeichnet sich neben der guten elektrochemischen Beständigkeit durch eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie einem guten Verhalten gegen Kontaktkorrosion beim Verbauen mit Aluminiumteilen aus. Nachteilig ist jedoch aufgrund des verwendeten Nickels die bestehende Problematik im Hinblick auf die Toxizität von Nickel. So steht Nickel im Verdacht, Allergien auszulösen und nickelhaltige Stäube gelten als krebserregend.

Als Alternative zu Zink-Nickel ist Zink-Eisen zunehmend interessant. Verfügbare Elektrolyte erlauben die Herstellung einer Legierung mit einem optimalen Eisengehalt von 13 Prozent. Der Elektrolyt wird mit weichen Komplexen betrieben und bietet daher eine wesentlich einfachere Art der Abwasserbehandlung, erfordert allerdings eine aufwändigere Betreuung. Erste Einsatzfälle mit auf die Beschichtung optimierten Passivierungen bestätigen der Beschichtung eine gute Korrosionsbeständigkeit von mehr als 600 Stunden im NSS-Test.

Korrosionsschutz ist ein zentraler Bereich der Oberflächen- und ­Beschichtungstechnik. Einen hohen Schutz gegen Korrosion bei ­Eisenwerkstoffen bieten unter anderem galvanisch abgeschiedene Zink- oder Zinklegierungsschichten, mit denen sich Christian Mock befasst. Neben reinen Zinkschichten werden in den letzten Jahren zunehmend auch Zink-Nickel-Schichten eingesetzt. Diese Legierungsschichten mit einem Nickelanteil von 12 Gew.% bis 16 Gew.% besitzen gegenüber reinen Zinkschichten eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit, Härte und Verschleißbeständigkeit.

Mock zeigte am Beispiel von Zink-Nickel-Schichten aus derartigen Untersuchungen gewonnene Erkenntnisse. Dazu wurden unter Variation der Stromdichte mit einem sauren Elektrolytsystem Schichten mit unterschiedlichen Nickelgehalten hergestellt und charakterisiert.

Wie Dr. Peter Hülser einführend betonte, werden galvanische und Zinklamellenprozesse in steigendem Maße je nach Anforderung zur Erzielung eines kathodischen Korrosionsschutzes sowie dekorativer und tribologischer Eigenschaften (Härte, Reibungszahlen, Verschleißbeständigkeit) herangezogen. Der Beschichtungsprozess unterscheidet sich hierbei deutlich. Der galvanische Beschichtungsvorgang mittels Trommeln oder Gestellen beruht auf einer elektrochemischen Reaktion unter Einsatz von wässrigen Elektrolyten und Stromfluss. Die Lamellensysteme werden in Zentrifugen und Spritzanlagen stromlos aufgebracht.

Galvanisch aufgebrachte Metalle, wie beispielsweise Zink-Nickelschichten, sind deutlich härter und abriebbeständiger als die Zinklamellenbasecoats. Dabei erhalten die Metallschichten heute in der Regel zusätzlich Topcoats, die in entsprechenden Zentrifugen appliziert werden und zum Teil hohe Schichtdicken (3 µm bis 4 µm) erreichen.

Neuste Anforderungen aus der Automobilindustrie, beispielsweise das Erzielen von 240 Stunden EN ISO 9227 Salzsprühtest ohne Oberflächenveränderung besonders bei schwarzen Bauteilen oder Schraubverbindungen, die auch nach 20-fachem Anzug Reibungszahlen und optische Aspekte erfüllen, lassen sich nach Aussage von Dr. Hülser mit diesen Kombinationen erreichen. Die Zentrifugentechnologie erlaubt die Herstellung von Deckschichten mit geringer Schichtdickenabweichung und hohem Bedeckungsgrad auch bei komplexen Geometrien. Neue Topcoats lassen sich mit Einrichtungen, die für die Beschichtung mit Zinklamellensystemen konzipiert sind, aufbringen. So wird durch die mögliche Wärmebehandlung bei etwa 200 °C die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtungssysteme erkennbar verbessert. Erste Praxistests bestätigen die in Korrosionsversuchen gefundenen, guten Korrosionseigenschaften der Schichten.

Die Topcoats sind beständig gegenüber sauren und alkalischen Reinigungsmitteln. Ein entsprechendes Schichtsystem besteht zum Beispiel aus 10 µm Zink-Nickel (12 bis15 Prozent Ni), Schwarzpassivierung und schwarzem Topcoat. Im Korrosionstest gemäß DIN EN ISO 9227 zeigen die Oberflächen nach 240 Stunden keine Veränderungen. Bei Verwendung von Dickschichtpassivierungen werden nach Aussage des Vortragenden über 1.000 Stunden ohne Beeinträchtigungen erreicht.

Alkalische Zink-Nickel-Verfahren sind weltweit in großen Mengen im Einsatz, vor allem aufgrund der hohen Produktivität und effizienten Ressourcennutzung. Die Nachteile der Technologie sind nach den Worten von Christian Kaiser die im Verlaufe der Nutzung sinkende Stromausbeute, die aufgrund des steigenden Elektrolytwiderstands auftretende Temperaturerhöhung sowie die stetig steigenden Konzentrationen an den Abbauprodukten Cyanid und Carbonat im Elektrolyten. Letztere führen zu einem relativ hohen Wartungsaufwand und Aufwand für die Abwasserbehandlung.

Um eine hohe Produktivität zu gewährleisten, sind Verfahren üblich, bei denen eine kontinuierliche Ausarbeitung mittels Ionentauscher, eine stetige Entnahme von gebrauchtem Elektrolyt und Ersatz durch neue Elektrolyte (bleed+feed) erfolgen oder Anoden- und Kathodenraum mit Hilfe von Ionenaustauschmembranen getrennt werden.

Eine neue Technologie ist der Einsatz von ummantelten Anoden zur Trennung von Anoden- und Kathodenraum. Hierbei kommt zur Trennung ein spezielles poröses Material zur Anwendung. Durch diese Technik wird die Stromausbeute erhöht, die Erwärmung des Elektrolyten gebremst, der Carbonatgehalt im Elektrolyten konstant gehalten und dadurch bei hoher Konstanz der Abscheidung die Abscheiderate auf 9 µm/h bis 11 µm/h erhöht. Im Gesamtergebnis führt dies zu einer deutlichen Kostenreduzierung des Abscheideprozesses.

Ralph Krauß befasst sich ebenfalls mit der Verbesserung der Ausstattung von alkalischen Zink-Nickel-Systemen, bei der insbesondere der schrittweise Abbau der organischen Additive bis zur Entstehung von Cyaniden nachteilig ist. Dies resultiert in einem kostenintensiven gesteigerten Bedarf an organischen Zusätzen. Das entstandene Cyanid bindet das enthaltene Nickel und reduziert die Wirtschaftlichkeit der Abscheidung; gleichzeitig steigen die Kosten für die Abwasserbehandlung.

Abhilfe kann ein neues Verfahren für alkalische Zink-Nickel-Elektrolyte mit speziellen Anoden und optimiertem organischen Zusatzsystem schaffen. Damit können nachweislich der organische Abbau von einzelnen Additiven und die Cyanidbildung deutlich verringert werden. Das neue System zeichnet sich zudem durch eine gleichbleibend hohe Stromausbeute und Prozessstabilität aus.

Aufgrund der drohenden REACH-Registrierung von Kobalt wird seit einiger Zeit an der Entwicklung von kobaltfreien Alternativsystemen gearbeitet. Seit kurzem kommt nun der extrem gestiegene Preis für verarbeitetes Kobalt als weitere Motivation bei der Suche nach Alternativen hinzu, wie Patrick Rio einleitend betonte. Die Überlegungen hierzu basieren auf dem Ansatz, durch den Einbau von neuen Silikatformen und Reduzierung des Wassergehalts der Passivschicht die Beständigkeit der Passivierung zu verbessern. Dabei wird zugleich auf die Verwendung des bisher gebräuchlichen Kobalts verzichtet. Einer der Kernpunkte der neuartigen Passivierung ist die Bildung eines kettenförmigen, kolloidalen Siliziumoxids mit einer Länge zwischen 60 nm und 80 nm. Darüber hinaus kann durch die angewandte Trocknungstemperatur von bis zu 200 °C ein geringerer Wasseranteil in der Schicht und eine deutlich rissärmere Schicht erzeugt werden.

Neben den guten Korrosionseigenschaften zeichnet sich der Deckfilm durch ein edelstahlähnliches Aussehen aus, während die Schicht ohne Silikat eine leichte Gelbfärbung aufweist. Als einen der besonderen Vorteile des neuen Systems bezeichnete Rio die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit einer reinen Zinkschicht dahingehend, dass sie durchaus konkurrenzfähig zu Zink-Nickel wird.

Dr. Michael Krumm ging in seinen Ausführungen zunächst auf die Unterschiede zwischen Versiegelung und Topcoat ein, die insbesondere bei Zink- und Zinklegierungsschichten als abschließende Schicht zu den guten und vielseitigen Eigenschaften der Oberflächen beitragen. Dabei wies er darauf hin, dass diese letzte Schicht in unmittelbarem Kontakt mit der Umgebung sowohl die mechanischen als auch die chemischen Eigenschaften des gesamten beschichteten Bauteils beeinflusst. Dies tritt ganz besonders bei Schrauben zutage. Nach Ansicht von Dr. Krumm kann sich eine Unterscheidung auf den Schichtaufbau beziehen:

  • Eine Versiegelung (Sealer/Sealant) verschließt die Poren der Oberfläche und bietet einen inerten Schutz.
  • Ein Topcoat (Deckschicht) ist ein organischer oder anorganischer, multifunktionaler Beschichtungsstoff, der mehrere Komponenten enthalten kann, um die Eigenschaften einer Beschichtung einzustellen.

Eine weitere Unterscheidung kann sich auf die Trocknungsart beziehen, die physikalisch trocknend oder chemisch härtend sein kann. Die Multifunktionalität dieser unterschiedlichen Arten der Deckfilme umfasst eine ganze Reihe von Eigenschaften im Hinblick auf den Korrosionsschutz, den Reibwert oder auch das Einsatzgebiet.

Die Eigenschaften von Versiegelungen und Topcoats hängen stark vom eingesetzten Ausgangsmedium Wasser beziehungsweise organischem Lösemittel ab. Diese zeigen je nach Substrat eine unterschiedliche Benetzung und damit Bedeckung, führen aber auch zu verschiedenen Mechanismen der Verfestigung der Inhaltsstoffe und der daraus entstehenden Schicht. Zukünftig werden verstärkt Systeme auf Basis von Wasser zum Einsatz kommen, während organische Lösemittel in den Hintergrund treten.

Im Bereich der Automobilindustrie stehen heute hohe Korrosions- und Temperaturbeständigkeiten der Beschichtungen im Vordergrund. Darüber hinaus sind vor allem schwarze Schichten gefragt, die sich durch eine hohe Farbkonstanz über die Nutzungsdauer auszeichnen sollten.

Versiegelungen/Sealer dienen zur Nachbehandlung chromatierter beziehungsweise passivierter Zink- und Zinklegierungsoberflächen sowie für Zinklammellenbeschichtungen und feuerverzinkte Oberflächen. Die Versiegelungen werden mit verschiedenen Versiegelungsinhaltsstoffen für extreme Funktionsanforderungen betrieben und weisen dadurch bei zahlreichen Beanspruchungen eine sehr hohe Beständigkeit auf.

Allerdings müssen die für die Beschichtung eingesetzten Gestelle und Anlagenteile von diesen Beschichtungen gereinigt werden, um ihre Funktionalität aufrechtzuerhalten. Mit diesem Thema setzt sich Björn Haupt auseinander. Dafür werden in der Regel chemische Stripper eingesetzt. Zum Einsatz kommen unterschiedliche Formulierungen unter anderem auf Basis von Acrylat-, Polymer-, Titan-, Epoxidsystemen, um geringe Einwirkzeiten und rückstandsloses Auflösen zu garantieren. Die chemischen Strippersysteme müssen sich auf die Versiegelungen von verschiedenen Herstellern abstimmen lassen.

Salzsprühtest und Alternativen

Der Salzsprühtest und seine zahlreichen Modifikationen sind in der Galvanotechnik für Korrosionsprüfungen fest etabliert. Obwohl dieser Test seit seinem Ursprung um 1940 kontrovers bewertet wird, hat er sich als Standard-Testmethode bis heute gehalten, und der Vortragende Joachim Ramisch ist einer der Fachleute, der sich seit vielen Jahren kritisch mit der Prüfung auseinandersetzt.

Seit seiner ersten Erwähnung in der Literatur wurde der Test weiterentwickelt und beispielsweise an die Anforderungen der unterschiedlichen Produkte, Klimate oder Trends bei den Herstellern von beschichteten Objekten angepasst. Heute wird zunehmend deutlich, dass der Salzsprühtest an Grenzen stößt, vor allem weil die Ergebnisse des Tests schwierig zu übertragen sind beziehungsweise in vieler Hinsicht falsche Aussagen getroffen werden.

Als Alternative bietet sich nach Ansicht von Ramisch die Beobachtung von Korrosion unter realen Bedingungen an. Nur die wirkliche Beanspruchung eines kompletten Produkts während seines bestimmungsgemäßen Gebrauches kann verlässliche Aussagen zum Korrosionsverhalten machen und hat den zusätzlichen Vorteil, alle Bauteile aus den unterschiedlichen Werkstoffen parallel bewerten zu können. Als ein optimales Testobjekt nutzte der Vortragende ein Fahrzeug von 1984, das seit über 30 Jahren intensiv beobachtet wird und ein überraschendes Korrosionsverhalten zeigt. In diesem Zusammenhang muss natürlich berücksichtigt werden, dass der Realfall Korrosionsverhalten kaum dafür genutzt werden kann, die Qualität einer laufenden Produktion zu bewerten und daraus ein Freigabekriterium zur Auslieferung von beschichteten Teilen zu erhalten.

Prof. Ulf Nürnberger befasste sich mit den Unterschieden im Korrosionsverhalten unterschiedlicher Systeme aus Eisengrundwerkstoff und Überzügen auf Basis von Zink. Einleitend wies er darauf hin, dass die Aussagen zum Verhalten der Schichten in den relevanten Normschriften unterschiedlich und zum Teil widersprüchlich sind. Anhand von Beispielen verglich er das Korrosionsverhalten von Befestigungsmittel im Salzsprühtest und bei mehrjähriger Auslagerung in Stadt und Meeresatmosphäre. Bei den Schichten handelte es sich um im Trommelverfahren aufgebrachtes galvanisches Zink und Zink-Nickel sowie Zink-Lamellen-Überzüge. Die Dicken der untersuchten Schichten lagen im Bereich von etwa 10 µm und wiesen neben den üblichen Passivierungen im Falle der Lamellenbeschichtung teilweise einen zusätzlichen Haftgrund zwischen Substrat und Beschichtung auf. Die Auslagerung der Teile in Meeresatmosphäre erfolgte über einen Zeitraum von zehn Jahren.

Bei Zinklamellenbeschichtungen sollte nach Ansicht des Vortragenden auf das Vorhandensein eines Haftgrunds geachtet werden, durch den die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöht wird. Bei galvanischen Zink-Nickel-Schichten erweisen sich zu geringe lokale Schichtdicken sowie Risse beziehungsweise schlecht haftende Schichten als sehr nachteilig. Prinzipiell muss nach Ansicht von Prof. Dr. Nürnberger die Aussagefähigkeit des gebräuchlichen Salzsprühtests auf das tatsächlich Langzeitverhalten unter maritimen Bedingungen hinterfragt werden.

Die Korrosionsbeständigkeit von beschichteten Bauteilen wird mit verschiedenen Verfahrensvarianten geprüft, die Michael Stähler vorstellte und einer vergleichenden Betrachtung unterzog. Hierbei wies er darauf hin, dass insbesondere im Bereich des Automobilbaus zunehmend komplexere Abläufe aus Temperatur und Befeuchtung zum Einsatz kommen. Darüber hinaus werden die Salzbelastungen neben dem bisher gebräuchlichen Natriumchlorid mit Calciumchlorid erweitert.

Der Vortragende zeigte an zahlreichen Beispielen für die unterschiedlichen Arten der Zinklamellenbeschichtung sowie an galvanischen Zink- und Zink-Nickel-Schichten, dass die Beständigkeiten bei den unterschiedlichen Prüfverfahren erheblich voneinander abweichen können. Dies Abweichungen sind so hoch, dass die Ergebnisse der Versuche eine Vergleichbarkeit der Korrosionsschutzsysteme unmöglich macht. Deutliche Einflüsse sind beispielsweise auf die Temperatur sowie die Temperaturwechsel zurückzuführen, während der Einfluss der Salzkonzentration eher gering ist.

Aus dem Blickwinkel der Automobilindustrie gab Sascha Große von Volkswagen einen Einblick in die Bewertung von Schichtsystemen für Fahrzeuge. Bei VW wurden in den letzten Jahren zahlreiche Untersuchungen zur Optimierung von Korrosionsprüfungen für Zink-Nickel-Beschichtungen durchgeführt. Im letzten Jahr wurden zwei Varianten vorgestellt, die sehr schnell und preiswert die Korrosionsbeständigkeit für Zink-Nickel darstellen.

Für die Untersuchung ist eine Korrosionswechselkammer ausreichend, die den Ansprüchen der üblichen Standardprüfung nach PV 1210 beziehungsweise VDA621-415 genügt, und ein Klimaschrank zur Konstanthaltung des Temperatur- und Feuchtewerts. Auf dieser Basis wurden bei VW und Prüflaboren außerhalb des Konzerns umfangreiche Untersuchungen mit unterschiedlichen Bauteilen durchgeführt.

Einerseits hat sich hierbei gezeigt, dass eine aussagekräftige Beurteilung schneller und mit geringerem Aufwand erfolgen kann. Die Ergebnisse zeigen aber auch, wie Beschädigungen das Resultat beeinflussen und Fehler die Ergebnisse signifikant verändern können. Hauptsächlich werden die Testergebnisse in falsche Richtungen gelenkt, wenn Variationen bei der Besprühung der Teile sowie Temperaturschwankungen auftreten und die Beurteilung der Teile durch unterschiedliche Personen vorgenommen wird. Bei modifizierten Test PV 1210 macht es sich zudem bemerkbar, wenn nach der Salzsprühphase ein Abspülen des Elektrolyten erfolgt. Inzwischen ist die Testentwicklung soweit fortgeschritten, dass die Prüfung in die Anforderungen für Zink-Nickel-Überzüge einfließen und auf teure zusätzliche Prüfungen verzichtet werden kann.

Im letzten Beitrag des Themenblocks zu den Prüfmethoden ging Dr. Birgitt Bendiek auf die Bestimmung der Korrosionsschutzeigenschaften von Zink- und Zink-Aluminium-Schichten ein, die durch Tauchschmelzverfahren aufgebracht werden. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut IPA in Stuttgart. Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es, die Abläufe der Reaktionen und die Reaktionsprodukte unter korrosiven Bedingungen aufzuklären. Bei der klassischen Feuerverzinkung bilden sich Übergangsphasen durch die Reaktion zwischen dem Grundwerkstoff und der Zinkschmelze. Bei diesen nimmt von außen nach innen der Eisenanteil von etwa 6 Prozent auf bis zu etwa 25 Prozent zu. Wird für das Verzinken eine Schmelze mit etwa 5 Prozent Aluminium eingesetzt, entfällt der sonst übliche mehrschichtige Aufbau. Es bilden sich intermetallische, aluminiumreiche Eisen-Aluminium-Phasen und die Schichtdicke ist mit 5 µm bis 15 µm wesentlich dünner als bei der klassischen Feuerverzinkung mit 50 µm bis 150 µm. Auf Zink-Aluminium-Überzügen bilden sich chemisch und mechanisch sehr beständige Verbindungen, die eine deutlich bessere Schutzwirkung ausüben als die Deckschichten von Zink ohne Aluminium.

An den unterschiedlichen Arten von Beschichtungen wurde elektrochemische Messungen zur Bestimmung von Korrosionsspannungen und Korrosionsströmen durchgeführt. Diese Messtechnologien erlauben eine schnelle Einordnung der Beständigkeiten von Oberflächen. Die Polarisationskurven des Zink-Aluminium-Schichten lassen stets einen deutlichen Passivbereich erkennen, während dies bei Zink-Eisen nicht der Fall ist. Die Korrosionsgeschwindigkeit auf Zink-Aluminium-Oberflächen verlangsamt sich bei höheren Potenzialen (ab -0,85 V) aufgrund der gebildeten Korrosionsprodukte (Passivbereich). Da der Korrosionsprozess bei Zink-Aluminium-Schichten schneller als bei Zink-Eisen einsetzt, wird die Bildung von sehr stabilen Deckschichten ermöglicht, so dass sich die Korrosionsgeschwindigkeit mit zunehmender Auslagerungszeit verlangsamt. Die daraus resultierenden Mechanismen konnten in Abhängigkeit der atmosphärischen Bedingungen und der unterschiedlichen Überzugssysteme nachvollzogen werden. 

Prozessüberwachung und Produktqualität

Die mechanischen Eigenschaften von hochfesten Bauteilen werden unter anderem über eine Wärmebehandlung wie Vergüten oder Einsatzhärten eingestellt. Der sich anschließende Beschichtungsprozess (zum Beispiel galvanisches Verzinken) verleiht den Bauteilen ihren Korrosionsschutz, tribologische und optische Eigenschaften. In den genannten Prozessschritten wird nach Kenntnis einer Fachgruppe, vorgetragen von Vera Lipp und Dr. Jens Riedel, in der Fachliteratur die Möglichkeit einer fertigungsbedingten Bauteilversprödung durch Wasserstoff beschrieben. Dabei bestehen allerdings noch deutliche Lücken im detaillierten Verständnis der ablaufenden Prozesse und infolgedessen auch Unsicherheiten bei der Optimierung der Bearbeitungsverfahren, insbesondere zur Vermeidung von Werkstoffschädigungen.

Mit Hilfe von neuen Untersuchungsmöglichkeiten soll der Frage nachgegangen werden, wann sich in dem System Werkstoff, mechanisches Belastungskollektiv und Wasserstoffangebot ein kritischer Bauteilzustand einstellt. Der Vortrag beschäftigte sich sowohl mit modifizierten Prüfverfahren in der Bauteilverspannung als auch mit elektrochemischen Prüfverfahren und diskutierte die Bedeutung der heute verwendeten Modellprüfkörper und deren Prüfkörpereigenschaften am Beispiel von Wellensicherungsringen.

Angewendet wurden die Untersuchungsmethoden auf einen Beizprozess. Beizprozesse sind elementarer Bestandteil in der Vorbehandlung von Beschichtungsprozessen. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Vorbehandlung von höherfesten Stahlteilen ab einer Zugfestigkeit von 800 MPa zum Beispiel in Verzinkungsprozessen. Hier stellt häufig der beim Beizen entstehende Wasserstoff eine vergleichbare Gefahr dar wie der bei der Metallabscheidung entstehende Wasserstoff. In der Vergangenheit waren Anwender und Entwickler in der Bewertung der Wirkung von Beizprozessen auf ihre hausinternen Prüfvorschriften angewiesen. Dies stellte sowohl die Chemiefachfirmen als auch die Anwender vor die Herausforderung, eine gemeinsame Bewertungsbasis ihrer Produkte beziehungsweise ihrer Prozesse zu finden.

Aus den durchgeführten Untersuchungen konnten Ergebnisse gewonnen werden, mit deren Hilfe Anwender und Entwickler Prozessparameter definieren und damit die Hemmwirkung der Beize (Metallauflösung) sowie die Wasserstoffbeladung der Bauteile im hochdynamischen Beizprozess prüfen können. Vorliegende neue Messergebnisse lassen einen veränderten Blickwinkel auf die Wirkung von Beizen und der in ihnen eingesetzten Beizinhibitoren erkennen. Abgeleitet aus diesen Ergebnissen wurde eine neue Arbeitshypothese zur Wasserstoffbeladung in Beizbädern erarbeitet. Zugleich tragen die Ergebnisse aber auch zu einem erweiterten Verständnis des Gesamtprozesses aus Beizen und galvanischer Verzinkung bei. Diese verbessern die Sicherheit des Gesamtprozesses zum Einsatz von hochfesten Stählen. In naher Zukunft werden die Ergebnisse in umfassenden Veröffentlichungen im Detail dargestellt.

Die Prüfung von komplex geformten Teilen mit hochglänzender Oberfläche, wie sie beispielsweise im Automobil- oder Sanitärbereich in hohen Stückzahlen hergestellt werden, kann bisher nahezu ausschließlich durch das menschliche Auge erfolgen. Dr. Matti Saarinen befasste sich mit der Möglichkeit zur automatisierten Prüfung unter Einsatz der Deflektometrie bei verschiedenen Betrachtungswinkeln. Ein entsprechendes Verfahren sollte in der Lage sein, sowohl geometrische Unebenheiten als auch farbliche Abweichungen von einem Sollstandard zu erfassen, wie dies vom menschlichen Prüfer in hoher Geschwindigkeit und Präzision möglich ist.

Mit der neuen Technologie CSD kann eine 3D-Prüfung von hochglänzenden Oberflächen durchgeführt werden. Das Verfahren basiert auf der Phasenverschiebung optischer Signale und ermöglicht drei unterschiedliche Arten der Messung:

  • Graustufenbilder zur Erfassung von Kontraständerungen bei Oberflächen
  • qualitative Unterschiede in der Reflexion der Oberfläche
  • Bestimmung der Oberflächentopografie zur Erfassung von geometrischen Defekten

Erste Einsätze des Systems zeigen die hohe Zuverlässigkeit der Messmethode bei hochglänzenden Chromoberflächen. Saarinen zufolge werden mit einer Präzision von 300 ppm Teile korrekt bewertet. Da das System mit Roboterunterstützung vollautomatisch arbeitet, wird eine Einführung in die Massenproduktion deutlich gefördert.

Dr. Elke Spahn befasst sich mit der Analyse von chemisch abscheidenden Nickelelektrolyten. Diese erfordern eine regelmäßige, engmaschige analytische Kontrolle der Parameter Nickel- und Hypophosphitgehalt. Je nach Werkstück-Durchsatz ist die Nickelbestimmung mehrmals täglich durchzuführen, wobei bei der Nickelanalyse eine Genauigkeit von mindestens +/-0,1 g erreicht werden sollte. Die Hypophosphitanalyse wird in größeren Zeitabständen durchgeführt.

Zur Analyse des Nickel- und Hypophosphitgehalts empfiehlt sich die gravimetrische Titration. Diese eignet sich für beide Bestimmungen als einfaches, temperaturunabhängiges und mit geringem Zeitaufwand durchführbares Analyseverfahren. Für die Analyse sind der Vortragenden zufolge einfache Gerätschaften wie Pipette, Bürette, standardmäßige Laborgeräte oder Indikatoren ausreichend. Mit Hilfe einer neuen Analysenmethode zur temperaturunabhängigen Hypophosphitbestimmung ist es möglich, mit einer Reaktionszeit von nur zehn Minuten gegenüber bisher üblichen 30 Minuten deutlich kürzere Analysenzeiten zu erzielen.

 


Ein Baustein der Qualitätssicherung ist nach Aussage von Dr. Elke Moosbach die Analytik der Elektrolyte. Ihrer Erfahrung nach ist das Warten auf die Ergebnisse beispielsweise der Zulieferer kaum mehr akzeptabel, wenn die erforderliche Qualität der Produktion gewährleistet werden soll. Dafür muss allerdings für ein Unternehmen sorgfältig entschieden werden, welche Analysenverfahren zur Erzielung der notwendigen Sicherheit in der Prozessführung erforderlich sind.

Der Begriff der einfachen Analysenverfahren definiert eine Analytik, die ohne großen instrumentellen Aufwand auskommt, den direkten Umgang mit Chemikalien möglichst vermeidet, einfach in der Handhabung ist und so auch von angelerntem Personal durchgeführt werden kann. Zu diesen Verfahren zählen laut Dr. Moosbach die Titration (volumetrisch und gravimetrisch), Küvettentest, Röntgenfluoreszenz, Wirbelstrommessverfahren sowie die Farbmessung. Im Unternehmen der Vortragenden wurden diese Verfahren nach unterschiedlichen Kriterien bewertet.

Junge Kollegen

Die Legierungsschichten auf Basis von Zink mit Nickel als Begleitelement haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer guten chemischen und mechanischen Eigenschaften stark an Interesse gewonnen. Ein weiteres mögliches Legierungssystem enthält neben den beiden genannten Metallen zusätzlich Eisen. Im Rahmen seiner Masterarbeit an der TU Ilmenau befasste sich Kevin Krautscheid mit den Eigenschaften der Legierung. Untersuchungen zeigen, dass die Zink-Nickel-Eisen-Legierung einen verbesserten Korrosionsschutz besitzt und die Herstellung von schwarzen Oberflächen erlaubt. Der gute Korrosionsschutz von Zink-Nickel wird auf die gebildete γ-Phase zurückgeführt, weshalb diese auch beim zusätzlichen Einbau von Eisen ein Hauptbestandteil der Legierungsschicht sein sollte.

Durch den Einbau von Eisen finden eine Phasenumwandlung und eine Verschiebung der Kristallorientierungen statt. Der maximale Anteil an γ-Phase ist eine Funktion des Nickel- und Eisengehalts. Dabei stimmen die Analysen mittels Röntgendiffraktometrie und Cyclovoltametrie überein. Die Einbauraten für Nickel und Eisen in Zink hängen von der Stromdichte ab und nehmen mit steigender Stromdichte ab. In geringem Umfang sinkt auch die Stromausbeute mit steigendem Eisenanteil der Schicht.

Die durchgeführten Versuche an Zink-Nickel-Eisen-Schichten mit Passivierung zeigen hervorragende Ergebnisse im Salzsprühtest nach DIN ISO 9227. Dabei findet keine Grauschleierbildung auf schwarzpassivierten Oberflächen statt. Als optimale Zusammensetzung der Legierung erweist sich ein Gehalt von 15 Prozent Nickel und 4 Prozent Eisen. Der Einfluss der Legierungselemente auf das Korrosionsverhalten wird auch durch potentiodynamische Messungen bestätigt. Die Untersuchungen lassen erkennen, dass ein hohes Potenzial für industrielle Anwendungsmöglichkeiten besteht.

Simona Zajkoska befasste sich mit der Optimierung von Elektrolyten zur Abscheidung von Zinn-Eisen. Die Schichten sollten nach theoretischen Überlegungen (Phasendiagramme) einige intermetallische Phasen bilden, wobei die eisenreichen Phasen ferromagnetisch sind. Die Legierungen aus Zinn und Eisen sind aufgrund der geringen Kosten wirtschaftlich interessant und ebenso aus Umweltgesichtspunkten, da Zinn und Eisen unkritische Metalle sind.

Herausforderungen für die Abscheidung einer Legierung ergeben sich aus den deutlich unterschiedlichen Standardpotenzialen mit einer Differenz von etwa 0,3 V. Dadurch sind geeigneten Komplexbilder für die Herstellung eines Elektrolyten erforderlich. 

Eine weitere interessante Legierung stellte Natalia Kovalska mit Eisen-Wolfram-Phosphor vor. Durch den Einbau von Wolfram in Eisen ergibt sich eine deutliche Steigerung der Härte und Korrosionsbeständigkeit sowie der Temperaturbeständigkeit. Zugleich ergeben sich Kosteneinsparungen im Vergleich zu Eisen-Nickel oder Eisen-Kobalt. Die Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der ternären Legierung wird auf den eingebauten Phosphor zurückgeführt.

Die Aufgabenstellung bei der Herstellung der Legierung richten sich auf die Entwicklung eines umweltfreundlichen Elektrolytsystems. Die Untersuchungen dazu zeigen beispielsweise eine starke Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung vom pH-Wert des Elektrolyten. So verringert sich mit steigendem pH-Wert des Elektrolyten (höher als etwa pH 3) der Gehalt an Phosphor in der Schicht. Bei Werten unter pH 3 sinkt die Neigung zur Rissbildung der Schicht. Des Weiteren zeichnen sich die Schichten aus Elektrolyten unter pH 3 durch einen höheren Phosphorgehalt von bis zu 13 Prozent aus, bei geringem Anteil an Wolfram von 5 Prozent bis 7 Prozent.

Die Entwicklungen der europäischen Umweltgesetzgebung mit REACH haben dazu geführt, dass die Abscheidung von Chrom aus Chrom(VI)-Verbindungen erschwert und die aus Chrom(III)-Verbindungen angestrebt werden sollte. Dabei werden an die Chromschichten hohe Ansprüche im Hinblick auf Korrosions- und Verschleißschutz gestellt. Lisa Büker befasst sich mit der Entwicklung von chrom(III)-basierten Elektrolyten.

Aufgrund der komplizierten Chemie des dreiwertigen Chroms ist die Entwicklung eines chrom(III)-basierten Abscheideverfahrens aufwendig. Viele Chrom(III)-Verbindungen sind in wässrigen Medien kinetisch sehr inert, was zu langsamen Reaktionen mit Komplexbildnern (zum Beispiel Carbonsäuren) führt. In der Summe ergibt sich daraus ein komplexes zeitliches Verhalten von Elektrolyten. Badbestandteile, die die Abscheidung zunächst begünstigen, können im späteren Verlauf einen negativen Einfluss ausüben.

Zur Aufklärung der Prozesse befasste sich die Vortragende intensiv mit der Thermodynamik und Kinetik der Chrom(III)-Komplexierung durch Carbonsäuren. Dazu wurde das Komplexierungsverhalten verschiedener Carbonsäuren mit spektrometrischen, chromatographischen und polarographischen Messungen untersucht. Konzentrationen und pH-Werte können einen starken Einfluss auf die Komplexierung nehmen. Daraus lassen sich Schlüsse darüber ziehen, welche Konzentrationen und pH-Werte zu positiven Ergebnissen führen und ab wann mit negativen Einflüssen zu rechnen ist.

Das Forschungsthema von Frank Simchen ist die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) als eine innovative und umweltschonende Methode zur Oberflächenveredelung von Leichtmetallen. Hierbei erfährt das zu behandelnde Bauteil innerhalb eines geeigneten Elektrolyten eine starke anodische Polarisation. Diese führt zur Initiierung von Funkenentladungen, die ausgehend vom Elektrolyt in das Substrat schlagen und zur Ausbildung einer oxidkeramischen Schutzschicht führen.

Die im Prozess auftretenden komplexen Wechselwirkungen (Elektrolytzusammensetzung, Substrat, Stromführung) erschweren neben der Elektrolytentwicklung für dieses Verfahren auch ein prozesssichereres Beschichten. Der Vortragende erarbeitete sich ein grundlegenderes Verständnis dieser Vorgänge und ist dadurch in der Lage, Möglichkeiten für eine Prozessdiagnostik zu schaffen. Mit Hilfe der ermittelten Verfahren kann die Korrosionsbeständigkeit der generierten Schichten zerstörungsfrei bereits anhand der aufgezeichneten Prozessdaten bestimmt werden.

Neue Anforderungen an die Galvanotechnik

Die Lieferkette ist nach den Erfahrungen von Michael Hellmuth noch weit davon entfernt, zu einem digitalen Netzwerk zusammengewachsen zu sein. Auch der Auftragsdurchlauf im oberflächenveredelnden Unternehmen gestaltet sich oft noch traditionell, meist durch Papierdokumente und einiges noch per gesprochener Anweisung. Die Nutzung von elektronischen Geräten und elektronisch verfügbaren Informationen im gewerblichen Alltag steht im deutlichen Gegensatz zur Nutzung im privaten Bereich. Geräte zur Nutzung von elektronischen Informationen sind weit verbreitet. Die Herausforderung für die Betriebe liegt jetzt darin, diese im Betriebsablauf zu nutzen. Insbesondere müssen nach Ansicht von Michael Hellmuth für die Nutzung visionäre Konzepte entwickelt werden.

Für einen durchgängig digitalisierten Auftragsdurchlauf in der Oberflächentechnik stehen vor allem durch die heute standardmäßig eingesetzten elektronischen Anlagensteuerungen bereits ausreichend Daten und Anwendungserfahrungen zur Verfügung. Zur Erweiterung der Nutzungen werden einzelne Prozessschritte von der Warenanlieferung auf dem Hof über Warenbewegungen im Lager bis zu Fertigung, Qualitätskontrolle und Versand detailliert beleuchtet und IT-Lösungen eingebunden. 

Alternativen zu Nickel in der Galvanotechnik stellte Benjamin Wieser in seinem Vortrag vor. Verschiedenste Anwendungsbereiche wurden ihm zufolge bereits in den 1990er Jahren auf nickelfreie Schichtsysteme umgestellt, beispielsweise im Bereich Schmuck, Brillen oder Modeaccessoires durch den Einsatz von dekorativen Beschichtungen. Heute erhöhen nach Aussage von Wieser neue gesetzliche Rahmenbedingungen den Druck auf Branchen, die seither problemlos Nickel einsetzen konnten.

Ein Vergleich der verfügbaren Metallbeschichtungen zeigt, dass besonders Bronzen sowie Palladium akzeptable Eigenschaften bieten, um als Alternative zu galvanisch abgeschiedenen Nickelschichten eingesetzt zu werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die daraus resultierenden Schichtsysteme in der Regel eine höhere Anzahl an Einzelschichten aufweisen.

Additiv gefertigte Bauteile zeichnen sich durch geringeren Materialeinsatz bei gleichen mechanischen Eigenschaften aus. Allerdings ist in aller Regel die Qualität der Oberfläche gering und nicht verwendbar, wie Dr. Andreas Dietz einleitend betonte. Zur Beschichtung oder dem Oberflächenbearbeiten lassen sich die bestehenden Verfahren einsetzen, wobei das gesamte Spektrum, vom elektrochemischen Polieren über die galvanische Beschichtung bis hin zu PVD oder Lackieren, zu betrachten ist.

Herausforderungen ergeben sich allerdings durch die erforderlichen Haftfestigkeiten, beispielsweise bei PVD-Schichten, oder die komplexe Geometrie bei thermisch gespritzten Schichten. Bei den galvanischen Verfahren ist die eingeschränkte Zahl der abscheidbaren Metalle oder Legierungen nachteilig. Bei der Beschichtung von additiv hergestellten Kunststoffteilen haben galvanische Verfahren den Nachteil, dass nur relativ wenige Kunststoffe aktivierbar sind, aber auch die thermische Ausdehnung kann zu Fehlern durch Abreißen führen. Aufwendig ist meist die Herstellung von glatteren Oberflächen mittels galvanischer Beschichtung oder PVD-Beschichtung. Bei Kunststoffen kann durch die Herstellung von sehr dicken Schichten allerdings die mechanische Festigkeit eines Teils deutlich gesteigert werden. Dadurch lassen sich bisher aus Metall hergestellte Bauelemente durch Kunststoffteile mit galvanisch aufgebrachter dicker Metallschicht ersetzen.

Unter den Kunststoffen für AM-Teile spielt vor allem der Kunststoff PEEK eine große Rolle. Daraus hergestellte Teile bestanden beispielsweise die Eignung für Satellitenteile, bei denen vor allem die Haftung der Schichten auf dem Grundwerkstoff maßgeblich ist.

Chrom(VI) und Chrom(VI)-Ersatz

Dr. Torsten Voß betonte in seinem Vortrag, dass anstelle einer klaren Entscheidung zum Sunset Date am 21. September 2017 bezüglich des Verbots der Nutzung von Chrom(VI) bisher (Stand September 2018) nur Autorisierungen mit verschiedener Dauer durch die Europäische Union bekannt gegeben wurden. Neben längerfristigen Autorisierungen von bis zu zwölf Jahren wurden in Einzelfällen auch kürzere Fristen von bis zu vier Jahren eingeräumt. Insgesamt ergibt sich daraus, dass für viele Betriebe innerhalb der Europäischen Union und damit auch in Deutschland vier Jahre bis zum Nutzungsstopp von Chrom(VI) zu erwarten sind. Zusätzlich zu den bereits erwähnten kürzeren Fristen sollen immer mehr Beschichter dem Wunsch ihrer Kunden nachkommen, produzierte Waren ohne den Einsatz von sechswertigem Chrom innerhalb der Prozesskette zu vermarkten.

Im Bereich der Vorbehandlung von Kunststoffen zwecks Metallisierung scheint vor allem die Verwendung von Mangan in verschiedenen Oxidationsstufen interessante Alternativen zu Chrom(VI) zu bieten. Das mit den verfügbaren Verfahren erzielbare Beizbild variiert je nach Einwirkdauer und Temperatur der Beizlösung. Damit bietet sich zugleich die Möglichkeit, die zu erzeugende Oberflächenrauheit den Anforderungen der Haftung anzupassen. Inzwischen sind die Verfahren an Musterteilen im Praxistest im Einsatz.

Die Motivation zur Entwicklung neuer Verfahren beruht derzeit fast ausschließlich auf den Anforderungen aus der REACH-Verordnung, wie David Zapf einleitend bemerkte. Um Alternativen zu Chromtrioxid zu suchen, müssen die Wirkungsmechanismen für die Haftung aufgeklärt werden. Im ersten Schritt wurde im Rahmen von Untersuchungen beim Vortragenden die Oberflächenvergrößerung durch das Herausbeizen der Butadienphasen abgeschätzt, die bei etwa 40 Prozent liegt. Im Vergleich dazu beträgt die Erhöhung der Oberflächenenergie, bestimmt durch Benetzungsmessungen, aber etwa 125 Prozent. Durch den Einsatz von acrylnitrilfreiem Kunststoff mit Butadien zeigt sich, dass trotz gleicher Beizstruktur keine Haftung zu galvanisch abgeschiedenem Metall entsteht.

Alternativ zur chemischen Beizung wurde die Wirkung von Sauerstoffplasma geprüft. Das Sauerstoffplasma zerstört die Butadienphasen, die mit Natronlauge ausgewaschen werden. In einem weiteren Schritt wird die Oberfläche des Kunststoffs chemisch aktiviert. Derzeit ist die erzielbare Aktivierung noch relativ gering, wird aber mit neuen verbesserten Verfahren erhöht werden können.

Die von Rolf Pofalla vorgestellte chrom(VI)freie Verfahrenstechnik wird für ABS und ABS-PC eingesetzt, bei denen die Haftung nach bisherigem Kenntnisstand über das Oxidieren von Butadien zustande kommt. Die verfügbare Beize ohne Chrom(VI) führt zu einem sehr ähnlichen Bild wie die bisher üblichen Verfahren. Um in der Praxis Einsatz zu finden, müssen neue Verfahren in der Regel ohne wesentliche Änderungen der bestehenden Verfahrensabläufe und ohne Änderung bei den begleitenden Technologien wie Reinigen oder Beschichten auskommen. Bei dem neuen Verfahren des Vortragenden sind beispielsweise zusätzliche Spülstufen sowie andere Quellverfahren erforderlich. Bei den neuen Verfahren ohne Chrom(VI) ist der erzielbare Schälwiderstand geringer als bei den klassischen Technologien, aber hoch genug, um die Anforderungen der Kunden zu erfüllen.

Chrom(VI) ist aufgrund von REACH nicht nur in der galvanischen Beschichtung ein kritischer Stoff in Bezug auf die weitere Verwendung der Grundtechnologie. Auch das Einfärben von Edelstahl (Inco-Verfahren) wird in Zukunft nicht mehr ohne regulatorische Aufwendungen erfolgen können. Aus diesem Grund hat sich Dr. Reinhard Böck im Rahmen eines Industrieprozesses mit der Entwicklung eines neuen Verfahrens befasst. Eingefärbter Edelstahl kommt vor allem im Architekturbereich sowie bei medizintechnischen Gerätschaften zum Einsatz. Diese Färbungen basieren auf transparenten Oxidschichten, die sehr beständig sind. Bei Oxidschichten wird die Färbung durch Interferenz erzeugt, ist also von der Dicke abhängig.

Passivschichtbildung entsteht auf Edelstahl in einem bestimmten Stromdichtebereich, für den vor allem die Chromsäure im bisherigen Verfahren zuständig ist. Als Ersatz bietet sich ein Verfahren unter Einsatz von Pulsstrom in einem Schwefelsäureelektrolyten an. Neben den einfacheren Elektrolyten liegt die Arbeitstemperatur mit etwa 25 °C wesentlich niedriger, als die bisherige mit etwa 70 °C. Bei Pulsdauern im Bereich von mehreren Sekunden und Gesamtbearbeitungsdauern von 20  bis 100 Minuten können gut unterscheidbare und gut erkennbare Farben erzeugt werden. Zu beachten ist bei der praktischen Ausführung, dass sich der Elektrolyt mit den Bestandteilen der bearbeiteten Legierung anreichert.

Die Ambition des Vortragenden Dr. Jürgen Hofinger zur Weiterentwicklung der Vorbehandlung richtet sich verstärkt auf Sonderkunststoff. Nach seiner Erfahrung sind die Arbeiten bei den Alternativen ohne Chrom zur Aktivierung von ABS nur bedingt erfolgreich und erfordern weitere Entwicklungen. Deutlich interessanter ist die Metallisierung von Sonderkunststoffen, die als Ersatz für Metalle in Betracht kommen. Typische Produktbereiche für den Einsatz von Sonderkunststoffen sind der EMV-Schutz, Antennen, Filter, Teile mit besserer Wärmeleitfähigkeit oder besserer Abriebfestigkeit. Dabei zeigt sich, dass auch bei vordergründig funktionellen Anwendungen oftmals die Optik und Haptik wichtige Größen sind.

Bisher umgesetzt wurden Beschichtungen auf Polyetherimid (PEI) oder Polyphenylensulfid (PPS). Bei PPS kommt als Besonderheit hinzu, dass der beschichtete Kunststoff bei Anschlagen wie Metall klingt. Erster Schritt bei der Beschichtung ist, die Oberfläche hydrophil zu machen, damit chemische Stoffe auf Wasserbasis benetzen können. Da Sonderkunststoffe einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben als die bisher umfangreich metallisierten ABS-Typen, braucht die Haftfestigkeit nicht so hoch zu sein wie bei ABS. Ein weiteres Kriterium für die qualitative Beurteilung der Haftung von Metall auf Kunststoff ist die Dicke der aufgebrachten Schicht. Ab etwa 1 µm machen sich schlechte Haftfestigkeiten durch Abblättern der Schicht bemerkbar.

Die vom Vortragenden durchgeführten Untersuchungen erlauben die Aufrauhung von Sonderkunststoffen soweit, dass eine gute mechanische Verzahnung der Metallschicht im Kunststoff möglich ist. Mit Aufwand in unterschiedlichem Maße lassen sich auch partielle Aktivierungen herstellen.

Wie Christian Röhrig eingangs betonte, hat sich die früher übliche Bezeichnung der dekorativen Oberflächen hin zu funktionellen Beschichtungen mit dekorativem Erscheinungsbild verändert. Nach Ansicht des Vortragenden ist die Ursache für die Änderung der Definition in der Folge der REACH-Verordnung auch dafür verantwortlich, dass die Existenz der Lohnbeschichter gefährdet ist. Inzwischen zeigte sich, dass die Beschichtungsunternehmen mit zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen deutlich schlechter gestellt sind, als diejenigen mit nur einer Anwendung. Dies zeigte er am Vergleich eines Lohnbeschichters mit einem Hersteller von Sanitärarmaturen auf. In beiden Fällen werden gleichartige Teile beschichtet. Der Zeitraum für die Autorisierung liegt beim Sanitärhersteller jedoch bei zwölf Jahren, beim Lohnbeschichter bei lediglich vier Jahren.

Die Alternative für den eigentlich zu kurzen Autorisierungszeitraum ist seiner Meinung nach die Schließung des Betriebs oder aber auch die Umstellung auf Chrom(III)-Verfahren, die allerdings bisher von den Kunden nicht wirklich akzeptiert werden. Zudem ist die Umstellung mit einem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden. Schließlich vermisst der Vortragende eine verlässliche Regelung für den zukünftigen Umgang mit Chrombeschichtungen sowie eine eindeutige Unterstützung durch Behörden oder Verbände.

Forum Bauteilreinigung

Den Auftakt zu der Vortragsreihe mit insgesamt neun Beiträgen machte Prof. Dr. Peter M. Kunz zu biologischen Verfahren für die nachhaltige Oberflächenreinigung. Er informierte über die wesentlichen Unterschiede zwischen biologischer und konventioneller Teilereinigung sowie über realisierte Anwendungen.

Es folgte ein Vortrag zur Entfettung von Andreas Pradel, der die wesentlichen physikalischen Grundlagen, Anforderungen und Vor- und Nachteile der elektrolytischen Entfettung, dem in der Regel letzten Verfahrensschritts der Vorbehandlung, darstellte.

Galvanisch beschichtete Schrauben, bei denen Anforderungen an die technische Sauberkeit zu gewährleisten sind, stellen besondere Anforderungen an die Reinigung. Einerseits gilt es, kleinste Partikel von der Oberfläche zu entfernen, andererseits darf der durch die Beschichtung aufgebrachte Korrosionsschutz nicht beeinträchtigt werden. Lösungen, die dies ermöglichen und in nachfolgenden Prozessen (Verpackung/Transport) eine Partikelbildung verhindern, stellte Dr. Nicole Hain vor.

Die Überwachung qualitätsbestimmender Parameter in Reinigungsmedien und der filmischen Bauteilsauberkeit sind wesentliche Faktoren für stabile und wirtschaftliche Reinigungsprozesse. Einen Überblick über geeignete Mess- und Analyseverfahren sowohl für die Kontrolle der Bäder als auch der filmischen Sauberkeit gab André Lohse.

Markus Windisch präsentierte ein technisch und wirtschaftlich konsequent praxisorientiertes Konzept eines digitalen Qualitätsprotokolls für die Teilereinigung, das als Demonstrator umgesetzt ist. Es zeichnet sich durch eine ganzheitliche Erfassung und Industrie 4.0 kompatible Speicherung der Daten, einen modularen Aufbau sowie die gezielte Einbeziehung des Anlagenbedieners aus.

Die Kontaktwinkelmessung ist eine bewährte Methode zur Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften wie der Benetzbarkeit. Um das Verfahren auch auf sehr kleinen Bauteilen, beispielsweise lithografischen Strukturen und elektronischen Leiterplatinen, anwenden zu können, stellte Dr. Martin Grüßer neue Dosiermodule vor. Sie ermöglichen eine Tropfengröße von nur 100 µm.

Prof. Tobias Kimmel präsentierte außerdem ein Verfahren zum Nachweis von organischem Kohlenstoff (zum Beispiel Restschmierstoff) auf kleinen Metallproben ohne aufwendige Probenvorbereitung. Damit lässt sich beispielsweise die Reinigungsleistung von Entfettungsbädern schnell und effektiv kontrollieren.

Tobias Distler stellte ein neues mobiles Messsystem vor, das elektronische Fehleranalysen, Badüberwachung sowie Qualitätskontrollen von wässrigen Reinigungs- und Vorbehandlungssystemen ermöglicht.

Die heutigen Sauberkeitsanforderungen für eine Beschichtung stellen auch hohe Anforderungen an die Qualität der Spülbäder bei gleichzeitig hoher Wirtschaftlichkeit. Wie sich diese Ansprüche bei verbrauchten Spülwässern mit modernen Vakuumdestillationssystemen erfüllen lassen, zeigte Marius Straub in seinem abschließenden Vortrag.

Nachwuchsprogramm

Unter dem Titel „Verbände: Wer? Wie? Was? Wieso? Weshalb? Warum?“ ging der ZVO bei seinem Nachwuchsprogramm 2018 erstmals neue Wege: Statt einer Firmenbesichtigung wie bisher fand eine in das Vortragsprogramm eingebettete Veranstaltung statt. Im Mittelpunkt stand die Information, aber vor allem auch der Dialog mit den jungen Teilnehmern, vornehmlich Studenten und Fachschüler aus den galvanotechnischen Technikerklassen.

Christoph Matheis stellte die Grundzüge der Interessenvertretung, Zahlen und Fakten zu Verbänden, den ZVO und seine Mitgliedsverbände sowie deren Ziele und Aufgaben vor. Das Argument „Es geht auch ohne! Da passiert ja doch nichts!“ konnte er anschaulich entkräften: Ohne Interessenvertretung fehlten zum Beispiel Politikern und Verwaltung Fachinformationen, erhielte die Öffentlichkeit keine Bewertung von Regierungsentscheidungen, müssten Mitglieder auf fachlichen Rat und Erfahrungen anderer Verbandsmitglieder verzichten, es gäbe keine vernünftigen Normungen, keine Sozialdienste …

Außerdem verwies er auf Möglichkeiten, sich persönlich zu engagieren und das Verbandsnetzwerk zum Beispiel für Fragen zu nutzen, sowie auf die Vorteile, die eine Verbandmitgliedschaft mit sich bringt, wie Zugang zu Tagungen, Seminaren und Weiterbildungsmaßnahmen, Vergünstigungen bei Veranstaltungen, Informationsvorsprung, Kontaktvermittlung und Networking sowie Wissenserweiterung.

Umgekehrt nutzten die Teilnehmer die gebotene Plattform, um ihre Erwartungen und Einschätzungen zu formulieren, Alltagsprobleme zu schildern und etwaige Fragen zu adressieren – wichtige Hinweis im Hinblick auf eine erfolgreiche Integration des Nachwuchses.

Matheis stellte heraus, dass der Branchennachwuchs in die Verbändeorganisation eingebunden werden soll und muss, um als Organisation jünger zu werden und die Bedürfnisse und Erwartungen der Nachwuchskräfte zu erkennen und zu verstehen. Aus seiner Sicht bedarf es dazu einer internationalisierten, kontinuierlichen Plattform, getragen und organisiert vom Branchennachwuchs selbst. Dieser Idee standen die Zuhörer interessiert gegenüber. Der Dialog wird fortgesetzt.

Funktionsschichten

In der konventionellen Kunststoffbeschichtung wird außenstromlos abgeschiedenes Nickel seit vielen Jahren als erste des mehrlagigen Aufbaus der metallischen Schicht eingesetzt. Aktuell kommen dafür nach Aussage von Cornelia Werner Verfahren zum Einsatz, die auf Ammonium basieren, da diese Prozesse sich zum einen als sehr stabil und mit hoher Standzeit beziehungsweise Lebensdauer erwiesen haben und zum anderen homogene gleichmäßig ausgebildete Schichten abscheiden, die die weiteren Prozessschritte in positiver Weise beeinflussen. Allerdings gilt vor allem die Abwasserbehandlung im Hinblick auf die bestehenden Grenzwerte als nicht mehr zeitgemäß.

Relevante Kenngrößen eines entsprechenden Elektrolytsystems sind insbesondere die Abscheiderate (mit den Parametern Zeit, pH-Wert und Temperatur), Schichtwiderstand, Phosphoranteil der Schicht, Haftfestigkeit auf dem Kunststoff, innere Spannungen der Schicht sowie die Stabilität des Elektrolyten. Ergänzend kommt die Einsparung durch eine vereinfachte Abwasserbehandlung der Spülwässer zum Tragen. Bei den verglichenen Systemen waren kaum Unterschiede zwischen den ammoniumhaltigen und den ammoniumfreien Verfahren festzustellen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass bei einem Wechsel auf das ammoniumfreie Verfahren Anpassungen der Arbeitsweise möglich werden können.

Iulia Bejan befasst sich mit der Weiterentwicklung von Stabilisatoren in chemisch abscheidenden Nickelelektrolyten mit mittlerem Phosphorgehalt. Hintergrund ist insbesondere der geforderte Ersatz der toxischen Stabilisatoren auf Basis von Blei und Kadmium. Zu den neueren Varianten zählen nichtmetallische Stabilisatoren, die in deutlich höheren Konzentrationen im Elektrolyten vorliegen.

Die sauren Verfahren mit den neuen Stabilisatoren unterscheiden sich kaum von den der bisherigen Zusammensetzung und den erzielbaren Ergebnissen. Die Ortophosphitkonzentration als unerwünschtes Abbauprodukt kann über die gesamte Lebensdauer in etwa konstant bei etwa 3 g/l gehalten werden. Weitere Kenngrößen des Vergleichs sind Anspringverhalte auf Stahl und Buntmetall, Glanz der Schichten oder die Haftfestigkeit der Schichten.

Die Härten der Schichten aus den verglichenen Elektrolyttypen liegen bei etwa 660 bis 750 HV im Abscheidezustand und etwa 1.100 HV nach einer Wärmebehandlung. Die geringfügigen Unterschiede der Schichten im Abscheidezustand spiegeln sich im Verschleißverhalten wieder. In Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit sind die Schichten ähnlich gut und erfüllen die Anforderungen. 

Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Legierungsschichten – mit oder ohne Einbau von Feststoffpartikeln – kommen in verschiedenen technischen Bereichen zur Erhöhung der Korrosions- und Verschleißbeständigkeit zur Anwendung, wie Corinna Harnisch einleitend feststellte. Das Tempern der Nickel-Phosphor-Legierungsschichten erhöht, je nach Temperatur und Verweilzeit, die Härte bis auf etwa 1.000 HV0,1, wodurch allerdings die ursprünglichen Schichteigenschaften beeinflusst werden. Speziell die nicht magnetischen, hochphosphorhaltigen Schichten zeichnen sich durch eine extrem hohe Säure- und Korrosionsbeständigkeit aus, die durch die Wärmebehandlung nachteilig verändert werden.

Daraus resultiert das Bestreben, durch Herstellung einer Dreistofflegierung, beispielsweise mit Wolfram, die Eigenschaften zu verbessern. Ein neu entwickeltes chemisch abscheidendes System für eine hochphosphorhaltige Nickel-Phosphor-Schicht mit maximal 0,5 Prozent Wolfram wurde auf die verschiedenen Eigenschaften hin untersucht. Die Abscheiderate des Verfahrens liegt bei etwa 10 µm/h und erreicht eine Abscheidehärte von etwa 500 HV. Die maximale erzielbare Härte durch eine Wärmebehandlung wird durch das enthaltene Wolfram nicht messbar gesteigert. Die Korrosionsbeständigkeit bleibt ebenfalls unverändert sowie der hohe Glanzgrad aufgrund des feinkristallinen Schichtaufbaus. 

10 Jahre REACH

Die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) tritt bei der Umsetzung des europäisch harmonisierten Chemikalienrechts zunehmend als „Nebengesetzgeber“ auf. Diese Entwicklung ist nach Aussage von Dr. Arun Kapoor problematisch, weil die ECHA als europäische Behörde über keinerlei Gesetzgebungskompetenzen verfügt. Sie ist demokratisch auch nicht dazu legitimiert, Verkehrshindernisse für Produkte zu schaffen, die sich aus den existierenden Rechtsvorschriften bisher nicht ergeben.

Am Beispiel der sogenannten Nickel-Guideline (Draft guideline on articles intended to come into direct and prolonged contact with the skin in relation with restriction entry 27 of Annex XVII to REACH on: Nickel and nickel compounds) zeigt sich, wie die ECHA den Anwendungsbereich gesetzlicher Vorgaben in einem Ausmaß zu erweitern versucht, was sich mit dem Wortlaut des Gesetzestextes kaum noch in Einklang bringen lässt. Mit der extensiven Interpretation des Begriffs „direct and prolonged contact with the skin“ erweitert die ECHA den Anwendungsbereich der stofflichen Beschränkung für Nickel auf Produktgruppen, die deutlich abseits der vom Gesetzgeber im Rechtstext der REACH-Verordnung genannten Regelbeispiele liegen. Die ECHA zwingt damit eine Vielzahl nationaler Behörden eine vergleichbar extensive Vollzugspraxis auf, weil die für die Wirtschaftsakteure relevanten nationalen Überwachungsbehörden mangels vergleichbarer eigener Expertise auf dem Gebiet des Chemikalienrechts den entsprechenden Ausführungen der ECHA inhaltlich meist wenig entgegenzusetzen haben.

Da Verstöße gegen die stofflichen Beschränkungen des europäischen Chemikalienrechts in Deutschland unter Strafe stehen, führt die ECHA mit entsprechenden Guidelines somit in der Praxis neue strafrechtliche Risiken für ganze Branchen ein, ohne hierzu in irgendeiner Weise demokratisch legitimiert zu sein. Dieser Risiken müssen sich die betroffenen Branchenvertreter bewusst sein, zumal die Anzahl der strafrechtlichen Ermittlungsverfahren wegen Verstößen gegen die stofflichen Beschränkungen aus Art. 67 i.V.m. Annex XVII der REACH-Verordnung in Deutschland beständig zunehmen.

Prof. Dr. H. J. Bender äußerte die Ansicht, dass bei REACH jetzt die schwierige Phase der Pubertät kommt, nachdem die Verordnung seit etwa zwölf Jahren besteht. Zu den wichtigen Punkten zählt das Kriterium der Menge für die Notwendigkeit zur Registrierung; hier ist eine Mittelung der Menge aus drei Jahren Produktion von Relevanz. Ein weiterer Punkt ist die Anforderung, die Inhalte der REACH-Verordnung in deutscher Sprache in Deutschland vorzulegen. Und schließlich stellen die Darstellungen der Expositionsszenarien – ein weiteres wichtiges Kriterium – einen hohen Aufwand dar, bei dem tunlichst keine Szenarien für Gemische gefordert werden sollten. Bezüglich der Expositionsszenarien ist zu empfehlen, eine eigene Gefährdungsbeurteilung vorzunehmen.

Der Vortragende wies darauf hin, dass der Antrag zur Zulassung für viele Stoffe mit einem enorm hohen Aufwand verbunden ist. Dieser wird nur deshalb betrieben, um die erforderliche Planungssicherheit für die betroffenen Betriebe aufrecht zu erhalten.

Interessant ist der erste Ergebnisbericht zu REACH der ECHA sowie der EU-Kommission. Hierzu werden unter anderem die Verbesserung des Bewertungsverfahrens, der Praktikabilität oder der Beschränkungsverfahren und weiterer derzeitiger Situationen aufgeführt. Die Industrie dagegen sieht Verbesserungen bei der Datenerhebung oder bei der Aktualisierung der Stoffdossiers. Das erweiterte Sicherheitsdatenblatt hat sich nicht bewährt. Die Wettbewerbsfähigkeit ist durch REACH eingeschränkt.

Den letzten Beitrag zum Thema REACH bot Constanze Doll vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Sie fasste hierfür die Ergebnisse einer Studie über die Wirkung von REACH auf die deutsche Wirtschaft zusammen. Es zeigte sich, dass die Behörden Schwierigkeiten haben, auf der Grundlage der verfügbaren Informationen Beschränkungsvorschläge zu erarbeiten. Das Zulassungsverfahren ist für die Industrie nachteilig bezüglich der Planungssicherheit, aufwändig in der Bearbeitung und kostenintensiv. Zur Erstellung der Bewertung wurde eine Projektarbeit in Auftrag gegeben, deren Ergebnisse jetzt vorliegen. In Blickrichtung auf die Möglichkeiten zur Risikominimierung werden demzufolge vor allem die Registrierungsdossiers als Informationsquelle für die Behörden herangezogen sowie im Bedarfsfall auf weitere Unterlagen zu Exposition und Verwendung zurückgegriffen. Details zur Projektarbeit sowie den weiteren Handlungsempfehlungen sollten inzwischen auf der Homepage des BMWi verfügbar sein. 

Elektromobilität

Rainer Venz richtete in seinen Ausführungen zunächst den Blick auf die inzwischen mehr als 120-jährige Entwicklungsgeschichte des Elektroantriebs für Fahrzeuge. Der gesteigerte Umweltgedanke war seiner Aussage zufolge Motivation für das von der Bundesregierung ausgegebene Ziel, im Jahr 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen zu haben. Die aktuellen Diskussionen um den Kohlenstoffdioxidausstoß von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren treiben die Elektromobilität zusätzlich an.

Als Alternativen zu den reinen Verbrennungsmotoren richten sich die Entwicklungen derzeit auf die rein elektrisch betriebenen Fahrzeuge und Hybride. Entsprechend der globalen Verteilung des derzeitigen Fahrzeugweltmarktes mit steigender Verlagerung nach Asien, ist Asien auch Vorreiter bei der Entwicklung und dem Einsatz von elektrisch betriebenen Fahrzeugen beziehungsweise Hybridantrieben. Die Prognosen versprechen für 2024 mit einem Anteil von etwa 20 Prozent an Fahrzeugen ohne den klassischen Verbrennungsmotor.

Insbesondere alle Elektrofahrzeuge mit einer Batterie haben ein gemeinsames Problem: zusätzliches Gewicht. Gewichtseinsparungen können auf verschiedene Arten umgesetzt werden. Eine Möglichkeit ist der verstärkte Einsatz von Leichtmetallen wie Aluminium oder Magnesium. Diese stellen für die Oberflächentechnik eine besondere Herausforderung dar, da sie nicht nur vor Eigenkorrosion geschützt werden müssen, sondern aufgrund ihres negativen Potenzials auch galvanische Korrosion verursachen können, sobald sie mit einem Material mit anderem Potenzial verbaut werden.

Elektrofahrzeuge und Hybride werden naturgemäß mehr elektrische und elektronische Komponenten benötigen. Hierfür werden vermehrt Leiterplatten und Steckverbinder benötigt, aber auch eine zuverlässige Masseanbindung oder eine zuverlässige elektrische Isolierung sind in bestimmten Bereichen gefragt. Bauteile mit einem Oberflächenschutz müssen hier einen möglichst langfristigen Verschleiß- und Korrosionsschutz bieten. 

Um ein schnelles Wiederaufladen von der immer größeren Menge an batteriebetriebenen Geräten zu ermöglichen, wird der Leistungsbedarf und somit der Bedarf an stromnetzunabhängigen Energiesystemen ansteigen. Die Forschung konzentriert sich dabei nicht nur auf geeignete Gehäuselösungen für planare Mikrobrennstoffzellenstapel, sondern auch auf die Weiterentwickelung der Kathode. Im Rahmen eines neuen Vorhabens, vorgestellt von Gloria Lanzinger, wird deshalb die Entwicklung einer Mikrobrennstoffzelle mit einer Leistung von 5 Watt durch eine innovative Kathode vorangetrieben. Da zur Herstellung effizienter kathodenseitiger Elektroden und Gehäusestrukturen gegenwärtig keine serientauglichen Prozesse vorliegen, werden zu diesem Zweck Verfahren aus der Mikrostrukturtechnik und Galvanotechnik weiterentwickelt, um die Kathode als sogenanntes Mehrkomponentenbauteil zu realisieren.

Zur Herstellung der Kathode werden bestehende Technologien der Mikrostrukturtechnik angepasst und weiterentwickelt, wie beispielsweise das Heißprägen unter Einsatz von PMMA-Platten, Folien aus Kupfer und Aluminium, PVD-Beschichtung mit Chrom und Gold sowie die Siebdrucktechnik. Herausforderungen ergeben sich beispielsweise durch die Notwendigkeit zur Erhöhung der Haftfestigkeit zwischen Kunststoffsubstrat und aufgebrachten Metallschichten oder die Erzielung einer maximalen Streufähigkeit bei der Beschichtung von Fasern, die für den guten Transport der Reaktionsgase innerhalb der Brennstoffzelle benötigt werden. 

Mario Kurniawan stellte in seinem Beitrag die Herstellung von Kupferoxidschichten (Cu2O) mittels Verfahren der Galvanotechnik vor, die die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff unter Einsatz von Licht vereinfachen. Dazu wird im ersten Schritt Kupfer auf ein Halbleitermaterial aufgebracht, wobei die Erzeugung einer porösen Metallstruktur die Effizienz der Wasserstoffaufspaltung steigert. Im zweiten Schritt werden mittels elektrochemischer Behandlung die erforderlichen Kupferoxidkristalle auf der Kupferschicht erzeugt. 

Zukunftstechnologien

Frank Stiemke, Svetlana Tšupova und Thomas J. S. Schubert befassen sich im Rahmen eines vom BMBF geförderten Vorhaben mit der Aluminiumabscheidung aus ionischen Flüssigkeiten als Alternative für typische Metallisierungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie. Die Entwicklung eines entsprechenden Verfahrens umfasst auch die Skalierung und das Recycling gebrauchter Elektrolyte. Für den Einsatz in der Galvanik ist vor allem relevant, dass ionische Flüssigkeiten gegen Oxidations- und Reduktionsprozesse vergleichsweise stabil sind, insbesondere im Vergleich zu wässrigen Systemen: So kann das elektrochemische Fenster bis zu 6,5 V betragen, was die Abscheidung von unedlen, aber technisch interessanten Metallen mit hohen Reduktionspotenzialen ermöglicht. Der aprotische Charakter der ionischen Flüssigkeiten verhindert dabei grundsätzlich die Wasserstoffversprödung von Metallschichten. Die Abscheidung von Aluminium aus ionischen Flüssigkeiten besitzt hierbei eine hohe technische Relevanz, beispielsweise als Ersatz von Kupfer in der Leiterplattentechnik. 

Refraktärmetalle wie Niob zeichnen sich durch ihre exzellenten Korrosions- und Verschleißschutzeigenschaften aus. Neben der Anwendung als Legierungselement für höchstbeständige Stähle oder Superlegierungen für den Brückenbau oder in Flugzeugturbinen wird metallisches Niob als Korrosionsschutzschicht auch in Brennöfen oder Druckbehältern verwendet. Anna Endrikat befasst sich mit der galvanotechnischen Abscheidung von Niob und Nioblegierungen, die vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten erwarten lassen.

Das Standardpotenzial von Refraktärmetallen ist stark kathodisch, wodurch eine Abscheidung aus wässrigen Elektrolyten nicht möglich ist. Durch den Einsatz Ionischer Flüssigkeiten (Ionic Liquids, ILs) können Refraktärmetalle elektrochemisch aufgrund der hohen elektrochemischen Stabilität (elektrochemisches Fenster von 5 bis 6 V) der bei Raumtemperatur flüssigen Salze abgeschieden werden. Als Metallquelle für die galvanische Abscheidung werden meist Metallhalogenide (zum Beispiel NbCl5) verwendet. Für den Prozess ergeben sich unterschiedliche Arbeitsparametern je nach Art der ionischen Flüssigkeit, der Präkursoren und deren Konzentration, Temperatur, Additiven und Stromdichte sowie die Art und Ausführung der Vorbehandlung der Substrate. Zur Aufklärung der möglichen Reduktionsmechanismen von Refraktärmetallhalogeniden in ionischen Flüssigkeiten kommen verschiedener In-situ-Techniken wie Cyclovoltammetrie (CV), rotierende Ringscheibenelektrode (RRDE) und elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) zum Einsatz.

Galvanisch abgeschiedenes Aluminium hat enormes Potenzial für industrielle Anwendungen, nicht zuletzt da es eine umweltfreundliche Alternative zu einigen für den Korrosionsschutz eingesetzten, aber von REACH betroffenen Werkstoffen (zum Beispiel Cadmium) darstellt. Die Abscheidung von Aluminium nur aus wasserfreien Elektrolyten hingegen erlauben die elektrochemische Beschichtung selbst von Bauteilen komplexer Geometrie. Rene Böttcher stellte die Technologie zur Aluminiumabscheidung aus ionischen Flüssigkeiten vor. Aufgrund des großen Interesses an ionischen Flüssigkeiten in den vergangenen Jahrzehnten sinken die Preise für die Elektrolyten stetig, womit auch ihr Einsatz in Form industrieller Prozesse interessant wird.

Die Vorbehandlung der zu beschichtenden Grundwerkstoffe erfolgt in konventioneller Art, wobei die vollständige Trocknung nach Abschluss der Vorbehandlung erforderlich ist, um den Eintrag von Wasser in die ionische Flüssigkeit sicher zu vermeiden. Die Aktivierung des Substrats kann durch anodische Polarisation in einer ionischen Flüssigkeit erfolgen. Abgeschieden wurden beispielsweise Aluminium-Zink mit Zinkanteilen zwischen 1 Gew.% und 35 Gew.% als mattweiße Schichten. Die Schichten bestanden aus einem Kristallgemisch von Aluminium und Zink. Durch Verwendung von Chromchlorid (CrCl2) lassen sich matte bis hochglänzende Schichten mit Chromgehalten zwischen 0,1 Gew.% und 22 Gew.% abscheiden.  

Die Schichten eignen sich vor allem durch die einstellbaren Korrosionspotenziale (abhängig vom Anteil an Legierungsmetall neben Aluminium) als kathodischer Korrosionsschutz für Stähle. Im Falle von Chrom ist hierbei ein maximaler Anteil an Legierungsmetall zu beachten, der bei etwa 5 Gew.% liegt. 

Ebenfalls mit der Abscheidung von Legierungen aus ionischen Flüssigkeiten befassen sich Dr. Ingolf Scharf und Kollegen. Durch Legierungsabscheidung können prinzipiell etwa 800 binäre sowie über 10.000 ternäre Legierungen mit neuem Eigenschaftsprofil erzeugt werden. Nur ein Bruchteil dieser möglichen Kombinationen ist bislang untersucht worden. Die Abscheidung aus solchen Medien unterscheidet sich jedoch in einigen Aspekten von denen in wässriger Lösung. Der Elektrolytentwicklung kommt daher auch bei diesen Medien eine Schlüsselrolle zur wirtschaftlichen Nutzung galvanisch abgeschiedener Legierungen zu.

Ergänzende Technologien

Aus ökonomischen und ökologischen Gründen steht die Entsorgung der verbrauchten Lösungen aus dem Prozess der außenstromlosen Beschichtung im Fokus der Beschichter. Ebenso hat die Reinigung von Abwässern an Bedeutung gewonnen, insbesondere zur Entfernung von Phosphorverbindungen, mit der sich Angela Rheindorf auseinandersetzt. Eine von der Hochschule Niederrhein patentierte Aufbereitungstechnologie Stabbündelelektrode arbeitet dabei insbesondere sehr gut im Bereich niedriger Nickelkonzentrationen. Die in chemisch abscheidenden Nickelelektrolyten eingesetzten Phosphorverbindungen werden an einer Stabbündelelektrode aus bordotierten Diamanten (BDD) zu Phosphat oxidiert. Der größte Vorteil der Stabbündelelektrode gegenüber den herkömmlichen Plattenelektroden liegt in der verhältnismäßig großen Oberfläche. Um eine Rückreaktion des Phosphats zu vermeiden, ist eine kathodenseitige Abschirmung der wässrigen Lösung durch ein Diaphragma notwendig.

Durchgeführte Versuche zeigen, dass die Stromdichte, der Volumenstrom, die Elektrolytzusammensetzung und die Elektrolysezeit in der Zelle einen Einfluss auf die Quantität der Phosphorumwandlung haben. Je höher die Stromdichte und je länger die Elektrolysezeit sind, umso mehr Phosphat wird gebildet. Die Konzentration des Zwischenprodukts Phosphit bleibt während der gesamten Behandlungszeit nahezu konstant. Im Weiteren wird auf Basis der Erfahrungen eine Pilotanlage für den Einsatz in der Praxis geplant sowie ein Einsatz für andere Bereiche, bei denen Phosphorverbindungen anfallen, geprüft.

Die metallverarbeitende Industrie ist aufgrund endlicher Ressourcen gezwungen, an verschiedensten Möglichkeiten der Aufbereitung zu forschen, um neben Stückschrott auch weitere Abfallströme zu vermeiden oder aufzubereiten. Dr. Felipe Costa bietet mit seinem Unternehmen die nachhaltige Aufbereitung von industriellen Abfallschlämmen an. Der Einsatz der innovativen Lösung für die Verwertung von Metallweichschrotten, Bohrschlämmen und Katalysatoren senkt die Entsorgungsquoten in der Metall- und Erdölindustrie. Mittels Vakuumdestillation werden Stoffe umweltschonend ohne chemische Veränderung separiert, dabei werden alle Kontaminationen rückstandslos entfernt. Die erhaltenen Output-Stoffe können in der Industrie erneut verwendet werden. Verschiedenste Metalle aus der Galvanik und Oberflächentechnik können nach den Erfahrungen von Dr. Costa ohne chemische Veränderung und somit ohne Wertverlust zurückgewonnen werden. 

Sonja Geenen und Sebastian Grof stellten ihre Praxiserfahrungen beim Einsatz der Verdampfertechnologie im Bereich des Brünierens vor. Gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Abwasserbehandlung, wie die chemisch-physikalische Aufbereitung, bietet die Technologie der Vakuumverdampfer einige Vorteile für die Betreiber. Durch Erzeugen eines Unterdrucks im Innern des Verdampfers wird Prozesswasser bei etwa 80 °C bis 90 °C verdampft. Der Wasserdampf kondensiert und gibt die Verdampfungsenergie durch einen speziellen Wärmetauschprozess an das zu verdampfende Abwasser ab. Das daraus gewonnene Destillat kann wieder in den Prozesskreislauf zurückgeführt werden, was die Möglichkeit einer nahezu abwasserfreien, energie- und ressourcen-effizienten Produktion bietet.

In der Praxis des Brünierens erfordern die stetigen Veränderungen in der Zusammensetzung des Prozesswassers und damit der Abwasserbehandlung neue Herausforderungen. Die Verdampfertechnologie wird unter den gegebenen Bedingungen der Praxis auf die Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben ebenso im Vorfeld geprüft, wie auf die technische Effizienz und die Wirtschaftlichkeit. Der Vakuumverdampfer und die gesamte Prozesswasseraufbereitung werden auf dieser Basis in den Wasserkreislauf des Betriebs integriert und daraus resultierend eine nahezu abwasserfreie Produktion realisiert. Daraus entsteht eine Bewertung darüber, inwieweit sich die Technologie für Oberflächenanwendungen und Beschichtungsverfahren eignet, wie sie den stetig steigenden Qualitätsansprüchen der Branche gerecht wird und welche Limitierungen bei der Konzeption einer Anlage zu berücksichtigen sind.

Auch im Bereich der Anlagentechnik zur galvanischen Oberflächenbehandlung ist nach den Erfahrungen von Heinrich-W. Kämper zunehmend das Interesse an Industrie 4.0 zu vernehmen. Bisher standen bei der Entwicklung und dem Einsatz der Stromversorgung in einer Galvanikanlage insbesondere Sicherheit und dauerhafte Funktion im Vordergrund. Außerdem soll die Stromversorgung einfach in Anlagenkonzepte eingebunden werden. Dazu gehört auch, dass sich die Stromversorgungen einfach in die Steuerung der Anlagen integrieren lassen.

In den vergangenen Jahren enthalten nahezu alle Geräte und Anlagen zahlreichen elektronische Steuer- und Überwachungselemente. Diese erlauben einerseits eine verbesserte Steuerbarkeit der Geräte, erfassen und speichern aber auch eine zunehmende Zahl an Mess- und Kennwerten von Anlagen. Daraus ergeben sich unter anderem Möglichkeiten zur Einsparung von Energie oder eine Vereinfachung beim Austausch einer Stromversorgung (plug and play) und somit eine Minimierung von Ausfallzeiten. Zudem lässt sich eine vorbeugende Wartung durch Intelligenz in der Stromversorgung besser steuern.

In den letzten Jahren entwickelte Systeme zur Steuerung von Geräten und zur Verbindung von Anlagenteilen mit entsprechenden Schnittstellen werden jetzt so erweiterte, dass beispielsweise die Steuerung über moderne Touchpanel und weitere Mobilgeräte möglich wird. Die Herausforderungen für die Entwicklung von Gleichrichtern und weiteren Anlagenkomponenten stehen dabei vor der Aufgabe, die Bedienung intuitiv, das heißt so einfach wie möglich zu gestalten.

Jedoch müssen Anwender auf das steigende Risiko durch Cyberkriminalität achten. Insbesondere im Hinblick auf Ansätze zur Fernwartung oder zum Abruf von Daten über Mobilgeräte oder durch externe Fachleute spielt die Einrichtung von sicheren Systemen eine große Rolle. Hier hat der vertrauensvolle Kontakt zwischen den beteiligten Unternehmen oberste Priorität.

Im Zuge von Einschränkungen in der Verwendung von chrom(VI)-haltigen Verbindungen durch die REACH-Verordnung besteht ein zunehmender Bedarf an Chrom(III)-Elektrolyten als Alternative zur Herstellung von Chromschichten. Von den inzwischen verfügbaren Verfahren auf der Basis von Chrom(III)-Salzen sind die sulfatbasierten Elektrolyte vorteilhaft hinsichtlich Prozessführung und Schichtqualität.

In der optischen Erscheinung der verchromten Oberfläche bestehen allerdings Unterschiede zwischen Chrom(III)- und Chrom(VI)-Verfahren, wie Martin Leimbach einführend betonte. Die Überzüge aus chrom(III)-basierten Elektrolyten weisen meist einen leichten Gelbstich auf. Hinzu kommt eine schlechtere Reproduzierbarkeit des Farbtons. Ziel der Arbeiten von Martin Leimbach ist es deshalb, einen prozessstabilen Farbton im blauen Bereich des Farbspektrums zu erreichen, möglichst nahe am Erscheinungsbild von Schichten aus Chrom(VI)-Elektrolyten.

Mittels REM- und AFM-Aufnahmen kann gezeigt werden, dass Korngröße und Rauheit bei Schichten aus Chrom(III)-Elektrolyten höher sind als bei Schichten aus Chrom(VI)-Verfahren. Dadurch ändert sich das Reflexionsverhalten im Bereich des sichtbaren Lichtes und die Oberfläche erscheint gelblich. Durch den Einsatz von gepulstem kathodischem Strom wird das Kornwachstum während der Abscheidung periodisch unterbrochen und mit jedem Strompuls die Keimbildung neu initiiert. Auf diese Weise lassen sich aus einem Chromsulfat-Elektrolyten fein strukturierte Chromschichten mit einem bläulichen Farbton herstellen.

Die Herstellung von mikro- beziehungsweise nanostrukturierten Abformwerkzeugen zur (Serien-)Replikation von funktionellen polymeren Oberflächen mittels Heißprägen oder Spritzgießen kann heutzutage durch sehr unterschiedliche Technologien realisiert werden und ist das Fachgebiet von Dr. Markus Guttmann. Ein hierfür inzwischen häufig angewendeter Fertigungsweg ist die Kombination aus einem lithographischen Verfahren (für die Generation eines Masters beziehungsweise einer Urform), der Nickel-Galvanoformung (für die Übertragung in ein festes massives Werkzeugmaterial) und der mechanischen Endbearbeitung (für die abschließende äußere, detaillierte Formgebung des Werkzeugs).

Für die Erzeugung der Ursprungsstruktur (im Master) in einen Kunststoff (Resist) mit Strukturdetails bis in den unteren nm-Bereich kommen verschiedene Verfahren wie Elektronen-, Strahl-, UV-, Röntgen- oder Nanoimprint-Lithographie aber auch 3D-Druck zum Einsatz. Die Übertragung der Strukturen in ein metallisches Werkzeug ist sowohl über eine galvanische Kopie (die Nickel-Galvanoformung mit anschließender Substratentfernung und mechanischer Endbearbeitung zu einem dünnen Nickel-Shim oder einem dicken Nickeleinsatz) als auch über das galvanische Auffüllen der lithographisch erzeugten Strukturkavitäten (Up-plating) auf einem festen, hochpräzisen metallischen Substrat wie Edelstahl möglich. In diesem Fall entfällt die mechanische Endbearbeitung und es können neben planaren auch freigeformte und sogar walzenförmige Abformwerkzeuge strukturiert werden.

Der Vortragende zeigte anhand der vollständigen Prozesskette an ausgewählten Beispielen aus aktuellen F&E-Projekten am Karlsruher Institut für Technologie, welche Möglichkeiten aber auch Grenzen die Verfahrenskombinationen derzeit aufweisen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die nasschemische Vorbehandlung der Substrate, der verwendete Nickelelektrolyt und die galvanischen Abscheideparameter einen deutlichen Einfluss auf die hergestellten Werkzeuge haben. Unter Einsatz der strukturierten Werkzeuge erzeugte Abformteile finden in der Praxis Anwendung unter anderem für die Herstellung von Kunststofflinsen mit superhydrophoben Oberflächen, von polymeren Lab-on-Chip-Bauteilen mit optischen Sensoren oder biomimetischen Oberflächen für Solarzellen.