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Chrom

2018-07-26T22:28:42

Die galvanische Abscheidung von Chrom zählt zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung von technischen und dekorativen Oberflächen, da Chrom nur im galvanisch abgeschiedenen Zustand die sehr vorteilhaften Eigenschaften der Korrosionsbeständigkeit, des guten Glanz, hohen Reflexionsvermögens und der sehr hohen Härte besitzt. Die Abscheidung von Chrom erfolgt zudem aus sehr einfach aufgebauten Elektrolyten mit nur sehr geringen Anteilen an Zusätzen, wodurch sich auch die hohe Zuverlässigkeit der galvanischen Chromabscheidung sowohl für dekorative Anwendungen als Glanzchrom als auch für funktionelle Anwendungen als Hartchrom ergibt. Als Nachteile der galvanischen Verchromung ist der Einsatz von karzinogenem sechswertigen Chrom (Cr6+) und von umweltschädlichen Netzmitteln in Chromelektrolyten zu nennen. Diese sind auch der Anlass dafür, dass die galvanische Verchromung derzeit in Zusammenhang mit der europäischen Chemikalienverordnung REACh in die Diskussion geraden ist. Dagegen ist zu betonen, dass bei der Beachtung der seit vielen Jahren geltenden Richtlinien zum Umwelt- und Arbeitsschutz keine Gefahren durch die galvanische Verchromung ausgehen. Erforderlich ist das Tragen von üblicher Schutzkleidung sowie der Einsatz von Absaugungen mit Wascheinrichtungen und der Einsatz von Spüleinrichtungen.

Dekorative Chromschichten werden in der Regel auf Nickelschichten in Dicken zwischen 0,2 µm und 1 µm abgeschieden. Vor allem in der Sanitärindustrie, der Möbelindustrie oder auf Teilen im Fahrzeuginnenraum werden sie ohne weitere Beschichtungen verwendet und zeichnen sich durch gutes Reflexionsvermögen, ihre helle metallische Oberfläche und ihre gute Kratz- und Abriebbeständigkeit aus. Chromoberflächen sind des Weiteren schlecht benetzbar, wodurch sie gut zu reinigen sind. Zum Teil erhalten dekorative Chromoberflächen auch eine zusätzliche Lackierung, zum Beispiel auf Brillengestellen, wodurch eine erweiterte partielle Farbgebung und partielle Bedruckung möglich wird. Insbesondere auf Teile im Fahrzeuginnenbereich kommen Chromoberflächen unter anderem deshalb zum Einsatz, weil die Oberflächen Licht außerordentlich gut reflektieren und die Teile auch bei sehr schlechten Lichtverhältnissen (Dunkelheit) gut erkennbar sind. Für dekorative Schichten können auch Elektrolyte auf Basis von gesundheitlich unbedenklichen Chrom(III)elektrolyten verwendet werden. Allerdings besitzen diese Chromschichten einen leicht graueren Farbton und eine deutlich geringere Härte und Verschleißbeständigkeit.  

Der zweite große Bereich der galvanischen Chromabscheidung ist der der Hartverchromung. Hartchromschichten dienen als Verschleiß- und Korrosionsschutz von hochbelasteten Grundwerkstoffen, vorrangig von Stählen, und sind beispielsweise für Hydraulikteile, Walzen für die Papierindustrie oder Metallverarbeitung sowie für Werkzeugteile in der Textilerzeugung derzeit unabdingbar. Die Abscheidung von Hartchromschichten erfolgt ebenfalls aus Elektrolyten auf Basis von sechswertigem Chrom, mit modifizierten Arbeitsparametern. Die hergestellten Schichtdicken richten sich nach den Beanspruchungen in Bezug auf Verschleiß und Korrosion sowie danach, ob die Oberfläche beispielsweise durch Schleifen und Polieren zusätzlich mechanisch bearbeitet werden muss. Üblich sind Schichtdicken zwischen etwa 20 µm und mehr als 1000 µm. 

Insbesondere wenn die aufgebrachten Chromschichten mechanisch geschliffen und polierte werden sollen, sind höhere Dicken (z. B. mehr als 100 µm) sinnvoll. Bei dickeren Chromschichten (größer als etwa 50 µm) ist damit zu rechnen, dass die Rauheit zunimmt, beziehungsweise auch Auswüchse (Knospen) entstehen können. Ist bei solchen dicken Chromschichten für den Einsatz eine geringe Rauheit (hohe Ebenheit) gefordert, so kann das mechanischen Schleifen und Polieren unumgänglich sein. 

Die hohe Härte von Chromschichten ist überwiegend auf den Einbau von Wasserstoff zurückzuführen, der bei der galvanischen Chromabscheidung in erheblichem Maße gebildet wird. Durch den Wasserstoffeinbau weisen die Schichten innere Spannungen auf, die zur Rissbildung führen. Dadurch können die vorhandenen Spannungen abgebaut werden, ohne dass die Eigenschaften der Chrombeschichtung in Bezug auf mechanische Beanspruchungen leidet. Sind neben einer hohen Härte und Verschleißfestigkeit auch eine gute Korrosionsbeständigkeit gefordert, so wird die Abscheidung so gesteuert, dass im Prinzip Mehrfachschichten entstehen. Dies führt dazu, dass Risse nicht durch die gesamte Chromschicht verlaufen, sondern an der Grenzfläche zwischen zwei Chromlagen stoppen. Damit kann von außen eindringendes Korrosionsmedium nicht vollständig bis zum Grundmaterial vordringen. Die Korrosionsbeständigkeit der Schicht wird dadurch gesteigert. 

Chrom besitzt eine gute Korrosionsbeständigkeit, weil sich in Kontakt mit Luft ein sehr beständiges Chromoxid bildet und das Metall passiv wird. Danach verhält es sich ähnlich wie ein Edelmetall. Treten in einer Chromschicht Risse oder Poren auf, so werden unter Einwirkung eines Korrosionsmediums Nickel oder Eisenwerkstoffe (auf die Chrom abgeschieden wird) angegriffen. Im Falle von dekorativen Chromschichten, die meist Dicken von weniger als 1 µm aufweisen, kann der Korrosionsangriff auf den Grundwerkstoff durch die bewußte Herstellung von sogenannten mikrorissigen Chromschichten vermindert werden. Fachleute der Galvanotechnik können bei Vorliegen der Beanspruchungsformen den Aufbau des Schichtsystems und die Arte der Chromabscheidung auf die Anforderungen hin optimieren. Für hohe mechanischen und korrosive Anforderungen haben sich beispielsweise Kombinationen aus chemisch abgeschiedenen Nickelschichten (hohe Härte) und Hartchromschichten (hohe Härte und hohe Korrosionsbeständigkeit) bewährt.

Bei Teilen, die in hohen Stückzahlen beschichtet werden (z.B. Kolbenstangen für Stoßdämpfer) ist es unter Einsatz der sogenannten Reaktortechnik möglich, rotationssymmetrische Teile mikrometergenau zu beschichten. Dadurch kann auf eine abschließende mechanisch Nachbearbeitung durch Schleifen oder Polieren verzichtet werden. Verfahrensbedingt erlaubt diese Technologie zudem eine sehr hohe Abscheidegeschwindigkeit und ist damit besonders wirtschaftlich. Die Abscheidegeschwindigkeit kann je nach Verfahren um den Faktor 10 und mehr erhöht werden. 

Eine weitere Spezialität ist die Herstellung von definierten Oberflächenstrukturen, beispielsweise von kalottenförmigen Vertiefungen im Bereich von wenigen Mikrometern. Solche Schichten zeichnen sich durch eine besonderes Benetzungsverhalten aus, weshalb sie insbesondere für Druckwalzen eingesetzt werden oder aber in Walzanlagen für die Blechverarbeiten, das sogenannte Dressieren. 

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Strukturchromschicht (GWC)

 

Tab. Eigenschaften von Chromschichten

Parameter Hartchrom Dekorativchrom
Dicke bis einige mm < 1 µm
Farbe Abscheidezustand matt silber
nach mech. Bearbeitung hochglänzend
hochglänzend
Härte Abscheidezustand ca. 600 – ca. 1250 HV
geglüht (> 600 °C) ca. 400 – ca. 700 HV
ca. 600 – 1100 HV
Reibungskoeffizient 0,12 (Chrom/Chrom)
0,17 (Chrom/Stahl)
0,05 (Glanzchrom/Bronze)
E-Modul ca. 120 – 230 kN/mm2
Zugfestigkeit 130 – 500 N/mm2
linearer Ausdehnungskoeffizient 6 – 9 (20 °C / 500 °C)
Korr. beständigkeit sehr gut in vielen Klimaten;
Aber: anfällig gegen Kalziumchlorid
sehr gut
in vielen Klimaten

 

Walze, hartverchromt und mechanisch auf Spiegelglanz poliert (Quelle: LKS Kronenberger)