Für jede Anforderung die richtige Lösung – Oberflächentechnik in Forschung und Anwendung

Oberflächen 09. 11. 2013

Bericht über die ZVO-Oberflächentage 2013 in Dresden

Der ZVO, Zentralverband Oberflächentechnik e. V., hatte zusammen mit der Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik e. V., DGO, für seine Jahrestagung 2013 Dresden als Tagungsort gewählt und ein attraktives Tagungsprogramm zusammengestellt. Tagungsort und das angebotene Fachprogramm waren so überzeugend,­ dass mit mehr als 500 Teilnehmern ein neuer Rekord erreicht wurde.

Eröffnet wurde die Veranstaltung am 18. September von Walter Zeschky, dem Vorsitzenden des ZVO. Er betonte in seiner Einführung den hohen Stellenwert der Oberflächentechnik im Hinblick auf den branchenübergreifenden Status. Dies zeigt sich auch durch das mehr als 60 Fachvor­träge umfassende Tagungsprogramm, das zu allen wichtigen Anwendungsbereichen Informationen lieferte und einen guten Überblick über die derzeit laufenden Themen in Forschung und Entwicklung bot.

Mit dem Vortrag von Dr. Carl Naughton erlebten die Teilnehmer dann auch gleich einen Höhepunkt. Unter dem unscheinbaren Titel Kribbeln im Gehirn erlebten sie einen außerordentlich kurzweiligen Streifzug durch das menschliche Gehirn und dessen Arbeitsweise. Der Vortragende verstand es in unübertrefflicher Weise, die sehr komplexen Strukturen der menschlichen Schaltzentrale einleuchtend und gut zu erklären. Vor allem die eigentliche Kommandozentrale mit der einprägsamen Bezeichnung Stiller Lappen war in den darauffolgenden beiden Tagen des Öfteren ein wiederkehrendes Thema in Vorträgen und Gesprächen.

Dr. Naughton führte an Situationen des täglichen Lebens vor, wie unsere Gedanken­welt mit den Hausforderungen des Lebens umgeht. So betonte er, dass 60 Prozent der Entscheidungen intuitiv getroffen werden. Der Grund hierfür liegt in der energiesparenden Arbeitsweise des menschlichen Gehirns. Vor allem das Abarbeiten von häufig wiederkehrenden Situationen und den daraus folgenden Handlungsweisen zählt zu den energiesparenden Vorgängen. Deren Anteil steigt mit dem Lebensalter an, das heißt der Anteil an Abläufen aus Erfahrung wächst. Gleichzeitig kann dies aber auch die Entwicklung von neuen Abläufen verhindern. Besonders deutlich wird dies daran, dass Entscheidungen der nahen Zukunft im Allgemeinen anders ausfallen, als Entscheidungen, die erst in der ferneren Zukunft zum Tragen kommen. Der Grund dafür ist, dass kurzfristige Belohnungen höher eingeschätzt werden als solche in der Zukunft, deren Eintreffen in der Regel nicht garantiert ist.

Mit seinen Ausführungen animierte Dr. Naughton die Anwesenden dazu, Emotionen bei der Auswahl von Entscheidungen einen großen Anteil einzuräumen. Auch dies trägt nach seiner Meinung dazu bei, kreativ zu sein. Auf jeden Fall muss den Organisatoren der ZVO-Oberflächentage ein großes Lob für die Auswahl des Referenten ausgesprochen werden, der ganz erheblich dazu beigetragen hat, die Veranstaltung zu einer der besten werden zu lassen.

Preisverleihungen

Der DGO-Nachwuchspreis ging in diesem Jahr an Dr. Falko Böttger-Hiller für seine Arbeit zur Metallisierung von Kohlenstofffasern. Wie der Laudator Prof. Dr. Paatsch ausführte, trägt diese Arbeit zur Herstellung von besseren Verbundwerkstoffen mit Kohle­fasern bei.

Der Heinz-Leuze-Preis wurde von Prof. Dr. W. Plieth an Rony Kiefer für einen Aufsatz in der Zeitschrift Galvanotechnik vergeben. Der Preisträger fasste in dem Beitrag seine Arbeiten zur Korrosion von Chromschichten auf Kunststoffteilen unter Einwirkung von Streusalz mit hohem Anteil an Calcium­chlorid zusammen.

Prof. Dr. Andreas Möbius erhielt die Ehrenmitgliedschaft der DGO. Dr. Andreas Dietz würdigte mit einem kurzen Abriss die Arbeiten des Geehrten auf dem Gebiet der Galvano- und Oberflächentechnik. Diese umfassten neben Lehrtätigkeiten an Hochschulen sowie einer Professur für Elektrochemie vor allem sein großes Engagement zur Einbindung von jungen Kollegen und Nachwuchswissenschaftlern in die DGO. Zudem war Prof. Möbius selbst auf verschiedenen Gebieten der Forschung aktiv tätig, zuletzt mit der Abscheidung von Metallen aus ionischen Flüssigkeiten.

Im Anschluss an die Eröffnung konnten sich die Teilnehmer im festlichem Rahmen bei einem guten Buffet austauschen und Kontakte pflegen.

Fachvorträge

DGO-Vorsitzender Rainer Venz verwies mit großer Freude auf die hervorragende Resonanz der Veranstaltung. Mit 505 Teilnehmern, 66 Ausstellern und 62 Vorträgen wurden rekordverdächtige Zahlen erreicht. Mit dazu beigetragen hat neben der Auswahl des attraktiven Veranstaltungsortes nach seiner Ansicht auch, dass bei den Vorträgen großer Wert auf Qualität gelegt wurde.

Eröffnung

Eröffnet wurden die Fachvorträge von Bernd Jülicher mit Ausführungen zur Änderung des Einsatzes von Werkstoffen im Automobilbau. Die Grundwerkstoffe für Automobile waren, ausgehend vom Kutschenbau, Holz, Leder, Metall und Gummi. Diese finden sich auch heute noch in Fahrzeugen. Daneben ist als weiterer Werkstoff Glas integriert. Wie aus heutigen Studien der Fahrzeughersteller ersichtlich wird, nimmt bei den neueren Fahrzeugen Glas einen zunehmend größeren Umfang ein. Dies bedeutet vor allem im Bereich des Armaturenbretts eine drastische Wandlung weg vom bisher vorherrschenden Metall.

Ein neuer Werkstoff, der nicht aus dem Kutschenbau kommt, ist Kohlenstoff. So beginnen erste Fahrzeughersteller Metall durch Kohlenfaserwerkstoffe zu ersetzen. Mit diesen Fahrzeugen soll ein Paradigmenwechsel vollzogen und klar die neue Art von Fahrzeugen zum Ausdruck gebracht werden. Darüber hinaus wird bei solchen Werkstoffen auch auf Kunststoff verzichtet, zugunsten von Naturstoffen wie Holz (gepresst) oder Faserwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. Die daraus entstehenden Fahr­zeuge erfüllen auch die Anforderungen nach Reduzierung des Gewichts.

Nicht nur bei den dekorativen Bauteilen wird für die Oberfläche in Zukunft weniger Metall eingesetzt, sondern auch bei funktionellen Teilen. Dies zeigt der Elektromotor, der keine verchromten oder vernickelten Oberflächen in nennenswertem Umfang ­erhält. Für neuere Fahrzeugteile kommen beispielsweise galvanisch beschichtetes Magnesium oder Kohlenfaserwerkstoff zum Einsatz.

Zum Schluss seiner Ausführungen bemängelte Bernd Jülicher die mangelnde Trendforschung in der Oberflächentechnik. Die beste Trendforschung ist nach seiner Meinung, diese zu erfinden. Hier sieht er die Herausforderung für die Branche. Es ist erforderlich, dass sich die Teilnehmer der Branche noch stärker in Richtung einer Gemeinschaft verändern.

Impulsvorträge

Seit einigen Jahren haben zu Beginn der Fachvorträge Aussteller die Möglichkeit, ihr Angebot kurz vorzustellen. In diesem Jahr waren dies die Unternehmen Coventya, Dr. Torsten Kühler, L&R, Georg Hesse, Helmut Fischer, Matthias Beutler und MacDermid, Dr. Andreas Smie.

Kunststoffmetallisierung war das erste Thema der Produktvorstellungen, das Dr. Torsten Kühler aufgriff. Die Silken-Produktlinie bietet für die Beschichtung von Kunststoffen mit dekorativen Schichten unterschiedliche Additive von der Reinigung über das Beizen bis hin zum Beschichten. Neu ist beispielsweise das Beizen ohne Chromsäure sowie das Verchromen ohne Chrom(VI); beides befindet sich derzeit in der Pilotphase.

Georg Hesse ging auf die Kältetechnik für die Oberflächentechnik ein, die beispielsweise für Eloxalanlagen oder Gleichrichterkühlung eingesetzt wird. Je nach örtlichen Gegebenheiten werden unterschiedliche Verfahren, von Brunnenkühlen über Freikühlung bis zu Kältemaschinen, eingesetzt, die deutlich unterschiedliche Energieein­sätze erforderlich machen. Heute sind solche Systeme immer mit Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung verbunden.

Die Qualitätssicherung bei Kalibrierstandards stellte Matthias Beutler vor. Verwendet werden Kalibrierstandards für die Prozesssicherheit, für Qualitätsmanagementsysteme oder zur Waren­ein- und -ausgangsprüfung. Als Messverfahren wird bevorzugt Röntgenfluoreszenz eingesetzt. Fischer arbeitet mit zertifizierten Prüfinstituten zusammen, um die Qualität der Standards zu gewährleisten. Seit kurzem ist Helmut Fischer für einige Verfahren DAkks-akkreditiert. Inzwischen können Referenzen auch für den Kunden speziell hergestellt werden.

Der letzte Marketingvortrag von Dr.Andreas­ Smie befasste sich mit einem neuen Hochgeschwindigkeitsverfahren zur Abscheidung von Zink-Nickel. Damit ist es möglich zwölf Mikrometer bis 15 Mikrometer pro Minute abzuscheiden. Die Legierung ist einstellbar mit Anteilen um 10 % bis 12 % Nickel. Ebenso ist die Schichtdickenverteilung einstellbar. Beim Prozess werden kostengünstige Stahlanoden eingesetzt, wodurch auf Membranen verzichtet werden kann und eine Regeneration nur in geringem Umfang erforderlich ist. Die kundenspezifische Einstellung erfolgt über entsprechende Additive.

Zinkoberflächen

Zink im Automobil

Wie auf der IAA 2013 ersichtlich wurde, ist die Nachhaltigkeit oder Umweltverträglichkeit der Trendsetter in der Automobilwelt, wie Dr. Sabina Grund, Initiative Zink, einführend betonte. Am Beispiel der heute zunehmend gefragten SUVs wird deutlich, dass der Trend bei Fahrzeugen unterschiedlich angenommen wird; neben den Bemühungen der Gewichtseinsparung im Hinblick auf die Senkung des Verbrauchs sind nach wie vor große Fahrzeuge beim Kunden gefragt. Solche Fahrzeuge werden in Zukunft aber verstärkt auch darauf ausgerichtet, Nachhaltigkeit zu vermitteln.

Bei den Fahrzeugen spielt heute der Werkstoff Zink sowohl bei Oberflächen in Form von galvanischen Beschichten und Feuerverzinken sowie als Zinkdruckguss eine wichtige Rolle. Dieser Einsatz wird allerdings stark vom Basismaterial abhängen, das verstärkt von konventionellen Eisenwerkstoffen auf faserverstärkte Kunststoffe­ übergeht. Dabei muss jedoch auch die Herstellung und die Wiederverwertung des Materials in Betracht gezogen werden. Hier nimmt Stahl als Grundmaterial eine gute Position im Vergleich zu Aluminium oder Kunststoff ein. Im Hinblick auf Gewicht und Festigkeit ist Zink als Vollmaterial eine gute Wahl. Einen Vorteil besitzt Zink auch bei der Forderung nach elektromagnetischer Abschirmung.

Zinkdruckgussschaum

Robert Seiler gab einen Einblick in die Herstellung von Zinkdruckguss, sowohl für technische als auch für dekorative Teile. Dabei wies er einführend darauf hin, dass sich die beiden Anforderungen technisch und dekorativ zunehmend überschneiden. Der Zinkdruckguss besticht unter anderem durch die hohe Stückzahl pro Werkzeug und durch kurze Zykluszeiten. Eine der neuesten Technologien ist das Spritzen von Zinkschaum, der eine Gewichtseinsparung von bis zu 50 % bringt. Die Teile besitzen eine geschlossene Oberfläche, die Polieren und galvanische Beschichtung ermöglichen. Der Produktionsprozess ist mit den selben Werkzeugen durchführbar und kann ohne giftige Zusatzstoffe vorgenommen werden. Einschränkungen ergeben sich lediglich bei den Gussanbindungen, die nicht im Bereich von Sichtflächen vorliegen dürfen.

Am Beispiel von Teilen stellte der Vortragende Herausforderungen und Vorteile des Einsatzes von Zink im Druckgussverfahren vor. Wie in der Diskussion erläutert wurde, ist die Vorhersage der Festigkeit ein Problem, da der Porenanteil je nach Wandstärke unterschiedlich ist und dadurch auch die Festigkeit. Gelöst wird dies durch die Herstellung von Testteilen, die vom Endabnehmer auf Akzeptanz vermessen werden. Die Wandstärke ohne Poren ist bei den Bau­teilen unterschiedlich, was beim Schleifen und Polieren der zu polierenden Oberflächen berücksichtigt werden muss. In der Regel ist die Dicke der porenfreien Zone allerdings ausreichend.

Zinkdruckguss im Automobil

Metalle vermitteln in allen Anwendungsbereichen das Gefühl von Festigkeit, Beständigkeit und damit auch von Sicherheit. Dies gilt nach Aussage von Dr. Heinz Herberhold insbesondere für Automobile. Aus diesem Grund wird Zink dort zunehmend nachgefragt, da neben der genannten Metalleigen­schaft auch das geringe Gewicht und die Möglichkeit, durch Druckgießen nahezu jede Formgebung zuzulassen, positiv sind. Durch die Weiterentwicklung der Druckgusstechnologie und vor allem der Anpassung der Gießtechnik auf die Belange der Oberflächentechnik mit Schleifen und Polieren sowie einer nachfolgenden galvanischen Beschichtung kommt Zinkdruckguss heute in breitem Umfang im Automobil zum Einsatz.

An Beispielen zeigte der Referent die Vielfalt der Erscheinungsformen. Da das Druck­gießen ein Massenfertigungsverfahren ist, lassen sich auch kostengünstigere Fahrzeuge mit den beständigen Zinkteilen ausstatten.

Feuerverzinken

Zink ist nach den Worten von Mark Huckshold, Industrieverband Feuerverzinken, ein idealer Werkstoff, da er eine breite Palette an positiven Eigenschaften aufweist. Insbesondere in Verbindung mit Stahl ergibt sich eine hervorragende Partnerschaft, die beim Tauchen des Grundwerkstoffs in das geschmolzene Zink bei Temperaturen zwischen 450 °Cund 500 °C entsteht. So besitzt die außen liegende Zinkschicht eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Duktilität. Das Grundmaterial übernimmt die mechanische Festigkeit und die durch Diffusionsprozesse gebildete Übergangszone aus Eisen-Zink-Verbindungen sorgt für die gute Haftung der Beschichtung.

Während für die Fahrzeugaufbauten im Transportwesen das Feuer­verzinken fast schon zum Standard geworden ist, werden heute zum Teil auch Sportwagen vollverzinkt oder zumindest einige sicherheitsrelevante Bauteile. Neben der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit wirkt sich das Feuerverzinken auch positiv auf die Fügefestigkeit aus. Insbesondere im Hinblick auf die Ökologie ist die Kombination aus Stahl und Feuerverzinken hoch zu bewerten. Vor allem die gute Recycling­fähigkeit unterstreicht den Aspekt der Nachhaltigkeit beim Einsatz von Zink.

Zinklegierungen

Einen Einblick in die hüttentechnische Metallgewinnung gab Peter Meyer zu Bergsten, Xstrata Zink GmbH. Das reine metallische Zink wird über Verarbeitungsschritte wie Rösten oder Elektrolyse aus den Zinkerzen gewonnen, wobei vor allem der Elektrolyseprozess für die hohe Reinheit des Zinks verantwortlich ist. Ein Teil des Zinks wird zur Weiterverarbeitung durch Feuerverzinken erzeugt. Hier werden insbesondere Legierungen mit einem geringen Anteil an Aluminium (< 1 %) sowie seit kurzem auch mit Aluminium und Magnesium (ca. 1 % Al, < 3 % Mg) eingesetzt. Für den Zinkdruckguss als weiterer großer Einsatzbereich kommen Legierungen mit etwa 4 % Aluminium und etwa 1 % Kupfer in Betracht.

Innovationen beim Feuerverzinken

Jürgen Tomaszewski befasste sich mit Innovationen beim Feuerverzinken, die in Richtung dünnerer Zinkschichten gehen. Die dünneren Zinkfilme zeichnen sich unter anderem durch eine deutlich höhere Duktilität aus. Dadurch lassen sich beschichtete Bauteile ohne Rissbildung umformen und gleichzeitig bleibt die gute Beständigkeit gegen Korrosion erhalten. Da die Tauch­zeiten für dünnere Schichten kürzer sind, verringert sich auch der Einfluss der Wärmebehandlung durch sich ändernde Festigkeiten des Grundwerkstoffs.

Eigenschaften von Zinkschichten

Zink ist seit langem als eine der wichtigsten galvanischen Schutzschichten in Gebrauch. Wie Herbert Käszmann, WOTech GbR, einführend betonte, sollten die Kunden der Beschichter allerdings trotz des weitreichenden Einsatzgebietes mit langer Tradition über die Eigenschaften der heute verfügbaren Zink- und Zinklegierungsschichten eingehend informiert werden. Zu den wichtigen Eigenschaften zählen der kathodische Korrosionsschutz von Eisenwerkstoffen und die gute Duktilität von reinen Zinkschichten. Die Zinklegierungen besitzen dagegen eine höhere Härte, bessere Verschleißbeständigkeit und ein günstiges elektrochemisches Potenzial in Kontakt mit Aluminium. Zudem zeigt vor allem Zink-Nickel eine bessere Korrosionsbeständigkeit, die sich mit Nachbehandlungen noch bis auf 2000 Stunden im Salzsprühtest verbessern lässt. Durch Kenntnis der Eigenschaften und der verfügbaren Anpassungsmöglichkeiten kann der Kunde des Beschichters für den jeweiligen Anwendungsfall das bestmögliche Schutzsystem auswählen.

Zink-Nickel für Bremsenbauteile

Rainer Paulsen, Enthone GmbH, ging in seinen Ausführungen näher auf den Einsatz von galvanisch abgeschiedenem Zink-Nickel auf Bremsbauteilen ein. Hier hat die Zink-Nickel-Beschichtung aufgrund des Wandels von den früher üblichen Trommel- zu den heute bevorzugten Scheibenbremsen vor etwa 20 Jahren Einzug gefunden. Verstärkt wurde der Trend durch den Einsatz von Aluminium für Felgen. Da die Bauteile für Scheibenbremsen in der Regel aus Gusseisen bestehen, stand der Galvanotechnik zunächst nur die Abscheidung aus sauren Elektrolyten zur Auswahl, die allerdings mit dem Nachteil einer schlechten Streuung leben musste. Eine Kombination aus saurer Startbeschichtung mit Zink und alkalischer Endbeschichtung mit Zink-Nickel wurde aus Kostengründen nur beschränkt eingesetzt. Erst die Entwicklung von sauren Elektrolyten führte zum Einzug der Zink-Nickel-Beschichtung für Bremsen, wodurch die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird. Heute werden in Europa nach Aussage von Rainer Paulsen mehr als 60 Millionen Bremsen (entspricht über 120 Bauteile) hergestellt, von denen 80 % aus Gusseisen mit einer Zink- oder Zink-Nickel-Beschichtung versehen sind. Als kaufrelevantes Sichtbauteil tragen sie zur Kauffreudigkeit der Automobilkunden bei und garantieren der Galvanotechnik ihren nach wie vor hohen Anteil an der Automobilproduktion.

Galvanische Zinklegierungen

Einen weiteren Einblick in die Entwicklung der galvanischen Abscheidung von Zink­legierungen gab Patricia Preikschat, SurTec Deutschland GmbH. Die heute am meisten eingesetzte galvanisch abgeschiedene Zinklegierung ist die mit etwa 13 % Nickel, die sich vor allem durch ihre hohe Korro­sionsbeständigkeit hervorhebt.

Zink-Chrom lässt sich aus sauren Elektro­lyten mit Chromanteilen zwischen etwa 7 % und bis zu 34 % als geschlossene Schicht abscheiden. Die Legierungen besitzen eine gute Korrosionsbeständigkeit. Zink und Zinn können aus verschiedenen Elektroly­ten nahezu in beliebiger Zusammensetzung­ abgeschieden werden. Die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen steigt mit dem Zinngehalt. Nachteil ist der relativ hohe Preis für Zinn. Zink mit Mangangehalten zwischen 10 % und 50 % weist gute Korrosionsbeständigkeiten auf, ist aber unansehnlich. Eisen als Legierungspartner kann wie Zinn in einem weiten Bereich zwischen 10 % und 80 % mitabgeschieden werden. Das Korrosionsverhalten ist ähnlich dem von Zink-Nickel, hat bisher allerdings noch keinen umfangreichen Einsatz erfahren.

Oberflächen für Energiesysteme

Intermetallische Phasen

In der Energieübertragung werden Bimetallverbindungen eingesetzt, bei denen durch die Bildung von intermetallischen Phasen Ausfälle auftreten. In einer gemeinsamen Arbeit von Stephanie Pfeifer (Vortragende), Prof. Dr. Steffen Großmann (beide TU Dresden), Heidi Willing, Herbert Kappl und Dr. Renate Freudenberger (fem, Schwäbisch Gmünd) wurde versucht, die Ursachen von diesem Effekt zu ermitteln. Als industrierelevante Paarungen wurden Aluminium-Kupfer und Aluminium-Silber für die Untersuchungen ausgewählt. Ausgegangen wurde von Diffusion, Oxidbildung und Elektromigration als Ursachen des auftretenden Verlustes der elektrischen Leitung. Durch galvanische und PVD-Beschichtungen sollten die negativen Prozesse vermieden werden. In unterschiedlichen Szenarien unter Temperatur- und Strombelastung wurden die Effekte auf die Werkstoffe untersucht. Während sich Hinweise auf den Einfluss von eindringendem Sauerstoff und Oxidbildung andeuten, konnten intermetallische Phasen bei den Untersuchungen nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.

Iridiumschichten

Christian Grieger und Frank Köster, Hochschule Mittweida, entwickelten Elektrolyte­ zur Abscheidung von Iridium. Schichten aus dem Edelmetall eignen sich aufgrund der hohen Härte und guten Korrosionsbeständigkeit zur Herstellung von Kontaktoberflächen, beispielsweise für Schleifkontakte in der Elektrotechnik. Zudem zeigt Iridium eine gute Sensitivität für den pH-Wert im Bereich zwischen pH 2 und pH 10 und ist damit geeignet für die Herstellung von pH-Sensoren. Die Abscheidung von Schichten bis zu einer Dicke von zehn Mikrometer gelingt aus Elektrolyten mit einer Iridium-Brom- sowie einer Iridium-Chlor-Verbindung.

Mehrstofflegierungen

Für die Verwendung in Brennstoffzellen untersuchte Mila Manolova, fem, Schwäbisch Gmünd, zusammen mit Kollegen (C. Schöberl, R. Freudenberger, fem; A. Katzfuß, J. Kerres, Universität Stuttgart; S. Stypka, B. Oberschachtziek, ZBT Duisburg) die Abscheidung von Mehrstofflegierungen. Als Substrate dienten unterschiedliche metallische Gewebe und Vliese, beispielsweise aus Stahl, mit Nickel beschichtetem Kohlenstoff oder Nickel. Abgeschieden wurden Nickel-Wolfram-Titanoxid, wobei geschlossene Schichten mit Titandioxid entstanden, Kobalt-Nickel-Molybdän-Wolfram, Kobalt-Mangan sowie Kobalt-Nickel (Sol-Gel-Beschichtung). An solchen Schichten wird Wasserstoff mit deutlich geringerer Überspannung abgeschieden, wobei die Rauheit der Schichten einen deutlichen Einfluss hat. Des Weiteren treten Unterschiede dadurch auf, dass Abscheidungen auf einigen Substraten nicht geschlossen auftreten und die Streufähigkeit teilweise sehr schlecht ist, also das Innere von Vliesen nicht beschichtet wird. Die besten Eigenschaften zeigen Kobalt-Mangan auf Stahl und Kobalt-Nickel-Molybdän-Wolfram.

In weiteren Untersuchungen befasste sich die Referentin mit der Auswahl von anionen­leitenden Membranen für den Elektrolyseur sowie mit der Sol-Gel-Beschichtung der erforderlichen Anode. Hier spielt die Überspannung für die Sauerstoffentwicklung eine Rolle, die möglichst gering sein sollte. Die Qualität der Schichten auf verschiedenen Vliesen wird unter anderem durch die Sintertemperatur bestimmt.

Galvanotechnik für Solarzellen

Vor allem die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen greift auf die Verfahren der Galvanotechnik zurück, da hier die Metalle Kupfer, Indium, Gallium und Selen zum Einsatz kommen. Wie Stefan Schäfer, Enthone GmbH, erläuterte, lassen sich diese Metalle sowohl als Reinmetalle als auch in Form von Legierungen abscheiden. Herausforderungen sind hier jedoch eine sehr genaue Zusammensetzung sowie eine hohe Präzision bei der Schichtdicke. Neu ist die Kombination von Kupfer, Zinn, Zink und Schwefel in photovoltaischen Zellen, die ebenfalls mittels galvanischer Abscheidung erzeugt werden, allerdings mit kostengünstigeren Ausgangsstoffen arbeiten.

Reibungszahlen

Wie Dr. Christine Rohr, Dr. Hesse GmbH & Cie. KG, einführend darlegte, wurden Reibungszahlen bisher in erster Linie für den Automobilbau festgelegt. Die hier entstandenen Änderungen durch den Wechsel von der klassischen Chromatierung zu den jetzt üblichen Passivierungen sind eingehend untersucht worden. Um den Erhöhungen der Reibungszahlen – von etwa 0,21 bis 0,28 auf etwa 0,18 bis 0,36 – mit den größeren Streuungen zu begegnen, wurden unterschiedliche Nachbehandlungen entwickelt.

Kaum bekannt sind dagegen die Verhält­nisse außerhalb der Automobilindustrie. Diese wurden an metrischen Schrauben (M3 und M10) untersucht. Für die unterschiedlichen Verfahren der Nachbehandlung wurden die entsprechenden Reibungszahlen ermittelt. Dabei zeigte es sich, dass die Art der Beschichtung sowie die Verbausituation einen entscheidenden Einfluss auf die Reibungszahlen und der Qualität der Verschraubung haben.

Chemisch abgeschiedenes Nickel für höchste Korrosionsbeanspruchung

Vor allem für die Betreiber von Anlagen zur Stromgewinnung stellt die Beständigkeit von Bauteilen gegen Korrosion und Verschleiß ein entscheidendes Kriterium dar. Dr. Christoph Werner, Enthone GmbH, untersuchte zusammen mit seinen Kollegen H. Horsthemke, F. J. Stark und H. J. Kraft hier die Eigenschaften von chemisch abgeschiedenem Nickel mit hohen Phosphorgehalten und verbesserte dessen Eigenschaften. Hierbei wurde auch berücksichtigt, dass die Elektrolyte ohne Bleizusätze als Stabilisatoren auskommen. Die Schichten für solche hochbeanspruchten Einsatzfälle können dann die besten Leistungen erbringen, wenn sie porenfrei abgeschieden werden und die Kanten der Bauteile in aus­reichendem Maße bedecken.

Ein Ansatz, der hier erfolgreich ist, richtete sich auf die Konstanz der Elektrolytzusammensetzung. Hierfür wurde der Elektrolyt dahingehend geändert, dass Sulfat als Bestandteil durch Acetat ersetzt wird. Die dann vorliegende Essigsäure kann aus dem Elektrolyten entfernt werden und damit die übliche Alterung mit den dabei auftretenden Begleiterscheinungen stark vermindert werden. Das Verfahren erlaubt die Abscheidung von sehr glatten und hoch korrosionsbeständigen Schichten mit unterschied­lichen Phosphorgehalten.

Dreiwertige Verchromung

Aufgrund der Entwicklungen bei REACh wird seit einiger Zeit daran gearbeitet, das sechswertige Chrom für die Herstellung von Chromschichten durch Verbindungen auf Basis von Chrom(III) zu ersetzen, wie Holger Sarhage, Coventya GmbH, einführend betonte. Zur Abklärung der Eignung der neuen Elektrolyte auf Basis von Chrom wurde im vergangenen Jahr auf Initiative des Fachverbands galvanisierte Kunststoffe, FGK, ein Ringversuch gestartet. Ziel hierbei war es, nach Möglichkeit den bisher üblichen Schichtaufbau aus Kupfer und mehreren Nickelschichten unter der abschließenden dekorativen Chromschicht beizubehalten. Zur Abscheidung von Chrom wurden sowohl Elektrolyte auf Sulfat- als auch auf Chloridbasis verwendet. Allerdings konnte hierbei nicht die notwendige Qualität der Schicht in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit ­erzielt werden.

Die daraufhin in Gang gesetzten Entwicklungen führten zu einem Schichtaufbau mit einer Zinn-Nickel-Schicht an Stelle des bisher verwendeten mikroporigen Nickels. Die Ergebnisse in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit und das Erscheinungsbild sind im CASS-Test mit den klassischen Chrom(VI)schichten vergleichbar. Lediglich das Abriebverhalten – untersucht mit dem Bürstentest – muss noch verbessert werden.

Ersatz von Borsäure

Neben einigen anderen wichtigen Substanzen in der Galvanotechnik ist auch Borsäure im Zusammenhang mit REACh in den Kreis der Stoffe gelangt, die auf längere Sicht ersetzt werden sollten. Dabei besitzt Bor­säure nach Aussage von Dr. Malte Standera, Dr. Hesse GmbH & Cie. KG, kaum zu übertreffende Eigenschaften, wenn es um die Pufferung von wässrigen Lösungen geht. Zugleich ist das Gefahrenpotenzial, das von Borsäure ausgeht, nach den Erfahrungen der Praxis verschwindend gering.

Als Ersatzstoffe kommen unter anderem Essigsäure, Adipinsäure, Bernsteinsäure oder Citronensäure in Betracht. Hierbei rückt vor allem Essigsäure in den Fokus. Untersucht wurde Essigsäure für die Abscheidung von Zink-Nickel. Hierbei zeigte es sich, dass unter bestimmten Bedingungen ein Ersatz von Borsäure durch Essigsäure möglich ist und sogar Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahren erzielbar sind.

Passivierungen für Durchlaufanlagen

Die europäische ELV-Direktive hat dazu geführt, dass Passivierungen auch bei feuerverzinktem Bandstahl ohne sechswertiges Chrom auskommen müssen. Allerdings verfügen die Ersatzprodukte über eine Gefährdung durch enthaltenes Fluorid oder Nitrat. Dr. Björn Dingwerth und Christopher Dörr, Atotech Deutschland GmbH, stellten ein neues Verfahren ohne Fluorid, Nitrat und Kobalt vor. Der Einsatz der Nachbehandlung wurde über eine Zeitdauer von fünf Monaten bei einer durchschnittlichen Tagesproduktion von etwa 400 Tonnen unter Praxisbedingungen getestet. Die behandelten Stahlbänder zeigten ein sehr gutes Korrosionsverhalten und eine gute Lackhaftung. Zugleich konnte der Prozess stabilisiert und vereinfacht werden, indem bisher notwendige Spülstufen entfallen sind.

Junge Kollegen

Im Rahmen der Vortragsreihe Junge Kollegen stellen Studenten und Doktoranden ihre Arbeiten vor. Sie erhalten damit die Gelegenheit, sich in die Fachwelt einzuführen und tragen zur Innovation der Branche bei.

Weißbronze

Eröffnet wurde diese Vortragsreihe mit zwei Beiträgen über Weißbronze, die als Ersatz für Nickel in Betracht kommen. Nickel ist vor allem bei direktem Kontakt mit Haut in der Lage, eine Allergie auszulösen. Vor allem aus diesem Grund wird es für Teile in Kleidungsstücken oder Handwerkzeugen nach Möglichkeit nicht mehr eingesetzt. Die beiden vorgetragenen Arbeiten von Roy Morgenstern (Koautoren: I. Scharf, F. Cuibus, W. Knoll, T. Kronenberger, A. Bund, T. Lampke) sowie Markus Müller (Koautoren: I. Scharf, G. Mollath, W. Knoll, T. Lampke) befassten sich mit den Anforderungen an eine galvanisch abgeschiedene Bronzeschicht, die sich aus den vorteilhaften Eigenschaften von Nickel ableiten. Dazu zählen die Härte, die gute Verschleißbeständigkeit, die Möglichkeit, glänzende Schichten herzustellen, oder die gute Korrosionsbeständigkeit. Für alle diese Eigenschaften stehen Prüfverfahren zur Verfügung, denen Ersatzschichten unterzogen werden.

Eine Alternative aus dem Bereich der Bronzen ist die Legierung aus Kupfer mit Zinn und Zink in unterschiedlicher Konzentration, die als Weißbronze oder Weißmessing bezeichnet wird. Bisher erfolgte die Abscheidung der Legierungen aus cyanidischen Elektrolyten. Neue Entwicklungen zielen auf cyanidfreie Verfahren mit Komplexbildnern und beispielsweise mit Pulsstrom. Insbesondere der Pulsstromeinsatz führt zu guten Streufähigkeiten.

Dispersionsschichten mit Zink und Titanoxid

Christoph Baumer stellte Untersuchungen zum Einbau von Titandioxidpartikeln im Nanometermaßstab in saure Zinkschichten vor, die er zusammen mit Prof. A. Bund, Dr. U. Schmidt, M. Camargo und I. Diaz Tang durchgeführt hat. Ziel der Arbeit ist die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Zinkschichten, die häufig bereits bei der Beschichtung von Massenteilen durch Trommelgalvanisieren auftreten. Hierfür wurden Partikel mit einem Durchmesser von 21 Nanometer eingesetzt. Leider neigen die Partikel stark zu Koagulation, wodurch die Mitabscheidung behindert wird. Trotzdem gelang eine Einbaurate von bis zu 2 m-% über die gesamte Dicke der Schicht. Erheblicher Aufwand musste jedoch bei der Messtechnik zur Bestimmung der Einbaurate betrieben werden. So zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen Röntgenfluoreszenz und Glimmentladungsspektroskopie. Diese wurden auf die merkliche Adsorption der Nanopartikel an der Oberfläche der Zinkschicht zurückgeführt.

Verschleißschutz beim Warmwalzen

Beim Warmwalzen treten auf Grund hoher mechanischer Belastungen und hoher Temperaturen bis zu 400 °C starke Abnutzungen der Walzwerkzeuge auf. Diese führen zu erheblichen Kosten bei der Stahlherstellung. Melanie Rademacher zog als Abhilfe eine Beschichtung mit chemisch abgeschiedenen Nickeldispersionsschichten in Betracht, die sie mit Unterstützung von Dr. A. Bán und H. Deli durchführte. Verbesserungen sollten Nickelschichten mit einem hohen Anteil an Phosphor und Dispersionsstoffen (15 % bis 30 %) bringen. Als Feststoff wurde Borcarbid gewählt

Prinzipiell zeigen die Untersuchungen, dass die dünneren Schichten mit 20 Mikrometer eine geringere Verschleißbeständigkeit als die 40 Mikrometerschichten haben. Wie in der Literatur angegeben, ergibt sich durch feine Partikel keine Verbesserung der ­Eigenschaften, da diese schlechter eingebaut werden. Durch eine Härtung der chemisch abgeschiedenen Nickelschicht kann die Beständigkeit gesteigert werden.

Das Auftreten von Oberflächenzerrüttung kann durch das Prassstrahlverfahren mit Glasperlen geprüft werden. Besonders vorteilhaft ist eine Einbaurate von etwa 15 % Borcarbid und nachfolgende Härtung der Schicht. Zur Untersuchung des Verhaltens der Schichten im Einsatz beim Umformen werden wird ein Wälzprüfstand mit einer Temperaturbelastung bei 235 °C betrieben. Insgesamt brachte die Beschichtung eine etwa 90-%-Verminderung des Verschleißes. Das positive Ergebnis hat zum Einsatz in einem realen Walzprozess geführt. Hierbei wird Blech mit 1025 °C gewalzt. In einem ersten Versuch war bis zu drei Kilometer Walzlänge keine Beschädigung der Walzen feststellbar. Damit zeigt die Beschichtung eine höhere Beständigkeit als Sphäroguss, bei allerdings höherer Temperaturempfindlichkeit, weshalb eine Kühlung wichtig ist.

Im Vergleich der Werkstoffe zeigt die Beschichtung Risstiefen bis zu 400 Mikrometer, während diese bei Schmiedestahl bis 800 Mikrometer reichten, wogegen die chemisch beschichteten Walzen mit etwa 20 Mikrometer einen deutlich geringeren Abtrag aufweisen.

Metallisiertes CFK

Wie Dr. Falko Hiller-Böttger einführend betonte, betrachtet die Forschungsgruppe (M. Nier, M. Trautmann, T. Böttger, D. Nickel, I. Scharf, D. Nestler, B. Wielage, T. Lampke) nicht nur die reine Technologie, sondern auch die Wirtschaftlichkeit und die technische Umsetzung des Verfahrens in die Industrie. Prinzipiell unterscheiden sich CFK durch gute mechanische Eigenschaften – hohe Festigkeit, geringes Gewicht, aber geringe Duktilität. Derzeit sind noch keine metallisierten Kohlenstofffasern verfügbar. Hier sieht die Forschungsgruppe ihre Aufgabenstellung.

Als Substrat werden Kohlenstoff-Faserbündel eingesetzt, die aus 3000 Einzelfasern bestehen. Dazu muss zunächst die so genannte Schlichte von den Fasern entfernt werden. Die Schlichte sorgt für eine gute mechanische Verarbeitung von Fasern, stört aber bei der Beschichtung. Die Schlichte wird im vorliegenden Fall durch thermische Belastung oder durch chemische Behandlung mit Aceton entfernt. Bei der chemischen Behandlung wird zudem eine gute Vereinzelung erreicht.

Die vereinzelten Fasern werden verkupfert. Hier hat sich ein komplexierter Elektrolyt mit guter Streufähigkeit bewährt, wogegen der saure Elektrolyt eine unvollständige Beschichtung ergibt. Mit dem Verfahren können bei hoher Stromausbeute etwa 0,7 mm/min erreicht werden. Deutliche Anstiege ergeben sich durch die Verkupferung bei der Leitfähigkeit. Dadurch kann ein CFK beispielsweise als Blitzschutz bei Flugzeugen hergestellt werden. Im ersten Ansatz wurden Faserbündel durch kontinuierliches Beschichten im Durchlauf bearbeitet.

Ein weiterer Ansatz geht von der Beschichtung eines Gewebes aus. Hier ergab sich der Nachteil, dass bei Kupfer nur auf der Außenseite des Gewebes metallisiert wird. Bei der Nickelbeschichtung wird bei hoher Stromdichte eine wesentlich bessere Tiefenstreuung erreicht. Ein weiteres untersuchtes Beschichtungsverfahren war das thermische Spritzen. Auch hier war die Herstellung einer Beschichtung möglich.

Vorderseitenmetallisierung von Solarzellen

Die Vorderseitenkontaktierung von Solar­zellen erfolgt heute in der Regel durch Aufdrucken von Silber. Der Ersatz dieses kostenintensiven Verfahrens war die Motivation der Arbeit von Mathias Fritz (mit U. Schmidt, M. Leimbach, A. Bund, O. Lühn und H. Kühnlein). Als Alternative wird die lichtunterstützte Abscheidung von Kupfer gesehen. Um die Diffusion von Kupfer in das Silizium zu verhindern, muss allerdings mit einer Barriereschicht gearbeitet werden.

Bei der lichtunterstützten Abscheidung wird mit Licht bei etwa 550 nm gearbeitet. Bei dieser Wellenlänge zeigt der Elektrolyt die geringste Absorption, so dass nahezu das gesamte Licht für den Abscheideprozess an der Oberfläche verfügbar ist. Als Lichtquelle diente eine LED.

Im ersten Schritt des Beschichtungsvorganges muss zunächst die gewünschte Leiterbahn von der Antireflexionsschicht (SiN + SiO2) befreit werden. Diese so genannten Finger besitzen eine Breite von 25 Mikrometer und werden durch eine Laserbehandlung hergestellt. Nach dem Lasern erfolgt eine Behandlung in Flusssäure, wodurch das Grundmaterial aus dotiertem Silizium freigelegt werden kann.

Die Abscheidung der Schicht ändert sich mit der Lichtleistung; je höher diese ist, um so glatter wird die erzeugte Nickelschicht. Des Weiteren wird durch die Steigerung der Lichtleistung das Abscheidepotential der galvanischen Abscheidungverändert. Ab etwa fünf Mikrometer ist die Schicht dicht. Geringere Schichtdicken zum Erzielen einer geschlossenen Nickelschicht werden mit einem höher konzentrierten Nickelsulfamat erreicht. Nach wie vor verbesserungsbedürftig ist die Entfernung des Siliziumnitrids, das bisher noch in einer geringen Restdicke von einigen Nanometern vorliegt. Insgesamt bietet das Verfahren den Vorteil, dass ohne externe Stromeinspeisung eine selektive Abscheidung erzielt wird, indem die Eigenschaft des photovoltaischen Grundmaterials zur Erzeugung von freien Elektronen ausgenutzt wird.

Zink-Zinn-Abscheidung aus ionischen Flüssigkeiten

Die Abscheidung von Metallen aus ionischen Flüssigkeiten ermöglicht die Herstellung von neuartigen Schichten. Guizhi Zeng (zusammen mit B. Friedrich und A. Möbius) hat sich mit der Abscheidung von Zink-Zinn aus eutektischen Lösungen auf Basis von Cholinchlorid befasst. Vorteil solcher Systeme ist neben der neuartigen Zusammensetzung die weitgehende Vermeidund der Wasserstoffbildung sowie die geringe gesundheitliche Gefährdung durch die verwendeten Verbindungen. Aus dem verwendeten System scheiden sich Zinn und Zink in separaten Phasen ab, wobei Zusammensetzungen zwischen 0 % und 40 % Zinn und Schichtdicken bis 40 Mikrometer möglich sind. Die Schichten zeigen sehr gute Korrosionseigenschaften. Das System stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg vom Labor in die Praxis dar.

Metalloberflächen bei extremen Stromdichten

Michal Manko untersuchte in Zusammen­arbeit mit K. Rataj, T. R. Münninghoff und M. M. Lohrengel die Prozesse an Metall­oberflächen, wie sie zum Beispiel bei der elektrochemischen Formgebung mit den hohen angewandten Stromdichten von mehr als 5 A/cm2 auftreten. Hierbei wird eine Formkathode in einem Elektrolyten an die Oberfläche des Werkstücks herangeführt und das Werkstück anodisch aufgelöst. Dabei wird die Struktur der Formkathode auf das Werkstück übertragen. Um die Prozesse gezielt zu beeinflussen und zu verbessern, ist die Kenntnis der ablaufenden Vorgänge wichtig, was bisher nur sehr eingeschränkt der Fall ist.

Für die Untersuchungen wurde eine spezielle Messzelle hergestellt, die hohe Durchflussgeschwindigkeiten des Elektrolyten sowie die Messung mittels UV-VIS für Kationen und Fluoreszenz zur Bestimmung des Sauerstoffs ermöglicht. Für unterschiedliche Stromdichten konnten so der Anteil an Metallionen (auch verschiedene Wertig­keiten) sowie der Anteil an Sauerstoff bei der Auflösung der verschiedensten Metalle­ (Eisen, Eisenlegierungen, Edelmetalle, Refraktärmetalle) bestimmt werden. In nahezu allen Fällen erfolgte die Auflösung durch eine Passivschicht mit der Bildung von übersättigten Filmen an der Metalloberfläche.

Nitratentfernung aus Abwasser

Nitrat in Wasser wird zunehmend zum Problem. Aus diesem Grund werden Verfahren gesucht, mit denen Nitrat möglichst bis zu Stickstoff abgebaut werden kann und keine weiteren unerwünschten Stoffe eingebracht werden müssen. Florina M. Cuibus (Koautoren: A. Bund, P. Ilea) hat dazu den elektrochemischen Abbau an geeigneten Elektroden untersucht. Als besonders geeignet erweisen sich Kupfer und Kupfer-Zinn, die durch elektrochemische Abscheidung auf ein Substrat hergestellt wurden. Die Eignung zum Abbau von Nitrat wurde mit Hilfe der cyclischen Voltammetrie untersucht. Kupfer-Zinn zeigt hierbei einen effizienteren Abbau, wobei vor allem Wasser mit geringer Konzentration untersucht wurde, da 80 Prozent des kritischen Abwassers eine geringe Nitratkonzentration aufweisen.

– wird fortgesetzt –

Fotos: ZVO e.V.

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