Innovation in der Oberflächentechnik durch Gramm-Selektivtechnik

Oberflächen 10. 04. 2014
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Von Ralf Altheimer, Ditzingen-Heimerdingen

Die Reaktortechnik zur galvanischen Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bearbeitungsmedien ablaufgemäß dem Reaktor mit ruhendem Bauteil zugeführt werden. Zugleich erlaubt der angepasste Reaktorraum geringe Abstände zwischen Anode und Kathode und hohe Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch lassen sich die Abscheidegeschwindigkeit und die Schichtverteilung deutlich steigern. Neben der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit, einer ausgezeichneten Umweltfreundlichkeit und hoher Qualität hat die Technologie den Vorteil, mit geringem Aufwand in beliebigen Produktionsstätten einsetzbar zu sein.

Selective High-Speed Customised Chromium Plating – Innovation in Surface Engineering Technology from Gramm

In new technology patented by the German company Gramm-Technik, the component to be plated is static while the chromium plating electrolyte is circulated at very high flow rates in a reactor with very small anode-cathode gap. This allows a very high deposition rate as well as a high degree of deposited metal uniformity. Apart from these benefits, the process is environmentally-friendly and produces high quality coatings. A further benefit is the relatively small footprint of the equipment.

Die Gramm-Selektivtechnik (GST) ist eine bewährte Alternative zur konventionellen galvanischen Abscheidung beziehungsweise Oberflächenbehandlung und Behandlung in offenen Behältern. Bei weltbekannten TIER1-Lieferanten wird diese Technik seit etwa 20 Jahren im Bereich Hartanodisieren von Motorkolben eingesetzt. Durch die jahrelange Erfahrung und konsequente­ Weiterentwicklung stehen heute für das Hartverchromen High-Speedchromanlagen zur reproduzierbaren, wirtschaftlichen und umweltgerechten Beschichtung in geschlossenen Beschichtungszellen zur Verfügung.

In enger Kooperation mit Enthone wird die für die GST-Technologie optimierte Prozess­chemie ANKOR® eingesetzt. Durch ein patentiertes Unterdruckverfahren wird der Elektrolyt zum Bauteil transportiert. Der Prozess findet im geschlossenen System statt und ist somit hinsichtlich Energieeinsatz, Emissionen, Ressourcen und Qualität­ kaum zu übertreffen.

1 GST – Anlagenprinzip

Die GST-Technik positioniert das Bauteil (manuell oder automatisiert) in einer bauteilspezifischen Beschichtungszelle. Die Zuführung der Prozesschemie erfolgt im Unterdruck; es können diverse Prozessmittel, von der Reinigung bis zur Beschichtung in einem einzigen Beschichtungswerkzeug eingesetzt werden. Im Gegensatz zur konventionellen Technik, bei dem das zu bearbeitende Teil mittels Transportsystem durch die einzelnen Arbeitspositionen (Vorbehandlung, Aktivpositionen, Spülen) befördert wird, kommt hier die Chemie zum Bauteil (Abb. 1).

Abb. 1: Prinzipbild der GST-Technik (rechts) und der konventionelle Technik (links)

Bei der selektiven Verchromung werden die Bauteile in der Regel vorgereinigt zugeführt und anschließend in der Zelle mit Chromsäure aktiviert; die definierten Strömungsbedingungen sowie die speziellen Strom- und Spannungsparameter gewährleisten eine optimale Haftung der Schicht. Eine neu entwickelte, innovative Spültechnik reinigt nicht nur optimal, sondern ist auch die Basis für eine abwasserfreie Hartchromanlage.

Für die Beschichtung und Reinigung der Zelle wurde eine bauteilspezifische Strömungszelle konzipiert und konstruiert; die daraus resultierende hohe Reproduzierbarkeit bietet sich somit für Serienbauteile an.

Die GST-Technik bietet folgende Vorteile:

  • hohe Prozesssicherheit hinsichtlich Schichtdicke, Gefüge, Härte und der daraus resultierenden funktionalen Eigenschaften, zum Beispiel Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit
  • keine negativen Prozesseinflüsse, zum Beispiel Poren, durch entstehendes Gas aufgrund der gezielten Strömung im Unterdruck
  • geringes Elektrolyttvolumen
  • die Strömung ermöglicht den Einsatz von nichtleitenden Blenden und somit eine optimale Schichtverteilung
  • prozessintegrierte Qualitätssicherung, vor allem durch Reduzierung der Prüfaufwendungen aufgrund der hohen Prozesssicherheit.

2 Verchromungsprozess und Schichteigenschaften

Eine Hartchromschicht besitzt hervorragende Eigenschaften, die für eine Vielzahl von Anwendungen bedeutsam sind; dazu gehören die hohe Härte, der niedrige Reibungskoeffizient, die ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit und das antiadhäsive Verhalten.

In enger Kooperation mit Enthone wurde die bekannte High-Speedverchromung ANKOR® 1160 auf die GST-Technik angepasst. Daraus ergeben sich als Kombination aus Elektrolyt und Anlagentechnologie besondere Vorteile:

  • sehr hoher Wirkungsgrad von mehr als 30 Prozent im Vergleich zu konventionellen Verfahren
  • Abscheidegeschwindigkeit von 5 µm/min bis 8 µm/min möglich (abhängig vom Bauteil) bei Stromdichten zwischen 150 A/dm2 und 300 A/dm2
  • definierte Anzahl an Mikrorissen (300–400 Risse/cm) (Abb. 2)
  • sehr homogene Struktur und somit hohe Korrosionsbeständigkeit (je nach Schichtaufbau bis zu 240 h Beständigkeit im neutralen Salzsprühtest NSS)

Abb. 2: Oberflächenaufnahme (oben) und Querschliff (geätzt) einer Hartchromschicht 

3 Verchromung von Kolbenstangen

Die GST-Hartverchromung mit ANKOR® GAMMAT® eignet sich hervorragend für hohe Stückzahlen und sehr hohen Anforderungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Qualität. Gramm Technik hat eine Anlagentechnologie für Kolbenstangen (Stoßdämpfer für Automobilanwendung) ent­wickelt, die eine Kapazität von über 20 000 Stück pro Tag ermöglicht.

Die modulare Anlage (Abb. 3) ist eine überragende Weiterentwicklung in der industriellen Anwendung der Hartverchromung und zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:

  • hochautomatisierte Beschichtungsanlage
  • geringer Platzbedarf (ca. 100 m2 für eine Kapazität von 20 000 Kolbenstangen pro Tag)
  • Anlage problemlos integrierbar in vorhandenen Produktionsfluss
  • abwasser- und emissionsfreier Betrieb der Beschichtung
  • separater Spezialgleichrichter für jede Beschichtungszelle
  • sichere Qualitätskontrolle über Prozessparameter (Strom, Spannung, Elektrolyttemperatur, Durchfluss)
  • zuverlässige Online-Nachdosierung der Prozesschemie
  • hohe Energieeffizienz.

Abb. 3: Chromanlagen für Kolbenstangen; Aufbau gemäß ANKOR® GAMMAT® mit Roboterhandling (oben) beziehungsweise Handling mit Linearsystem (unten)

4 Anwendung

Die GST-Selektivtechnologie wird bereits für verschiedene industrielle Anwendungen­ erfolgreich eingesetzt. Je nach Anforderung und Bauteilgröße werden auch mehrere Bauteile in einer Zelle verchromt. Die Bestückung des Werkzeugs und die Zuführung zur Zelle können vollautomatisiert durch Handlingsysteme erledigt werden. In Abbildung 4 sind typische Anwendungsbeispiele gezeigt.

 

Abb. 4: Anwendungsbeispiele für verchromte Teile u.a. aus dem Automobilbereich (Motorventil, Kolbenstange) 

Für höchste Ansprüche (minimale Schichtdickenschwankungen) bei komplizierten Kleinteilen für Autombileinspritzsysteme findet die Verchromung in Minizellen mit Einzelgleichrichter bei kleinem Verchromungsstrom von weniger als 5 A (allerdings hohen Stromdichten von über 200 A/dm2) statt.

5 Schichtentwicklung

Durch Kombination verschiedener Chromschichten (rissfrei mit rissiger Schicht oder Schichten mit unterschiedlicher Risszahl) in Form von mehrlagigem Aufbau lassen sich maßgeschneiderte Eigenschaftsprofile erzielen. Die GST-Technologie liefert die optimale Randbedingung, um unterschiedliche Parameter reproduzierbar einzusetzen. Darüber hinaus bieten zusätzliche Optionen, zum Beispiel Unterdruckströmung, weitere Ansätze zur Anpassung der Oberflächen­eigenschaften. Das Schliffbild in Abbildung 5 zeigt dies am Beispiel einer mehrlagigen Chromschicht.

Abb. 5: Mehrlagige Chromschicht

6 REACh/Umweltrelevanz

Die geschlossene GST-Anlagentechnik mit Emissions- und Abwasserfreiheit stellt den modernsten Stand der Technik hinsichtlich Umweltaspekten und Wirtschaftlichkeit dar.

Trotzdem ist zu berücksichtigen, dass Prozesse mit sechswertigem Chrom durch die REACh-Verordnung einer Autorisierungspflicht ab 2017 unterliegen; inwieweit Anwendungen autorisiert werden können, ist noch in der Diskussion beziehungsweise der Klärung.

Im Ergebnis der Zulassung ist zu erwarten, dass die Anforderungen im Umgang mit chrom(VI)haltigen Stoffen, hinsichtlich der Kontrolle von Emission und Exposition, deutlich steigen werden. Darunter fallen zum Beispiel Aerosole mit Chrom(VI), die in Zukunft nach derzeitiger Aussicht sehr wahrscheinlich nur mit strengeren Limits toleriert werden. Die geschlossene Anlage, die Unterdrucktechnologie, das innovative, abwasserfreie Spülsystem und die Emissionsfreiheit bieten somit die Voraussetzung, Chrom(VI)elektrolyte unter den zukünftigen europäischen Rahmenbedingungen sicher und nachhaltig einsetzen zu können.

Gramm Technik GmbH
Einsteinstraße 4
D-71254 Ditzingen-Heimerdingen

 

 

 

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