Know-how aus erster Hand

Experten beziehen Stellung – Vorträge auf dem Forum der O&S 2014 in Stuttgart

Messen bieten häufig nicht nur die Möglichkeit, sich in direktem Gespräch mit Ausstellern über Neuheiten zu informieren, sondern es werden auch im Rahmen von Vortragsveranstaltungen Informationen über wichtige Fachthemen in neutraler Umgebung angeboten. Auch bei der diesjährigen internationalen Fachmesse Oberflächen und Schichten O&S in Stuttgart hatten Messebesucher Gelegenheit, ihr Wissen auf diese Art zu erweitern. Einige Teilnehmer des erstmals ausgerichteten Gemeinschaftsstandes Prozesskette Oberflächentechnik in Halle 7 brachten ihre Angebote einem breiteren Publikum nahe. Ergänzt wurden die Themen durch Vorträge von Fachleuten weiterer Messeaussteller.

Hochleistungsbeschichtungen für Werkzeuge

Insbesondere Werkzeuge zum Bohren, Schneiden oder Fräsen werden heute für den gewerblichen Bereich aus wirtschaftlichen Gründen nur noch mit PVD-Hochleistungsschichten eingesetzt. Solche speziellen Beschichtungen, wie sie von der H+K Surface Technology GmbH hergestellt werden, erlauben hohe Bearbeitungsgeschwindig­keiten bei langen Standzeiten der Werk­zeuge und sehr hoher Bearbeitungsqualität, wie Renate Welcker erläuterte. Dieser Trend hat dazu beigetragen, dass das 2004 gegründete Unternehmen heute mit elf Mitarbeitern etwa 70 000 Werkzeuge­ pro Monat mit unterschiedlichen Hartstoffarten beschichtet.

Die Beschichtung wird als Chargenprozess ausgeführt, wobei eine Reinigung und – bei einigen Oberflächen – eine Nachbehandlung als wichtige Schritte den Prozess komplettieren. Die Beschichtungszeiten liegen einschließlich Evakuieren der Prozesskammer, Heizen, Abkühlen und Belüften bei etwa vier Stunden. Zu den Vorteilen der Beschichtungstechnik zählt, dass die Zusammensetzung der Schichten durch einen relativ einfachen Wechsel der Targets geändert werden kann. (Targets liefern die metallischen Komponenten der Schichten.) Als klassische Verbindungen gelten Titan-Aluminium-Nitrid, Titannitrid, Chromnitrid oder Titan-Carbo-Nitrid, wogegen Nanocompositschichten zu den neueren Varianten zählen. Bei H+K werden mehr als 70 % der Werkzeuge mit Titan-Aluminium-Nitrid (Anteil > 50 %, steigend) und Titannitrid ­beschichtet; Kompositschichten befinden sich in der Einführung.

Deutlich unterschiedlich sind die Eigenschaften der Schichtsysteme. So besitzt Titan-Aluminium-Nitrid eine Härte von etwa 2800 HV, ist lamellar aufgebaut und kann bis zu einer Oberflächentemperatur von etwa 800 °C eingesetzt werden. Die zellulär aufgebauten Nanocompositschichten verfügen dagegen über eine Härte von etwa 4500 HV und überstehen Oberflächentemperaturen von bis zu 1200 °C. Dieser Eigenschaftssprung ermöglicht deutlich höhere Standzeiten beispielsweise bei Vorschubgeschwindigkeiten von 75 m/min bei Bohren in Kugelgraphitguss gegenüber Titan-Aluminium-Nitrid (etwa + 35 %). Ein interessantes Thema bei Werkzeugen ist die Kantenpräparation der Schneiden. Durch ein entsprechendes Verrunden (beispielsweise durch eine optimierte Strahlbehandlung) kann die Zerspanungsleistung der Werkzeuge merklich erhöht werden.

Plagiatschutz durch Marker

Dr. Martin Fahr von der Polysecure GmbH stellte die Technologie des Plagiatschutzes mit Hilfe von Markern vor. Die Einlagerung von Produktmarkern der Firma Polysecure in chemisch beziehungsweise elektrochemisch erzeugte metallische Beschichtungen durch die Hartchrom Schoch GmbH war zum Auftakt der Messe mit dem Preis Die Oberfläche 2014 in Bronze ausgezeichnet worden. Als Basis der Technologie kommen keramische und/oder kristalline Pulver zum Einsatz, die temperaturstabil (bis ca. 1600 °C) sind und in vollkommen inerter und biokompatibler Form hergestellt werden können. Damit können sie praktisch jedem Material (auch Lebensmitteln) zugemischt werden.

Die Marker verfügen über vier Sicherheitsmerkmale: Fluoreszenz (Anti-Sokes-Effekt bei Kristallen), ein chemischer Code, ein struktureller Fingerabdruck sowie 3D-Mikrostrukturen. Je nach Effekt kommen andere Systeme zur Identifizierung in Betracht, ebenso unterscheiden sich danach die Aufwendungen zur Analyse. Im einfachsten Fall ist die Identifizierung innerhalb von wenigen Sekunden möglichen, bei den eingeschlossenen Markerpulvern je nach Substrat kann dies aber auch einen Aufwand von einem Tag erforderlich machen. Insbesondere die neuen 3D-Mikrostrukturen (Diatomeenschalen mit Durchmessern zwischen 100 µm und 300 µm) lassen sich auch mit Apps auf mobilen Kommunikations­geräten erfassen und identifizieren. Ansonsten besitzen die Marker Abmessungen zwischen 0,1 µm und 100 µm und liefern in Konzentrationen von 10 ppm bis 200 ppm des Endprodukts bereits zuverlässige Signale für eine Erkennung.

Bei festen Produkten (Metalle) lassen sich die Marker mittels Klebstoff oder in Mikrobohrungen einbringen. Neu ist die Verbindung zwischen Marker und Metall durch Einbringung in Vertiefungen oder Risse von Metallschichten; insbesondere die bei Hartchromschichten vorhandenen Risse eignen sich als Reservoir für die Marker. Dies war auch die Anwendung, die im Gemeinschaftsprojekt von Polysecure und STI Hartchrom mit einem Preis bedacht wurde.

Korrosionsprüfung im Klimawechseltest

Korrosionsprüfungen gelten im Bereich der Oberflächentechnik als eine der wichtigsten Prüfgrößen, zugleich treten bei dieser Messmethode aber auch die größten Schwankungen bei Vergleichen zwischen verschiedenen Messgruppen auf. Hans-Ulrich Vogler, VLM GmbH, hat es sich zur Aufgabe gemacht, nicht nur zuverlässige Mess­einrichtungen herzustellen, sondern auch die erforderliche Handhabung zu vermitteln, um die Schwankungen der Messergebnisse so gering als möglich zu halten.

VLM legt bei der Herstellung von Klimawechselkammern Wert auf eine sehr gute Ausstattung mit Sensoren. Mithilfe der Messeinrichtungen können beispielsweise­ Temperaturverläufe oder Feuchtigkeitswerte genau und insbesondere reproduzierbar innerhalb der Kammer und an den Oberflächen der zu untersuchenden Teile eingestellt werden. Damit ist es auch möglich, komplexe Belastungsmodi, wie sie von den unterschiedlichen OEMs entwickelt und vorgeschrieben werden, zuverlässig einzuhalten. Dies zeigte der Vortragende an Temperatur- und Feuchtigkeitsverläufen auf, bei denen insbesondere die gute Reproduzierbarkeit der jeweiligen Parameter über die Messdauer beeindruckte.

Als weitere und besonders wichtige Dienstleistung bietet VLM die Instruktion der Bediener von Klimawechseltesteinrichtungen an. Insbesondere die Positionierung und Orientierung der Proben ist hier wichtig, um bei jedem Durchlauf vergleichbare klimatische Bedingungen zu garantieren.

Ersatz für Zinkphosphatierung im Automobilbau

Der zunehmende Einsatz von Leichtbauwerkstoffen und die Auflage zur Verringerung des Einsatzes von nickelhaltigen Produkten waren der Anlass zur Entwicklung von Alternativen für das klassische Zinkphosphatieren als Vorbehandlung vor dem Lackieren im Fahrzeugbau. Dr. Christina Bauder vom Fraunhofer-IPA in Stuttgart stellte die Ergebnisse einer durch FOSTA geförderten Untersuchung vor. Ein wichtiger Eckpunkt der Arbeiten war die Anpassung der Prüfmethoden an den neuen VDA-Test für Vorbehandlungen vor dem Lackieren. Hierbei zeigte sich auch der starke Einfluss der Reinigung als Vorbehandlung vor dem Phosphatieren.

Als Alternative zur Zinkphosphatierung wurde eine Behandlung auf Basis von Zirkonoxid mit unkritischen Zusätzen gewählt. Weiterer Parameter neben der Umweltverträglichkeit war die Eignung der Technik für die Mischbauweise aus Stahl und Aluminium. Erheblichen Einfluss auf die Wirkung der Beschichtung hatte der gewählte pH-Wert der Vorreinigung als zweistufige Behandlung bei pH 10,5 und pH 12,5. Deutlich unterschiedlich ist das Erscheinungsbild der Deckschicht im Vergleich zur bisher üblichen Zinkphosphatierung. So wird bei der neuen Technik ein wesentlich feinkristallineres Gefüge erzeugt. Die Beschichtung mit Dicken von etwa 200 nm (unterschiedlich je nach Substrat) zeigt darüber hinaus eine wesentlich bessere Anbindung an das Substrat als dies bei der bisherigen Verfahrenstechnik der Fall ist. Die Schicht ist zudem dichter, wodurch auch eine bessere Korrosionsbeständigkeit zu erwarten ist.

Hartgoldelektrolyte für die Bandbeschichtung

Hartgold zählt zu den wichtigsten Schichtvarianten in der Elektrotechnik und der Elektronik. Hartgoldschichten gewährleisten insbesondere bei niedrigen Betriebsspannungen eine sichere Kontaktierung und sind zugleich eine gute Basis für Löt- und Schweißverbindungen. Wie Dr. Sascha Berger, Umicore Galvanotechnik GmbH, einführend betonte, haben die Entwicklungen im Zusammenhang mit REACh dazu geführt, nach neuen Systemen ohne Kobalt und Nickel zu suchen; der Einsatz von Kobalt wird in Kürze eingeschränkt, der von Nickel in den nächsten Jahren voraussichtlich ebenfalls.

Als alternatives Legierungselement kommt Eisen in Betracht. Dieses zeichnet sich im Vergleich zur Gold-Kobalt und Gold-Nickel durch eine deutlich höhere Beständigkeit gegen Verschleiß- und Reibkorrosion aus. Weitere wichtige Größen wie Kontakt­widerstand, Löt- und Schweißbarkeit oder die Abscheidungsgeschwindigkeit der Elektrolyte sind mit denen der bisher eingesetzten Verfahren vergleichbar.

Ein weiterer positiver Effekt wird mit den neuen Gold-Eisen-Elektrolyten beim Einsatz in der Bandbeschichtung mit Abdeckmasken erzielt. Da in der Praxis oftmals ein geringer Spalt zwischen Grundwerkstoff und Maske vorhanden ist, tritt eine Goldabscheidung unter der Maske auf, was in ungünstigen Fällen einen bis zu 30 % höheren Goldverbrauch bedeuten kann. Der neue Gold-Eisen-Elektrolyt scheidet bei niederen Stromdichten, wie sie unter der Maske­ auftreten, deutlich weniger Gold ab, als die bisher üblichen Gold-Kobalt- und Gold-Nickel-Verfahren. Damit steht mit Gold-Eisen eine Alternative zu den bisherigen Verfahren zur Verfügung, mit denen die selben elektrischen und mechanischen Werte bei merklich effektiverem Goldeinsatz erzielt werden.

Oberflächen für elektrische Kontakte

Thomas Frey von der IMO Oberflächentechnik GmbH, führte die Zuhörer von der Entwicklung der Edelmetallabscheidung in die Praxis, wie sie bei einem modernen Dienstleister der Oberflächenbeschichtung zu finden ist. IMO zählt zu den großen galvanischen Beschichtungsunternehmen für Endlosmaterial, wobei dies heute nicht nur ebene Bänder, sondern auch dreidimensional vorgefertigte Strukturen (hergestellt durch Stanzen oder Biegen des Bandmaterials) sind. Diese werden so partiell beschichtet, dass alle technischen Anforderungen bei minimalstem Materialeinsatz – insbesondere Gold und Goldlegierungen für Kontakte – erfüllt werden.

Die Produktion erfolgt auf speziellen Anlagen mit Längen von bis zu 100 Metern, bei denen die Bänder am Einlauf abgewickelt werden, alle notwendigen Arbeitsschritte von der Reinigung über die Beschichtung bis zur Nachbehandlung durchlaufen und anschließend sofort wieder aufgespult werden. Um die unterschiedlichen Beschichtungsanforderungen, wie Dicke der Schicht oder partielle Verteilung, erfüllen zu können, müssen die Elektrolyte mit stark unterschiedlichen Abscheidegeschwindigkeiten arbeiten können.

Partielle Beschichtungen entstehen durch teilweises Eintauchen in Elektrolyte, durch die Verwendung einer Vielzahl von unter­schiedlichen Maskierungstechnologien oder das gezielte Anströmen (die sogenannte Spot-Technik) beziehungsweise die Elektrolytzuführung über Filze (Tamponbeschichtung). Der Vortragende zeigte die unterschiedlichen Technologien und Verfahren an zahlreichen Animationen, die einen Eindruck von der Vielfalt und Komplexität der Bandbeschichtung erahnen ließen.

Beschichtungen für die Blechbearbeitung

Im Bereich der Umformtechnik, beispielsweise durch Biegen, ist das Richten der Bleche durch Walzen ein wichtiger Prozessschritt. Im Rahmen einer Projektarbeit, deren Ergebnisse Harald Holeczek, Fraunhofer-IPA, vorstellte, wurde untersucht, welche Art der Beschichtung für die hochbelasteten Walzen einer Richtmaschine die bestmögliche darstellt. Dazu wurden neben der klassischen glatten Hartverchromung die Variante Strukturchrom sowie DLC-Schichten auf Strukturchrom betrachtet.

Erstaunlicherweise besitzen in dieser Anwendung die DLC-Schichten mit Abstand die geringste Beständigkeit. Die glatte Hartchromschicht wurde in einer Dicke von 50 µm bis 60 µm, Strukturchrom in einer dünneren (45 µm–55 µm) und einer dickeren (70 µm–80 µm) Variante aufgebracht. Bei den beiden Strukturchromvarianten ergaben sich unterschiedliche Rauheiten von Rz 4 µm bis Rz 6 µm (dünnere Schicht) beziehungsweise Rz 10 µm bis Rz 12 µm. Dar­über hinaus wurden auch unbeschichtete, geschliffene Stahlwalzen in die Untersuchung mit einbezogen.

Die Bewertung der Beschichtungen erfolgte anhand der Walzenbelastungen (neben der Begutachtungen auf Totalausfall) . Hier zeigten sich erkennbare Unterschiede in der Anordnung der Walzen (19 Walzen in der Walzstrecke). Die günstigsten Ergebnisse waren bei vollständiger Bestückung von Walzen mit Strukturchrom zu verzeichnen. Sie zeigten in beiden Dicken eine gute Transportfunktion für die Bauteile und geringes Durchrutschen auf der Oberfläche; das bedeutet eine gleichbleibend hohe Vorschubgeschwindigkeit der Teile. Bei der Bearbeitung von Aluminium kann das Richten bei Verwendung von strukturierten Hartchromschichten auch zur Mattierung der Oberfläche mittels Strukturübertragung eingesetzt werden. Damit lassen sich kleine­ Oberflächenfehler kaschieren.

Zwischen den Walzen mit und ohne Struktur in der Richtmaschine sind geringe Unterschiede bei der Energieaufnahme festzustellen. Beim Einsatz von strukturverchromten Richtwalzen ist eine höhere­ Energie erforderlich. Dies hat unter ande­rem den Vorteil, dass eine höhere und gleichmäßigere Vorschubgeschwindigkeit erzielt wird, da weniger Schlupf zwischen Walzen und Richtgut auftritt.

REACh – breitgefächert und hochkomplex

Auch auf Messen ist REACh mit all ihren Facetten und der daraus entstehenden hohen Unsicherheit bezüglich der weiteren wirtschaftlichen Entwicklung in Europa ein gefragtes Thema. Zahlreiche Unternehmen stellen ihre Reaktionen auf die Neuerungen durch REACh-Vorgaben in den Mittelpunkt ihrer Informationspolitik. Aufgrund der Aktualität hatten die Organisatoren des Vortragsforums mehrere Referenten aufgeboten, die sich in unterschiedlicher Art mit der europäischen Chemikalienverordnung auseinandersetzten.

REACh-Autorisierung

Einer der Referenten war Dr. Malte Zimmer, eupoc GmbH, der sich für den VECCO e. V. intensiv mit der Umsetzung der Forderungen aus REACh auseinandersetzt. Aus dieser Arbeit haben sich einige Ansätze zu Lösungen der – in erster Linie – politisch motivierten Verordnung ergeben. Nach wie vor steht die Anwendung der Zahlen zur Gefährdung bei der Verwendung von sechswertigem Chrom im Mittelpunkt. So zeigen die bisher zugänglichen Angaben aus den Betrieben der Galvanotechnik, das im Prinzip keine Gefährdung für die Mitarbeiter besteht, was Dr. Zimmer aufgrund der vorliegen Zahlen wie folgt begründet: In 89 Jahren Betriebszeit treten bei 5 μg/m³ und 18 exponierten Mitarbeitern im statistischen Mittel 0,54 expositionsbedingte­ Lungenkrebsfälle auf: Also sei kein Fall zu erwarten! Dies würde eigentlich gegen die Notwendigkeit der Autorisierung sprechen, vor allem weil das Ziel des höheren Arbeitsschutzes (ein Kernpunkt von REACh) vollständig verfehlt ist. Um diese zu erreichen, ist eine Klage gegen die Verordnung auf ­europäischer Ebene notwendig.

Unabhängig davon ist es dennoch sinnvoll, sich mit den Verfahrensschritten zum Erhalt einer Zulassung beziehungsweise auch mit den möglichen Alternativen im Falle einer Nichterteilung auseinanderzusetzen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Verwendung von Chrom als Beschichtungsmaterial über eine relativ lange Kette an Fertigungsarten verfügt. Diese reicht vom Hersteller und Importeur über den Formulierer, Händler, Beschichter, Produktverarbeiter bis hin zum Endkunden, als zwischen fünf und acht deutlich unterscheidbare Akteure. Besonders kritisch zu sehen ist die Verteilung der Kenntnisse über die Exposition, die Substitutionsmöglichkeiten, die Risikobewertung bis hin zum sozioökonomischen Nutzen. Daraus ergeben sich wieder Fragen hinsichtlich der Veranlassung einer Zulassung oder auch der erforderlichen Fachkenntnis, um eine Zulassung überhaupt erhalten zu können. Ein möglicher Lösungsansatz zielt deshalb daraufhin ab, dass so viele wie möglich der beteiligten Akteure innerhalb dieser Prozesskette in die Autorisierung mit einbezogen werden. Schließlich wies Dr. Zimmer auch darauf hin, dass bei den notwendigen, tiefgehenden Fachdiskussionen die vorhandene Sprachbarriere zwischen den Teilnehmern aus den verschiedenen europäischen Staaten zum Problem wird.

Britische Gesetzgebung – Substitution

Dave Elliot, Geschäftsführer des britischen Unternehmensverbandes für Beschichter SEA, und Vorsitzender des europäischen Verbandes für Oberflächentechnik, stellte die Herangehensweise der britischen Industrie zur Erfüllung der Anforderungen ­gemäß REACh vor. Ein wichtiger Aspekt ist hier die Frage der Substitution, wie sie vor allem für die klassische Verchromung in der Diskussion ist. Dabei sieht die britische Regierung zwar einerseits die Notwendigkeit, europäische Auflagen zu erfüllen, misst aber trotzdem dem Bestandsschutz der heimischen Industrie einen hohen Stellenwert bei. Darüber hinaus haben die Beschichter in Großbritannien den Vorteil, einen hohen Anteil an Aufträgen aus der Flugzeugindustrie zu erhalten, die von REACh mit umfangreichen Ausnahmeregelungen bedacht wird.

Umweltschutz durch Hartchrom

Godfrey Evans, Geschäftsführer der Swinton Electroplating Ltd, Manchester, stellte eine interessante Betrachtung zum Umweltschutz durch den Einsatz von Chrom vor. Hartchrom ist für viele Anwendungen in der modernen Industrie ein wichtiges Schutzsystem, das derzeit aufgrund der REACh-Aktivitäten in Frage gestellt wird. Dabei würde ein Verzicht auf die außerordentlich effektive und wirtschaftliche Beschichtung zu einer höheren Umweltbelastung, verbunden mit gesundheitlichen Beeinträchtigungen, führen. Dies zeigt sich unter anderem an Beispielen aus der Gewinnung von Energieträgern.

Hier spielt nach Ansicht von Godfrey Evans vor allem die Erhöhung der Emissionen zur Gewinnung und Verarbeitung von Metallen eine oft übersehene Rolle. Den Berechnungen zufolge erfordert die Neufertigung beispielsweise eines Rotors für die Ölförderung einen Energie- und Materialseinsatz mit einem Kohlenstoffdioxidäquivalent von 3332 Kilogramm, wogegen die Aufarbeitung durch eine neue Chrombeschichtung lediglich 303 Kilogramm CO2 verursacht. Ohne die Erneuerung des Rotors mittels der Chrombeschichtung ist also am Ende der Lebensdauer mit oberflächlicher Beschädigung des Rotors dieser neu zu fertigen, sodass pro Zyklus der volle Einsatz von 3332 Kilogramm CO2 anfallen würde. Allein für das Beschichtungsunternehmen Swinton würden durch ein Verbot der Hartchrombeschichtung pro Jahr mehr als 6000 Tonnen Kohlenstoffdioxid und 1200 Tonnen an Stahl zusätzlich anfallen.