Oberflächen für Konstruktionsbauteile

Oberflächen 10. 03. 2015
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– mehr Kapazität und schnellere Durchlaufzeiten

Neue Anlage zur chemischen Vernickelung von Aluminium-Bauteilen bei der AHC Oberflächentechnik GmbH in Kirchheim-Heimstetten (Werk München)

Das AHC-Werk München hat sein Leistungsspektrum erweitert. Hierdurch wird den Forderungen der Kunden nach mehr Kapazität und schnelleren Durchlaufzeiten Rechnung getragen. Im September 2014 weihte das Unternehmen im Beisein von Kunden und Mitarbeitern eine neue Anlage zur chemischen Vernickelung von Aluminium und Aluminiumlegierungen nach dem DURNI-COAT®-Verfahren ein. Diese hochmoderne vollautomatische Anlage dient der präzisen, effizienten und wirtschaftlichen Beschichtung von Bauteilen für Klein- und vor allem Großserien. Für die Automobilindustrie und andere Schlüsselbranchen werden so neue Möglichkeiten und Fertigungspotenziale geschaffen. Darüber hinaus feierte das Werk München sein 25-jähriges Bestehen am Standort Kirchheim-Heimstetten und sein 35-jähriges Bestehen überhaupt.

 

 

Aluminium und Nickel – eine Kombination der Spitzenklasse

Die Anwendungsvielfalt von Aluminiumlegierungen hat speziell im Automobilbau­ und im Maschinenbau deutlich zugenommen. Der Grund liegt vor allem in der leichten Verarbeitbarkeit, dem geringen Gewicht und der Festigkeit von Aluminium­legierungen. Für manche Anwendungen sind Aluminiumwerkstoffe jedoch beispielsweise zu wenig korrosions- und verschleißbeständig, sodass durch einen zusätzlichen Oberflächenschutz die positiven Eigenschaften des Werkstoffs erweitert werden.

Die chemische Vernickelung nach dem DURNI-COAT®-Verfahren (DNC-AL-Verfahren) von AHC Oberflächentechnik hat sich bei der Verwendung von Aluminiumwerkstoffen für Konstruktionsbauteile als eine ideale Oberflächenveredelung herausgestellt. Bei diesem chemisch ablaufenden Verfahren wird eine Nickel-Phosphor-Legie­rungsschicht auf einer Oberfläche haftfest abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt in einem wässrigen Elektrolyten mit gelösten Nickelionen. Ein Reduktions­mittel liefert den Phosphor, der gleichmäßig in die Nickelschicht eingebaut wird. Die Höhe der Phosphorkonzentration kann durch Variation der Elektrolytkomponenten und der Verfahrensbedingungen zwischen 3 % und 14 % eingestellt werden.

Chemisch Nickel-Schichten mit geringem Phosphorgehalt haben sich insbesondere­ bei hohen Verschleißbeanspruchungen bewährt. Zudem ist die Korrosionsbeständigkeit gegenüber hochkonzentrierter Natronlauge ausgesprochen gut. Schichten mit mittlerem Phosphorgehalt etwa zwischen 9 % und 12 % verfügen über einen Korrosionsschutz und eine Abriebfestigkeit, die für die meisten Anwendungsfälle ausreichen. Bei hohem Phosphorgehalt sind die Schichten etwas duktiler und korrosionsbeständiger. Sie sind außerdem gut beständig gegen moderate chloridhaltige Medien bei gleichzeitiger mechanischer Belastung.

Gleichmäßig abgeschiedene DURNI-COAT®-Schicht auf einem M4-Gewinde (Schliffbild)

 

Die Abscheidung von derartigen Nickel-Phosphor-Schichten kann auf aktivierten Oberflächen, beispielsweise Aluminiumlegierungen, erfolgen, wobei der Abscheidevorgang über die gesamte Zeit, in der sich das jeweilige Bauteil im Elektrolyten befindet, abläuft. Die Schicht wächst überall auf dem Bauteil gleichmäßig schnell auf. So sind auch tiefe Bohrungen und Hohlräume zu beschichten, sofern ein Elektrolytaustausch erfolgt. Ecken und Kanten weisen keine Verdickungen und Einschnitte sowie Kerben keine Schichtverminderungen auf. Die konturengetreue Abbildung der Oberfläche ist ein wesentliches Kriterium für den Einsatz von chemisch abgeschiedenen Nickelschichten.

Breiter Einsatzbereich durch erhöhte Leistungsfähigkeit

Auf Aluminiumwerkstoffen kommen alle Vorzüge einer Chemisch-Nickel-Schicht zum Tragen: Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Duktilität, konturentreue Nachbildung der Grundwerkstoffoberfläche, porenfreie Oberfläche. Bei der Wahl der DURNI-COAT®-Varianten und der Schichtdicke sind jedoch Korrosionsbedingungen, Art und Beschaffenheit des Grundwerkstoffs und seiner Oberfläche, das Tribosystem und die erforderliche Lebensdauer zu berücksichtigen. Für Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen sind nach DIN EN ISO 4527 ­folgende Schichtdickenbereiche üblich:

  • milde Verschleißbeanspruchung: 5 µm bis 10 μm
  • milde Korrosionsbeanspruchung: 2 µm bis 10 μm
  • mäßige Beanspruchung: 10 µm bis 25 μm
  • starke Beanspruchung: 25 µm bis 50 μm
  • sehr starke Beanspruchung: > 50 μm

Die Beschichtungen eignen sich zum Beispiel für Bauteile für Textilmaschinen, Druckmaschinen und Verpackungsmaschinen sowie für Steuerungstechnik, Elektronik und Elektrotechnik. So ist in der Elektronikbranche durch eine chemische Vernickelung von Aluminiumwerkstoffen die Möglichkeit ­gegeben, diese mit anderen Werkstoffen zu verlöten. Bereits eine dünne Schicht von wenigen Mikrometern reicht als Löthilfe­ aus. Halbleiterbauteile, Kühlkörper, Gehäuseteile oder Kontaktstifte können dann kombiniert werden. Bei hohem Korrosionsschutz empfehlen sich dickere Schichten. Das Problem der Kontaktkorrosion bei dem Zusammenbau von Werkstoffen mit unterschiedlichem elektro­chemischen Verhalten ist ebenfalls gelöst. So können beschichtete Aluminiumteile durchaus mit Edelstahlschrauben befestigt werden. Wesentliche Voraus­setzung ist allerdings eine geschlossene ­Nickelschicht.

Im Automobilbereich kommen mit DNC-AL behandelte Werkstücke beispielsweise als Pkw-Dieselkolben zum Einsatz. Die Beschichtung schützt diese Fahrzeugteile sicher gegen Kavitationserosion. Ebenfalls zur Automotive-Branche gehören Verdichterräder aus Aluminium für Turbolader.­ Durch den Einsatz von Turboladern oder Kompressoren haben Konstrukteure mehr Möglichkeiten zur Hubraumreduzierung. Durch die chemisch abgeschiedene Ver­nickelung wird die thermomechanische Belastbarkeit der Verdichterräder deutlich erhöht. Dies wirkt sich vor allem bei der Zuführung von Abgasen auf der Verdichterseite eines Turboladers aus, da hier feinste Teilchen das Verdichterrad bei immensen Drehzahlen über Gebühr beanspruchen.

Chemisch vernickelte Verdichterräder aus Aluminium

 

Ein weiteres Anwendungsbeispiel aus der Automobilindustrie sind Steuerkolben für CO2-reduzierende Hydrauliksysteme. Hier werden besonders kleine Spaltmaße gefordert. Die Verringerung der Spaltmaße­ ermöglicht niedrigere Hydraulikdrücke und geringere Ölumlaufvolumen. Dadurch können kleinere kostengünstigere Ölpumpen gebaut werden, die einen reduzierten Kohlenstoffdioxidausstoß ermöglichen. Die Steuerkanten der Kolben werden konturengetreu nach dem DURNI-COAT®-Verfahren beschichtet. Die Schicht wird anschließend maßgenau eingeschliffen. Es gibt kein Abplatzen der Schicht im Kantenbereich, was wiederum das Risiko für Getriebeausfälle signifikant reduziert. Bei einer verbliebenen Schichtdicke von beispielsweise 20 µm weist die Schicht eine Härte von mehr als 850 HV0,05 auf. Diese hohe Härte ist durch eine nachträgliche Wärmebehandlung erzielt worden. Durch die Beschichtung wird das Risiko von Kolbenklemmern durch Fremdpartikel reduziert und die tribologischen Eigenschaften des Kolbens werden verbessert.

Steuerkolben aus Aluminium mit chemisch abgeschiedener Nickelschicht

 

Auch aus dem Maschinenbau gibt es zahlreiche Beispiele für den Einsatz von chemisch vernickelten Bauteilen nach dem DURNI-COAT®-Verfahren der AHC. Ein führender Anbieter von Komponenten für die Montage- und Schraubtechnik hat eine Spindelbaureihe für die vollautomatische Montage entwickelt. Die Spindeln eignen sich für die Handhabung von Schrauben, Muttern, Gewindebolzen oder sonstigen Gewindebauteilen. Die Gehäuse der Spindeln sind in Monoblock-Bauweise gefertigt und bestehen ebenso wie weitere Komponenten aus einer hochfesten Aluminium­legierung. Eine chemische Vernickelung erzeugt auf diesen Bauteilen verschleißfeste Oberflächen – sowohl innen als auch außen.­ Die konturengetreue Abbildung der Oberfläche mit einer überall gleichmäßigen Schichtdicke ist die Voraussetzung dafür, dass die Beschichtung bei den präzise gefertigten Spindelkomponenten überhaupt zum Einsatz kommt. DNC-AL bietet einen guten Verschleißschutz und eine hohe ­Korrosionsbeständigkeit. Die silberfarbene­ Oberfläche verleiht den Spindeln zudem ein technisch dekorativ ansprechendes Aussehen.

Dispersionsschichten auf Aluminium

In die Chemisch-Nickel-Schicht lassen sich auch Feststoffpartikel, wie zum Beispiel PTFE (Polytetrafluorethylen), gleichmäßig verteilt einbauen. Dadurch wird die Gleitreibung deutlich gesenkt und der Abrieb­ wird fast vollständig unterdrückt. Das Trockenschmiermittel in der Schicht verhindert zudem Adhäsionsverschleiß. Ein Hersteller von Perforiermaschinen lässt Aluminiumführungen mit einer derartigen dauerhaften Trockenschmierschicht versehen. Durch die Beschichtung wird die Gleitfähigkeit der Führungen verbessert, ohne dass Gleitfette oder Abrieb auf die zu perforierenden Dokumente gelangen.

Perforieren ist eine bewährte Methode, Schriftstücke, Formularsätze, Etiketten und andere Dokumente mit Zahlen, Begriffen oder Zeichen dauerhaft zu markieren. In einem Arbeitsgang können mehrere Blatt Papier gekennzeichnet werden. Perforiermaschinen kommen in den unterschiedlichsten Industriebereichen und in vielen Behörden zum Einsatz. Beispielsweise versehen diese Maschinen Ausweisdokumente­ oder Flugtickets mit Kodierungen. Je nach Einsatz sind die Maschinen sowohl mit Handbetätigungshebel oder auch mit Elektromotor ausgestattet, mit dessen Hilfe etwa 60 perforierte Codes je Minute erzeugt werden.

Spindeln für Schraubautomaten mit DNC-AL-Beschichtung

 

Die Perforiereinheit wird über einen Aluminiumkörper geführt. Diese Führung ist mit einer chemisch abgeschiedenen Nickelschicht versehen, in die gleichmäßig und homogen PTFE-Gleitstoffe eingelagert sind. Hierdurch wird den Führungen eine dauerhafte und verschleißfeste Trockenschmierung verliehen, die ein sauberes Perforieren der jeweiligen Dokumente ermöglicht.

Perforiermaschine mit Aluminiumführung

 

Steigerung der Kapazität bei der Aluminiumbeschichtung

Die drei am meisten geforderten Eigenschaften bei der Anwendung von Chemisch-Nickel-Schichten sind der Verschleißschutz, die Korrosionsbeständigkeit und die Konturentreue, gefolgt von guter Lötbarkeit, günstigem Reibverhalten, hohe Duktilität und magnetische Eigenschaften. Oft werden gleichzeitig mehrere der aufgeführten Eigenschaften verlangt. Obwohl die Nickelschichten sehr vielseitig sind, ist es kaum möglich, mit einer Schicht allein die mehrdimensionalen Anforderungen in der Praxis optimal zu erfüllen. Von daher ist es ein großer Vorteil, die Eigenschaften von chemisch abgeschiedenen Nickelschichten in gewissen Grenzen einstellen zu können. Aus diesem Grund ist eine intensive und frühzeitige Abstimmung zwischen Auftraggeber und Beschichter unabdingbar.

Mit der neuen DNC-AL-Anlage, die von der MKV GmbH aus Allersberg konzipiert und gebaut wurde, sieht der neue Werkleiter Marco Hof sein Werk in München für kommende Aufgaben im Bereich der chemischen Vernickelung gut aufgestellt. Damit stehen für die Kunden neben der fachlich hochqualifizierten Beratung im Vorfeld der Beschichtung auch ausreichend Kapazitäten zur Verfügung, um die Eigenschaften der verschiedenen Aluminiumlegierungen optimal auf die Bedürfnisse der Kunden für unterschied­liche Abmessungen und hohe Stückzahlen einstellen zu können.

Mit der neuen DURNI-COAT®-Anlage (DNC-AL-Anlage) steht ein Warenfenster von 1000 mm x 1200 mm x 600 mm (L/H/B) und einer maximalen Nutzlast der Warenträger von 150 kg zur Verfügung. Eingesetzt wird die bleifreie Variante DURNI-COAT® 571 mit einem Phosphorgehalt von 9 % bis 13 %, mit der sich besonders korrosions- und verschleißfeste Schichten erzeugen lassen. Derzeit stehen zwei Beschichtungsbehälter zur Verfügung, wovon einer auch mit einem anderen Elektrolyten befüllt werden kann, sodass die Bedienung weiterer Einsatz­gebiete möglich ist. Mittelfristig ist eine Erweiterung auf einen dritten Abscheide­behälter geplant.

Die vollautomatische Anlage ist so konzipiert, dass möglichst wenige Chemikalien verbraucht beziehungsweise die Standzeiten verlängert werden. Dies wird beispielsweise durch Filtertechniken, automatische Nickelcontroller, standzeitverlängernde autarke Ionenaustauscherspülen und neuartige Kunststoffgestelle erreicht. Der Einsatz der neuen Gestelle und spezieller Kunststoffhaken, die das Beschichtungsgut halten, verhindert so die ungewollte Abscheidung von Nickel an den Gestellen. Die effiziente Kühltechnik einiger Prozesslösungen sorgt gleichzeitig für eine Energie­einsparung. Diese Kühltechnik ist so aufgebaut, dass die Wärmetauscher nicht in den Wannen, sondern außerhalb angebracht sind. Somit wird effizienter gekühlt und zudem vergrößert sich so das nutz­bare Elektrolytvolumen. Auch die Heizung befindet sich außerhalb der Wannen (Mantelheizung). Ein Energiemanagementsystem sorgt für die Einsparung von Heiz- und Kühlleistung. Da alle heiß betriebenen Prozessbehälter im Ruhezustand sehr dicht durch Deckel abgedeckt sind, müssen nur etwa 8000 m³/h verunreinigte Luft abgesaugt werden. Selbst die Transportwagen werden abgesaugt.

Einweihung unter großer Beteiligung

Zur Einweihung der neuen Anlage am 19. September 2014 konnten der damalige Werkleiter Klaus Waldhardt, Geschäftsführer der Holdinggesellschaft General Material Technologies GmbH (GMT) Oliver Jäger und AHC-Geschäftsführer Dr. Hartmut Sauer den zahlreichen Besuchern einen Einblick in die Betätigungsgebiete der AHC als Teil der ­Aalberts Industries bieten. Die Muttergesellschaft Aalberts Industries umfasst mehr als 150 Werke in den Sparten Industrial Services und Flow Control mit etwa 12 000 Beschäftigte in über 30 Ländern.

Der ehemalige Werkleiter Klaus Waldhardt (re.) und AHC-Geschäftsführer Dr. Hartmut Sauer begrüßten Gäste zur Einweihung der neuen Anlage

Gut ausgebildet und hoch motiviert: die AHC-Belegschaft des Werks München

Die AHC, die zum Bereich Industrial Services zählt, gehört somit zu einem starken Firmenverbund, der Investitionen wie beispielsweise in neue Anlagen wie der DNC-AL-Anlage überhaupt erst ermöglicht. AHC selbst verfügt europaweit über 19 Standorte und 900 Mitarbeiter. Pro Jahr werden rund eine Milliarde Bauteile für die verschiedensten technischen Branchen beschichtet. Rund 80 Prozent des Umsatzes werden mit der Automobilindustrie und ihren Zulieferern sowie dem Maschinenbau in all seinen Facetten erzielt. Dabei nimmt der Werkstoff Aluminium als zu beschichtender Grundwerkstoff eine immer bedeutendere Rolle ein.

Chemisch vernickelte Aluminiumplatte mit eingelasertem Schriftzug auf einem neuartigen Kunststoffgestell

 

Neue Werkleitung AHC München

 

Nach einem erfolgreichen Abschluss des Studiums des Wirtschaftsingenieurswesen begann Marco Hof seinen Werdegang bei AHC Oberflächentechnik als Business Development Ingenieur im Mai 2008. Im November 2008 folgte der Einstieg ins Tagesgeschäft der AHC als Assistent der Werkleitung am Standort Kerpen. 2011 bot sich die nächste persönliche Herausforderung als Betriebsleiter des AHC-Werkes St. Pantaleon bei Salzburg in Österreich. 2013 ging es wieder zurück nach Deutschland, und zwar als Werkleiter der AHC Special Coatings GmbH in Solingen. Seit dem 01. Januar 2015 ist Marco Hof bei AHC Werkleiter für die Region Deutschland Süd & Polen. Er ist damit nicht nur verantwortlich für das Werk München, sondern auch für das Werk in Neustadt an der Aisch, das bereits erwähnte Werk in St. Pantaleon sowie für die beiden polnischen Werke in Dzierzoniów und Gorzyce.

 
Mehr Kapazität und schnellere Durchlaufzeiten mit der neuen DNC-AL-Anlage in Kirchheim-Heimstetten
 

Die neue Anlage mit Verfahrwagen zur chemischen Vernickelung von Aluminium und Aluminiumlegierungen im AHC-Werk München

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