Der Einsatz technischer Hartchromschichten als Verschleißschutzschichten

Oberflächen 09. 12. 2015

Von Michael Hekli, Steinach/Schweiz

Verschleiß ist in vielen Einsatzfällen eine Kombination aus mechanischer und korrosiver Belastung. Beide Belastungsarten werden durch galvanisch abgeschiedenes Chrom in besonderem Maße widerstanden. Aus diesem Grund finden Chromschichten bei Bauteilen mit besonders hohen Belastungen, wie Hydraulikelementen, Werkzeugen für die Umformung oder Waffenrohren, Einsatz. Die Herstellung von Chromschichten ist unter den geltenden Bedingungen für Umweltschutz und Arbeitssicherheit mit sehr hoher Sicherheit bei gleichzeitig akzeptablen Kosten realisierbar. Die derzeit geforderten Alternativen zu Hartchromschichten vor dem Hintergrund der aktuellen EU-Verordnungen (REACh) sind unter verschiedenen Aspekten zu prüfen, vor allem im Hinblick auf technische Probleme und umwelttechnische Risiken.

Use of Technical Hard Chromium Coatings for Wear Protection

Wear is in many cases due to a combination of mechanical and corrosive action. Both of these effects can be minimised in many cases by application of a coating of electrodeposited hard chromium. For this reason, chromium coatings are often used on components subject to very heavy duty as for example in hydraulics, metal deformation tools or gun barrel linings. Electrodeposition of chromium coatings at an acceptable cost can be achieved in spite of current legislation relating to the environment and also to health and safety in the workplace. Although alternatives to hard chromium have been proposed, not least in the light of current EU (REACh) restrictions, there remain a number of questions regarding their use, above all in terms of technical problems and environmental risks.

Für Hartchromschichten steht der Schutz gegen Verschleiß im Mittelpunkt. Dabei lassen sich die Mechanismen des Verschleißes gegeneinander abgrenzen und die Anforderungen an die Beschichtungen daraufhin anpassen.

1 Verschleißmechanismen

Verschleiß kann in folgende vier Verschleißmechanismen oder deren Kombination unterteilt werden (Abb. 1):

Abb. 1: Verschleißmechanismen als Phasen der tribochemischen ReaktionQuelle: Werkstoffkunde für Ingenieure: Grundlagen, Anwendung, Prüfung; Eberhard Roos, Karl Maile; Springer Verlag

  • Adhäsiver Verschleiß: Anhaften aufgrund hoher Flächenpressung und mangelnder Schmierung und Abscheren der Randschichten – oft mit Materialübertragung verbunden
  • Abrasiver Verschleiß: Mikrozerspanung durch harte Teilchen (Abrasion, Furchen oder Erosion) führt zu Abrieb und damit zu Materialverlust
  • Tribooxidation: ein Zusammenspiel einer chemischen Reaktion oder Korrosion mit nachfolgender mechanischer Zerstörung der Reaktionsschicht, wie zum Beispiel Passungsrost
  • Oberflächenzerrüttung: Wechselnde oder schwellende mechanische Spannungen lassen Mikrorisse in oberflächennahen Werkstoffschichten wachsen, zerrütten die Oberfläche und führen zu Materialverlust

2 Verschleißbeanspruchungen im anwendungsspezifischen Belastungskollektiv – Anwendungsbeispiele

An Verschleißschutzschichten werden neben dem eigentlichen Verschleißschutz in der Regel auch eine Reihe anderer Anforderungen gestellt. Dies schränkt die sinnvolle wirtschaftliche Auswahl an Reibpartnern und damit die möglichen Kombinationen an Grundmaterial und Beschichtungen ein.

So kommen im praktischen Einsatz häufig Kombinationen weiterer Anforderungen beziehungsweise Belastungen zu Abrasion und/oder Tribologie hinzu. Dies sind beispielsweise korrosive Atmosphäre, mechanische und thermische Belastungen sowie der Anspruch der Formtrennung, Schmierfähigkeit, Gasdichtheit, Reinigbarkeit beziehungsweise Antiadhäsion, gutes Gleiten oder im Gegenteil sogar hohe Reibwerte, Wärmeleitung, thermischer Schutz und darüber hinaus soll die Verschleißschutzschicht den tribologischen Partner nach Möglichkeit nicht zu stark verschleißen.

Ein wahres Multitalent unter den Beschichtungen ist bei komplexer Beanspruchung die funktionelle Hartverchromung. Während eine übliche Standard-Hartverchromung in der Summe ihrer Eigenschaften bereits die meisten Aspekte gut abdeckt, kann das Schichtsystem auf den jeweiligen Anwendungsfall weiter optimiert werden.

Hochwertige Hartchromschichten veredeln in vielen Fällen kostengünstige Werkstoffe. Alternativ könnten auch hochwertige Werkstoffe verwendet werden. Aber sofern deren Eigenschaften nur an der Oberfläche erforderlich sind, ist die Verwendung von leicht bearbeitbaren Werkstoffen mit anschließender Funktionalisierung durch Hartverchromung in der Regel sehr viel wirtschaftlicher und meist auch technisch von Vorteil.

Die technische Hartverchromung läuft verzugsfrei bei tiefen Temperaturen ab. Bei der Hartchrom AG Steinach (STI Group) ist neben der Infrastruktur für die Verchromung von Kleinteilen auch die Infrastruktur für wirklich große Bauteile verfügbar: Verchromungsbehälter mit mehreren Metern nutzbarem Durchmesser und bis zwölf Meter Tiefe stehen zur Verfügung. Bauteile bis 64 Tonnen Stückgewicht können damit geschliffen, poliert und verchromt werden.

Unter allen Beschichtungen besitzt eine gut ausgeführte und auf den Grundwerkstoff angepasste Hartchromschicht die höchste Schichthaftung. Diese übersteigt die Messbereiche aller bekannten Messverfahren um ein Vielfaches. Als extremes Beispiel kann die Innenverchromung von Waffenrohren betrachtet werden (Abb. 2). In Literaturangaben ist zwar zu finden, dass Hartchromschichten nur bis 400 °C eingesetzt werden können, in der Praxis bewähren sich hierfür optimierte Hartchromschichten aber insbesondere bei Hochtemperaturbelastung. Die Hauptaufgabe der Schicht ist der thermische Schutz des Rohrstahles. Durch die Schussbelastung treten kurzzeitig Temperaturen von bis zu 1500 °C und gleichzeitig Drücke von bis zu 6000 bar (Großkaliber) sowie Dauertemperaturen­ von etwa 400 °C (Maschinenkanonen im Dauerfeuer) auf. Das hier eingesetzte Hartchrom-Schichtsystem puffert den extremen Wärmeeintrag ab und schützt somit den Stahl vor Überhitzung. Zusätzlich wird das Schichtsystem durch brennende Pulverpartikel, die mehrere Tausend Stundenkilometer schnell sind, abrasiv belastet. Besonders belastet ist der Rohrbereich zu Beginn des Kalibers. Die Führungsbänder der Projektile von Maschinenkanonen weisen ein Übermaß im Durchmesser gegenüber dem Kaliber auf. Sie formen sich im verchromten Ladungskegel plastisch in das Kaliber ein, übertragen im gezogenen verchromten Lauf den Drall und dichten für optimalen Vortrieb ab. Die hierfür optimierte Hartverchromung ist durch den robusten, reproduzierbaren Prozess sowie die Möglichkeit, dicke extrem haftfeste Schichten wirtschaftlich abscheiden zu können, die überlegene High-end-Beschichtung für diese Anwendung. Die früher übliche Gasnitrierung wird kaum mehr genutzt, da sie den thermischen Schutz einer Hartverchromung und damit die hohe Haltbarkeit nicht annähernd bieten kann.

Abb. 2: Draufsicht und Querschliff einer Hartverchromung (Hartchrom AG) und Kampfpanzer mit verchromtem Waffenrohr beim Schuss

 

Andere Schichtsysteme scheitern für diese Anwendung sowohl an der erforderlichen Haftfestigkeit (aufgrund der mechanischen und thermischen Dehnungen), der erforderlichen Schichtdicke, der benötigten Schmelztemperatur (für Chrom ca. 1890 °C), der korrosiven Extrembelastung sowie der präzisen Maßbeschichtung mit homogener Eigenschaftsverteilung in einer Innenbohrung von wenigen Millimetern Durchmesser bei kleinen Kalibern bei kurzen Rohren bis hin zum Großkaliber mit mehreren Metern Länge.

Ein häufiger Einsatzfall von Hartchromschichten ist das Verhindern von Tribooxidation, wie zum Beispiel Passungsrost. Hartverchromte Bauteile können in Stahlkomponenten eingeschrumpft werden und sind auch nach Jahren problemlos demontierbar. Gleiches gilt für hartverchromte­ Formen oder Werkzeuge nach Anwendungstemperaturen bis zu mehreren hundert Grad Celsius. Ursache ist die auf der Chromoberfläche vorhandene Oxidschicht, die mit der darunterliegenden Chromschicht eine Diffusionssperre darstellt. Ohne Verchromung ist ein Lösen meist nur noch mit Gewalt und Beschädigung der Kontaktflächen möglich. Ein weiteres Beispiel als Beschichtung gegen diesen Verschleißmechanismus ist die Hartverchromung von Kugelventilen beispielsweise bei Öl- oder Gaspipelines. Diese werden oft jahrelang nicht bewegt, müssen im Notfall aber zuverlässig funktionieren und sich schließen lassen.

Auch als Schutz gegen adhäsiven Verschleiß bewähren sich Hartchromschichten hervorragend. Viele Motorkomponenten sind hartverchromt, um ein Fressen, Korrosion­ und Verschleiß bei hoher Temperatur in Grenzen zu halten und zum Beispiel die Laufleistung von Pkw-Motoren auf mehrere Hundertausend Kilometer zu bringen. Auch Großdieselmotoren, wie sie vor allem in Schiffen eingesetzt werden, sind auf hartverchromte Kolbenringe beziehungsweise hartverchromte Kolbenringnuten angewiesen. Selbst gegen die bei der Verbrennung entstehenden Reaktionsprodukte wie Schwefeldioxid (SO2) und Stickoxide (NOx), die bei Kondensation zu schwefliger Säure und extrem korrosiver Salpetersäure reagieren, ist eine gut ausgeführte Hartverchromung resistent.

Es gibt Anwendungen, bei denen der Verschleißschutz einer einfachen Hartverchromung in motorischer Anwendung nicht mehr genügt. Bei gesteigerter Beanspruchung werden Chrom-Keramik beziehungsweise im High-end-Bereich Chrom-Diamant-Beschichtungen (Abb. 3) eingesetzt. Bei diesen Beschichtungen befinden sich Hartstoffpartikel in der Schicht eingebaut, die neben dem Verschleißschutz zudem für eine verbesserte Schmierfähigkeit, sogar bei sporadischem Schmierfilmmangel, sorgen (Abb. 4). Dadurch werden Brandspurfestigkeit und Beständigkeit gegen Fressen noch weiter gesteigert. Durch den viellagigen Aufbau bleiben die Eigenschaften der Chrom-Diamant-Beschichtung bei fortlaufendem Verschleiß selbst bei Materialabtrag erhalten. Die Schicht regeneriert ihre Funktion quasi selbst.

Abb. 3: Chrom-Diamant-Schichten (Schema), Planflächenschliff und Querschliff (Hartchrom AG) sowie Großmotor auf Tieflader

Abb. 4: Pin on Disk-Verschleißversuch mit Mangelschmierung (Studie STI Group) zum Vergleich verschiedener Beschichtungen: Chrom-Diamant, auf Tribologie optimierte Hartverchromung, DLC-Beschichtung, CrN-Beschichtung und Pulsplasmanitrierung; Chrom und Chrom-Diamant zeigen mit 100Cr6 als Verschleißpartner bei Mangelschmierung den geringsten Summenverschleiß (Balken unten). Balkendiagramm oben: Reibwert. Testsieger Korrosionsschutz im Salzsprühtest: Chrom und Chrom-Diamant

 

Im Bereich der Blechumformung sind in den Pressenstraßen nahezu aller Automobilhersteller hartverchromte Werkzeuge im Einsatz. Die Hartverchromung nach hierfür optimierten Prozessen wie dem der Hartchrom Teikuro Automotive GmbH sorgt für hohe Standzeiten der Werkzeuge bei gleichzeitig sehr geringer Nacharbeit der umgeformten Bleche (Abb. 5). Ursache sind unter anderem die sehr guten tribologischen Eigenschaften der Verchromung. Je nach Flächenpressung und verarbeitetem Blech ist ein Reibwert µ von bis zu 0,04 möglich. Das umgeformte Blech wird bei Benutzung hartverchromter Werkzeuge wesentlich schonender verarbeitet als bei Einsatz von Alternativoberflächen (z. B. Pulsplasmanitrierung und/oder PVD-Beschichtungen) auf den Werkzeugen. Sowohl der geringe Gleitwiderstand über die verchromte Kontur als auch der exzellente Schutz vor adhäsivem Verschleiß sind hier von Vorteil.

Abb. 5: Testreihe mit Streifenziehversuchen (Studie STI Group); Blechwerkstoff RA-K 40/70+Z mit Minimalschmierung (Schmierstoff 1 g/m2 KTLN-16)

 

Üblicherweise führt Materialabrieb vom umgeformten Stahlblech aufgrund von Anhaftung auf unverchromten Formen und anschließender Materialübertragung (von der Form zum verarbeiteten Blech) zu Qualitätsproblemen. Bei verchromten Formen kann dagegen sogar der sonst sehr problematische Abrieb der verzinkten Stahlbleche oder gar Aluminiumbleche einfach vom Werkzeug abgewischt werden. Dies äußert sich in einer sehr geringen Nach­arbeitsquote als wichtiges Qualitätskriterium. Anwender berichten zudem von einer starken Einsparung an Schmiermittel. Auch im Walzwerk der Stahlindustrie verhindern Hartchromschichten den adhäsiven Verschleiß beispielsweise von Dressierwalzen in Kombination mit Schutz vor anderen Verschleißmechanismen.

Ein weiteres interessantes Anwendungsbeispiel stellt die Verchromung von Kokillen im Strangguss im Stahlwerk oder Komponenten im Druckguss dar. Hier dient die Hartchromschicht als Barriere beziehungsweise Diffusionssperre gegen flüssiges Metall, als Verschleissschutz (Abrasion bzw. Erosion), als thermischer Schutz und Schutz vor ­Tribooxidation bei gleichzeitiger guter Wärmeübertragung zur Kühlung des gegossenen Metalls (Abb. 6).

Abb. 6: Hartverchromte Kokillen im Strangguss von Stahl (Quelle: SMS Concast)

 

In Anwendungen der Polymerindustrie, wie beispielsweise Kalandrierung, Extrusion (Abb. 7), Formen (SMC oder andere), Herstellung von Folien (z. B. für Bildschirme) oder der Herstellung von Verpackungsmaterial (im Verbund mit Pappe und/oder Aluminium), ist vielfach eine gute Ablösung des Polymers gefragt. Dies erfordert eine kompakte, beständige antiadhäsive­ Oberfläche, die neben Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auch die thermischen und chemischen Belastungen übersteht. Hier ist die bewährte Oberfläche für hochwertige Komponenten die Hartverchromung in verschiedenen auf den jeweiligen Anwendungsfall optimierten Ausführungen. Besonders kritisch sind die Oberflächen von Kühlwalzen, da die verchromte Kühlwalzenoberfläche das Endprodukt funktionalisiert. Diese Funktionalisierung beruht auf Beeinflussung oder Ausnutzung der spezifischen Hartchromeigenschaften bei der Strukturierung oder Politur und funktioniert in der Massenproduktion des Endanwenders nur, weil die Oberfläche über sehr lange Zeiträume ihre Erscheinung und Topographie nicht oder fast nicht verändert.

Abb. 7: Hartverchromte Extruderschnecken (Hartchrom AG)

 

Je nach Art der Anwendung werden die Chromoberflächen modifiziert und mit speziellen Eigenschaften zur Herstellung der verschiedenen Produkte versehen:

  • fehlerfreie Spiegelhochglanzoberfläche (bis spezifiziertem Rmax < 0,15 µm) zur Herstellung von glatten, transparenten, fehlerfreien Folien; die funktionelle Hartverchromung ist das einzige Verfahren, mit dem fehlerfreie funktionierende Spiegelhochglanzoberflächen auf Kühlwalzen zur Folienherstellung mit zum Teil über 3,2 m Durchmesser prozessicher und wirtschaftlich realisiert werden kann
  • für die Verpackungsindustrie (Converting, Kaschierung, …) zum Beguss von Trägermaterial mit Polymer; eine jeweils definierte Strukturoberfläche ergibt durch Strukturübertragung ins Endprodukt Transparenz, Glanzgrad, optisches Erscheinungsbild, Reibwerte und bei Bedarf auch die Bedruckbarkeit. Daneben erlaubt die definierte Strukturoberfläche bei der Herstellung beziehungsweise Verarbeitung eine definierte Wärmeübertragung sowie eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit bei gleichzeitig reduzierter Geräuschemission, leichteres Ablösen von der Kühlwalze wie auch beim Abrollen zur Endverarbeitung des als Zwischenprodukt aufgerollten Verpackungsmaterials. Beim Verfahren des SMC-Formens wirkt die Hartverchromung als Abrasionsschutz gegen die im Produkt vorhandenen Glasfasern, sorgt für Strukturübertragung auf das urgeformte Polymer und für leichte Formtrennung.

Mittels funktioneller Hartverchromung können Reibwerte eingestellt werden. Hartchromschichten werden üblicherweise­ möglichst eben und glatt mit Zielrichtung geringe Reibung und gutes Gleiten ausgeführt, wodurch je nach tribologischem System Reibzahlen von µ 0,1 bis µ 0,04 erreicht werden. Es ist jedoch auch möglich, gezielt die Reibung zu erhöhen und über Strukturchrom gezielte kraftschlüssige Verbindungen zu erzeugen (Abb. 8). Dieses Prinzip kann sowohl als Schrumpfsitz, bei einer Pressung oder Schraubverbindung ausgenutzt werden. Die Reibzahl kann bis über µ = 0.8 gezielt reproduzierbar eingestellt werden (Abb. 9).

Abb. 8: Elektrolytisch (obere Reihe) beziehungsweise mechanisch (Mitte) erzeugter, anwendungsspezifischer Strukturchrom (STI ALPINE COAT ®); funktionalisierte, hydrophile Chromoberfläche (untere Reihe); Aufsicht beziehungsweise im Querschliff (unten rechts)

Abb. 9: Anpassung der Reibzahlen durch die Chromschicht

Abb. 10: Anwendungen in der Druckindustrie bei Speedmaster Heidelberg Druckmaschinen AG, Zylinder und Querschliff

 

Sowohl im Bogen-Offset als auch bei der Rollenmaschine ist die funktionelle Hartverchromung mit Abstand die beste­ Beschichtung (Abb. 10). Neben lebenslangem Korrosionsschutz gegen die in der Druckindustrie eingesetzten Medien (vorbehaltlich mechanischer Beschädigung durch Fehlmanipulation) überzeugt die Hartverchromung mit den Eigenschaften wie einer leichten Reinigbarkeit, Schutz vor adhäsivem Verschleiß durch die Druckplatte und vor allem dem Einstellen einer definierten Rauheit und Präzisionsschliff (v. a. Rundlaufgenauigkeit).

Ein beeindruckendes Beispiel für Verschleißschutz ist beim Recycling von Papier zu finden: Die Sortierer bestehen aus Loch- beziehungsweise Stabsiebkörben. Bei Stabsiebkörben ist die eingestellte Schlitzweite für das Sortieren nach Faserlänge verantwortlich. Im Einsatz im abrasiven Papier-Pulp wird das Siebsystem durch starken erosiven Verschleiß (z. B. Pigmente, Sand, Büroklammern) zusammen mit korrosiver Belastung bei gleichzeitigen schwellenden, pulsierenden Dehnungen belastet. Die durch die Hartverchromung eingestellte Schlitzweite kann die Sortierfunktion nach Faserlänge von sehr abrasivem Papier-Pulp im Recyclingprozess mit langen Standzeiten sicherstellen.

Eine weitere Funktionalisierung ist der Einbau optisch detektierbarer Keramikpartikel (Marker) für Plagiatschutz, Verschleißindikation und Sicherheitsfunktion (Abb. 11). Durch Anregung mittels IR-Laser mit für die Marker spezifischer, definierter Wellenlänge entsteht als Antwort eine charakteristische Fluoreszenz. Diese kann auf der Oberfläche, in der Schicht, in Schmiermedien oder im Abrieb detektiert werden. Die Marker widerstehen auch hohen Temperaturen und Belastungen – sogar Verbrennung.

Abb. 11: Chrom-Dispersions-Beschichtung mit optischen Keramikmarkern, bei denen durch Anregung mit IR-Licht ein Fluoreszenzsignal sicht- und messbar ist

 

3 REACh-Problematik

Hartchromschichten sind als metallisches Chrom völlig unbedenklich und werden zu Recht auch vielfach in der Lebensmittel­industrie angewendet. Zum Unverständnis der Beschichtungsfachleute wurden die für die funktionelle Hartverchromung erforderlichen Chrom(VI)verbindungen pauschal für den Einsatz zur Abscheidung von Chromoberflächen auf den Anhang XIV der REACh-Chemikalienverordnung gebracht. Die Verchromungsindustrie muss daraus folgend eine aufwändige Autorisierung durchführen.

Chrom(VI)verbindungen sind korrekterweise kritische Substanzen und erfordern Arbeitsschutzmaßnahmen. Bei Nutzung einer Infrastruktur nach Stand der Technik wird das Risiko sicher beherrscht. Abluftreinigung und Abwasserreinigung funktionieren hervorragend. In modernen Betrieben gibt es ein Monitoring von Mitarbeitern auf Chromanreicherung im Körper. Das Resultat aus solchen Messungen ist bei der Hartchrom AG Steinach, dass die seit vielen Jahren über die SUVA (Schweizerische Unfallversicherungsanstalt) gemessenen Werte denen für Allgegenwartskonzentrationen der Bevölkerung ohne beruflichem Kontakt mit Chrom(VI)verbindungen entsprechen. Die Schwankungen innerhalb der Belegschaft der Hartchrom AG Steinach bewegen sich innerhalb der üblichen ernährungsbedingten und individuellen Schwankungen der allgemeinen Bevölkerung. Auslöser für die Aufnahme von Chrom(VI)verbindungen auf Anhang XIV waren fragwürdig ausgewertete und interpretierte Statistiken einer deutschen Berufsgenossenschaft bei damals unzureichender beziehungsweise fehlender Lobby-Arbeit der Verchromungsindustrie.

Aufgrund der Verunsicherung durch die Aufnahme der Chrom(VI)verbindungen auf den Anhang XIV der REACh-Chemikalienverordnung suchte die Industrie nach Alternativen. Nach jahrelangen Vergleichstests ergibt sich folgendes Bild:

Es gibt Alternativen für Nischenanwendungen, aber kein Substitut, das die Bandbreite der Eigenschaften der Hartverchromung auch nur annähernd abdecken kann. Dies gilt sowohl für die technische wie auch für die wirtschaftliche Betrachtung. Zu beachten ist für die Zukunft die Tatsache, dass auch Nickel (Ni), Kobalt (Co) und Borverbindungen als Kandidaten für die Einstufung als SVHC-Substanzen und die Aufnahme in den Anhang XIV der REACh-Chemikalienverordnung gelten. Die meisten Alternativtechnologien bauen jedoch auf Nickel und/oder Kobalt auf.

  • Thermisch Spritzen – insbesondere HVOF ist Abrasionsschutz ohne Anforderung auf dichte Schichten und gute Haftfestigkeit (wenig Dehnungen, keine Temperaturschocks), wobei Hartstoffschichten der Familie WC-Co eine mögliche Alternative sind. Nachteilig ist allerdings der hohe Bearbeitungsaufwand (aufwändiges Schleifen – meist mit Diamant-Scheiben)
    Für Korrosionsschutz mit untergeordneter Bedeutung von Verschleißschutz und/oder Haftfestigkeit werden Edelstahl, Eisen- und Nickelbasislegierungen thermisch gespritzt.
    Die Beschichtungstechnologie Thermisch Spritzen hat die STI Group im übrigen im Portfolio.
  • Nickel-Dispersionschichten sind kostenintensive Alternativen, sofern sich die thermische Belastung in Grenzen hält und kein Fokus auf Haftfestigkeit liegt. Für motorische Anwendungen dürfen nur Spuren an Schwefeldioxid und Stickoxiden (SO2 und NOx), im Kondensat zu schwefliger Säure und extrem korrosiver Salpetersäure reagieren, sonst sind die Standzeiten des Motors sehr gering. Auch die Neigung zum Fressen von ­Nickel bereitet Probleme. Absolut erforderlich: Pufferung durch Borsäure im Prozess (siehe Risiko SVHC Borverbindungen oben).
  • Auf Werkstoffen, die geschweißt werden können und dürfen, werden zum Teil Stellite mittels Auftragsschweißen als Verschleißschutzschichten eingesetzt. Achtung: Stellite enthalten Kobalt und das Risiko von Verzug und Rissbildung; auch der Aufwand der mechanischen Bearbeitung sollte nicht unterschätzt werden.
  • Verchromung aus dreiwertigen Elektrolyten wird seit Jahrzehnten erforscht und entwickelt. Dies funktioniert (unter Abstrichen beim Farbton) bei dekorativen Anwendungen mit sehr dünnen Schichten, jedoch nicht bei der Hartverchromung. Ursache sind verschiedene Tatsachen. Aus herkömmlichen Elektrolyten wird nanokristallines reines Chrom mit Spuren von Wasserstoff und Sauerstoff abgeschieden. Aus Chrom(III)elektrolyten wird kein reines elementares Chrom abgeschieden, sondern grobkörnige Chromverbindungen. Primär handelt es sich um Verbindungen mit Kohlenstoff, Phosphor und/oder Schwefel. Deshalb verwundert es nicht, dass die Schichten andere Eigenschaften haben.­ Die Schichten sind extrem rissig und spröde und bieten unter Last keinen Korrosionsschutz. Ein weiteres Problem­ ist die oft ausgesprochen schwache Schichthaftung. Außerdem kann die Prozessführung nicht sicher und stabil realisiert werden. Der Autor hat selbst verschiedene Chrom(III)elektrolyte entwickelt und getestet.
  • Dünnschichttechnologie mit und ohne Plasmanitrierung oder anderen Formen­ des Härtens: Häufig werden PVD und/oder CVD im Bereich der Verschleißschutzschichten propagiert. Diese Beschichtungstechnologien bieten gute tribologische Eigenschaften, die jedoch­ zur Ausschöpfung ihres Potentials auf eine vorhergehende Härtung des Grundmaterials oder Beschichtung von Hartmetall angewiesen sind. Wird Grundmaterial unzureichender Härte verwendet, werden die harten Schichten unter Last ins beschichtete weiche Grundmaterial eingedrückt oder gar abgeschert.
    Es werden deshalb primär hochwertige gehärtete Stähle oder teures Hartmetall (WC-Co) beschichtet. Der erforderliche Härteprozess beim Stahl wie auch die nachfolgende Gasphasenbeschichtung erzeugen in den allermeisten Fällen Verzug. Beim Härten ist zu beachten, dass die Einhärtetiefe sowie die erreichbare Härte abhängig von der verwendeten Stahllegierung ist und nicht allein eine einstellbare Größe der Beschichtung darstellt. Weitere Einschränkungen erfährt die Dünnschichttechnologie durch die anlagenbedingt limitierte anwendbare Größe. Zudem sind enge, tiefe Innenbohrungen nicht wirtschaftlich beschichtbar.
    Die angeführten Aspekte bedeuten eine eingeschränkte Auswahl sinnvoller Grundwerkstoffe für die Dünnschichttechnologie und damit eine Einschränkung möglicher Anwendungsgebiete sowie nicht zu unterschätzende Kosten. Trotz vorheriger Härtung des Grundkörpers fehlt für viele Anwendungen der Dünnschichttechnologie mangels Schichtdicke das erforderliche Verschleißvolumen, da der dünne Funktionsfilm auf gehärtetem Grundmaterial meist schnell abgetragen ist. Bei solcher Verschleißbelastung punktet eine dick ausgeführte Hartchromschicht, die bei geeigneter Geometrie des zu beschichtenden Bauteils nicht nur wenige Mikrometer dünn, sondern bei Bedarf im Extremfall auch Millimeter dick ausgeführt werden kann.

4 Fazit

Die Darstellung der umfangreichen positiven Eigenschaften, der guten Herstellbarkeit von Chromschichten und die mögliche Alternativtechnik führen zu folgender Schlussfolgerungen:

  • An die Haftfestigkeit von Hartchrom kommt keine andere Beschichtung heran.
  • Verschiedene Paralleltechnologien können nur Teilaspekte des Eigenschaftsprofils von Hartchrom abdecken.
  • Eine hohe Bandbreite des Hartchrom-Eigenschaftsprofils zu ersetzen, erfordert die Kombination mehrerer Technologien, um die einfache Technologie Hartchrom theoretisch ersetzen zu können. Dies wäre ein Aufwand an Inbetriebnahme, Platz, Personal und Kosten, der jeden Betrieb überfordert. Ist eine Verchromungsanlage heute gut ausgelastet, würden die teuren Anlagen zur Abdeckung von Nischen sehr wahrscheinlich nur schwach ausgelastet sein. Dies ist keine Basis für eine Investition.
  • Ein klassischer Lohnbeschichter kennt die Anwendung und das Anforderungsprofil oft gar nicht und braucht die Summe der Eigenschaften für eine kostengünstige und damit wettbewerbsfähige Standardverchromung. Eine individuelle Abklärung der Eigenschaften erhöht Aufwand und Kosten. Der Aufbau und die Inbetriebnahme neuer Technologien wird die finanziellen Möglichkeiten der meisten Lohnbeschichter übersteigen.
  • Bezüglich der Anlagengröße ist beispielsweise Vakuumtechnik in großem Stil ­extrem kostenintensiv und limitiert die anwendbaren Werkstoffe.
  • Bei der Hartverchromung kann der Aufwand Reinigung, Vorbehandlung und Aktivierung schmal gehalten werden. Oft genügt eine manuelle Reinigung. Das ­Ätzen kann im Chromelektrolyt selbst erfolgen. Eine andere Technologie erfordert mehrere Behandlungsstufen und damit mehrere Arbeitspositionen. Im Maßstab von 100 000 L mit einer Behältertiefe von mehr als 10 m ist dies nicht wirtschaftlich (Platz, Investition, Betriebskosten).
  • Bei Änderung einer Beschichtung sind meist eine Konstruktionsänderung sowie die Änderung des tribologischen Partners notwendig. Da der Beschichter darauf wenig bis keinen Einfluss hat, wird noch sehr lange verchromt werden müssen.

Dies bedeutet:

  • An einer Autorisierung der Chrom(VI)verbindungen für die Hartverchromung­ wird die EU-Kommission sowohl aus technischen, als auch aus sozio-ökonomischen und wirtschaftlichen Gründen nicht vorbeikommen.
  • Die Hartverchromung wird noch lange Bestand haben. Falls die EU Restriktionen auferlegt, werden Hartverchromer außerhalb der EU im Vorteil sein.

Zum Autor

Michael Hekli, Dipl.-Ing. (FH), Leiter Forschung und Entwicklung der STI Group, Steinach (CH), ist seit 1999 als Leiter Forschung und Entwicklung für Entwicklungen bei der STI Group (vormals Hartchrom AG Steinach) beschäftigt. Er ist für die Entwicklung von Prozessen und Verfahren, insbesondere für anwendungsorientierte Optimierung von Schichtsystemen sowie für die Koordination eines kleinen hochspezialisierten Produktionsbereichs der Hartverchromung verantwortlich. Nach seinem Studium zum Dipl.-Ing. (FH) im Bereich Werkstoffkunde/Oberflächentechnik begann er seine berufliche Laufbahn 1996 bei der Firma Skolnik GesmbH in Wien als Fertigungsleiter Hartchrom, später Produktmanager Hartchrom.

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