Rekordbeteiligung zeigt Interesse und Wertschätzung an Oberflächentechniken

Oberflächen 10. 12. 2016

ZVO-Oberflächentage in Garmisch Partenkirchen vom 21. bis 23. September – Teil 3 des Berichts über ein Highlight der Branche

Die ZVO-Oberflächentage boten in diesem Jahr mehr als 70 Fachvorträge in vier parallelen Vortragsreihen zu Themen wie REACh, Korrosionsschutz, bandgalvanische Beschichtung, funktionelle Oberflächentechnik oder Reinigung. Die auf der Tagung vorgestellten Arbeiten von Absolventen und Studierenden aus Schulen und Hochschulen zeigten Entwicklungen im Bereich Oberflächentechnik. Darüber hinaus stellten Unternehmen neue Verfahren, Anlagen und Einrichtungen vor, die bereits Eingang in die Praxis finden.

Bauteilsauberkeit – Basis für dauerhaft hochwertige Beschichtungen

Bedarfsgerecht saubere Oberflächen sind eine essentielle Voraussetzung für die Qualität und Haltbarkeit von Beschichtungen – unabhängig davon, ob es sich um funktionelle oder dekorative Schichten handelt. Das vom FiT, Fachverband industrielle Teilereinigung e. V., im Rahmen der Oberflächentage organisierte Forum Bauteilreinigung bot am 22. September praxisorientiertes Wissen und innovative Lösungen, um eine hinreichende Sauberkeit prozess­sicher und effizient zu erzielen.

Mit den Grundlagen der wässrigen Teilreinigung beschäftigte sich der Vortrag von Andreas Schaab, Surtec Deutschland GmbH. Er ging auf die wichtigsten Reinigungsparameter ein und erläuterte den prinzipiellen Aufbau von wässrigen Reinigern sowie die Unterschiede emulgierender und demulgierender Reinigersysteme. Thematisiert wurden in diesem Referat auch Ein- und Zweikomponentensysteme, deren Einsatzgebiete von der einfachen Zwischenreinigung bis zur anspruchsvollen Endreinigung reichen sowie einfache Methoden zur Überwachung der Reinigerkonzentration.

Die Anlagentechnik für die wässrige Reinigung thematisierte der Beitrag von Thomas Gutman, Mafac E. Schwarz GmbH & Co. KG. Vorgestellt wurden dabei unter anderem Wirkung, Einflussfaktoren und Grenzen unterschiedlicher Reinigungsverfahren, wie Spritz-, Tauch- und Ultraschallreinigung.

Walter Mück von der Pero AG gab einen Überblick über die aktuelle Anlagenausrüstung für die Lösemittelreinigung – auch unter dem Gesichtspunkt Wirtschaftlichkeit – typische Anwendungen sowie die Stärken der heute eingesetzten Lösemittel.

Mit der zyklischen Nukleation (CNp-Verfahren) stellte Gerhard Koblenzer, LPW Reinigungssysteme GmbH, einen innovativen Ansatz für die nasschemische Feinstreinigung vor. Erläutert wurden die physikalischen Eigenschaften des Verfahrens, Anwendungsbeispiele und Erfahrungen aus der Praxis.

Professor Peter M. Kunz, Institut für Biologische Verfahrenstechnik an der Hochschule Mannheim, entführte die Teilnehmer in die Welt der Mikroorganismen. Er zeigte auf, wo und wie bionisch-biologische Erkenntnisse in der metallbe- und -verarbeitenden Industrie genutzt werden können, um Reinigungsergebnisse nachhaltig zu verbessern. So präsentierte er Fallbeispiele zur enzymatischen Reinigung von Metalloberflächen nach dem Polieren, mikrobiologischen Heißentfettung zur Kreislaufführung und dem Einsatz von Mikroorganismen zur Entfernung von Eisenoxiden nach dem thermischen Entgraten. Der abschließende Ausblick zeigte Perspektiven im Hinblick auf REACh und Nachhaltigkeit auf.

Die effiziente Aufbereitung von Spülwasser mit Vakuumdestillationssystemen und Wiederverwendung des Destillats in Teilereinigungsprozessen war Thema des Vortrags von Thomas Dotterweich, H2O GmbH.

Einen Einblick in die Technologie des Laser­strahlreinigens und deren Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise bei der Formen- und Werkzeugreinigung, beim Entlacken und Entschichten sowie der Reinigung und Modifikation von Oberflächen vor dem Beschichten, Schweißen und Kleben, bot Edwin Büchter, Clean-Lasersysteme GmbH.

Die Potentiale von technischem Kohlen­dioxid für Strahl-, Reinigungs- und Schneid­anwendungen standen im Mittelpunkt des Beitrags von Johannes Mankiewicz, Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK). Neben Reinigungsanwendungen mit festem und flüssigem Kohlenstoffdioxid stellte er den aktuellen Entwicklungsstand des Hochdruck-Kohlendioxid-Strahlspans, einer Alternative zum Hochdruckwasserstrahlschneiden vor.

Adelbert Förtsch, Rösler Oberflächentechnik GmbH, informierte über die Möglichkeiten und Einsatzbereiche der Gleitschlifftechnik bei der Bearbeitung von Metalloberflächen. Er ging dabei sowohl auf die Maschinentechnik als auch auf die Auswahl von Schleifkörpern, Compounds und Prozesswassertechnik ein.

Die jeweils zwischen 40 und 70 Teilnehmer der Vorträge des Forums Bauteilreinigung waren sowohl mit dem breit gefächerten Vortragsangebot als auch der Qualität der Referate sehr zufrieden und konnten zahlreiche Anregungen mit nach Hause nehmen. Große Zufriedenheit herrschte auch bei den 71 Unternehmen, die während der ZVO-Oberflächentage Produkte und Dienstleistungen präsentierten.

Über den FiT

Der FiT, Fachverband industrielle Teilereini­gung e. V., repräsentiert Lieferfirmen, Anwender, Beratungs-, Planungs-, Engineering- und Serviceunternehmen, wissenschaftliche Institute und Fachverbände für diesen Industriebereich. Sein Ziel ist die Wahrnehmung und Förderung der allgemeinen, ideellen und wirtschaftlichen Interessen seiner Mitglieder. Zu den unterschiedlichen Themen bilden Mitglieder des Fachverbandes industrielle Teilereinigung Fachausschüsse, um Lösungswege für die Problemstellungen in der Branche zu erarbeiten. Er arbeitet mit zahlreichen institutionellen und staatlichen Stellen kooperativ zusammen, zum Beispiel mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Von besonderem Interesse sind innovative neue Techniken im Bereich der Reinigungschemie, Anlagentechnik, Badpflegeeinrichtungen, Umweltschutz, Abfallverwertung, Abfallentsorgung und der praxisorientierten Bad- und Oberflächenanalytik. Gewonnene Erkenntnisse werden durch Seminare, Lehrgänge, Messen, Tagungen, Vorträge sowie in Veröffentlichungen der Branche zur Verfügung gestellt. Der FiT bietet, teilweise zusammen mit dem ZVO (Zentralverband Oberflächentechnik e. V.) und seinen Organen, ein Forum für die Behandlung von branchenspezifischen Fragestellungen.   D. Schulz

Neue Anforderungen an die Oberflächentechnik

Elektrochemisch aktive Oberflächen

Gloria Lanzingen (fem) befasste sich in ihrem Vortrag mit der Herstellung von Detektoren für Filter zur Entfernung von luftgetragenen molekularen Verunreinigungen, wie sie vor allem in der Reinraumproduktion­ störend sind. Bisher werden Filter zur Gewährleistung einer sicheren Arbeitsweise vor deren eigentlichem Lebensende ausgetauscht – ohne den tatsächlichen Zustand des Filters zu kennen.

Ein Online-Filter auf Basis von Gasdiffusions­elektroden soll hier Abhilfe schaffen durch Anzeige des Ladezustands. Dafür wird der Effekt genutzt, dass sich die elektrochemischen Eigenschaften einer Oberfläche ändern, wenn Stoffe an der Oberfläche adsorbiert sind. Als aktive Beschichtung fungiert Silber, das auf Fasern abgeschieden werden soll. Die Arbeit wurde zusammen mit dem IUTA, Institut für Energie- und Umwelttechnik, durchgeführt, das die Untersuchungen zur Beladung mit Schadgasen wie NO, CO, SO2 und CO2 vorgenommen hat. Als Messsignal dient primär der Übergangs­widerstands der Oberfläche durch die Beladung, wobei auch visuelle Änderungen der Sensoroberfläche erkennbar sind.

Die Abscheidung wurde aus cyanidischen und cyanidfreien Elektrolyten sowie mit Gleich- und Pulsstrom durchgeführt. Dabei­ zeigten die verschiedenen Verfahren deutlich unterschiedliche Schichtergebnisse:­ von knospig punktuell bis zu glatten und homogenen Schichten. Die Messungen zeigen, dass eine Beladung von etwa 0,3 mg/cm2 für die Messungen ausreichend ist.

Praxiserfahrungen zum Borsäureersatz

Inzwischen liegen erste Ergebnisse zum Einsatz eines Ersatzstoffes für Borsäure in galvanischen Elektrolyten vor, wie sie vor zwei Jahren erstmals von Dr. Robert Gehrke (RIAG AG) vorgestellt wurden. Dr. Gehrke wies darauf hin, dass sich seitens der Gesetzgebung in den letzten Jahren keine Änderungen ergeben haben, seitens der Anwender allerdings im Hinblick auf die Verbesserung der Abwasserbehandlung Interesse an einem Ersatzstoff besteht. Der organische Ersatzstoff zeichnet sich durch eine sehr gute Pufferwirkung aus, hat dadurch jedoch den Effekt, dass sich eine Zugabe von Säure relativ träge auf eine gewünschte Änderung des pH-Werts auswirkt.

Im Vergleich ist die Pufferwirkung des neuen organischen Puffers besser, als die von Borsäure. Vorteilhaft ist darüber hinaus das breite Einsatzfenster. Die abgeschiedenen Schichten zeigen den selben Aufbau wie mit Borsäureelektrolyten, wobei die Schichten geringere Eigenspannungen aufweisen. Die Ausfällung von Nickel durch Nickel­hydroxidbildung im Abwasser ist problemlos möglich, ebenso wie der Betrieb einer mikrobiellen Abwassernach­behandlung.

Die Praxistests wurden in Produktionen mit Gestell- und Trommelbeschichtung und Volumina von etwa 30 000 Litern durchgeführt. Der Betrieb lässt sich fließend von Borsäure auf den organischen Puffer umstellen und bestätigt die hohe pH-Konstanz, wodurch der Betreuungsaufwand vermindert wird. Haftung, Duktilität, Streuung und Abscheidungsrate sind gleich wie bei Verwendung von Borsäure. Der Glanzgrad ist im Randbereich etwas geringer, als bei einer Borsäureanwendung, allerdings nur bei bestimmten Verfahrensparametern. Dies führt dazu, dass eine Überdosierung an Glanzzusatz nicht möglich ist. Derzeit wird der Einsatz in Nickelsulfamatelektrolyten geprüft.

Chrom(VI)freie Beize für die Kunststoffgalvanisierung

Dr. Jürgen Hofinger (Biconex GmbH) gab einen Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand beim Einsatz der neuen Technologie zur Aktivierung von Kunststoffen für die nachfolgende galvanische Beschichtung. Als wesentlicher Unterschied zum Standardverfahren des Anätzens erfolgt bei der neuen Technologie ein Angriff der gesamten Oberfläche. Dabei findet eine Gasentwicklung statt mit dem Effekt des Aufschäumens der Oberfläche. Erkennbar ist dies unter anderem daran, dass die entstehenden Poren einen Krater besitzen. Beim Überbeizen des Kunststoffs findet eine sehr starke Porenbildung mit Schwächung der Haftung zwischen Oberflächenzone und Grundwerkstoff statt.

Vorteil des Verfahrens ist beispielsweise die einfache Einführung in bestehende Anlagen, wobei die Zahl der Vorstufen reduziert werden kann. Darüber hinaus entfällt die Neutralisierung und durch geringere Arbeitstemperaturen wird Energie eingespart; eine Schlammbildung findet nicht statt. Die Haftung der Schicht in Abzugstests ist mit der der Standardprozesse vergleichbar, mit allerdings starker Abhängigkeit der Kunststoffqualität (Spritzfehler).

Die Vorteile des Verfahren sind neben dem Vermeiden des Einsatzes von Chrom(VI) ­geringere Energiekosten, eine geringere­ Anzahl an Arbeitsstationen, geringerer Ausschuss oder auch einfachere Entsorgung. Derzeit laufen Prozesse im Technikumsmaßstab mit etwa 300 Litern sowie Versuche zur Beschichtung in 2K-Prozessen. Des Weiteren wird an der Beschichtung von Sonderkunststoffen gearbeitet, wie sie in der Elektrotechnik eingesetzt werden.

Chrom(VI)freie selektive Beschichtung

Das von Desiree Lemke (Coventya GmbH)vorgestellte Verfahren zur selektiven Verchromung basiert auf dem eingeführten Prozess Silken Bond Tech der Coventya. Im Vergleich zur Verwendung von Kalium­permanganat bleibt die Anzahl an Prozess­schritten gleich bei abweichenden Arbeitsparametern. Das Verfahren benötigt einen Zusatz zur Vermeidung der Braunsteinbildung und zur Reoxidation des Inhibitors. Untersuchungen zur Funktion der erforderlichen Reoxidationszelle zeigten, dass die Durchflussgeschwindigkeit eine der entscheidenden Größen ist: Zu bevorzugen sind geringere Durchflussgeschwindigkeiten.

Mit dem Verfahren werden bei unterschiedlichen Kunststofftypen (Basis ABS) vergleichbare Beizbilder erzeugt. Wichtig beim Arbeiten mit dem neuen Verfahren­ ist, die entstehenden Verfärbungen auf Gestellen gründlich zu entfernen, da es sich hierbei um Störstoffe handelt, die vor allem die Funktion der Beschleuniger­lösung durch Verschleppung verschlechtern. Es empfiehlt sich die Verwendung einer Gestellkonditionierung, insbesondere bei älteren Gestellen, um die Metallisierung der Gestelle zu vermeiden. Die Haftung der hergestellten Beschichtungen erfüllt die Anforderungen für beschichtete Bauteile.

 

 

Industrie 4.0

Potenziale für Kostensenkung und Qualitätssteigerung

Vor allem aus der Fertigungstechnik liegen heute erste Ergebnisse des erweiterten Einsatzes von IT-Verfahren vor, die unter dem Schlagwort Industrie 4.0 zusammengefasst werden. Wie Carsten Hagemann (BeOne Hamburg GmbH) einleitend klarstellte, handelt es sich bei Industrie 4.0 nicht um ein zu erwerbendes Produkt oder System, sondern einen Ansatz zur Nutzung von Daten, der für jedes Unternehmen individuell einzurichten ist. Dazu müssen im Unternehmen zunächst Ziele für die Nutzung von Daten definiert werden, beispielsweise die Senkung der Kosten durch eine optimierte Produktion. Im Weiteren können daraus Verfahren generiert werden, um die vorhandenen Werkzeuge wie CAD, Verbrauchswerte für Betriebsmittel oder Kenngrößen der Produktion durch neue Software zu verbinden und weitreichende­ Modellierungen möglichst aller Prozesse im Unternehmen zu erarbeiten. Hieraus ergibt sich unter anderem eine Zeitersparnis für die betriebliche Weiterentwicklung. Einsparpotenziale und eine Qualitätssteigerung sind beispielsweise durch eine effektivere Produktionsplanung mit reduziertem Materialausschuss und besserer Liefer­fähigkeit zu erwarten.

Vorbereitung für Industrie 4.0

Nach Ansicht von Michael Hellmuth (Softec AG) sind die ERP-Systeme der Betriebe eine gute Basis für die Weiterentwicklung zu einem umfassenden System entsprechend den Vorstellungen von Industrie 4.0 (siehe hierzu den ausführlichen Beitrag in WOMag 11/2017).

Industrie 4.0 in der Galvanotechnik

Die SurTec hat am Beispiel von Chemieprozessen zur Oberflächenbehandlung die Erfahrung gemacht, dass der Trend zur Flexibilisierung und Individualisierung ebenso erkennbar ist, wie der zur Ressourcenschonung und kürzeren Reaktionszeiten. Die Vortragenden Karsten Grünke und Patricia Preikschat wiesen daraus folgend darauf hin, dass Industrie 4.0 vor allem unter dem Aspekt der Gewinnung von Mehrwert angegangen werden sollte. Die stärkere Vernetzung mit weitreichendem Einsatz von IT-Technik führt dazu, dass sowohl die Zustände und Orte jedes einzelnen Teils in der Produktion bekannt sind, als auch die der produzierenden Anlagen und Maschinen. Hierin wird sowohl eine bessere Planbarkeit, Vereinfachung und Kostenreduzierung gesehen, als auch eine weitere Steigerung der Qualität. Die Oberflächentechnik ist gefordert, ihren Einsatz von Sensoren, Messeinrichtungen und angepasster Software zu intensivieren und damit die Grundlagen für eine deutlich bessere Vernetzung zu ­schaffen.

 

 

Junge Kollegen

Plasmaelektrolytische Oxidation

Die Arbeiten von Frank Simchen (TU Chemnitz) über die Herstellung von Oxidschichten auf Magnesium mit der Technologie der plasmaelektrolytischen Oxidation wurden mit dem diesjährigen Nachwuchsförderpreis der DGO ausgezeichnet. Seine Untersuchungen zeigen, dass die Elektrolytkomposition für den Prozess der Oxidbildung eine entscheidende Rolle spielt. Sie erlaubt es, die Zusammensetzung der erzeugten oxidkeramischen Schichten gezielt zu Gunsten deutlich härterer Bestandteile zu verändern. Dabei liegt allerdings eine stark fehlstellenbehaftete Morphologie solcher Schichten vor, welche die praktischen Anwendungsmöglichkeiten derzeit noch einschränkt und somit weitere Forschungs-
tätigkeit erfordert.

Oxidschichtbildung in hochviskosen Elektrolyten

Ausgehend von der Situation, dass beschichtete Aluminiumprofile durch Bearbeitung oder Reparatur offene Schnittflächen aufweisen, die in der Folge zu Korrosion oder Haftungsschwächen bei Reparaturbeschichtungen führen können, wurde ein spezielles Anodisationssystem entwickelt, das Lissy Berndt (Fraunhofer IFAM) erläuterte. Dazu wurde ein hochviskoser Elektrolyt auf Basis von Phosphorsäure in einem wasserbasierten Polymersystem (PVA, PAA) untersucht. Dieser wurde auf ein Trägermaterial mit einem Edelstahlnetz als Kathode aufgebracht. Dadurch entstand ein System in Form eines Klebebands, das auf die zu anodisierenden Aluminiumprofile aufgebracht werden kann.

Die Anodisierung erfolgte bei Spannungen zwischen 3 V und 25 V über eine Zeitdauer von etwa 20 Minuten. Die Stromdichte­kurve zeigt dabei eine stetige Abnahme mit fortschreitender Anodisierdauer, was auf den Aufbau der Oxidschicht zurückzuführen ist. Die entstehenden Oxidschichten zeigen vergleichbare Werte, wie die konventionell in Tauchsystemen anodisierten Metallprofile. Die erzielten Schicht­dicken reichten bis zu 1 µm. Noch ungeklärt ist die beobachtete Zunahme des Elektrolytwiderstands während des Anodisierens. Die Oxidschichten eignen sich für die Verklebung von Aluminiumprofilen, was an Scherversuchen aufgezeigt werden konnte.

Nickel- und Nickel-Eisen-Schichten als magnetostriktive Aktorschicht

Zur zerstörungsfreien Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen beziehungsweise Bauteilen eignen sich Sensoren mit eingeschriebenem Faser-Bragg-Gitter. Die Sensoren können aus einer Glasfaser (125 µm Durchmesser) mit einer magnetostriktiven Aktorschicht bestehen. Als Schicht eignen sich galvanisch abgeschiedenes reines Nickel oder Nickel-Eisen in der Zusammensetzung 50:50, die Anja Westphal (BAM) untersucht hat. Derartige Schichten können auf eine Startschicht aus Chrom und Kupfer (15 nm und 100 nm, abgeschieden mittels PVD-Verfahren) aus Elektrolyten auf Basis der Zusammensetzung nach Watts abgeschieden werden. Durch Variation der Elektrolytparameter können die erforderlichen Schichten hergestellt werden. Mit Hilfe einer neu entwickelten Eindringprüfung kann eine Qualifizierung der Schichten durchgeführt werden. Hinweis: Die Referentin stellt ihre Arbeit in einem umfangreichen Aufsatz in WOMag 1-2/2017 vor.

Membrananoden in Zink-Nickel-Elektrolyten

Thomas Krüger (Atotech Deutschland) stellte Möglichkeiten zur Verbesserung des Betriebs von sauren Elektrolyten zur Abscheidung von Zink-Nickel-Legierungen vor. Diese Abscheideverfahren unterliegen bei standardmäßigem Betrieb einem stetigen Anstieg der Zinkkonzentration, da der kathodische Wirkungsgrad unter 90 % liegt, aber anodisch zu 100 % Zink aufgelöst wird. Um eine konstante Zinkkonzentration zu erzielen, wird im einfacheren Fall der Elektrolyt kontinuierlich verdünnt; allerdings fällt hierdurch Abfall an und die Betriebskosten steigen.

Der Einsatz von Membrananoden behebt diesen Nachteil. Hierbei werden Anoden- und Kathodenraum getrennt. Zusätzlich kann mit mehreren Gleichrichtern gearbeitet werden; hierzu werden getrennte und gut steuerbare Stromflüsse für die Metall­auflösung (Zink und Nickel getrennt) sowie die Wasseroxidation (Sauerstoffbildung) über die Membrananode eingerichtet. Dieses System hat beim Praxiseinsatz zu einer gut regelbaren Zinkkonzentration im Elektrolyten geführt. Im Ergebnis führt dies zu einer gleichbleibenden Qualität bei deutlich verringerten Betriebskosten, allerdings mit dem Nachteil erforderlicher Investitionen in Gleichrichter und optimierte Löseabteile für Zink und Nickel.

Zinkdispersionsabscheidung

Dispersionsschichten erweitern den Einsatz von chemisch und galvanisch abgeschiedenen Metallschichten deutlich. Magali Camargo (TU Ilmenau) untersuchte hierzu die Mitabscheidung von Metalloxiden in Zinkschichten. Dadurch soll deren Beständigkeit gegen Verschleiß sowie die Schichthärte erhöht werden, aber auch neue Funktionen erzeugt werden, wie eine photokatalytische Aktivität durch die Nutzung von Titandioxidpartikeln.

Für die Untersuchungen zur Einbettung von Titandioxid mit einer Ausgangsgröße von 21 nm wurde ein Elektrolyt auf Chlorid- und einer auf Sulfatbasis herangezogen. Die erste Herausforderung bestand in der Herstellung einer gleichmäßigen Verteilung (Vermeidung der Koagulation) der Titandioxidpartikel, die in verdünnter Lösung für den Chloridelektrolyten mit geringem Aufwand möglich ist. Als Einflussgrößen für die Herstellung eines einsetzbaren Elektrolyten zeigt sich der pH-Wert (optimal im schwachsauren Bereich) sowie die Umwälzung des Elektrolyten.

Des Weiteren machen sich die Stromformen und die Stromdichten bemerkbar; insbesondere beim Sulfatelektrolyten sinkt die Einbau­rate mit steigender Stromdichte stark. Nachteilig auf die Einbaurate wirken sich zudem die Additive aus. Die Härte der Zinkschicht steigt durch den Einbau des Titandioxids auf 80 HV bis 100 HV an. Die Partikel selbst liegen in der Schicht im agglomerierten Zustand (200 nm – 300 nm) vor.

Korrosion von Zinkschichten

Der klassische Korrosionstest in Salzsprühkammern steht des Öfteren in der Diskussion, vor allem in Bezug auf die Übertragbarkeit der Messwerte in reale Beständigkeiten. Martin Babutzka (BAM) hat sich mit Möglichkeiten beschäftigt, um die Aussagefähigkeit der Tests zu verbessern, vor allem im Hinblick auf Zinkschichten, bei denen die Ausbildung einer Deckschicht maßgeblich die Korrosionsgeschwindigkeit bestimmt. Unter zu aggressiven Untersuchungsbedingungen kann sich diese Deckschicht nicht ausbilden.

Als Ansatz zur Annäherung der Testbedingungen an die Realität wählte Martin Babutzka einen gelartigen Elektrolyten, mit dessen Hilfe sich ein Feuchtfilm auf der Oberfläche bilden kann. Mit diesem wurden Messgrößen wie die Potentialwerte­ oder Polarisationswiderstände an Zinkschichten gemessen. Bei der Auslagerung konnte hierbei aus dem Verlauf des Polarisationswiderstandes auf eine Schichtbildung und -stabilisierung geschlossen werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass unter diesen Bedingungen Korrosionsverläufe auftreten, wie sie auch bei der Freibewitterung von Zinkschichten festzustellen sind.

Galvanoformung mit Nickel

Nickelsulfamatelektrolyte werden aufgrund der geringen Eigenspannungen für die Herstellung von Teilen durch Galvanoformung eingesetzt. Silvia Schorn (TU Ilmenau) untersuchte die Spannungsbildung in entsprechenden Nickelniederschlägen detailliert und zeigte, dass mit einer Simulationssoftware die tatsächlichen Verhältnisse in den entstehenden Schichten auf Basis der Stromdichteverteilung abgebildet werden können. Die mit der Software ermittelten Druckspannungen zeigen sich auch in rea­len Teilen, wobei durch die Zugabe von Chlorid zum Elektrolyten die Eigenspannungen gesenkt werden.

 

 

Anwendungsnahe Zukunftstechnologien

Löslichkeit und Komplexbildung

Die Entwicklungen von Verfahren zur Metallabscheidung beruhen bisher auf eingeschränkten Kenntnissen der elektrochemischen Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Elektrolyte. Dominik Höhlich (TU Chemnitz) stellte Ansätze vor, wie Kennwerte aus der Elektrochemie, etwa Komplexbildungskonstanten oder Temperaturabhängigkeiten der Komplexreaktionen, für Simulationen genutzt werden können. Dadurch kann die Entwicklung von neuen Abscheideverfahren, insbesondere durch Auswahl geeigneter Verbindungen, beschleunigt werden.

Numerisches Elektrolytdesign

Markus Müller (TU Chemnitz) zeigte anhand von bekannten beziehungsweise einfach zu bestimmenden Kenngrößen der Elektrochemie die Vorgehensweise zur Herstellung von einfachen Elektrolyten. Neben bekannten Größen wie pH-Wert oder den Werten der Nernst-Gleichung werden hierfür Kenn­werte der Komplexbildung, wie Diffusionskoeffizienten und Zerfallskonstanten, herangezogen.

Elektrolytentwicklung für Pulse-Plating

Auf Basis der Arbeiten von Dominik Höhlich und Markus Müller zeigte Dr. Ingolf Scharf (TU Chemnitz) die Anwendung der entwickelten Software für die Abscheidung mittels Pulse Plating. Durch die große Zahl an möglichen Einstellungen wird der Parametersatz erheblich erweitert. Unter diesen Bedingungen empfiehlt sich die Durchführung von Versuchen zur Verifizierung der Vorgehensweise.

Automatisierung in der Elektrolytentwicklung

Günter Mollath erläuterte in seinen Ausführungen die Vorgehensweise zur Gewinnung von geeigneten Modellen für die Auto­matisierung der Elektrolytentwicklung, wie sie zum Beispiel auf Basis DoE zunehmend auch in der Galvanotechnik üblich wird. Solche Automatismen sind sehr sinnvoll, da die galvanotechnische Metallabscheidung aufgrund zahlreicher Merkmale und Einflussgrößen eine hohe Zahl an Beziehungen aufweist. Ziel ist der Aufbau von kompakten Laboranlagen mit einer entsprechenden Automatisierung. Eine solche robotergeführte Anlage wird an der Technischen Universität Chemnitz erprobt. An einigen Elektrolytsystemen stellte der Vortragende daraus abgeleitete Kenngrößen für Elektrolyte vor. Das System kann auch Basis für die Fortführung im Rahmen der Industrie-4.0-Philosophie bilden.

Kupferelektrolyt auf Phosphonatbasis

Kupfer wird bisher in breitem Umfang aus cyanidischen Elektrolyten abgeschieden, wenn eine hohe Streufähigkeit erforderlich ist. Barakat Salloum (TU Ilmenau) stellte Alternativen auf Basis der Phosphonsäuren ATMP und HEDP vor. Die Charakterisierung der Verbindungen erfolgte beispielsweise an den nutzbaren Stromdichten, der Anodenlöslichkeit oder der Stabilität der Verbindungen. In Betracht kommen sowohl die reinen Verbindungen als auch Mischungen daraus. Während reine ATMP-Elektrolyte nur geringe Stromdichten erlauben, kann durch Zugabe von HEDP dieser Wert auf bis zu 3 A/dm2 gesteigert werden. Die abgeschiedenen Schichten zeigen akzeptable Eigenschaften, soweit die Elektrolyte aus HEDP oder Mischungen der Verbindungen verwendet werden.

Galvanische Lotabscheidung

Mahsa Mozafari (TU Ilmenau) befasste sich mit der hochgenauen Abscheidung von Lotstapeln für die Herstellung von elektronischen Bauelementen. Hierfür ist die sehr genaue Menge an Bismut und Indium sowie die Abscheidung in Mikrosystemen erforderlich. Die notwendige Legierung aus einem Drittel Bismut und zwei Dritteln Indium konnte in der benötigten Präzision abgeschieden werden.

Prinzipien der Chrom(III)elektrolyte

Mit dem hochaktuellen Thema der Chromabscheidung aus Chrom(III)elektrolyten befasst sich Christoph Tschaar. Hier zeigt es sich, dass sowohl die Chemie der vorliegenden Verbindungen in wässrigen Lösungen als auch das Zusammenspiel zwischen Anoden- und Kathodenreaktionen noch sehr mangelhaft verstanden ist. Insbesondere die hohe Zahl an möglichen Reaktionsabläufen im Elektrolyten erfordert weitreichende Studien, um die Chromabscheidung zukünftig gezielt zu verändern.

Wirkung von Komplexbildnern

Komplexbildner sind für viele Verfahren zur Abscheidung von Metallen unerlässliche Bestandteile der Elektrolyten. Dr. Udo Schmidt (TU Ilmenau) zeigte in seinem Vortrag auf, welche Wirkungen diese Verbindungen besitzen, um beispielsweise die Löslichkeit der Metalle in Wasser oder die elektrochemische Reaktion im notwendigen Umfang garantieren zu können.

 

 

Funktionelle Oberflächensysteme

Schwarze Nickelschichten

Metallische Oberflächen müssen für bestimmte optische Anwendungen beispielsweise eine sehr geringe Reflexion aufweisen. Jan Kinast (Fraunhofer IOF) stellte dazu Verfahren zur Abscheidung von Nickel-Phosphor vor und erläuterte die Eigenschaften der hergestellten Schichten. Dazu wurden unter anderem Messungen mit REM und Heliumionen-­Mikroskop zur Klärung der wirksamen Morphologie der Oberflächen durchgeführt.

Stromeinfluss beim Hartverchromen

In der Regel werden galvanische Verfahren durch eine große Zahl an Parametern beeinflusst. Helmut Horsthemke (MacDermid Enthone) stellte hierzu Überlegungen an, indem er 14 Parameter entsprechend ihrer Wirkung auf 14 Kenngrößen bewertete. Dabei zeigt es sich, dass praktisch alle wichtigen Ergebnisse von einem der Stromparameter (Stromart, Spannung, Stromstärke) beeinflusst werden. Auch wenn die genaue Wirkung des Stroms nur beschränkt bekannt ist, stellt die Veränderung der Stromparameter eine kostengünstige und einfach durchzuführende Methode dar, um die Eigenschaften der Abscheidung zu beeinflussen. Unterstützung leisten hierbei Fachleute mit ihren weitreichenden Kenntnissen sowie moderne Verfahren der Mess- und Regeltechnik.

Reibung bei Korrosionsschutzschichten

An Verbindungselemente in Fahrzeugen werden hohe Ansprüche gestellt: Sie müssen Teile sicher fixieren, lösbar sein und dürfen nur sehr geringe Korrosionsraten aufweisen. Dr. Michael Krumm (Coventya) befasst sich mit Einflussgrößen zur Sicherstellung der Anforderungen durch die Einstellung von eng begrenzten Reibungswerten und hohem Korrosionsschutz. Ein Hauptaugenmerk ist auf die Einhaltung der Reibwerte bei neuen Verbindungselementen zu richten. Diese müssen eine zuverlässige und sichere Montage garantieren. Zu niedere Reibungszahlen bergen bei der Montage die Gefahr des Lösens sowie des Abreißens, während zu hohe Werte zu nicht ausreichender Spannkraft oder Beschädigung der Korrosionsschutzschicht führen. Problematisch für alle Hersteller von Verbindungselementen ist die merkliche Differenz bei den Reibzahlen in unterschiedlichen Ländern und bei unterschiedlichen Automobilherstellern.

Als Stellgrößen für die Einstellung der Reibwerte stehen die Beschichtungsvarianten für Zink beziehungsweise Zinklegierung sowie Nachbehandlungen (Passivierung, Topcoat) zur Verfügung. Hierbei wird vor allem die Rauheit und Morphologie der Oberflächen in Betracht gezogen. So zeigt es sich, dass der Gehalt an Glanzzusatz zwar erwartungsgemäß die Oberflächenstruktur verändert, sich aber kaum Unterschiede im Reibwert erkennen lassen. Allerdings ist die Streuung der Reibungszahlen bei optimaler Konzentration an Glanzzusatz am geringsten. Topcoats spielen insofern eine wichtige Rolle, als die Art und Menge an Gleitmittelzusatz die Steuergröße zur Einstellung der Reibungszahlen ist.

Modifizierung der chemischen Nickelabscheidung

Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-­Schichten werden aufgrund der positiven Eigenschaften in Bezug auf Korrosion, Verschleiß oder Härte zunehmend nachgefragt. Darüber hinaus sind sie bestens geeignet, durch Mitabscheidung von anorganischen und organischen Partikeln weitere Eigenschaften einzustellen. Dr. Mathias Schnippering (RIAG) informierte über elektrochemische Methoden als Werkzeug zur Unterstützung dieser Anpassungsarbeiten.

Im Vordergrund stehen natürlich die unterschiedlichen elektrochemischen Verfahren, wie Potenzialmessungen unter Ausnutzung der vorhandenen Ionen oder der Doppelschicht an der Grenzfläche von Elektrode und Elektrolyt. Da das Potenzial von zahlreichen Parametern abhängig ist, ergeben sich bereits daraus Kennwerte für unterschiedliche Größen des Elektrolytsystems. Zur Anpassung von chemischen Abscheidesystemen wird der Blick auf die Wirkung der Komponenten und deren Konzentration gerichtet. Dazu eignen sich beispielsweise zeitabhängige Potenzialverläufe mit verschiedener Elektrolytzusammensetzung, pH-Wert oder Temperatur; der pH-Wert übt im Falle der Nickelabscheidung den größten Effekt auf das Potenzial aus. Weitere Methoden sind Chronoampero- und Chronopotentiometrie, zyklische Voltammetrie und Impedanzspektroskopie, für die der Vortragende Beispiele zum Einsatz bei der chemischen Nickelabscheidung zeigte.

Nickelmigration

Für Sanitärarmaturen sind Chromoberflächen die optimale Beschichtung, da diese gegen die auftretenden Belastungen durch Korrosion oder Abrieb beständig sind und zugleich einen hohen dekorativen Effekt besitzen. Da die Schichten aber stets in Kombination mit Nickel aufgebracht werden, besteht die Gefahr der Nickelabgabe ins Trinkwasser. Dr. Alexander Jimenez (Kiesow) befasst sich mit den Herausforderungen, diese Gefahr zu minimieren.

Nickelschichten sind auf Sanitäroberflächen für die Erzeugung des hohen Glanzes verantwortlich. Da Nickelverfahren bei der galvanischen Abscheidung eine wesentlich höhere Streufähigkeit besitzen als Chrom, liegen auf den Sanitärarmaturen Flächen ohne Chromschicht auf Nickel vor. Durch die Unterschiede bei den elektrochemischen Potenzialen zwischen Nickel und Chrom löst sich Nickel auf, was zur Abgabe von Nickel in Trinkwasser führt. Diese Werte sind für Sanitärarmaturen limitiert. Wie Dr. Jimenez ausführte, ist die Bestimmung der Nickelabgabe durch verschiedene Verfahren möglich, die allerdings kein absolut einheitliches Bild ergeben. Bei vorgenommenen Tests zeigte sich eine deutliche Überschreitung der Höchstkonzentrationen­ an Nickel, woraus sich Handlungsbedarf ­ergibt.

Ein Verzicht auf Nickel scheidet aufgrund des geforderten glänzenden Erscheinungsbildes für Sanitäroberflächen aus. In Betracht kommt dagegen die Reduzierung der frei liegenden Nickelflächen, beispielsweise durch Verstopfen von Bohrungen. Weitere Ansätze befassen sich mit der Modifizierung der Elektrolyte zur Änderung des elektrochemischen Potenzials von Nickel, dem Aufbringen von nicht leitenden Deckschichten oder dem chemischen Entfernen von nicht verchromten Nickelschichten. Diese Verfahren wurden von einem Arbeitskreis der Sanitärindustrie auf ihre Eignung hin geprüft, wobei die Abdeckung sowie die Änderung des Schichtpotenzials geeignete Methoden zur Einhaltung der Grenzwerte für die Nickelabgabe darstellen.

Nickel-Wolfram als Hartchromersatz

Steffen Krause (Technic Deutschland) befasst sich mit der Abscheidung von Nickel-Wolfram als Alternative für konventionelle Hartchromschichten. Nickel-Wolfram könnte neben dem derzeit im Vordergrund stehenden Verfahren für Chromschichten aus Chrom(III)elektrolyten als eine weitere Technik zur Herstellung von besonders harten und korrosionsbeständigen Oberflächen angeboten werden.

Mit einem verbesserten Verfahren lassen sich Schichten im Verhältnis 65/35 Nickel/Wolfram abscheiden, die Härten zwischen 550 HV (ungetempert) und mehr als 900 HV besitzen. Die Schichten sind darüber hinaus sehr korrosions- und verschleißbeständig, nichtmagnetisch und lötfähig. Vorteilhaft ist, dass die Legierungszusammensetzung über einen Stromdichtebereich zwischen 3 A/dm2 und 8 A/dm2 nahezu konstant bleibt. Darüber hinaus kann unter entsprechend günstigen Strömungsbedingungen bis zu 70 A/dm2 eine glatte Schicht abgeschieden werden.

Chemische Nickelabscheidung

Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Schichten finden aufgrund der günstigen Schichteigenschaften eine zunehmende Anwendung für funktionelle Oberflächen. Allerdings ist es dafür notwendig, die optimale Zusammensetzung des Elektrolyten zu kennen und beizubehalten. Dazu gab Sven Pörschke (Coventya) einen Überblick über die Wirkungsweise der einzelnen Parameter des Abscheidesystems.

Eine optimal vorbehandelte Oberfläche gewährleistet eine hohe Keimrate und damit auch ein gleichmäßiges Schichtwachstum. Unterstützt wird das Wachstum durch günstige Diffusionsbedingungen für alle Bestandteile des Elektrolyten und eine optimale chemische Beständigkeit und Wirkung der verwendeten Komplexe. Additive gewährleisten einen kontrollierten und gleichmäßigen Abscheideprozess sowie die Maskierung von Störstoffen, beispielsweise in Folge von Einschleppungen oder Auflösungserscheinungen des Grundmaterials.

Wannenschutz bei der chemischen Vernickelung

Auch wenn die chemische Abscheidung prinzipiell ohne äußere Stromquelle auskommt, kann auf den Einsatz von Gleichrichtern doch nicht verzichtet werden. Wie Thomas Mark (Munk) erläuterte, hat sich der Einsatz von Gleichstrom als Schutz der Edelstahlwannen gegen unerwünschte Nickel­abscheidung bewährt. Dafür wird die angelegte Spannung so gewählt, dass der eingesetzte Edelstahl im Bereich des Passivstroms gehalten wird. Dieser liegt typischerweise im Bereich von etwa 0,4 V bis 0,9 V bei geringen Stromdichten. Sinnvoll ist hier das parallele Messen und Regeln des elektrochemischen Potenzials der Edelstahlwanne. Thomas Mark stellte den Einsatz an Schaltbildern sowie die optimale Positionierung der Kontakte und Mess­sonden an zahlreichen Beispielen dar. Empfehlenswert ist nach seiner Ansicht zudem die Nutzung der Digitaltechnik für die Gleichrichter.

Aus der Anwendungstechnik

Dauerfestigkeit

Ein großer Teil der Brüche bei metallischen Werkstoffen geht von der Oberfläche aus. Mikrorisse oder Spannungen sind nach Kenntnis von Siegfried Pießlinger-Schweiger (Poligrat) die Ausgangsstellen für diese Schädigungen. Sie entstehen vor allem durch die mechanische Bearbeitung von Teilen. Das elektrochemische oder chemische Bearbeiten von metallischen Werkstücken entfernt die stark gestörten Oberflächenzonen und beseitigt dadurch diese Störbereiche. Zugleich entstehen durch die chemische und elektrochemische Behandlung sehr glatte Oberflächen, durch die die Entstehung von Ablagerungen aller Art deutlich reduziert wird.

Saure Kupferabscheidung

Kupfer zählt zu den wichtigen galvanischen Metallen um beispielsweise eine gute elektrische Leitfähigkeit, einen hohen Glanz oder eine gute Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Philip Hartmann (Atotech) befasste sich mit den Unterschieden der Verfahren um für die jeweilige Anwendung das bestgeeignete auszuwählen. Eine wichtige Rolle kommt hier den organischen Verbindungen in den Elektrolyten zu, die insbesondere die Einebnung bewirken. Darüber hinaus macht sich die Hydrodynamik in Oberflächennähe bemerkbar.

Nachbehandlung von Eloxalschichten

Die Qualität einer Anodisation wird nach Aussage von Dr. Corinna Weigelt (SurTec) stark von der Verdichtung als Abschlussbehandlung bestimmt. Hierbei werden die beim Anodisieren entstehenden Poren verschlossen und der Schicht wichtige Eigenschaften (z.B. Farbe) mitgegeben. Durch Einsatz eines bei Raumtemperatur arbeitenden Verfahrens mit Zirkon als Zusatz kann auf die bisher verbreiteten Verdichtungsverfahren mit Nickel oder Kobalt verzichtet werden. Vor allem Nickel steht hier aber im Verdacht, allergieauslösend zu sein. Darüber hinaus erfordert der Anteil an Metallen in der Bearbeitungslösung eine nachfolgende aufwendigere Abfallbehandlung und -entsorgung erforderlich.

Alternativen zu dieser Art der Nachbehandlung stellen die sogenannten Kaltverdichtungen dar, bei denen beispielsweise Zirkonverbindungen zum Einsatz kommen. Ein weiterer Vorzug der nickelfreien Verdichtungsvariante ist die deutlich längere Standzeit sowie das Entfallen der Farbverschleppung bei der Herstellung unterschiedlicher Farbtöne (da sogenannten Ausbluten der Farbstoffe). Durch die Verwendung von speziellen Analysentechniken lässt sich die Prozesskontrolle einfach realisieren. Dadurch vereinfacht sich auch die Abwasserbehandlung, da keine separate Schwermetallentfernung durchgeführt werden muss. Das Verfahren hat sich inzwischen in einem zweijährigen Praxiseinsatz bewährt.

Zink-Nickel-Verfahren für Trommelbeschichtung

Eine neue Generation der sauren Zink-Nickel-Abscheidung mit sehr guter Schichtdickenverteilung stellte Michal Kaczmarek (Atotech) vor. Bisherige saure Verfahren besitzen im Vergleich zu alkalischen eine geringere Streufähigkeit, was sich vor allem bei der Trommelbeschichtung nachteilig bemerkbar macht. Mit einem neuen Ansatz ohne Ammonium und Borsäure gelingt es, die Stromausbeute im niedrigen Stromdichtebereich gegenüber bisherigen sauren Verfahren deutlich zu verbessern. Damit können auch Teile aus Gusseisen in Trommelverfahren mit einer sehr gleichmäßigen Schicht versehen werden. Die Schichten zeichnen sich darüber hinaus durch einen gleichmäßigen Glanz und sehr homogene Legierungsverteilung aus. Aufgrund der besseren Schichtdickenverteilung verringert sich die Beschichtungsdauer, da die Gefahr zu geringer Schichtdicken an ungünstigen Stellen eines Teils wesentlich geringer ist. Der Einsatz des Verfahrens in der Praxis ergibt um bis zu 25 % geringere Prozesszeiten zur Sicherstellung der Mindestschichtdicken.

Material- und Energieeffizienz

Reparatur bei Offshore-Windanlagen

Die Nutzung der Windenergie ist auf See im Hinblick auf die erzeugbare Energiemenge besonders positiv, allerdings unterliegen die Anlagen starken korrosiven Belastungen. Aus diesem Grund ist es notwendig, einen höheren Aufwand in die Wartung und Reparatur der Anlagen zu investieren. Sascha Buchbach (Fraunhofer IFAM) gab einen Überblick über auftretende Schädigungen und deren Beseitigung. Kostenmäßig treten die eigentlichen Reparaturverfahren neben den Transfer- und Arbeitskosten dabei fast in den Hintergrund, da ein besonderes Augenmerk auf die Arbeitssicherheit und den Logistikaufwand zu richten ist. Erforderlich zur Minimierung der Kosten ist eine Optimierung zwischen Inspektion und der Entscheidung, dass eine Reparatur der schadhaften Bereiche, meist in Form von Korrosion, vorgenommen werden muss. Eine Reparatur der Kunststoffbeschichtungen erfolgt mit einer gründlichen Entfernung bestehender Beschichtungen, Vorbehandlung und dem Auftrag von Spezialbeschichtungen, die bei niedrigen Temperaturen und unter Einwirkung von Feuchtigkeit aushärten.

Trocknen von Kunststoffteilen beim Beschichten

Norbert Feßler (Harter) stellte die Kondensationstrocknung als effiziente Methode für die Beschichtung von Kunststoffteilen vor. Dabei eignet sich das Verfahren sowohl für die galvanotechnische Beschichtung von Kunststoff als auch für die Nasslackierung. Ein beiden Fällen werden sehr gute Ergebnisse bezüglich fleckenfreien Oberflächen, geringen Prozesszeiten und niedrigen Energieverbräuchen erzielt. Bei der Trocknung von Lackierungen ist bei der Auswahl der Trocknerausführung darauf zu achten, dass dem Lösemittel ausreichend Zeit gegeben wird, aus dem Inneren an die Oberfläche zu diffundieren.

Verdampfertechnologie

Für den Bereich der Abwasserbehandlung findet in der nasschemischen Oberflächenbehandlung die Verdampfertechnologie zunehmend Einsatz. Roman Woclaw (KMU LOFT) stellte die Vorteile und Möglichkeiten der Technologie, bei der vor allem die anfallende Wassermenge um bis zu 98 % verringert werden kann. Das gewonnene Destillat kann in vielen Fällen wieder im Prozess eingesetzt werden. Im Vordergrund der Weiterentwicklung steht die Senkung der Betriebskosten derartiger Anlagen, die in der Regel im Wettbewerb zu den stetig steigenden Entsorgungskosten stehen und dabei positiv abschneiden.

Industriekühlung

Bernd Zettl stellte Systeme auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung zur Kühlung in der Industrie vor. Der Einsatz der Technik zeichnet sich im Vergleich zur konventionellen Kühlung durch eine höhere Einsparung an Energiekosten und damit verbunden durch eine positive CO2-Bilanz aus. Die Anlagen sind für einen Leistungsbereich bis 300 kW geeignet.

 
 

Das gesamte Bildmaterial für den mehrteiligen Bericht über die ZVO-Oberflächentage wurde freundlicherweise vom ZVO e.V. zur Verfügung gestellt (Hinweis der Redaktion)

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