– Energiegewinnung als wichtiger Baustein

Die Strähle-Galvanik in Zaisenhausen konnte Ende Juni ihr 65-jähriges Bestehen feiern. Die Unternehmensgeschichte spiegelt dabei die Entwicklung der Oberflächentechnik wider: von den Anfängen als Metallschleiferei, der funktionellen galvanischen Beschichtung über die Herstellung von dekorativen Kombinationsschichten aus Nickel und Chrom bis hin zur heutigen Herstellung von Zinkschichten für den Korrosionsschutz, dem Anodisieren und Passivieren des Leichtmetalls Aluminium sowie dem Elektropolieren von Edelstahl. Die Entwicklung zeigt unter anderem, dass die Anforderungen an den Umweltschutz dafür verantwortlich sein können, zum Beispiel auf cyanidische Elektrolyte zur Abscheidung von Kupfer oder Zink zu verzichten, ebenso wie den Aufwand zur Autorisierung von Chrom(VI)verfahren für die Herstellung von Chromschichten. Darüber hinaus haben in den letzten Jahren die steigenden Energiepreise dazu geführt, dass erhebliche Aufwendungen in eine hocheffiziente Energiegewinnung für Strom und Wärme sowie eine drastische Reduzierung von Abwärmeverlusten für die Oberflächentechnik zu einer entscheidenden Größe werden, um ein Unternehmen wirtschaftlich zu führen. Vor allem hier hat der Geschäftsführer Sven Reimold zusammen mit Partnern und Mitarbeitern sehr gute Ergebnisse erzielt und wertvolles Know-how erarbeitet. Zu den Partnern, mit denen die Strähle-Galvanik seit vielen Jahren erfolgreich zusammenarbeitet, gehören der Chemie- und Verfahrenslieferant Dr. Hesse GmbH & Cie. KG mit Sitz in Bielefeld und die Anotech GmbH in Hirschberg, die sich mit Fachbeiträgen an der Jubiläumsveranstaltung beteiligten.

Sven Reimold zeigte sich sehr erfreut, in diesem Jahr das 65ste Bestehen des Unternehmens feiern zu können. Zum Jubiläum hatte er Kunden und Geschäftspartner nach Zaisenhausen eingeladen, um über die positiven Entwicklungen der letzten Jahre zu berichten und die entstandenen Neuerungen vor Ort zu präsentieren. Die Technologien, mit denen sich das Unternehmen heute befasst, wurden in Fachvorträgen zu den Themen Elektropolieren von Edelstahl, Energieeinsparung in der Oberflächentechnik sowie galvanische Ver­zinkung den Gästen näher gebracht.

Anfangs standen die Metallschleiferei und die galvanische Verchromung und Verzinkung im Mittelpunkt der Firmentätigkeit. Mit der Errichtung einer Trommelanlage 1983 wurde die Verzinkung von Schüttgut aufgenommen, zwei Jahre später erfolgte der Bau einer Gestellanlage für Nickel-Chrom. Auch in den Folgejahren führte das Unternehmen sukzessive Gebäude- und Anlagenerweiterungen durch, ab 2002 kamen die Behandlung von Aluminium sowie das Elektropolieren hinzu. Der Umweltschutzgedanke spielte dabei stets eine wichtige Rolle. Seit 2016 tätigte die Strähle Galvanik erhebliche Investitionen in Einrichtungen zur Einsparung von Energie mittels Blockheizkraftwert, Dachsanierung oder der Steuerung und Regelung des Energiemanagements. Weitere Aktivitäten befassten sich mit Systemen zur Rückgewinnung von Antriebs­energie der Elektromotoren oder der Installation einer sparsamen LED-Beleuchtung. Auch die Abwasseranlage wurde mit vollautomatischer Steuerung. erneuert.

Elektropolieren

Anhand von Oberflächenaufnahmen gab Arnulf von Sinner eine Vorstellung davon, wie sich die Oberflächenstruktur von Edelstahlrohmaterial im Bearbeitungsprozess von der Rohstufe über Walzen, Schleifen, Strahlen bis hin zum Elektropolieren mit seiner extrem geringen Rauheit verändert. Je nach Zusammensetzung enthalten solche Oberflächen punktuelle Einschlüsse wie Titancarbid. Mit mikroskopischen Verfahren kann gezeigt werden, dass durch mechanische Oberflächenbearbeitung beispielsweise Schleifmaterial in die Oberfläche eingedrückt wird. Dabei betonte er, das die mechanische Vorbearbeitung vor dem Elektropolieren ausschlaggebend für die Oberflächenqualität ist. Auch die Reinigungsverfahren tragen erheblich dazu bei, ebenso wie Beizbehandlungen.

Das Elektropolieren arbeitet in Bezug auf den Stromfluss umgekehrt zum galvanischen Abscheiden. Dabei erfolgt der Prozess ohne mechanische Belastung lediglich durch Tauchen in eine starken Säure. Der Abtrag liegt zwischen 1 µm und etwa 30 µm und schließt mit einer stromlosen Passivierung ab. Ein weiterer Vorteil ist die absolute Vermeidung von Wasserstoffentwicklung, sodass auch keine Gefahr der Wasserstoffversprödung bei der Bearbeitung von Stählen zu erwarten ist. In der Medizintechnik wird in der Regel ein ungestörtes Grundgefüge verlangt, was durch einen Abtrag von etwa 30 µm erzielt wird. Dafür werden Zeiten zwischen etwa fünf Minuten und bis zu 35 Minuten benötigt.

Die Qualität des Elektropolierens hängt stark von der Zusammensetzung des Stahls ab. Nachteilig sind unter anderem Legierungen mit Blei, Schwefel, Kohlenstoff, Silizium, Kupfer, Aluminium oder Titan; positiv dagegen sind Anteile von Eisen, Chrom und Nickel. Kritisch sind die Stahlsorten 1.4305 und 1.4567, vor allem aufgrund des Kupferanteils.

Betrachtung des ­Energieeinsatzes - eine lohnende Aktivität

Die nasschemischen Verfahren der Oberflächenbehandlung, galvanische Metallabscheidung, anodische Oxidation von Aluminium oder Elektropolieren benötigen vor allem Energie in Form von Strom und Wärme. Deshalb ist eine Betrachtung zum sparsamen Umgang mit diesen beiden Energieformen ein wichtiges Element zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Unternehmens. Mit diesen wichtigen Aufgaben hat sich Sven Reimold in den letzten sieben Jahren sehr intensiv befasst. Ausgangspunkt (2012) waren dabei die Kosten für Strom und Gas in Höhe von etwa 380 000 Euro/Jahr entsprechend einem Energieverbrauch von etwa 2,6 GWh pro Jahr. Zur Wärmeerzeugung wurde zu Beginn der Maßnahmen Öl verwendet, wobei der Jahresbedarf bis 1990 bei etwa 100 000 Litern lag. Durch die schrittweise Umstellung auf Strom und Gas wurde der Ölverbrauch auf etwa 70 000 Liter pro Jahr verringert.

Die Umstellung auf eine Beheizung durch Gastherme erspart gegenüber der Heizung mit Öl etwa 5000 Euro pro Jahr für die Unternehmensgröße der Strähle-Galvanik. Die Gasthermen sind an mehreren Positionen im Unternehmen installiert und werden durch eine Zentraleinheit gesteuert. Ein weiteres Element sind kleine Blockheizkraftwerke zur Erzeugung von Strom und Wärme. Durch die Isolierung aller Wärme transportierenden Leitungen im Unternehmen kann der Temperaturverlust zwischen Heizkessel und Abnahmestelle auf etwa 5 °C reduziert werden – im Gegensatz zu etwa 30 °C im früheren Zustand.

Die Betrachtungen zum Stromverbrauch erfordern nach den Erfahrungen von Sven Reimold zunächst eine eingehende Erfassung aller Verbrauchsstellen, was durch die Installation von Messwandlern an allen Trafo­stationen im Unternehmen erreicht wird. Die damit gewonnenen Angaben führen im nächsten Schritt zu einem Vergleich zwischen tatsächlich erforderlichen Verbrauchern und solchen Einrichtungen und Geräten, die nur temporär bedient werden. Solche Geräte werden mit Hilfe einer umfangreichen Steuerung mit detaillierter Messtechnik gedrosselt und zum Teil auch vollständig abgeschaltet. Verlässlicher Partner bei der Einrichtung der Steuerung der Galvanikanlage, durch die ebenfalls eine erhebliche Einsparung an Strom zu verzeichnen war, war die Hehl Galvanotronic aus Solingen.

Durch das Umstellen von konventioneller ­Beleuchtung auf LED und den Erwerb eines Gestelltrockners mittels Kondensationsprinzip von Harter, der bei deutlich geringeren Temperaturen arbeitet und darüber hinaus bessere Trocknungsergebnisse liefert, lassen sich pro Jahr etwa 36 000 Euro an Kosten einsparen. Drei der vorhandenen Blockheizkraftwerke sind temperaturgeführt und ein weiteres stromgeführt, um den Strom der Photovoltaikanlage optimal nutzen zu können. Um die hohe Abwärme der BHKW optimal zu nutzten, wurden Puffer für Wärme errichtet. Kredo von Sven Reimold ist: Nachhaltigkeit erzielt ein Betrieb dann, wenn mit den Einrichtungen und der Ausstattung des Gebäudes mehr Energie erzeugt als verbraucht wird.

Die bei der Strähle-Galvanik installierten und betriebenen Einrichtungen mit den dazugehörigen Steuerungseinrichtungen sind in der Lage, die für die Abrechnung mit den Energielieferanten relevante Spitzenlast auf etwa 200 kW pro Tag durchschnittlich beziehungsweise an einem Tag pro Woche von 400 kW zu begrenzen. Dies beinhaltet neben dem Blockheizkraftwerk auch den ­Betrieb ­einer Photovoltaikanlage auf der Dachfläche des ­Unternehmens.

Deutlich kritisch sieht Sven Reimold allerdings die Situation in Bezug auf die Steuerlast sowie die unterschiedlichen Gebühren und Abgaben der Stromlieferanten. Hier sei insbesondere zu betonen, dass die Preise pro Stromeinheit infolge von Stromeinsparungen drastisch anstiegen. Die durch umfangreiche Investitionen zu erzielende Reduktion des Stromverbrauchs schmilzt damit deutlich; der Abnehmer wird also für seine erzielten Sparmaßnahmen bestraft. Trotz dieser ungünstigen Situation liegen die Amortisationszeiten nach Erfahrung von Sven Reimold im Bereich von drei bis fünf Jahren. Die Einsparungen der jährlich anfallenden Kosten liegen bei Strom bei etwa 50 Prozent (2012–2016) und bei Gas im selben Zeitraum bei etwa zehn Prozent. Inzwischen stammen etwa 50 % der verbrauchten Energie aus erneuerbaren Quellen.

Seine Erfahrungen hat Sven Reimold in einem praktischen Impulsvortrag zusammengefasst. In zehn Ratschlägen erfahren Interessierte, wie etwa 20 Prozent an Energie eingespart werden können. Interessierte Unternehmen können den Impulsvortrag abrufen unter: www.straehle-galvanik.de/energie.html.

 

Verzinkung aus Alkalische und saure Elektrolyten - ein Vergleich

Die galvanische Abscheidung von Zink kann aus zwei prinzipiell unterscheidbaren Elektrolyttypen vorgenommen werden, wie Philip Holzhauer vom Chemie- und Verfahrenslieferanten Dr. Hesse GmbH & Cie. KG einleitend vermerkte. Wie bei allen Verfahren der Galvanotechnik ist grundsätzliche eine gute Vorbehandlung der zu beschichtenden Werkstoffe notwendig, um die Eigenschaften des Verbundes aus Grundwerkstoff und Beschichtung zu gewährleisten. Dafür werden spezielle, auf das jeweilige Grundmaterial ausgerichtete Reinigungsverfahren verwendet. Zudem muss die Oberfläche natürlich frei von Fehlernsein.

Vor allem aus Gründen des Umweltschutzes kommen wässrige Lösungen mit fettbindenden und fettlösenden Substanzen zum Einsatz. Dafür bietet Dr. Hesse beispielsweise mit dem Produkt FETTEX Sys-E0 ein Verfahren an, das sowohl als elektrolytische Entfettung unter Einsatz von elektrischem Strom oder als Tauchentfettung verwendbar ist. Das Verfahren entwickelt keinen Schaum, wodurch beispielsweise die Verschleppung in nachfolgende Prozesse reduziert wird. Je nach Verschmutzung der Teile besteht die Möglichkeit, über Tensidzugaben die Bindung abgereinigter Fette zu optimieren. Ein weiterer Schritt ist das Beizen der Oberfläche zur Entfernung von Oxiden. Abschließend wird in der Regel eine elektrolytische Entfettung in Kombination mit einer sogenannten Dekapierung (Tauchen in Säure zur Abreinigung alkalischer Bestandteile der Entfettung) eingesetzt, die für die notwendige Aktivierung der Metalloberfläche sorgt. Zwischen den ­Arbeitsschritten werden die Teile gespült. ­Anschließend kann die eigentliche Beschichtung vorgenommen werden.Die Abscheidung erfolgt durch das Reduzieren von metallischen Ionen zu festem Metall durch Strom. Das Metall liegt für diesen Prozess in ionischer Form in einer wässrigen Lösung - ­sauer oder alkalisch - vor. Darüber hinaus sind in diesem wässrigen Elektrolyten Zusatzstoffe zur Erzeugung von Glanz, zu einer guten Metallverteilung in verschiedenen Stromdichtebereichen oder zur Stabilisierung der gelösten Stoffe vorhanden.

Die beiden Elektrolytarten (sauer oder alka­lisch) unterscheiden sich beispielweise im Hinblick auf die Verteilung der Zinkschichtdicke über die Teileoberfläche, die sogenannte Streufähigkeit. Diese wirkt sich direkt auf die Dichte der Gestellbehängung für die galvanische Beschichtung aus. Eine hohe Behängungsdichte erlaubt einen hohen Durchsatz bei der Beschichtung - also eine schnellere Bearbeitung der zu beschichtenden Teile.

Aber auch der Glanzgrad oder die Haftung der Zinkschicht auf bestimmten Eisenlegierungen wird über die Wahl des Elektrolytsystems beeinflusst. So zeichnet sich das saure System LUNACID von Dr. Hesse durch eine ausgezeichnete Bedeckung des Eisengrundwerkstoffs aus, wodurch sich eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit ergibt. Die hohe Stromausbeute von über 95 Prozent ist für eine schnelle Schichtabscheidung und eine gut steuerbare Schichtdicke verantwortlich.Alkalische Verfahren, wie sie von Dr. Hesse mit den Verfahren aus der ZINKOR – Reihe ebenfalls angeboten werden, zeichnen sich durch eine gleichmäßige Schichtdicke auch bei komplex geformten Teilen aus.

Schließlich beeinflusst die Zusammensetzung des Elektrolyten den Aufwand zur Behandlung der anfallenden Abwässer aus den Spülstufen. Hier bietet der Chemielieferant gut auf die jeweiligen Unternehmen zugeschnittene Elektrolytzusammensetzungen an und unterstützt so die wirtschaftliche Arbeits­weise beim Beschichtungsunternehmen.

An Fehlerbildern zeigte der Vortragende die Ergebnisse bei der Beschichtung von porösen Oberflächen. Die Beschichtung mit galvanischen Zinkschichten wird in der Regel zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit mit einer Passivierung abgeschlossen. Zugleich erhalten die Teile damit eine ­Farbe, wobei Gelb, Blau, Schwarz oder Transparent als Farbtöne zur Verfügung stehen. Die höchsten Beständigkeiten gegen Korrosion werden mit den sogenannten Dickschichtpassivierungen erzielt. Unterschiedliche Reibwerte können durch Einsatz einer Versiegelung eingestellt werden. Die Qualität der Zinkbeschichtung wird unter anderem über die Schichtdicke, beispielsweise durch Röntgenfluoreszenzmessung (X-Ray), geprüft und die Gesamtqualität mit Hilfe eines neutralen Salzsprühtests nach DIN EN 9227 bestimmt.

Bei den zum Teil komplexen Zusammenhängen und Anforderungen an moderne Beschichtungen als Schutz gegen Korrosion ist die intensive Zusammenarbeit zwischen Chemie- und Verfahrenslieferant und Beschichtungsunternehmen ein entscheidender Faktor.

Die Dr. Hesse GmbH & Cie. KG ist für die Strähle Galvanik seit vielen Jahren ein zuverlässiger und bewährter Partner, wie Sven Reimold zum Abschluss der Veranstaltung betonte.

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