Alternative Technologien zur Verchromung

Von Uwe König, Udo Sievers, Berthold Sessler und Herbert Käszmann

Die galvanischen Beschichtungsverfahren werden seit mehr als 100 Jahren zur Herstellung von hochwertigen Oberflächen für dekorative und funktionelle Anforderungen mit gutem Erfolg eingesetzt. Diese Bewährung der Verfahren begründet die geringe Neigung, Weiterentwicklungen zu kostenintensiven, aber umweltverträglichen Verfahren zu betreiben. Die REACh-Verordnung hat hier zwangsläufig zu einem Wandel geführt. Um Änderungen umsetzen zu können, müssen die bestehenden Verfahren auf ihre besonderen Eigenschaften hin charakterisiert und die tatsächlichen Anforderungen der Oberflächen für die unterschiedlichen Einsatzzwecke überprüft werden, was in breitem Umfang am Beschichtungsverfahren des galvanischen Verchromens durchgeführt wurde und wird.

1 Hintergrund

Mit dem Sunset Date 21. September 2021 darf Chromtrioxid gemäß der europäischen Chemikalienverordnung REACh grundsätzlich nicht mehr verwendet oder in Verkehr gebracht werden, sofern keine Autorisierung für die Verwendung erteilt wurde. Verbunden hiermit ist die Suche nach Alternativen, welche das Chromtrioxid ersetzen können, entweder als Chemikalie selbst oder als aufgebrachte Beschichtung, sprich eine andere Beschichtungstechnologie.

Diese Situation sollte aktuell jedem bekannt sein, der Chrom(VI)verbindungen nutzt. Weniger bekannt ist, dass Anwender des Endprodukts metallisches Chrom von dem Verbot nicht betroffen sind. Damit ist auch die Motivation für die Suche nach einer anderen Beschichtung als Ersatz für metallisches Chrom bei den Anwendern gering.

Allerdings ist zu beobachten, dass die Anwender verstärkt nach angepassten funktio­nellen Systemen suchen. Dabei ist die Zukunft der Oberflächentechnik nicht allein von technischen Entwicklungen, etwa Durchbrüchen in der Materialforschung, in der Nano- und der Biotechnologie, geprägt [1]. Starke gesellschaftliche, wirtschaftliche und ökologische Trends bestimmen ihre künftigen Einsatzfelder und Märkte. Die Oberflächentechnik kann unter anderem zu einer erhöhten Energie­effizienz, zu einer nachhaltigeren Mobilität, zu verbesserten medizinischen Geräten, zu mehr Komfort im Alltag und zur Sanierung der Umwelt beitragen.

Aktuell werden die traditionellen Verfahren aufgrund ihres hohen Entwicklungsstands noch in der Mehrheit genutzt. Neue beziehungsweise weiterentwickelte Verfahren nehmen aber an Bedeutung zu.

1.1 Traditionelle Verfahren der Oberflächenveredlung

Zu den klassischen Methoden der Oberflächenbearbeitung zählt insbesondere die galvanische Beschichtung [2]. Dieses Verfahren hat sich über Jahrzehnte bewährt und wird häufig für dekorative oder funktionale Zwecke eingesetzt (Abb. 1). Durch die elektrochemische Abscheidung von Metalloberflächen wird ein effektiver Schutz unter anderem vor Korrosion gewährleistet. Neben der Galvanotechnik umfasst die traditionelle Oberflächenveredlung den Einsatz von Lacken, Pulverbeschichtungen und manuellen Verfahren der mechanischen Oberflächenbearbeitung.

Abb. 1: Sowohl für technische Oberflächen wie Walzen als auch für dekorative Oberflächen in der Sanitärindustrie haben sich Chrombeschichtungen seit vielen Jahren bewährt (Bild: LKS [18], HK)

Diese Methoden sind insbesondere bei kleinen und mittelständischen Unternehmen weit verbreitet, da sie mit bewährten Prozessen und vorhandenen Maschinen gut kompatibel sind.

Trotz ihrer Effektivität haben diese Methoden jedoch auch Nachteile, darunter hohe Materialkosten, die Entstehung von Abfallprodukten, eine begrenzte Präzision und ein relativ hohes Risiko in der Chemikaliensicherheit. Für viele Unternehmen wird es daher immer wichtiger, alternative Technologien in ihre Fertigungsprozesse zu integrieren, um wettbewerbsfähig zu bleiben und gleichzeitig den Anforderungen an Nachhaltigkeit gerecht zu werden. Klassische Verfahren stoßen oft an ihre Grenzen, wenn es um die Bearbeitung von komplexeren Geometrien oder feineren Details geht, was die Nachfrage nach innovativeren Techniken stark steigert.

1.2 Beispiel für moderne ­Technologien: Plasma- und Laserverfahren

Die Vielseitigkeit der Plasma- und Laserverfahren macht sie zu einer idealen Lösung für die Bearbeitung von komplexen Bauteilen in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrt­industrie. Durch die Unterstützung der Lasertechnologie lassen sich sowohl neuartige Zusammensetzungen der Beschichtungen, zum Beispiel unter Einsatz pulverförmiger Werkstoffe, als auch hohe Auftragsgeschwindigkeiten erzielen [3]. Und dank modernster Steuerungstechnologien können Unternehmen notwendige Anpassungen in Echtzeit vornehmen, was die Fehlerquote erheblich verringert und die Produktivität steigert.

Abb. 2: Durch Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen beschichtete Welle, bestehend aus einem Stahlsubstrat und einer Schicht aus Inconel 718 (Bild: Trumpf [17])

1.3 Beispiel für technologischen Fortschritt: Einsatz von Nanotechnologie

Mit nanoskaligen Beschichtungen können spezifische Eigenschaften wie Hydrophobie oder zusätzliche Materialhärte erzielt werden. Dieses Verfahren wird zum Beispiel auch zur Herstellung von kratzfesten und selbstreinigenden Oberflächen verwendet, was vor allem im Bereich der Konsumgüter und in der Architektur großen Anklang findet. Die Einsatzmöglichkeiten der Nanotechnologie entwickeln sich stetig weiter. Besonders spannend sind hier auch die Möglichkeiten, mit Hilfe von Nanopartikeln antibakterielles Verhalten oder elektrisch leitfähige Beschichtungen auf Oberflächen zu erzeugen, was neue Anwendungsbereiche erschließt.

2 Aktuelle Methodenvielfalt zur Veredelung von Oberflächen

2.1 Hintergrund zur Suche nach ­Substitution von Verchromung

Die Kombination einer gefährlichen Sub­stanz mit ungefährlichen Anwendungen ist in der Gesetzgebung der Chemikaliensicherheit einmalig. Diese Situation erschwert das Umgehen mit der gefährlichen Chemikalie Chrom(VI) sichtlich. Kunden der verchromenden Betriebe sehen jedoch keine Notwendigkeit, eine funktionierende Beschichtung zu ersetzen.

Lediglich die Unsicherheit in der Lieferfähigkeit macht Kunden verstärkt auf die Situation aufmerksam, insbesondere auch auf die Absicherung längerfristiger Lieferfähigkeit bei zahlreichen Produkten, zum Beispiel in der Automobilbranche. Das Nutzungsverbot von Chrom(VI)verbindungen in Verbindung mit der Lieferfähigkeit von metallischen Chrombeschichtungen hat die Diskussion hinsichtlich einer möglichen Weiterverwendung von Chrom(VI) allerdings inzwischen deutlich intensiviert. Deutlich geworden ist die Notwendigkeit einer juristischen und wirtschaftlichen Aufarbeitung, deren Ergebnisse zu möglichen Reaktionen aller beteiligten Gruppen führen wird.

Die aktuellen Bewertungen erfordern eine möglichst sichere und belastbare Sammlung von Informationen. Ziel ist es, jede Anwendung zu beschreiben und hinsichtlich der Notwendigkeit der weiteren Nutzung von Chromtrioxid zu bewerten. In der gesamten Beschichtungstechnologie wird jedoch spätestens seit dem Ende der 1990iger Jahre in verstärktem Umfang nicht mehr die Beschichtung als solche betrachtet, sondern die Realisation gewünschter Eigenschaften und Funktionen. Verschiedene Technologien werden erfolgreich genutzt und haben auch bereits zu Erweiterungen der Produktspektren geführt. Weiterhin erfolgreich werden aber auch die klassischen Verfahren auf ­Basis von Chrom(VI)verfahren eingesetzt, die sich bewährt haben und die für die unterschiedlichsten Anwendungen optimiert worden sind.

Einige ergänzende Technologien, die in Konkurrenz zueinander stehen, sind zum Beispiel:

• Trivalentes Chrom (Chrom(III)beschich­tungen)
• Dünnschichttechnologien (PVD und CVD)
• Hochleistungspolymere und organische Beschichtungen
• Zink-Nickel-Legierungen und andere galvanische Beschichtungen
• Anodisierung (Konversationsbeschichtung)
• Umweltfreundliche Passivierungen
• Nanobeschichtungen

Aus der Gruppe der konkurrierenden Beschichtungsverfahren und den daraus hergestellten Beschichtungen beziehungsweise Oberflächen werden unter anderem die folgenden bereits erfolgreich genutzt:

• Vernickelung und sonstige galvanische Verfahren
• Chromschichten aus Verfahren mit dreiwertigen Chromverbindungen
• Einbau von Nanopartikeln beziehungsweise Schichtmodifikationen
• Verfahren zur Oberflächenhärtung wie Aufkohlen, Carbonitrieren, Cyanisieren, Nitrieren, Borieren
• Chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD-Technologien)
• Thermische Hochgeschwindigkeitsverfahren (thermisches Spritzen)
• Physikalische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD-Technologien)
• DLC-Beschichtungen (DLC – diamantähn­licher Kohlenstoff)
• Plasmaspritzen
• Allgemeine Laser- und Schweißbeschichtungstechnologie
• Lackierung

Zu beachten ist, dass nicht nur die Beschichtung selbst in der Diskussion steht, sondern auch die Änderung beziehungsweise Anpassung des Substrats. So wird untersucht, ob die Art des Stahls als häufigstes Substrat angepasst werden kann (rostfreier Stahl oder Schnellarbeitsstahl) oder das Produkt als solches in Design und Funktion überhaupt noch eine Beschichtung benötigt.

Eine abschließende Bewertung zum Vergleich der Technologien ist derzeit nicht möglich. Grund hierfür ist nicht nur der technologische Aspekt, weitaus wichtiger ist die Bewertung des mit der Anwendung verbundenen Risikos. Es soll unbedingt vermieden werden, eine Regrettable Substitution durchzuführen; dies bedeutet, dass die Alternative nicht ein höheres oder vergleichbares Risiko erzeugen darf.

Ein belastbarer Vergleich des Risikos der einzelnen Beschichtungstechnologien ist nur sehr schwer möglich. Auch aufgrund der Vielzahl der Alternativen ist dies absehbar nicht zu erwarten. Damit hat die Verwendung von Chrom(VI)verbindungen juristisch gegenüber den anderen Technologien allerdings einen Nachteil. Die zur Bewertung dieser Anforderung notwendigen Kriterien sind derzeit jedoch nicht eindeutig.

Typischerweise werden folgende Bereiche zur Bewertung herangezogen:

• Gesundheitsschutz
• Umweltschutz
• Rechtliche Compliance
• Verbesserung der Corporate Social Responsibility
• Kosteneinsparungen
• Innovation und technologische Entwicklung
• Reduktion von Haftungsrisiken

  2.2 Treiber zur Substitution

Die zur Bewertung von Substitutionsmöglichkeiten von Chemikalien sowie die Zusammenstellung der geforderten Eigenschaften der Substanzen aktuell verstärkt genutzten Datenquellen sind zum einen die Informationen, die bei der Registrierung der Stoffe angegeben worden sind und zum anderen die der eingereichten Anträge auf eine Ausnahme vom Verbot, also durch eine Autorisierung für spezielle Anwendungen.

Besonders die Verwendung der Chromsäure (CrO3) zur Verchromung hat sich als so weit verbreitet gezeigt, dass zum einen eine Erfassung aller relevanten Anwendungen bisher nur bedingt möglich ist und zum anderen die Bewertung möglicher Substitutionen der Chromschicht zum spezifischen Produkt­ersatz durch die weite Verbreitung problematisch ist. Letzteres liegt wesentlich daran, dass viele Anwendungen auf die Verwendung einer Chromschicht ­ausgerichtet worden sind. Hierdurch wurden im Lauf der Jahre Optimierungen ermöglicht, die nur schwer zu substituieren sind.

Allerdings hat sich auch gezeigt, dass viele Anwendungen nicht zwingend den Einsatz von Chrom (VI)verbindungen erfordern. Damit wird jede Anwendung sich hinsichtlich des Nutzens rechtfertigen müssen. Diese Diskussion wird im Zusammenhang mit REACh durch den Begriff Essential Use beschrieben.

Ausgehend von der Betrachtung der Chrom(VI)verbindungen müssen Alternativen nachweisen, dass diese hinsichtlich des chemischen Risikos sicherer sind. Wie die Bewertung des Ersatzes von Chromschichten ist eine Evaluation des Risikos aufgrund von fehlenden Daten meist nur schwer möglich, wenn auch notwendig.

Die Diskussion zum Austausch der Chrombeschichtungen aufgrund der REACh-Verordnung muss deshalb wie die Entscheidung über eine betriebliche Weiterentwicklung durch technologische Entwicklungen behandelt werden. Eine alleinige Betrachtung des Risikos ist in der aktuellen Diskussion nicht ausreichend, sollte aber alle Beteiligten motivieren, sich der Thematik zu stellen.

Zur Realisierung einer Substitution ist neben der Diskussion nach REACh damit eher die Überwindung der klassischen Innovationshemmnisse relevant. Zu nennen sind die folgenden zehn Hauptgründe, warum Neuerungen nicht umgesetzt werden:

• Verteidigung bestehender Strukturen
• Fehlende Zeit
• Erfahrungen durch anwendende Kunden fehlen
• Unklare Qualitätsanforderungen seitens der Kunden
• Führungskräfte scheuen radikale Entscheidungen
• Unklare rechtliche Vorgaben beziehungsweise zu viele Sicherheitsanforderungen
• Zu geringes Finanzbudget
• Unflexible und langsame Arbeitsweise in den Unternehmen
• Fehlende Akzeptanz durch Mitarbeiter
• Fehlende Fachkräfte

Diese sind vielfach zusammengefasst und diskutiert worden, ohne dass daraus erkennbare Verbesserungen für die Mehrzahl der betroffenen Unternehmen entstanden sind.

Verschiedene Umfragen und Untersuchungen zeigen, dass Neuerungen nur sehr zögerlich eingeführt werden, wenn bestehende Strukturen verändert werden müssen.

In Kombination mit der REACh-Verordnung beschreibt dies die geringe Motivation beim Endanwender, die Chromschicht zu ersetzen beziehungsweise in Frage zu stellen. Es ist also nicht zu erwarten, dass wirkliche Veränderungen erfolgen werden, solange eine Substitution nicht zwingend vorgeschrieben wird.

Ein Ende der Diskussion zum Stand der weiteren Verwendung von Chrom(VI)technologien ist aktuell nicht absehbar. Allerdings ­haben andere Beschichtungstechnologien ihre Eignung als Ergänzung und teilweise als Ersatz der Chromschicht durchaus nachgewiesen.

Die von der ECHA veröffentlichten Daten ergeben, dass mehr als die Hälfte der Registrierungsdossiers die Chrom(III)technologie als potentielle und vielversprechendste Alternative angeben. Etwa ein Viertel sehen PVD, CVD, DLC und chemisch abgeschiedenes ­Nickel als Alternative. Weitere Nennungen umfassen spezielle Untersuchungen, die nur für eine einzelne Anwendung genutzt werden können. Die Angaben der Autorisierungsanträge bestätigen dieses Bild [4].

Da die Substitutionen also nur bedingt technologisch getrieben sind, ist als wesentliche Alternative für zukünftige Beschichtungen das chrom(III)basierte Verfahren zu erwarten. Diese Bewertung beruht im Wesentlichen auf dem Wunsch der Endanwender, die metallische Chromschicht beizubehalten. Nichtsdestoweniger werden die anderen Verfahren ihre jeweiligen Potenziale verstärkt entwickeln und in den Prozess einbringen.

2.3 Aktuell diskutierte ­Verfahren und Methoden

Eine Vielzahl von Aufstellungen dokumentieren die genutzten Methoden. 2020 hat die BAuA die Studie Survey on technical and economic feasibility of the available alternatives for chromium trioxide on the market in hard / functional and decorative chrome plating veröffentlicht. Die relevanten Technologien stellt diese Studie vollumfänglich dar. Tabelle 1 fasst diese zusammen.

2.4 Stand der Umsetzung

Als wesentliches Hemmnis wurde die fehlende Verlässlichkeit der Entscheidungen über die Durchführung der verschiedenen Aspekte der REACh-Verordnung identifiziert: Viele Beispiele zeigen die Potenziale eines möglichen Ersatzes der Chrom(VI)technologie auf. Solange jedoch keine Entscheidung über die Bedingungen der Umsetzung des Chrom(VI)­verbots gefallen ist, besteht nach Ansicht der Anbieter von Alternativen kein Bedarf, sich mit der Verchromung intensiv zu befassen.

Die derzeitigen Angebote sind ausreichend und können in vielen Fällen die Chromschicht ergänzen oder ersetzen. Weiterhin sind die Anwendungsmöglichkeiten der verschiede­nen Technologien so vielfältig, dass ­derzeit ein Ersatz der Verchromung kein wirklich zentrales Thema bei den Anbietern der Alternativverfahren ist.

Aufgrund der vielfältigen Aspekte der Anwendung der Verchromung kann ein Ausblick nur bedingt gegeben werden. Hinsichtlich einer Substitution ist nicht zu erwarten, dass diese allein durch die REACh-Verordnung getrieben wird. Regrettable Substitutions sind ebenso zu vermeiden wie unkalkulierbare Effekte auf die vorhandenen Ressourcen, sei es Material, Energie oder Wiederverwertung.

-wird fortgesetzt-

Literatur

[1] Dr. Karlheinz Steinmüller; Z_punkt GmbH The Foresight Company, Zukunftstrends 2025 – Anforderungen für die Oberflächentechnik

[2] INDUSTRICA - Innovationen in der Oberflächenveredlung: Von klassischen Methoden zu modernen Ansätzen; https://industrica.de/wissen/innovationen-in-der-oberflaechenveredlung/

[3] S. Vogt, M. Göbel: Perspektiven für den Ersatz von konventionellen ­Beschichtungsverfahren durch das Laserauftragschweißen; WOMag 7-8/2024; https://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2020/07-08/24_vogt_lmd_07-08/24_vogt_lmd_07-08.php

[4] Main alternatives to harmful substances subject to REACH authorisation, ECHA 07/2023; https://www.echa.europa.eu/alternatives-to-harmful-substances-subject-to-authorisation

[17] N.N.: Laserauftragschweißen – eine Alternative zu konventionellen ­Beschichtungsverfahren; WOMag 3/2020; https://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2020/03/28_trumpf_laser_03j2020/28_trumpf_laser_03j2020.php

[18] H. Käszmann: Ob hart oder ­korrosionsbeständig – LKS stellt sich den Herausforderungen an moderne Oberflächen; WOMag 11/2012; https://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2012/11/41_womag_lks_01_12/41_womag_lks_01_12.php

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