Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Gegenstand des Projektes war die Aluminiumabscheidung aus umweltschonenden Ionischen Fl\u00fcssigkeiten auf Automobilkleinteilen aus Hoch- und H\u00f6chstfestst\u00e4hlen, wie z. B. Schrauben oder Federbandschellen. Die Aluminiumschutzschicht sollte einen Korrosionsschutz nach strenger Automobilnorm gew\u00e4hrleisten. Ziel des Projektes war es, die Technologie der Aluminiumabscheidung aus Ionischen Fl\u00fcssigkeiten auf Massenkleinteilen von dem Laborma\u00dfstab in den industriellen Ma\u00dfstab zu \u00fcbertragen.
\nHauptaufgabe war die Entwicklung und Optimierung der Vorbehandlungs- und Beschichtungsbedingungen unter den Aspekten von optimalen Funktionsschichten, m\u00f6glichst geringer Umweltbelastung und Wirtschaftlichkeit.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie detaillierte Projektplanung sah eine schnelle \u00dcbertragung des Abscheideverfahrens im Laborma\u00dfstab vom Karosseriestahl auf die hochfesten St\u00e4hle vor. Direkt im Anschluss sollte als Zwischenschritt ein Verfahren zur Aluminiumabscheidung aus Ionischen Fl\u00fcssigkeiten im Gestellverfahren entwickelt werden. Ziel war es hier, 10 Schrauben gleichzeitig zu beschichten, um statistisch aussagekr\u00e4ftige Werte zur Korrosionsbest\u00e4ndigkeit der Beschichtung zu generieren.
\nDas Hauptaugenmerk sollte jedoch auf der Entwicklung eines Trommelbeschichtungsverfahrens liegen, welches es den Projektteilnehmern erm\u00f6glichen sollte, Teile im kg-Ma\u00dfstab im Sch\u00fcttgutproze\u00df gleichzeitig zu beschichten. Das Gesamtprojektziel war die Machbarkeit eines Pilotprozesses im Technikumsma\u00dfstab. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Erzielung einer guten Haftung auf den ausgew\u00e4hlten Substraten wurde der Projektschwerpunkt im Laufe des Projektes auf die Vorbehandlung gelegt. Das Ziel der Beschichtung im Massensch\u00fcttgutverfahren wurde auf niedrigere Priorit\u00e4t gesetzt.
\nIn Abh\u00e4ngigkeit der verschiedenen Vorbehandlungsmethoden wurden unterschiedliche Schichteigenschaften \u00fcberpr\u00fcft, vornehmlich jedoch die anwendungstechnisch relevanten wie Haftung, Morphologie und Porosit\u00e4t sowie Korrosionsbest\u00e4ndigkeit.
\nParallel zu diesen Arbeiten wurden verschiedene Systeme der EVONIK im Hinblick auf die Aluminiumabscheidung untersucht.
\nDie Abscheidung von Aluminium ist in allen untersuchten Fl\u00fcssigkeiten m\u00f6glich. Allerdings zeigte sich, dass die Abscheidung durchaus unterschiedliche Ergebnisse zur Folge hat. Wir haben sowohl gl\u00e4nzende Aluminiumschichten erhalten als auch kaum haftende schwarze Deposite. Eine eindeutige Systematik ist gegenw\u00e4rtig zwar noch nicht erkennbar, jedoch darf zweifelsfrei gefolgert werden, dass die von der EVONIK zur Verf\u00fcgung gestellten Fl\u00fcssigkeiten eine Aluminiumabscheidung erm\u00f6glichen. Eine der untersuchten Fl\u00fcssigkeiten (1-(2-methoxyethyl)-3-methylimidazolium chloride ([MoeMIm]Cl]) haben wir im Hinblick auf die Aluminiumabscheidung genauer untersucht. Erstaunlicherweise wurde hierbei nanokristallines Aluminium erhalten.<\/p>\n
Um eine aussagekr\u00e4ftige Einsch\u00e4tzung \u00fcber die Umweltauswirkungen des neuen Prozesses zu erzielen, wurde unter anderem eine \u00d6kobilanz f\u00fcr den zu erwartenden Prozess erstellt.
\nVerglichen wurde der potentielle Abscheideprozess des Aluminiums mit einem w\u00e4ssrigen Galvanikprozess zur Abscheidung eines Zink-Nickel-Films. Wir haben zum Vergleich bewusst diesen w\u00e4ssrigen Prozess herangezogen, um eine realistische Betrachtung der Abscheidetechnologie aus Ionischen Fl\u00fcssigkeiten zu bekommen.
\nErgebnis war, dass das Isopropanol aus dem Sp\u00fclprozess deutlich die Ergebnisse beeinflusst. Zus\u00e4tzlich zeigt das EMImCl beim Treibhauseffekt eine signifikante Wirkung.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Ergebnisse des Projektes sind zum Teil vielversprechend, besonders die \u00dcberlegungen zum Einsatz alternativer Ionischer Fl\u00fcssigkeiten zur Abscheidung haben viel Entwicklungspotential gezeigt.
\nDie vorliegenden Ergebnisse deuten alle darauf hin, dass die abgeschiedene Aluminiumschicht hochreaktiv ist.
\nEine Korrosionsstandzeit von etwa 300 Stunden hat sich mit einer 30\u00b5m dicken Aluminiumschicht mehrfach reproduzieren lassen. Kocht man die neu entstandene Aluminiumschicht eine Stunde in Wasser werden verbesserte, aber bislang nicht zuverl\u00e4ssig quantifizierbar erh\u00f6hte Standzeiten erreicht.
\nEine drastische Erh\u00f6hung der Aluminiumschichtdicke auf \u00fcber 50\u00b5m w\u00fcrde die Korrosionsstandzeit erh\u00f6hen. Die Funktion der Teile w\u00e4re dann allerdings aufgrund der Toleranzgrenzen der Abmessungen\/ Gewindegeometrien eingeschr\u00e4nkt.
\nMit geeigneten Vorbehandlungsmethoden k\u00f6nnen die Standzeiten im SST signifikant erh\u00f6ht werden.
\nDie Erarbeitung eines gro\u00dftechnischen und wirtschaftlich tragbaren Prozesses hat sich als Herausforderung erwiesen, so dass noch weiterer Entwicklungsbedarf auf diesem Gebiet besteht.
\nDie Vorbehandlung ist noch immer nicht zufriedenstellend gel\u00f6st und stellt eine der H\u00fcrden auf dem Weg zur gro\u00dftechnischen Machbarkeit dar. Die Projektziele, die zum Thema Abscheidevorgang gesetzt waren, sind in Bezug auf die Abscheidem\u00f6glichkeit im Gestellverfahren erreicht worden, die grunds\u00e4tzliche Machbarkeit ist nachgewiesen. Es waren jedoch recht lange Beschichtungszeiten von ca. zwei Stunden notwendig. Zus\u00e4tzlich sind verschiedene Prozessparameter noch nicht gekl\u00e4rt und m\u00fcssen weiter untersucht und dann optimiert werden. In Langzeittests muss noch \u00fcberpr\u00fcft werden, ob sich einzelne Legierungsbestandteile der Schraubenst\u00e4hle in dem Beschichtungsbad anreichern. Besonderes Augenmerk sollte hier auf eine Anreicherung von Chrom gelegt werden als m\u00f6gliches Badgift. Auch \u00fcber die Standzeit eines Beschichtungsbades im Dauerbetrieb k\u00f6nnen heute noch keine Aussagen getroffen werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurden 2 wissenschaftliche Ver\u00f6ffentlichungen in Fachzeitschriften publiziert:<\/p>\n
S. Zein El Abedin, P. Giridhar, P. Schwab, F. Endres, Electrochemistry Communications, Electrodeposition of nanocrystalline aluminium from a chloroaluminate ionic liquid, 2010, 1084-1086<\/p>\n
F. Endres, CHEMIE INGENIEUR TECHNIK, Ionische Fl\u00fcssigkeiten in der elektrochemischen Abscheidung – Potenzial und Herausforderungen, Volume: 83 Issue: 9, Special Issue: SI Pages: 1485-1492<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Wie die \u00d6kobilanz gezeigt hat, sollte bei weiteren Entwicklungen ein Fokus auf den Sp\u00fclvorgang und den Einsatz von L\u00f6semitteln bzw. deren Vermeidung gesetzt werden.
\nIm Laborma\u00dfstab konnte gezeigt werden, dass eine Sp\u00fclkaskade mit Dicyanamid-ILs eine Alternative darstellt. Hierbei wird an dieser Stelle nicht weiter auf die wirtschaftliche Umsetzbarkeit einer solchen Sp\u00fclkaskade eingegangen werden. Bez\u00fcglich der Anschaffungskosten und der vermutlichen Lebensdauer der ILs in einer solchen Sp\u00fclkaskade kann heute – ohne gro\u00dftechnische Versuche zur Standzeit unter Dauerbelastung – keine Aussage getroffen werden. Dies gilt ebenso f\u00fcr die Ergebnisse einer \u00d6kobilanz. Der Verbrauch Ionischer Fl\u00fcssigkeiten im Prozess schl\u00e4gt sich deutlich auf die \u00d6kobilanz nieder und bringt ein gr\u00fcnes System schnell zum kippen.
\nDes Weiteren m\u00fcssen die R\u00fcckgewinnung der IL aus dem Prozess und das abschlie\u00dfende Wiederaufbereiten des Bades zur erneuten Nutzung im Fokus stehen.
\nF\u00fcr eine bessere Filmqualit\u00e4t ist es ebenso unumg\u00e4nglich, sich weiter mit der Zusammensetzung des Beschichtungsbades zu besch\u00e4ftigen. F\u00fcr eine optimale Performance der Aluminiumschicht muss eine dichte und homogene Aluminiumschicht abgeschiedenen werden.
\nDie Nachbehandlung und \u00dcberbeschichtung der Aluminiumschicht bedarf ebenso einer weiteren Untersuchung. Wichtig ist hier, den Fokus auf ein l\u00f6semittelfreies Verfahren zu legen.
\nAll diese Untersuchungen setzen jedoch voraus, dass ein prozesssicheres Vorbehandlungsverfahren gefunden wird, mit dem es m\u00f6glich ist, Stahl bis zur Festigkeitsklasse 12.9 so vorzubereiten, dass haftfest Aluminium abgeschieden werden kann.
\nDen Ansatz, der im Projekt gefunden wurde, ist vielversprechend. Doch auch hier ist die Umsetzung im Labor noch weit von einer praxisnahen Anwendung entfernt. Viele Probleme, die durch die \u00f6rtlichen Gegebenheiten in den Laboren bedingt sind, w\u00fcrden sich in einer Prototypanlage nicht finden. So g\u00e4be es z. B. zwischen den einzelnen Vorbehandlungsschritten keinen erneuten Sauerstoffkontakt. Trotzdem kann heute nicht mit Gewissheit prognostiziert werden, dass die Vorbehandlung dann reibungslos funktioniert.
\nAuch die Frage nach Verspr\u00f6dung der hochfesten Teile durch die intensive Plasmabehandlung und insbesondere der Einfluss einer solch ausgiebigen Vorbehandlung auf die \u00d6kobilanz sind noch nicht untersucht worden.
\nZiel muss es bleiben, einen Prozess zu entwickeln, der ohne jeglichen Einsatz von L\u00f6sungsmitteln bleibt und der wirtschaftlich umsetzbar ist, so dass der Einsatz nicht nur in Nischenbereichen m\u00f6glich ist.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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