Projekt 27498/01

Ersatz von Nickelschichten in Gleitlager- und Kontaktwerkstoffen durch galvanisch abgeschiedene Eisenschichten aus ionischen Flüssigkeiten

Projektträger

Stohrer IPT AG
In den Entenäckern 30
70599 Stuttgart
Telefon: 0711/90071-14

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung eines umweltschonenden Verfahrens zur galvanischen Abscheidung von haftfesten und porenfreien Eisenschichten auf Kupferbasismaterialien, die als Ersatz für Nickel-Diffusionssperrschichten in Gleitlagerbeschichtungen dienen sollen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Herstellung der benötigten aprotischen Eisenelektrolytlösungen, sowie die physikalisch-chemische Charakterisierung dieser Elektrolyte im Hinblick auf Viskosität, Leitfähigkeit und Wassergehalt wurde von der Fa. IOLITEC durchgeführt.
Die Optimierung der galvanischen Eisenabscheidung und Festlegung der optimalen Prozessparameter wie Stromdichte, Hydrodynamik, Metallgehalt, Temperatur, Badgeometrie und Stromausbeute wurde vom fem bearbeitet.
Zinnelektrolyte, die für die Herstellung der Gleitlagerschichten auf den Eisenschichten zur Anwendung kamen, wurden von der Fa. Zollern BHW zur Verfügung gestellt.
Die weitergehende Materialcharakterisierung der Proben in der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit fand am fem statt. Hierzu gehörten die Messung der Schichtdicke mittels Röntgenfluoreszenzanalyse, sowie die Ermittlung der Morphologie und des strukturellen Schichtaufbaus im Lichtmikroskop und im Rasterelektronenmikroskop. Ferner wurde die chemische Zusammensetzung und Duktilität der hergestellten Eisenschichten überprüft. Hierfür wurden Methoden wie die EDX-Analyse im Rasterelektronenmikroskop, sowie die Glimmentladungsspektroskopie (GDOES) eingesetzt.
Im zweiten Projektabschnitt wurden entsprechend dem Arbeitsplan von der Fa. IPT in Kooperation mit der Fa. Zollern BHW Demonstratoren definiert und bei IPT im Technikumsmaßstab beschichtet.
Der Abschnitt, mögliche Regeneration und Recycling der Eisenelektrolyte wurde an Modelllösungen vom Projektpartner IOLITEC durchgeführt. Eine erste betriebliche Umweltbilanz unter Berücksichtigung der bislang vorliegenden Daten aus den Labor- und Technikumsversuchen wurde gegen Ende des Projekts von den Projektpartnern IPT und Zollern BHW erarbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Die hergestellten Eisenlösungen (Elektrolyte) wurden in den ersten Arbeitsabschnitten physikalisch-chemisch (Viskosität, Leitfähigkeit, Wasserrestgehalt, Metallgehalt, IR- und Ramanspektroskopische Untersuchungen zur Eisenkomplexbildung in den Elektrolyten) charakterisiert und erfolgreich für die galvanische Eisenabscheidung getestet.
Mit einem optimierten Eisenelektrolyt konnten porenfreie und haftfeste Eisenschichten (Eisendiffusionssperrschichten mit einer gewünschten Schichtdicke von 1-3 µm) auf typischen Werkstoffen für Gleitlageranwendungen (Basiskupferwerkstoffen, wie sie für Gleitlageranwendungen in der Industrie auch real eingesetzt werden) galvanisch abgeschieden werden.
Die hergestellten Eisenüberzüge konnten anschließend erfolgreich mit einem kommerziellen wässrigen, stark sauren Zinn-Legierungselektrolyten ohne größere Probleme mit der eigentlichen Gleitlagerschicht weiterbeschichtet werden.
Die lichtmikroskopischen Untersuchungen von Teilproben (System: Gleitlagerschicht/Eisenschicht/Gleit-lagergrundwerkstoff) im kristallografischen Querschliff ergaben, dass zwischen den einzelnen Systemkomponenten (Zinnlegierung = Gleitlagerschicht/Eisenschicht = Diffusionssperrschicht/kupferhaltiges Grundmaterial) eine gute Haftung realisiert werden kann und die Metallschichten bei geeigneter Substratvorbehandlung riss- und porenfrei auf dem Grundmaterial abgeschieden werden können.
Die werkstoffkundlichen Untersuchungen ergaben, dass eine optimale aprotische Vorbehandlung des Grundmaterials vor der eigentlichen Eisenbeschichtung äußerst wichtig ist, um ein gut haftendes galvanisches Schichtverbundsystem zu erhalten. Zudem ist eine (Substrat-) Warenbewegung während der galvanischen Abscheidung von Vorteil. Standardisierte Dornbiege- und Wölbungstests mit hergestellten Proben ergaben eine gute Haftung und Duktilität der galvanisch abgeschiedenen Schichtverbundsysteme auf den technischen Substraten. Versuche zum Langzeitverhalten des kompletten Schichtssystems unter voller mechanischer Beanspruchung konnten im Rahmen dieses Projektes nicht mehr realisiert werden.
Ein Vergleich der Einstufung- und Kennzeichnungskriterien von Elektrolytinhaltsstoffen (Vergleich: kon-ventioneller Ni-Elektrolyt mit den neuartigen Fe-Elektrolyten) nach der CLP-Verordnung ergab, dass die Lagerung, der Transport, sowie die Entsorgung des Eisenelektrolyten mit deutlich geringeren Risiken (bzw. Auflagen) für Mensch und Umwelt und technischen Aufwand einhergeht. Der betriebliche Umgang mit dem neuen Eisenelektrolyten ist zudem mit deutlich geringerem Sicherheitsaufwand möglich.
Demgegenüber stehen zurzeit noch höhere Kosten für die Anschaffung, die Energiekosten (höhere Badtemperatur des Eisenelektrolyten) und dem Wasserverbrauch (es wird ein höherer Aufwand zum Spülen der Eisenbeschichteten Bauteile benötigt).
In dem abgeschlossenem F&E-Vorhaben konnte gezeigt werden, dass für die untersuchte Anwendung das umwelttoxische Metall Nickel prinzipiell durch das mindergiftige Eisen ersetzt werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden bereits während der Projektphase mittels Vorträgen bei Fachveranstaltungen einem breiten Fachpublikum vorgestellt. Der Projektergebnisse werden nach Projektabschluss zudem über die Homepages der Projektpartner einem breiten Fachpublikum vorgestellt und veröffentlicht.


Fazit

Die in dem abgeschlossenem Projekt durchgeführten verschiedenen Laborversuche zeigten, dass das neu entwickelte Beschichtungsverfahren für Eisen unter optimierten Abscheidebedingungen für eine galvanische Abscheidung von haftfesten und rissfreien Eisen-Diffusionsschichten auf Kupferbasismaterialien geeignet ist. Eine anschließende galvanische Beschichtung der hergestellten Eisen-Diffussionssperrschichten mit einer industrieüblichen Legierungsschicht für Gleitlagerschichten als Deckschicht war im Labormaßstab ebenfalls erfolgreich. Das in der Projektlaufzeit anvisierte Arbeitsziel eines umwelt-schonenden Beschichtungsprozesses für einen exemplarischen Anwendungsbereich konnte von den Projektpartnern (IPT, fem, IOLITEC und Zollern-BHW) innerhalb des Zeitplanes realisiert werden.

Übersicht

Fördersumme

119.777,00 €

Förderzeitraum

01.01.2010 - 31.08.2011

Internet

www.ipt-plating.com

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik