Projekt 35131/01

Entwicklung eines Hartchromelektrolyten auf der Basis von Chrom(III)-Salzen

Projektträger

HARTCHROM Beck GmbH
Kappelrain 9 - 11
74363 Güglingen
Telefon: 071356963

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Anlass: Durch die Giftigkeit der Chrom VI- Verbindungen wird das ,,Hartverchromen,, immer mehr
eingeschränkt (REACH). Da die Chrom-Schichten zum Teil unerreichte Schichteigenschaften bzw.
Schichtkombinationseigenschaften besitzen, ist ein Ersatz nur bedingt möglich. Die Industrie sucht daher
umweltfreundliche Alternativen. Das Ziel der Entwicklung war es, Chromschichten mit hervorragenden
Schichteigenschaften aus umweltfreundlichen Chrom III- Elektrolyten galvanisch abzuscheiden.
Chromtrioxid (CrVI) ist im Anhang XIV der REACH Verordnung aufgelistet. Das heißt, das Chromtrioxid
(krebserregend und Brand fördernd) kann nur noch sehr eingeschränkt und unter Auflagen eingesetzt
werden. Es ist aber noch nicht verboten, diese Verbindung einzusetzen!
Chrom III- Salze sind nicht krebserregend. Sie werden z.B in Nahrungsergänzungsmitteln verwendet.
Zielsetzung:
Das Entwicklungsziel war die Abscheidung von Chrom (III)- Schichten mit ähnlichen oder besseren
Eigenschaften wie die der Chrom (VI)-Schichten:
Schichtdicke: 100 ?m und mehr
Schichthärte: 1000 HV (800 HV-1200 HV)
Korr.-Beständigkeit: Vergleichbar mit Chrom VI- Schichten
Tribologie/Verschleiß: Vergleichbar mit Chrom VI- Schichten
Streufähigkeit: Besser als bei Chrom VIO- Elektrolyten
Stromausbeute: Besser als bei Chrom VI- Elektrolyten



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm ersten Arbeitsschritt wurden zahlreiche Cr III-Elektrolyte untersucht. Die Elektrolyte wurden in einem
1000 ml Becherglas angesetzt und auch die galvanischen Versuche durchgeführt. Als Anoden wurden
Grafitanoden eingesetzt, gelegentlich auch MOX (Ru-Oxid)- beschichtets Titanstreckmetall. Die Kathode
bestand aus einem unlegierten Stahl-Zylinder mit einem Durchmesser von 10 mm. Dieser wurde so
maskiert, dass eine Oberfläche von 0,1 dm² Fläche verchromt wurde. Bild 1
Die Beschichtung wurde zuerst visuell Beurteilt. Bei einer erfolgsversprechenden Chrom III-Schicht
wurden Schliffe angefertigt sowie REM-EDX- Untersuchungen durchgeführt. Weiter wurden bei Bedarf
eine IC-Messung durchgeführt.
Bei erfolgversprechenden Elektrolyten wurden nach 24 und 48 Stunden erneut galvanische
Abscheidungen durchgeführt. Es hat sich immer wieder herausgestellt, dass nach mehreren Stunden ein
Farbwechsel von grünlich zu blau-violett erfolgte und anschließend keine erfolgreiche Chrom IIAbscheidung
mehr möglich ist. Der Farbton zeigt nur die Anzahl der Wassermoleküle an die das
Chrom III-Ion komplexieren-
Im Zeitraum von September 2019 bis Oktober 2020 wurden weit über 100 Versuche durch die Firma
OpSu Optimal Surface GmbH. Durchgeführt.
Dabei wurde nachfolgender Vorgehensweise verfahren:
- Behälter: 1000 ml Becherglas, Heizlatte mit Magnetrührer
- Anode: Grafit (selten MOX beschichtetes Ti-Streckmetall zur Anodenkontrolle)
- Chemikalien in Analysen- oder technischer-Qualität (Merck, Roth, Aldrich..)
- Kathode Stahl-Zylinder, maskiert: 0,1 dm² die Stahlzylinder wurden vor der Beschichtung
gewogen und nach der Beschichtung zurückgewogen.
- Vorbehandlung: mechanisches Schleifen mit 1000 er Schleifpapier, Abkochentfettung, USEntfettung,
kathodische Entfettung, HCI-Beize (RT), Ni-Strike (HCI mit Nickelchlorid), jeweils
mit einer Stand- und Fließ-Spüle
- Bei der Abscheidung wurde mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gedreht bzw.
Stillstand.
- Die Beschichtungsversuche erfolgten direkt nach dem Ansatz, oder zeitlich versetzt
(2-24 Std.)


Ergebnisse und Diskussion

Bei dem DBU-Projekt sollten umweltfreundlich Cr III- Schichten galvanisch abgeschieden werde. Es
wurden über 100 Abscheideversuche durchgeführt.
Dabei wurden verschiedene Wege eingeschritten um erfolgreich Cr III- Schichten abzuscheiden:
Standard-Elektrolyte mit Zusätzen wie Komplexbildner oder Reduktionsmittel Dispersionsschichten
sollten die Schichteigenschaft verbessern. Mittel Pulsplating wurde untersucht, ob sich über die Art des
Strom-Pulses Verbesserungen erzielen lassen. Ein weiterer Lösungsweg war die Abscheidung von
Legierungselementen wie V, Mn, Mo, W.
Die eingeschlagenen Wege führten nicht zum Ziel. Mit den Elektrolyten konnten zum Teil keine
Schichten abgeschieden werden, es konnten nur schwarze, dünne Schichten hergestellt werden oder es
bildeten sich voluminöse Schichten aus. Dann konnten die Elektrolyten nur eine einmalige Abscheidung
von Chromschichten bewirken. Anschließend war keine Abscheidung mehr möglich. Diese wird auf eine
Verloung oder den Umbau der Aquo-Komplexe zurückgeführt. Bei den erfolgreichen Chrom IIIAbscheidungen
konnte eine Reduzierung der Rissbildung nicht erreicht werden.
Da Mitte des Jahres 2020 völlig überraschen bekannt wurde, dass die Firmen Atotech und Coventya,
Chrom III Elektrolyte entwickelt hatten, wurden die Arbeiten eingestellt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Aufgrund der nicht ausreichenden Schichteigenschaften der untersuchten Cr III- Elektrolyte und der jetzt
zugänglichen Cr III-Schichten durch Fachfirmen wird keine Öffentlichkeitsarbeit oder Präsentation
geplant.


Fazit

Die in dr Literatur beschriebene Cr III-Schichten bezogen sich vorwiegend auf dünne, dekorative
Schichten. Dicke Cr-III-Schichten waren zum Zeitpunkt 2019 bis 2021 {1} noch nicht eingesetzt werden.
Die finnische Firma ,,Savroc,, nutzte schon Cr III-Schichten, aber nur in Verbindung mit chemischen
Nickel-Schichten und sehr hohen ,,Temperaturen,, bei ca. 600°C
Der Ansporn bei diesem Projekt war die die Abscheidung von Cr VI-Schichten, die nicht getempert
werden müssen und #hnliche Eigenschaften wie Cr VI-Schichten aufweisen. Um dies zu erreichen,
wurden verschiedene Wege eingeschlagen:
- Verschiedene Komplexbilder
- Diepersionsabscheidung
- Pulsplating
- Legierungsabscheidung
Neben der Abscheidung von dünnen schwarzen Schichten, voluminösen Schichten uns keinen
Schichten konnten vereinzelt brauchbare Cr III-Schichten erzeugt werden. Diese hatten aber
durchgehend Mikrorisse und konnten nicht reproduzierbar abgeschieden werden. In der kurzen Zeit
konnten keine Chrom III-Schichten abgeschieden werden, die den Anforderungen entsprachen. Man
muss hier noch viel Grundlagenentwicklung durchführen, da das Chrom III-Ion eine extrem lange
Austauschrate der Komplex- Liganden hat dadurch wird auch die störende Verolung gefördert.
Nachdem Mitte 2020 Fachfirmen brauchbare Schichten publizierten und in größerem Maßstab
bemusterten, wurde die Entwicklung eigestellt.

Übersicht

Fördersumme

95.294,00 €

Förderzeitraum

10.06.2019 - 10.12.2020

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter