Artikelarchiv

Härte und Duktilität sind wichtige mechanische Größen, um die Eigenschaften galvanischer Schichten zu charakterisieren. Die Härte gilt dabei als Maß für die Abrasionsverschleiß- und Abriebbeständigkeit einer Schicht, während die Duktilität die Eigenschaft der plastischen Verformbarkeit eines Werk- stücks widergibt. Die wichtigsten Messverfahren zur Bestimmung der Härte sind die nach Vickers (HV), Knoop (HK), Martens (HM) sowie die Eindringhärte (HIT). In der Praxis werden die verschiedenen Härte- angaben ineinander umgerechnet. Die Prüfverfahren zur Bestimmung der Härte erlauben auch die Ermittlung weiterer Werkstoffkenngrößen, wie beispielsweise der Duktilität [1]. In diesem Artikel soll anhand der Härtemessung am Beispiel von Palladium- Nickel-Schichten gezeigt werden, wie die Duktilität als weitere Kenngröße der Schicht berechnet werden kann. //
Hardness measurements can be used to determine a number of other important mechanical charac- teristics of materials and electrochemical deposits. In the following paper the development from tradi- tional hardness test procedures to nano-indentation techniques is reviewed, including the theoretical background. As an application example, thin palla- dium-nickel deposits have been investigated relating hardness as a function of current density and additive concentration. The plastic deformation values from these indentation measurements were used to calcu- late the ductility of the palladium-nickel deposits and compared to both theoretical and actual measured ductilities.

Moderne Korrosionsschutzsysteme für metallische Werkstücke sind modular aufgebaut und bestehen typischerweise aus einer ersten Schicht Zink oder Zink- Legierung für den kathodischen Korrosionsschutz des Grundmetalls, einer Cr(III)-Konversionsschicht sowie einer Versiegelung oder einem Topcoat als ab- schließende Schicht. Einzig diese letzte Schicht ist dabei in unmittelbaren Kontakt mit der Umgebung und kann so die Eigenschaften des gesamten Korrosionsschutzsystems durch ihre Multifunktionalität maßgeblich beeinflussen. Auf diesen multifunktionalen Korrosionsschutz angewiesen sind insbesondere Verbindungselemente für den Automobilbereich, da diese in ihrem Lebenszyklus einer Vielzahl an potentiell schädigenden Beanspruchungen durch ihre Umgebung ausgesetzt sind. Dazu gehört der Angriff durch korrosive Medien, thermische- und auch mechanische Belastungen.//

With the purpose to best protect steel substrates, the composition of a modern corrosion protection system is modular. A layer of electroplated zinc or zinc alloy is in direct contact with the substrate and acts as the cathodic protection layer, preventing oxidation of the metallic substrate. A thin Cr(III) conversion coating further increases the corrosion resistance and can change the optical aspect of the part. A final layer of a topcoat or sealer completes the system. Only this last coating layer is in direct contact with the environment and influences largely the properties of the whole protection system. Specially for fasteners used in the automotive assembly, this multifunctional corrosion protection layer is of highest importance, since those parts will endure a multitude of potentially damaging impacts from their environment during their product lifetime. Corrosive media, heat and mechanical stress are only some examples for those impacts.

Seit Anfang des Jahrtausends ist Methansulfonsäure für die Galvanotechnik und andere Anwendungsgebiete in zunehmendem Maße verfügbar. Neben dem Verzinnen von Bandstahl ist die „grüne Säure“ auch für weitere elektrolytische Abscheidungsprozesse geeignet. In einem US-Patent von 1945 wird der Einsatz von Gemischen aus Alkansulfonsäuren mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen für die galvanische Abscheidung von Blei und Nickel auf verschiedenen Metallen beschrieben, ohne dass dabei Details über die genaue Zusammensetzung der Elektrolyte und die Elektrolyseparameter angegeben werden. Ab 1982 wird in mehreren Patenten der Einsatz von alkansulfonsauren Elektrolyten für das elektrolytische Verzinnen von Stahl bei der Herstellung von Weißblech als Alternative für die bisher üblichen Fluoroboratelektrolyten beschrieben [2–4]. Durch ein neues Verfahren konnte ab 2003 Methansulfonsäure in der für galvanische Prozesse erforderlichen Reinheit in großen Mengen hergestellt werden.

Verfahrenstechnische Neuerung steigert Qualität und Wirtschaftlichkeit

Für Anwendungen im elektrotechnischen Bereich müssen Teile aus Aluminium mit einer korrosions- und verschleißbeständigen Oxidschicht versehen werden und zugleich muss ein elektrischer Kontaktbereich zur Erdung erzeugt werden. Bisher wird dafür die vorhandene, 5?µm bis 25?µm dicke Eloxalschicht mechanisch entfernt. Dieser kostenintensive Zusatzaufwand wird durch eine neu entwickelte Abdecktechnik mittels flexibler Abdeckung und eine dafür angepasste Gestelltechnik vermieden. Dadurch steigen Wirtschaftlichkeit und Qualität für das partielle Eloxieren beziehungsweise das selektive Anodisieren von Aluminiumteilen.// 

For application in the area of electrical engineering aluminum parts must be coated with a wear-resistant oxide layer. At the same time an electric contact area for grounding must be created. Up to now this has been done by mechanically removing the existing, 5 to 2µm thick, Eloxal (anodic anodizing) layer. This additional, cost intensive step can be eliminated by using a newly developed sealing technique with flexible cover and adjusted frame. This method increases the efficiency and quality of partial and selective anodizing (Eloxieren), resp., of aluminum parts.

Im zweiten Teil des Berichtes (s. „Galvanotechnik“ 3-2013) wurden die steigenden Anforderungen an die Spülwasserqualität erläutert. In diesem dritten Teil wird berichtet, wie Prozesswasser aufbereitet wird und welche Werkstücke besonders anspruchsvoll zum Spülen sind.

Die mechanischen Eigenschaften und der Verschleiß von Goldschichten sind Gegenstand des letzten Kapitels der Serie zur elektrolytischen Goldabscheidung. Teil 7 beinhaltet Angaben zur Härte, den inneren Spannungen und der Duktilität von verschiedenen Goldschichten sowie zu den jeweiligen Messmethoden. In Teil 8 der folgenden Ausgabe (01-2013) wird auf Reibung und Verschleiß näher eingegangen. Darin werden Prüfvorschriften beschrieben, Verschleißmechanismen vorgeschlagen sowie das Abriebverhalten verschiedener Goldschichten verglichen.

Die seit etwa zwei Jahren deutlich steigenden Preise für Edelmetalle haben den Druck auf die Chemielieferanten und die Beschichter zur Einsparung von Edelmetallen erhöht. Dies gilt für alle Edelmetalle gleichermaßen, so dass Substitutionen, beispielsweise von Gold durch Palladium, nur beschränkt Abhilfe schaffen und deshalb die Abscheidung von partiellen Beschichtungen verstärkt angewandt wird. Der zweite Aspekt, unter dem neue Entwicklungen und Anwendungen stehen, ist die Vermeidung von unerwünschten Stoffen. Dies sind die nach wie vor angewandten Cyanide, aber auch Zusatzstoffe wie Blei oder Cadmium. Großes Interesse wird den Nanomaterialien und deren Einsatz bei der Edelmetallabscheidung entgegengebracht. Vor allem die Anforderungen aus der Elektrotechnik und Elektronik münden in Untersuchungen der Eigenschaften von abgeschiedenen Edelmetallen und deren gezielte Modifizierung.

In der Saxonia Galvanik GmbH, Halsbrücke, werden jährlich ca. 92 Millionen Kunststoffteile vorrangig für die Automobilindustrie beschichtet. Bei diesem Prozess wird stromlos Nickel durch ein geeignetes Reduktionsmittel auf einer katalytisch wirkenden Oberfläche abgeschieden. Dabei entstehen phosphorhaltige Reduktionslösungen sowie entsprechende Spüllösungen, die neben Phosphinaten und Phosphonaten noch weitere Phosphorverbindungen enthalten können. Das alles muss über die Abwasserbehandlung entsorgt werden.

In der Saxonia Galvanik GmbH, Halsbrücke, werden jährlich ca. 92 Millionen Kunststoffteile vorrangig für die Automobilindustrie beschichtet. Bei diesem Prozess wird stromlos Nickel durch ein geeignetes Reduktionsmittel auf einer katalytisch wirkenden Oberfläche abgeschieden. Dabei entstehen phosphorhaltige Reduktionslösungen sowie entsprechende Spüllösungen, die neben Phosphinaten und Phosphonaten noch weitere Phosphorverbindungen enthalten können. Das alles muss über die Abwasserbehandlung entsorgt werden.

Alternativen zur Verwendung von chromsäurebasierenden Prozesstechnologien

Die Umsetzung der REACh-Verordnung schränkt die Verwendung von chrom (VI)-haltigen Verbindungen in galvanischen Bädern stark ein. Da das „Sunset Date“ für Chromtrioxid bereits der 21. September 2017 war, besteht sowohl bei der dekorativen und funktionalen Verchromung als auch bei der Vorbehandlung zur Kunststoffgalvanisierung ein dringender Bedarf an alternativen Elektrolytsystemen. Das führte dazu, dass Forschung und Industrie sich in den letzten Jahren intensiv mit chromatfreien Ersatzelektrolyten beschäftigt haben. Im Folgenden werden verschiedene Alternativen zur Verwendung von chromsäurebasierenden Prozesstechnologien mit den Schwerpunkten Dekorativ, Funktional und Kunststoffbeizen vorgestellt.

Die Verfahrenstechnik der Schüttgutgalvanik wird zum besseren Verständnis in folgende Modelle zerlegt: Modell Schüttgut, Modell Schüttgutbewegung, Modell Hydrodynamik, elektrochemisches Modell, Verteilungsmodell und Kristallisationsmodell. Da- bei kann man feststellen, dass der Wissensstand der einzelnen Teilgebiete sehr unterschiedlich ist. Die Wissenslücken sind umso schwieriger auszugleichen, weil an einem optimalen Prozess viele unterschiedliche Fachleute beteiligt sind. Maßnahmen zur Prozessoptimierung der Schüttgutgalvanik sind aber schon gegeben. //
Process engineering of barrel plating for a better understanding is broken down in several models: model bulk goods, model movement of bulk goods, model hydrodynamics, electrochemical model, model of distribution and model of electrocrystallisation. The level of education for the several models is very dif- ferent. Process optimization is difficult because many experts are involved. The fundamental possibilities for process optimization are given.

War früher alles besser? Oder ist es nicht so, dass dreiwertige irisierende Dickschichtpassivierungen auf Zink und Zinklegierungen viel hitzebeständiger sind als die früheren sechswertigen Gelbchromatierungen? Und warum gibt es so große Unterschiede in der Wärmetoleranz von Schichtsystemen zum kathodischen Korrosionsschutz? Manche Schichten leiden stark, andere bleiben in etwa gleich – und es gibt sogar Schichtsysteme, die sich durch eine Wärmebehandlung signifikant verbessern. Erfahrungen und Untersuchungen aus zwanzig Jahren und ein paar Hypothesen zu den zugrundeliegenden Mechanismen versuchen hier Aufklärung zu schaffen. //

Was everything better in olden days? Or isn’t it true that trivalent iridescent thick film passivations on zinc and zinc alloys are much more heat-resistant than the previously used hexavalent yellow chromates? And why are there so great differences in the heat tolerance of coating systems for the cathodic corrosion protection? Some layers suffer greatly, others remain more or less the same – and there are even layer systems that significantly improve by heat treatment. Experiences and investigations from twenty years and a few hypotheses on the underlying mechanisms are trying to create clarification.

Dieser Bericht ist eine kurze Zusammenfassung eines Vorhabens der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF), das in Kooperation von der Gießereitechnologie der Hochschule für Angewandte Forschung in Aalen und der Abteilung Elektrochemie/Galvanotechnik des Forschungsinstituts Edelmetalle + Metallchemie (fem)
in Schwäbisch Gmünd bearbeitet wurde. Initiiert und unterstützt wurde das Projekt durch zahlreiche Firmen der beiden Branchen Zinkdruckguss und Galvanotechnik aufgrund ungeklärter Schadensfälle und aufgrund von Problemen bei der Qualitätssicherung in der gesamten Prozesskette der Fertigung und des galvanischen Beschichtens von Zinkdruckguss-Teilen.
Im Vorhaben konnten einige neue Erkenntnisse zu den Mechanismen der Fehlerbildung erarbeitet sowie unkritische von fehlerrelevanten Prozessschritten unterschieden werden. Eine bedeutende Rolle des Interface zwischen Gussmaterial bzw. Gusshaut und der Verkupferung im Zusammenhang mit der Bildung und temporären Einlagerung von Wasserstoff deutet sich an.

In den Jahren 2017 und 2018 wurde die DIN 50957 „Prüfung galvanischer Bäder Galvanisierungsprüfung mit der Hull-Zelle“ vom DIN-Ausschuss NA 062-01-61 AA routinemäßig überprüft und die Norm in zwei Teile geteilt. Der Teil 1 (DIN 50957-1:2016-02, Teil 1: „Standard-Hull-Zelle“) beruht auf der DIN 50957-1978 und beschreibt die Standard-Hull-Zelle. Der Teil 2 (DIN 50957-2:2019, Teil 2: „Spezielle Prüfzellen“) beinhaltet eine gegenüber der Standardzelle verlängerte Version der Hull-Zelle (Lang-Zelle) sowie zusätzlich gewinkelte Kathodenbleche. Mit den in den Normen vorgegebenen Geometrien wurden 2D- und 3D-Simulationen zur primären und sekundären Stromdichteverteilung mit dem Finite-Elemente-Programmen COMSOL Multiphysics (electrochemical modul) sowie Cell Design durchgeführt. Zusätzlich wurden die Simulationen mit experimentellen Werten verglichen.

Mit dem vorgestellten Modell können Spülkaskaden berechnet werden, wobei Tauch- und Spritzspülen auch für nicht ideales Spülen darstellbar sind. Außerdem lassen sich mit dem flexibel einsetzbaren Modell Kreislaufspülen, Rückführspülen und Spritzkammerspülen berechnen. Einleitung: Vorgestellt wird ein Modell zur Berechnung der stationären Verhältnisse in Spülkaskaden. Damit können in der Spülpraxis wichtige Effekte wie unvollständige Vermischung und Spritzspülen berechnet werden. Durch Erweiterung des früher entwickelten Matrizenmodells lassen sich zusätzliche Varianten der Wassereinspeisung und des Spritzspülens darstellen. Weiterhin wird gezeigt, wie durch geeignete Parameterwahl Ionenaustausch-Kreislaufspülen, Rückführspülen sowie Spritzkammerspülen berechnet werden können. In abschließenden Beispielen wird die Flexibilität bei der Berechnung sehr unterschiedlicher Spülprozesse demonstriert.