Artikelarchiv -Galvanotechnik

Oxisäuren bzw. ihre Alkalisalze besitzen für die Galvanotechnik eine besondere Bedeutung bei der Abscheidung einiger reiner Metalle sowie Legierungen beispielsweise von Zinn, Chrom, Molybdän, Wolfram und Halbmetallen. Oxisäuren finden zudem in Elektrolyten zusammen mit Nitraten, Perchloraten und Sulfaten Anwendung. In diesen galvanischen Elektrolyten kommen die jeweiligen Elemente als Anionen mit drei bzw. vier Sauerstoffatomen vor (XO3n– bzw. XO4n–) und liegen damit in einem der höchsten Oxidationszustände vor. Nach Literatur- angaben sind in den Mischelektrolyten außer den Alkalisalzen der Oxisäuren auch Komplexbildner (Liganden) und Glanzzusätze gebräuchlich. Die meisten Metalle der Nebengruppen IVb bis VIb des Periodensystems der Elemente können als Metall- und Legierungsschichten, die sich durch eine hohe Widerstandskraft gegen mechanische, thermische und chemische Belastungen auszeichnen, abgeschieden werden. Diese Schichten stellen eine wichtige Stütze der funktionellen Oberflächentechnik dar. Allerdings sind inhaltlich aussagekräftige Literaturangaben über die Abscheidemechanismen dieser Metalle relativ selten anzutreffen.

Ab dem Jahr 2007 müssen Fahrzeuge laut EU-Richtlinie frei von Chrom(VI) sein. In der Folge dieser Bestimmung wurde verschiedentlich bereits die Befürchtung geäußert, dass auch die Verwendung von Chromverbindungen zur Herstellung von metallischem Chrom durch elektrolytische Abscheidung verbannt werden soll. In bestimmten Anwendungsfällen bietet sich als Ersatz für das Verchromen die Plasmabeschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) an.

Kleiner werdende Werk- stückdimensionen und geringere Teilegewichte führen verstärkt zur Integration weiterer Funktionen in einer Baugruppe und damit zu komplexeren Bauteilen. Entsprechend sind die Anforderungen an die Reinheit in den einzelnen Prozessschritten gewachsen. Unzureichende Reinigungsergebnisse können die Funktionssicherheit der Bauteile bedrohen bzw. den Ausschuss im Fertigungsprozess erhöhen und damit die Wirtschaftlichkeit in Frage stellen. Elektronikausfälle, beispielsweise durch metallische Partikel, haben in der jüngsten Vergangenheit in der Automobilindustrie zu teuren und das Image belastenden Rückruf- aktionen geführt. Die Reinheit einer Oberfläche ist in der praktischen Anwendung keine physikalisch definierte Eigenschaft, sondern eine technologische Größe, die durch die Art des Reinheitsmessverfahrens bestimmt ist (Tab. 1). Die Reinheitsanforderungen sind in verschiedenen Branchen z. T. sehr unterschiedlich. In der Medizin, Biologie oder Hygiene wird z. B. nach der Reinigung einer Oberfläche die Zahl der verbleibenden Mikroorganismen ermittelt, wohingegen die Halbleiterindustrie die Reinheit in Hinblick auf Menge, Größe und Zusammensetzung von Partikeln untersucht, die sich während der Fertigung auf einen Chip setzen und dessen Funktion zerstören können. In der Stanztechnik stören andererseits Ölfilme und/oder metallische Flitter, die sich in Weiterverarbeitungswerkzeugen, in Kunststoffumspritzungen oder im Bauteil ansammeln und ebenfalls Produktionsstörungen oder Produkt- ausfälle verursachen können.

Das Weiterbildungsinstitut Haus der Technik in Essen veranstaltet am 9. und 10. Mai in Essen eine Tagung, die von der Zeitschrift Galvanotechnik begleitend unterstützt wird, zum Thema Vermeidung von Chrom(VI) im Fahrzeugbau. In der Einleitung zum Tagungsprogramm wird angeführt, dass sechswertiges Chrom stark giftig, Allergien auslösend und unter bestimmten Bedingungen krebserregend ist. Der engagierte Geschäftsführer eines Galvanikbetriebes in der Schweiz reagierte darauf mit einem Brief sehr heftig: eine solche krasse Formulierung sei von einer Fachinstitution unnötig .... und effektheischend und marktschreierisch – eine Erfindung von einigen EU-Kommissaren und Umweltaktivisten. Er vermerkt in seinem weiteren Schreiben richtig, dass viele andere Stoffe gleiche oder ähnliche Eigenschaften aufweisen und trotzdem in breitem Umfang eingesetzt werden. Dies gilt vor allem auch für die so genannten Ersatzstoffe, die aufgrund eines gesetzlichen Verbotes oder einer Einschränkung von sechswertigem Chrom Verwendung finden.

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Ein Rückblick auf die Leistungen der Oberflächentechnik für den Umweltschutz

Die Oberflächentechnik bildet heute die Basis für die Realisierung der meisten technischen Produkte. Ohne Oberflächenbehandlung sind Gebrauchsdauer und Gebrauchssicherheit eng begrenzt. Die gesamten Mess- und Steuersysteme der modernen Technik basieren auf Elektronik, deren Bauelemente galvanotechnisch hergestellt werden. Dass dabei toxische Stoffe zur Herstellung eingesetzt werden müssen, ist verfahrensbedingt genau so unvermeidbar wie in der chemischen Industrie toxische Zwischenprodukte, die aber zur Herstellung lebenserhaltender Arzneien usw. ebenfalls nicht zu vermeiden sind. Ähnlich wie die chemische Industrie teilweise aus Handwerksbetrieben wie Seifensiedereien, Färbereien etc. oder die Pharmazeutik aus dem Apothekerwesen entstanden, hatte auch die Oberflächentechnik eine lange latente Entwicklung hinter sich, bevor sie sich im letzten Jahrhundert zu einer eigenständigen Branche und schließlich zu einer Schlüsselstellung entwickelte, die schon frühzeitig direkt oder indirekt Umweltaspekte berücksichtigt hat.

Im Kreuzworträtsel findet sich gelegentlich die Frage nach einem Ausdruck der Verwunderung, die Lösung heißt „Nanu!". In unserem Fach-Alltag – und vermutlich bald als zeitgemäßes Modewort – bürgert sich der Begriff „Nano" ein für kleinste Partikel, die unsere moderne Technik nicht nur zu beherrschen trachten, sondern die offenbar auch große Erwartungen für neue technische Möglichkeiten schüren. Der Umgang mit derart kleinen Partikeln ist durchaus ein Grund zur Verwunderung und korrespondiert schon deshalb mit dem eingangs erwähnten Ausdruck „Nanu!". Schon beginnt sich auch die Oberflächentechnik mit der neuen Dimension von Teilchen zu beschäftigen, die sich vielleicht in Form von Dispersionsschichten galvanisch applizieren lassen und dann den Oberflächen zu neuen Eigenschaften verhelfen, ohne den Grundwerkstoff zu verändern. Immerhin wäre das eine Möglichkeit, die kaum Konkurrenz durch Aufdampfen oder schmelzmetallurgische Verfahren zu befürchten hätte und der Galvanik wieder einen wesentlichen Platz einräumen würde.

Eine Grundvoraussetzung für einen wirksamen Verschleißschutz ist eine hinreichende Härte der Schutzschichten. Mit nitridischen und karbidischen Hartstoffen lassen sich Härten im Bereich von 20 bis 30 GPa erreichen. Diese Grenzen lassen sich durch den Übergang zu nanostrukturierten Schichtsystemen überschreiten. Durch einen Schichtaufbau aus Nanometer-Einzelschichten bzw. als Nanokompositmaterial werden Härten oberhalb 40 GPa, d. h. im superharten Bereich ermöglicht. Amorphe Kohlenstoffschichten mit überwiegend diamantartigen Bindungen (ta-C) liegen mit Härten zwischen 40 und 70 GPa bereits in diesem Bereich. Allerdings haben sie wegen der für ihre Abscheidung erforderlichen hohen Teilchen- energien und niedrigen Beschichtungstemperaturen beträchtliche Haftungsprobleme. Durch ein geeignetes nanotechnologisches Schichtdesign gelingt es, superharte amorphe Kohlenstoff-Schichten in Dicken von mehreren Mikrometern mit ausgezeichneter Haftung abzuscheiden.

Im vergangenen Jahr hat das BMBF Projekte der Nanotechnologie mit insgesamt 125 Millionen Euro gefördert in der Erwartung, dass Deutschland sich von dem Kuchen des für 2015 auf 1000 Milliarden US$ prognostizierten Weltmarktvolumens für nanotechnische Produkte (darunter Sonnencremes, Imprägniersprays, Fensterreiniger, Lackschutzmittel, Keramikfolien für neuartige Autobatterien, Dämmstoffe mit viel höherem Energiesparpotential) eine kräftige Scheibe abschneiden kann. Jetzt sollen 7,6 Millionen Euro in die Vorsorgeforschung fließen. Denn neben Chancen birgt der Umgang mit Nanopartikeln, die kleiner als ein Grippevirus sind, auch Risiken. Sie können leicht inhaliert oder über die Haut aufgenommen werden und im Körper toxische Wirkungen entfalten, insbesondere bei Beschäftigten, die in der Produktion damit in Berührung kommen.

Bericht über einen Workshop am 25. November 2005 in Dresden

Ur- und Umformprozesse sind durch eine intensive mechanische und chemische Wechselwirkung des Werkzeugs mit dem Ur- bzw. Umformgut gekennzeichnet. Sie bestimmt die Standzeit des Werkzeugs und die Qualität des Erzeugnisses und damit die Wirtschaftlichkeit des Prozesses. Das wird auch in Zukunft ein Problem bleiben, auch, weil ständig neue zu verarbeitende Werkstoffe generiert werden, die Anforderungen an die Qualität der zu fertigenden Produkte wachsen und der Kostendruck steigt. Diesem kann durch eine geeignete Modifizierung der Werkzeugoberfläche Rechnung getragen werden, indem bei hochwertigen Grundmaterialien eine er- höhte Standmenge oder bei weniger kostenintensiven Werkstoffen durch Vergütung im allgemeinsten Sinn zumindest gleiche Ergebnisse erreicht werden. Daher kommt beschichteten Werkzeugen bei der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Ur- und Um- formprozessen wachsende Bedeutung zu.

Bericht über den am 22. November 2005 in Dresden abgehaltenen Workshop

Der erste internationale Workshop Faserlaser wurde am 22. November 2005 in Dresden von den Fraunhofer-Instituten Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena, Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden und Lasertechnik ILT, Aachen veranstaltet. In seinen Grußworten ging MinR. Willfried Kraus, Bundesministerium für Bil- dung und Forschung (BMBF) auch auf den Stand und die Perspektiven der Lasertechnik mit Schwerpunkt Faserlaser ein.

Moscow Technological University celebrates – Moskauer Technische Universität feiert Jubiläum

The Moscow State Institute of Steel and Alloys (MISA, Technological University) was celebrating its 75th Anniversary from November 15th to 18th, 2005. Over the decades of its existence MISA has taken a fitting place among other world famous institutions for education and research that train engineers and researchers in the field of ferrous and non-ferrous metallurgy, materials science, electronics and other spheres. // 

Das Moscow State Institute of Steel and Alloys (MISA) feierte vom 14. bis 18. November 2005 den 75. Jahrestag seiner Gründung. Die Technische Universität hat sich in den Jahrzehnten ihrer Tätigkeit in Forschung und Lehre einen festen Platz unter anderen weltweit anerkannten Organisationen erworben, die Ingenieure und Forscher auf dem Gebiet der Eisen- und Nichteisenmetalle, der Metallurgie, Materialwissenschaften, Elektronik und anderer Gebiete ausbilden.

Im Rahmen der Feierlichkeiten anlässlich des 75. Geburtstags der Moskauer Technischen Universität MISA im Dezember 2005 wurden Ehrenurkunden an verdiente Professoren und Mitarbeiter verliehen, darunter auch an Professor Evgeny A. Levashov, der seit vielen Jahren Direktor des SHS-Centers für Forschung und Lehre der MISA Universität ist. Das SHS-Center wurde 1989 gegründet mit dem Ziel, Forschung und Ausbildung auf dem Gebiet der Hochtemperatursynthese (SHS) zu betreiben. Prof. Levashov hat es zu einem multidisziplinären Forschungs- und Anwendungszentrum mit zahlreichen Aktivitäten ausgebaut. Die Palette der Arbeitsgebiete reicht von nanostrukturierten Werkstoffen und Schichten über harte und verschleißbeständige Schichtsysteme bis hin zu biokompatiblen Schichten für die Medizintechnik. Zur Herstellung der Schichtsysteme stehen u.a. Anlagen zum Magnetronsputtern, zur Ionenstrahlbehandlung und zum Funkenlegieren zur Verfügung. Auch die SHS-Technik wurde in den letzten Jahren konsequent weiterentwickelt. Mit ihr werden heute Sputtertargets oder Elektroden für das Ionenstrahlspritzen und das Funkenlegieren gefertigt. Sie macht es möglich, eine Vielzahl von Materialien, darunter Karbide, Boride und Nitride, in Verbundbauteilen mit zum Teil sehr komplexer Zusammensetzung zu integrieren. Durch eingelagerte Nanopartikel können bestimmte Eigenschaften noch gezielt verbessert werden. Das SHS-Center und seine Aktivitäten werden im vorliegenden Heft ausführlich vorgestellt.

Es wird die Bildung von „Self-assembled Monolayers" (SAM) auf passivierten Stahloberflächen beschrieben. Die dafür synthetisierten organischen Alkyl-Phosphonsäuren enthalten neben einer Phosphonsäure-Ankergruppe verschiedene Thiophen-Kopfgruppen (Mono-, Bi- und Tertiophen). Die SAM-Bildung erfolgt mittels eines kurzen Tauchprozesses in wässrigen Lösungen und wird mit Hilfe von Kontaktwinkelmessungen und elektrochemischen Stromdichte-Potentialkurven nachgewiesen. Die dicht gepackten Bithiophen- oder Tertiophen-Kopfgruppen können durch Elektropolymerisation oberhalb eines bestimmten Potentials vernetzt werden, so daß zweidimensionale Schichten aus leitfähigem Polymer entstehen. Diese Schichten könnten als Haftvermittler für organische Beschichtungen und als neuartiges Primersystem für Eisen und Stahl Verwendung finden.

Moderne Oberflächenbeschichtungen haben heute neben den längst bekannten Eigenschaften wie z.B. Korrosionsschutz oder Farbgebung eine neue zusätzliche Funktion erhalten. Mit Hilfe der Nanotechnologie ist die Entwicklung von maßgeschneiderten Beschichtungen für jeden Anwendungszweck möglich. Dass diese neuen Oberflächen dem Anwender bzw. dem Verbraucher nicht immer einen Vorteil oder eine Verbesserung bieten, zeigt das Beispiel der antibakteriell ausgerüsteten Beschichtungen für Kühlschränke. Das Institut für Risikobewertung (BfR), hat die Wirkung und den Nutzen derartiger Beschichtungen für den Verbraucher bewertet. Das Ergebnis: Die Beschichtung mit Silberverbindungen bietet keinen zusätzlichen Vorteil beim Schutz vor Keimen. Sie kann weder die Reinigung der Geräte noch die Beachtung allgemeiner hygienischer Regeln beim Umgang mit Lebensmitteln ersetzen.