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Montag, 11. Dezember 2017

Oberflächentechnik

Glänzende Alternative

Von Stefan Asche | 13. Juli 2017 | Ausgabe 28

Ab Herbst wird das Hartverchromen von Bauteilen nur noch in Ausnahmefällen gestattet. Aachener Wissenschaftler fanden einen Ausweg.

BU EHLA1
Foto: Fraunhofer ILT/Volker Lannert

Eine Kolbenstange wird mit dem Ehla-Verfahren beschichtet. Während des Prozesses dreht sich das Bauteil mit hoher Geschwindigkeit. Die Schichtstärke beträgt üblicherweise zwischen 50 µm und 400 µm.

Eine Hartchromschicht sieht nicht nur schön aus. Sie macht Metallbauteile auch verschleißfest und korrosionsbeständig. Außerdem senkt sie den Reibungskoeffizienten und die Adhäsionsneigung. Deshalb sieht man den glänzenden Überzug häufig – etwa auf den Dosierwalzen der Druckindustrie, den Stoßdämpfern von Autos oder den Kolben von Hydrauliksystemen. Der Haken: Das bei der Galvanisierung eingesetzte Chrom(VI)-oxid ist krebserregend und umweltgefährdend. Aus diesem Grund darf es ab dem 21. September nur noch mit einer Ausnahmegenehmigung der Europäischen Chemikalienagentur (Echa) eingesetzt werden. Die Industrie steht damit vor einer echten Herausforderung.

Helfen könnte „Ehla“. Der Name steht für „Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen“. Entwickelt wurde das Verfahren von Wissenschaftlern aus Aachen: Gerhard Maria Backes und Wolfgang Küppers vom RWTH-Lehrstuhl für Digital Additive Production (DAP) sowie den Kollegen Andreas Gasser, Thomas Schopphoven und Jochen Kittel vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT).

Das Prinzip ist erstaunlich einfach. Es unterscheidet sich nämlich kaum vom klassischen Laserauftragsschweißen. Dabei schmilzt zunächst ein Laser die Oberfläche eines Bauteils auf. Anschließend wird die entsprechende Stelle mit Metallpartikeln beschossen. „Das ist ungefähr so, als würde man Hagelkörner in eine Pfütze schmeißen“, erläutert Backes anschaulich.

Foto: Fraunhofer ILT

„Unsere Alternative zum Hartverchromen ist aktuell alternativlos. Sie erlaubt eine Beschichtungsgeschwindigkeit von bis zu 500 m pro Minute.“ Gerhard Maria Backes, RWTH-Lehrstuhl für Digital Additive Production (DAP).

Das Problem dabei ist die maximale Geschwindigkeit, mit der der Laser über das Bauteil geführt werden darf. „Ab einigen Metern pro Minute hat das Pulver nicht genügend Zeit, sich im Schmelzbad aufzulösen“, so der Experte. Schichtdefekte wären die Folge.

„Die Beschichtung einer Welle von 10 m Länge und 50 cm Durchmesser würde mit dem konventionellen Auftragsschweißen mehrere Hundert Stunden benötigen.“ Das sei unwirtschaftlich. Zum Vergleich: Das Hartverchromen beanspruche nur etwa 40 Stunden.

 Ehla löst dieses Problem, indem das Pulver schon auf seinem Weg ins Schmelzbad aufgeschmolzen wird. Mit anderen Worten: Die „Hagelkörner“ müssen sich in der „Pfütze“ nicht mehr auflösen, sie erreichen ihr Ziel schon im flüssigen Zustand. „Dadurch wird eine Beschichtungsgeschwindigkeit von bis zu 500 m pro Minute möglich“, so der Ingenieur. Der gesamte Beschichtungsvorgang dauere damit kaum länger als das Hartverchromen.

Die Beschichtungsqualität sei aber höher. „Das aufgetragene Material und das Substrat sind schmelzmetallurgisch miteinander verbunden“, erklärt Backes. Das sei beim Hartverchromen nicht der Fall. „Hier wirken lediglich Anhaftungskräfte.“ Schon kleine Beschädigungen der Chromschicht würden deshalb schnell zum Abplatzen großflächiger Cluster führen. „Bei Hydraulikzylindern führt das dann schnell zur Zerstörung der Manschette – und damit zu einem abrupten Totalausfall des gesamten Bauteils.

Beschichtet werden könne mit verschiedensten Materialien. Neben Nickel-Basis-Legierungen seien etwa auch Kobalt-, Titan- oder Aluminiumlegierungen denkbar. Typische Auftragsstärken seien 50 µm bis 400 µm. Nach Endbearbeitung blieben davon noch 25 µm bis 350 µm übrig. Backes ist überzeugt: „Unsere Alternative zum Hartverchromen ist aktuell alternativlos.“ Dementsprechend wurde Ehla unlängst mit dem „Joseph-von-Fraunhofer-Preis“ gewürdigt.

An Grenzen stößt Ehla bislang noch, wenn die Zielbauteile nicht rotationssymmetrisch sind. Denn bei einer Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von ebenen Flächen werden die Anlagenkomponenten riesigen G-Kräften ausgesetzt. Laut Backes wird am ILT aber schon an einer Maschine gearbeitet, die dieses Problem löst.

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