Technik: Laser

Alternative zur Hartverchromung

Aufgrund des Chrom(VI)-Verbots wird derzeit vermehrt nach Alternativen zur Hartverchromung gesucht. Eine ist das Top Speed Cladding – eine Hochgeschwindigkeitsvariante des Laserauftragschweißens.

07. November 2018
GTV Top Speed Cladding, aufgenommen mit Langzeitbelichtung. Bild: GTV Verschleißschutz
GTV Top Speed Cladding, aufgenommen mit Langzeitbelichtung. (Bild: GTV Verschleißschutz)

Damit Metallbauteile Abrieb und Korrosion standhalten, werden vielfach spezielle Oberflächenbeschichtungen aufgetragen. Als eines der effektivsten Verfahren hat sich die Hartverchromung herauskristallisiert. Infolge der EU-rechtlichen Nutzungseinschränkungen für Chrom-VI wird inzwischen allerdings vermehrt nach Alternativbeschichtungstechniken gesucht. Das schließt auch die Entwicklung neuer Verfahren ein. Zu ihnen gehört das Top Speed Cladding von GTV als Hochgeschwindigkeitsvariante des Laserauftragschweißens. Der Prozess wurde unter Einsatz von Laserline-Hochleistungsdiodenlasern speziell für die Beschichtung rotationssymmetrischer Bauteile entwickelt. Er erreicht bei Laserleistungen von 3 bis 10 Kilowatt eine Oberflächengeschwindigkeit von mehr als 20 Metern pro Minute und zeichnet sich durch einen außergewöhnlich hohen Pulverwirkungsgrad aus.

Ausgelöst wurde die Suche nach neuen Beschichtungsverfahren, als Chrom-VI 2013 in den Anhang XIV der Europäischen Chemikalienverordnung REACH aufgenommen wurde, in dem besonders besorgniserregende Stoffe verzeichnet sind. Das Chrom(VI)-Verbot trat dann mit dem Erreichen des Sunset-Dates Mitte September 2017 endgültig in Kraft. Das als stark gesundheitsgefährdend eingestufte Material darf fortan nicht mehr ohne Zulassung verwendet werden. Die Zulassungspflicht soll die von Chrom-VI ausgehenden Risiken minimieren und den Einsatz von Ersatzsubstanzen oder -technologien vorantreiben. Anwender der Hartverchromung tun sich allerdings schwer, einen qualitativ gleichwertigen Ersatz zu finden, da galvanische Beschichtungen kostengünstig zu realisieren sind und gleichzeitig als besonders hochwertig gelten. Sie erreichen hohe Härtegrade von 900 bis 1.000 HV0.3 und schützen effektiv vor aggressiven chemischen Stoffen.

Folglich müssen sich Verfahrenstechniken, die als Ersatz infrage kommen, dem Vergleich mit den hohen Qualitätsmerkmalen der Hartverchromung stellen. Dabei stehen nicht nur Neuentwicklungen wie das Top Speed Cladding, sondern auch altbekannte Beschichtungsverfahren im Fokus: Neben dem galvanischen Zink-Nickel-Beschichten wird besonders mit pulverbasierendem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (High-Velocity-Oxygen-Fuel = HVOF) und Laserauftragschweißen experimentiert. Die zwei pulverbasierenden Beschichtungstechniken konnten sich bereits in einer Vielzahl von Anwendungen bewähren und sind seit langem etabliert. Trotzdem bezweifeln zahlreiche Anwender, dass HVOF-gespritzte oder laserbasierende Schichten technisch und wirtschaftlich mit Hartchromschichten konkurrieren können.

HVOF-Spritzschichten haben den Vorteil, innerhalb kurzer Prozesszeiträume aus einer Vielzahl von Materialien herstellbar zu sein. Es können Metalle, Legierungen, Keramik, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe genutzt werden. Die Beschichtungsmaterialien werden mit einem Spritzbrenner aufgeschmolzen und anschließend per Gasstrom auf die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks geschleudert. So bleibt eine strikte Trennung zwischen Schichtmaterial und Substrat bestehen und die Schutzschicht frei von Verunreinigungen. Die sehr dünnen Spritzschichten erreichen je nach verwendetem Beschichtungsmaterial zum Teil einen sehr hohen Härtegrad. Dabei sind die HVOF-gespritzten Hartmetallschichten mit mehr als 1.400 HV0.3 sogar den Hartchromschichten überlegen und garantieren speziell bei tribologischen Belastungen eine außerordentliche Verschleißfestigkeit. Diese wird auch durch die Risse nicht beeinträchtigt, die zuweilen beim Erkalten der Schichten entstehen. Bei Antikorrosionsbeschichtungen muss allerdings aufgrund der Risse mehrlagig gearbeitet und der Vorteil dünner Schichten aufgegeben werden. Auch bei starken Stoß- oder Querkräften kann die rein mechanische Verklammerung von Schicht- und Grundmaterial nicht die nötige Stabilität garantieren. Daher reichen Thermische Spritzschichten unter diesen Aspekten nicht an die Qualität der Hartverchromung heran. Auch der Pulverwirkungsgrad gibt Anlass zu Kritik, da je nach Anwendung bis zu 50 Prozent des Materials verloren gehen.

Dagegen wird beim Laserauftragschweißen eine metallurgische Verbindung zwischen Werkstück und Beschichtung hergestellt, die deutlich widerstandsfähiger ist als die mechanische Verklammerung. Die laserbasierenden Beschichtungen sind oft sogar haltbarer als hart verchromte Schichten. Realisiert werden sie durch Einblasen des pulverförmigen Beschichtungsmaterials in ein Schmelzbad, das per Laser auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt wird. Während des Beschichtungsvorgangs kommt es somit zu einer Vermischung von Schicht- und Grundwerkstoff, wodurch die erste Schichtlage noch einen hohen Anteil des korrosiven Grundmaterials enthält. Um bei Antikorrosionsbeschichtungen das volle Potenzial des Laserauftragschweißens nutzen zu können, ist daher das Aufbringen weiterer Schichten nötig. Die mehrlagige Beschichtung ist dann porenarm und gasdicht, was Werkstücke sehr effektiv vor Korrosion schützt. Durch die mehrfache Beschichtung entstehen allerdings Schichtdicken über 0,5 Millimeter wie auch wellige Oberflächen, die eine Nachbearbeitung erforderlich machen. Zudem sind die Flächenraten, die zwischen 0,06 und 0,3 Quadratmeter pro Stunde liegen, sehr niedrig. Auch wenn ein Pulverwirkungsgrad bis 97 Prozent erreicht werden kann, ist das Laserauftragschweißen daher nicht überall als Alternative zur Hartverchromung geeignet.

Sowohl das Thermische Spritzen als auch das Laserauftragschweißen können somit als Ersatz für chrom(VI)-basierende Beschichtungen nicht vollends überzeugen. Anwender beider Verfahren müssen technische oder wirtschaftliche Nachteile in Kauf nehmen. Dies gilt insbesondere beim Korrosionsschutz. Damit wird die Einschätzung der Kritiker zunächst bestätigt. 

Anders stellt sich die Situation jedoch beim GTV Top Speed Cladding dar. Das Verfahren kombiniert die Stärken der zwei genannten Beschichtungstechniken: Es verbindet den hohen Pulverwirkungsgrad sowie die Stabilität und Dichte der laserbasierenden Schutzschichten mit dem dünnen Schichtauftrag und der hohen Prozessgeschwindigkeit des HVOF. Wie beim klassischen Laserauftragschweißen wird die gasdichte Oberflächenbeschichtung durch Einblasen des pulverförmigen Beschichtungswerkstoffs in das Schmelzbad erzeugt, so dass eine metallurgische Verbindung zwischen Beschichtung und Werkstück entsteht. 

Durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit des Bauteils und die homogene Energieverteilung des Diodenlaserstrahls ist das Schmelzbad allerdings auffallend ruhig und von geringer Einwirktiefe. Schicht- und Grundwerkstoff vermischen sich daher nur geringfügig. Das macht sich vor allem bei Antikorrosionsbeschichtungen positiv bemerkbar: Schon die erste Schichtlage enthält einen weit geringeren Anteil korrosiven Materials als beim herkömmlichen Laserauftragschweißen. So werden weit dünnere Schichten möglich.

Aufgrund seiner exzellenten Beschichtungseigenschaften hat das Top Speed Cladding durchaus das Potenzial, sich als echte Alternative zur Hartverchromung zu etablieren. Das legen auch konkrete Beschichtungsergebnisse nahe, wie sie etwa bei Inconel-625-Beschichtungen von Baustahl erzielt wurden. Da Oberflächenqualität und Schichtdickenschwankung mehr als zufriedenstellend sind – die Standardabweichung von der mittleren Schichtdicke liegt typisch bei lediglich 14 µm –, fällt bei diesem Verfahren auch der Nachbearbeitungsaufwand gering aus. Zudem kann das GTV Top Speed Cladding in den meisten Fällen mit bestehenden Laserbeschichtungsanlagen durchgeführt werden, sofern diese mit standardisierten Pulverdüsen ausgerüstet sind. Erforderlich ist nur die Anpassung von Laserleistung und Rotationsgeschwindigkeit. Sollte eine Aufrüstung des Antriebs oder des Lasers nötig sein, ist auch dies problemlos möglich. 

Anwender des GTV Top Speed Cladding können somit zu vertretbaren Kosten eine äußerst effiziente Beschichtungslösung nutzen, die insbesondere bei Antikorrosionsbeschichtungen überzeugt. Zusätzlich unterstützt wird die hohe Effizienz der Methode durch den Einsatz der Laserline-Hochleistungsdiodenlaser, die mit einem Steckdosenwirkungsgrad bis 50 Prozent derzeit eine der höchsten Energieeffizienzen im Bereich Industrielaser bieten. 

Alles in allem hat Top Speed Cladding also auf mehreren Anwendungsfeldern das Potenzial, die Hartverchromung abzulösen. Zwar ist deren Einsatz mit zeitlich begrenzter Sonderzulassung durch die Europäische Chemikalienagentur noch immer möglich – er ist aber an ein hochkomplexes Zulassungsverfahren und strenge Überwachungsregelungen gebunden. So muss unter anderem nachgewiesen werden, dass der sozioökonomische Nutzen höher ist als die gesundheitlichen Risiken. Darüber hinaus kann die Zulassung von der EU-Kommission erneut geprüft, geändert oder widerrufen werden. Die Weiterverwendung von Chrom-VI auf Zulassungsbasis kann deshalb nur eine Übergangslösung sein. Mit innovativen Beschichtungstechniken wie dem GTV Top Speed Cladding steht jedoch die Alternative schon bereit.

Erschienen in Ausgabe: 07/2018