Abschnitt 4.2 - 4.2 Beschichtungsverfahren
Bei den Beschichtungsverfahren kommen galvanische (Galvanisieren) und chemische Verfahren (außenstromlose Metallabscheidung) zur Anwendung.
Das Galvanisieren ist die elektrochemische Metallabscheidung auf Metallen und leitend gemachten Nichtleitern, z. B. Kunststoffen, durch Anlegen einer Fremdspannung. Hierbei wird die Abscheidung mit niedergespanntem Gleichstrom durchgeführt, wobei das zu beschichtende Werkstück als Kathode geschaltet wird. Das abzuscheidende Metall wird entweder durch Lösen einer Anode oder durch Einbringen von gelösten Metallsalzen in den Elektrolyten ergänzt.
Bei den chemischen Verfahren werden die Überzüge aus einer Metallsalzlösung ohne Anlegen einer Fremdspannung abgeschieden. Die Abscheidung beginnt durch Ladungsaustausch und kann in einigen Fällen autokatalytisch weitergeführt werden. Das unedlere Metall geht in Lösung oder ein Reduktionsmittel wird verbraucht, während sich das edlere Metall aus der Salzlösung auf dem Werkstück abscheidet.
Im Folgenden werden die einzelnen Verfahren näher beschrieben:
4.2.1 Hartverchromen
Dies ist die direkte Abscheidung von dickeren Chromschichten ohne Zwischenschicht. Die Werkstücke müssen sorgfältig vorbehandelt werden.
Gegenüber dem Glanzverchromen benötigt man einen höheren Fremdsäuregehalt (um 1 %), einen niedrigeren Chromsäuregehalt (240 bis 280 g/l Chromtrioxid) und höhere Stromdichten (40 bis 50 A/dm2). Die Elektrolyttemperatur liegt zwischen 55 und 80 °C. Der Wirkungsgrad beträgt maximal 30 %. Hiermit verbunden ist eine große Wasserstoffentwicklung, folglich ein erheblicher Austrag von Chromsäureaerosolen am Arbeitsplatz.
Aufgrund der Wasserstoffentwicklung ist zudem mit dem Entstehen einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre zu rechnen.
Hartverchromen im Bereich Tiefdruck
Tiefdruckzylinder werden für ihren Einsatz an Druckmaschinen mit einer 5 - 10 μm dicken Schicht hartverchromt. Aufgrund gleichförmig wiederkehrender Anforderungen ist in diesem Bereich eine hohe Standardisierung möglich. Die Verchromung kann daher in geschlossenen Verchromungsanlagen mit einer mechanischen Abdeckung und einer wirksamen Absaugung erfolgen.
Personen halten sich am Chromsäureelektrolyten meist nur kurzzeitig beim Einrichten der Anlage auf. Der Tätigkeitsbereich der Bediener erstreckt sich in der Regel auf den gesamten Galvanikbereich mit einer Reihe anderer Anlagen.
Der Chromsäuregehalt des Elektrolysebades liegt bei ca. 300 g/l und die Stromdichte variiert in der Regel zwischen 50 und 100 A/dm2.
Für die Verchromung von Tiefdruckzylindern kommen horizontale Prozessbehälter als geschlossene Anlagen mit einer mechanischen Behälterabdeckung zum Einsatz. Während des Prozesses ist der Chromelektrolyt über die gesamte Länge mit einer wirksamen Absaugung von mindestens 1700 m3/h in Betrieb. Die Chromsäure wird vor dem Öffnen des Prozessbehälters in den darunterliegenden Vorratsbehälter abgepumpt und das Werkstück vor der Entnahme gründlich mit Wasser gespült. Das Werkstück wird mittels Beschickungseinrichtung aufgenommen und den jeweiligen Prozessschritten zugeführt.
Zum Ansetzen und Nachschärfen des Elektrolyten werden ausschließlich flüssige Chromsäurekonzentrate eingesetzt.
4.2.2 Glanzverchromen/Schwarzverchromen
Hierbei werden überwiegend dünne Schichten < 1 μm abgeschieden. In der Regel werden vorher Zwischenschichten aus Kupfer und Nickel aufgebracht.
Für die Glanzverchromung verwendet man vorzugsweise Elektrolyte mit einer Konzentration von 320 bis 380 g/l Chromtrioxid. Die Stromdichten liegen zwischen 10 und 15 A/dm2. Der Wirkungsgrad beträgt 20 bis 30 %, die Elektrolyttemperatur beträgt ca. 40 °C. Die Wasserstoffentwicklung und damit der Austrag von Chromsäureaerosolen in die Luft am Arbeitsplatz ist verfahrensbedingt nicht so ausgeprägt wie beim Hartverchromen.
Dennoch ist mit einer relevanten Gefahrstoffexposition am Arbeitsplatz sowie dem Entstehen einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre zu rechnen.
4.2.3 Vernickeln, Glanznickel/Halbglanznickel
Diese Beschichtung erfolgt galvanisch, ausschließlich aus sauren, meist schwefelsauren Elektrolyten. Die Elektrolyttemperatur beträgt in der Regel 55 bis 65 °C, der Wirkungsgrad ca. 95 - 98 %. Damit bleiben Wasserstoffentwicklung und somit Aerosolbildung rein verfahrensbedingt gering.
4.2.4 Vernickeln - chemisch
Das chemische Vernickeln erfolgt ohne Anlegen einer Fremdspannung, in der Regel mit Natriumhypophosphit als Reduktionsmittel. Die Elektrolyttemperatur beträgt ca. 85 - 95 °C. Im Gegensatz zum galvanischen Vernickeln kommt es durch die chemische Reduktion zu verstärkter Wasserstoffentwicklung und damit zu einer Aerosolbildung. Aufgrund der Wasserstoffentwicklung ist mit dem Entstehen einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre zu rechnen.
4.2.5 Verkupfern - cyanidisch
Das cyanidische Verkupfern erfolgt aus alkalischen, kupfercyanidhaltigen Elektrolyten (bis 40 g/l freie Cyanide). Als Alkalien werden Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid eingesetzt (bis 20 g/l). Die Elektrolyttemperatur beträgt 35 bis 65 °C. Eine Gasbildung und damit eine Aerosolbildung sind verfahrensbedingt gering. Unter bestimmten Bedingungen, wie abgeschalteter Absaugung, Kohlendioxideintrag aus der Luft, bei längeren Stillstandszeiten oder Einschleppen von Säuren muss mit der Bildung von toxischen Cyanwasserstoffkonzentrationen am Arbeitsplatz gerechnet werden.
4.2.6 Verkupfern - sauer
Saure Kupferelektrolyte enthalten zumeist Salze der Schwefelsäure. Einige saure Elektrolyte enthalten Fluoroborat oder Methansulfonat. Die Kupferkonzentration liegt zwischen 40 und 65 g/l und die Schwefelsäurekonzentration zwischen 55 und 65 g/l. Die Elektrolyttemperatur beträgt ca. 20 bis 35 °C. Eine Aerosolbildung findet nicht statt, außer beim Betrieb von luftbewegten Elektrolyten. Mit einer relevanten Gefahrstoffexposition am Arbeitsplatz ist nicht zu rechnen.
4.2.7 Verzinken - cyanidisch
Beim cyanidischen Verzinken wird Zink galvanisch aus einem Elektrolyten, hergestellt aus Zinkoxid (8 bis 13 g/l), Kaliumcyanid (65 g/l) und Natriumhydroxid (70 bis 75 g/l), abgeschieden. Die Elektrolyttemperatur beträgt ca. 20 °C. Die Stromausbeute ist anders als beim sauer Verzinken kleiner als 100 %. Sie variiert mit der Temperatur, dem Cyanidgehalt und der Stromdichte. Mit steigender Stromdichte verringert sich die Stromausbeute. Diese beträgt z. B. bei einer Stromdichte von A/dm2 nur noch 50 %. Die Abnahme ist durch eine erhöhte Wasserstoffabscheidung bedingt, die eine gesteigerte Aerosolbildung bewirkt.
4.2.8 Verzinken - sauer
Klassische saure Zinkelektrolyte beruhen auf Sulfat- oder Chloridbasis. Stark saure Elektrolyte (pH < 3) werden vor allem für einfache Geometrien (Draht, Rohr, Band) eingesetzt. Schwach saure Elektrolyte (pH > 3) enthalten zur Verbesserung von Streuung und Leitfähigkeit häufig Ammoniumsalze. Die Stromausbeute liegt bei 98 bis 100 %; eine Gasentwicklung ist vernachlässigbar. Die Zinkkonzentrationen liegen in stark sauren Elektrolyten bei 140 bis 190 g/l, in schwach sauren dagegen bei 15 bis 45 g/l. Die Elektrolyttemperatur beträgt ca. 30 bis 35 °C. Mit einer relevanten Gefahrstoffexposition am Arbeitsplatz ist nicht zu rechnen.
4.2.9 Verzinken, alkalisch
Die alkalischen, cyanidfreien Verfahren gewinnen immer mehr an Bedeutung. Diese basieren auf der Bildung des Zinkhydroxokomplexes und können praktisch ohne weitere Zugabe von Komplexbildnern bei Raumtemperatur betrieben werden. Der Wirkungsgrad dieser Verfahren liegt deutlich unter 100 % (teilweise < 60 %), damit ist von einer relevanten Gasbildung auszugehen. In größerem Umfang werden auch sog. Legierungsverfahren eingesetzt. In diesen Lösungen liegt das Zink ebenfalls als Hydroxokomplex vor. Die abzuscheidenden Metalle werden den Elektrolyten in Form spezieller organischer Komplexbildner zugegeben.
Aufgrund der Wasserstoffentwicklung ist mit dem Entstehen einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre und einer relevanten Gefahrstoffbelastung am Arbeitsplatz zu rechnen.
4.2.10 Veredeln mit Gold und Silber
Die elektrolytische Abscheidung von Goldüberzügen kann aus cyanidischen und seltener sulfitischen Systemen erfolgen. Bei der cyanidischen Abscheidung wird als Goldelektrolyt ein Gold-Cyanid-Komplex eingesetzt, bei der sulfitischen Abscheidung ein Gold-Sulfit-Komplex. Bei der cyanidischen Abscheidung ist der Elektrolyt alkalisch, bei der sulfitischen Abscheidung sauer. Bei der Abscheidung aus alkalischen Lösungen liegen die Temperaturen zwischen 45 und 70 °C, bei den schwach sauren bis stark sauren Elektrolyten um 35 bis 40 °C. Die Abscheidung von Silberüberzügen erfolgt in der Hauptsache aus cyanidhaltigen, alkalischen Elektrolyten bei Raumtemperatur.
Beim elektrolytischen Vergolden und Versilbern ist mit dem Entweichen cyanidhaltiger bzw. cyanwasserstoffhaltiger Emissionen zu rechnen.
4.2.11 Verzinnen - sauer und alkalisch
Für das elektrolytische Verzinnen werden generell zwei Arten von Elektrolyten eingesetzt. Schwefelsaure Elektrolyte mit zweiwertigen Zinnverbindungen (Sulfate oder Fluoroborate) und alkalische Elektrolyte mit vierwertigen Zinnverbindungen (Natrium- und Kaliumstannate). Die sauren Elektrolyte werden bei 20 bis 40 °C mit Stromausbeuten um 100 % betrieben, alkalische Elektrolyte bei 75 bis 85 °C mit Stromausbeuten von 75 % bis 95 %.
Auf chemischem Wege (ohne Strom) lassen sich nur sehr dünne Zinnüberzüge herstellen, die auch wenig beständig gegen aggressive Medien sind. Hierzu wird Zinnchlorid in Weinstein (Kaliumhydrogentartrat) bei Siedetemperatur (Sudverzinnen) eingesetzt. Beim Einsatz alkalischer Elektrolyte ist mit relevanten Gefahrstoffemissionen am Arbeitsplatz zu rechnen.
4.2.12 Eloxieren
Als Eloxieren wird die anodische Oxidation von Aluminium bezeichnet. Je nach Verfahren werden mehr oder weniger dicke, verschleißfeste Oxid-schichten erzielt. Beim Eloxieren wird unterschieden zwischen dem Schwefelsäure- und dem Oxalsäureverfahren, die in der Regel mit Gleichstrom, seltener mit Wechselstrom betrieben werden.
Aufgrund des geringen Wirkungsgrades (teilweise < 20 %) ist mit einer relevanten Gasbildung zu rechnen.
Schwefelsäureverfahren (Gleichstrom)
Die Elektrolyte enthalten 170 bis 230 g/l Schwefelsäure. Die Elektrolyttemperatur beträgt 4 bis 22 °C. Es kommen Stromdichten von 0,5 bis 2,5 A/dm2 zur Anwendung. An der Kathode werden erhebliche Mengen Wasserstoff freigesetzt, es findet eine Schwefelsäure-Aerosolbildung über die gesamte Elektrolytoberfläche statt.
Oxalsäureverfahren (Gleichstrom)
Die Elektrolyte enthalten bis 80 g/l Oxalsäure. Die Elektrolyttemperatur beträgt 20 bis 60 °C. Es kommen Stromdichten von 1 bis 2 A/dm2 zur Anwendung. An der Kathode werden erhebliche Mengen Wasserstoff freigesetzt, es findet eine Oxalsäure-Aerosolbildung über die gesamte Elektrolytoberfläche statt.