Die Hartverchromung ist seit mehr als sechs Jahrzehnten die bevorzugte Lösung für Hersteller in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Die Gesundheits- und Umweltbedenken, die mit dieser häufig verwendeten Abscheidungen verbunden sind, sind jedoch bekannt, und da die Gesetzgebung in Europa der Hartverchromung ein Ende setzt, müssen Ingenieure und Bauleiter über Alternativen nachdenken.

Danijela Milosevic-Popovich, unsere Forschungs- und Entwicklungsleiterin bei SIFCO ASC, untersucht mögliche Alternativen zur Hartverchromung.

Für Hersteller, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie tätig sind, liegen die Vorteile der Hartverchromung klar auf der Hand. Die Hartverchromung ist sowohl für das Militär als auch für die Luft- und Raumfahrt in Bezug auf Herstellung und Wartung von entscheidender Bedeutung. Sie sorgt für verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberflächen für wichtige Ausrüstungen, von Hydraulikkolbenstangen und Propellernaben bis hin zu Fahrwerken, Getriebewellen und Geschützrohren.

Die Gefahren von sechswertigem Chrom

Trotz ihrer vielen Vorteile hat die Hartverchromung jedoch einen großen Nachteil: die Verwendung von sechswertigem Chrom. Als eines der berüchtigten vier Cs – zusammen mit Cadmium, Cyanid und chlorierten Lösungsmitteln – ist sechswertiges Chrom ein bekanntes Karzinogen, das Schäden an wichtigen Organen wie Herz, Lunge und Nieren verursacht.

Die Exposition gegenüber sechswertigem Chrom kann in jeder Phase des Beschichtungsprozesses auftreten und erfordert eine langwierige Vorbereitung und anschließende Reinigung. Diese Tatsache und die Entstehung von giftigen Abfällen während des Beschichtungsprozesses haben dazu geführt, dass die Verwendung dieses Materials grundlegend überdacht wurde.

Die Gesetzgebung treibt diese Agenda voran, insbesondere in der EU (Europäische Union) – wo die Verwendung von sechswertigem Chrom in elektronischen Geräten durch die Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe und die EU-Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe verboten ist.

Darüber hinaus wurde die europäische Richtlinie REACH mit dem Ziel eingeführt, die menschliche Gesundheit und die Umwelt vor gefährlichen Chemikalien zu schützen. Obwohl die Richtlinie nur für Chemikalien gilt, die in der EU hergestellt oder in die EU eingeführt werden, hat sie weiterreichende Auswirkungen.

Da die Luft- und Raumfahrtindustrie beginnt, sich dem globalen Trend zu nachhaltigeren Produkten anzupassen, suchen immer mehr Hersteller nach einer Alternative zur Hartverchromung.

Die Dominanz der Hartverchromung in Frage stellen

Bei der Suche nach einem Ersatz für Hartchrom liegt das Problem in den Vorteilen, die die Hartverchromung für die Luft- und Raumfahrtindustrie bietet. Es hält extrem hohen Temperaturen stand, hat eine ausgezeichnete Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und bietet in Verbindung mit Härtegraden von 700-1.000 HV eine hervorragende Oberflächengüte für eine Vielzahl von Anwendungen. Mit all diesen Eigenschaften ist es eine Herausforderung, eine alternative Lösung zu finden, die alle Bereiche abdeckt.

Darüber hinaus verleitet die Dominanz der Hartverchromung viele Menschen dazu, ihre Grenzen zu ignorieren, einschließlich der Tatsache, dass es sich um ein relativ langsames Verfahren handelt, während die Art der Beschichtung zu inneren Spannungen und Eigenspannungen führen kann, die eine schlechte Haftung oder die Bildung von Mikrorissen zur Folge haben können. Die Verchromung ist jedoch ein universeller “One-Stop-Shop” und ist zur Standardoption für die Luft- und Raumfahrtindustrie geworden. Das heißt aber nicht, dass es keine anderen Möglichkeiten gibt.

Ein breites Spektrum an neuen Technologien

Die Hersteller können aus einer breiten Palette von Technologien wählen, bei denen kein sechswertiges Chrom verwendet wird. Dazu gehören verschiedene Sprühtechniken wie thermisches Spritzen, PVD und CVD, die jedoch eine hohe Temperatur, ein hohes Vakuum oder einen hohen Schmelzpunkt des Substrats erfordern. Es gibt auch eine neue Art von Superstählen. Beide haben zwar Vorteile, aber auch Nachteile, wie z. B. im Falle der neuen Legierungen die Tatsache, dass sie kostspielig sind und sich noch nicht bewährt haben.

Daher kann es schwierig sein, die richtige Wahl zu treffen. Hinzu kommt, dass die Luft- und Raumfahrtindustrie in der Regel sehr vorsichtig ist. Jede Veränderung – insbesondere in dieser Größenordnung – ist mit einem hohen Risiko verbunden. Insbesondere bei den für die Luft- und Raumfahrtindustrie hergestellten Bauteilen sind viele darauf ausgelegt, mehrere Jahrzehnte lang ohne Wartung zu funktionieren, so dass ihre Langlebigkeit gewährleistet sein muss. Im Verteidigungssektor, wo Hartchrombeschichtungen in großem Umfang zum Schutz missionskritischer Ausrüstung eingesetzt werden, steht sogar noch mehr auf dem Spiel. Ganz einfach, keine dieser Alternativen bietet die universelle Anziehungskraft einer Hartverchromung. Im Zuge der Umstellung der Industrie auf eine umweltfreundlichere Zukunft gibt es jedoch noch eine weitere Lösung, die nachweislich eine Vielzahl von Vorteilen bei verschiedenen Anwendungen bietet: Nickel-Wolfram, das eine praktikable Alternative zur herkömmlichen Beschichtung der Industrie darstellen kann.

Die Vorteile von Nickel-Wolfram-Lagerstätten

Nickel-Wolfram hat eine Reihe von Eigenschaften, die mit denen von Hartchrom vergleichbar sind, darunter Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Härte, selbst bei hohen Temperaturen. Außerdem ist es ungiftig, was es zu einer echten Alternative macht. Darüber hinaus ist es bereits in verschiedenen Industrienormen spezifiziert, wie AMS2451C, MIL-STD-2197 A (SH) und MIL-STD-865D. Diese einzigartigen Eigenschaften haben dazu geführt, dass es in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird, seit die Hersteller nach einer umweltfreundlicheren Methode zum Schutz von Bauteilen vor den anspruchsvollen Bedingungen in der Industrie suchen.

Nickel-Wolfram in der selektiven Beschichtung

Die Anwendung von Nickel-Wolfram folgt dem Prinzip der selektiven Beschichtung – ein von SIFCO ASC entwickeltes Verfahren zur galvanischen Beschichtung lokal begrenzter Bereiche ohne Verwendung eines Tauchbeckens. Es bietet hohe Härtegrade (660-690 HV, wie plattiert) zusammen mit ausgezeichnetem Verschleißverhalten (zehnmal geringere Gleitverschleißrate als Hartchrom). Außerdem ist aufgrund der geringeren Oberflächenrauhigkeit weniger Nacharbeit erforderlich als bei Hartchromablagerungen.

Mit der Notwendigkeit, eine bewährte Lösung zu implementieren und dabei einem vertrauten Anwendungsverfahren zu folgen, können mit Nickel-Wolfram in vielen Anwendungen vergleichbare – und manchmal sogar bessere – Ergebnisse als mit Hartverchromung erzielt werden.

Selektive Beschichtungslösungen für spezifische Anwendungen finden

Es gibt viele Alternativen zum Verchromen, aber keine ist so universell einsetzbar. Dies zwingt die Branche zu einem Umdenken. Anstatt nach einem direkten und vollständigen Ersatz für alle Anwendungen zu streben, ist es vielleicht besser, Lösungen zu finden, die für bestimmte Anwendungen Ergebnisse liefern. So kann ein Teil beispielsweise die Verschleißeigenschaften einer Verchromung erfordern, nicht aber deren Härte oder Korrosionsbeständigkeit. Ebenso hat die Hartverchromung in der Regel einen höheren Reibungskoeffizienten als Nickel-Wolfram, was sie für bestimmte Bauteile weniger geeignet macht. Anstelle von “einer für alle” ist es also an der Zeit, über “viele für bestimmte” nachzudenken.
NiW auf gekerbtem Stab mit Cu-Vorplatte 4

Die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit Metallmatrix

In jüngster Zeit wurden Verfahren entwickelt und Verarbeitungsfaktoren für Chromalternativen in Form von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) ermittelt. MMC-Beschichtungen werden durch Materialien definiert, die aus mindestens zwei Bestandteilen bestehen. Sie bestehen aus zwei Phasen: einer duktilen metallischen Matrix, die sich aus den in der Lösung gelösten Ionen abscheidet, und einer dispergierten Phase, die aus den mitabgeschiedenen Partikeln besteht.

MMCs wie Kobalt-Chrom-Karbid, Nickel-Wolfram-Karbid und Nickel-Chrom-Karbid können einzigartige und überlegene Eigenschaften gegenüber Metallbeschichtungslösungen bieten, einschließlich Härte, Verschleißfestigkeit und Oxidationsschutz bei hohen Temperaturen. Mit der richtigen Kombination von Werkstoffen lassen sich die Eigenschaften über die Möglichkeiten von reinen Metallen und Legierungen hinaus anpassen.

Es besteht jedoch ein Bedarf an einer Alternative zur Hartverchromung, die eine ähnlich große Anziehungskraft hat. Die Lösung liegt in der Bürstenbeschichtung mit Nickel-Wolfram. Mit einer breiten Palette von Abscheidungseigenschaften, die eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen erfüllen können, und mit ausgezeichneter Kohäsion und Adhäsion zum Grundmaterial ist es in den meisten Aspekten der Hartverchromung gleichwertig oder überlegen – und in vielen überlegen. Der vielleicht größte Vorteil ist jedoch die Tatsache, dass es sicher und verfügbar ist und sich in der Luft- und Raumfahrt bewährt hat.