Projekt 26853/01

Aluminiumabscheidung aus ionischen Flüssigkeiten auf Massenkleinteilen

Projektdurchführung

Dörken MKS-Systeme GmbH & Co. KG
Wetterstr. 58
58313 Herdecke

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des Projektes war die Aluminiumabscheidung aus umweltschonenden Ionischen Flüssigkeiten auf Automobilkleinteilen aus Hoch- und Höchstfeststählen, wie z. B. Schrauben oder Federbandschellen. Die Aluminiumschutzschicht sollte einen Korrosionsschutz nach strenger Automobilnorm gewährleisten. Ziel des Projektes war es, die Technologie der Aluminiumabscheidung aus Ionischen Flüssigkeiten auf Massenkleinteilen von dem Labormaßstab in den industriellen Maßstab zu übertragen.
Hauptaufgabe war die Entwicklung und Optimierung der Vorbehandlungs- und Beschichtungsbedingungen unter den Aspekten von optimalen Funktionsschichten, möglichst geringer Umweltbelastung und Wirtschaftlichkeit.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie detaillierte Projektplanung sah eine schnelle Übertragung des Abscheideverfahrens im Labormaßstab vom Karosseriestahl auf die hochfesten Stähle vor. Direkt im Anschluss sollte als Zwischenschritt ein Verfahren zur Aluminiumabscheidung aus Ionischen Flüssigkeiten im Gestellverfahren entwickelt werden. Ziel war es hier, 10 Schrauben gleichzeitig zu beschichten, um statistisch aussagekräftige Werte zur Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung zu generieren.
Das Hauptaugenmerk sollte jedoch auf der Entwicklung eines Trommelbeschichtungsverfahrens liegen, welches es den Projektteilnehmern ermöglichen sollte, Teile im kg-Maßstab im Schüttgutprozeß gleichzeitig zu beschichten. Das Gesamtprojektziel war die Machbarkeit eines Pilotprozesses im Technikumsmaßstab. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Erzielung einer guten Haftung auf den ausgewählten Substraten wurde der Projektschwerpunkt im Laufe des Projektes auf die Vorbehandlung gelegt. Das Ziel der Beschichtung im Massenschüttgutverfahren wurde auf niedrigere Priorität gesetzt.
In Abhängigkeit der verschiedenen Vorbehandlungsmethoden wurden unterschiedliche Schichteigenschaften überprüft, vornehmlich jedoch die anwendungstechnisch relevanten wie Haftung, Morphologie und Porosität sowie Korrosionsbeständigkeit.
Parallel zu diesen Arbeiten wurden verschiedene Systeme der EVONIK im Hinblick auf die Aluminiumabscheidung untersucht.
Die Abscheidung von Aluminium ist in allen untersuchten Flüssigkeiten möglich. Allerdings zeigte sich, dass die Abscheidung durchaus unterschiedliche Ergebnisse zur Folge hat. Wir haben sowohl glänzende Aluminiumschichten erhalten als auch kaum haftende schwarze Deposite. Eine eindeutige Systematik ist gegenwärtig zwar noch nicht erkennbar, jedoch darf zweifelsfrei gefolgert werden, dass die von der EVONIK zur Verfügung gestellten Flüssigkeiten eine Aluminiumabscheidung ermöglichen. Eine der untersuchten Flüssigkeiten (1-(2-methoxyethyl)-3-methylimidazolium chloride ([MoeMIm]Cl]) haben wir im Hinblick auf die Aluminiumabscheidung genauer untersucht. Erstaunlicherweise wurde hierbei nanokristallines Aluminium erhalten.

Um eine aussagekräftige Einschätzung über die Umweltauswirkungen des neuen Prozesses zu erzielen, wurde unter anderem eine Ökobilanz für den zu erwartenden Prozess erstellt.
Verglichen wurde der potentielle Abscheideprozess des Aluminiums mit einem wässrigen Galvanikprozess zur Abscheidung eines Zink-Nickel-Films. Wir haben zum Vergleich bewusst diesen wässrigen Prozess herangezogen, um eine realistische Betrachtung der Abscheidetechnologie aus Ionischen Flüssigkeiten zu bekommen.
Ergebnis war, dass das Isopropanol aus dem Spülprozess deutlich die Ergebnisse beeinflusst. Zusätzlich zeigt das EMImCl beim Treibhauseffekt eine signifikante Wirkung.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse des Projektes sind zum Teil vielversprechend, besonders die Überlegungen zum Einsatz alternativer Ionischer Flüssigkeiten zur Abscheidung haben viel Entwicklungspotential gezeigt.
Die vorliegenden Ergebnisse deuten alle darauf hin, dass die abgeschiedene Aluminiumschicht hochreaktiv ist.
Eine Korrosionsstandzeit von etwa 300 Stunden hat sich mit einer 30µm dicken Aluminiumschicht mehrfach reproduzieren lassen. Kocht man die neu entstandene Aluminiumschicht eine Stunde in Wasser werden verbesserte, aber bislang nicht zuverlässig quantifizierbar erhöhte Standzeiten erreicht.
Eine drastische Erhöhung der Aluminiumschichtdicke auf über 50µm würde die Korrosionsstandzeit erhöhen. Die Funktion der Teile wäre dann allerdings aufgrund der Toleranzgrenzen der Abmessungen/ Gewindegeometrien eingeschränkt.
Mit geeigneten Vorbehandlungsmethoden können die Standzeiten im SST signifikant erhöht werden.
Die Erarbeitung eines großtechnischen und wirtschaftlich tragbaren Prozesses hat sich als Herausforderung erwiesen, so dass noch weiterer Entwicklungsbedarf auf diesem Gebiet besteht.
Die Vorbehandlung ist noch immer nicht zufriedenstellend gelöst und stellt eine der Hürden auf dem Weg zur großtechnischen Machbarkeit dar. Die Projektziele, die zum Thema Abscheidevorgang gesetzt waren, sind in Bezug auf die Abscheidemöglichkeit im Gestellverfahren erreicht worden, die grundsätzliche Machbarkeit ist nachgewiesen. Es waren jedoch recht lange Beschichtungszeiten von ca. zwei Stunden notwendig. Zusätzlich sind verschiedene Prozessparameter noch nicht geklärt und müssen weiter untersucht und dann optimiert werden. In Langzeittests muss noch überprüft werden, ob sich einzelne Legierungsbestandteile der Schraubenstähle in dem Beschichtungsbad anreichern. Besonderes Augenmerk sollte hier auf eine Anreicherung von Chrom gelegt werden als mögliches Badgift. Auch über die Standzeit eines Beschichtungsbades im Dauerbetrieb können heute noch keine Aussagen getroffen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Projektes wurden 2 wissenschaftliche Veröffentlichungen in Fachzeitschriften publiziert:

S. Zein El Abedin, P. Giridhar, P. Schwab, F. Endres, Electrochemistry Communications, Electrodeposition of nanocrystalline aluminium from a chloroaluminate ionic liquid, 2010, 1084-1086

F. Endres, CHEMIE INGENIEUR TECHNIK, Ionische Flüssigkeiten in der elektrochemischen Abscheidung - Potenzial und Herausforderungen, Volume: 83 Issue: 9, Special Issue: SI Pages: 1485-1492


Fazit

Wie die Ökobilanz gezeigt hat, sollte bei weiteren Entwicklungen ein Fokus auf den Spülvorgang und den Einsatz von Lösemitteln bzw. deren Vermeidung gesetzt werden.
Im Labormaßstab konnte gezeigt werden, dass eine Spülkaskade mit Dicyanamid-ILs eine Alternative darstellt. Hierbei wird an dieser Stelle nicht weiter auf die wirtschaftliche Umsetzbarkeit einer solchen Spülkaskade eingegangen werden. Bezüglich der Anschaffungskosten und der vermutlichen Lebensdauer der ILs in einer solchen Spülkaskade kann heute - ohne großtechnische Versuche zur Standzeit unter Dauerbelastung - keine Aussage getroffen werden. Dies gilt ebenso für die Ergebnisse einer Ökobilanz. Der Verbrauch Ionischer Flüssigkeiten im Prozess schlägt sich deutlich auf die Ökobilanz nieder und bringt ein grünes System schnell zum kippen.
Des Weiteren müssen die Rückgewinnung der IL aus dem Prozess und das abschließende Wiederaufbereiten des Bades zur erneuten Nutzung im Fokus stehen.
Für eine bessere Filmqualität ist es ebenso unumgänglich, sich weiter mit der Zusammensetzung des Beschichtungsbades zu beschäftigen. Für eine optimale Performance der Aluminiumschicht muss eine dichte und homogene Aluminiumschicht abgeschiedenen werden.
Die Nachbehandlung und Überbeschichtung der Aluminiumschicht bedarf ebenso einer weiteren Untersuchung. Wichtig ist hier, den Fokus auf ein lösemittelfreies Verfahren zu legen.
All diese Untersuchungen setzen jedoch voraus, dass ein prozesssicheres Vorbehandlungsverfahren gefunden wird, mit dem es möglich ist, Stahl bis zur Festigkeitsklasse 12.9 so vorzubereiten, dass haftfest Aluminium abgeschieden werden kann.
Den Ansatz, der im Projekt gefunden wurde, ist vielversprechend. Doch auch hier ist die Umsetzung im Labor noch weit von einer praxisnahen Anwendung entfernt. Viele Probleme, die durch die örtlichen Gegebenheiten in den Laboren bedingt sind, würden sich in einer Prototypanlage nicht finden. So gäbe es z. B. zwischen den einzelnen Vorbehandlungsschritten keinen erneuten Sauerstoffkontakt. Trotzdem kann heute nicht mit Gewissheit prognostiziert werden, dass die Vorbehandlung dann reibungslos funktioniert.
Auch die Frage nach Versprödung der hochfesten Teile durch die intensive Plasmabehandlung und insbesondere der Einfluss einer solch ausgiebigen Vorbehandlung auf die Ökobilanz sind noch nicht untersucht worden.
Ziel muss es bleiben, einen Prozess zu entwickeln, der ohne jeglichen Einsatz von Lösungsmitteln bleibt und der wirtschaftlich umsetzbar ist, so dass der Einsatz nicht nur in Nischenbereichen möglich ist.