Chromfreies Einfärben von Edelstahlbauteilen
Projektdurchführung
Henkel Beiz- und Elektropoliertechnik
GmbH & Co. KG
An der Autobahn 12
19306 Neustadt-Glewe
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Der konventionelle technische Prozess (INCO-Verfahren) zum Einfärben von Edelstahlbauteilen besteht im Wesentlichen aus den zwei Prozessschritten, Eintauchprozess in heißer schwefelsäure-/chromsäure-haltiger Lösung und anschließender elektrolytischer Behandlung (Härtung). Für diesen Prozess sind vor allem nichtrostende Chromnickelstähle und Chromstähle geeignet. Oxidschichten können auf Edelstahloberflächen formal durch verschiedene Techniken erzeugt werden. Unter diesen verschiedenen Verfahren hat sich jedoch die chemische Oxidation in der Industrie durchgesetzt (? INCO-Prozess).
In der betrieblichen Praxis sind stark saure chromathaltige Lösungen schwierig zu handhaben, da diese toxische Chrom(VI)-Ionen enthalten. Daher muss in diesen Betrieben dem Arbeits- und Umweltschutz eine sehr hohe Beachtung beigemessen werden. Zusätzlich fallen seit 2013 Cr(VI)-Verbindungen unter die REACH-Verordnung. Alle Anwender von Cr(VI)-Verbindungen durften diese ohne Zulassung nur noch bis zum 21.09.2017 benutzt werden. Dies ist für Betriebe aus dem Bereich Oberflächentechnik, sowie für deren Kunden aus betriebswirtschaftlicher Sicht und langfristig gesehen, aufwendig, teuer und technisch mit hohen Aufwendungen verbunden. Ein technische Alternative für diese Betriebe wäre es, wenn zum Einfärben chromsäurefreie Prozesslösungen zur Verfügung stünden, die eine gleichwertige Oberflächen-vergütung gewährleisten könnten.
Ziel des geplanten Projektes war es, einen innovativen und umweltfreundlichen chromfreien Prozess zum Einfärben von Edelstahl zu entwickeln. Dies sollte durch Anwendung spezieller Stromformen (z. B. Pulsstrom oder Spannungspulsen) während des elektrolytischen Prozesses in chromsäurefreier Lösung erreicht werden. Zudem sollten die relevanten technischen Prozessparameter zur reproduzierbaren Herstellung von verschiedenen Farben auf Referenzmaterial identifiziert werden. In Materialunter-suchungen sollten die Eigenschaften der hergestellten farbigen Oxidschichten unter praxisrelevanten Gesichtspunkten geprüft und im Vergleich zum etablierten Färbeprozess (INCO-Prozess) charakterisiert werden.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes wurden die folgenden Arbeitspakete (AP) entsprechend dem Arbeits- und Zeitplan bearbeitet:
AP 1: Erstellung eines gemeinsamen Arbeitsplanes zwischen den Projektpartnern.
AP 2: Ausarbeitung der relevanten Prozessparameter.
AP 3: Optimierung des Prozesses für die Herstellung reproduzierbarer Farbtöne auf dem vorgegebenen Referenzmaterial (Werkstoff 1.4301).
AP 4: Untersuchung des Einflusses der Probenausgangsqualität auf Farbton- und Schichtqualität.
AP 5: Werkstofftechnische Charakterisierung der hergestellten Farbschichten
AP 6: Analytische Bestimmung des Metallgehaltes im Grundelektrolyten. Abschätzung der Metallanreicherung an Chrom-Ionen in Abhängigkeit der Einsatzzeit der Elektrolytlösungen.
AP 7: Reproduzierbares Einfärben von Probenblechen des Referenzmaterials Edelstahl 1.4301 mit zuvor definierten Farbtönen, wie z.B. braun oder gold (? Meilenstein).
Ergebnisse und Diskussion
Die anvisierten Projektziele wurden entsprechend dem Arbeits- und Zeitplan von den beiden Projektpartnern Firma Henkel und fem vollständig erreicht.
Die Ergebnisse der durchgeführten Versuchsreihen und Materialuntersuchungen zeigten, dass mit einem einfachen schwefelsäurehaltigen Elektrolyten (ohne Zusatz an Chromtrioxid) unter gleichzeitiger Anwendung von speziellen Strompulsen oder Spannungspulsen die Materialoberfläche von Edelstählen (1.4301 und 1.4404) elektrolytisch eingefärbt werden kann.
Im Rahmen des Projektes konnten verschiedene Farbtöne (braun, dunkelbraun, stahlgrau-blau, gold, rot-violett, lindgrün) mit vergleichsweise guter Reproduzierbarkeit und teils mit sehr guter Haftfestigkeit und Druckfestigkeit auf den Probenblechen erzeugt werden.
Die besten Ergebnisse wurden in 5 molarer Schwefelsäurelösung, einer Badtemperatur von 30°C, leich-ter Badrührung und Anwendung von Spannungspulsen erzielt (in 3-Elektrodenanordnung mit einer Bezugselektrode).
Eine Farbtondrift kann generell erreicht werden, wenn die Badtemperatur erhöht wird, die Säurekonzentration erniedrigt oder die Pulsparameter Frequenz oder Einzelpulszeitdauer verändert werden.
Die Fremdmetallanreicherung (Cr, Fe, Ni) der Elektrolytlösungen während des Einfärbens (Anodisation) der Proben entspricht konventioneller Elektrolytlösungen. Ein gewisser Grad an Metallanreicherung im Grundelektrolyten ist für eine stabile Anodisation der Proben sogar erwünscht. In gebrauchten Elektrolytlösungen aus den Technikumsversuchen konnten keine umweltrelevanten Gehalte an Chrom(VI)-Ionen nachgewiesen werden.
Unter praxisnahen Bedingungen konnten bei der Firma Henkel verschiedene Farbtöne (z. B. die Farbtöne dunkelbraun und gold) auf Edelstahlblechen in mehreren Kleinserien von jeweils 5 Proben dargestellt werden. Allerdings gibt es bei der Anwendungsvariante mit Strompulsen (unter praktischen Gesichtspunkten bevorzugt) beim gleichzeitigen Färben von mehreren Blechen teils leichte Farbtonunterschiede zwischen benachbarten Probenblechen oder zwischen Vorder- und Rückseite eines Probenbleches, deren Ursache im Rahmen dieses Projektes noch nicht ermittelt bzw. behoben werden konnten.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
- Vortrag zum Projektvorhaben abgehalten während eines fem-Freitagseminars (09.12.2016)
- Es ist eine Veröffentlichung für das Jahrbuch Oberflächentechnik 2018 (Leuze Verlag) eingereicht.
- Am 20.09.2018 wurde ein Vortrag an den ZVO Oberflächentage 2018 in Leipzig abgehalten.
Fazit
Mit dem neuen elektrolytischen Färbeverfahren ist ein Einfärben von Edelstählen vom Werkstofftyp 1.4301 und 1.4404 in Chrom(VI)-freier Prozesslösung möglich.
Für eine mögliche zukünftige betriebliche Anwendung des neu entwickelten elektrolytischen Färbeverfahrens muss in weiteren betriebsnahen Untersuchungen abgeklärt werden, ob das elektrolytische Verfahren mittels Spannungspulsen (3-Elektrodenanordnung mit separater Bezugselektrode im Elektrolytsystem) unter Berücksichtigung von Faktoren, die sich aus Kosten-, Anlagentechnik- und Qualitätsgründen ergeben können, das stabilere und technisch besser umsetzbare Verfahren im Vergleich zur Verfahrensvariante mittels Strompulsen darstellen würde.