Galvanische Oberflächenbearbeitung

Die klassische Glanzverchromung im Schicht­system Kupfer-Nickel-Chrom bietet neben dem zeit­losen deko­rativen Aspekt auch eine hohe Beständig­keit gegen Verschleiß und Korrosion. Durch ent­sprechende mechanische Vor­behandlung (Schleifen, Polieren, Glas­perl­strahlen) lassen sich spiegel­glänzende aber auch dekorative matte Ober­flächen mit ver­schiedenen Glanzgraden und Struk­turen erzeugen.

Zinnoberflächen bewähren sich im Bereich der Elektrotechnik und Elektronik besonders durch gute Leitfähigkeit und Lötbarkeit.

Die Oberflächen mit höchster Wertigkeit stellen Beschichtungen mit den Edelmetallen Gold und Platin dar. Sie vereinen höchste Beständigkeit gegen Anlaufen und chemischen Angriff. Neben rein technischer Anwendung finden Sie besonders im repräsentativen Bereich Interesse. Edelmetall-Beschichtungen können von matten oder strukturierten bis hin zu hochglänzenden Oberflächen eingesetzt werden.

  • Die Silber-Beschichtung wird als dekorative und dekorativ-funktionelle Schicht angewandt. Versilberte Oberflächen haben eine wesentlich bessere Reflektionsstärke als verchromte Flächen.
  • Die Gold-Beschichtung erzeugt dekorative Goldschichten hoher Reinheit (24 kt) in Stärken von 0,1 bis max. 5 µm.
  • Die Platin-Beschichtung ergänzt die außerordentlichen Eigenschaften der Edelmetalle noch um Härte und Verschleißfestigkeit.

Beim Brünieren wird auf der Stahl­ober­fläche eine dichte, schwarze und festhaftende glänzende Eisen­oxid­schicht erzeugt. Dieses geschieht durch Tauchen in eine ca. 140 Grad heiße Natrium­hydroxid­lösung und Oxidationsmitteln. Durch anschließendes Tauchen in Öl wird das Glänzen der tiefschwarzen Metall­oberfläche noch hervorgehoben und ein an­sprechender Korrosionsschutz erreicht.

Höchste Anforderungen an ver­schleiß­arme, dekorative und tief­schwarze Oberflächen erfüllt die Schwarz­ver­chromung. Die maximale Reflexions­armut und Absorbtionsfähigkeit macht Schwarz­chrom z. B. für die Optik, Foto­technik, Lasertechnik und Solartechnik interessant. Es lassen sich ähnliche Oberflächenstrukturen erzeugen wie beim Glanz­verchromen von mattierten, gestrahlten oder mit Schleif­strich strukturierten Flächen bis zum Hochglanz.

Gutes und preiswertes Korrosionsschutzverfahren mit einer ansprechenden dekorativen Wirkung für alle Stahlteile. Um den Korrosionsschutz zu erhöhen und eine optisch bessere Metalloberfläche zu erreichen, wird die Ware nach dem Verzinken chromatiert (blau, farblos, gelb oder schwarz). Dabei geht der Trend zu den RoHS-konformen Chrom-VI-freien Chromatierungen, die heute bereits im Bereich der Blauchromatierung realisiert werden.

Beim Phosphatieren bildet sich auf der Metalloberfläche eine Phosphatschicht. Diese besteht aus einer feinen, kristallinen Salzschicht aus Metallphosphaten und ist mit dem Metall fest verbunden. Eine Phosphatschicht kann für eine spätere Beschichtung, z. B. Pulverbeschichten, als Vorbehandlung eingesetzt werden. Durch Tauchen in Öl oder Fett wird der Korrosionsschutz erheblich verbessert, und die phosphatierten Stahlteile erhalten gute Gleiteigenschaften.

Lackbeschichtung

Dabei wird Pulverlack elektrostatisch aufgeladen und auf die Werkstücke gesprüht, wo er sich abscheidet und haftet. In einem Einbrennofen wird der Pulverlack dann bei Temperaturen um 200 Grad eingebrannt, wobei er zu einem gleichmäßigen Film ver­schmilzt. Die Vorteile dieses umweltfreundlichen Verfahrens sind:

  • individuelle Farbgebung in RAL- oder Sonderfarben
  • hoher Korrosionsschutz auch bei sehr hohen Temperaturen
  • sehr gute mechanische Eigenschaften (schlagfest)

Hierbei wird ein Werkstück in den Lack eingetaucht. Bei der Elektrotauchlackierung wird in eine Lacklösung mit geeigneten Filmbildnern ein elektrisches Feld von 50 - 300 V angelegt und das Werkstück als Erdung verbunden. Die Elektrotauchlackierung wurde von Ford als anodische Tauchlackierung zur Herstellung einer Schutzlackierung für Autos entwickelt und findet heute als kathodische Tauchlackierung in der gesamten Automobilindustrie Anwendung.

Der nach dem Prinzip des indirekten Tiefdrucks arbeitende Tampondruck hat sich zu einem der wichtigsten Verfahren zum Bedrucken entwickelt. Ein Druckklischee trägt in seiner Oberfläche das zu druckende, tiefer liegende Druckbild. Eine Rakel verteilt die Druckfarbe im tiefer liegenden Druckbild und säubert die restliche Oberfläche des Klischees. 

Nach dem Rakeln fährt ein elastischer Drucktampon über das Klischee und nimmt über eine Hubbewegung die zurückgebliebene Farbe auf, um diese dann auf das Teil zu übertragen, also indirekt zu drucken. 

Der Tampon aus Silikon nimmt aufgrund der Elastizität die Form des Teiles an. Damit ist es im Gegensatz zum Siebdruck möglich, auch auf konvex oder konkav gewölbten Flächen einfarbig oder mehrfarbig zu drucken.

Die häufigsten Auftragungsarten in der Lackindustrie sind Sprühen und Spritzen. Zum Aufsprühen werden Druckzerstäuber benutzt, die den Lack mittels eines Kompressors im Niederdruck (0,5 - 1 bar), Hochdruck (4 - 8 bar) oder Airless-Spritzen (60 - 350 bar) auftragen.

Der nach dem Prinzip des Durchdrucks arbeitende Siebdruck hat sich neben dem Tampondruck zu einem der wichtigsten Verfahren zum Bedrucken entwickelt. Die Druckform ist ein auf einen stabilen Aluminiumrahmen gespanntes Gewebe. Auf diesem Gewebe ist eine Schablone mit farb­un­durch­lässigen und farbdurchlässigen Stellen entsprechend dem Druckmotiv aufgebracht. Der Farbauftrag beim Siebdruck ist 5 bis 10 mal so dick wie bei anderen Druckverfahren. Er eignet sich daher besonders für hochwertige Teile.

Mit einer Flutrakel wird die Farbe über die Schablone gezogen, um die farbdurchlässigen Stellen mit Farbe zu füllen. Dann wird die Druckform über dem Teil in Druck­position gebracht, ohne dass zwischen dem Drucksieb und dem Kunststoffteil ein direkter Kontakt entsteht (Absprung, Druckformdistanz). Nun wird die Farbe durch eine Ziehbewegung der Druckrakel durch das Gewebe gedrückt und das Drucksieb bekommt nur an der Rakelkante Kontakt mit dem Teil.

Durch den Druck der Rakel erhält die, in den durch die Schablone nicht maskierten, also farbdurchlässigen Siebmaschen liegende Farbe Kontakt zur Oberfläche des Kunststoffteils. Dann löst sich die Farbe aus der Druckform und bleibt auf dem Teil zurück.

Mechanische Oberflächenbehandlung

Mit diesem Verfahren können Unebenheiten auf der Metalloberfläche eingeebnet und scharfe Kanten entgratet werden. Darüber hinaus lassen sich halbglänzende bis chromähnlich glänzende Oberflächen erzielen.

Kugelstrahlen ist eine Oberflächenbehandlung, bei der kleine Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Oberfläche geschleudert werden. Die kleinen Kugeln werden mittels Schleuderrad-, Druckluft-, oder Injektor-Strahlanlagen auf die zu behandelnde Oberfläche geschleudert. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit und den hohen Luftdruck (bis ca. 10 bar, normalerweise 2 - 5 bar) in der Leitung wird das Strahlmittel beschleunigt und zum Aufprall auf der zu bearbeitenden Oberfläche gebracht. Dadurch kommt es zu einer Verfestigung und einer elastisch-plastischen Verformung im Bereich der Oberfläche, was Druckeigenspannungen auf dem Werkstück zur Folge hat.

Beim Kugelstrahlen tritt der Aspekt der Einbringung von Druckeigenspannungen, um die Dauerfestigkeit des Werkstoffes zu steigern, in den Vordergrund. Die gesteigerte Korrosionsbeständigkeit und die Vergrößerung der Oberfläche, die z. B. beim Verkleben von Bauteilen eine wichtige Rolle spielt, sind zwei Gründe, die zum verbreiteten Einsatz des Strahlens beitragen.

Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass durch falsche Prozessführung (z. B. zu hoher Druck, zu geringer Abstand vom Strahlgut) eine Schwächung des Bauteils hervorgerufen werden kann. Eine mögliche Folge daraus ist eine verkürzte und/oder verringerte Dauerfestigkeit und Biegewechselfestigkeit des Werkstückes. 

Härten

Das Härten von Stahl ist eine Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung und Umwandlung seines Gefüges. Es kann durch Wärmebehandlung mit anschließendem schnellen Abkühlen erfolgen. Wird ein Metall plastisch verformt, so breiten sich im Werkstück Versetzungen aus. Um nun die Festigkeit zu erhöhen, müssen Maßnahmen getroffen werden, die die Bewegung von Versetzungen behindern.

Das wichtigste Härtungsverfahren ist die Umwandlungshärtung. Hierbei wird das Werkstück soweit erwärmt, dass sich das bei Raumtemperatur vorliegende α-Eisen (Ferrit) in γ-Eisen (Austenit) umwandelt. Im Austenit kann wesentlich mehr Kohlenstoff gelöst werden als im Ferrit (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Durch Auflösung des vorhandenen Zementits (Fe3C) geht dessen Kohlenstoff im Austenit in Lösung. Schreckt man diesen kohlenstoffreichen Austenit nun ab, kann durch die kinetische Hemmung (Diffusion braucht Zeit) keine Entmischung in Ferrit und Zementit stattfinden. Das Eisengitter kann aufgrund der "eingeklemmten" Kohlenstoffatome nicht mehr in das kubisch-raumzentrierte α-Eisen übergehen. Es klappt stattdessen in ein tetragonal-verzerrtes kubisch-raumzentriertes Gitter (Martensit) um, das durch den Kohlenstoff verspannt ist. 

Eine wichtige Rolle bei dieser Art der Härtung spielt die Abkühlgeschwindigkeit. Je größer die Unterkühlung (Temperaturdifferenz), desto mehr Martensit bildet sich. Gesteuert wird die Umwandlungsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Abkühlmedien (Wasser, Öl oder Luft). Weiterhin wichtig ist die chemische Zusammensetzung des Stahls. Kohlenstoff trägt wegen seiner hohen Diffusionsgeschwindigkeit hauptsächlich zur Aufhärtbarkeit bei, die substitionellen Legierungselemente wie z. B. Chrom dagegen bestimmen die Einhärtbarkeit des Werkstoffs. So kann bei kleinen Bauteilen/großen Abschreckgeschwindigkeiten eine Durchhärtbarkeit über den gesamten Querschnitt des Werkstücks erreicht werden. Um gehärtet werden zu können, muss ein Stahl mindestens 0,2 % Kohlenstoff enthalten.

Der dritte Mechanismus ist die Kaltverfestigung, welche bei der Kaltumformung entsteht. Durch Erhöhung der Versetzungsdichte im Gefüge werden die Gleitvorgänge behindert, dies erhöht die Festigkeit und wird daher Kaltverfestigung genannt. Kaltverfestigung wird besonders bei Buntmetalllegierungen (z. B. Bronze) und Mischkristalllegierungen ausgenutzt.

Das Anlassen ist eine Wärmebehandlung, in der ein Werkstoff gezielt erwärmt wird, um seine Eigenschaften zu beeinflussen, insbesondere um Spannungen abzubauen. Großtechnisch wird das Anlassen bei der Verarbeitung von Stählen, Aluminium- und anderen Nichteisenmetallen und Legierungen, sowie in der Glasherstellung eingesetzt.

Induktionshärten bringt vor allem kompliziert geformte Werkstücke lediglich in bestimmten Bereichen auf erforderliche Härtetemperatur (partielles Härten), um sie anschließend abzuschrecken. Unter Umständen ist kein Abschrecken nötig, wenn die Wärme schnell genug in den Rest des noch kalten Werkstücks abfließen kann. Bevorzugt Vergütungsstähle erreichen Werte, die konventionellem Härten nahe kommen. In Sachen Genauigkeit, Steuerbarkeit und Zugänglichkeit wird es nur noch durch das Laserstrahlhärten übertroffen. Induktivhärten wird vorwiegend in der Werkzeugherstellung verwendet. Beispielsweise wird bei Zangen nur die Schneide induktiv gehärtet, da sie eine höhere Härte benötigt als das komplette Werkzeug.

Ferner gibt es die Ausscheidungshärtung durch das temperaturabhängige Lösungsvermögen des Eisengitters für gewisse Fremdatome. Sie werden beim Abschrecken ausgeschieden und verspannen das Kristallgitter, z. B. Zementit.

Aufkohlen ist ein Verfahren aus der Wärmebehandlung von Stahl. Das Aufkohlen oder Einsetzen soll Stähle, die wegen ihres geringen Kohlenstoff-Gehaltes nicht oder nur schlecht zu härten sind, soweit mit Kohlenstoff anreichern, dass ein Härten möglich wird. Meistens wird nur die Randschicht mit Kohlenstoff angereichert, damit sich dort mehr Martensit bildet als im Kern und eine harte Randschicht entsteht. Der Kern soll dabei meist zäh und weich bleiben.

Vergütung bezeichnet die Kombination aus Härten und Anlassen von Stahl, um mit dieser Wärmebehandlung das Material mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hohen Zähigkeitseigenschaften zu versehen. Das Härten erfolgt durch schnelle Abkühlung aus dem Austenitgebiet heraus. Das Material soll mindestens 4° C pro Minute aufgeheizt werden. Die Temperaturen für das Härten liegen oberhalb der Temperatur der vollständigen Ferritauflösung: bei untereutektoiden Werkstoffen 30° bis 50° C oberhalb der Umwandlungslinie Ac3, bei übereutektoiden Werkstoffen oberhalb des Umwandlungspunkts Ac1 (ca. 750 - 900 °C). Die Haltezeit auf der Härtetemperatur beträgt ca. 20 + (Werkstückdicke D(mm) / 2) Minuten. Beim folgenden Abschrecken wird in der Regel ein martensitisches Gefüge, bei manchen Werkstoffen auch Bainit oder ein Gemisch aus Martensit und Bainit, erzeugt. Diese Gefüge haben für die jeweilige Stahlsorte die höchstmögliche Härte. Als Abschreckmedium kommen je nach Werkstoff entweder Wasser, Öl, Salzbad oder Luft in Betracht. Im Allgemeinen müssen Stähle mit wenig Kohlenstoff und niedrigem Legierungsanteil schroffer abgekühlt werden als Stähle mit mehr Kohlenstoff und höherem Anteil an Legierungselementen.

Der Anlassvorgang findet je nach Stahlsorte und Verwendungszweck bei Temperaturen zwischen 150° und 700° C statt. Je nach den verlangten mechanischen Eigenschaften werden die Werkstücke auf dieser Temperatur unterschiedlich lange gehalten und im Allgemeinen an der Luft abgekühlt. Als Faustregel für die Anlasszeit gilt: doppelte Haltezeit als die Haltezeit des Materials auf der Austenitisierungstemperatur beim Härten.

Beim isothermischen Vergüten werden beide Vorgänge zusammengefasst: Die Werkstücke werden aus der Härtungstemperatur direkt in das Anlassbad gebracht, dort eine bestimmte Zeit belassen und anschließend definitiv abgekühlt.

Nitrieren ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung. Dazu wird Stickstoff verwendet. Es entsteht eine Oberflächenschicht, die bis etwa 500 °C beständig ist. Mögliche Verfahren: Backnitrieren, Gasnitrieren, Plasmanitrieren.

Das Fertigungsverfahren wird in der Regel bei Temperaturen um 500 - 520 °C bei Behandlungzeiten von 1 bis 100 Stunden durchgeführt, wobei der Kern des Werkstoffes ferritisch bleibt, und ebenso die Bildung von oberflächennahem Austenit durch Eindiffusion von Stickstoff vermieden wird. An der Werkstückoberfläche bildet sich durch Eindiffusion von Stickstoff oder Kohlenstoff in das Werkstück eine sehr harte oberflächliche Verbindungsschicht (ε- und γ'-Eisennitride), die je nach Behandlungszeit 10 - 30 µm dick werden kann und mehr oder weniger stark ausgeprägte Porensäume an der Oberfläche aufweist, die man wiederum als Träger von z. B. Gleitmitteln verwenden kann. Verbindungsschichtfreies Nitrieren z. B. für eine spätere chemische oder galvanische Beschichtung ist möglich. Unter der Verbindungsschicht befindet sich die Diffusionszone, in der der Stickstoff bis zu einer bestimmten Tiefe in der ferritischen Metallmatrix eingelagert ist. Dieser, in fester Lösung eingelagerte Stickstoff führt zu einer Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit. Die sogenannte Nitrierhärtetiefe (Nht) wird über die Grenzhärte definiert. Die Grenzhärte liegt 50 HV über der Kernhärte des Werkstückes. Besonders hohe Härte in der Diffusionszone kann bei so genannten Nitrierstählen erreicht werden.

Um den Korrosionsschutz dieser Schichten zu erhöhen, ist es möglich, die Verbindungsschicht zu oxidieren. Das geschieht üblicherweise durch eine Dampfbeaufschlagung, die die Eisenanteile korrodieren lässt und so eine Oxidschutzschicht bildet.

Gängige Verfahren sind das Salzbadnitrieren, Gasnitrieren und Plasmanitrieren. Beim Salzbadnitrieren ist durch das teilweise Eintauchen der Werkstücke ein partielles Nitrieren möglich, beim Plasmanitrieren kann man z. B. durch die Klemmvorrichtung mechanisch abdecken.

Gravieren

Unter Lasergravur versteht man das Beschriften oder Markieren von Objekten mit Hilfe eines intensiven Laserstrahls. Hierbei wird das beschriftete Material selbst verändert. Das Verfahren und der Energieeinsatz hängen daher vom Material ab. Laserbeschriftungen sind wasser- und wischfest und sehr dauerhaft. Sie können schnell, automatisiert und individuell erzeugt werden, weshalb das Verfahren gerne zur Nummerierung von Einzelteilen verwendet wird. Auch das Anbringen von sehr kleinen maschinenlesbaren Kennzeichnungen, wie zum Beispiel dem QR-Code oder dem Datamatrix direkt auf Produkten ist hiermit möglich.

Stichelgravuren sind Einschneidungen von Ornamenten, Schriften und Verzierungen in Metall, Glas, Stein, und anderen festen Werkstoffen. Die klassische Maschinengravur auf metallischen Oberflächen oder auf Glas wird mit dem Stichel als Werkzeug ausgeführt. Ziel ist es durch Abtrag von Material eine Oberflächenstruktur zu schaffen, die sich gegen den Hintergrund abhebt. Die mit dem Stichel geschaffenen Vertiefungen können zusätzlich mit Farbpaste ausgelegt und so optisch hervorgehoben werden.

Ein besonderes Verfahren ist die Elektrogravur, bei der durch einen schwingenden Stift in kurzen Abständen Funken erzeugt werden, die das Material nur oberflächlich durch Schmelzen und Verdampfen verändern. Entsprechende Werkzeuge erzeugen die Schwingungen durch einen Magnetanker im Wechselfeld eines Elektromagneten und liefern zugleich den erforderlichen Stromfluss, der bei jeder Berührung eine Materialveränderung auf der zu gravierenden Metallfläche verursacht. Das Verfahren ist verwandt mit dem Erodieren, wird jedoch meist von Hand und ohne dazwischen befindliche Flüssigkeit ausgeführt. Anwendungen sind u. a. das Eingravieren von Serien- und Chargennummern in Maschinenteile.

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Dipl.-Ing.
Hermann Strathmann

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