Verchromen ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem eine dünne Chromschicht auf die Oberfläche eines Werkstücks aufgetragen wird, indem dieses in einen Elektrolyten getaucht und unter Strom gesetzt wird. Dies verbessert die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Substrats und macht es haltbarer und korrosionsbeständiger. Darüber hinaus verleiht die Verchromung den Bauteilen ein optisch ansprechendes Finish und eignet sich daher auch für dekorative Zwecke. Daher wird sie sowohl im dekorativen Bereich als auch im Maschinenbau häufig zur Herstellung mechanisch effizienter Komponenten in der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie eingesetzt.
Inhalte
Geschichte der Verchromung
Die Verchromung wurde in den 1920er Jahren entwickelt und erfolgreich zur Stahlbeschichtung eingesetzt. Mitte des 20. Jahrhunderts galt sie als Symbol modernen Designs, insbesondere in der Automobilindustrie. Umweltbedenken hinsichtlich des giftigen sechswertigen Chroms führten jedoch in den 1980er Jahren zu strengeren Vorschriften. Daraufhin konzentrierten sich die Forscher auf sicherere dreiwertige Alternativen und entwickelten chromfreie Technologien.
Verchromungsprozess
Oberflächenvorbereitung
Bevor eine Beschichtung erfolgen kann, wird die Substratoberfläche sorgfältig vorbereitet, um eine gute Haftung der Chromschicht zu gewährleisten. Dies umfasst typischerweise:
- Entfetten zum Entfernen von Ölen und Verunreinigungen
- Abrasive Reinigung (z. B. Strahlen) zum Entfernen von Oxiden oder alten Beschichtungen
- Beizen in Säure zum Entfernen von Zunder oder Rost
- Gründliches Spülen zwischen den einzelnen Schritten
Aktivierung
Nach der Reinigung der Oberfläche wird das Werkstück aktiviert, indem es bei Raumtemperatur für etwa eine halbe Minute in eine Säurelösung (39.6 ml/L H₂SO₄) getaucht wird.
Galvanikprozess
Dabei wird das Werkstück in den Elektrolyten getaucht, und elektrischer Strom löst eine Redoxreaktion aus. Dadurch lagert sich eine dünne, haftende Chromschicht auf der Werkstückoberfläche ab. Das Werkstück fungiert als Kathode, und das Beschichtungsbad enthält Chromionen aus sechswertigen (Cr⁶⁺) oder dreiwertigen (Cr³⁺) Chromsalzen. Die grundlegende Reaktion ist:
Für die dreiwertige Verchromung: Cr³⁺ + 3 e⁻ → Cr (Metall)
Für die sechswertige Verchromung: Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ → 2 Cr (Metall) + 7 H₂O
Nachbehandlung
Nach der dünnen, dichten Verchromung wird das Bauteil je nach Anforderung einigen Nachbehandlungen unterzogen:
- Das Werkstück wird in deionisiertem Wasser gespült, um chemische Rückstände zu entfernen.
- Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit kann eine Passivierung durchgeführt werden.
Parameter des Verchromungsprozesses
| Typ | Stromdichte (A/dm²) | Temperatur (° C) | Cr-Konzentration (g/L) | pH |
|---|---|---|---|---|
| Dekorativ (sechswertig) | 7.5-17.5 | ~ 40 | 250–300 (CrO₃) | <1 |
| Hartchrom (sechswertig) | 30-60 | ~ 50 | 250–500 (CrO₃) | <1 |
| Dreiwertiges Chrom | 5-16 | 20-50 | 4–25 (Cr³⁺) | 2-4 |
Verschiedene Methoden der Verchromung
Je nach Badzusammensetzung gibt es zwei grundlegende Verfahren zur Verchromung: die dreiwertige Verchromung und die sechswertige Verchromung.
Dreiwertige Verchromung (Cr³⁺)
Dabei wird Chrom in der Oxidationsstufe +3, typischerweise Chromsulfat oder -chlorid, verwendet, das mit organischen Säuren komplexiert ist. Die dreiwertige Verchromung bietet:
- Die Toxizität von dreiwertigem Chrom ist gering, nur 1/100 der von sechswertigem Chrom, und es entsteht kein Nebel aus sechswertiger Chromsäure.
- Die Umwelt wird weniger belastet und das Abwasser lässt sich leichter behandeln.
- Die Stromausbeute der Beschichtungslösung ist hoch, bis zu 25 %
- Der Galvanisierungsprozess kann bei Raumtemperatur ohne Erwärmung durchgeführt werden.
- Die Haftfestigkeit der Chromschicht wird durch die Stromunterbrechung während des Galvanisierungsprozesses nicht beeinträchtigt
- Entspricht den Umweltvorschriften (z. B. RoHS, REACH)
- Gleichmäßigere Beschichtungsdicke von 0.13 bis 25 µm
- Hochwertige und ästhetische Verarbeitung
Badzusammensetzung: Chromsulfat oder -chlorid, Komplexbildner wie Glycin und Ameisensäure, Netzmittel und Leitfähigkeitssalze.
Sechswertige Verchromung (Cr⁶⁺)
Es handelt sich um das traditionelle Verfahren zur Verchromung mit Chromsäure (CrO₃) und Schwefelsäure (H₂SO₄). Es erzeugt die klassische, glänzende, spiegelglatte Chromoberfläche und wird nach wie vor häufig für Hartchrom und dekorative Anwendungen eingesetzt. Es verleiht den Bauteilen hohe Härte und Verschleißfestigkeit sowie gute Korrosionsbeständigkeit. Es findet breite Anwendung in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Werkzeugindustrie.
Badzusammensetzung: Chromsäure (CrO₃), Schwefelsäure (H₂SO₄) im Verhältnis 100:1 und Fluoridkatalysatoren für Mischkatalysatorsysteme.
Sechswertige Verchromung vs. dreiwertige Verchromung
| Merkmal | Dreiwertige Verchromung | Sechswertiges Chrom |
|---|---|---|
| Chemische Basis | Chrom(III) – Cr³⁺ | Chrom (VI) – Cr⁶⁺ |
| Farbdarstellung | Graublau oder etwas dunkleres Silber | Helles, spiegelndes bläuliches Silber |
| Korrosionsbeständigkeit | Vergleichbar oder besser als Passivierung | Hervorragend bei dickeren Ablagerungen |
| Härte | 800–1000 HV | 850–1000 HV |
| Toxizität | Geringe Toxizität | Hochgiftig und krebserregend |
| Abfallbehandlung | Einfacher und kostengünstiger | Komplex und kostspielig |
| Beschichtungseffizienz | Höher (bis zu 25–30 %) | Niedriger (10–15 %) |
| Anwendungen | Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Dekoration | Militär-, Luft- und Raumfahrt- und Industriebekleidung |
| Kosten | Etwas höhere Betriebskosten | Niedrigere Chemikalienkosten, höhere Abfallkosten |
Arten der Verchromung
Dekorative Verchromung
Wie der Name schon sagt, wird es zu dekorativen Zwecken verwendet, da es eine helle, reflektierende Oberfläche mit einem charakteristischen bläulich-weißen Schleier erzeugt. Mit einer typischen Dicke von 0.13–1.3 μm bietet es im Vergleich zu Hartverchromungen eine moderate Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Daher eignet es sich ideal für Fahrzeugverkleidungen, Haushaltsarmaturen und Beschläge.
Hartverchromung
Hartverchromung erreicht Härtegrade von HRB 68 bis 72 und dient der Erhöhung der Haltbarkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit mechanischer Teile. Die Chromschichtdicke beträgt üblicherweise 10 bis 500 μm, Schichten über 250 Mikrometer können jedoch Risse verursachen und das darunterliegende Metall schwächen. Diese Art der Verchromung wird für Hydraulikstangen, Motorkomponenten und Druckwalzen verwendet.
Schwarzverchromung:
Dies geschieht durch die Modifizierung der Badchemie, typischerweise durch die Kombination von dreiwertigem Chrom mit anderen Metallsalzen wie Nickel oder Kobalt. Die Schwarzverchromung bietet eine dunkle, seidenmatte bis matte Oberfläche mit mäßiger Korrosions- und Verschleißbeständigkeit sowie einem ansprechenden ästhetischen Eindruck. Daher wird sie häufig in der Optik, bei Solarmodulen, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Luxusfahrzeugausstattung eingesetzt.
Welche Materialien können verchromt werden?
Metalle:
Stahl und seine Legierungen: Diese werden häufig verwendet und eignen sich gut als Grundlage für dekoratives und hartes Chrom.
Messing: Verchromtes Messing wird häufig in Sanitärarmaturen und Dekorationsartikeln verwendet.
Kupfer: Es wird als Unterschicht verwendet, um eine bessere Haftung und ein besseres Aussehen zu erzielen.
Aluminium: kann verchromt werden, erfordert aber eine spezielle Vorbehandlung, um eine ordnungsgemäße Haftung zu gewährleisten.
Kunststoffe
Dies ist möglich, erfolgt jedoch in einem zweistufigen Prozess:
- Bei der stromlosen Beschichtung wird üblicherweise Nickel verwendet, um die Oberfläche leitfähig zu machen.
- Galvanisieren zum Aufbringen der Chromoberfläche.
Wofür wird die Verchromung verwendet?
Es wird hauptsächlich für Teile wie Kolben, Hydraulikstangen, Formen, Matrizen und Motorkomponenten verwendet, um die Reibung zu verringern und die Lebensdauer zu verlängern. Hier sind weitere Verwendungsmöglichkeiten:
Sintermetallteile
Durch die Verchromung wird die Korrosionsbeständigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit verbessert Sintermetallteile. Aufgrund der inneren Lücken in diesen Teilen kann bei direkter Galvanisierung jedoch die Beschichtungslösung im Inneren verbleiben und zu Korrosion führen. Daher ist es wichtig, zuerst die inneren Poren zu füllen. Gängige Verdichtungs- und Versiegelungstechniken für Sinterteile umfassen Harzimprägnierung und Kupferinfiltration.
Wiederherstellung abgenutzter Teile
Dicke Chromschichten können Maßtoleranzen an verschlissenen mechanischen Teilen wiederherstellen.
Oberflächen mit geringer Reibung
Aufgrund seiner Glätte und Haltbarkeit eignet es sich ideal für Gleitteile oder Dichtungsflächen.
Automobilindustrie
Eine Verchromung zeichnet sich durch eine helle, leicht zu reinigende Oberfläche aus, die die Korrosionsbeständigkeit verbessert und häufig bei Autoteilen verwendet wird.
Beispielsweise erhöht die Verchromung von Stoßdämpferkolbenstangen die Oberflächenhärte, verbessert die Verschleißfestigkeit und verlängert die Lebensdauer.