Ziel der Entwicklung
Die Umsetzung der EU-Richtlinie REACH soll die Gefahren der Herstellung von Hartverchromungen nach technologisch neuestem Stand mit vertretbarem wirtschaftlichen Aufwand minimieren. Das wird die Prozesse der Oberflächenveredelung massiv verändern. Die Substitution von Chrom-(VI) durch Chrom-(III)-Elektrolyt bringt Probleme, die geforderte hohe Härte, die Abrieb- und Verschleißfestigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung einzustellen. Mit verschiedenen Entwicklungen wie Schichtsystemen wird dem begegnet. In der Zukunft (nach 2017) wird die Hartverchromung mit Chrom-(VI)-Elektrolyten sicher weiter eingeschränkt werden. Für mitunter langjährig optimierte Produkte liegen bei Beschichtern wie bei den Auftraggebern dazu keine ausreichenden Erfahrungen vor, mit denen die Beschichtungsqualität weiterhin problemlos gewährleistet würde. Die bisherigen stichprobenartigen Prüfungen unter dem Lichtmikroskop sind für die innovativen Beschichtungsverfahren mit PFOS-freien Elektrolyt-Formulierungen, beziehungsweise Chrom-(III)-Elektrolyten, sowie neuen angepassten „Beschichtunsgsgerechten“ Produktkonstruktionen nicht mehr ausreichend. Daher muss die 100-Prozent-Prüfung eingesetzt werden. Dazu müssen berührungs-freie, schädigungslose, objektive und stochastisch sichere Mess- und Prüfverfahren entwickelt werden. Das Ziel ist deshalb die Realisierung einer Prüfeinrichtung und eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Charakterisierung verschleiß- und korrosionsbeständiger, galvanotechnischer Beschichtungen (Hartchrom) funktionaler Bauteile. Das Verfahren beruht auf der Approximation der tatsächlich vorliegenden lokalen Wärmeleitfähigkeit in der Hart-chromschicht, die in direktem Zusammenhang mit der stochastischen Verteilung der Poren und der Anzahl der Risse pro cm steht, mit einem lokalen Äquivalenzwert und der dadurch möglichen Lösung des inversen Problems zur Parameteridentifikation aus einer Lockin-Thermografiemessung.
Vorteile und Lösungen
Mit der entwickelten Prüfvorrichtung der aktiven Infrarotthermografie mit frequenzmodulierter Laseranregung und Lock-in Verstärkung der Signale ist ein Verfahren zur Prüfung dünner metallischer Schichten einsatzfähig.
Grundlage der Interpretation der Signalauswertung im Frequenzbereich (Phasenverschiebung) war die Modellierung und die Simulation mit der Verbindung der instationären Wärmediffusion, der lokalen Temperaturverteilung an der Oberfläche mit der Theorie des effektiven Mediums in der porösen Hartchromschicht.
Zur Entwicklung einer Prüflösung für die Hartchromschichten wurden die aktiven thermografischen Prüfverfahren Puls- und Lock-in Thermografie untersucht.
Der Entwurf einer flexiblen Prüfeinrichtung für Hartchromschichten (hart, verschleißfest, tribologisch) mittels Lock-in Thermografie umfasst die geometrisch optische Parameterabstimmung für die hochaufgelöste Thermografie für die differenzierte Zuordnung von Größenklassen, Anzahl von Defekten je Flächeneinheit beziehungsweise zur Detektion größerer, individueller Defekte.
In den Auswertungen der Versuche wurden mögliche Fehlerquellen sowie Störgrößen betrachtet. Diese betreffen die Prüfumgebung, die Prüfobjekte und ihre Oberfläche, die Signalverarbeitung (Anregungsquelle, Aufnahme, Auswertung) und die Thermografiekamera. Der Einfluss auf die Emissions- und Absorptionseigenschaften wurde in den Versuchen immer wieder betrachtet. Die Prüfung der Hartchromschicht ist schwierig und störanfällig. Die niedrige Emissivität der Hartchromschicht aufgrund der Materialeigenschaften von Chrom, sowie die hohe Reflexion aufgrund der Oberflächentopologie der meist geschliffenen Substratoberfläche beeinflussen sämtliche Schritte des Prüfprozesses. Die Reflexion der optischen Anregungsenergie des Lasers reduziert den möglichen Energieeintrag in die Proben. Eine Laserquelle mit Wellenlänge im Bereich eines Absorptionsbandes, die Winkel der Einstrahlung auf die Oberfläche, sowie die Verwendung absorbierender, temporärer Überzüge verbessern die Signalanregung im Hinblick auf Fokussierung (Punkt, Linie), Homogenität (räumlich, zeitlich) und Intensität (Amplitude).
Im Aufbau der Prüfeinrichtung wurden stark reflektierende Oberflächen vermieden beziehungsweise geschwärzt. Störende Strahlungsquellen innerhalb und außerhalb der Prüfeinrichtung sowie im unmittelbaren Umfeld wurden abgeschirmt. Die Transmissionseigenschaften der Atmosphäre sind konstant zu halten. Wechselnde Temperatur, Feuchtigkeit und Staub der Umgebung beeinflussen die Signalaufnahme. Auch die Signale müssen sorgfältig benutzt und auf mögliche Störungen untersucht werden. Die thermische Anregung mit Laser unterliegt ungewollten Leistungsschwankungen aufgrund der langen Messzeiten der Lock-in Thermografie und der Winkelabhängigkeit der Absorption. Die Signalaufnahme muss kalibriert werden. Die Einstellung der Steuerungsgrößen wie Aufnahmefrequenz, Integrationszeit und Synchronisation beeinflussen die Signalverarbeitung und die Signalauswertung (FFT, Phasenverschiebung, Phasenkontrastfunktion). Insgesamt sind die möglichen Störgrößen nur durch sehr hohe Qualität in Aufbau, Durchführung und Auswertung des Prüfprozesses zu eliminieren bzw. zu minimieren. Unterhalb der geometrischen Grenzen zur Registrierung und Identifizierung individueller Störungen wird mit dem Prüfverfahren die Erfassung charakteristischer Merkmale der funktionellen Hartchrombeschichtung möglich. Dies geschieht in weitaus geringerer Prüfzeit und zu niedrigeren Prüfkosten als durch die zerstörenden Prüfverfahren.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Oberflächentechnik und Galvanotechnik dient der Veredelung von Bauteilen beziehungsweise Produkten aus einem profanen oder leichten, einfach zu bearbeitenden metallischen Substrat, Werkstoffverbund oder Kunststoff. Die Hartchrombeschichtung nimmt in vielen Produkten die Aufgaben einer funktionalisierten Oberfläche ein. Dazu gehören (Wärme-) Isolation, (elektrische) Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Härte, Abrieb- und Verschleißfestigkeit, besondere tribologische Eigenschaften (Hydrophilie), die in einer dünnen Funktionsschicht (oder Mehrfachschicht) eingestellt werden. Im Maschinen- und Fahrzeugbau erfolgt das meist auf einem zähen, duktilen Grundwerkstoff mit geringer Dichte und niedriger Legierung (C-Stahl).
Beispiele sind: Automobilindustrie, also Interieur, Fahrzeughydraulik, Ventile, aber auch Powertrain, also Reparaturbeschichtung, Lager, Kolben, Pleuel / Power Generation: Dichtsitze, Kugelventile, Kühlpumpenwellen, Lagerzapfen / Reparaturbeschichtungen / Druckmaschinen: Papierwalzen, Farbauftragswalzen, Rakel, Siebkörbe, Schmitzringe / Maschinenbau, Hydraulik: Kolben, Kolbenringe, Ventile / Dieselmotoren, Schiffsmotoren, Kolbenoberteile, Zylinderlaufbuchsen, Kolbenboden, Kolbenringe, Pleuel /Textilmaschinenbau: Baugruppen zur Fadenführung an Webstühlen, Flecht-, Näh- und Strickmaschinen / Verarbeitung von Carbon-Filamenten der CFK-Herstellung zu multiaxialen Gelegen / Verarbeitung von streckgerissenen Carbonfaser-Garnen für Webstühle und Strickmaschinen / Haushaltsmaschinen, Büromaschinen.
Die beauftragenden Produkthersteller aus den verschiedenen Branchen müssen stärker auf eigene Qualitätskontrollen der Hartchrombeschichtungen setzen, um auch bei den neuartigen Technologien wie Chrom-(III)-Elektrolyten Endprodukte höchster Qualität und Zuverlässigkeit anbieten zu können. Die Qualitätsprüfung großer Stückzahlen von Galvanikbauteilen als Zulieferung für Baugruppen oder Module im Automobilbau muss zerstörungsfrei und just-in-time erfolgen, es entsteht also ein großer Prüfaufwand an der Wareneingangskontrolle in kurzer Zeit. Das ist mit den zerstörenden Methoden zur Charakterisierung von Hartchromschichten nur mit hohem personellen und gerätetechnischen Aufwand zu erreichen. Die Investition in zerstörungsfreie Prüfung mit aktiver Lock-in Thermografie amortisiert sich schnell und mindert das Qualitätsrisiko erheblich.