Hartchrom erhält eine umweltfreundliche und qualifizierte Alternative

Die Luft- und Raumfahrtindustrie setzt zunehmend auf PVD-Beschichtungen als Ersatz

(PresseBox) ( Bingen, Deutschland, )
In der Luft- und Raumfahrt suchen Hersteller und Lieferanten dringend nach einem Ersatz für die Hartverchromung von Bauteilen. Das liegt an den mittlerweile bekannt gewordenen Gesundheitsrisiken für Mitarbeiter sowie an den Umweltgefahren durch die Freisetzung von sechswertigem Chrom [Cr(VI)], einem Karzinogen, das während der Verchromung entsteht und die schädlichste Oxidationsstufe von Chrom darstellt.

Daher unterliegt Chrom in wichtigen Märkten weltweit sehr strengen Auflagen. In der Europäischen Union fällt sechswertiges Chrom unter die EU-Verordnung REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals), also die Registrierung, Evaluierung, Autorisierung und Beschränkung von Chemikalien, in der Richtlinien für die sichere Verwendung von Chemikalien in der gesamten Lieferkette festgelegt sind. Auch in den Vereinigten Staaten wird Chrom von der OSHA streng reglementiert.

Auf der Suche nach einer geeigneten Alternative für Hartchrom
Der Ersatz von Hartchrom bleibt jedoch eine große Herausforderung für die Luft- und Raumfahrtindustrie, da Hartverchromungen weit verbreitet und auf unzähligen Bauteilen zu finden sind. Lange Zeit geschätzt für seine Härte, die Fähigkeit, den Gleitverschleiß zu minimieren, den Korrosionsschutz zu verbessern und Metallteile langlebiger zu machen, findet man Hartchrom in vielen Anwendungen wie Strukturbauteilen, Fahrwerken, Motorlagern und Flugzeugrahmen. In vielen Fällen wird Hartchrom aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten an beweglichen Teilen eingesetzt, wo es zu einem direkten Kontakt zwischen unterschiedlichen Metallflächen kommt.

Vor diesem Hintergrund müssen Luft- und Raumfahrtunternehmen die Verwendung von Hartchrom kritisch überdenken sowie die technische Auswirkung einer Substitution fundamental analysieren. Das ist kein leichtes Unterfangen, da jedes Teil, das derzeit hartverchromt wird, auf seine Funktionalität, seine Verbindung zu anderen Teilen, Verschleißmechanismen, Schmierungsbedarf und Umweltbedingungen überprüft werden muss. Eine solche Neubewertung der technischen Eigenschaften ist unumgänglich, da sich Hartchrom nicht eins zu eins ersetzen lässt.

Was Härtegrad, Korrosionsschutz, die problematische Anwendung in Aussparungen und Gewinden sowie die Gefahr von Lochfraß und Abplatzern unter hohen Belastungen betrifft, so stößt aber auch Hartchrom trotz seiner weiten Verbreitung gelegentlich an seine Grenzen. Hier können Alternativverfahren die Umsetzung neuer Lösungsstrategien ermöglichen und sogar einen Mehrwert gegenüber Hartchrom bieten.

PVD-Beschichtungen als REACH-konforme Option für Hartchrom
Eine in der Luft- und Raumfahrtindustrie zunehmend eingesetzte Alternative sind PVD-Beschichtungen. Sie sind eine leistungsfähige, ungefährliche und REACH-konforme Option für Hartchrom. Beschichtungen nach dem Prinzip der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD/Physical Vapour Deposition) bieten viele ähnliche Eigenschaften und sind Hartchrom in mancher Hinsicht sogar überlegen.

Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) wird von zahlreichen Vakuumbeschichtungsverfahren genutzt, die zur Herstellung dünner Schichten eingesetzt werden können. Das PVD-Verfahren wird typischerweise zum Beschichten von Bauteilen bei relativ niedrigen Temperaturen von 160 bis 500 °C eingesetzt. Da sie unter der Anlasstemperatur von Stählen liegen, sind diese Temperaturen ideal, um eine Veränderung der grundlegenden Werkstoffeigenschaften zu vermeiden.

BALINIT C - PVD-Schicht auf Kohlenstoffbasis
Zu den PVD-Optionen gehören mehrere Beschichtungsverfahren auf Kohlenstoffbasis, die eine einzigartige Kombination aus extremer Oberflächenhärte, niedrigem Reibungskoeffizienten und Korrosionsschutz bieten. Ein Beispiel: BALINIT C, eine Kohlenstoffschicht des internationalen Beschichtungsexperten Oerlikon Balzers, hat die Aufmerksamkeit einiger der größten Luft- und Raumfahrthersteller der Welt auf sich gezogen, darunter Airbus.

Im November kündigte der Flugzeughersteller Airbus an, den Einsatz von BALINIT C auf Kupferlegierungen auszudehnen – ein Substrat, das häufig für Lager und Buchsen in Flugzeugfahrwerken und deren Verbindung zum Flugzeugrahmen verwendet wird. Zuvor hatte Airbus der PVD-Beschichtung bereits eine Zulassung für Stahl-, Titan- und Inconel-Substrate erteilt.

Die technische Einstufung von BALINIT C als ungefährliche und REACH-konforme Alternative zu Hartverchromungen bildete den Abschluss einer Reihe von Qualifizierungsmaßnahmen von Airbus für die Produktionszentren von Oerlikon Balzers im Vereinigten Königreich und in Frankreich. „Airbus hat bestätigt, dass unsere BALINIT C Schicht den technischen und industriellen Anforderungen entspricht", sagte Toby Middlemiss, Global Aerospace Segment Manager bei Oerlikon Balzers.

Bei der Herstellung von BALINIT C, einer Wolframcarbid/Kohlenstoff-Schicht (WC/C), verwendet Oerlikon Balzers eine Mischung aus Metall und Diamant-ähnlichem Kohlenstoff. Die Schicht wird in einer Dicke von 1 bis 5 Mikrometer aufgebracht, was den Einsatz an Wälzlagern und Fahrwerksteilen ermöglicht. Am Ende steht ein glänzendes Oberflächenfinish, und dank der Gleichmäßigkeit dieser Schicht entfällt die Notwendigkeit der Nachbearbeitung, was Zeit und Geld spart. Das ist ein deutlicher Vorteil gegenüber der Hartverchromung, die auf Toleranzen zurückgeschliffen und poliert werden muss, um ein einheitliches Finish zu erzielen.

Bessere Eigenschaften als Hartchrom
BALINIT C bietet eine stärkere Haftung auf metallischen Untergründen als Hartchrom, eine hohe Tragfähigkeit und Abriebfestigkeit (Haftverschleiß) sowie einen niedrigen Reibungskoeffizienten; es reduziert Lochfraß und Passungsrost an gleitenden oder beweglichen Teilen eines Flugzeugs, wie sie in Stellgliedern, Klappensystemen und Pumpen vorkommen. Dadurch ist BALINIT C ideal für schmierungsarme und sogar schmierungsfreie Anwendungen geeignet.

Auch Lager gehören zu den Bauteilen, die unter starkem und ungleichmäßig verteiltem Verschleiß leiden. Die Beschichtung eignet sich besonders für Einsatz-, Kugel- und Wälzlagerstähle, da sie bei Temperaturen unter 200 °C aufgetragen werden kann. Sie kann nicht nur auf innere und äußere Laufringe und Zylinder, sondern auch auf die Kugeln in Kugellagern in einer sehr gleichmäßigen Schichtdicke von 0,5 bis 1,0 Mikrometer aufgebracht werden. Der leichten Rauheitszunahme steht die gute Polierbarkeit der Beschichtung gegenüber, die die Laufbahn von Innen- und Außenringen glättet und einen zusätzlichen Schutz vor Abrieb und Lochfraß bietet.

Mit dem zunehmenden Einsatz von PVD-Beschichtungen durch Branchenführer wie Airbus wird Hartchrom sehr wahrscheinlich langfristig aus der Luft- und Raumfahrtindustrie verdrängt werden. „Es war eine große Herausforderung für die Luft- und Raumfahrtindustrie, einen Ersatz für Hartchrom zu finden, weil es nicht so einfach ist, eine 100-prozentige Alternative zu finden – jede ist immer ein wenig anders. Also mussten die Hersteller bei Null anfangen und sich fragen, warum Hartchrom überhaupt verwendet wurde, was diese Anwendung ausmacht und welche Alternativen sich anbieten.“, sagt Middlemiss. „Es bedarf weiterhin einer rigorosen, fundierten Bewertung jeder einzelnen Oberfläche und jeder einzelnen Komponente, um sicherzustellen, dass alle Kriterien der Sicherheit, Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten ausreichend Berücksichtigung finden.“

Weitere Informationen zu den PVD-Beschichtungslösungen für Bauteile von Oerlikon Balzers erhalten Sie per E-Mail an balzers.components@oerlikon.com oder auf der Webseite www.oerlikon.com/balzers
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