Entwicklung eines Verfahrens zur Abscheidung technischer Chromschichten aus einem Chrom(III)-Elektrolyt

Abstract

Die im Jahr 1843 von A. C. Becquerel entdeckte galvanische Verchromung aus wässrigen Lösungen ist eines der wichtigsten und am weitesten verbreiteten Verfahren der galvanischen Oberflächenveredelung. Chromschichten sind witterungsbeständig und resistent gegen Anlaufen. Des Weiteren sind Chromschichten aufgrund der sich ausbildenden haftfesten Chromoxidschicht an der Oberfläche beständig gegenüber den meisten Chemikalien. Die galvanische Verchromung wird grundsätzlich in die dekorative Glanzverchromung mit Schichtdicken zwischen 0,3 µm bis maximal 2 µm und die technische Verchromung mit mehr als 2 µm Schichtdicke unterschieden. Die dazu eingesetzten Lösungen differenzieren sich in dreiwertige und sechswertige Chromelektrolyte. Technische Chromschichten dienen als Korrosions- und Verschleißschutz. Diese Chromschichten werden heute aus Elektrolyten auf Basis von Chrom(VI)-Salz abgeschieden. Aufgrund der gesundheits- und umweltgefärdenden Wirkung von Chrom(VI) besteht schon seit langem der Wunsch, die galvanische Chromabscheidung technischer Chromschichten aus Chrom(III)-Elektrolyten zu ermöglichen. Eine im Zuge dieser Arbeit durchgeführte Marktstudie zeigt auf, dass aktuell keine handelsüblich erwerbbaren Elektolyte auf Basis von Chrom(III) verfügbar sind. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren zur Abscheidung technischer Chromschichten aus einem Chrom(III)-Elektrolyten zu entwickeln. In einem ersten Schritt werden dazu die erforderlichen Parameter aus der Literatur abgeleitet. In eigenen Versuchen werden dann verschiedene chemische und physikalische Parameter untersucht. Mit diesen Ergebnissen wird eine Versuchsgalvanik aufgebaut und die in den Vorversuchen gewonnenen Erkenntnisse überprüft. Dabei zeigt sich, dass die Abscheidung technischer Chromschichten aus Chrom(III)-Elektolyten durch die Kombination aus angepasster Anlagentechnik, Chemie und geeigneter pyhsikalischer Parameter möglich ist.

A. C. Becquerel discovered electrodeposited chromium plating using aqueous solutions in 1843. The method has been used industrially since 1924 and is one of the most important and widely used surface finishing techniques.

Ban of chromium compounds with chromium in the oxidation state VI (eg. CrO4-) in cars and in old electrical devices was implemented by the European Union. In recent years, substantial efforts were undertaken in order to replace corrosion protection systems on the basis of chromium(VI)-containing connections by other procedures.

Usually chromium(VI) starting materials are used during the deposition of chromium layers in galvanic processes. Modern electrolytes are available, which allow the deposition of thin and decorative chromium layers in galvanic processes. Nevertheless, the deposition is limited to a maximum layer thickness of 10 µm and a corresponding hardness of 900 HV.

This dissertation identifies the factors which influence the outcome of chrome plating with chromium(III) electrolytes. These factors are then explored further with the help of experiments, allowing conclusions to be drawn on the conditions required for successful application of chromium(III) electrolytes in hard chrome plating. Practical issues tackled include membrane technologies, chemical buffer systems, pH regulation and complexing agents.

In this lecture we present a procedure, which offers the possibility to deposit hard and thick chromium layers from trivalent chrome electrolytes. It offers an approach of an efficient energy use during the layer production and avoids the contact of construction units and workers with chromium(VI) compounds during the coating process.