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BIA: Chrom(III) bringt Farbe ins Spiel

Die BIA Gruppe testet seit einigen Jahren dreiwertige Elektrolyte zur Verchromung. Ihr Einsatz ist zwar deutlich komplexer, die dreiwertige Verchromung kann aber als Designelement die Palette an Echtmetalloberflächen erweitern.

Farbvarianten von Cr(VI)- über Cr(III)-Elektrolyte, sowohl sulfatbasiert als auch chloridisch (v.l.)

Farbvarianten von Cr(VI)- über Cr(III)-Elektrolyte, sowohl sulfatbasiert als auch chloridisch (v.l.)

Das Design und die Wertigkeit der Fahrzeugausstattung sind für die Automobilindustrie wichtige Faktoren. Echtmetalloberflächen stehen dabei für wertige, gewichtige Bauteile. Mit Galvanikoberflächen, Ambientebeleuchtung oder strukturierten Oberflächen in Echtmetall lassen sich optisch und haptisch besondere Effekte erzielen.

Aktuell werden die Chromoberflächen überwiegend aus sechswertigen Chromelektrolyten (Cr(VI)) abgeschieden, bei denen die Bauteile einen hellen, leicht blauen Farbeffekt erhalten. Bauteile mit Oberflächen aus Chrom(III)-Elektrolyten bieten farbliche Differenzierungsmöglichkeiten, denn ihre warme, leicht gelbe Farbgebung kann variieren. Dies kann als Designelement genutzt werden.

Zusätzlich bedingt die Diskussion zur Substitution von Chromtrioxid eine Umstellung der Chromelektrolyte im Rahmen der REACH-Verordnung. So müssen zulassungspflichtige sechswertige Beschichtungsbäder sukzessive in dreiwertige Elektrolyte überführt werden. Die Herausforderung der Umstellung von kühlen, bläulichen auf eher wärmer wirkende Chromoberflächen, kann dabei auch als Option zu einem neuen Fahrzeugdesign gesehen werden.

Unterschiede in den Chromelektrolyten

Die verbreiteten sechswertigen Chromelektrolyte scheiden auf der Oberfläche der Bauteile hochreines Chrom als Metall ab. Die stabilen Elektrolyte mit hohem Oxidations- bzw. Abscheidepotential benötigen wenige Zusätze.

Dreiwertige Elektrolyte sind in ihrem Aufbau deutlich komplexer und müssen aufwändiger stabilisiert werden. Sie werden auf Chromsalzen aufgebaut, bei denen Chrom als Kation innerhalb eines Komplexes im Bad gelöst vorliegt. Die Komplexbildung ist zur Stabilisierung des gelösten Chroms notwendig. Diese Elektrolyte neigen dazu, Spuren von Fremdmetallen sowie Anteile der im Bad befindlichen organischen Zusätze als Legierungsbestandteile mit in die Schichten einzubauen. Diese Legierungsanteile führen zu Unterschieden in den Eigenschaften, wie zum Beispiel der Farbe.

Zur Sicherstellung des Korrosionsschutzes müssen bei dreiwertigen Elektrolyten mikroporige Nickelsysteme eingesetzt werden. Als finaler Prozessschritt sind aufgrund der Abwesenheit eines Oxidationsmittels Passivierungs-Lösungen notwendig und in der Praxis etabliert. Bei der Korrosionsbeständigkeit zeigen die dreiwertigen Verchromungen in Kombination mit einer mikroporigen Nickelschicht keine Nachteile, bestehen OEM Testanforderungen und sind im Feld erfolgreich im Interieur- und Exterieurbereich im Einsatz.

Produktionseinsatz dreiwertiger Elektrolyte

Im Jahr 2011 startete innerhalb der BIA Gruppe eine vierjährige Testphase dreiwertiger Elektrolyte zur Verchromung. Seit 2015 sind sulfatische Elektrolyte für die automotive Serienbeschichtung in der Gruppe im Einsatz. Zwei BIA Galvaniklinien in Europa sind mit verschiedenen Elektrolyten ausgestattet und werden im Dreischichtbetrieb zur Verchromung genutzt. In einer Linie in China sind dreiwertige Elektrolyte verfügbar. Um die Produktion stabil zu halten, ist ein höherer Analyse- und Dosieraufwand erforderlich. Es ist wichtig, dies in Kombination mit einer kontinuierlich verbesserten Badaufbereitung gut ins Produktionsumfeld zu integrieren. Insbesondere die Reinigung des Elektrolyten ist ein entscheidender Faktor um den Einfluss von Verschleppungen auf den Prozess und die optischen Eigenschaften der Schicht zu beherrschen.

Nutzung der dreiwertigen Verchromung für Farbakzente

Eine Option, die Farbe einer Oberfläche zu charakterisieren bietet der Lab*-Farbraum. Durch Messgeräte wird die Oberflächenfarbe in drei Anteile, L* (Schwarz bis Weiß), a* (Grün bis Rot) sowie b* (Blau bis Gelb) aufgeteilt. Die Farbe kann bspw. mit einem Photometer wie dem Konica Minolta CM-700d gemessen werden, wie es bei verschiedenen OEM sowie bei BIA im Einsatz ist.

Für Chromoberflächen sind der L*-Wert, der die Helligkeit definiert, sowie der b*-Wert relevant. Insbesondere Farbumschläge von Blau zu Gelb fallen dem Betrachter auf. So wechselt die Oberflächenfarbe im b*-Anteil vom negativen, blauen Farbraum bei sechswertiger Verchromung hin in den positiven, gelben Farbraum bei dreiwertigen Elektrolyten. Die folgende Tabelle gibt beispielhafte Wertebereiche für die beiden Chromoberflächen an. Dabei sind neben den sulfatbasierten Chrom(III)-Elektrolyten auch chloridbasierte Elektrolyte angegeben.

Auffällig ist neben dem gering niedrigeren L*-Wert der Farbumschlag und damit Nulldurchgang auf der b*-Wert-Achse. Dies führt zu einer Veränderung der kalt, blauen Wahrnehmung hin zu einer wärmeren Optik der Oberfläche. Des Weiteren sind die chloridischen Verfahren deutlich dunkler als die sulfatischen. Dies liegt ebenfalls an den Bestandteilen zur Stabilisierung und Komplexierung.

Siehe Tabelle. Die Abbildung zeigt skizzierte Farbbereiche von Chromschichten aus unterschiedlichen Elektrolyten.

Innerhalb der dreiwertigen Verchromung sind Fremdmetallanteile zum Chrom für die Farbe ein wichtiger Einfluss. Bislang wird versucht, die Oberfläche möglichst an eine sechswertig verchromte Oberfläche anzugleichen. Daher hat BIA Abgleiche zwischen der Oberflächenfarbe sowie Anteilen an Fremdmetallen im Elektrolyten erstellt. Innerhalb von Laborversuchen lassen sich durch gezielte Zugaben von geringsten Anteilen von Fremdmetallen die Farben der Chromschichten beeinflussen. In Abbildung 2 wurde bei den Platten 2 und 3 (v. l.) aus einem sulfatischen Chrom(III)-Elektrolyten abgeschieden, bei Platte 3 wurde aber der Anteil an Fremdmetallen erhöht. Es ist eine klare Tendenz zu einem wärmeren Farbton und somit höheren b*-Wert zu erkennen (b2*=0,2; b3*=1,4). Im direkten Vergleich ist die erste Platte eine sechswertig verchromte Platte (b1*=(-1,4)). Platte 4 stellt ein chloridbasiertes System dar, das eindeutig dunklere Oberflächen erzeugt (L4*=75; b4*=2,5). Die letzte Platte zeigt noch eine dreiwertige Dunkelchromvariante (L5*=65), die weitere Badzusätze enthält.

Innerhalb der BIA Produktion wurde die Korrelation zwischen Farbwerten auf dem Bauteil und dem Anteil an Chrom und Fremdmetallen im Elektrolyten bestätigt. Zielsetzung in der Produktion war es bisher, einen möglichst neutralen und somit geringen b*-Wert zu erzielen. Dies wurde durch eine optimierte Ionentauscher-Anlage zur Aufbereitung des Elektrolyten erreicht.

Es lässt sich festhalten, dass dreiwertige Elektrolyte nahe eines neutralen b*-Wertes eingestellt werden können und die Optik so sechswertig verchromten Bauteilen entspricht. Aber es gibt Potentiale, durch gezielte Einstellung im Bereich von Zusätzen beispielsweise durch weitere Metallanteile, die Farbe der Chromschicht zu beeinflussen. Dies kann herstellerspezifisch für eine Anpassung des Fahrzeugambientes zum Beispiel hin zu einem wärmeren, freundlicheren Farbton genutzt werden. Bereits heute zeigen Designstudien diesen Trend zu einem Wohlfühlambiente entsprechend eines dritten Lebensraum Fahrzeug. Hier spielen Echtmetalloberflächen und wertige Anmutung weiterhin eine große Rolle, die durch dreiwertige Verchromung als Designelement erweitert werden.