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EHLA Laserauftragschweißen bietet Alternative zu Chrom(VI)

| Autor/ Redakteur: Sabrina Vogt / Stéphane Itasse

Beschichten Das Hartverchromen ist in der Europäischen Union und anderen Ländern immer stärkeren Restriktionen unterworfen. Die neue High-Speed-Variante des Laserauftragschweißens EHLA bietet sich als wirtschaftliches und sicheres Verfahren an.

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Das ultraschnelle Laserauftragschweißen (EHLA) ist ein attraktives und wirtschaftliches Verfahren, um Bauteile für den Verschleiß- und Korrosionsschutz zu beschichten.
Das ultraschnelle Laserauftragschweißen (EHLA) ist ein attraktives und wirtschaftliches Verfahren, um Bauteile für den Verschleiß- und Korrosionsschutz zu beschichten.
(Bild: Trumpf)
  • Anwender von Chrom(VI)-Beschichtungen suchen nach ungefährlichen Alternativen, um der politischen Regulierung von Chrom(VI) zu entgehen.
  • Das ultraschnelle Laserauftragschweißen EHLA ermöglicht eine wirtschaftliche Erzeugung von Schichten, die das Hartverchromen sogar übertreffen.
  • Im Vergleich zum thermischen Spritzen (HVOF) bietet EHLA eine bessere Pulvernutzung und benötigt weniger Prozessgas.

Mit Chromtrioxid – besser bekannt als Chrom(VI) – setzte die Europäische Union erstmals einen Stoff auf die schwarze Liste, der in der Industrie auf breiter Basis eingesetzt wird. Die Reach-Verordnung sammelt besorgniserregende Stoffe, die fortan nur mit spezieller Erlaubnis verarbeitet werden dürfen. Chrom(VI) ist hochtoxisch und die Verarbeiter müssen entsprechend kostspielige Maßnahmen zum Arbeitsschutz und Handling treffen.

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Chrom(VI) wird insbesondere zum Hartverchromen als Verschleiß- und Korrosionsschutz für Bauteile eingesetzt, die außergewöhnlichen Belastungen ausgesetzt sind, zum Beispiel Arbeitswalzen oder Hydraulikzylinder in der Stahl-, Gas- und Ölbranche. Europäische Firmen suchen nach sicheren und wirtschaftlichen Alternativverfahren. Und obwohl bislang noch kein Importverbot aus Nicht-EU-Ländern besteht, passen sich auch andere Märkte an: In Japan und China kontrollieren die Behörden den Einsatz von Chrom(VI) stärker als bisher. Insbesondere chinesische Firmen sind Vorreiter bei alternativen Verfahren.

Ultraschnelles Laserauftragschweißen

Ein vielversprechender Player auf dem Markt der Alternativverfahren ist extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen, kurz EHLA. Entwickelt wurde EHLA vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen. Der wesentliche Unterschied zum herkömmlichen Laserauftragschweißen besteht darin, dass der Laserstrahl die Metallpartikel schon vor dem Auftreffen auf das Werkstück aufschmilzt und nicht erst auf dessen Oberfläche. Das hat vier positive Folgen:

  • Mittels EHLA können extrem geringe Schichtdicken von 25 bis hin zu 300 µm je Einzelschicht erzielt werden.
  • Die Schicht verfügt über eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit Rz von 10 bis 20 µm. Sie ist also besonders glatt und bedarf keiner oder nur geringer Nachbearbeitung.
  • Die Wärmeeintragszone beträgt gerade einmal 5 bis 10 µm. Das erlaubt es erstmals, auch Komponenten aus hitzeempfindlichem Material wie Aluminium und Gusseisenlegierungen gegen Verschleiß zu beschichten.
  • Entscheidend ist aber die gesteigerte Bearbeitungsgeschwindigkeit. Mit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 500 m/min sind auch Aufbauraten von 1000 cm²/min möglich, so dass jetzt auch Großbauteile wirtschaftlich per Laserauftragschweißen beschichtet werden können.

Stoffschlüssige Verbindung und hohe Materialausnutzung

Mit diesen Eigenschaften stellt das EHLA sogar das Ausgangsverfahren Hartverchromen in den Schatten. Zusätzlich kommt es ohne Chemikalien aus und benötigt deutlich weniger Energie. Doch auch das Ergebnis ist besser: Anders als das Hartverchromen erzeugt EHLA eine stoffschlüssige, dichte Verbindung der Schicht zur Bauteiloberfläche. Risse und Poren – wie man es beim Hartverchromen kennt – treten nicht auf und die Schutzschicht kann daher nicht abplatzen. Der Verschleißschutz ist entsprechend besser und hält länger.

Da aber das Hartverchromen ohnehin unter Regulierungsdruck steht, ist auch der Vergleich zu anderen Alternativverfahren zur Beschichtung relevant. Unter diesen hat sich derzeit vor allem das High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) – bekannt als „thermisches Spritzen“ – durchgesetzt. Hier werden Werkstoffpartikel durch eine Flamme angeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf eine Oberfläche gespritzt. Die Werkstoffpartikel verformen sich bei dem Aufprall und verklammern sich dabei untereinander und mit der Werkstückoberfläche. Die dadurch entstehenden Schichten haften daher nur schwach an der Oberfläche. Somit sind die erzielbaren Schichtdicken limitiert. Zudem ist die gespritzte Schicht, wie beim Hartverchromen, nicht stoffschlüssig. Der entscheidende Faktor aber ist der Ressourcenverbrauch und die Wirtschaftlichkeit in der Produktion: Beim thermischen Spritzen werden große Gasmengen benötigt und nur circa 50 % des Pulverwerkstoffes umgesetzt, während beim EHLA deutlich weniger Prozessgas verwendet und ein Pulverwirkungsgrad von 90 % erreicht wird.

* Sabrina Vogt ist Branchenmanagerin Laseroberflächentechnologie bei der Trumpf GmbH + Co. KG in 71254 Ditzingen

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