Durch seine hohe Beständigkeit spielt Chrom bei der Veredelung und Legierung von Metallen eine wichtige Rolle. Darüber hinaus werden verschiedenste Chromverbindungen genutzt – als Pigment, als Katalysator oder für weitere chemische Prozesse.

Chrom (Elementsymbol: Cr) zählt als chemisches Element mit der Ordnungszahl 24 zu den so bezeichneten Übergangsmetallen. Unter diesem Begriff werden alle chemischen Elemente zusammengefasst, die gleichzeitig Metalle darstellen. Zudem wird Chrom gemäß der IMA-Statuten (IMA: International Mineralogical Association) ebenfalls als Mineral eingestuft.

In der Natur selbst kommt Chrom nur vergleichsweise selten in reiner Form vor. Bislang gibt es dazu weltweit lediglich ein Dutzend Fundorte.

Zusätzlich wird im Tagebau oder in lediglich geringer Tiefe Chromeisenstein (alternativ auch als Chromit bezeichnet) abgebaut. Allerdings beträgt der Chromanteil in diesem Fall nur rund 45 Prozent.

Das Hauptvorkommen befindet sich dabei in Südafrika. Die dortigen Ressourcen decken den weltweiten Bedarf allein um rund 50 Prozent. Weitere wichtige Vorkommen gibt es in Indien, Simbabwe, Kasachstan und Finnland. Durch die Reduktion des Erzes mit Silicium oder Aluminium wird metallisches Chrom gewonnen.

Neben Chromeisenstein sind noch über 100 weitere chromhaltige Mineralien bekannt. Teilweise weisen diese einen deutlich höheren Chromanteil als Chromeisenstein auf, kommen aber selbst nur spärlich in der Natur vor. Typische Beispiele hierfür sind

• Ferchromid mit einem Chromanteil von rund 87 Prozent und
• Grimaldiit mit einem durchschnittlichen Chromanteil von über 60 Prozent.

Eigentlich wurde Chrom bereits im Jahr 1761 von dem deutschen Geologen, Mineralogen und Arzt Johann Gottlob Lehmann im Ural entdeckt. Darauf deuten seine Aufzeichnungen hin, in denen er den Fund von rotem Bleierz dokumentierte. Im Zuge der folgenden Untersuchungen blieb der Chrom-Bestandteil allerdings unentdeckt.

Stattdessen sah man den Fund als eine Verbindung aus Schwefel, Arsen und Eisen an. An gleicher Stelle entdeckte dann der preußische Geograph, Naturforscher und Entdeckungsreisender Peter Simon Pallas nur ein Jahr später ein rotes Bleimineral, das aufgrund der außergewöhnlichen Rotfärbung den Namen Krokoit erhielt.

Erst 1797 erkannten Wissenschaftler, Forscher und Geologen bei weitergehenden Untersuchungen den Chrom-Gehalt. Sie definierten diesem Chrom-Bestandteil dabei zunächst als unbekannte metallische Substanz.

Der Durchbruch gelang nur ein Jahr später: Im Rahmen von mehreren Versuchsreihen gelang es dem französischen Chemiker und Apotheker Louis-Nicolas Vauquelin, elementares Chrom aus der Verbindung von Krokoit und Salzsäure zu gewinnen. Bei weiteren Experimenten konnte er Chromoxid auch in Smaragden, Rubinen und anderen Edelsteinen nachweisen.

Den Namen Chrom (das griechische Wort für Farbe) erhielt das chemische Element aufgrund der enthaltenen vielfarbigen Salze. Im gesamten 19. Jahrhundert wurde Chrom dann auch hauptsächlich als Farbpigment verwendet. Erst im 20. Jahrhundert nutzte die Industrie das chemisch-metallische Element Chrom schließlich auch in Form von Legierungen auf Basis von Chromverbindungen.

Um an den Chromanteil im Erz zu gelangen, wird in einem ersten Arbeitsschritt das geförderte Chromit vom tauben Gestein befreit. Anschließend erfolgt bei einer Temperatur von ca. 1.200 °C ein oxidierender Aufschluss zum Chromat bzw. zum Natriumchromat. Hierbei handelt es sich um Salze der Chromsäure. Danach muss das Natriumchromat mit heißem Wasser extrahiert werden, bevor es unter Zugabe von Schwefelsäure ins Dichromat (ein Salz mit zwei Chrom-Atomen) überführt wird.

Bei diesen Prozessschritten ist äußerste Sorgfalt und Vorsicht geboten. Denn Chromate und auch Chrom(VI)-Verbindungen sind stark giftig, karzinogen (krebserzeugend) und wassergefährdend. Beispiele hierfür sind neben Natriumchromat auch Lithiumchromat, Zinkchromat, Kaliumdichromat, Strontiumchromat und Ammoniumdichromat. Eine Ausnahme bildet dabei das wasserunlösliche Bariumchromat.

Beim Abkühlen der Lösung aus Schwefelsäure und Natriumchromat kristallisiert sich das Chromat als Dihydrat (übliche Form der Salze). Nachfolgend wird eine Reduktion mit Kohle herbeigeführt, um Chrom(III)-oxid zu erhalten. Im letzten Arbeitsschritt wird das Chrom(III)-oxid durch die aluminothermische Reduktion zu Chrom umgewandelt. Diese Reduktion stellt ein häufig verwendetes Verfahren zur kohlenstofffreien Herstellung bzw. Gewinnung hochschmelzender Metalle dar, bei dem die Oxide chemischer Elemente mithilfe von Aluminium produziert werden.

Dieser letzte Schritt ist nötig, da durch die Reduktion mit Kohle allein kein Chrom hergestellt werden kann. Denn aus dieser Reduktion entsteht Chromkarbid. Soll reineres Chrom gewonnen werden, geschieht dies durch die elektrolytische Abscheidung von bestimmten Ionen aus schwefelsaurer Lösung. Entsprechende Lösungen lassen sich herstellen, indem Ferrochrom oder Chrom(III)-oxid in Schwefelsäure aufgelöst wird.

Um diesbezüglich Ferrochrom als Ausgangsstoff zu nutzen, ist vorher allerdings eine Abtrennung des Eisens erforderlich. Ferrochrom wird dabei im Lichtbogenofen bei 2.800° C durch die Reduktion mit Chromit erzeugt. Es ist auch möglich, extrem reines Chrom zu erzeugen. Hierfür sind weitere Reinigungsschritte im Rahmen des so genannten van-Arkel-de-Boer-Verfahrens nötig.

Die Verwendung von Chrom(IV)-Verbindungen ist seit einigen Jahren innerhalb der EU stark eingeschränkt respektive ohne spezielle Erlaubnis bzw. Zulassung verboten. Davon sind etliche Branchen und Bereiche sowohl direkt (zum Beispiel die Galvanikbranche) als auch indirekt (zum Beispiel der Maschinen- und Werkzeugbau) betroffen.

Denn Chrom(VI)-oxid stellte mit seinem breiten Anwendungsspektrum bis dahin für eine Vielzahl von Oberflächenbehandlungen eine wesentliche Basis dar, um optisch ansprechende Oberflächen zu erzeugen und gleichzeitig den Korrosionsschutz zu erhöhen.

Bereits 2013 setzte die EU Chrom(IV) auf die Liste der europäischen Chemikalien-Verordnung REACH für zulassungspflichtige Stoffe. Hintergrund hierfür ist die Einordnung von Chrom(IV) in die

• Kategorie 1 (krebserzeugende Stoffe und Substanzen) sowie in die
• Kategorie 2 (erbgutverändernde Stoffe und Substanzen). Grundlage hierfür bildet die CLP-Verordnung (Classification, Labelling and Packaging).

Im September 2017 wurde im Rahmen des sogenannten “sunset date” zwar noch kein generelles Verbot für sechswertige Chromverbindungen ausgesprochen, aber seitdem ist der Einsatz von Chrom(IV)-haltigen Stoffen nicht mehr ohne eine im Vorfeld beantragte Zulassung möglich. Als optimale Alternative hat sich hier inzwischen Chrom(III) etabliert. Diese Form ist zwar aufwendiger in der Verarbeitung, gilt jedoch als weniger umwelt- und gesundheitsgefährdend.

Für Chrom charakteristisch ist eine weiß-silbrige Farbgebung und eine Oberflächen-Haptik, die sich kühl und glatt anfühlt. Zudem lässt sich Chrom im Rohzustand hervorragend bearbeiten. Dies spiegelt sich vor allem in der guten Formbarkeit und den guten Voraussetzungen für das Schmieden wider. Außerdem weist das Metall eine vergleichsweise hohe Hitzebeständigkeit auf und präsentiert sich korrosionsbeständig. Dieser Effekt wird durch die geringe Benetzbarkeit von Chrom noch zusätzlich gesteigert.

Das betrifft übrigens nicht nur das Chrom selbst. Auch lediglich mit Chrom beschichtete Materialien sind vor Hitze, Korrosion und Rissen geschützt. Dementsprechend wird Rost ferngehalten und die Belastbarkeit des beschichteten Materials deutlich erhöht. Hinzu kommen die optischen Vorteile durch das glänzende Erscheinungsbild von Chrom bzw. Chrom-Beschichtungen.

Obendrein zeichnen sich verchromte Werkstücke durch eine niedrige Reibungszahl, Griffunempfindlichkeit, eine hohe Anlaufbeständigkeit sowie eine geringe Klebneigung aus. Ein wesentlicher Vorteil von Chrom ist zudem die Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischer Einwirkung von Säuren, Salzlösungen, Alkalien und Gasen. Daher können Chromschichten lediglich von Salz- und Flusssäure, konzentrierte Schwefelsäure sowie Königswasser in starker Form angegriffen werden.

• Chromgelb dient teilweise als postgelbes Farbpigment, Mittel zur iodometrischen Bestimmung von Blei und Fälschungsanalyseinstrument bei Gemälden.
• Chromoxidgrün wird vor allem zum Glasfärben und als Emaillefarbe genutzt.
• Chromdioxid ist wichtig für die Fertigung von Magnetbändern mit hervorragendem Signal-Rausch-Verhältnis.
• Kaliumdichromat ist als extrem giftig eingestuft, wird allerdings als kräftiges Oxidationsmittel eingesetzt.
• Chromsäure ist teilweise Bestandteil einiger Chromaten und Dichromaten.

Die eigenen Eigenschaften machen Chrom und Chromverbindungen sehr interessant für Anwendungen unterschiedlichster Art. Vor allem die Beständigkeit und die glänzende Optik stehen dabei im Fokus. Dies sind die Einsatzbereiche mit besonders hoher Relevanz:

• in der Metallurgie als spezielles Legierungselement in nicht rostenden, hitze- und korrosionsbeständigen Stählen sowie bei Legierungen aus Nichteisenmetallen (kurz: NE-Legierungen)
• im Motorbau und ähnlichen Industriezweigen als Hartverchromung durch das galvanische Aufbringen einer Verschleißschutzschicht direkt auf Materialien aus Stahl, Gusseisen, Kupfer und auch Aluminium (Beispiel: hartverchromte Aluminiumzylinder)
• in vielen verschiedenen Branchen als Dekorverchromung in Verbindung mit einer Zwischenschicht aus Nickel oder Nickel-Kupfer (alternativ wird hier auch das Achrolyte-Verfahren genutzt)
• in Form einer Chromatierung zur Passivierung von galvanischen Zinkschichten
• bei der Herstellung von Leder (hier: Chromgerbung)
• als eine Art Katalysator zum Realisieren oder zur Beschleunigung von chemischen Verfahren

Insbesondere bei der Metallverarbeitung ist Chrom ein begehrter und oft eingesetzter Werkstoff. Chrom oder auch Chromverbindungen kommen dabei überall dort zum Einsatz, wo eine Kombination aus hoher Widerstandskraft gegenüber chemischem bzw. mechanischem Verschleiß und optische Attraktivität gefragt ist. Dies ist in erster Linie im Bereich der Oberflächen- und Veredelungstechnik gefragt.

Durch eine Oberflächenbeschichtung mit Chrom bzw. einer Chromverbindung gehen die damit verbundenen Eigenschaften direkt auf die bearbeitete Oberfläche über. Erst dadurch erfüllen viele Bauteile erst die jeweils erforderlichen Anforderungen im Hinblick auf Beständigkeit, Funktionalität und Optik. Hartverchromungen kommen zum Beispiel bei Groß- und Kleinbauteilen, wie zum Beispiel Wellen, Walzen oder Kolbenstangen, zum Einsatz.

Hartchromschichten übernehmen dabei gerade im Segment der Metallverarbeitung den wichtigen Schutz gegen Verschleiß und Korrosion. Dadurch stellt Chrom bzw. die Beschichtung mit Chrom oder Chromverbindungen gleichzeitig einen wesentlichen wirtschaftlichen Schutzfaktor dar, da auf diese Weise die Widerstandsfähigkeit und damit auch die Haltbarkeitsdauer von Bauteilen oder anderen Produkten optimiert wird.

Eine solche Hartchrom-Beschichtung lässt sich auch als basisorientierter Reproduktionstyp definieren. Das bedeutet: Die jeweils verchromte Oberfläche spiegelt stets die Oberflächenbeschaffenheit des Basismaterials wider. Daher ist in der Regel eine mechanische Oberflächenbehandlung vor dem Verchromen erforderlich.

Die Oberflächengüte muss vor dem Verchromen gewährleistet sein

Dabei kann jedes Werkstück partiell oder komplett verchromt werden. Die Chromschichten weisen dabei aus technischer Sicht zumeist eine Dicke zwischen 15 und 500 μm auf. Für reine Dekorzwecke genügen in der Regel noch dünnere Schichten von weniger als 1 μm. Welche Dicke letztendlich gewählt wird, hängt davon ab, welchen chemischen oder mechanischen Beanspruchungen das verchromte Werkstück im späteren Anwendungsszenario tatsächlich unterliegt.

Wie geschlossen und gleichmäßig eine Hartchrom-Beschichtung ausfällt, ist immer abhängig von der Oberflächengüte des Basismaterials vor der Verchromung. Denn mögliche Riefen, Risse, Unebenheiten, Kratzer, Poren oder auch Strukturfehler können durch das Auftragen einer Hartchromschicht weder eingeebnet oder überdeckt noch in irgendeiner Form ausgeglichen werden.

Zudem stellt Chrom eines der bedeutendsten Legierungselemente zur Herstellung von hitze- und korrosionsbeständigen Stählen dar. Der Stahl wird dabei durch Chrombeimischungen öl- bzw. lufthärtbar. In hierfür benötigten Legierungen fungiert Chrom als Karbidbildner.

Mithilfe der erzeugten Karbide in Form von bestimmten Metall-Kohlenstoff-Verbindungen können Eigenschaften wie

• Verschleißfestigkeit,
• Schnitthaltigkeit sowie
• Warmfestigkeit

wesentlich verbessert werden. Um dabei auch eine nachhaltige Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, fügen die Hersteller dem Stahl mindestens einen Anteil von 13 Prozent Chrom hinzu.

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