Das Strategic Environmental Research and Development Program (SERDP) und Environmental Security Technology Certification Program (ESTCP) Weapons Systems and Platforms Program Area hat eine Strategie entwickelt, um die Verwendung von Cadmium (Cd) und sechswertigem Chrom (Cr6+) in den Wartungsdepots des Verteidigungsministeriums (DoD) in den nächsten fünf Jahren um 90 % oder mehr zu reduzieren. Die Strategie umfasst Ziele, Messgrößen und Maßnahmen, die zeigen, wie diese Reduzierung erreicht werden kann. Die Strategie setzt Standortdemonstrationen ein und nutzt DoD-Ressourcen, um Prozesse in der gesamten DoD-Depotgemeinschaft zu replizieren. Sie enthält auch einen empfohlenen zukünftigen Pfad für den Erfolg im Bereich der fortschrittlichen Beschichtungen.
Der Begriff „sechswertiges Chrom“ ist eine Kurzbezeichnung für chemische Verbindungen, die das Element Chrom in der positiven 6-Valenzstufe enthalten. Metallisches Chrom liegt in der Wertigkeitsstufe Null vor und natürlich vorkommendes Chromoxid enthält Chrom in der positiven Wertigkeitsstufe 3, auch dreiwertiges Chrom oder Cr(III) genannt. Diese Unterscheidung ist wichtig, da Cr(VI) wesentlich toxischer ist als die anderen Formen von Chrom
Hexavalentes Chrom ist ein bekanntes Karzinogen, wobei der Hauptexpositionsweg das Einatmen von Dämpfen oder Staub ist. Das primäre Gesundheitsrisiko durch die Exposition gegenüber Cr(VI) ist eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, an Lungenkrebs zu erkranken. Weitere mögliche Gesundheitsrisiken sind Asthma, Nasenscheidewandgeschwüre und -perforationen sowie Dermatitis. Im Jahr 2006 senkte die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) den Grenzwert für die zulässige Exposition (PEL) um das Zehnfache von 52 auf 5 Mikrogramm pro Kubikmeter, was es zu einem der am strengsten regulierten Materialien macht, die in Produktions- und Wartungsbetrieben verwendet werden.
Der Grenzwert für die zulässige Exposition (PEL) ist die maximale Konzentration einer Chemikalie, der ein Arbeiter ausgesetzt werden darf, und basiert in der Regel auf einem Durchschnittswert im Verlauf einer 8-Stunden-Arbeitsschicht.
Trotz seiner Toxizität hat Cr(VI) eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften und wird seit mehr als 50 Jahren in Beschichtungen und Ausrüstungen für Materialien wie Aluminiumlegierungen, Stähle, Magnesiumlegierungen und andere verwendet. Wenn es in Beschichtungen eingearbeitet wird, bietet Cr(VI) in Form von Chromatverbindungen einen hervorragenden Korrosionsschutz für fast alle Metalle in einer Vielzahl von Umgebungen. Wenn eine Beschichtung beschädigt wird, z. B. durch einen Kratzer, der das Grundmaterial freilegt, können die Chromate aufgrund ihrer Löslichkeit in den freigelegten Bereich wandern und die Korrosion verhindern. Chromate werden in einer Vielzahl von militärischen Anwendungen zur Metallveredelung eingesetzt, darunter:
- Konversionsbeschichtungen auf Aluminium-, Magnesium-, und Titanlegierungen
- Korrosionsinhibitoren in Grundierungen
- Versiegelung von Eloxalschichten
- Nachbehandlung von korrosionsbeständigen Opferschichten wie Cadmium
- Vorbehandlungen von Stahloberflächen vor der Beschichtung
- Haftgrundierungen
Viele Chromate werden verwendet, um Korrosionsbeständigkeit in so genannten Beschichtungsstapeln zu verleihen.“ Ein Beispiel: Die meisten Flugzeugrümpfe werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt, die korrosionsanfällig sind. Der Beschichtungsaufbau könnte aus einer dünnen Chromat-Umwandlungsbeschichtung bestehen, die eine gewisse Korrosionsbeständigkeit verleiht und die Haftung der nachfolgenden Beschichtungen verbessert, gefolgt von einer Grundierung, die eine Chromatverbindung enthält, und einer Polyurethan-Deckbeschichtung.
Die meisten potenziellen Expositionen und Freisetzungen im Zusammenhang mit Chromaten treten bei Prozessen zur Entfernung von Beschichtungen auf, wie z. B. beim Perlstrahlen, Schleifen/Schleifen und Abbeizen von Metalloberflächen und/oder Beschichtungen. Weitere Expositionen können bei der Anwendung von Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen auftreten, bei denen Dämpfe freigesetzt werden, die Cr(VI) enthalten.
In anderen Anwendungen werden Komponenten von Waffensystemen in Tanks mit Chromsäurelösungen, in denen sich das Chrom im sechswertigen Zustand befindet, entweder zur Anodisierung oder zur Hartverchromung gelagert. Diese Anwendungen dienen eher der Verschleißfestigkeit und, im Falle der Hartverchromung, der Wiederherstellung von Maßtoleranzen bei vielen Arten von Komponenten. Bei diesen Prozessen gibt es kein Cr(VI) im Endprodukt, aber die Dämpfe, die aus den Tanks austreten, enthalten Cr(VI) und daher müssen erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um sicherzustellen, dass die Exposition der Arbeiter unter dem PEL-Wert liegt.
Eine letzte Möglichkeit der Exposition von Cr(VI)-Arbeitern besteht in der Hochtemperaturverarbeitung von chromhaltigen Materialien, wie z.B. Schweißen und Löten, bei denen Dämpfe entstehen können, die Cr(VI) enthalten.
Das Verteidigungsministerium ist bestrebt, die Verwendung von Cr(VI)-haltigen Materialien und Prozessen zu reduzieren. Dies spiegelt sich in der Herausgabe eines Memorandums des Under Secretary of Defense for Acquisition, Technology and Logistics vom 8. April 2009 mit dem Titel „Minimizing the Use of Hexavalent Chromium.“ Darin erklärte der Staatssekretär: „Aufgrund der ernsten Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt, die mit der Verwendung von Cr(VI) verbunden sind, nehmen die nationalen und internationalen Beschränkungen und Kontrollen zu. Diese Beschränkungen werden die regulatorischen Belastungen und die Lebenszykluskosten für das DoD weiter erhöhen und die Verfügbarkeit von Material verringern.“ Er erklärte weiter: „Dies ist eine außergewöhnliche Situation, die das DoD dazu zwingt, über die etablierten Prozesse des Gefahrstoffmanagements hinauszugehen.“ Er wies die militärischen Abteilungen an:
- Investieren Sie in angemessene Forschung und Entwicklung von Ersatzstoffen
- Sichern Sie die Finanzierung von Tests, um alternative Materialien und Prozesse zu qualifizieren
- Zulassen Sie die Verwendung von Alternativen, wenn diese eine angemessene Leistung erbringen können
- Aktualisieren Sie alle relevanten technischen Dokumente und Spezifikationen, um die Verwendung von qualifizierten Alternativen zuzulassen
- Dokumentieren Sie systemspezifische Cr(VI)-Risiken und die Bemühungen, Alternativen in der Programmatic Environment zu qualifizieren, Sicherheits- und Arbeitsschutzbewertung für das System
- Wissen aus Forschung, Entwicklung, Test und Bewertung von Alternativen weitergeben
- Vom Program Executive Office (PEO) oder einer gleichwertigen Ebene die Bestätigung verlangen, dass es keine akzeptable Alternative gibt, wenn Cr(VI) in einem neuen System verwendet werden soll
Dieses Memorandum wird in einem neuen Defense Federal Acquisition Regulation Supplement (DFARS) formalisiert, das 2011 veröffentlicht wird. In dem Memorandum wird auch die Rolle von SERDP als Informationsquelle für Alternativen hervorgehoben.
SERDP und ESTCP haben in den letzten 15 Jahren große Investitionen in den Bereich
Cr(VI) getätigt. Angesichts des breiten Anwendungsspektrums und der langjährigen Verwendung von Cr(VI) waren Investitionen erforderlich, die von der Grundlagenforschung über die fortgeschrittene Entwicklung bis hin zur Prüfung und Bewertung für die Akzeptanz von Alternativen reichen. Die Grundlagenforschung hat sich auf das Verständnis der korrosionshemmenden Mechanismen von Cr(VI)-haltigen Verbindungen und alternativen Inhibitoren konzentriert. Die fortgeschrittene Entwicklung hat auf der Grundlagenforschung aufgebaut, um neue Materialien, neue Testverfahren und neue Beschichtungstechnologien zu entwickeln. In Demonstrationen wurden Validierungsdaten für alternative Beschichtungen auf zahlreichen Waffensystemkomponenten gesammelt. Diese Investitionen wurden von zahlreichen Workshops geleitet, die von SERDP und ESTCP gesponsert wurden, und haben zu einer weit verbreiteten Implementierung von Cr(VI)-Alternativen in den DoD-Depots und bei den Erstausrüstern geführt.
Ein Beispiel: In den späten 1990er Jahren sponserte ESTCP das Hard Chrome Alternatives Team (HCAT), das Materialexperten des DoD und Endanwender, Waffensystemhersteller und Anbieter von Beschichtungen zusammenbrachte, um keramisch-metallische Beschichtungen im Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffspritzverfahren (HVOF) als Alternative zur Hartverchromung zu demonstrieren und zu validieren, vor allem bei Flugzeugkomponenten wie Fahrwerken, hydraulischen Aktuatoren und Komponenten von Gasturbinenmotoren. Dies führte zur Einführung von HVOF-Beschichtungen auf Komponenten vieler militärischer Flugzeugtypen. Die Arbeit des HCAT hat zusammen mit zusätzlichen Qualifizierungsstudien der Industrie zur Einführung von HVOF-Beschichtungen auf Fahrwerken aller neuen Verkehrsflugzeuge geführt.
In jüngerer Zeit haben SERDP und ESTCP die Initiative Advanced Surface Engineering Technologies for a Sustainable Defense (ASETSDefense) ins Leben gerufen, die durch regelmäßige Workshops und eine Website Alternativen zu
Cr(VI) und anderen umweltgefährdenden Materialien in der Oberflächentechnik fördert. Die ASETSDefense-Website ( www.asetsdefense.org) enthält eine Datenbank für Oberflächentechnik, die Forschern und Endanwendern den Zugriff auf Labor- und Feldtestdaten, Genehmigungen und Implementierungen von Alternativen zu gefährlichen Materialien und Prozessen, einschließlich Cr(VI), ermöglicht.