3 Arten der Metalloberflächen-Vorbehandlungstechnologie: Der vollständige Leitfaden

Der Begriff "Oberflächenvorbehandlung" bezieht sich auf die mechanische, chemische oder elektrochemische Behandlung von Werkstoffen und ihren Erzeugnissen vor der Oberflächenbearbeitung. Dieses Verfahren dient dazu, die Oberfläche zu reinigen, aufzurauen oder zu passivieren, so dass sie für die nachfolgende Oberflächenbehandlung oder -anpassung bereit ist.

Die Vorbehandlung von Metalloberflächen umfasst die folgenden Verfahren:

• Die Oberflächennivellierung, die sowohl die mechanische Nivellierung als auch die mechanisches Polieren.
• Ätzen, das durch chemisches Ätzen oder elektrochemisches Ätzen erfolgen kann.
• Oberflächenentfettung, die durch Entfettung mit organischen Lösungsmitteln, chemische Entfettung oder elektrochemische Entfettung erreicht werden kann.

Nivellierung der Oberfläche

Die Oberflächenglättung umfasst eine Vielzahl von Methoden, darunter: mechanisches Polieren, chemisches Polieren, elektrolytisches PolierenWalzen, Bürsten, Sandstrahlen und andere.

Das Besondere Verfahren zur Oberflächenbehandlung hängt vom Zustand der Teile und den technischen Anforderungen an die Arbeit ab.

1. Mechanisches Polieren

Das Hauptziel des Polierens besteht darin, die raue und unebene Oberfläche von Metallteilen glatt und eben zu machen. Zusätzlich kann es auch Grate entfernenZunder, Rost, Sandlöcher, Rillen, Blasen und andere Oberflächenfehler auf Metallteilen.

Das Polieren erfolgt mit einer elastischen Schleifscheibe, die an einer Schleifmaschine befestigt ist. Die Arbeitsfläche der Schleifscheibe ist mit Schleifpartikeln bedeckt, die wie winzige Schneidkanten wirken. Wenn sich die Schleifscheibe mit hoher Geschwindigkeit dreht, wird die Oberfläche des Metallteils sanft gegen die Arbeitsfläche der Schleifscheibe gedrückt, wodurch die erhabenen Teile der Oberfläche abgeschliffen und glatt und eben werden.

Die Wirksamkeit des Polierens hängt von den Eigenschaften des Schleifmittels, der Steifigkeit der Schleifscheibe und der Drehzahl der Schleifscheibe ab und kann bei allen metallischen Werkstoffen eingesetzt werden. Zu den üblicherweise zum Polieren verwendeten Schleifmitteln gehören künstlicher Korund und Schmirgel. Künstlicher Korund, der aus 90-95% Aluminiumoxid besteht und eine gewisse Zähigkeit aufweist, wird häufig verwendet, da er weniger spröde ist und seine Partikel mehr Kanten und Ecken aufweisen.

Abb. 1 Poliermaschine

Abb. 2 Al₂O₃ Schleifmittel (400X)

Schleifmittel können je nach Partikelgröße in verschiedene Sorten eingeteilt werden. Die Partikelgröße von Schleifmitteln wird normalerweise durch die Anzahl der Löcher pro Flächeneinheit (Quadratzentimeter) in einem Sieb bestimmt. Je höher die Anzahl der Siebe ist, desto kleiner sind die Löcher. Die Partikelgröße wird durch die Anzahl der Schleifmittel dargestellt, die durch das Sieb hindurchgehen können. Je mehr Schleifmittel hindurchgehen, desto feiner ist die Partikelgröße, und je weniger Schleifmittel, desto gröber ist die Partikelgröße.

In Tabelle 1 sind die Eigenschaften und Verwendungszwecke der gängigen Schleifmittel aufgeführt. In Tabelle 2 sind die am besten geeigneten Schleifscheibengeschwindigkeiten für das Polieren verschiedener metallische Werkstoffe.

Tabelle 1 Merkmale und Verwendungszwecke gängiger Schleifmittel

Tabelle 2: Optimale Schleifscheibendrehzahl für das Polieren verschiedener Metallwerkstoffe

2. Polieren

2.1 Mechanisches Polieren

Polieren ist eine Art von Schleifverfahren. Einige glauben, dass es durch das "Herausreißen" von Atomen aus der Oberflächenschicht des Werkstücks funktioniert, wodurch die untere Schicht aufgrund der Oberflächenspannung sofort glatt wird, bevor sie sich verfestigt. Andere halten das Polieren für eine Folge der Oberflächenspannung. Während des PolierverfahrenDie durch die Reibung erzeugte Wärme kann die Oberfläche erweichen oder sogar schmelzen, so dass es sich nicht nur um ein einfaches mechanisches Polierverfahren handelt.

Beim Polieren wird die metallische Oberflächenschicht aufgeschmolzen, erstarrt aber aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Trägermetalls schnell in einem amorphen Zustand. Vor dem Erstarren wird die Oberfläche durch die kombinierte Wirkung von Oberflächenspannung und Reibung durch das Poliermittel glatt.

Werkstücke, die ein hohes Maß an Oberflächengüte erfordern, sollten nach dem ersten Poliervorgang einer Feinpolitur unterzogen werden.

Mechanisches Polieren wird mit einem Poliermittel auf der Polierscheibe einer Poliermaschine durchgeführt. Bei dem Poliermittel kann es sich um eine Polierpaste oder eine Polierflüssigkeit handeln. Ersteres ist ein Gemisch aus Poliermittel und einem Klebstoff, wie Stearinsäure oder Paraffin. Letzteres ist ein Gemisch aus Schleifmittel und einer Öl- oder Wasseremulsion.

Da sich die Polierscheibe mit hoher Geschwindigkeit dreht, beseitigt sie leichte Unebenheiten auf dem Werkstück und verleiht ihm einen spiegelähnlichen Glanz. Mechanisches Polieren wird nicht nur zur Vorbehandlung der Oberfläche vor dem Galvanisieren eingesetzt, sondern auch zur Nachbearbeitung der Beschichtung nach dem Galvanisieren, um die Oberflächengüte zu verbessern.

Es ist wichtig zu wissen, dass sich das mechanische Polieren vom Polieren unterscheidet. Beim Polieren werden offensichtliche Metallspäne abgetragen, während beim mechanischen Polieren kein nennenswerter Metallverlust entsteht. Die hohe Temperatur, die durch die Reibung zwischen der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Polierscheibe und dem Werkstück entsteht, führt zu einer plastischen Verformung der Metalloberfläche und gleicht leichte Unebenheiten aus.

Darüber hinaus führt die wiederholte Entfernung der extrem dünnen Oxidschicht oder eines anderen Verbundfilms, der sich unter dem Einfluss der umgebenden Atmosphäre auf der Metalloberfläche gebildet hat, zu einer glatten und glänzenden Oberfläche.

2.2 Chemisches Polieren

Das chemische Polieren ist eine Form der kontrollierten chemischen Korrosion. Dabei handelt es sich um eine Metallbearbeitungsmethode, bei der das Metall in einer speziellen Polierlösung geätzt wird, wodurch die Oberfläche durch selektives Auflösen des Metalls eben und glänzend wird.

Im Vergleich zu anderen Polierverfahren bietet das chemische Polieren die Vorteile einer einfachen Ausrüstung, geringer Kosten, einfacher Bedienung, hoher Effizienz und der Unempfindlichkeit gegenüber Form und Struktur der Teile. Außerdem benötigt das chemische Polieren im Vergleich zum elektrolytischen Polieren keine Stromquelle und kann zur Bearbeitung von Werkstücken mit komplizierte Formen. Die Produktionseffizienz ist jedoch höher, aber die Qualität der Oberflächenbearbeitung ist geringer als beim elektrolytischen Polieren.

Das chemische Polieren ist eine Art elektrochemisches Verfahren, das dem elektrolytischen Polieren ähnelt. Die Reaktion des chemischen Polierens gehört zum Ätzen einer Mikrobatterie im elektrochemischen Prozess. Daher ist das Prinzip des chemischen Polierens dem des elektrolytischen Polierens ähnlich.

Während des chemischen Auflösungsprozesses bildet sich auf der Metalloberfläche ein Oxidfilm, der die Diffusionsgeschwindigkeit im kontinuierlichen Auflösungsprozess reguliert. Die konvexen Teile der Oberfläche lösen sich aufgrund der dünnen Dicke des Oxidfilms schneller auf, während sich die konkaven Teile langsamer auflösen.

Auf der Oberfläche von Stahlteilen bilden sich ständig eine passive Oxidschicht und eine Oxidschicht, wobei die erste stärker ist als die zweite. Aufgrund der Mikrounebenheiten der Oberfläche lösen sich die mikrokonvexen Teile schneller auf als die konkaven Teile. Die Auflösung des Films und die Filmbildung erfolgen gleichzeitig, aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.

Infolgedessen ist die Oberflächenrauhigkeit des Stahlteils wird geglättet, was zu einer glatten und glänzenden Oberfläche führt. Chemisches Polieren kann die durch mechanisches Polieren verursachte Oberflächenbeschädigung wirksam entfernen, da es eine stark auflösende Wirkung auf die Oberfläche hat.

2.3 Elektrolytisches Polieren

Beim Elektropolieren wird das Werkstück als Anode eingesetzt und eine Elektrolyse in einer speziellen Lösung durchgeführt. Während des Prozesses haben die mikroskopisch kleinen Teile der Werkstückoberfläche eine hohe Stromdichte und lösen sich schnell auf, während die Stromdichte in den Mikrovertiefungen gering ist, so dass die Auflösung langsam erfolgt. Das Ergebnis ist eine ebene und glänzende Oberfläche.

Elektropolieren wird üblicherweise für die dekorative Endbearbeitung von Teilen aus Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Aluminium und Kupfer sowie für die Oberflächenbearbeitung einiger Werkzeuge oder für die Herstellung hochreflektierender Oberflächen und metallografischer Proben verwendet.

Phosphorsäure-Chromsäureanhydrid-Polierlösung wird häufig für Eisen- und Stahlwerkstoffe verwendet und enthält Bestandteile wie Phosphorsäure, Schwefelsäure, Chromsäureanhydrid und Zusatzstoffe wie Korrosionsschutzmittel, Aufheller und Verdickungsmittel. Die Kathode besteht in der Regel aus Blei und die Versorgungsspannung kann 12 V betragen.

In den letzten Jahren ist mit der wachsenden Nachfrage nach Edelstahlprodukten auch die Nachfrage nach elektrolytischen Polierlösungen gestiegen. Um die Umweltverschmutzung durch elektrolytische Polierlösungen, die Phosphorsäure und Chromsäureanhydrid enthalten, zu vermeiden, hat China Anstrengungen unternommen, um umweltfreundliche elektrolytische Polierlösungen für Edelstahl zu entwickeln, und hat dabei erhebliche Fortschritte erzielt.

In Tabelle 3 sind die Zusammensetzung der Lösung und die Verarbeitungsbedingungen für verschiedene neue elektrolytische Polierlösungen für rostfreien Stahl aufgeführt. In den Formeln 1 und 2 der Tabelle wird kein Chromsäureanhydrid verwendet, wodurch das Problem der Abwasserableitung gelöst wird und ein umweltfreundliches elektrochemisches Poliermittel zur Verfügung steht.

Tabelle 3: Zusammensetzung der Lösung und Verfahrensbedingungen für das umweltfreundliche Elektropolieren von rostfreiem Stahl

Im Vergleich zum mechanischen Polieren wird beim Elektropolieren die polierte Oberfläche durch elektrochemische Auflösung nivelliert, wobei keine Verformungsschicht auf der Oberfläche zurückbleibt und die Vermischung mit Fremdstoffen vermieden wird. Darüber hinaus führt der Elektrolyseprozess zu einer Sauerstoffausscheidung, die eine Oxidschicht auf der polierten Oberfläche bildet, was deren Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Elektropolieren eignet sich auch für Teile mit komplexen Formen, Drähte, dünne Platten und kleine Teile, die mechanisch schwer zu polieren sind. Neben der Nivellierung kann das Elektropolieren auch Oberflächeneinschlüsse entfernen und Defekte wie Risse, Sandlöcher und Einschlüsse auf der Oberfläche von Teilen sichtbar machen.

3. Walzen

Walzen ist eine gängige Methode zur Oberflächenvorbereitung vor dem Beschichten oder zur Oberflächenmodifikation nach dem Beschichten großer Mengen kleiner Teile. Walzpolieren ist ein Verfahren, bei dem Teile und Schleifmittel zusammen in eine Trommel- oder Glockenmaschine zum Walzschleifen gelegt werden, um Grate entfernenRauheit und Rost von der Oberfläche der Teile zu entfernen und eine glatte Oberfläche zu erzielen.

Zusätzlich zu den Schleifmitteln werden während des Walzens häufig chemische Reagenzien wie Säure oder Lauge zugegeben. Der Walzprozess dient also dazu, Grate, Rauheit und Rost zu entfernen, während die Teile und Schleifmittel zusammen rollen, und auch die Rolle der chemischen Reagenzien.

Abb. 3 ist eine schematische Darstellung des Kalanders.

Abb. 3 Schematische Darstellung des Kalanders

Durch Walzpolieren können Ölflecken und Oxidablagerungen auf der Oberfläche von Teilen entfernt und eine glänzende Oberfläche erzeugt werden. Es kann das Polieren teilweise oder vollständig ersetzen, ist aber nur für große Mengen von Teilen mit geringen Anforderungen an die Oberflächenrauheit geeignet.

Das Walzen kann in die Trocken- und die Nassmethode unterteilt werden. Bei der Trockenmethode werden Schleifmittel wie Sand, Schmirgel, Glasscherben und Leder verwendet, während bei der Nassmethode Stahlkugeln, zerkleinerte Steine, Sägemehl, Lauge, Teepulver usw. als Schleifmittel eingesetzt werden.

Die Drehgeschwindigkeit beim Walzen hängt von den Eigenschaften der Teile und der Trommelstruktur ab und liegt normalerweise zwischen 15 und 50 U/min. Ist die Drehzahl zu hoch, verhindert die Zentrifugalkraft, dass die Teile in der Trommel aneinander reiben, was die Wirksamkeit des Walzens verringert. Ist die Drehzahl hingegen zu niedrig, ist der Wirkungsgrad gering.

Wenn sich während des Walzens große Mengen an Ölflecken oder Rost auf der Oberfläche der Teile befinden, sollte zuerst entfettet und geätzt werden. Bei geringen Ölverschmutzungen kann eine kleine Menge alkalischer Substanzen oder Emulgatoren wie Natriumcarbonat, Seife oder Seifenschalenpulver zum Walzen zugegeben werden. Bei Teilen mit rostigen Oberflächen kann verdünnte Schwefelsäure oder Salzsäure zugesetzt werden. Nachdem die Teile in dem sauren Medium gewalzt wurden, sollte die saure Lösung sofort abgespült werden.

4. Bürsten

Beim Bürsten handelt es sich um eine Oberflächenbearbeitungstechnik, bei der ein Bürstenrad aus Materialien wie Metalldraht, Tierhaar oder natürlichen oder synthetischen Fasern verwendet wird. Diese Methode wird hauptsächlich zur Entfernung von Oberflächenverunreinigungen wie Oxidation, Rost, Schweißschlacke, alter Farbe und anderen Verunreinigungen eingesetzt. Darüber hinaus wird das Bürsten auch eingesetzt, um Grate zu entfernen, die nach der Bearbeitung an den Kanten eines Werkstücks zurückgeblieben sind.

Die am häufigsten verwendeten Bürstenräder sind aus Stahl- oder Messingdraht gefertigt. Ist das Werkstückmaterial hart, sollte eine Bürstenscheibe aus Stahldraht mit hoher Steifigkeit in Verbindung mit einer hohen Drehzahl verwendet werden. Für weichere Materialien empfiehlt sich dagegen ein Messingdraht-Bürstenrad.

Das Bürsten kann entweder maschinell oder manuell erfolgen. Bei beiden Methoden wird in der Regel ein Nassverfahren angewandt, wobei Wasser die am häufigsten verwendete Bürstenlösung ist. In einigen Fällen kann beim Bürsten von Stahlwerkstoffen auch eine Lösung aus 3% bis 5% (nach Masse) Natriumcarbonat oder Natriumphosphat verwendet werden.

5. Sandstrahlen

Sandstrahlen ist ein Verfahren, bei dem trockener Sand, z. B. Quarzsand, Stahlsand oder Aluminiumoxid, mit Druckluft auf die Oberfläche von Metallwerkstücken gestrahlt wird, um Oberflächenfehler wie Grate, Zunder, Rost, Kohlenstoffablagerungen, Schweißschlacke, Formsandrückstände, Salzrückstände, alte Farbschichten und Schmutz zu entfernen.

Dieses Verfahren wird üblicherweise zur Reinigung der Oberfläche von Werkstücken eingesetzt, z. B. zur Entfernung von Restsand und hohen Kohlenstoffschichten auf Gussteilen und zur Beseitigung von Rost und Zunder auf Schweißnähten von Schweißteilen.

Sandstrahlen und saures Waschen sind beides Techniken zur Rostentfernung. Beim Säurewaschen kann jedoch Wasserstoff in das Innere von Stahlteilen eindringen, wodurch die Eigenspannung und der Verringerung der Plastizität führt das Sandstrahlen nicht zu Wasserstoffversprödung.

Nach dem Sandstrahlen werden die Werkstücke aus kohlenstoffreicher StahlHochfester Stahl oder Materialien wie Messing, rostfreier Stahl und Aluminium können eine bessere Haftung von Beschichtungen oder Oxidschichten aufweisen. Hartverchromte und beschichtete Werkstücke werden in der Regel durch Sandstrahlen gereinigt. Werkzeugmaschinenzubehör und Messwerkzeuge werden oft mit Sandstrahlen poliert, bevor sie milchig-weiß Verchromen.

Sandstrahlen ist eine wirksame Methode zur Vorbehandlung von Oberflächen. Es kann Verunreinigungen wie Oxidhaut, Rost, alte Farbschichten und Ölflecken vollständig von Metalloberflächen entfernen, was zu einer einheitlichen Metallfarbe und einer gleichmäßigen Rauheit der Oberfläche führt. Diese Rauheit kann die Bindungskraft zwischen der Korrosionsschutzbeschichtung und dem Grundmetall verbessern und die Korrosionsbeständigkeit des Metalls erhöhen.

Sandstrahlen wird häufig beim thermischen Spritzen und bei der Aufrauhung von Kunststoffen eingesetzt. Andere Techniken zum Aufrauhen von Oberflächen umfassen Gewindeschneiden, Rändeln, elektrisches Funkenaufrauhen und mehr.

Es gibt zwei Arten des Sandstrahlens: Trockenstrahlen und Nassstrahlen. Beim Nassstrahlen werden Strahlmittel mit Wasser gemischt, um einen Mörtel zu bilden, und dem Wasser wird in der Regel ein Korrosionsschutzmittel zugesetzt, um Metallrost zu verhindern. Trockenes Strahlen ist effizient, führt aber zu einer rauen Oberfläche, erzeugt eine große Menge Staub und führt dazu, dass sich das Strahlmittel leichter zersetzt. Dagegen hat das Nassstrahlen nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt, kann eine dekorative und schützende Wirkung auf die Oberfläche haben und wird häufig für präzisere Bearbeitungen eingesetzt.

Ätzen

Ätzen ist ein Verfahren zur Entfernung von Rost, Oxidzunder (der beim Gießen, Schmieden, Walzen und bei der Wärmebehandlung entsteht) und anderen Korrosionsprodukten von der Oberfläche eines Werkstücks. Dies wird durch die Verwendung von sauren Lösungen erreicht, die Metalloxide stark auflösen können. Aus diesem Grund wird das Beizen auch als Beizen bezeichnet.

Für einige Nichteisenmetalle kann das Alkali-Ätzen verwendet werden. Das Entfernen einer großen Menge von Oxiden und einer schlechten Oberflächenstruktur wird als starkes Ätzen bezeichnet, während das Entfernen einer dünnen Oxidschicht auf der Werkstückoberfläche zur Vorbereitung der Galvanisierung als schwaches Ätzen bezeichnet wird.

Anorganische Säuren, wie Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure und Flusssäure, werden in der Regel verwendet für Beizstahl. Organische Säuren, wie Essigsäure, Fettsäure und Zitronensäure, können ebenfalls verwendet werden. Die Wirkung organischer Säuren ist mild, und die Säurereste haben keine nennenswerten Nachwirkungen. Außerdem ist die Oberfläche des Werkstücks nach der Behandlung sauber und rostet weniger leicht wieder an.

Organische Säuren haben zwar den Vorteil, dass sie keine nennenswerten Nachwirkungen verursachen, sind aber sehr teuer und haben eine geringe Rostentfernungswirkung, so dass sie hauptsächlich für die Reinigung von Rostablagerungen in Behältern von Energieanlagen und anderen Bauteilen mit besonderen Anforderungen verwendet werden.

Anorganische Säuren hingegen haben eine hohe Rostentfernungseffizienz, eine hohe Geschwindigkeit, eine breite Palette von Rohstoffquellen und niedrige Kosten. Wenn die Konzentration anorganischer Säuren jedoch nicht richtig kontrolliert wird, kann das Metall "überkorrodiert" werden, und die Restsäure ist hochgradig korrosiv. Wird die Säurelösung nicht gründlich gereinigt, beeinträchtigt dies die Wirkung der Beschichtung.

Zur Verlangsamung der Korrosion und Wasserstoffversprödung von Metallen sollte der Entrostungslösung eine geeignete Menge an Puffern, wie Rutin, Urotropin und Thioharnstoff, zugesetzt werden.

1. Beizen von Stahlerzeugnissen

(1) Prinzip des Beizens

Der Zweck der Säure beim Beizen besteht darin, die Oxide von der Oberfläche des Werkstücks aufzulösen und mechanisch abzutragen. Am Beispiel von Schwefelsäure: Schwefelsäure reagiert mit Eisenoxiden (FeO, Fe3O4) unter Bildung von Eisen(II)-sulfat und Eisen(III)-sulfat.

Schwefelsäure reagiert mit dem Matrixeisen durch die Lücken in der Oxidschicht, wodurch sich das Eisen auflöst und Wasserstoff freigesetzt wird. Die Reaktion zwischen Schwefelsäure und Matrixeisen beschleunigt die chemische Auflösungsrate, indem das schwerlösliche Eisensulfat zu hochlöslichem Eisensulfat reduziert wird. Der unter dem Oxidzunder erzeugte Wasserstoff führt auch zu mechanischem Top-Cracking und Stripping-Effekten auf dem Oxidzunder, was die Effizienz des Beizens verbessert.

Die Reaktion zwischen der Schwefelsäure und dem Matrixeisen kann jedoch zu einer übermäßigen Korrosion der Matrix und zu Veränderungen der Größe des Werkstücks führen. Dies sind die Nachteile der Verwendung von Schwefelsäure im Beizprozess.

Die Entwicklung von Wasserstoff während des Beizprozesses kann auch zu einer Wasserstoffpermeation des Werkstücks führen, die eine Wasserstoffversprödung verursacht.

Salzsäure löst in erster Linie Oxide auf. Sie reagiert mit Eisenoxid unter Bildung von Eisen(II)-chlorid und Eisen(III)-chlorid, die beide eine hohe Löslichkeit aufweisen. Infolgedessen ist die mechanische Ablösung beim Ätzen mit Salzsäure weniger ausgeprägt als bei Schwefelsäure.

Bei losem Oxidzunder ist das Ätzen mit Salzsäure schnell, und es kommt zu weniger Matrixkorrosion und Wasserstoffpermeation. Bei dichtem Oxidzunder wird jedoch eine große Menge an Säure verbraucht, wenn nur Salzsäure verwendet wird. Eine gemischte Säurelösung aus Salzsäure und Schwefelsäure wird häufig verwendet, um den mechanischen Strippingeffekt von Wasserstoff zu erreichen.

Salpetersäure wird hauptsächlich für die Behandlung von hochlegiertem Stahl verwendet, und für die Behandlung von Nichteisenmetallen wird sie oft mit Salzsäure gemischt. Salpetersäure hat eine starke Fähigkeit, Eisenoxide aufzulösen, und die Löslichkeit von Eisen(II)-nitrat und Eisen(III)-nitrat ist hoch, mit minimaler Wasserstoffentwicklungsreaktion.

Bei der Verwendung in nichtrostendem Stahl verursacht Salpetersäure aufgrund ihrer passivierenden Eigenschaften keine Matrixkorrosion. Bei der Verwendung in Kohlenstoffstahl muss jedoch das Problem der Matrixkorrosion angegangen werden.

Flusssäure wird in erster Linie zur Entfernung von siliziumhaltigen Stoffen verwendet, z. B. von Legierungselementen in bestimmten Arten von rostfreiem Stahl und legierter Stahl, gemischte Schweißschlacke in Schweißnähten und Formsandreste auf Gussstücken.

Die Kombination von Flusssäure und Salpetersäure wird häufig zur Behandlung von Edelstahl verwendet, aber Flusssäure ist extrem korrosiv und muss mit Vorsicht gehandhabt werden.

Salpetersäure setzt giftige Nitride frei und kann schwierig zu entsorgen sein, so dass besondere Vorsicht geboten ist, um Schäden am menschlichen Körper zu vermeiden.

Phosphorsäure hat eine gute Löslichkeit für Eisenoxid und ist weniger schädlich für das Metall, da sie eine wasserunlösliche Phosphatschicht (Phosphatierungsfilm) auf der Metalloberfläche bildet, die die Korrosion verhindert.

Außerdem eignet sie sich hervorragend als Grundschicht vor dem Lackieren. Sie wird häufig zum Entrosten von Präzisionsteilen verwendet, aber die Kosten für Phosphorsäure sind relativ hoch.

Bei der Verwendung von Phosphorsäure zur Rostentfernung besteht die Hauptfunktion darin, den Oxidbelag und Rost in wasserlösliches Fe (H₂PO₄) ₃ und wasserunlösliches FeHPO₄ und Fe₃ (PO₄) ₂.

Die Diffusion von Wasserstoff ist ein schwacher Prozess.

Bei der Verwendung von Phosphorsäure zum Beizen beträgt die Menge des erzeugten Wasserstoffs etwa 1/10 bis 1/5 der Menge, die beim Beizen mit Salzsäure oder Schwefelsäure entsteht. Außerdem ist die Diffusions- und Penetrationsrate des Wasserstoffs nur halb so hoch wie bei den beiden letztgenannten Säuren.

Nichtrostender und legierter Stahl haben eine komplexe Zusammensetzung und eine dichte Struktur für ihren Oxidzunder, was es schwierig macht, ihn in der Anlage zu entfernen. Entrosten Lösung für gewöhnlichen Kohlenstoffstahl. Zu diesem Zweck wird in der Regel ein Gemisch von Säuren verwendet.

Beim Beizen von legiertem Stahl, der Titanist der Zusatz von Flusssäure erforderlich.

Der dicke und dichte Oxidbelag, der sich bei der Wärmebehandlung gebildet hat, kann in einer heißen, konzentrierten Alkalilösung, die ein starkes Oxidationsmittel enthält, "gelockert" und dann mit einer Mischung aus Salz- und Salpetersäure oder Schwefel- und Salpetersäure geätzt werden.

(2) Beizzusatz

Die Verwendung eines Korrosionsinhibitors in der Beizlösung ist von entscheidender Bedeutung. Es wird allgemein angenommen, dass ein Korrosionsschutzmittel einen Adsorptionsfilm oder einen unlöslichen Schutzfilm auf der Oberfläche des unedlen Metalls in einer sauren Lösung bilden kann.

Die Bildung dieses Films erfolgt durch eine elektrochemische Reaktion, wenn das metallische Eisen mit der Säure in Kontakt kommt, die die Metalloberfläche auflädt. Der Korrosionsinhibitor, ein polares Molekül, wird von der Metalloberfläche angezogen und bildet einen Schutzfilm, der die kontinuierliche Einwirkung der Säure auf das Eisen verhindert und das Ziel der Korrosionshemmung erreicht.

Aus elektrochemischer Sicht blockiert der gebildete Schutzfilm nicht nur in erheblichem Maße den anodischen Polarisationsprozess, sondern fördert auch die kathodische Polarisation, hemmt die Produktion von Wasserstoff und verlangsamt den Korrosionsprozess.

Oxidablagerungen und Rost adsorbieren die polaren Moleküle des Korrosionsschutzmittels nicht, um einen Film zu bilden, da sie mit der Säure durch gewöhnliche chemische Wirkung interagieren und keine Ladung auf ihrer Oberfläche haben.

Die Zugabe einer bestimmten Menge eines Korrosionsinhibitors zur Entrostungslösung hat daher keinen Einfluss auf die Entrostungswirkung.

Um die Wirksamkeit verschiedener Korrosionsinhibitoren zu bewerten, ist es wichtig, ihre Korrosionshemmungseffizienz zu bestimmen.

Die Korrosionsschutzwirkung kann durch Vergleich des Gewichtsverlusts [g / (m2 - h)] einer Probe mit und ohne Korrosionsschutzmittel im gleichen Medium und unter den gleichen Bedingungen bestimmt werden.

Die angegebene Menge der verschiedenen Korrosionsinhibitoren, die in den verschiedenen Säurelösungen verwendet werden, variiert.

Mit steigender Temperatur der sauren Waschlösung nimmt die Hemmwirkung des Korrosionsinhibitors ab oder fällt sogar ganz aus.

Daher hat jeder Korrosionsinhibitor eine bestimmte zulässige Betriebstemperatur.

Bei den in Beizlösungen verwendeten Netzmitteln handelt es sich meist um nichtionische und anionische Tenside, während kationische Tenside nur selten verwendet werden. Dies liegt daran, dass nichtionische Tenside in stark sauren Medien stabil sind und das einzige akzeptable anionische Tensid vom Typ Sulfonsäure ist.

Die Verwendung von Tensiden mit Benetzungs-, Penetrations-, Emulgierungs-, Dispersions-, Solubilisierungs- und Dekontaminierungseigenschaften kann den Beizprozess erheblich verbessern und die Beizzeit verkürzen.

Um den Korrosionsverlust der Matrix zu minimieren, die Auswirkungen der Wasserstoffpermeation zu verringern, den Säurenebel zu reduzieren und die Arbeitsumgebung zu verbessern, ist es ratsam, der Beizlösung einen wirksamen Korrosions- und Nebelinhibitor beizumischen.

Es ist jedoch zu beachten, dass der Korrosionsinhibitor einen Film auf der Oberfläche des Werkstücks bilden kann, der gründlich gereinigt werden muss. Außerdem kann der Korrosionsinhibitor die mechanische Abziehwirkung der Wasserstoffentwicklungsreaktion verringern.

(3) Auswahl der Säureart, -konzentration und -temperatur für das Beizen

Die Methode zur Reinigung der Oberfläche eines Werkstücks hängt vom Material des Werkstücks, dem Vorhandensein von Rost und Oxidhaut und dem gewünschten Grad der Oberflächenreinigungsqualität ab.

Für Werkstücke aus Stahl wird in der Regel Schwefelsäure, Salzsäure oder eine Kombination aus beidem verwendet.

Um siliziumhaltige Verbindungen auf der Oberfläche von Gussstücken aufzulösen, wird Flusssäure entweder der Schwefelsäure oder der Salzsäure zugesetzt.

Die Konzentration der Schwefelsäure liegt in der Regel bei 20%. Bei dieser Konzentration ist die Ätzgeschwindigkeit der Oxidschicht hoch und die Beschädigung des darunter liegenden Materials minimal.

Die Konzentration von Salzsäure liegt in der Regel unter 15%, da sie bei einer Konzentration von über 20% Dämpfe erzeugt.

Mit zunehmender Salzsäurekonzentration beschleunigt sich die Beizgeschwindigkeit und verkürzt sich die Beizzeit.

Tabelle 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen Beizzeit und Säurekonzentration für Stahlwerkstücke mit demselben Korrosionsgrad in Salzsäure und Schwefelsäure.

Tabelle 4 Zusammenhang zwischen Salzsäurekonzentration und Schwefelsäurebeizzeit von Eisen und Stahl

Mit steigender Temperatur erhöht sich auch die Beizgeschwindigkeit und die benötigte Zeit verkürzt sich.

Tabelle 5 zeigt die Beziehung zwischen Beizzeit und Temperatur für Stahlwerkstücke mit gleichem Korrosionsgrad in Salzsäure und Schwefelsäure.

Tabelle 5 Zusammenhang zwischen Beizzeit und Temperatur

(4) Beizverfahren für Eisen- und Stahlwerkstücke

Zu den Beiz- und Entrostungsmethoden gehören das Tauchbeizen, das Sprühbeizen und das Entrosten mit Säurepaste.

Nach der Entfettungsbehandlung wird das imprägnierte und gebeizte Metall in ein Säurebecken gelegt.

Nach dem Entfernen der Oxidschicht und des Rosts wird das Metall mit Wasser abgespült und mit einer Lauge neutralisiert, um eine für die Lackierung geeignete Oberfläche zu erhalten.

Tabelle 6 enthält Informationen zu den Parametern des Starkätzprozesses für Werkstücke aus Stahl.

Tabelle 6: Parameter des Starkätzprozesses von Stahlwerkstücken

2. Elektrochemisches Ätzen

Beim elektrochemischen Ätzen wird die Oberfläche eines Werkstücks, das als Anode oder Kathode dient, durch Elektrolyse in einer sauren oder alkalischen Lösung abgetragen. Der Prozess kann auch durch Rühren der Lösung beschleunigt werden, wodurch an der Kathode Wasserstoff erzeugt und die Ätzlösung auf der Werkstückoberfläche erneuert wird.

Bei der elektrochemischen Entrostung unterscheidet man zwischen anodischem und kathodischem Ätzen, je nach Polarität des Werkstücks.

Beim anodischen Ätzen wird der Oxidbelag durch eine Kombination aus chemischer und elektrochemischer Auflösung des Werkstückmetalls und mechanischer Ablösung von Sauerstoff entfernt.

Beim kathodischen Ätzen wird der Oxidbelag in erster Linie durch die mechanische Wirkung der großen Menge an erzeugtem Wasserstoff und durch die Reduktionswirkung des primären atomaren Wasserstoffs auf das Oxid entfernt.

Beim anodischen Ätzen entstehen große, wenige Sauerstoffblasen mit begrenzter mechanischer Abziehwirkung, aber wenn es zu lange dauert, kann es zu einer übermäßigen Korrosion des darunter liegenden Metalls kommen.

Andererseits minimiert das kathodische Ätzen die Metallkorrosion und bewahrt die Größe des Werkstücks, kann aber zu Wasserstoffpermeation und Ascherückständen führen.

Das anodische Ätzen ist langsam und korrosiv für das Grundmetall, weshalb es sich nur für Werkstücke mit einer dünnen Oxidschicht eignet. Es verursacht jedoch keine Wasserstoffversprödung.

Andererseits ist das kathodische Ätzen schnell und führt nicht zu einer Überkorrosion des Werkstücks, weshalb es sich für Werkstücke mit dicken Oxidhäuten eignet. Allerdings hat es den Nachteil der Wasserstoffpermeation.

Derzeit werden in China meist anodische Ätzverfahren oder eine Kombination aus kathodischem und anodischem Ätzen eingesetzt. Elektrochemisches Ätzen wird sowohl für starkes als auch für schwaches Ätzen verwendet.

Im Vergleich zum chemischen Ätzen ist das elektrochemische Ätzen effektiver, wenn es darum geht, den fest mit der Metalloberfläche verbundenen Oxidbelag schnell zu entfernen. Es wird auch weniger durch Änderungen der Säurekonzentration beeinträchtigt und hat kaum Auswirkungen auf das darunter liegende Material.

Diese Methode ist einfach zu bedienen und zu handhaben, erfordert aber eine spezielle Ausrüstung und erfordert mehr Hängevorgänge. Außerdem besteht das Risiko einer ungleichmäßigen Auflösung der Oxidschicht.

Zu den Vorteilen des elektrochemischen Ätzens gehören die schnelle Ätzgeschwindigkeit, der geringe Säureverbrauch und der geringe Einfluss des Eisenionengehalts in der Lösung auf die Ätzfähigkeit.

Diese Methode erfordert jedoch Stromversorgungsgeräte und verbraucht Strom.

Werkstücke mit komplexen Formen sind wegen der schlechten Dispersionsfähigkeit schwer zu ätzen.

Wenn die Oxidschicht dick und dicht ist, sollte sie vor dem elektrochemischen Ätzen mit Schwefelsäure vorbehandelt werden, um die Oxidschicht zu lösen.

Entfetten der Oberfläche

1. Entfettung mit organischen Lösungsmitteln

Die Entfettung mit organischen Lösungsmitteln ist eine gängige Methode zur Entfernung von Fett aus metallischen Werkstoffen. Dabei werden die physikalischen Auflösungseigenschaften organischer Lösungsmittel auf beide Arten von Ölen angewendet.

Benzin und Kerosin sind häufig verwendete Lösungsmittel, aber Chlorbenzol und Kerosin sind günstigere und weniger giftige Alternativen.

Die Entfettung mit organischen Lösungsmitteln zeichnet sich dadurch aus, dass sie ohne Wärmezufuhr erfolgt, schnell entfettet und die Metalloberfläche nicht angreift. Sie eignet sich besonders zur Entfernung von Mineralölen mit hoher Viskosität und hohem Schmelzpunkt, die mit alkalischen Lösungen nur schwer zu entfernen sind.

Daher ist es eine geeignete Vorbehandlung für fast alle Oberflächenbehandlungsverfahren, insbesondere für Teile mit starker Ölverschmutzung oder für Metallteile, die durch alkalische Entfettungslösungen korrosionsanfällig sind.

Diese Methode ist jedoch nicht umfassend, und es können chemische und elektrochemische Verfahren zur Ergänzung des Entfettungsprozesses erforderlich sein. Außerdem sind die meisten organischen Lösungsmittel entflammbar und giftig, und die Kosten können hoch sein.

Es ist wichtig, die Sicherheit in den Vordergrund zu stellen, Vorsichtsmaßnahmen zu treffen und für eine gute Belüftung während des Betriebs zu sorgen.

2. Chemische Entfettung von Alkalilösung

Zurzeit ist die chemische Entfettung mit einer alkalischen Lösung in der Produktion weit verbreitet.

Zwar dauert die Ölentfernung bei dieser Methode länger als bei organischen Lösungsmitteln, doch hat sie den Vorteil, dass sie ungiftig und nicht entflammbar ist, eine einfache Ausrüstung erfordert und kostengünstig und leicht zu bedienen ist, was sie zu einer vernünftigen Wahl für die Ölentfernung macht.

Der Kern dieser Methode besteht darin, Öl durch Verseifung und Emulgierung zu entfernen. Bei ersterem werden tierische und pflanzliche Öle entfernt, bei letzterem Mineralöle.

Bei richtiger Wahl des Verfahrens ist das Entfernen der beiden Fettarten nicht schwierig.

Wenn jedoch hohe Anforderungen an die Bindungsstärke der Beschichtung gestellt werden, reicht es möglicherweise nicht aus, sich bei der chemischen Entölung von beschichteten Teilen ausschließlich auf eine alkalische Lösung zu verlassen.

Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich bei dem Ölfleck hauptsächlich um Mineralöl handelt, da es lange dauert, bis er entfernt ist, und aufgrund der begrenzten Emulgierwirkung der alkalischen Ölentfernungslösung möglicherweise nicht vollständig entfernt wird.

In solchen Fällen ist eine elektrochemische (elektrolytische) Entölung mit stärkerer Emulgierung erforderlich, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.

3. Elektrochemische Ölentfernung

Bei der elektrochemischen Ölbeseitigung, auch elektrolytische Ölbeseitigung genannt, wird Öl entfernt, indem Metallteile in eine Ölbeseitigungsflüssigkeit getaucht werden und die Teile entweder als Anode oder Kathode verwendet werden, während sie an Gleichstrom angeschlossen sind.

Die Zusammensetzung der elektrochemischen Entfettungslösung ist ähnlich wie die der chemischen Entfettungslösungen.

Als Gegenelektrode wird in der Regel eine Nickelplatte oder eine vernickelte Eisenplatte verwendet, die nur als Leiter dient.

Die Produktionserfahrung hat gezeigt, dass die elektrochemische Ölbeseitigung um ein Vielfaches schneller ist als die chemische Ölbeseitigung und die Ölverschmutzung wirksam beseitigt. Dies ist auf den Mechanismus der elektrochemischen Ölbeseitigung zurückzuführen.

Neue Technologie zur Vorbehandlung von Oberflächen

1. Verstärkung durch Ultraschall

Bei der Ultraschallreinigung wird ein hochfrequentes Schwingungssignal verwendet, das von einem Wandler in hochfrequente mechanische Schwingungen umgewandelt wird.

Die Ultraschallwelle kann sich effektiv in verschiedenen Medien ausbreiten, einschließlich Gas, Flüssigkeit, Feststoff und fester Lösung, und sie kann starke Energie übertragen. Die Ultraschallwelle wird durch die Tankwand in die Reinigungsflüssigkeit im Tank übertragen und versetzt die Mikrobläschen in der Flüssigkeit durch Reflexion, Interferenz und Resonanz in Schwingung.

Die Ultraschallwellen erzeugen starke Stöße und Kavitation an der Grenzfläche, was die Grundlage der Ultraschallreinigung ist. Die Wirksamkeit der Ultraschallreinigung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Art der Reinigungsflüssigkeit, die Reinigungsmethode, die Reinigungstemperatur und -zeit, die Ultraschallfrequenz, die Leistungsdichte und die Komplexität der zu reinigenden Teile.

Zu den üblichen Flüssigkeiten für die Ultraschallreinigung gehören organische Lösungsmittel, alkalische Lösungen und Reinigungslösungen auf Wasserbasis.

Das am häufigsten verwendete Ultraschallreinigungs- und Entfettungsgerät besteht aus einem Ultraschallwandler, einer Reinigungswanne und einem Generator. Es kann auch zusätzliche Komponenten für die Zirkulation der Reinigungsflüssigkeit, die Filtration, die Heizung und den Transport enthalten.

Die Ultraschallreinigung ist ein beliebtes Verfahren, weil es einfach ist, schnell geht und gute Ergebnisse liefert.

2. Ölentfernung mit niedriger Temperatur und hocheffizientem Reinigungsmittel

Die Verwendung eines hochwirksamen Niedertemperatur-Reinigungsmittels zur Entfernung von Ölflecken auf Metalloberflächen ist nicht nur hochwirksam, sondern aufgrund der niedrigen Reinigungstemperatur auch energieeffizient.

3. Vakuum Entfettung Reinigung

Die Vakuum-Entfettungsreinigung ist eine neue und umweltfreundliche Reinigungstechnologie. Sie verwendet ein Reinigungsmittel auf der Basis von Wasserstoffkarbid, das nur minimale Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat, weniger reizend ist und keinen Geruch hat.

Diese Technologie bietet den gleichen Reinigungsgrad wie Triethanolamin und ist sogar noch effektiver als Alkalilauge. Außerdem kann das Reinigungsmittel zurückgewonnen und regeneriert werden.

Die Vakuum-Entfettungsanlage ist ein geschlossenes System, das keine Umweltverschmutzung verursacht, einen hohen Sicherheitsfaktor aufweist, sehr produktiv ist und eine automatische Be- und Entladung des Materials ermöglicht, was die Bedienung erleichtert.

Es wird erwartet, dass die Technologie der Vakuumentfettung, ob mit oder ohne Flüssigreinigung, in Zukunft weit verbreitet sein wird.

4. Spritzplastik zum Entfernen der Farbe (Deckschicht)

Bei der zerstörungsfreien Oberflächenprüfung von wichtigen Großbauteilen, wie z. B. Flugzeugen, zur Erkennung von Ermüdungsrissen und harten Schäden muss zunächst die Oberflächenbeschichtung (Farbe) entfernt werden.

Zu den herkömmlichen Methoden zur Entfernung der Beschichtung gehören das chemische Abbeizen oder das manuelle Schleifen mit einer Schleifscheibe, aber beide Methoden haben Nachteile. Chemisches Abbeizen kann die Metallmatrix korrodieren und beschädigen, während das Schleifen mit einer Schleifscheibe das Substrat leicht beschädigen kann und wenig effizient ist.

Vor kurzem wurde ein neues Verfahren zur Farbentfernung durch Kunststoffspritzen entwickelt, das gute Ergebnisse gezeigt hat. Bei diesem Verfahren wird körniger Kunststoff mit hoher Geschwindigkeit durch eine mit Druckluft betriebene Spritzpistole auf die Oberfläche des Werkstücks gespritzt.

Die Farbschicht wird durch die scharfe Kanten und Ecken des Kunststoffschusses schneiden und auf die Oberfläche aufschlagen. Dies bietet eine effiziente Möglichkeit, Farbe zu entfernen.

Das Abtragen der Farbe mit Kunststoffkugeln hat mehrere Vorteile: Das Substrat oder die Beschichtung werden nicht beschädigt, da die Härte der Kunststoffkugeln höher ist als die der Farbschicht, aber niedriger als die des Substrats oder der Beschichtung und der eloxierten Oberflächenschicht. Dadurch wird auch eine saubere Oberfläche für die neue Farbschicht geschaffen, was deren Haftung verbessert. Außerdem kann das Kunststoffgranulat recycelt und leicht von der abgeschälten Farbschicht getrennt werden.

5. Luftflammen-Überschall-Sandstrahlen und Kugelstrahlen

Ultraschall-Sandstrahlen ist ein Verfahren zur Vergröberung der Oberfläche eines Substrats, bei dem harte Sandpartikel mit Druckluft und hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche gesprüht werden, was zu einem mechanischen Scheuereffekt führt. Die Geschwindigkeit des Ultraschallsandstrahlens beträgt 300 bis 600 Meter pro Sekunde und ist effizienter als das herkömmliche Sandstrahlen, da die Strahlwirkung drei- bis fünfmal höher ist.

Es wird häufig für die Oberflächenvorbehandlung großer Konstruktionsteile verwendet, z. B. für die Reinigung der Oberfläche vor der Oberflächenbeschichtung von Brücken, Schiffen, Kesseln und Pipelines. Außerdem wird es häufig zur Oberflächenvergröberung vor dem Spritzen von Teilen oder großen Geräten mit hohen Anforderungen an die Spritzwirkung und zur Reinigung von Geräteoberflächen mit starker natürlicher Verschmutzung wie Farbe, Zement und organischem oder anorganischem Kesselstein verwendet.

Die Vergröberungsbehandlung erhöht den "Ankerhakeneffekt" zwischen der Beschichtung und dem Substrat, wodurch die Schrumpfspannung der Beschichtung verringert und die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Substrat verbessert wird.

Der zum Sandstrahlen verwendete Sand sollte eine hohe Härte, Dichte, Bruchfestigkeit und einen geringen Staubanteil aufweisen. Die Korngröße sollte auf der Grundlage der erforderlichen Oberflächenrauheit bestimmt werden. Zu den üblicherweise verwendeten Sandkörnern gehören Korundsand (Aluminiumoxid), Quarzsand, Siliziumkarbid und Schmirgel.

Überschall-Bodenschuss Hämmern ist ein Verfahren, bei dem Überschallgeschosse auf die Oberfläche des Werkstücks gespritzt werden, wodurch die Oberfläche plastisch verformt wird und sich eine Verfestigungsschicht mit einer bestimmten Dicke bildet.