01 Mars 2016  |  Traitement de surfaces
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 06/2015

Perfekte Oberflächen als Aushängeschild der Präzisionstechnik

Jürg Romann

Anders als zum Beispiel in Grossbritannien hat sich in der Schweiz neben dem wachsenden Dienstleistungsbereich ein starker industriell-gewerblicher Werkplatz halten können. Hochpräzise Metallverarbeitung spielt in diesem Sektor eine gewichtige Rolle. Aber was wäre die Präzision wert, ohne das Finish einer Oberflächenbehandlung auf dem aktuellen Stand der technischen Möglichkeiten, die weit über mechanisches Schleifen und Polieren hinausgeht?

A la différence de la Grande Bretagne, par exemple, la Suisse a pu maintenir, outre le secteur des services en croissance, également une forte place industrielle. Le traitement des métaux de haute précision joue un rôle important dans ce domaine. Mais que vaudrait la précision sans la finition d’un traitement de surface au stade actuel des possibilités techniques, allant au-delà du ponçage et du polissage mécaniques?

Beim mechanischen Bearbeiten von Werkstücken wie Fräsen, Drehen, Schleifen, Bohren usw. entstehen Grate und Brauen, welche die Funktionalität eines Werkstücks sowie dessen sichere Handhabung stark beeinträchtigen. Zudem ist die mechanisch behandelte beziehungsweise die unbehandelte Oberfläche oft in einem Zustand, der die Ansprüche an Betriebssicherheit, Funktionalität und Optik nicht erfüllt.
Für die Bearbeitung von Werkstücken steht eine Vielzahl mechanischer Verfahren bereit: vom Feilen über das Schleifen, Bürsten, Polieren und Gleitschleifen bis hin zum Sand- und Wasserstrahlen. Auch thermische Verfahren wie beispielsweise das thermische Entgraten (Explosionsentgraten) werden eingesetzt.
 
Bild 1: Protokoll der Rauhigkeitsmessung an einem Edelstahlblech, geschliffen mit Korn 180 (oben) und elektropoliert (unten).
Bild 2: Schematische Darstellung des Verfahrens chemisches Entgraten und Polieren.
 
Entgraten und Polieren
Bei Bauteilen mit hohen Ansprüchen an die Präzision und Qualität der Oberfläche stehen chemische und elektrochemische Entgratverfahren bereit, die durch Einwirkung auf die atomare Struktur der Oberfläche optimale Ergebnisse ermöglichen. Durch die beiden abtragenden Verfahren Elektropolieren sowie chemisches Entgraten und Polieren findet, abhängig von der Geometrie und dem Werkstoff des Bauteils, einerseits eine Entgratung und andererseits eine Glättung (Politur) der Oberfläche statt.
Es handelt sich bei beiden Prozessen um nass­chemische Verfahren, die im entsprechenden Umfeld (z. B. Galvanik) eingesetzt werden – das heisst, die Werkstücke werden im Medium eingetaucht behandelt. Die Wahl des Verfahrens hängt nicht nur von der stofflichen Zusammensetzung des Werkstücks, sondern auch von dessen Geometrie ab. Beide Verfahren lassen sich sowohl in der Gestell- als auch in der Trommeltechnik einsetzen. Auch das Durchströmen der Elektrolyte durch Rohre und Bohrungen mittels Durchpumpen findet Anwendung.
Die Werkstücke müssen vor der eigentlichen Behandlung öl- und fettfrei sowie frei von jeglicher Oxidverunreinigung sein. Dies bedeutet, dass eine Entfettung – in der Regel eine Abkochentfettung – und wenn nötig ein Beizschritt vorgeschaltet werden. Eine anschliessende Beschichtung der Werkstücke «nass-in-nass» ist möglich.
 
Vorteile beim chemischen Entgraten und Elektropolieren
Beide Verfahren bewirken keine mechanische oder thermische Beanspruchung der Werkstücke; sie haben keine oder sehr geringe Ausfallquoten. Sie ermöglichen, dass in einem Verfahren gleichzeitig Grate auch an schwer zugänglichen Stellen entfernt und die Oberflächen poliert werden. Auch gestörte Randzonen lassen sich entfernen und so die Eigenschaften des Basismaterials wieder herstellen.
Die Oberflächen werden durch Reduktion effektiv geglättet; die verbesserten tribologischen Eigenschaften führen zu einem geringeren Verschleiss. Durch Stanzen entstandene Risskeime werden reduziert beziehungsweise beseitigt; die Haftung galvanischer Schichten wird verbessert. Polierte Oberflächen sind viel besser zu reinigen, was in der Praxis zu partikelfreien und damit weitgehend auch keimfreien Geräten führt. Speziell bei Edelstahl entsteht eine passive Oberfläche mit hoher Korrosionsresistenz (Bild 1).
Beide Verfahren sind sowohl für die gezielte Behandlung von Einzelstücken als auch für grosse Mengen (z. B. Schüttgut) einsetzbar. In jedem Fall ist auf die geeignete Anlagetechnik zu achten.
 
Grenzen der Verfahren
Den Verfahren sind durch ungeeignete Werkstoffe, grosse Gratwulste und zu enge Masstoleranzen Grenzen gesetzt. Durch eine geeignete Werkstoffwahl, richtig gewähltes mechanisches Bearbeitungsverfahren und gegebenenfalls Einrechnung eines korrekten Übermasses vor dem Elektropolieren oder chemischen Entgraten und Polieren können auch in schwierigen Fällen optimale Resultate erzielt werden.
 
Bild 3: Schlosszylinder aus Messing mit «ChemoLux» behandelt.
Bild 4: Schweissbrenner-Handgriffe aus Messing mit «ChemoLux» poliert.
 
Chemisches Entgraten und Polieren
Für das chemische Entgraten und Polieren wird ein säurebeständiges Tauchbad benötigt, das mit einem wirksamen Rührwerk zur Badumwälzung ausgestattet ist. Die Temperatursteuerung erfolgt über einen Thermostaten, verbunden mit einer Heiz- und Kühleinrichtung. Die Werkstücke werden auf einen säureresistenten Warenträger fixiert, der je nach Bedarf manuell oder über eine Automatisierung eingetaucht und bewegt wird. Die Zudosierung der Chemie kann ebenfalls manuell oder automatisch erfolgen. Eine Niveauüberwachung stellt sicher, dass es nicht zu Überfüllungen kommen kann (Bild 2).
Das chemische Entgraten ist ein stromloses Verfahren. Es eignet sich deshalb speziell für die Bearbeitung von Werkstücken mit komplizierter Geometrie und mit Graten im Innenbereich. Durch das Eintauchen in einen auf das Werkstückmaterial angepassten Elektrolyten startet der Prozess sofort. Er kann über die Bearbeitungszeit, Aktivität und Temperatur des Bades gesteuert werden, so dass jederzeit reproduzierbare Ergebnisse erzielbar sind.
 

 
Bild 5: Schärmesser aus Kohlenstoffstahl: unbehandelt (oben) und mit «FerroChem» behandelt (unten).
Bild 6: Opendend-Walze für die Textilindustrie aus Kohlenstoffstahl mit «FerroChem» behandelt.
 
Die chemischen Entgrat- und Polierverfahren «FerroChem» und «ChemoLux» eignen sich speziell für Werkstoffe wie Kohlenstoffstahl (bis 1,1% C möglich; ideal bis 0,5% C), Kupferlegierungen, Aluminium, Titan, Magnesium und weitere Speziallegierungen. Geeignete Teile lassen sich kostengünstig als Schüttgut in der Trommel oder wenn von der Geometrie her nötig, aufgehängt an Gestellen behandeln und erfahren während des Prozesses eine Entfernung von Feingraten, Braunen und Flitter sowie eine Politur der Oberfläche. Durch eine starke Umströmung des Bauteils mit entsprechenden Verwirbelungen an den Kanten werden der Abtrag und damit die Entgratung verbessert. Für jeden Materialtyp ist ein spezifischer Elektrolyt zu verwenden.
In den Bildern 3 bis 7 sind Werkstücke zu sehen, die chemisch entgratet und poliert wurden.
 
Bild 7: Präzisionswägesystem aus einer Aluminiumlegierung mit «ChemoLux» entgratet.
 
Elektropolieren
Das Elektropolieren erfolgt in einem säurebeständigen Tauchbad mit Temperaturregelung, das über eine Abluftabsaugung verfügt. Zu behandelnde Werkstücke werden, montiert auf einem Warenträger, in den Elektrolyten eingetaucht und mit der Anode der Gleichstromquelle verbunden. Dies erfolgt zwischen zwei Kathoden, wobei zwischen Anode und Kathoden ein Abstand von 10 bis 20 cm eingehalten wird. Für den Polierprozess wird niedervoltiger Gleichstrom eingesetzt (typisch 4 bis 12 V); die Polierzeit wird in der Regel über einen Timer gesteuert (Bild 8).
 
Bild 8: Schematische Darstellung des Verfahrens Elektropolieren.
 
Das Elektropolieren ist ein berührungsfreies, nass­chemisches Verfahren, das speziell geeignet ist für die Bearbeitung von Werkstücken mit mässig komplizierter Geometrie und mit Grate vor allem im äusseren Bereich des Bauteils. Das Werkstück wird in einen an das Bearbeitungsmaterial angepassten Elektrolyten eingetaucht. Der Prozess startet aber erst mit dem Einschalten der Gleichstromquelle. Das Verfahren wird über die Bearbeitungszeit, Stromdichte und Temperatur gesteuert, so dass jederzeit reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden.
Die «ElpoLux»-Elektropolierverfahren eignen sich speziell für Werkstoffe wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Kupfer-, Aluminium-, Titan-, Chrom-Cobalt- und Magnesiumlegierungen sowie weitere Speziallegierungen. Die Werkstücke lassen sich je nach Geometrie, an Gestellen oder in speziellen Elektropoliertrommeln behandeln, wobei eine gute Kontaktierung des Werkstücks als Anode sichergestellt sein muss. Die behandelten Teile weisen eine glänzende, entgratete und bei Edelstahl eine passive und korrosionsbeständige Oberfläche auf. Bei komplizierten Werkstückformen kann mit Hilfe gezielt platzierter zusätzlicher Kathoden ein besseres Ergebnis erzielt werden. Für jeden Materialtyp ist ein spezifischer Elektrolyt zu verwenden.
Die Bilder 9 bis 12 zeigen Werkstücke, die elektropoliert wurden.

Bild 9: Elektropolierte Spaghetti-Zange aus Edelstahlblech; das darunter liegende Edelstahlblech wurde zur Hälfte mit «ElpoLux« elektropoliert.
Bild 10: Vorbehandlungskammer für die Halbleiterfertigung aus Edelstahl innen mit «ElpoLux» elektropoliert.
 
Unterhalt der Anlagen
Der Einsatz von Entgratungs- und Polierverfahren verlangt eine hohe Anlagensicherheit und regelmässige Wartung, damit gleichbleibend erstklassige Ergebnisse erzielt werden. Bei allen Anlagen ist eine periodische Reinigung unerlässlich, ebenso ein Austausch des Kreislaufwassers und die geeignete Behandlung der anfallenden Abwässer. Metallgehaltsbestimmungen und die Analyse verschiedener weiterer Parameter, im werkseigenen und/oder unserem Analyselabor, dienen der Qualitätssicherung. Beim chemischen Entgraten wird durch den Anwender vor Ort mit einfacher, robuster Analytik die Aktivität bestimmt, beim Elektropolieren die Dichte und gegebenenfalls die Leitfähigkeit.
Eine regelmässige Beobachtung der Anlagen, die Kontrolle der Messwerte und der Qualität der behandelten Werkstücke hilft zusätzlich, die Qualität zu sichern. Bei Abweichungen sind umgehend geeignete Massnahmen zu treffen. Eine gezielte Bewirtschaftung der Materialvorräte und eine rechtzeitige Nachbestellung erleichtern einen wirkungsvollen und wirtschaftlichen Einsatz der Anlagen.

Bild 11: Uhrengehäuse aus Edelstahl mit «ElpoLux» elektropoliert.
Bild 12: Hüftgelenkfräser aus Edelstahl mit «ElpoLux» elektropoliert.
 
Vor- und Nachteile der Verfahren
Das chemische Entgraten und Polieren ist ein Verfahren, das ohne grosse Vorkenntnisse einfach eingesetzt werden kann, auch bei komplex geformten Werkstücken. Es ist aber nicht für alle Materialien geeignet; zum Beispiel bei Edelstahllegierungen ist sein Einsatz nicht angezeigt.
Mit dem Elektropolieren wird eine gratfreie, glänzendere Oberfläche erzielt, vor allem bei Edelstahl, bei Titan-, Aluminium- und Kupferlegierungen – bei sparsamerem Einsatz der verwendeten Elektrolyte. Weniger geeignet sind sehr komplex geformte Werkstücke. Der Einsatz des Elektropolierens ist bei komplizierter Teilegeometrie betreffend der Kontaktierung und der Lage des Teiles im Elektropolierbad anspruchsvoller. Das Erzielen optimaler Ergebnisse setzt eine entsprechende Erfahrung und gute Beobachtung der Prozesse voraus.
Geeignete Materialien für das Elektropolieren sind:
• Rostfreier Stahl
• Nickellegierungen
• Chrom-Cobalt-Legierungen
• Kupfer und Kupferlegierungen
• Aluminium und Aluminiumlegierungen
• Titan und Titanlegierungen
• Magnesiumlegierungen
 
Geeignete Materialien für die chemischen Entgratverfahren sind:
• Kohlenstoffstahl (bis 1,1% C, ideal bis 0,5% C)
• Kupfer und Kupferlegierungen
• Aluminium und Aluminiumlegierungen
• Titan und Titanlegierungen
• Niob
• Tantal
• Magnesiumlegierungen
 
 
Dipl. Ing. HTL Jürg Romann
ElpoChem AG
Chriesbaumstrasse 4,
8604 Volketswil
Tel. 044 980 30 30
Fax 044 980 41 81
j.romann@elpochem.ch
www.elpochem.ch


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