Referat chemie Chemisches Abtragen

Chemisches Abtragen (CM)

Beim chemìschen Abtragen setzt sich der Werkstoff unter direkter Reaktion mit dem Wirkmedium in eine Verbindung um, die flüchtig oder mindestens leicht entfernbar ist. Dafür ist oft die Zuführung einer Reaktionswärme erforderlich. Dann können die Verfahren auch unter 'Thermisch-chemisch'

eingeordnet werden. Werkstük oder/und Medium sind elektrisch nichtleitend. Verfahrensbeispiel: Glasätzen.

Abbrennen (Thermisch-chemisches Verfahren; TCM)

- Vorgang:

Das Werkstück wird einer kurzzeitig vorhandenen Temperaturspitze von bis zu 3500 °C ausgesetzt (d.i.thermisch). Partien mit großer Oberfläche bei kleinem Volumen, z.B. Grate oder Späne, verbrennen bei dieser Entzündungstemperatur in Sauerstoffüberschuß (d. i. chemisch).Je kleiner das Verhältnis Oberfläche zu Volumen ist, desto mehr geht das Verbrennen in Schmelzen über. Die kompakten Werkstückanteile werden nicht beeinflußt. weil die Wärme so kurzzeitig auffritt, daß sie nur wenig in das Teil eindringen kann und dann rasch in das Volumen abfließt.

Wegen der faktischen Begrenzung auf Entgraten wird das Verfahren im deutschsprachigen Raum auch 'Thermische Entgratmethode' (TEM) oder 'Explosionsentgraten' genannt.

- Technik

Die Werkstücke werden ungeordnet, geordnet oder in Haltevorrichtungen auf einen sog. Schließteller gebracht. Dieser wird hydraulisch (manchmal mechanisch) innerhalb einer Maschine gegen eine zylindrische Entgratkammer hochgedrückt und schließlich dadurch gasdicht.

BILD 1

Über einen Mischblock wird hydraulisch (wegen der gewünschten Verdichtung) ein Sauerstoff-Brennstoffgemisch (etwa 1:1) in die Kammer gedrückt und dann gezündet. Als Brenngas verwendet man : Wasserstoff,Methan od. Erdgas (letzters aus dem Netz, darum wird es verdichtet).

Das Gasgemisch hüllt das Werkstück überall, auch innen und an unzugänglichen Stellen ein.Durch die Zündung erfolgt die Verpuffung des Brenngases innerhalb von 10-20ms, so daß die Werkstücke nur auf < 150 °C erwärmt werden.Die dünnen Grate erreichen jedoch Entzündungstemp. Und verbrennen.

Dieser Vorgang läuft solange ab, wie Sauerstoff vorhanden ist nd keine Abkühlung durch zu große

Querschnitte stattfindet. Gewindespitzen werden deshalb nicht angegriffen. Die entstandenen

Oxide schlagen sich auf der Werkstückoberfläche nieder. Die Oxidschicht wird nachfolgend in

einem phosphorsäurehaltigen Bad behandelt. Bei Eisenwerkstoffen entsteht dabei eine korro-

sionsschützende Phosphatschicht. Diese Behandlung entfällt bei Stahl und bei Werkstücken die

später galvanisiert oder lackiert werden, z. B. meist bei Zink und Aluminium.

ie Entgratkammer hat eine Absaugung. Die ganze Anlage ist schallisoliert. Damit das Beladen die

Taktzeit von < 60 Sekunden nicht verlängert, ist in der Regel ein Rundschalttisch integriert, auf dem

fünf oder sechs Schließteller lagern.

- Anwendung

Mit TEM zu behandelnde Werkstoffe sind üblicherweise: Stahl und Grauguß, Zink, Aluminium,

Kupfer-Zink-Legierung. - Grate, die von der Zerspanung oder vom Gießen herrühren, werden

entfernt, Kanten werden verrundet (beircrassivem Stahl r  0,5 mm). Der Aufwurf vom Bohrereintritt wird wesentlich verringert. Bei Druckguß werden Formteilungsgrate mit dickem Fuß stark abgeflacht.

Da das Verfahren auch an verdeckten Stellen sicher arbeitet und keine Späne übrig läßt,ist es bei funktions- und sicherheitsrelevanten Werkstücken gefordert.

Elektrochemisches Abtragen (EcM)

Beim elektrochemischen Abtragen wird Werkstoff unter Einwirkung eines Elektrolyten und von

Strom anodisch aufgelöst. Das Werkstück muß demnach elektrisch leitend sein. Der Stromfluß

entsteht entweder durch eine äußere Stromquelle (Elysieren) oder durch örtliche Elementbildung

(elektrochemisch Atzen, d. i. Metallätzen).

Vorgang:

Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der elektrochemischen Auflösung an der Anode.

Bei einer Elektrolyse wandert das im Elektrolyten enthaltene Metall (lon) an die Katode, der Säure-       

rest an die Anode.           

An der Katode entsteht:                                                                  

2 Na + 2 H20 wird 2 NaOH + H2

An der Anode entsteht:

2 CI + Fe wird Fe CI2

Daraus wird:                                                 

2 NaOH + FeCl2 wird 2 NaCl + Fe(OH)2 1

Weitere Elektrolyte sind NaNO3, KCI, NaOH.

Erkenntnisse:

- Die Katode nutzt nicht ab, ihre Substanz ist unbeteiligt. Sie wird als verschleißfreies Werkzeug       benutzt.

- Die Anode geht in Lösung (anodischer Abtrag). Das Werkstück muß also Anode sein. Der Abtrag

ist von der Werkstückhärte unabhängig.

- Wasserstoff wird frei (Explosionsgefahr, elektrische Isolation der Katode durch Gasblasen). Der

Elektrolytlösung wird ständig Wasser entzogen. Dadurch steigen Konzentration und Leitfähig-

keit. Großen Behälter verwenden,

- NaCl wird nicht verbraucht.

- In der Elektrolytlösung (elektrischer Widerstand) wird Wärme frei. Durch die Temperatursteige-

rung steigt auch die Leitfähigkeit. Die Temperatur kann nicht über 100 °C ansteigen, daher

besteht praktisch kein Wärmeeinfluß auf das Werkstückgefüge.

An Elysiermaschinen wird der Elektrolyt oft gekühlt und auf + 1 oC geregelt.

- Größere Mengen Fe(OH)2 (Anodenschlamm) fallen an (1 cm3 Fe entspricht ca. 4 cm3 Schlamm). Also: Elektrolyt ständig reinigen.

- Im Anodenschlamm sind auch giftige Bestandteile enthalten, z. B. Nitritionen und - bei Cr-legier-

ten Werkstücken - Cr6+-lonen. Also: Entgiftung, Vorschriften beachten!

- Die erreichte Rauhtiefe ist gering (0,5 . . . 5 mm, jedenfalls rund 40 . . . 50% der Ausgangsrauheit).

- Durch den Abtrag der amorphen Schicht besteht die Oberfläche des Werkstückes aus dem

kristallinen Grundgefüge.

Anwendung

Entsprechend der Elektroerosion unterscheidet man in Anlehnung an die mechanischen Fertigungs-

verfahren: elektrochemisches, elektrolytisches oder Elysiersenken, -gravieren, -schleifen, -honen,

-drehen, -entgraten usw. Meistens ist nur der Serieneinsatz wirtschaftlich. Elysiermaschinen sind

teurer als normale Werkzeugmaschinen.

Beim elektrochemischen Senken wird das Werkzeug (Katode: Kupfer, Messing, nichtrostender

Stahl) mit einer Vorschubgeschwindigkeit v, in das Werkstück zugeführt. Durch das hohle Werkzeug

wird Elektrolyt mit einem Druck von 10 . . . 25 bar in den Wirkspalt gepreßt. Das ergibt eine

Elektrolytgeschwindigkeit von 10 . . . 50 m/s. Sie ist auch erforderlich, um die isolierenden Gas-

blasen zu entfernen. Bei zu hoher Strömgeschwindigkeit des Elektrolyten entstehen an der Ober-

fläche Riefen. Elektrolytreinigung ist unbedingt notwendig, weil Schlammteilchen zu unerwünschten

Kurzschlüssen und Verstopfungen führen.

Bei großer Bearbeitungsfläche müssen die auftretenden Kräfte berücksichtigt werden! Durch die

Elektrolytzuführungskanäle im Werkzeug ergeben sich im Werkstück Rippen oder Zapfen, die nach- träglich entfernt werden müssen.

Die Abtragrate beträgt für Stahl etwa 2 mm3/(A . min),   die Vorschubgeschwindigkeit ist von der Stromdichte A/cm2 (C250) abhängig. Je größer sie ist, desto größer kann auch v sein, oder je größer die Bearbeitungstläche, desto kleiner muß v, sein. Praktische Werte liegen bei 110 mm/min je nach Stromdichte, z.B. Stromdichte ~ 180 A/cm2 entspricht v = 2,5 mm/min

BILD 2

Je höher die Vorschubgeschwindigkeit vf und je niedriger die Spannung U sind, desto

kleiner ist der Wirkspalt s und desto größer sind die Abbildungsgenauigkeit und die Ober-

flächengüte.

Nicht nur an der Stirnseite der Katode, sondern auch an der Mantelfläche findet ein dauernder

Werkstückabtrag statt. Dadurch entsteht eine bogenförmige Mantellinie der Bohrung, die eigentlich

achsparallel gewünscht war. Zur Abhilfe wird das Werkzeug außen elektrisch isoliert, und zwar

mit kleinerem Durchmesser, damit der Elektrolyt besser abfließen kann ( Bild 2).

Beim Formentgraten liegt die Bearbeitungszeit unter 1 min, beim Badentgraten (Stromdichte bis

3A/cm2) höher.

ELEKTROCHEMISCHE SPANNUNGSERZEUGUNG

ELEKTROCHEMISCHE SPANNUNGSREIHE

Hält man ein Stück Metall in einen Elektrolyten,so gehen Metallionen im Elektrolyten in Lösung,bis bei

einer bestimmten Konzentration an Metallionen ein Gleichgewichtszustand erreicht wird. Das Metall-

stück, die Elektrode, wírd gegen den Elektrolyten elekrisch negativ aufgeladen - es kommt zu einer elektrolytische Polarisation. Verbindet man zwei Elektroden ungleichen Materials über einen Spannungsmesser, so zeigt dieser einen Ausschlag in Folge der ungleichen Polarisationsspannungen der beiden Metalle an (=Differenzspannung). Die folgende Tabelle zeigt die elektrochemischen Spannungen verschiedener Elemente gegenüber Wasserstoff. Die zwischen zwei beliebigen Elementen auftretende Spannung folgt aus der Differenz der Zahlen-werte. Je größer die Differenz der elektrochemischen Spannung zweier Metalle ist, desto schneller und in größerem Umfang erfolgt die Zerstörung des jeweils elektronegativeren 'unedleren' Metalls.

TABELLE

Galvanische Elemente

Diese sind Spannungsquellen, die nach dem Prinzip der elektrolytischen Polarisation arbeiten. Die

erzielbare Spannurig hängt nicht von der Größe der Elektroden oder deren Abstand ab, sondern lediglich von den Materialien der Elektroden.

Läßt man von der Spannung einen Strom über einen äußeren Kreis treiben, so verschieben sich die

Potentiale an den Elektrodenoberflächen, wodurch im Elektrolyten ein elektrisches Feld entsteht,

welches die negativen lonen im Elektrolyten zur positiveren Oberfläche treibt, das ist die der negativen Elektrode; entsprechend wandern die positiven lonen zum positiven Pol mit dessen negativerer Oberfläche.

Durch chemische Umsetzungen an den Elektroden mit dem Elektrodenmaterial oder anderen beteiligten Substanzen werden im Lauf der Zeit alle an der Umsetzung beteiligten Ausgangsmaterialien verbraucht; das galvanische Element verliert seine Spannung und damit die Fähigkeit elektrische Leistung abzugeben. Bei den s.g. Trockenlementen wird der flüssige Elektrolyt durch Beimengungen von pulverigen Massen bis zur Breiform verdickt, wodurch eine robustere Ausführung solcher Zellen möglich ist.

Elektrochemische Spannungsreihe

Um die vielen Metalle bezúglich ihrer Reaktionsfähigkeit - zumindest im ungefähren -miteinander vergleichen zu können, ging man daran, sie nach einem bestimmten System zu ordnen. Dabei gilt als Ordnungsprinzip das verschieden starke Bestreben, Elektronen abzugeben, d.h. Kationen in einer Lösung auszubilden.

BILD 3  

In der Spannunqsreihe stehen links vom Wasserstoff unedle, rechts edle Metalle. Unedle Metalle lösen sich leichter, d.h. werden leichter oxidiert, als die edlen Metalle.

Da in der Spannungsreihe links stehende Metalle leichter oxidierbar sind als die rechts stehenden, ist es verständlich, daß die links stehenden Metalle, rechts stehende Metalle, die als lonen in Lösungen

vorliegen, reduzieren können.Dabei werden sie selbst gleichzeitig oxidiert.Mittels der Spannungsreihe kann man solche Redoxreaktionen vorausbestimmen.

Möglichkeiten der Reinigung

Die verfahren zur Reinigung von Oberflächen werden in die Gruppen mechanische, chemische und elektrolytische Behandlungen unterteiit.

mechanische Oberflächenbehandlungen

- Schleifen

- Polieren

- Strahlen

Chemische Oberflächenbehandlungen

- Beizen

Elektrolytische Oberflächenbehandlung