Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke Anwendung elektrochemischer und chemischer Polierverfahren

Transkript

1 Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke Anwendung elektrochemischer und chemischer Polierverfahren Siegfried Pießlinger-Schweiger, POLIGRAT GmbH

2 POLIGRAT GmbH Mittelständisches Unternehmen mit ca. 230 Mitarbeitern an 9 Standorten in Europa. Gegründet 1952 in München als Entwicklungslabor für elektrochemische und chemische Verfahren zur Bearbeitung von Metalloberflächen (Polieren, Entgraten, Beizen, Passivieren). Technologie- und Marktführer im Kernbereich mit zahlreichen Patenten und internationaler Vertriebsorganisation. Systemanbieter: Entwicklung/Problemlösung, Anlagenbau einschließlich Umwelttechnik, Chemikalienherstellung und Lohnarbeit an 8 Standorten (D, F, GB, H) Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke - VDMA Juni 2014 Seite 2

3 Wozu Oberflächentechnik für 3-D Werkstücke? Ca. 80% der funktionellen oder dekorativen Eigenschaften metallischer Werkstücke werden durch die Oberfläche bestimmt. Oberflächentechnik verleiht den Werkstücken den Anforderungen entsprechende Eigenschaften. Die Oberfläche als Übergang vom Grundwerkstoff zur Umgebung ist eine Schicht messbarer Dicke, deren Eigenschaften sich meist deutlich von denen des Grundwerkstoffs unterscheiden. Oberflächen von 3-D Werkstücken bestehen verfahrensbedingt aus Partikeln, die unterschiedlich stark mit dem Grundwerkstoff verbunden sind. Diese Partikel führen zu erhöhter Rauheit der Oberflächen und können sich bei mechanischer Belastung unkontrolliert ablösen und zu Störungen führen. Oberflächen und Gefüge von Partikeln, die während der Fertigung nicht vollständig aufgeschmolzen, sondern nur unterschiedlich stark erhitzt wurden, können vom Grundwerkstoff abweichende Eigenschaften aufweisen. Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke - VDMA Juni 2014 Seite 3

4 Ziele der Oberflächenbearbeitung Dekorative Oberflächen Einheitliches Aussehen der Oberfläche Textur und Glanz Grifffreundlichkeit Funktionelle Oberflächen z.b. Reinheit und Reinigungsverhalten Korrosionsbeständigkeit Passivität Reibung und Verschleiß Reflexionsverhalten Glatte, grat- und partikelfreie Kanten und Flächen Seite 4

5 Wirkung des chemischen und elektrochemischen Polierens Chemische / elektrochemische Auflösung des Werkstoffes Kein mechanischer Einfluss, keine Deformation Beseitigung oberflächennaher Spannung Prozesstemperaturen unter 100 C Keine Gefügeveränderungen Kein nachteiliger Einfluss auf die Legierung Keine thermische Oxidation Reine und homogene Oberflächen Metallisch reine Oberflächen durch die Beseitigung von verunreinigten Oberflächenschichten Minimierung der physikalischen Größe der Oberfläche Seite 5

6 Elektropolieren im Tauchbad (schematisch) Gleichrichter Anode (Werkstück) Elektropolierbad mit Elektrolyt Seite 6

7 Wirkung der Verfahren Elektropolieren und Chemisch Polieren wirken durch zwei unterschiedliche Effekte zugleich im makroskopischen und im mikroskopischen Bereich Makroskopisch: Erhöhte Feldstärke an Ecken und Kanten führt beim Elektropolieren lokal zu höheren Stromdichten und einem ca. 5-fach höheren Abtrag (Faraday-Effekt). Intensiverer Chemikalienaustausch an Kanten bewirkt bei Chemischem Polieren vergleichbar stärkeren lokalen Abtrag (Glätte, Verrundung). Mikroskopisch: Temporäre viskose Grenzschicht im Elektrolyten (Polierfilm) macht den Abtrag diffusionsbestimmt und bewirkt Poliereffekt auf den gesamten Oberflächen. Seite 7

8 Wirkung im Mikrobereich Beseitigung gestörter, inhomogener und denaturierter Oberflächenschichten Optimierte funktionelle Eigenschaften durch chemische, strukturelle und energetische Verbesserung der Oberflächen Einebnung und Glättung der Oberfläche im Mikrobereich Restwelligkeit im Makrobereich Minimierung der wirklichen Größe der Oberfläche Metallisch hochreine Oberflächen ohne Beilby-Schicht Seite 8

9 Mit Glasperlen gestrahlte Oberfläche (Edelstahl) Seite 9

10 Mit Korund gestrahlte Oberfläche (Titan) Seite 10

11 Edelstahloberfläche elektropoliert Seite 11

12 Wirkung des Polierfilms (schematisch) Seite 12

13 Fortschreitende Einebnung durch Elektropolieren und Chemisch Polieren Seite 13

14 Einebnung eines Duplex-Edelstahls durch Elektropolieren (Rohr rund ID 8 mm, Abtrag ca. 6,5 µm/min) Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke - VDMA Juni 2014 Seite 14

15 Einebnung eines Duplex-Edelstahls durch Elektropolieren Rohre, innen dreieckig, Inkreis ca. 3,5 mm Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke - VDMA Juni 2014 Seite 15

16 Teilespektrum Einzelteile weitgehend unabhängig von Form und Größe ( von ca. 2 mm bis ca mm) auch innerhalb von Bohrungen und Hohlräumen Kleine und mittelgroße Teile an Gestellen Schüttfähige Massenkleinteile in Trommeln oder POLIBOX Drähte und Bänder im Durchzug Rohre Werkstücke aus Edelstahl ohne Beschränkung durch Größe und Gewicht Seite 16

17 Industriell elektropolierbare Werkstoffe Aluminium Chrom C-Stähle und Werkzeugstähle (auch gehärtet) Kobalt und Kobaltlegierungen Kupfer und Kupferlegierungen Magnesium Molybdän Mumetal Nichtrostende Stähle (austenitisch, ferritisch, martensitisch, Duplexgefüge) Nickel und Nickellegierungen Niob Palladium Platin Tantal Titan und Titanlegierungen Vanadium Wolfram Zirkon Seite 17

18 Industriell chemisch polierbare Werkstoffe Aluminium C-Stähle und Werkzeugstähle (auch gehärtet) Kupfer und Kupferlegierungen (Messing) Zirkon Seite 18

19 Voraussetzung für Elektropolierbarkeit Je homogener und feinkörniger das Gefüge, umso besser Möglichst geringe Anteile nichtmetallischer oder elektrochemisch resistenter Stoffe wie Silizium, Blei, Karbide, Nitride, Sulfide etc. Elektropolierfähige (galvanogerechte) Konstruktion: Die Oberflächen müssen für Elektrolyt und Strom zugänglich sein (Innenkathoden in Hohlräumen) Kontaktstellen vorsehen (Lage und Querschnitt, eventuell Stützen) Die Oberflächen müssen spülbar sein Seite 19

20 Elektropolieren Verfahrenseigenschaften Die Prozessenergie wird durch Gleichstrom geliefert (anodische Kontaktierung der Teile und Gegenkathode). Die Verfahren sind exotherm und arbeiten, je nach Werkstoff und Elektrolyt, in Temperaturbereichen zwischen 15 C und 90 C. Kühlung ist erforderlich. An den anodisch geschalteten Werkstückoberflächen entsteht, ebenso wie bei den chemischen Verfahren, Sauerstoff (keine Versprödung). Wichtig: Gasabführung an beiden Elektroden. Seite 20

21 Chemisch Polieren - Verfahrenseigenschaften Elektrolyte sind wässrige Lösungen mit Säuren oder sauren Salzen und Sauerstoffträgern, eventuell mit Glanzzusätzen oder Inhibitoren. Die Prozessenergie wird durch die chemische Reaktion der Metalloberfläche mit den Chemikalien geliefert, wobei Sauerstoff freigesetzt wird, der abgeführt werden muss. Die Verfahren sind stark exotherm und arbeiten meist im Temperaturbereich von 18 bis 30 C, weshalb Kühlung und intensiver Badaustausch an den Oberflächen erforderlich ist. (Durchfluss von Bohrungen und Hohlräumen). Bedeutender Einfluss des elektrochemischen Verhaltens von Legierungskomponenten (Pulvermischungen). Beispiel: Chrom-Kobalt ist problemlos, Chrom-Kupfer geht nicht (selektive Auflösung einer Komponente). Seite 21

22 Bisherige Erfahrungen Edelstahl: Elektropolieren mit guten Ergebnissen, die chemische Behandlung von schwer zugänglichen Innenbereichen erbrachte nicht so gute Glätte, aber ebenfalls Partikelfreiheit Titanlegierungen: Elektropolieren und chemisch Polieren brachten gute Ergebnisse Chrom-Kobalt-Legierungen: Gute Ergebnisse durch Elektropolieren Molybdän: Gute Ergebnisse durch Elektropolieren Aluminiumlegierungen: Gute Ergebnisse mit chemischem Polieren Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke - VDMA Juni 2014 Seite 22

23 Schlussfolgerung Die 3-D Technik befindet sich noch im Anfangsstadium der Entwicklung, wobei die Oberflächenbehandlung oft noch nicht im Fokus steht. Dies wird sich mit breiterer Anwendung ändern. Werkstücke mit hohen Anforderungen an Funktionalität und Partikelfreiheit erfordern zwingend eine hochwertige Oberflächenqualität (Implantate, Kompaktwärmetauscher, Hochspannungskomponenten, Präzisionsteile). Die abschließende Oberflächenbearbeitung sollte bereits bei der Planung und Herstellung der Teile berücksichtigt werden durch entsprechende Wahl des Werkstoffs (Mischungen, Pulverkörnung) sowie Maßzugaben zum Ausgleich des Abtrags durch die Oberflächenbehandlung. Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke - VDMA Juni 2014 Seite 23

24 Fazit Wir stehen noch am Anfang, aber - der frühe Vogel fängt den Wurm! Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit Oberflächenbearbeitung metallischer 3-D Werkstücke - VDMA Juni 2014 Seite 24