Technologie

Hochglänzende Oberflächen für funktionale und ästhetische Anwendungen gewinnen eine zunehmende Bedeutung in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen. Für die Erzeugung hochglänzender Oberflächen müssen eine Reihe von Rückständen entfernt werden, die sich im Laufe des Herstellungsprozesses auf diesen Teilen bilden. Sie entstehen Beispielsweise durch Rückstände in Folge des Gießvorganges, durch Bearbeitungsspuren oder durch Schichten, die aus einer Wärmebehandlung oder Schweißprozessen resultieren.

Aus diesem Grunde sind Poliervorgänge erforderlich, die Oberflächen ohne Riefen und andere strukturelle Defekte in der Oberflächengeometrie liefern. Gegenwärtig werden Poliereffekte durch mechanische, chemische oder elektrochemische Verfahren, neuerdings auch durch lasergestützte Methoden erreicht. Jedes dieser Verfahren ist nur für eine begrenzte Materialauswahl verwendbar und unterliegt Einschränkungen hinsichtlich Kosten, Prozesszeit und Umwelteinfluss. Mit dem elektrolytischen Plasmapolieren hat die plasotec GmbH eine neue und innovative Technik entwickelt, um die hohen Anforderungen im Bereich der Oberflächenbearbeitung zu erfüllen.

vorher nano plasmapolieren

Verfahrensbeschreibung Plasmapolieren

Das Plasmapolieren stellt einen neuen Ansatz für das Polieren dar und beruht auf einem physikalisch-chemischen Effekt, der an den Oberflächen von Elektroden eines elektrolytischen Systems in Verbindung mit hoher elektrischer Spannung abläuft.

Plasmapolieren ist ein elektrolytisches Verfahren, mit dem anodisch gepolte metallische Teile durch die prozessbedingte Ausbildung einer Plasmahaut auf Grund thermischer und elektrochemischer Vorgänge einen bisher mit klassischen Poliermethoden nicht erzielbaren Glanz erhalten. Lokale Gasentwicklung des Elektrolyts an der kleineren Elektrode (das Teil dient als Anode) führt zu einem Gasstrom, der die gesamte Oberfläche des Werkstückes überzieht und die Bildung einer Plasmahaut erlaubt. Neben der mit einem minimalen Masseverlust einhergehenden Einebnung von Mikrorauheiten werden Grate sowie organische und anorganische Verunreinigungen der Oberfläche entfernt. Darüber hinaus ist eine, je nach Material sogar beachtliche, Korrosionshemmung plasma­polierter Metalloberflächen zu beobachten.
Plasmapolierte Metallteile zeichnen sich so durch einen verbesserten Korrosionsschutz gegenüber dem Ausgangszustand aus.

Referenzen

Mit erreichbaren Rauheitswerten kleiner 0,01 µm bietet sich dieses Verfahren auch als Ergänzung und als Problemlöser bei bestehenden Oberflächenvergütungsmethoden an. Der typische Materialabtrag beim Plasmapolieren beträgt 2 - 8 µm/Minute. xxx Dadurch garantiert das Verfahren Formtreue und geringste Kantenverrundung, so dass die erforderlichen Toleranzen eingehalten werden. Die Oberflächen gehärteter Bauteile werden glänzend poliert. Das Verfahren ist somit auch hervorragend geeignet zum Polieren und Entgraten von Fräs-, Dreh- und Feingussteilen.

Der Oxidationscharakter des Prozesses führt zu einer Verbrennung organischer Oberflächenschichten durch das thermisch angeregte Plasma. Aber auch anorganische Substanzen auf der Oberfläche werden oxidiert und abgetragen, falls die Verdampfungstemperatur bzw. die Zersetzungstemperatur der Reaktionsprodukte unter ca. 2000K liegt.

Eingesetzte Chemikalien:
• Ammoniumsulfat mit wasserlöslichem Schwefel < 10 %
• teilweise: Phosphorsäure ca. 10 % (nur zum Entfernen von Verfärbungen)
• deionisiertes Wasser

Bis heute wurden Elektrolyte für die Bearbeitung von:


Eisenmetallen:   alle nichtrostenden Stähle (Poliergrad abhängig von Legierungsbestandteilen und Kohlenstoffanteil)
     
Nichteisenmetallen:   Messing und dessen Legierungen
Chrom-Kobalt-Legierungen
Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierungen
Wolfram
Molybdän
     
Leichtmetallen:  

Titan und Titanlegierungen
einige Magnesiumlegierungen

entwickelt.

Unterschiede des Plasmapolierens zum Elektropolierverfahren

Prozess- und
Verfahrensmerkmale
Elektropolieren Plasmapolieren

Elektrotechnische/
Physikalische
Prozessmerkmale

  • benötigte Badspannung
    0 V - 20 V DC regelbar
  • Werkstück wird anodisch kontaktiert
  • Polierbecken dient als Kathode
  • Flächenstromdichte 0,05 - 0,5 A/cm² einstellbar
  • ca. 24KW bei 600l Badvolumen
  • 30 -> 60 C° bei ferritische Stähle, Guss
  • 40 - 65C° bei austenitischen Stählen
  • benötigte Badspannung zum Zünden eines elektrolytischen Plasma > 200 V DC ungeregelt
  • Werkstück wird anodisch kontaktiert
  • Polierbecken dient als Kathode
  • Flächenstromdichte 0,12 A/cm² nicht regelbar
  • ca. 100 KW bei 600l Badvolumen
  • 80 - 90C° bei allen nichtrostenden Stählen
     

Chemische Prozessmerkmale

  • Elektrolytisches Bearbeitungsverfahren
  • Einsatz von hochkonzentrierte Säure als Elektrolyt (Phosphor- und Schwefelsäure)
  • Einsatz von chemischen Reinigungsmitteln
  • PH-Wert ca. 1
  • Elektrolytisches Bearbeitungsverfahren
  • Einsatz von in Wasser gelösten nichttoxischen Satz-verbindungen in niedriger Konzentration
  • rückstandsfreies Spülen in normalem Stadt- oder Prozesswasser ohne Einsatz von Reinigungsmitteln
  • Elektrolyte sind umweltschonend und können vom Anwender selbst aufgearbeitet und wiederverwendet werden
  • Säurezugabe optional ca. 0,1 %
  • pH Werte 3,5 - 7,5
     

Vorbereitung und Reinigung

  • Teile werden in Reinigungsanlagen vor dem Polieren gereinigt und entfettet
  • keine Vorreinigung nötig
  • große Teile ggf. aufwärmen
     

Abtragsraten und Oberflächenmodifikation

  • Zeitlinear
  • 15 - 60 µm/Minute
  • hohe Abtragsraten
  • starke Kantenverrundung
  • schlechte Geometrietreue
  • Verbesserung des Korrosionsverhalten
  • schlechter Haftgrund für Ablagerungen
  • Erhöhung des Glanzgrates
  • Zeitlinear
  • 3 - 6 µm/Minute und damit ca. 10 Mal kleiner als beim Elektropolieren
  • keine bzw. nur sehr geringe Kantenverrundungen an Körperkanten und Schnittflächen
  • sehr gute Geometrietreue
  • Verbesserung des Korrosionsverhalten durch Bildung einer Passivschicht
  • Schlechter Haftgrund für Ablagerungen
  • Nachgewiesener Lotoseffekt durch Kontaktwinkelmessungen
  • Erhöhung des Glanzgrates
     
Erreichbare Rautiefen RA (µm)
  • abhängig vom Vorbehandlungszustand
  • Schleifen meist nötig
  • Ra- Verminderung um max. 50 % möglich
ca. 0,2 µm(bei i=0,2A/cm²) erreichbar
  • abhängig vom Vorbehandlungszustand
  • Ra-Verminderung um max. 85 % möglich (Guss und Kleinteile)
  • ca. 0,03 µm erreichbar
    auf kaltgewalzten Blechen wurden Werte von 0,003 µm erreicht
     
Nachbereitung und Reinigung
  • Dekapieren
  • Teile müssen von Säurereste befreit werden und in mehreren Spülgängen gereinigt und gewaschen werden, z.B.  3er Kaskade, Trocknen
  • Teile werden in Wasser gespült
  • Teile werden mit getrockneter Druckluft getrocknet
     
Polierzeiten
  • Abhängig vom Vor-behandlungszustand
Im Regelfall  5 - 20 min
  • Abhängig vom Vor-behandlungszustand
Im Regelfall  1 - 5 min
     
Polierbare Flächen ca. 3000 - 30000 cm² pro Durchlauf bei 15 KW eingetragener Leistung ca. 1500 cm² pro Durchlauf bei 60 KW bereitgestellter Leistung
     
Sonstige Bemerkungen
  • Kontaktierung der Teile durch Edelstahl oder Titanaufnahme
  • Bad und Teilebewegung sind nötig, um Metallsalzanhaftungen am Poliergut zu unterbinden
  • Ionenaustauscher für Kaskadenspülung sind erforderlich
  • Kontaktierung der Teile durch Edelstahlaufnahmen
  • keine Wasserstoffversprödung
  • DI Wasser ist nur zum Spülen wünschenswert, aber nicht erforderlich
  • Zytotoxizität wurde nach ISO 10933-5 geprüft
  • Korrosionstest wurden durchgeführt
  • Rückstandsuntersuchungen (Cr,Cr6,Ni,Cu.Fe9) wurden durchgeführt
  • alle Messungen und Untersuchungen ergaben keine Beanstandungen oder Grenzwertüberschreitungen
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Grundlagen des konventionellen Elektropolierens

Unter Elektropolieren versteht man eine elektrochemische Behandlung, die zur Einebnung, zum Glänzen, Passivieren und zur Oberflächenveredlung einer metallischen Fläche führt, die ursprünglich matt und rau ist. Elektropolieren ist nach DIN 8580 den elektrisch abtragenden Fertigungsverfahren zugeordnet. Es ist die elektrochemische Abtragung einer Oberfläche als Folge des elektrischen Ladungsaustausches zwischen einem metallischen Werkstück und einem flüssigen Medium, dem Elektrolyten.

Im Prinzip handelt es sich beim Elektropolieren um einen umgekehrten galvanischen Prozess, wobei das Werkstück am Pluspol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen wird (Anode). Unter Einwirkung des Gleichstromes löst der Elektrolyt Teile aus der Werkstoffoberfläche auf.

Die Oberfläche wird geglättet, eingeebnet und passiviert. Wesentliche Vorteile bzw. Besonderheiten des Elektropolierens von Werkstücken aus Edelstahl sind die Erzielung optischer und technischer Oberflächeneigenschaften. Entscheidendes Merkmal des Elektropolierens ist eine bevorzugte Abtragung der Rauheitsspitzen, die zunächst zu einer Verringerung der Mikro-Rauigkeit und bei der Ausdehnung der Behandlungszeit auch zu einem Abbau der Mikro-Rauigkeit führt.

Der bevorzugte Abbau von Materialspitzen bewirkt, dass Werkstückkanten einem schnelleren Abtrag unterliegen als die Oberflächen, wobei auch in Folge mechanischer Bearbeitung aufgetretene feine Grate beseitigt werden. Man spricht in diesem Fall von Entgraten durch Elektropolieren. Auch die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl wird durch das Elektropolieren günstig beeinflusst. Da die Korrosion von der Oberfläche eines Werkstoffes ausgeht und somit vom Zustand der Oberfläche abhängig ist, kommt der Größe der Oberfläche, insbesondere auch Mikrobereich, eine besondere Bedeutung zu. Hinzu kommt, dass mit dem Elektropolieren von Edelstahl ein Passivierungseffekt verbunden ist, weil dem Werkstück durch die anodische Schaltung besonders stark Sauerstoff angeboten wird. Die für die Korrosionsbeständigkeit unumgängliche Chromoxidschicht an der Oberfläche kann sich so voll und dicht ausbilden. Vom Standpunkt der Hygiene bieten elektropolierte Edelstahloberflächen große Vorteile, da auch Keime und Krankheitserreger bei der Reinigung und Passivierung beseitigt werden und die Entwicklung der Mikroorganismen wesentlich reduziert ist. Dies ist vor allem für den Einsatz in den öffentlichen Bereichen sowie in Krankenhäusern und bei der Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung.

Beim Elektropolieren sollten die Werkstücke folgende Voraussetzungen erfüllen:
- günstige Werkstückgeometrie - Schüttfähigkeit bei Massenteilen
- nicht zu dünne Wandstärken - einwandfreie Kontaktstellen zu Stromzuführung
- elektrisch gut leitende Oberflächen
- mechanisch gut vorgearbeitete Oberflächen

Zur vollständigen Befüllung von Hohlräumen mit Elektrolyt und zur nachfolgenden Entleerung sowie zur Abführung der während des Elektropolierens entstehenden Gase unter Vermeidung von Gastaschen sind zusätzliche Öffnungen oder Entlüftungsbohrungen anzubringen. Enge Spalte, Falze und Umbördelungen sind nur schwierig von eingedrungenen Säuren zu reinigen und daher möglichst zu vermeiden.

Der durch das Elektropolieren erfolgende Materialabtrag beträgt in der Regel 10 bis 30 µm und ist hinsichtlich der Einhaltung von Toleranzen zu berücksichtigen bzw. gegebenenfalls durch geeignete Maßnahmen zu begrenzen.

Wesentlich für eine gute Elektropolitur ist eine gründliche Vorreinigung der Werkstücke. Besonders schädlich wirken sich Schmierstoffe und Oxidschichten beim Elektropolieren aus. Leichte Oxidschichten, wie z. B. Anlauffarben vom Glühen des Edelstahls, lassen sich leicht entfernen. Zunderrückstände müssen immer vor dem Elektropolieren beseitigt werden.

Das Elektropolieren von Edelstahl erfolgt überwiegend in Elektrolyten aus hochkonzentrierten Gemischen von Phosphorsäure und Schwefelsäure mit Zusätzen, die Glanz, Einebnungen und Wirkungsgrad verbessern. Die Elektrolyte greifen im stromlosen Zustand den Edelstahl nicht an. Die meisten Elektrolyte zum Elektropolieren wurden in den USA und Frankreich entwickelt und zum Teil patentiert.

Der Wassergehalt dient zur optimalen Einstellung der Leitfähigkeit und Polierwirkung. Elektropolieranlagen sind in der Regel Tauchbäder mit Heizung, Kühlung und entsprechenden Stromarmaturen. Die Stromversorgung erfolgt über einen stufenlos einstellbaren Gleichrichter.
Die Badgrößen liegen bei etwa 10 m Länge je nach Anwendungen. Nach dem Elektropolieren sind die Teile mit fließendem Wasser zu spülen und elektrolytfrei zu reinigen. Dies kann in mehreren Abschnitten erfolgen, um alle Säurereste rückstandslos zu entfernen.