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Elektrochemisches Polieren

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ECP ist eine neue Technik für die Endbearbeitung von Oberflächen an Formwerkzeugen. Die Technik ist bekannt und angewandt in Japan und wird jetzt auch in Europa eingeführt. Seit zwei Jahren wurde die ECP-Technik an der Technischen Universität von Luleå in Schweden in Zusammenarbeit mit COTAC SWEDEN AB weiterentwickelt, so daß ECP sich jetzt für die Politur von praktisch allen Werkzeugstählen und auch anderer Materialien eignet. Von COTAC SWEDEN AB wurde auch die Technik entwickelt, mit der sich ungewöhnlich strukturierte, aber doch glänzende Oberflächen herstellen lassen.

Autoren: Istvan Sárady und Sören Tjärnström

Elektrochemisches Polieren nach der COTAC-Methode unterscheidet sich grundsätzlich vom konventionellen „Elektropolieren“, bei dem man gefährliche Säuren – Phosphor-, Perchlor- oder Chromsäure – verwendet und giftige Gase und chemische Substanzen produziert. Die ECP-Technik nach der COTAC-Methode basiert darauf, daß ein homogenes elektrostatisches Feld sich zwischen einem Werkzeug und einer formgenauen Elektrode bildet, wenn eine elektrische Spannung zwischen den beiden angelegt wird. Wenn sich ein Elektrolyt in dem gleichmäßigen Spalt befindet, kann ein Strom zwischen den beiden fließen. Als Elektrolyt wird eine wäßrige NaNO3-Lösung mit hoher Konzentration verwendet. Die Stromdichte über die gesamte Oberfläche des Werkzeuges ist gleich, wenn der Spalt gleichmäßig ist. Daher wird auch der Abtrag sehr gleichmäßig. Die für ECP verwendete Stromdichte ist sehr hoch und beträgt 40 -80 A/cm². Die Größe des Spaltes kann typisch 0,1 bis 0,5 mm betragen, muß aber über die gesamte Oberfläche gleich sein.
Aufgrund der angelegten Spannung bewegen sich die negativen NO3-Ionen zu dem positiven Pol, welchen das Werkzeug bildet, und reagieren dort mit dem Material. Metalle wie Fe, Ni usw. gehen dabei in Lösung als Nitrate. Aufgrund des eingestellten pH-Wertes von etwa 8,5 dissoziieren diese Nitrate sofort und bilden einen Schlamm von Metallhydroxiden, z.B. Fe(OH)2. Diese werden dann durch die kontinuierliche Filteranlage ausgefiltert.
Durch jeden Strompuls wird nur eine geringe Schicht mit der Dicke von etwa 0,1 µm aufgelöst. Die Strompulse werden von einer numerisch kontrollierten Kondensatorbatterie geliefert. Nach dem „Abfeuern“ der Strompulse wird die Elektrode hochgehoben und frischer Elektrolyt wird in den Hohlraum gespült. Danach wird die Elektrode wieder in die ursprüngliche Lage gefahren – die Maschine hat eine genaue numerische Steuerung. Die Taktzeit beträgt etwa 5 Sekunden.
Auf diese Weise wird allmählich eine etwa 100 µm dicke Schicht der Werkzeugoberfläche aufgelöst. Nach dem Auflösen dieser Schicht wird die Oberfläche chemisch rein und metallographisch identisch mit dem Basismaterial. Wenn die Stromdichte richtig eingestellt ist, wird die Oberfläche glänzend, komplett befreit von der bei der Funkenerosion produzierten geschmolzenen und wiedererstarrten „weißen“ Schicht, die außerdem auch Mikrorisse und Porösitäten enthalten kann und daher die Quelle für Ermüdung des Werkzeugs ist.
Funkenerodieren
Funkenerodieren (EDM) hinterläßt immer an der Oberfläche eine „weiße“ Schicht, die geschmolzen und danach wieder erstarrt ist. Diese Schicht ist sehr hart und enthält oft Porösitäten und Mikrorisse. Das Material ist auch unter dieser Schicht durch die beim Erodieren erzeugte Wärme beeinflußt. Durch ECP werden die wiedererstarrten und wärmebeeinflußten Schichten effektiv und spurlos entfernt, d.h. die Oberfläche besitzt die selben Eigenschaften wie die tiefer liegenden Schichten. Nachdem durch ECP nicht nur diese Schichten entfernt, sondern auch das Oberflächenfinish erheblich verbessert wird, wird das zeitraubende Funkenerodieren dritter Stufe oder „Feinerodieren“ völlig überflüssig.
Bearbeitungszeit
Die Bearbeitungszeit mit ECP beträgt in der Regel 1-1,5 Stunden und ist unabhängig von der Größe und Form des Hohlraumes, vorausgesetzt, daß eine entsprechende Elektrode vorhanden ist. Die COTAC-53 A6 Maschine kann Werkzeuge mit einer Gesamtfläche bis zu 600 cm² binnen einer Stunde polieren. Die maximale Stromstärke für diese Maschine beträgt 24 000 A.
Es gibt jedoch auch viel größere Maschinen, die große Werkzeuge bis zu einem Gewicht von 5 t und einer Fläche von 4800 cm² mit 192 000 A Stromstärke polieren können.
Wenn eine Oberfläche mit Hochglanz erforderlich ist, soll man als letzte Stufe manuelles Polieren mit Diamantpaste in einigen Stufen verwenden. Das Handpolieren wird durch Entfernen der harten „Erodierschicht“ („weiße Schicht“) wesentlich erleichtert.
Kosten
Durch Verkürzung der Zeit des Funkenerodierens und der Handpolitur können große Ersparnisse erzielt werden. Auch indirekt wird gespart: durch erhöhte Qualität der Werkzeuge, Reduzierung von monotonen Arbeitsvorgängen, weniger Staub und Lärm usw. Unten ist ein Beispiel wieviel Stunden beim Funkenerodieren und bei der Handpolitur gespart werden können.
Material
Die meisten Stähle, reine Metalle und Legierungen (A1, Messing usw.) können mit ECP bearbeitet werden, wobei das Oberflächenfinish verbessert werden kann. Der Umfang der Verbesserung ist jedoch von dem Material abhängig.
In jedem Fall kann die Schicht, die bei der Funkenerosion beeinflußt wurde, entfernt werden. Nach der Abtragung dieser Schicht ist die Oberfläche metallisch und chemisch rein und der Zustand der Oberfläche ist identisch mit dem des Basismaterials. Es ist auch viel leichter nach dem ECP ein manuelles oder maschinelles Polieren durchzuführen.
Die Materialien, die mit ECP nicht bearbeitet werden können sind Wolframkarbide (Hartmetall) und Graphit. Für Titan und Titanlegierungen wird ein anderer Elektrolyt benutzt.
Gesenkmetallurgisch hergestellte Stähle, die Steigerungen und grobe Karbide enthalten, sind für ECP nur bedingt geeignet.
Die Parameter die die Oberflächenqualität nach dem elektrochemischen Polieren beeinflussen sind unter anderem die Materialqualität, Wärmebehandlungszustand des Werkzeuges, die Oberflächenrauhigkeit (Rmax) vor dem Polieren, das Material und die Oberflächenrauhigkeit der Elektrode. Man kann Graphit als Elektrode verwenden, aber mit Kupfer wird das Resultat der Politur besser.
Umweltverträglichkeit
Beim ECP werden die Legierungselemente chemisch aufgelöst. Metalle wie Fe, Ni usw. gehen dabei in Lösung als Nitrate. Aufgrund des eingestellten pH-Wertes von etwa 8.5 dissoziieren diese Nitrate sofort und bilden einen Schlamm von Metallhydroxiden, z.B. Fe(OH)2. Diese werden dann durch die kontinuierliche Filteranlage ausgefiltert. Gewisse Metalle sowie Cr, Mo, Ti, V und W bleiben in der Lösung in Form von Chromaten-, Molybdatenionen usw. Diese werden durch einen Zusatz von Pb(NO3)2 als unlöslicher Schlamm ausgeschieden. Die gebrauchten Filterpatronen – aus Papier und Eisen – und die ausgefilterten Schlämme können am besten entsorgt werden, wenn diese zusammen mit Stahlschrott wieder an ein Stahlwerk geliefert und verarbeitet werden. Es handelt sich um Legierungselemente, die natürlich im Stahl vorkommen, oder sehr kleine Mengen von Schwermetallen, die jedoch in unlöslicher Form in der Schlacke gebunden werden. Ein direktes Deponieren kann auch erfolgen, da es sich um sehr kleine Mengen und in Form von im Wasser unlöslichen Schlamm oder komplexe, nicht wasserlösliche Salze wie Pb(CrO4)2 handelt.
E mav 257
Rmax=7,84 µm,Ra=1,66 µm, Pc= 138/cm Rmax=0,61 µm, Ra=0,08 µm, Pc=12/cm
EDM ECP
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