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Elektropolieren vor Ort

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03.11.2008 Das elektrochemische Polieren ist nach DIN 8590 als ein galvanischer Prozess definiert, bei dem das Bauteil aus Metall bzw. einer Metalllegierung in einem geeigneten Elektrolyten als Anode geschaltet unter dem Einfluss von elektrischem Gleichstrom kontrolliert und selektiv abgetragen wird. Die elektrochemische Behandlung der verschiedenen Metalle und Metalllegierungen bedingt einen jeweils geeigneten Elektrolyten – meist Säuremischung oder wässrige Salzmischung – bei entsprechenden Verfahrensparametern und passenden anodischen Stromdichten, die in Laborversuchen im Vorfeld zu ermitteln sind.

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Entscheider-Facts


  • Zum Elektropolieren vor Ort bieten sich prinzipiell die technischen Verfahrenvarianten des elektrochemischen Polierens in einem Bad (Befüllen oder Eintauchen) oder aber die Methode des Tamponpolierens an.
  • Um Oberflächen erfolgreich elektrochemisch polieren zu können, ist es notwendig, diese vorher unbedingt metallblank vorzureinigen bzw. gezielt mechanisch vorzuschleifen.
  • Das protokollarische Erfassen der Vorzustände der Oberfläche und der signifikanten Verfahrensparameter erlaubt es, nachvollziehbare und kontrollierte produktionsgerechte Oberflächen für den zukünftig ungestörten Einsatz der jeweiligen Apparate zu schaffen.
  • Auch fachgerecht elektrochemisch polierte Oberflächen unterliegen einem natürlichen Verschleiß, der in regelmäßigen Abständen eine Rekonditionierung notwendig macht.

Speziell die elektrochemischen Oberflächenbehandlungen von Bauteilen aus austenitischen Edelstahllegierungen 1.4404/1.4435, 1.4571, 1.4539 etc. bzw. Nickelbasislegierungen, wie Hastelloy C4, C22, C276 etc., haben sich in den letzten Jahren zunehmend zu einem üblichen Standard der finalen Oberflächenkonditionierung entwickelt, nachdem neben den hervorragenden praktischen Erfahrungen vor allem auch begleitende wissenschaftliche Untersuchungen die nachhaltigen Vorteile der Verbesserung von Topografie, Morphologie und Energieniveau/elektrischer Ladungszustand der Bauteiloberfläche haben eindeutig nachweisen lassen.

In regelmäßigen Abständenrekonditionieren

Diese Verbesserungen der optimalen Reinigbarkeit und des erheblich exakter kalkulierbaren Korrosionswiderstandsverhaltens werden von den Anlagennutzern zunehmend als Anwendungsvorteil erkannt. Dabei ist allerdings zu beachten, dass auch fachgerecht elektrochemisch polierte Edelstahloberflächen im Anwendungseinsatz über längere Nutzungsperioden einem natürlichen Verschleiß unterliegen und insofern auch in regelmäßigen Zeitabständen eine elektrochemische Rekonditionierung notwendig machen, um unverändert optimale Bedingungen zu sichern. Dies betrifft vor allem hochbeanspruchte Wärmeübertrageranlagen, Ansatz- und Lagerbehälter, Reaktoren, Rührwerksbehälter, Fermenter etc.

Um derartige Anlagensysteme fachgerecht durch elektrochemisches Polieren nachkonditionieren zu können, ist es oft nicht möglich, diese Anlagen auszubauen und in ein Elektropolierwerk zu verbringen. Vielmehr ist es aus technischen, terminlichen und letztlich kommerziellen Gründen notwendig, die Anlagenkomponenten im eingebauten Zustand vor Ort elektrochemisch zu polieren. Hierzu bieten sich prinzipiell die technischen Verfahrenvarianten des elektrochemischen Polierens in einem Bad (Befüllen oder Eintauchen) oder aber die Methode des Tamponpolierens an.

Badpolierung oder Tamponvariante?

Die Durchführung der elektrochemischen Polierung eines Bauteils in einem Elektrolytbad, wobei das eingetauchte Bauteil als Anode und das „Werkzeug“ als Kathode geschaltet sind, stellt den quasi normalen und üblichen Aufbau des Verfahrensablaufs in der Praxis dar. Angewendet wird dies zum Beispiel beim Elektropolieren eines Behälters durch Befüllen des Behälters bzw. beim Elektropolieren eines Röhrenwärmeübertragers durch Fluten der Rohre, wobei in den beiden Fällen die notwendigen Kathodenkonstruktionen entsprechend positioniert werden müssen.

Das Beaufschlagen des vorbereiteten Systems mit elektrischem Gleichstrom und das Positionieren der notwendigen Stromdichtebereiche, um optimale Elektropolierergebnisse zu erzielen, steht dabei in sehr engem Zusammenhang mit den gewählten Kathodenkonfigurationen bzw. dem notwendigen Elektrolytfluss im System.
Eine alternative Elektropoliertechnologie ist das anodische Polieren mit einem Tampon. Dieses spezielle Elektropolierverfahren erlaubt die hochwertige Ausführung von Polierarbeiten unterschiedlichster Flächenbereiche, wobei die Ausführung der Tamponform und der Tampongröße in unterschiedlichsten Variationen möglich ist. Dabei können Flächenbereiche von wenigen Quadratzentimetern – beispielsweise lokale Reparaturen – bis zu mehreren Quadratmetern effektiv und unter Einsatz relativ kleiner Elektrolytmengen erfolgreich bewerkstelligt werden.

Oberflächen gut vorbereiten

Um Oberflächen erfolgreich elektrochemisch polieren zu können, ist es notwendig, diese vorher unbedingt metallblank vorzureinigen bzw. gezielt mechanisch vorzuschleifen. (Lokal) verunreinigte bzw. isolierend kontaminierte Metalloberflächen können durch das elektrochemische Polieren (Bad- oder Tamponvariante) nicht gleichmäßig und hochwertig konditioniert werden.

Als Erfolg versprechende Vorbehandlung wären neben dem mechanischen Vorschleifen – je nach Kontaminationsart – vor allem das chemische Beizen, das chemische oder elektrochemische Entfetten oder das elektrochemische Beizen zu nennen.
Aufgrund der prinzipiellen Eigenschaftsdarstellung von technischen Metalloberflächen mit Hilfe von (Mikro-)Topografie, Morphologie sowie Energieniveau/elektrische Ladungsmenge lassen sich in allen drei Betrachtungsbereichen erhebliche Unterschiede zwischen mechanischen Oberflächenzuständen und fachgerecht elektrochemisch polierten Oberflächenzuständen aufzeigen.
Nachhaltige Einebnungen im Mikrobereich der Oberfläche mit der Entfernung von (lokalen) Mikroporositäten bzw. singulären Flächenbereichen, die in der Regel durch mechanische Bearbeitung erzeugt werden, das Entfernen von amorphen Schmierresten und von Schichten grundkristallfremder Materialbereiche sowie das Entfernen von Schichtbereichen, die durch deutlich erhöhte Materialverspannungen energiereich sind, ist es nachweislich möglich, Oberflächenzustände so kontrolliert und reproduzierbar zu schaffen, dass die Nutzung dieser funktionellen technischen Oberflächen nachhaltig kalkulier- bzw. im Verhalten bezüglich Reinigung und Korrosionswiderstandsverhalten abschätzbar werden.
Das protokollarische Erfassen der Vorzustände der Oberfläche und der signifikanten Verfahrensparameter des elektrochemischen Polierens erlaubt es, nachvollziehbare und kontrollierte produktionsgerechte Oberflächen für den zukünftig ungestörten Einsatz der jeweiligen Apparate zu schaffen.
In der Praxisanwendung eignen sich zur Prüfung einer fachgerechten elektrochemischen Polierung einer Oberfläche, zum Beispiel eines Bauteils aus einer austenitischen Edelstahllegierung

  • visuelle Prüfung des Glanzes bzw. der Reflexionen und Fehlen von typischen Mattbereichen auf der elektropolierten Edelstahloberfläche;
  • Messen der durch die Elektropolierung erzielten Rauheit Ra/Rz nach DIN EN ISO 4288;
  • mikroskopische Prüfung mit einem mobilen Stereomikroskop mit 100- bis 200-facher Vergrößerung zur Darstellung der vorliegenden typischen austenitischen Kristallstruktur.

Fazit: Das erfolgreiche elektrochemische Polieren von Bauteiloberflächen, zum Beispiel von Bauteilen aus austenitischen Edelstahllegierungen, kann neben dem traditionellen Badpolieren speziell auch durch das mobile Tamponpolieren mit absolut vergleichbarer Qualität speziell auch an Bauteilen unterschiedlicher Größe erfolgreich vor Ort im eingebauten Bauteilzustand durchgeführt werden, wobei im Speziellen aufgrund relativ minimaler Elektrolytmengen die Verfahrenskosten und -risiken erheblich reduziert werden können. Die Erfahrungen zeigen, dass auch solcherart erzeugte Edelstahloberflächen nach herkömmlichen Methoden nachvollziehbar kontrolliert/abgenommen werden können.

Um Oberflächen erfolgreich elektrochemisch polieren zu können, müssen diese vorher metallblank vorgerreinigt werden

Heftausgabe: November-Dezember 2008
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Über den Autor

Florian Andre , Vertriebsingenieur Henkel Beiz und Poliertechnik
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