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Referat Chemisches Abtragen (CM)


chemie referate

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Chemisches Abtragen (CM)

Beim chemschen Abtragen setzt sich der Werkstoff unter direkter Reaktion mit dem Wirkmedium in eine Verbindung um, die flchtig oder mindestens leicht entfernbar ist. Dafr ist oft die Zufhrung einer Reaktionswrme erforderlich. Dann knnen die Verfahren auch unter 'Thermisch-chemisch' eingeordnet werden. Werkstk oder/und Medium sind elektrisch nichtleitend. Verfahrensbeispiel: Glastzen.


Abbrennen (Thermisch-chemisches Verfahren; TCM)

- Vorgang:

Das Werkstck wird einer kurzzeitig vorhandenen Temperaturspitze von bis zu 3500 C ausgesetzt (d.i.thermisch). Partien mit groer Oberflche bei kleinem Volumen, z.B. Grate oder Spne, verbrennen bei dieser Entzndungstemperatur in Sauerstoffberschu (d. i. chemisch).Je kleiner das Verhltnis Oberflche zu Volumen ist, desto mehr geht das Verbrennen in Schmelzen ber. Die

kompakten Werkstckanteile werden nicht beeinflut. weil die Wrme so kurzzeitig auffritt, da sie nur wenig in das Teil eindringen kann und dann rasch in das Volumen abfliet.

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

- Technik

Die Werkstcke werden ungeordnet, geordnet oder in Haltevorrichtungen auf einen sog. Schlieteller gebracht. Dieser wird hydraulisch (manchmal mechanisch) innerhalb einer Maschine gegen eine zylindrische Entgratkammer hochgedrckt und schlielich dadurch gasdicht.

BILD 1

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

Das Gasgemisch hllt das Werkstck berall, auch innen und an unzugnglichen Stellen ein.Durch die Zndung erfolgt die Verpuffung des Brenngases innerhalb von 10-20ms, so da die Werkstcke nur auf < 150 C erwrmt werden.Die dnnen Grate erreichen jedoch Entzndungstemp. Und verbrennen.

Dieser Vorgang luft solange ab, wie Sauerstoff vorhanden ist nd keine Abkhlung durch zu groe

Querschnitte stattfindet. Gewindespitzen werden deshalb nicht angegriffen. Die entstandenen Oxide schlagen sich auf der Werkstckoberflche nieder. Die Oxidschicht wird nachfolgend in einem phosphorsurehaltigen Bad behandelt. Bei Eisenwerkstoffen entsteht dabei eine korro- sionsschtzende Phosphatschicht. Diese Behandlung entfllt bei Stahl und bei Werkstcken die spter 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 verlngert, ist in der Regel ein Rundschalttisch integriert, auf dem fnf oder sechs Schlieteller lagern.

- Anwendung

Mit TEM zu behandelnde Werkstoffe sind blicherweise: Stahl und Graugu, Zink, Aluminium, Kupfer-Zink-Legierung. - Grate, die von der Zerspanung oder vom Gieen herrhren, werden entfernt, Kanten werden verrundet (beircrassivem Stahl r 0,5 mm). Der Aufwurf vom Bohrereintritt wird wesentlich verringert. Bei Druckgu werden Formteilungsgrate mit dickem Fu stark abgeflacht.

Da das Verfahren auch an verdeckten Stellen sicher arbeitet und keine Spne brig lt,ist es bei funktions- und sicherheitsrelevanten Werkstcken gefordert.


Elektrochemisches Abtragen (EcM)

Beim elektrochemischen Abtragen wird Werkstoff unter Einwirkung eines Elektrolyten und von Strom anodisch aufgelst. Das Werkstck mu demnach elektrisch leitend sein. Der Stromflu entsteht entweder durch eine uere Stromquelle (Elysieren) oder durch rtliche Elementbildung (elektrochemisch Atzen, d. i. Metalltzen).

Vorgang:

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

Bei einer Elektrolyse wandert das im Elektrolyten enthaltene Metall (lon) an die Katode, der Sure- 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 verschleifreies Werkzeug benutzt.

- Die Anode geht in Lsung (anodischer Abtrag). Das Werkstck mu also Anode sein. Der Abtrag

ist von der Werkstckhrte unabhngig.

- Wasserstoff wird frei (Explosionsgefahr, elektrische Isolation der Katode durch Gasblasen). Der Elektrolytlsung wird stndig Wasser entzogen. Dadurch steigen Konzentration und Leitfhig- keit. Groen Behlter verwenden,

- NaCl wird nicht verbraucht.

- In der Elektrolytlsung (elektrischer Widerstand) wird Wrme frei. Durch die Temperatursteige- rung steigt auch die Leitfhigkeit. Die Temperatur kann nicht ber 100 C ansteigen, daher besteht praktisch kein Wrmeeinflu auf das Werkstckgefge.

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

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

- Im Anodenschlamm sind auch giftige Bestandteile enthalten, z. B. Nitritionen und - bei Cr-legier- ten Werkstcken - Cr6+-lonen. Also: Entgiftung, Vorschriften beachten!

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

- Durch den Abtrag der amorphen Schicht besteht die Oberflche des Werkstckes aus dem kristallinen Grundgefge.

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 Werkstck zugefhrt. Durch das hohle Werkzeug wird Elektrolyt mit einem Druck von 10 . . . 25 bar in den Wirkspalt gepret. Das ergibt eine Elektrolytgeschwindigkeit von 10 . . . 50 m/s. Sie ist auch erforderlich, um die isolierenden Gas- blasen zu entfernen. Bei zu hoher Strmgeschwindigkeit des Elektrolyten entstehen an der Ober- flche Riefen. Elektrolytreinigung ist unbedingt notwendig, weil Schlammteilchen zu unerwnschten Kurzschlssen und Verstopfungen fhren.

Bei groer Bearbeitungsflche mssen die auftretenden Krfte bercksichtigt werden! Durch die

Elektrolytzufhrungskanle im Werkzeug ergeben sich im Werkstck Rippen oder Zapfen, die nach- trglich entfernt werden mssen.


Die Abtragrate betrgt fr Stahl etwa 2 mm3/(A . min), die Vorschubgeschwindigkeit ist von der

Stromdichte A/cm2 (C250) abhngig. Je grer sie ist, desto grer kann auch v sein,

oder je grer die Bearbeitungstlche, desto kleiner mu v, sein. Praktische Werte liegen bei 1...10 mm/min je nach Stromdichte, z.B. Stromdichte ~ 180 A/cm2 entspricht v = 2,5 mm/min

BILD 2

Je hher die Vorschubgeschwindigkeit vf und je niedriger die Spannung U sind, desto kleiner ist der Wirkspalt s und desto grer sind die Abbildungsgenauigkeit und die Ober- flchengte.

Nicht nur an der Stirnseite der Katode, sondern auch an der Mantelflche findet ein dauernder Werkstckabtrag statt. Dadurch entsteht eine bogenfrmige Mantellinie der Bohrung, die eigentlich achsparallel gewnscht war. Zur Abhilfe wird das Werkzeug auen elektrisch isoliert, und zwar




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

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

3A/cm2) hher.

ELEKTROCHEMISCHE SPANNUNGSERZEUGUNG ELEKTROCHEMISCHE SPANNUNGSREIHE

Hlt man ein Stck Metall in einen Elektrolyten,so gehen Metallionen im Elektrolyten in Lsung,bis bei

einer bestimmten Konzentration an Metallionen ein Gleichgewichtszustand erreicht wird. Das Metall- stck, die Elektrode, wrd gegen den Elektrolyten elekrisch negativ aufgeladen - es kommt zu einer elektrolytische Polarisation. Verbindet man zwei Elektroden ungleichen Materials ber 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 gegenber Wasserstoff. Die zwischen zwei beliebigen Elementen auftretende Spannung folgt aus der Differenz der Zahlen-werte. Je grer die Differenz der elektrochemischen Spannung zweier Metalle ist, desto schneller und in grerem Umfang erfolgt die Zerstrung des jeweils elektronegativeren 'unedleren' Metalls.

TABELLE

Galvanische Elemente

Diese sind Spannungsquellen, die nach dem Prinzip der elektrolytischen Polarisation arbeiten. Die erzielbare Spannurig hngt nicht von der Gre der Elektroden oder deren Abstand ab, sondern lediglich von den Materialien der Elektroden.

Lt man von der Spannung einen Strom ber einen ueren Kreis treiben, so verschieben sich die Potentiale an den Elektrodenoberflchen, wodurch im Elektrolyten ein elektrisches Feld entsteht, welches die negativen lonen im Elektrolyten zur positiveren Oberflche treibt, das ist die der negativen Elektrode; entsprechend wandern die positiven lonen zum positiven Pol mit dessen negativerer Oberflche.

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 Fhigkeit elektrische Leistung abzugeben. Bei den s.g. Trockenlementen wird der flssige Elektrolyt durch Beimengungen von pulverigen Massen bis zur Breiform verdickt, wodurch eine robustere Ausfhrung solcher Zellen mglich ist.


Elektrochemische Spannungsreihe

Um die vielen Metalle bezglich ihrer Reaktionsfhigkeit - zumindest im ungefhren -miteinander vergleichen zu knnen, 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 Lsung auszubilden.

BILD 3

In der Spannunqsreihe stehen links vom Wasserstoff unedle, rechts edle Metalle. Unedle Metalle lsen 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 verstndlich, da die links stehenden Metalle, rechts stehende Metalle, die als lonen in Lsungen vorliegen, reduzieren knnen.Dabei werden sie selbst gleichzeitig oxidiert.Mittels der Spannungsreihe kann man solche Redoxreaktionen vorausbestimmen.

Mglichkeiten der Reinigung

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

- mechanische Oberflchenbehandlungen

- Schleifen

- Polieren

- Strahlen

- Chemische Oberflchenbehandlungen

- Beizen

- Elektrolytische Oberflchenbehandlung



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