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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines Metallkörpers.
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Metallkörper, die
zu vielerlei Zwecken in der Technik eingesetzt werden, unterliegen
vielfach der Korrosion. Dies gilt insbesondere für magnetische Werkstoffe und
besonders solche die Seltene Erden als Bestandteil aufweisen. Aus
diesem Grunde werden die genannten Körper passiviert, das heißt korrosionshemmend
oder -hindernd beschichtet. Um eine entsprechende Beschichtung zuverlässig und
dauerhaft aufbringen zu können,
müssen
die Metallkörper beziehungsweise
Magnetkörper
vorher gründlich
gereinigt werden. Dabei können
an den Metallkörpern von
vorangehenden Bearbeitungsschritten wie beispielsweise der spannenden
Bearbeitung, dem Schleifen oder ähnlichen
Schritten Stoffe anhaften, die schwierig zu entfernen sind wie beispielsweise Kühl- oder
Schmierstoffe und Schleifschlamm. Dies ist insbesondere auch dann
schwierig, wenn die Metallkörper
feine Bohrungen, enge Öffnungen,
Ausnehmungen, insbesondere Hinterschneidungen und jede Art von Spalten
aufweisen. Diese sind besonders schwierig zu reinigen.
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Es
ist üblich,
die Metallkörper
vor der Passivierung zu „beizen", das heißt diese
einer aggressiven Säure
auszusetzen, um alle Fremdbeschichtungen zu entfernen und die Oberfläche für die Passivierung
optimal vorzubereiten.
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Zu
diesem Zweck wird ein derartiger Metallkörper in ein Säurebad eingebracht,
wo die Säure
mit den zu entfernenden Stoffen und mit der Oberfläche des
Körpers
in Wechselwirkung tritt. Diese Wechselwirkung ist jedoch insbesondere
in den engen Spalten beziehungsweise Ausnehmungen in ihrer Wirkung
begrenzt, da dort das Säureangebot
schnell aufgebraucht ist und ein Flüssigkeitsaustausch nur sehr
begrenzt stattfindet. Dies verlängert
entweder die Prozesszeit, die der Metallkör per in dem Säurebad zubringen
muss oder die Reinigung findet nicht im gewünschten Grad statt.
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Es
können
sich dann in den engen Ausnehmungen salzhaltige Korrosionsprodukte
bilden oder es bleiben Kühl-
bzw. Schmierstoffe auf den Oberflächen. Es hat sich gezeigt,
dass hier auch eine Hochdruckanwendung der Säure kaum Abhilfe schaffen kann.
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Es
ist aus dem Stand der Technik (
WO 01/53567 A1 ,
DE 2915061 A1 und
JP 54056939 A ) ein
Reinigungsmechanismus für
Metallgegenstände mit
Hilfe einer Säure
und einer Gasblasen bildenden Reaktion bekannt. Dazu werden jeweils
eine Säure (Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure, Schwefelsäure) und
Harnstoff als ein mit einer Säure
unter Gasbildung reagierender Stoff eingesetzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren
zur Reinigung eines Metallkörpers,
bei dem dieser in einem Säurebad
unter Gasentwicklung gereinigt wird, die Nachteile des Standes der
Technik zu vermeiden und eine zuverlässige, dauerhafte und gründliche
Reinigung mit einfachen technischen Mitteln zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Es
wird dem Säurebad
Amidosulfonsäure zugesetzt
durch dessen Reaktion mit der im Säurebad befindlichen Salpetersäure ein
Gas freigesetzt wird.
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Das
Gas wird naturgemäß in Gasblasen
im Säurebad
freigesetzt und zwar überall
dort, wo die Stoffe miteinander reagieren, das heißt gleichmäßig über das
Volumen des Säurebades
verteilt.
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Die
nachfolgende Bewegung von Gasbläschen
findet entsprechend auch in engen Spalten und Ausnehmungen statt.
Die Gasbläschen
bewegen sich durch das Säurebad,
reißen
Schmutzpartikel und andere Stoffe, die sich auf der Oberfläche des Metallkörpers befinden,
mit und bewirken gleichzeitig eine Bewegung der Flüssigkeit
des Säurebades
auch innerhalb der engen Zwischenräume/Spalte des Metallkörpers. Hierdurch
bleibt das Angebot an Säure
im Bereich der engen Zwischenräume/Spalte
des Metallkörpers
erhalten und es kann eine nachhaltige Reinigung dort erfolgen.
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Es
ist dabei darauf zu achten, dass sowohl die verwendete Säure als
auch Reaktionsprodukte nicht in unerwünschter Form mit den Materialien
des Metallkörpers
Wechselwirken.
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Für die Reinigung
insbesondere von Magnetkörpern,
die Seltene Erden enthalten, hat sich Salpetersäure bewährt. Dieser kann grundsätzlich Amidosulfonsäure oder
Harnstoff zugesetzt werden. Die bei der Einwirkung der Salpetersäure entstehende salpetrige
Säure (HNO2) wird mit der Amidosulfonsäure oder
dem Harnstoff unter Freisetzung von Stickstoff oder Kohlendioxid
umgesetzt, das in Form von Gasbläschen
in ausreichender Menge entsteht, um den erfindungsgemäßen Effekt
in ausreichendem Maß zu
verwirklichen. Dabei ist Amidosulfonsäure vorteilhaft, da die entsprechende
Reaktion schneller verläuft
als die mit Harnsäure
und entsprechend eine höhere
Gasentwicklung pro Zeiteinheit erreicht wird.
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Ein
Seltene Erden, insbesondere NdFeB enthaltender Metallkörper reagiert
besonders intensiv mit Salpetersäure,
beispielsweise schneller als andere Eisenlegierungen. Dabei entstehen
hohe Konzentrationen von salpetriger Säure.
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Amidosulfonsäure reagiert
mit der salpetrigen Säure
spontan, nahezu explosionsartig, so dass aufgrund der heftigen Gasentwicklung
eine starke mechanische Fluidbewegung erzeugt wird, die es erlaubt,
auch sehr enge und tiefe Spalte rückstandsfrei zu reinigen.
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Die
dem beschriebenen Vorgang zugrunde liegenden stöchiometrischen Gleichungen
lauten wie folgt:
Bei der Reaktion von Salpetersäure mit
NdFeB wird Salpetersäure
zu salpetriger Säure
reduziert. Fe → Fe2+ +
2e–;
Nd → Nd3+ + 3e–; B+ 3H2O → B(OH)3 + 3H+ + 3e– HNO3 + 2H+ + 2e– → HNO2 + H2O (Gleichung 1a–d)
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Salpetrige
Säure setzt
in stark saurer Umgebung das reaktive Nitrosylkation (NO+) frei. HNO2 + H+ → H2O + NO+ (Gleichung 2)
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Das
Nitrosylkation reagiert mit Amidosulfonsäure beziehungsweise Harnstoff
in der folgenden Weise: NO+ + H2N-SO3H → H2SO4 + H+ +
N2 (Gleichung
3) 2NO+ + H2NCONH2 → 2N2 + CO2 + H2O + 2H+ (Gleichung 4).
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Die
Gasentwicklung entsprechend dieser Reaktionsfolge ist ausreichend,
um für
einen sicheren Säureaustausch
in sehr engen Spalten und Ausnehmungen des Metallkörpers infolge
der feinsten Gasbläschenbildung
zu sorgen. Dadurch wird die Reinigungswirkung der Salpetersäure in diesen
kritischen Bereichen stark verbessert.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Säurebad zwischen
1 und 40%, vorzugsweise zwischen 3 und 30% Salpetersäure enthält.
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Es
kann außerdem
vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Säurebad zwischen 0,5 und 10%,
vorzugsweise zwischen 1 und 5% Aminosulfonsäure enthält. Prozentangaben bedeuten
im Zusammenhang der vorliegenden Ausführungen üblicherweise Volumenprozent.
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Zusätzlich können dem
Säurebad
zur Herabsetzung der Oberflächenspannung
Tenside zugesetzt werden. Vorteilhaft ist der Tensidanteil geringer als
5 Volumenprozent. Als Tenside können
Alkylphenolethoxylate oder langkettige Alkanolethoxylate verwendet
werden.
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Das
beschriebene erfindungsgemäße Reinigen
eines Metallkörpers
kann sich als Prozessschritt in die gesamte Bearbeitung eines Metallkörpers einfügen, indem
dieser zunächst
spanend bearbeitet wird, was das Bearbeiten in Drehbänken, das
Abschleifen und ähnliche
Bearbeitungsmethoden einschließt
inklusive Schweißmethoden
und ähnlichem, dass
danach eine Reinigung in der beschriebenen Weise stattfindet und
dass der Metallkörper
darauf durch die Beschichtung mit einem korrosionshemmenden Stoff
passiviert wird.
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Durch
die dank der Erfindung wesentlich verbesserte Reinigung kann auch
die nachfolgende Passivierung perfektioniert werden, so dass eine nachfolgende
Korrosion besser als bisher verhindert wird. Beispielsweise sind
Ausnehmungen zur Aufnahme von Achsen, Lagern und ähnlichem
nicht mehr notwendigerweise zu vergießen beziehungsweise zu versiegeln,
wenn die entsprechende Passivierung genügend gut ist. Dies erleichtert
auch die nachfolgende Verarbeitung der erfindungsgemäß bearbeiteten
Metallkörper.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt schematisch die Ausnehmung in einem Metallkörper während der
Behandlung im Säurebad.
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Mit 1 ist
in der Figur der Metallkörper
bezeichnet, der aus NdFeB besteht. In diesen ist eine Ausnehmung 2 eingebracht,
die eine Hinterschneidung 3 aufweist. Im Bereich der Hinterschneidung 3 ist
die Ausnehmung besonders schwierig zu reinigen. Der Magnetkörper 1 befindet
sich im Säurebad
und die Ausnehmung 2 ist vollständig mit den Substanzen des
Säurebades
gefüllt.
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Es
sind Gasbläschen
in Form von Kreisen dargestellt, die durch Reaktion der Substanzen
des Säurebades
auch in der Ausnehmung 2 entstehen und in Richtung der
nach oben gerichteten Pfeile 4, 5 aufsteigen.
Dabei reißen
sie Schmutzpartikel und auch die Substanzen des Säurebades
nach oben mit und im Gegenzug strömt in Richtung des Pfeiles 6 neue
unverbrauchte Flüssigkeit
des Säurebades
in die Ausnehmung 2 hinein, so dass dort zur Auflösung der
Schmutzbeschichtung immer genug unverbrauchte Substanz des Säurebades
bereitsteht. Dadurch kann die Reinigung der Oberflächen des
Metallkörpers 1 auch
im Bereich der Ausnehmung 2 und ihrer Hinterschneidung 3 gewährleistet
werden.
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Im
folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele
für die
Erfindung detailliert geschildert.
- 1. Ein röhrchenförmiges Werkstück aus NdFeB mit
den Abmessungen: Außendurchmesser
= 2 mm, Innendurchmesser = 0,4 mm und Länge = 5 mm wurde nach der mechanischen
Bearbeitung zunächst
mit Waschbenzin öl-
und fettfrei gespült und
getrocknet. Anschließend
wurde das Werkstück
in einer Lösung
aus 1 Volumenteil Salpetersäure
53%, 10 Volumenteile Wasser, 3 Volumenprozent Amidosulfonsäure sowie
0,5% Isotridecanolethoxylat behandelt. Nach einer Behandlungszeit
von drei Minuten wurde gut mit VE-Wasser gespült und der Innendurchmesser
mittels Pressluft ausgeblasen. Das Spülen erfolgt durch 3-maliges
Eintauchen des Werkstücks
in VE-Wasser. Nach jedem Tauchen lässt man die Spalte leerlaufen.
Anschließend
wurde die Oberfläche
des Magnetkörpers
durch Phosphatieren passiviert. Dann wurde der Magnetkörper gespült und getrocknet.
Eine Inaugenscheinnahme der Oberfläche im Innenbereich des Röhrchens
zeigte, dass diese absolut frei von losen und anhaftenden Schleifrückständen und
absolut rostfrei war.
- 2. Mit Hilfe einer Drahtsäge
wurde in einen Magnetkörper
aus NdFeB der Höhe
30 mm ein 0,2 mm breiter und 25 mm tiefer Spalt eingebracht. Der Magnetkörper wurde
wie unter 1 beschrieben gereinigt. Als Säurebad diente ein Gemisch von
1 Volumenteil Salpetersäure
(53%), 6 Volumenteilen Wasser, 5% Amidosulfonsäure und 1% Nonylphenolethoxylat.
Die Reinigungszeit betrug fünf Minuten.
Nach dem Reinigen, Passivieren und Trocknen wurde der Block am Spalt
zerbrochen und das Innere des Spaltes optisch begutachtet. Die Beurteilung
der Oberflächensauberkeit
erfolgte durch Abkleben mittels Klebeband. Im Ergebnis zeigte sich,
dass der Reinigungszustand im Spalt vergleichbar dem Reinigungszustand
an den Außenseiten
des Quaders war. Schleifschlammrückstände oder
Rostspuren waren nicht erkennbar.
- 3. Vergleichsversuche ohne die erfindungsgemäßen Zusätze zu den Substanzen des Säurebades bei
sonst gleicher Reinigung (Verwendung von 1% Salpetersäure 53%
und 6 Volumenteilen Wasser) ergaben, dass die Magnetkörper an
den Außenseiten
jeweils einwandfrei gereinigt waren, dass jedoch im Inneren der
Ausnehmung beziehungsweise des Spaltes Schleifschlamm- und teilweise
angerostete Rückstände zu Tage
traten.
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Dies
zeigt, dass durch die Erfindung tatsächlich die Qualität der Reinigung
wesentlich verbessert und auch die Prozesszeit beim Reinigen verkürzt werden
kann.