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Verfahren zum elektrolytischen Polieren von Metallflächen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum elektrolytischen Polieren von Metallflächen mittels einer
anadischen Behandlung in einer Elektrolytlösung hoher Mineralsäurekonzentration
zu dem Zweck, diesen Flächen eine spiegelblanke Hochglanzpolitur zu verleihen.
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Bisher war es fast durchweg üblich, Metalle mechanisch zu polieren.
Außer den sehr erheblichen Kosten haften dem mechanischen Polieren noch weitere
Nachteile an, die sich zwangsläufig aus den Eigenschaften der Metalle selbst ergeben.
Manche Metalle, wie rostfreier Stahl, Monelmetall u.dgl., sind verhältnismäßig schlechte
Wärmeleiter, so daß ihre Oberflächen infolge der hohen Geschwindigkeit der Polier-
oder Scheuerscheiben anzubrennen suchen. Dies hat eine erhebliche Einschränkung
der zulässigen, Poliergeschwindigkeit zur Folge. Außerdem haben die Oberflächenschichten
beim mechanischen Polieren die Neigung, sich seitlich zu verschieben und aufzustauen,
wobei sie kalt bearbeitet und überbeansprucht werden. Derartige Oberflächen slind
durch eine Schicht von amorphem oder pseudoamorphem Material gekennzeichnet. Ferner
ergeben sich bei den üblichen mechanischen Polierverfahren stets. mikroskopisch
feine Ritze in der Oberfläche.
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Das mechanische Polieren hat den: weiteren Nachteil, daß es einen
beträchtlichen Aufwand
an Arbeitskraft erfordert, so daß es beispielsweise
bei rostfreiem Stahl und verchromten Gegenständen eine der teuersten Arbeitsstufen-
des Herstellungsverfahrens bildet und den Verkaufspreis im Verhältnis zu den Materialkosten
stark erhöht, besonders bei Gegenständen von unregelmäßiger Gestalt, die vor dem
Verchromen zunächst poliert, vernickelt und. gescheuert (buffed) werden müssen.
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Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum elektrolytischen Polieren von
Metallen, wie Stahl, rostfreiem Stahl, Nickel, Nickellegierungen und Kupfer, durch
anodische Behandlung in einem Säuregemisch dadurch gekennzeichnet, daß man als Elektrolytflüssigkeit
ein Gemisch von Schwefelsäure und einer Phosphorsäure mit einer Gesamtsäurekonzentration
vonmindestens So Gewichtsprozent der Lösung, unter Aus@schluß von Salpetersäure,
verwendet und dabei einen Strom von ausreichender Dichte genügend langeliindurchführt.
um eine polierte Oberfläche auf dem Metall zu erzeugen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, vernickelte Gegenstände durch
anodische Behandlung in Schwefelsäurelösungen und Kupferflächen durch Behandlung
in Phosphorsäurelösungen zu polieren. Ferner ist es bereits bekannt, Aluminiumgegenstände
durch anodische Behandlung in einer Mischung von konzentrierter Phosphor- und Schwefelsäure
unter Zusatz einer geringen Menge Salpetersäure zu polieren. Dabei werden jedoch-
nicht annähernd so hochglänzende Oberflächen erzielt wie bei dein Verfahren gemäß
der Erfindung, so daß, wenn Spiegelglanz erwünscht ist, diese Oberflächen 'mechanisch
nachpoliert werden müssen. Demgegenüber hat das Verfahren gemäß der Erfindung den
großen Vorzug, daß es unmittelbar eine einwandfreie Spiegelglanzpolitur ergibt und
die Metalloberfläche danach keiner Weiterbehandlung unterworfen zu werden braucht.
Ferner läßt sich das Verfahren gemäß der Erfindung viel allgemeiner auf alle möglichen
Metalle und Legierungen anwenden und kann innerhalb eines größeren Bereichs von
Stromdichten mit Erfolg durchgeführt werden als die in den Vorveröffentlichungen
offenbarten Verfahren. Schließlich hat es sich gezeigt, daß die wirksame Lebensdauer
des Elektro,lytbades gemäß der Erfindung erheblich länger ist als die der bekannten
Elektrolyte.
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Die erwähnte, bekannte Verwendung von Schwefel- und Phosphorsäure
zusammen mit Salpetersäure mag bei Aluminiumflächen ein; Politur hervorrufen. Dies
ist jedoch darauf zurückzuführen, daß sich die Aluininiumfläche dabei mit einer
Oxydschicht überzieht, die in dem besonderen Fall von Aluminium durchsichtig ist.
Bei anderen Metallen läßt sich in Gegenwart von Salpetersäure im Elektrolvtbad keinerlei
Politur erzielen, da die Salpetersäure eine ausgesprochen ätzende oderbeizende Wirkung
ausübt, die die Herstellung von Hochglanz bei den meisten 1letallen unmöglich macht.
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Zweckmäßig enthält die Elektrolytflüssigkeit etwa 15 bis 6o0/9, vorzugsweise
15 bis 20% Schwefelsäure und etwa 15 bis 70°/0, vorzugsweise etwa 63 bis 67"/o Orthophosphorsäure.
Eine derartige Elektrolytlösung läßt sich besonders zum Polieren von rostfreiem
Stahl, Nickel, Monelmetall, \eusill)er und einfachen Kohlenstottstählen sowie von
verschiedenen anderen Metallen verwenden.
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Bei einfachen Kohlenstoffstählen, niedrig legierten Stählen, z. B.
Stählen mit insgesamt unter 6% Legierungsbestandteilen, sowie im allgemeinen bei
nicht austenitischen Stählen ist es besonders vorteilhaft, der Mischung von Schwefel-
und Phosphorsäure eine geringe Menge Chromsäure zuzusetzen.
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Bei diesem Verfahren wird dem Metall unmittelbar eine Hochglanzof-)erfläche
verliehen, ohne ein mechanisches -Nachscheuern oder Polieren zu benötigen. Die erhaltenen
Oberflächen sind frei von den für mechanisch polierte Metalloberflächen, z. B. von
rostfreiem Stahl, charakteristischen Ritzen und aufgestauten Oberflächenschichten.
Die Polierarbeit ist gegenüber dem mechanischen Polieren erheblich verbilligt, dabei
werden aber zugleich Flächen mit besseren Eigenschaften als beim mechanischen Polieren
oder Scheuern erhalten.
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Bei Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Elektrolytlösungen
erzielt man Ergebnisse, die weit über ein einfaches Reinigungsverfahren hinausgehen,
indem eine Hochglanzfläche oder Politur erzeugt wird. Dieser Hochglanz ist eine
wesentliche Wirkung der Erfindung und unterscheidet diese scharf von der üblichen,
durch elektrolytische Metallreinigung erzeugten Oberflächenbeschaffenheit.
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Schwefelsäure und Phosphorsäuren, namentlich Orthophosphorsäure, eignen
sich hervorragend für die Zwecke der Erfindung, hauptsächlich wegen ihrer Beständigkeit
und der Leichtigkeit, mit welcher zufriedenstellende Polituren mit ihnen erzeugt
werden können.
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Obwohl Polituren auch mit Schwefel- und Phosphorsäuremischungen erzeugt
-,werden können, die bis zu 50% Wasser enthalten, ist es doch vorzuziehen, den Wassergehalt
des elektrolytischen Bades verhältnismäßig niedrig zu halten, da im allgemeinen
Bäder mit geringerem Wassergehalt auch mit geringeren Stromdichten und daher billiger
betrieben werden können und befriedigende Polituren erzeugen. Der Gesamtsäuregehalt
wird daher
über 5o Gewichtsprozent, jedoch nicht über 9o %, gehalten,
wobei der Rest hauptsächlich aus .Wasser besteht, es sei denn, daß man geringe Mengen
von anderen Zusätzen., z. B. Chromsäure, verwendet, um die Polierwirkung des Bades
in bezug auf gewisse Metalle zu verbessern. Das Mengenverhältnis zwischen Schwefel-
und Phosphorsäure kann innerhalb der Grenzen 5 bis 85 % Schwefelsäure auf 85 bis
5 0l0 Phosphorsäure oder innerhalb der engeren Grenzen 15 bis 6o % Schwefelsäure
auf 7o bis z 5 % Orthophospho,rsäure verändert werden. Zum Beispiel kann die Schwefelsäure
innerhalb des Bereiches von 15 bis 2o 0i0 und die Orthophospho@rsäure von 63 bis.
67% zugegen sein. Wird außerdem noch Chromsäure zugesetzt, so. kann diese zwischen
0,5 und 2o 0/a, vorzugsweise zwischen 2 und i00/0, betragen.
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Um die gewünschten Ergebnisse innerhalb angemessener Zeitspannen zu
erreichen, empfiehlt es sich, verhältnismäßig hohe Stromdichten anzuwenden. Bei
den bevorzugten Mischungen von Schwefel- und Phosphorsäure läßt sich d'as.Verfahren
mit einerAnodenstromdichte von
0,05 bis z,08 Ampere/cm2, vorzugsweise von
o,i bis 0,45 Ampere/cm2 ausführen. Geringere Stromdichten können angewandt werden,
erfordern jedoch eine längere Behandlungsdauer, die das Verfahren unter Umständen
unwirtschaftlich macht. Andererseits kann man auch über den angegebenen Bereich
der Stromdichten hinausgehen, aber in diesem Fall wird die erzielte Zeitersparnis
durch entsprechend höhere Stromkosten aufgewogen. Die erforderliche Behandlungsdauer
hängt von der Stromdichte sowie in gewissem Grade von dem Metall und seiner anfänglichen
Oberflächenbeschaffenheit ab, da natürlich rauhe Flächen eine längere Zeit zum Polieren
erfordern.
| Beispiel I |
| Bereich: Bevorzugt: |
| Schwefelsäure ..... 15 bis 2o 0/0 15 % |
| Orthophosphors.äure 63 bis 67 % 6,30/0 |
| Wasser . . . . . . . . . . . . Rest 220/0 |
Mit diesem Bad erhält man ausgezeichnete Polituren an rostfreien Chromnickelstählen
18-8 und 25-I2, d. h. i8 % Cr, 8% Ni bzw. z50/0 Cr, z20/0 Ni, rostfreien Chromstählen
mit 12 bis i80/0 Chrom oder mehr, Nickel, Monelmetall, Neusilber, Chrom-Nickel-Legierungen
und einfachen Kohlenstoffstählen bei einer Stromdichte von etwa 0,05 Ampere/cm2;
dabei beträgt die Behandlungsdauer durchschnittlich i Stunde, je nach der ursprünglichen
Oberflächenbeschaffenheit. Bei höherer Stromdichte ist eine kürzere Behandlungszeit
erforderlich. So kann z. B. mit diesem Bad in 4 bis 12 Minuten eine Spiegelglanzpolitur
erzeugt werden, wenn Nickel bei Stromdichten von o,
135 bis
0,27 Ampere/cm2
und einer Temperatur von etwa 5o° als Anode verwendet wird. Das gleiche Bad kann
man zur Erzeugung von Hochglanz auf einer Grauvernickelung verwenden, wobei Stromdichten
von
0,135 bis
0,27 Ampere/cm2 2 bis 6 Minuten lang angewendet werden.
Ähnliche Bedingungen können auch beim elektrolytischen Polieren von Legierungen,
wie Monelmetall, Chrom-Nickel-Legierungen, z. B. mit 8o %: Ni, 20 % Cr oder 6o 0/0
Ni, 15 % Cr, 25 % Fe angewendet werden, doch ist eine Behandlung von etwa 20 Minuten
bei einer Stromdichte von etwa o, i i Ampere/cm2 und einer Temperatur von etwa 40°
vorzuziehen.
| Beis.piel2 |
| Schwefelsäure . . . . . . . . 6o1/9 |
| Orthophosphorsäure ... 300/0 |
| Wasser ............. io% |
Ein Bad mit dieser Zusammensetzung ergibt ausgezeichnete Polituren an rostfreien
Chrom-Nickel-Stählen I8-8 und 24-12 bei Stromdichten von o,27 Ampere/cm2 oder mehr
sowie an Nickel und Nickellegierungen, wie Monelmetall, Neusilber u. dgl., bei Stromdichten
von o,27 Ampere/cm2. Die Temperatur kann etwa 50° betragen, braucht jedoch nicht
unbedingt .eingehalten zu werden.
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Wie aus den obigen Angaben ersichtlich, kann das Verhältnis zwischen
Schwefel- und Phosphorsäure innerhalb weiter Grenzen abgeändert werden, vorausgesetzt
daß der Gesamtsäuregehalt über 50'10, vorzugsweise über 75'10, beträgt. Im allgemeinen
wird der Schwefelsäuregehalt zwischen 15 und 6o % und der Orthophosphorsäuregehalt
zwischen 15 und 7o % gehalten, wobei der Gesamtsäuregehalt zwischen 5o und go Gewichtsprozent
der Lösung ausmacht.
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Beim Polieren von einfachen Kohlenstoffstählen und Molybdänstählen
empfiehlt es sich, der Elektrolytlösung Chromsäure (Cr 03) zuzusetzen. Dabei hält
man jedoch immer noch das Verhältnis von Schwefel- und Phosphorsäure innerhalb der
angegebenen Grenzen aufrecht. Die folgenden Beispiele veranschaulichen typische
Elektrolyte mit Schwefel-, Phosphor- -,und Chromsäure:
| Beispiel 3 4 5 6 |
| Schwefelsäure .... 15010 20'/o 40,% 6o % |
| Orthophosphorsäure 6311/o 67 % 4q.0/0 150/0 |
| Chromsäure ...... I O % 2% 6% i o % |
| Wasser . . . . . . . -. . . I2 1/o I I '/o 10"/a 15'/o |
Beim Polieren von einfachen Kohlenstoffstähl-en, MoJybdänstählen u. dgl. unter Verwendung
der obigen Zusammensetzungen soll der Gesamts-äuregebalt über 60% betragen,
uni
Spiegelglanzpo:lituren zu erzeugen. Der Zusatz von Chromsäure verstärkt die Polierwirkung
der Schwefel-Phosphorsäure-:M Mischung erheblich; er kann bis zu 2o% betragen, ist
jedoch im allgemeinen nicht über i00/0 und daher geringer als der Gehalt an Schwefel-
oder Phosphorsäure.
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Beispiel ? Zum elektrolytischen Polieren von Kupfer hat sich die folgende
Zusammensetzung bewährt:
| Schwefelsäure ...... 14 % |
| Orthophosphorsäure , 59 0/0 |
| Chromsäure ........ o,50/0 |
| Wasser .... . ....... Rest |
Beispiel 8 Beim Polieren von kohlenstoffarmen Stählen kann die Chromsäure ganz weggelassen
werden, und man erhält gute Ergebnisse mit einem Bad folgender Zusammensetzuih
Aus dem obigen ergibt sich, daß die Erfindung neue elektrolytische Lösungen zum
Erzeugen von Polituren an verschiedenen Metallen vorschlägt, z. B. an rostfreien
Stählen, Nickel und Nickellegierungen sowie an einfachen Kohlenstoffstählen. Bei
den beschriebenen Verfahren zur Anwendung dieser Badzusammensetzungen werden die
Nachteile- des mechanischen Polierens vermieden und polierte Metallgegenstände erhalten,
deren Oberflächen von mechanischere Spannungen und Oberflächenverziehungenfrei und
den durch mechanisches Polieren erzeugten Oberflächen überlegen sind.
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Wenn nicht anders angegeben, sind alle Prozentsätze in Gewichtsprozenten
ausgedrückt. Die Ausdrücke Schwefelsäure und Phosphorsäure ]),-ziehen sich auf die
betreffenden Säuren selbst, d. h. wie sie durch die chemischen Formeln dargestellt
sind, und nicht etwa auf handelsübliche Stärken dieser Säuren. Unter Chromsäure
ist Chromsäureanhvdrid (Cr0.) zu verstehen.