Phosphatentschichtung im Turbogang

Fokus/Beschichten, Veredeln

Sie halten alles zusammen: Schrauben und Nägel. Doch bevor sie auf den Markt kommen, haben sie einen langen Fertigungsprozess durchlaufen. Hergestellt werden sie aus Walzdraht, geschützt durch eine Phosphatschicht.

27. November 2012

Um die Qualität des Materials dauerhaft zu garantieren, ist es wichtig, die Schichtdicke exakt und verlässlich zu überprüfen. Sebastian Bange, Mitarbeiter der Deutschen Edelstahlwerke in der Technik am Standort Hagen, hat ein neues Verfahren zur Messung der Phosphatschichtdicke auf Walzdraht entwickelt. Die Vorteile: Es spart Zeit und liefert genaue und reproduzierbare Ergebnisse.

»Am Drahtstandort Hagen ist die Bestimmung der Schichtdicke ein zentrales Thema«, erklärt Bange. Abhängig vom Kundenwunsch beschichten die Deutschen Edelstahlwerke hier den Walzdraht mit einer Phosphatschicht zwischen 0,8 bis 25 g/m². Bei der Kaltumformung dient sie als Trennschicht zwischen Werkzeug und Werkstück und verhindert beim Drahtziehen den Verschleiß des Ziehsteins. Auch die Oberfläche des Drahtes bleibt vor Riefen und Kratzern geschützt. Außerdem haften Schmiermittel um ein Vielfaches besser und vermindern so Kaltverschweißungen und Reibung.

Im allgemeinen liegt der Reibungsbeiwert µ, der die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug benennt, laut Fachliteratur für ein unbeschichtetes Werkstück bei 0,7, für ein phosphatiertes Werkstück bei 0,43 und für ein phosphatiertes und geseiftes Werkstück lediglich zwischen 0,01 und 0,02. Die geringe Reibung ermöglicht hohe Ziehgeschwindigkeiten und verbesserte Umformgrade des beschichteten Walzdrahtes.

Zusätzlich bietet die Phosphatbeschichtung für die Zeit der Lagerung und des Transports einen temporären Schutz vor Korrosion, da die Phosphatschichtdicke so eingestellt werden kann, dass sie nach mehrmaligem Ziehen des Drahtes nicht komplett abgetragen wird.

Maximaler Erfolg bei minimaler Salzsäurekonzentration

Um die Dicke der Phosphatschicht auf dem Walzdraht exakt zu bestimmen, entwickelte Sebastian Bange mit Unterstützung von Dr. Matthias Kozariszczuk vom Betriebsforschungsinstitut VDEh (BFI) in Düsseldorf ein neues Verfahren, das den Entschichtungsprozess enorm beschleunigt.

Nach Abschluss der Versuchsreihe und der Patentvergabe bestimmen die Deutschen Edelstahlwerke die Schichtdicke nun nach folgender Methode: Im ersten Schritt wiegt ein Mitarbeiter eine Probe des beschichteten Werkstoffs. Anschließend wird die Beschichtung chemisch von der Probe entfernt, indem sie in ein Ultraschallgerät mit voll entkalktem Wasser und einer Salzsäurekonzentration von deutlich unter einem Prozent getaucht wird.

»Nur in Verbindung mit der Ultraschallbehandlung ist es möglich, mit dieser sehr geringen Salzsäurekonzentration die Phosphatschicht vom Walzdraht abzulösen«, erklärt Bange. Nach nur 30 Sekunden ist die Probe vollkommen entschichtet und wird erneut gewogen. Aus der Gewichtsdifferenz ergibt sich das Schichtgewicht in g/m?. Dieses gravimetrische Verfahren dauert mit erster Messung, Entschichtung und zweiter Messung nur noch etwa zwei Minuten.

Schnelle und exakte Messergebnisse

Zuvor wurde in Hagen die Schichtdicke mit dem Verfahren nach DIN EN ISO 3892 gemessen, einer ebenfalls gravimetrischen, sehr gängigen Methode zur Bestimmung der Schichtdicke in der Stahlindustrie. Für die Entschichtung mussten die Mitarbeiter zunächst eine alkalische Lösung mit neun Prozent Natriumhydroxid ansetzen und auf 70 °C erhitzen. Anschließend wurde die Probe in die Lösung getaucht und entschichtet. Allein das Erhitzen nimmt mindestens fünf Minuten in Anspruch, die gesamte Messung nach diesem Verfahren rund 20 Minuten. Das von Sebastian Bange entwickelte Verfahren dauert hingegen nur zwei Minuten und ist damit zehnmal so schnell.

Die enorme Zeitersparnis wirkt sich außerdem positiv auf den Fertigungsprozess des Walzdrahtes aus. Bange: »Wir messen pro Auftrag eine Probe. Mit dem alten Verfahren ist innerhalb dieser 20 Minuten ein kompletter Auftrag an Walzdraht mit der Phosphatschicht belegt worden. Somit wäre kein direktes Reagieren möglich gewesen, wenn die Dickenmessung einmal nicht den Vorgaben des Kunden entsprochen hätte. Vielmehr hätte die Behandlung in diesem Fall wiederholt werden müssen.«

Die geringe Salzsäurekonzentration hat aber noch einen weiteren Vorteil: Sie greift die Oberfläche des Drahtes nicht an und trägt damit kein zusätzliches Material ab. Außerdem bleiben aufgrund der US-Behandlung keine Phosphatrückstände auf den Proben zurück, wie es beim Verfahren gemäß DIN EN ISO 3892 der Fall ist. Das Messergebnis bleibt somit unverfälscht und exakt.

Zudem besteht für die Mitarbeiter keine Gefahr, sich mit der gering konzentrierten Salzsäure zu verletzten. Sebastian Bange: »Zwar könnte man mit einer höheren Salzsäurekonzentration die Entschichtungsdauer noch verkürzen, die Gefährdung würde dann auch wieder steigen. Eine Säurekonzentration von unter einem Prozent ist für uns der ideale Kompromiss zwischen Anwendbarkeit und zeitlichem Aufwand.«

Praktische Umsetzung einer Bachelor-Arbeit

Die zahlreichen Vorteile haben die Deutschen Edelstahlwerke überzeugt: Seit Ende 2011 wird das neue Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke am Hagener Standort des Unternehmens eingesetzt. Um es sicher anzuwenden, schult das Unternehmen seine Mitarbeiter gemäß der neu verfassten Betriebsanweisung. Sebastian Bange: »Es ist schön zu sehen, wie aus der Theorie meiner Bachelorarbeit bei den Deutschen Edelstahlwerken Alltagspraxis wird.«

Zahlen & Fakten

An den Standorten Witten, Siegen, Krefeld, Hagen und Hattingen erzeugen und verarbeiten die rund 4000 Mitarbeiter der Deutschen Edelstahlwerke etwa eine Million Tonnen Edelstahl jährlich, zum Beispiel für die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, den Maschinenbau sowie die Energie- und Anlagentechnik.Die DEW gehören zur Schmolz+Bickenbach-Gruppe, mit rund 11000 Mitarbeitern einer der weltweit führenden Anbieter von Edelstahl-Langprodukten.

Erschienen in Ausgabe: 07/2012