Phosphatentschichtung im Turbogang

Sebastian Bange entwickelt neues Verfahren zur Überprüfung der Schichtdicke bei Walzdraht

Sie halten alles zusammen – Schrauben und Nägel. Doch bevor sie auf den Markt kommen, haben sie einen langen Fertigungsprozess durchlaufen. Hergestellt werden sie aus beschichtetem Walzdraht. Unternehmen wie die Deutsche Edelstahlwerke GmbH belegen den Walzdraht mit einer Phosphatschicht, damit bei der anschließenden Kaltmassivumformung beim Kunden die Oberfläche des Werkstücks und Werkzeugs nicht beschädigt wird. Je nach Weiterverarbeitung des beschichteten Materials – ob Ziehen oder Kaltstauchen – stellt das Unternehmen die Dicke der Phosphatschicht individuell nach Kundenwunsch ein. 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 bei Walzdraht entwickelt. Die Vorteile: es spart Zeit und liefert genaue und reproduzierbare Ergebnisse. Was er zunächst im Rahmen seiner Bachelorarbeit als Verbundstudent ausgearbeitet hat, ist nun patentiert worden. Seit Ende 2011 führt das Unternehmen an seinem Standort in Hagen die Messungen nach dem neuen Verfahren durch.

„Am Drahtstandort Hagen ist die Bestimmung der Schichtdicke ein zentrales Thema“, berichtet 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 beispielsweise beim Drahtziehen den Verschleiß des Ziehsteins. Auch die Oberfläche des Drahtes bleibt vor Riefen und Kratzern geschützt. Außerdem haften Schmiermittel um ein Vielfaches besser auf der Phosphatbeschichtung und vermindern so Kaltverschweißungen und Reibung. Im Allgemeinen liegt der Reibungsbeiwert, der die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug benennt, laut Fachliteratur bei einem unbeschichteten Werkstück bei etwa 0,7 µ, bei einem phosphatierten Werkstück bei etwa 0,43 µ und bei einem phosphatierten und geseiften Werkstück lediglich zwischen 0,001 µ und 0,02 µ. 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. Bange: „Ich konnte alle Versuche im BFI durchführen. Dabei stand mir Dr. Kozariszczuk vor allem bei chemischen Fragen immer mit einem guten Rat zur Seite.“

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 Gramm pro Quadratmeter. Dieses gravimetrische Verfahren dauert mit erster Messung, Entschichtung und zweiter Messung nur noch ca. 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 einem Anteil an Natriumhydroxid von neun Prozent ansetzten und auf eine Temperatur von 70 Grad Celsius erhitzen. Anschließend haben sie die Probe in die Lösung getaucht und entschichtet. Allein dieser Vorgang des Erhitzens nimmt mindestens fünf Minuten Zeit 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 schneller.

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 mal nicht den Vorgaben des Kunden entsprochen hätte. Die Behandlung hätte 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 Ultraschallbehandlung keine Phosphatrückstände auf den Proben zurück, wie es beim Verfahren gemäß DIN EN ISO 3892 der Fall gewesen ist. Das Messergebnis bleibt somit unverfälscht und exakt.

Zudem besteht für die Mitarbeiter kein Gefährdungspotential 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 die ideale Lösung zwischen Anwendbarkeit und zeitlichem Aufwand.“

Fazit: Das neue Verfahren verkürzt also die Messung der Schichtdicke erheblich auf ca. zwei Minuten. Es ist genauer, da die Ultraschallbehandlung die Phosphatschicht bis in die kleinsten Poren ablöst. Das Ergebnis ist damit exakt und reproduzierbar.

Praktische Umsetzung in Hagen

Die zahlreichen Vorteile haben die Deutschen Edelstahlwerke überzeugt – seit Ende 2011 kommt das neue Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke am Hagener Standort des Unternehmens zum Einsatz. 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.“

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