Es gibt viele Anwendungen von Stahl, bei denen die Oberflächen sehr glatt und zusätzlich gegen Korrosion geschützt sein müssen. Die Oberflächen von Stahl können mit dem Elektropolieren geglättet werden und erhalten dabei gleichzeitig eine schützende Oxidschicht. Daher wird das Elektropolieren in der Lebensmittelindustrie, in der Medizintechnik oder auch im dekorativen Bereich zur Oberflächenbearbeitung eingesetzt, da glatte Stahloberflächen schön glänzen.

1

Beschreibe die Bindungsverhältnisse in einem Metall.

Nenne und begründe eine spezifische Eigenschaft von Metallen.

Stelle den Aufbau der beiden Legierungsarten unter Verwendung einer geeigneten Modellvorstellung in einer beschrifteten Skizze dar (M 1).

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2

Formuliere Reaktionsgleichungen für alle beim Elektropolieren von VA-Stahl an den Elektroden ablaufenden Vorgänge (M 2).

Gib begründet ein geeignetes Material für die Kathode an (M 2).

9 BE

3

Begründe mit Hilfe von drei sicherheitstechnischen Aspekten, dass die beschriebene Elektropolitur nicht zu Hause durchgeführt werden sollte (M 3).

Diskutiere anhand von vier Argumenten, ob eine Elektropolitur einer mechanischen Politur vorzuziehen ist (M 2 – M 4).

8 BE

4

Stelle eine Hypothese zur Ursache auf, warum die Oberfläche einer Legierung aus Eisen und Blei nicht durch Elektropolitur geglättet werden kann (M 1, M 2).

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Material 1: VA-Stahl

Legierungen sind kristalline Stoffe aus zwei oder mehr Komponenten, von denen mindestens eine ein Metall ist. Stahl ist eine Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist und die immer einen geringen Anteil an Kohlenstoff enthält. Ein VA-Stahl enthält zusätzlich noch Chrom und Nickel. Er ist hart, formstabil, rostbeständig und unempfindlich gegenüber Säuren.

Bei Legierungen kann man vereinfacht zwischen zwei Arten unterscheiden. Bei einer Art sind die einzelnen Atome der verschiedenen Metalle zufällig verteilt, z. B. bei einem VA-Stahl. Bei der zweiten Art setzt sich die Legierung aus verschiedenen, in sich homogenen kleinen Bereichen (Kristallite) zusammen, z. B. liegt bei einer Legierung aus Blei und Eisen Blei in Form von submikroskopisch kleinen metallischen Einschlüssen im Eisen vor.

Material 2: Oberflächenbehandlung von VA-Stahl durch Elektropolitur

Beim Elektropolieren wird zur Glättung Metall von einer Metalloberfläche entfernt, indem ein Werkstück in einen geeigneten Elektrolyten eingetaucht und an den Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen wird. Als Elektrolyt wird häufig ein Gemisch aus Schwefelsäure und Phosphorsäure verwendet. Das Material der negativen Elektrode darf an der Elektrolyse nicht beteiligt sein. Die angelegte Spannung liegt im Bereich von bis Vorstehende Unebenheiten des Metalls werden aufgrund der dort höheren Stromdichte bevorzugt abgetragen.

Abb. 1: vereinfachte Darstellung einer Elektropolieranlage

Vereinfacht laufen beim Elektropolieren von VA-Stahl folgende Vorgänge an der Metalloberfläche ab:

1. An der Anode reagieren alle metallischen Legierungsbestandteile (z. B. wenn auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

2. Zusätzlich entsteht an der Anode Sauerstoff.

3. Chrom reagiert langsamer als die anderen Metallsorten und bildet mit dem gleichzeitig an der Anode entstehenden Sauerstoff eine dichte Chrom(III)-oxidschicht. Durch diese Oxidschicht wird die Korrosionsbeständigkeit des Stahls erhöht.

4. An der Kathode entsteht Wasserstoff.

Legierungen aus einem Gefüge verschiedenartiger, in sich homogener Kristallite – wie etwa eine Legierung aus Eisen und Blei – können nicht elektropoliert werden.

Abb. 2: mikroskopische Ansicht eines Werkstücks vor und nach dem Elektropolieren

Material 3: Elektropolitur für Heimwerker?

In einem Blog findet sich folgender Beitrag:

Hallo,

nachdem ich festgestellt habe, dass das händische Polieren von M8-Muttern eine echt blöde Arbeit ist, habe ich beschlossen, diese elektrisch zu polieren. Dazu benötigt man nicht viel Ausrüstung.

• Spannungsquelle, die hohe Stromstärken liefert

• säurebeständiger Behälter

• je ein Liter Schwefelsäure und Phosphorsäure oder bei kleinem Becken entsprechend weniger

• 1 Stück VA-Abfallblech als Kathode

Für ein paar M8-Muttern brauchte ich etwa bei Die Teile waren jeweils etwa Sekunden im Bad.

Das Bad wurde während des Prozesses sehr heiß.

Material 4: Mechanisches Schleifen

Quellen:

Material 1:

Feurer, M. (2018). Grundlagen der Metall- und Legierungskunde – Stahl. https://www.hsm-stahl.de/wp-content/uploads/2024/03/TD-0040-Grundlagen-der-Metall-und-Legierungskunde-2019.pdf (Zugriff am: 31.10.2024)

Material 2:

Elektropolieren von Implantaten (2022, 16. September). KKS. https://kks-surfacetreatment.com/kompetenzen/elektropolieren/ (Zugriff am: 31.10.2024)

Abb. 1 verändert nach: Elektropolieren von Implantaten (2022, 16. September). KKS. https://kks-surfacetreatment.com/kompetenzen/elektropolieren/ (Zugriff am: 31.10.2024)

Kosmač, A. (2020, 05. Mai). Elektropolieren nichtrostender Stähle. Safe Food Factory. https://www.safefoodfactory.com/de/editorials/53-elektropolieren-nichtrostender-stahle/ (Zugriff am: 31.10.2024)

Material 3:

Elektropolieren in der Heimwerkstatt (o. D.). Zerspanungsbude. https://forum.zerspanungsbude.net/viewtopic.php?t=12201 (Zugriff am: 07.10.2024)

Material 4:

Kosmač, A. (2020, 05. Mai). Elektropolieren nichtrostender Stähle. Safe Food Factory. https://www.safefoodfactory.com/de/editorials/53-elektropolieren-nichtrostender-stahle/ (Zugriff am: 31.10.2024)

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Beschreibung der Bindungsverhältnisse in einem Metall

• Metall-Kationen bilden eine Gitterstruktur.

• Die delokalisierten Elektronen (Valenzelektronen) bilden ein Elektronengas.

• Es bestehen elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Metall-Kationen und Elektronengas.

Benennung und Begründung einer metallischen Eigenschaft

Verformbarkeit:

• Metall-Kationen sind in Elektronengas eingebettet.

• Bindungskräfte bleiben nach Druck bzw. Stoß erhalten, da Verschiebung von Gitterebenen nicht zu Abstoßungskräften führt.

Darstellung des Aufbaus beider Legierungsarten

VA-Stahl (Atome der verschiedenen Metalle zufällig verteilt):

Legierung aus Eisen und Blei (Blei bildet kleine metallische Einschlüsse im Eisen):

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Formulieren der Reaktionsgleichungen

Anode:

Kathode:

Begründete Angabe eines geeigneten Kathodenmaterials

Das Kathodenmaterial darf an der Reaktion nicht teilnehmen. Da als Elektrolyt Säuren verwendet werden, muss ein Metall mit einem positiven Standardelektrodenpotenzial verwendet werden, z. B. Kupfer, Platin, Gold.

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Begründung gegen eine Durchführung zu Hause

• Es werden hoch konzentrierte Säuren verwendet, die auch noch heiß werden.

• Es wird mit hohen Stromstärken gearbeitet.

• Im Labor übliche Sicherheitsmaßnahmen können zu Hause nicht eingehalten werden.

Diskussion über den Vorzug einer Elektropolitur

Pro-Argumente:

• Schwer erreichbare Stellen sind polierbar.

• Es entstehen sehr glatte Oberflächen.

Contra-Argumente:

• Verwendung konzentrierter Säuren als Elektrolyt und damit Entsorgungskosten

• hoher Sicherheitsaufwand

Fazit: Industriell können mit der Elektropolitur so glatte Oberflächen erzeugt werden, dass die Nachteile dafür in Kauf genommen werden können

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Hypothese:

Beim Elektropolieren werden die Atome auf der Oberflächenschicht nach Metallsorte abgetragen und es entsteht aufgrund der Kristallite eine unebene Oberfläche.

Begründung:

• Verschiedene Metalle sind bei einer Legierung aus Eisen und Blei in separierten Bereichen (Kristallite).

• Da die verschiedenen Metalle unterschiedlich edel sind, erfolgt die Abtragung der verschiedenen Metalle mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und es entsteht eine unebene Oberfläche.