Haftfestigkeitsprobleme bei polierten Oberflächen

Antwort: Bekanntlich kommen die meisten Probleme, insbesondere bezüglich der Haftfestigkeit, aus der Vorbehandlung. In der Galvanotechnik spricht man von einem Anteil, der zwischen 60 und 80 % liegt. Allerdings stellt sich hierbei immer wieder die Frage, inwiefern eine klassische Vorbehandlung Probleme mit Material und Oberflächenzustand beseitigen kann bzw. können muss. Dies betrifft vor allem Herausforderungen, von denen die Galvanik nichts weiß, weil sie oberflächlich nicht sichtbar sind. Hinzu kommt, dass Sie sicherlich Ihren Prozess auf einen bestimmten Ausgangszustand hin perfektioniert haben. Der Einsatz von Chemikalien, Zeiten und Temperaturen wurde über die Jahre optimiert, was sich positiv auf Durchsatz und Kosten auswirkt. Das Problem bei solchen Optimierungen ist jedoch, dass sie in die Breite, bezogen auf diverse Oberflächenzustände, nicht mehr ausreichende Ergebnisse liefern. Je größer die Schwankungen am Ausgangszustand sind, umso häufiger treten Reklamationen auf. Vereinfacht ausgedrückt, hat man in diesem Fall einen Prozess überoptimiert und ist nicht mehr in der Lage, ein gewöhnliches Spektrum an Oberflächen ausreichend zu galvanisieren.

Bildlich kann man es sich wie eine Waage vorstellen, bei der die einzelnen Parameter, je nach Gewichtung, dazu führen, dass die Waage in Richtung „i. O.“ oder „n. i. O.“ ausschlägt. Im schlimmsten Fall haben Sie ein physikalisches Pendel, bei dem Sie, wenn es oben steht, nicht mehr sagen können, zu welcher Seite es fallen wird, sobald Sie es loslassen. Es befindet sich in einem Zustand höchster Sensibilität, und jede Kleinigkeit kann darüber entscheiden, ob das Resultat gut oder schlecht wird.

Da Sie von Buntmetallen (Abb. 1) sprechen, müssen wir davon ausgehen, dass es sich um verschiedene Kupferlegierungen handelt und nicht um eine spezielle Legierung, die Probleme macht. Außerdem geben Sie nicht an, ob eine dieser Legierungen besonders auffällig ist. Insgesamt liegt es in der Natur der Sache, dass wir nur sehr allgemeine Hinweise geben können. Daher werden Sie selbst einige Untersuchungen durchführen müssen, um die Ursachen zu finden. Wir werden versuchen, die einzelnen Parameter grob nach Wahrscheinlichkeit zu bewerten, damit Sie weitere Untersuchungen priorisieren können.

Legierungen

Es ist zwar nicht sehr wahrscheinlich – aber auch nicht völlig unmöglich – dass sich an allen Legierungen grundlegend etwas geändert hat, insbesondere dann, wenn es möglicherweise vorwiegend um eine bestimmte Legierung geht, die das Problem verursacht, jedoch nie genauer betrachtet wurde.

Vom Kunden erhalten Sie mit Sicherheit eine Vielzahl verschiedener Artikel, die jedoch hauptsächlich aus demselben Material bestehen. Unsere Erfahrung zeigt, dass dies vom Kunden gegenüber der Galvanik möglicherweise nicht korrekt angegeben wird. Daher können Sie nicht sicher wissen, ob es sich um verschiedene Legierungen handelt oder nicht. Auf den Zeichnungen, falls vorhanden, oder den Auftragspapieren steht lediglich „Messing“ oder „Bronze“, was jedoch eine unzureichende Beschreibung darstellt.

Es ist wichtig, dies zu klären. Zusätzlich sollte Ihr Kunde Auskunft darüber geben, ob der Lieferant zwischendurch gewechselt wurde. Dabei sollte die gesamte Prozesskette ab der Gießerei betrachtet werden. Gegebenenfalls können Sie von der Gießerei noch Informationen über die entsprechende Zusammensetzung erhalten.

Selbst wenn Sie die Informationen erhalten, sollten Sie eine Gegenkontrolle beim Wareneingang durchführen, am besten mit der Röntgenfluoreszenzmethode. Auf diese Weise erhalten Sie schnell Informationen darüber, ob Sie tatsächlich das erhalten, was der Kunde angibt.

Wenn Sie über ausreichend Daten verfügen, können Sie diese mit den „n. i. O.“-Teilen abgleichen und prüfen, ob die Probleme auf eine bestimmte Art von Legierungen oder eine spezifische Legierung beschränkt sind. Trifft dies zu, sollten weitere Untersuchungen bezüglich der chemischen Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften erfolgen, um festzustellen, ob es ungewöhnliche Eigenschaften gibt. Es ist auch denkbar, dass die Legierung und die Eigenschaften im normalen Bereich liegen, aber die „Optimierungen“ Ihres Prozesses keine ausreichende Prozesssicherheit für dieses Material bieten.

Es könnte hilfreich sein, die Veränderungen in den spezifischen Prozessparametern zu überdenken und anzupassen, um sicherzustellen, dass sie auch für die besonderen Anforderungen dieser Legierung geeignet sind. Möglicherweise sind zusätzliche Schritte in der Vorbehandlung oder Veränderungen in den Beschichtungsparametern erforderlich, um die Haftfestigkeitsprobleme zu beheben.

Dies erfordert Zeit, Aufwand und letztlich Kommunikation. Erfahrungsgemäß haben sich dadurch bereits einige Probleme „von selbst“ gelöst, da alle Beteiligten vor der Galvanik sensibilisiert wurden.

Einflüsse auf den Oberflächenzustand

Alle Prozessschritte haben Auswirkungen auf den Zustand der Oberfläche. Dies betrifft spanabhebende Arbeitsschritte wie Drehen, Fräsen, Schleifen, Kratzen, Bürsten etc., Wärmebehandlungen, Umformungen und natürlich das Polieren (Abb. 2), welches der letzte Schritt vor der Galvanik zu sein scheint. Dabei sollte die Wechselwirkung mit einer veränderten Legierung nicht außer Acht gelassen werden. Höhere Bleigehalte können beispielsweise zu massiven Verschmierungen führen, welche eine Galvanisierung erschweren oder – zumindest bei Prozessen, die nicht darauf ausgelegt sind – unmöglich machen.

Abb. 2: Metallpolierroboter in einem italienischen Betrieb (Foto: stock.adobe.com/Giovanni Burlini)

Unsere Erfahrung zeigt, dass es mechanischen Firmen darum geht, die Angaben auf der Zeichnung einzuhalten. Auf die Galvanisierbarkeit wird kein Augenmerk gelegt. Das bedeutet, dass sich hier durchaus Parameter massiv verändern können, ohne dass die Auswirkungen auf eine mögliche Beschichtung betrachtet werden, da das Resultat den Anforderungen der Zeichnung entspricht. Neben den Maßen schließt dies auch Rauheit und Glanzgrad mit ein.

Zu den veränderten Parametern können, je nach Prozess, Vorschub, Andruck, Zeiten, Temperaturen, Schmierstoffe, Geschwindigkeiten etc. gezählt werden. Für den mechanischen Bearbeiter geht es darum, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Dass sich dabei auch der Zustand der Oberfläche ändert, ist ihm oft nicht einmal bewusst. Auf die Oberfläche kann dies ganz unterschiedliche Auswirkungen haben. Eine dickere Beilby-Schicht [1], generell eine wesentlich dickere Oxidschicht, verdichtetere Oberflächen, Überlappungen, Risse, Poren, eingearbeiteter Schmutz u. v. m. Leider sind diese möglichen Ursachen selbst auf dem Schliffbild nur schwer zu erkennen – teilweise nicht einmal nachweisbar. Das liegt daran, dass die Ursache für Haftungsprobleme häufig in der Vorbehandlung entfernt oder zumindest kaschiert wurde. Zudem ist es bei Materialuntersuchungen schwierig, genau den Punkt zu treffen, an dem die Ursache des Problems sichtbar wird.

Ein vernünftiger, aber aufwändiger Weg sind ausreichende Rückstellmuster, um später einen direkten Vergleich anstellen zu können. Je nach Reklamationsquote ist dies aber mit wenigen Teilen oft nicht getan. Hinzu kommen die hohen Kosten für Schliffe und REM, weshalb sich viele Galvaniken scheuen, solche Untersuchungen vorzunehmen. In der Regel sind solche Kosten allerdings wesentlich geringer als weitere Reklamationen.

Polierung

Da dies der letzte mechanische Schritt vor Ihrer Galvanik ist und hier erfahrungsgemäß einige Fehler auftreten können, möchten wir die Polierung gesondert betrachten.

Wie die Schleifmittel können auch die Polierpulver mit Fetten und Wachsen etc. gemischt und zu Formkörpern verarbeitet werden, die dann als Polierpasten dienen. Grundsätzlich werden Schleif- und Polierpasten, also fest gebundene Formkörper, ausschließlich beim Handschleifen oder -polieren verwendet. In einigen Fällen werden feste Pasten auch erfolgreich auf Automaten mit Hilfe von Pastenzuführungsgeräten eingesetzt. Polieremulsionen hingegen werden ausschließlich auf Automaten angewendet (Abb. 2).

In einigen Fällen werden feste Pasten auch erfolgreich auf Automaten mit Hilfe von Pastenzuführungsgeräten eingesetzt

Polieremulsionen sind mehr oder weniger zähflüssige, viskose Flüssigkeiten, die im Wesentlichen aus Ölen, Fetten, Polierpulvern und Wasser bestehen. Diese Mischung wird mithilfe von Emulgatoren zu den eigentlichen Emulsionen präpariert. Diese Emulsionen werden durch Spritzpistolen mittels elektropneumatischer Steuerung in Intervallen auf die Scheibe oder die Metalloberfläche aufgebracht. Die Dosierung kann genauer erfolgen als bei manueller Anwendung oder bei Zuführungsgeräten für feste Pasten.

Neben den herkömmlichen Schleif- und Polierpasten sind auch sogenannte wasserlösliche Pasten im Handel erhältlich. Streng genommen ist die Bezeichnung „wasserlöslich“ nicht ganz korrekt, da sämtliche Schleif- und Polierpulver weder in organischen Lösemitteln noch in anorganischen Reinigern löslich sind. Mit der Bezeichnung „wasserlöslich“ soll lediglich ausgedrückt werden, dass sich der Polierschmutz – vergleichbar mit Seife – im Wasser, vorzugsweise in warmem Wasser, emulgieren und entfernen lässt [2][3].

Beim Schleifen, Bürsten und Polieren können Temperaturen von bis zu 1000 °C erreicht werden

Während der anorganische Teil – die Schleif- und Polierpulver – gegen die beim Schleifen und Polieren auftretenden Temperaturen absolut resistent ist und sich nicht verändert, ist der organische Teil, also die aus Fetten und Wachsen bestehenden Bindemittel, empfindlich gegenüber zu starker Erwärmung. Diese organischen Substanzen beginnen bei bestimmten Temperaturen zu zersetzen oder zu verbrennen. Dabei bilden sich meist kohlenstoffreichere Verbindungen, die nun weder in organischen Lösemitteln, noch viel weniger in Wasser oder anorganischen bzw. alkalischen Reinigern, ja mitunter selbst in Säuren, nicht mehr oder zumindest teilweise nicht mehr löslich sind. Wenn also zu scharf oder zu heiß geschliffen oder poliert wurde, kann es vorkommen, dass sich der organische Teil sowohl der fetthaltigen als auch der wasserlöslichen Pasten während des Schleif- oder Poliervorgangs umsetzt und verbrennt. Da die Metalloberflächen bei den relativ hohen Arbeitstemperaturen weicher werden, kann sich der verbrannte organische Teil in die Oberfläche einwalken [4].

Es dürfte jedem Fachmann klar sein, dass eine solche Oberfläche nicht mehr einwandfrei gereinigt werden kann, da der Schmutz in die Oberfläche „hineingebügelt“ wird. Solche Oberflächenfehler sollten unter einem Mikroskop mit ausreichender Vergrößerung gut sichtbar sein.

Korrosionsschutz und Lagerung

Häufig treten Probleme durch Korrosionsschutzmittel und Lagerung bzw. Lagerungszeiten auf. Bei Buntmetallen und Silber wird als temporäres Korrosionsschutzmittel häufig Benzotriazol (BTA) eingesetzt. In Galvaniken führt dies nur selten zu Problemen, da sich BTA vor allem durch Säuren und anodischer Entfettung leicht entfernen lässt.

Eine Änderung des Korrosionsschutzmittels kann hingegen zu massiven Problemen führen, da bei Neuentwicklungen oft nur die Langlebigkeit und Haltbarkeit solcher Moleküle untersucht wird, nicht jedoch, ob die Oberflächen anschließend galvanisierbar sind.

Natürlich kann auch der umgekehrte Fall auftreten. Durch unzureichenden Korrosionsschutz und schlechte Lagerbedingungen sowie lange Lagerzeiten kann es hier bereits zu Korrosion kommen, auch wenn diese nicht immer sichtbar sein muss. Eine mögliche Folge wäre, dass Ihr „optimierter“ Prozess nicht mehr in der Lage ist, die etwas dünneren Oxidschichten zu entfernen, was zum besagten Fehlerbild führen kann. Es ist denkbar, dass in der Vergangenheit auf Beizprozesse verzichtet wurde, da der Oberflächenzustand sehr gut war, möglicherweise auch, weil die Ware überhaupt nicht gelagert und direkt zur Galvanik geschickt wurde. Wenn in dieser Zeit vom Kunden aus eben solchen Gründen auf ein Korrosionsschutzmittel verzichtet wurde, nun aber ohne entsprechenden Schutz gelagert wird, kann dies durchaus eine Ursache für Ihre Probleme darstellen.

Vorbehandlung

Wie Sie bereits festgehalten haben, wurden zahlreiche Maßnahmen in der Vorbehandlung ergriffen, ohne dass das Problem gelöst werden konnte. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Ursache nicht in der Vorbehandlung selbst liegt, sondern dass diese möglicherweise keine prozesssichere Beschichtung mehr für das gelieferte Material bietet.

Heutzutage konzentrieren sich Optimierungen vor allem auf die Kosten und weniger auf die Prozesssicherheit. Dabei werden vor allem die Parameter „optimiert“, die den Prozess destabilisieren. Die Temperatur wird verringert, die Konzentration reduziert, Bestandteile werden ausgetauscht oder sogar ganz weggelassen. Leider wird bei solchen Maßnahmen oft nach kurzer Zeit eine Prozessfähigkeit bescheinigt, ohne auf langfristige Auswirkungen zu achten. Dies wird besonders problematisch, wenn sich der Ausgangszustand des Materials zum Zeitpunkt der Veränderungen in einem „perfekten“ Zustand befindet. Wenn das Pendel in die andere Richtung ausschlägt, können aufgrund der getroffenen Maßnahmen solche Schwankungen nicht mehr kompensiert werden.

In der Hoffnung, dass alle Prozessänderungen gut dokumentiert wurden, empfehlen wir, die Liste der Optimierungen der letzten Jahre kritisch durchzugehen. Ein radikaler Schritt könnte sein, alle Änderungen rückgängig zu machen und zu prüfen, ob der Prozess dadurch stabilisiert werden kann.

Natürlich ist auch der umgekehrte Fall möglich: Stoffe werden hinzugefügt – teilweise sogar ohne entsprechende Dokumentation. Ein konkretes Beispiel wäre Natriumwasserglas, das in Entfettungslösungen zugesetzt wird, da es ein hohes Schmutztragevermögen aufweist und gleichzeitig Buntmetalle vor Angriffen durch Hydroxide schützt. Es kommt durchaus vor, dass dieses Mittel an der Anlage nach dem Prinzip „viel hilft viel“ in die Entfettung geschaufelt wird. Trotz aller Vorteile hat dies den Nachteil, dass sich Silicate an der Oberfläche ablagern und nicht mehr ausreichend entfernt werden. Hier wäre möglicherweise eine fluoridhaltige Beize oder Dekapierung erforderlich, die in der Vergangenheit vielleicht gegen eine kostengünstigere Salz- oder Schwefelsäuredekapierung ausgetauscht wurde.

Ein Problem in Verbindung mit geänderten Poliermitteln oder veränderten Parametern bei der Polierung kann in der Entfettung entstehen. Beim Schleifen, Bürsten und Polieren können Temperaturen von bis zu 1000 °C erreicht werden. Die dabei entstehende Wärme wird durch fetthaltige oder synthetische Substanzen abgeführt. Früher enthielten Schleif- und Polierpasten meistens verseifbare tierische Fette, wie zum Beispiel Rindertalg. Aus Kostengründen werden sie heute vielfach mit unverseifbaren, nur emulgierbaren Kohlenwasserstoffen auf Paraffinbasis gestreckt. Eine Einsparung beim Pasteneinkauf muss jedoch oft mit einer Erhöhung der Vorbehandlungskosten teurer bezahlt werden. Bei höheren Bearbeitungstemperaturen oder längeren Lagerzeiten der Werkstücke können Rückstände von Pasten durch Oxidation oder Polymerisation verhärten und ihre Ablösung erschweren.

Flüssige oder pastöse Schleif- oder Polieremulsionen enthalten oft öllösliche Emulgatoren oder Dispergiermittel, welche manche in Entfettungslösungen enthaltenen grenzflächenaktiven Substanzen in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigen können. Um die Entmischung flüssiger Schleif- und Polieremulsionen bei längeren Lagerzeiten zu verhindern, werden vielfach viskositätserhöhende, hochmolekulare Verbindungen zugesetzt. Diese können die Wasserabspülbarkeit verschlechtern und Schleier oder Wolken bei der nachfolgenden Galvanisierung verursachen. Im schlimmsten Fall führen sie sogar zu Haftfestigkeitsproblemen.

Spülen

Eine weitere häufige Ursache, möglicherweise sogar in Wechselwirkung mit bereits erwähnten potenziellen Auslösern wie Natriumwasserglas, sind Spülvorgänge. Probleme dieser Art treten unter anderem auf, wenn man Spülschritte „wegoptimiert“, generell das Spülkriterium nicht erreicht oder Kreislaufwasser nicht mehr die erforderliche Qualität aufweist. Letzteres wird zwar über die Leitfähigkeit überwacht, jedoch existieren Störstoffe, die sich nicht auf die Leitfähigkeit auswirken. Ein Beispiel hierfür sind zahlreiche organische Verbindungen, die sich zeitweise in Ionenaustauschern anreichern und anschließend in den Spülvorgang freigesetzt werden.

In die Jahre gekommene Anlagen leiden, insbesondere im Bereich der Spülbecken, unter Bakterienbefall. Je nach Art der Bakterien und deren Konzentration können diese massive Probleme bei der Beschichtung verursachen. Ein bevorzugter Ort für Bakterien ist beispielsweise der Querumsetzer, der aufgrund seines Volumens eher selten gereinigt und vollständig ausgetauscht wird. Einige Bakterien sind sogar in der Lage, Kupfer zu oxidieren, was in diesem Fall dazu führen könnte, dass sie eine passive Oberfläche in den Nickelelektrolyten einbringen [5]. Abhängig von der Anlage und Steuerung wird der Effekt dadurch verstärkt, dass vereinzelt Warenträger eine längere Verweilzeit in der Spüle vor der Vernickelung haben. In Grenzfällen kann sogar eine Aktivierung direkt vor dem Nickelelektrolyten nicht mehr ausreichend sein.

Nickelelektrolyt

Da Sie angegeben haben, dass der Nickelelektrolyt neu angesetzt wurde, könnte man annehmen, dass das Problem hier nicht seinen Ursprung hat. Allerdings sollte dabei nicht ausschließlich auf die chemische Zusammensetzung und Reinheit geachtet werden.

Bei Neuansätzen spielt auch die Reinigung des Behälters, der Anodenstangen und Anoden selbst eine wichtige Rolle. Gleiches gilt für Filter sowie möglicherweise weitere Pumpen, Lufteinblasung und selektive Reinigung, sofern dies direkt am Elektrolyten angeschlossen wurde. Alles, was mit Stromzufuhr zu tun hat, kann Probleme verursachen, die beispielsweise zu einer passiven Oberfläche und somit zu Haftungsproblemen führen können. Dies betrifft nicht nur die besagten Anoden, sondern auch Kathodenstangen, Stromzufuhr, Gleichrichter und natürlich die Gestelle.

Durch die Kennzeichnung der Gestelle und Warenträger lässt sich schnell herausfinden, ob diese vermehrt zu den erwähnten Problemen führen. Ein Hinweis auf Probleme mit den Anoden könnte die Verteilung der „n. i. O.“-Teile am Warenträger geben. Außerdem sollte bei mehreren Stationen darauf geachtet werden, ob die problematischen Teile immer aus einer oder mehreren bestimmten Stationen stammen.

Selbst wenn dies alles nicht zutrifft, sollten Sie dennoch alle Gleichrichter vom Hersteller prüfen lassen, ebenso wie die Anlagensteuerung. Hinterfragen Sie dabei stets, ob die angezeigten Werte tatsächlich stimmen, auch wenn diese Werte den Erwartungen entsprechen.

In Bezug auf die chemische Zusammensetzung sind uns Fälle bekannt, in denen zwar die Chemie selbst nicht verändert wurde, aber deren Konzentration. Es kann durchaus passieren, dass Ihnen mittlerweile eine konzentriertere Version des Glanzzusatzes geliefert wird, es aber versäumt wurde, dies zu kommunizieren. Massive Überdosierungen führen dann ebenfalls zum besagten Fehlerbild, und möglicherweise hängen die Probleme auch mit den Dosierintervallen und der Art der Dosierung zusammen. Dies kann insbesondere dann passieren, wenn neue und somit unerfahrene Mitarbeiter an der falschen Stelle oder sogar in falschen Konzentrationen manuell dosieren. Bei dieser Gelegenheit sollten Sie auch prüfen, ob seit Beginn der Probleme neue Mitarbeiter an der Anlage tätig sind. Der Faktor Mensch sollte bei der Fehlersuche nie ausgeschlossen werden.

Weitere Überlegungen

Ähnlich wie im zuvor erwähnten Nickelelektrolyten können auch Passivierungen in einer elektrolytischen Entfettung auftreten. Das ist eher selten, sollte jedoch nicht außer Acht gelassen werden.

Ebenso können Fehler auftreten, wenn die Gestelle ohne Handschuhe bestückt werden. In bestimmten Fällen kann Handschweiß die Quelle für die genannten Probleme sein.

Ein häufiges Problem sind mehrere Ursachen, die zu dem gleichen unerwünschten Ergebnis führen können. Beispielsweise eine Kombination aus Überdosierung und schlechten Kontakten oder einem kritischen Werkstoff und Bakterien. Bei der Ursachenforschung neigt man dazu, schrittweise vorzugehen, um das Problem zu isolieren und zu beheben. Wenn sich jedoch mehrere Ursachen ansammeln und zwischen den Maßnahmen entsprechend Zeit vergeht, wird es fast unmöglich, das Problem zu lösen. In solch einem Fall bleibt einem nichts anderes übrig, als einen kompletten Neustart durchzuführen. Das bedeutet, dass die Anlage vollständig entleert, gereinigt und gewartet wird, bevor sie neu angesetzt wird, um sicherzustellen, dass alle oben genannten möglichen Störfaktoren beseitigt wurden. Dies erfordert natürlich die Rücknahme aller Optimierungen, die einen Einfluss auf die Qualität haben könnten.

Literatur

[1] Das Mysterium der Beilby-Schicht; Galvanotechnik (2023), 7
[2] Praktische Galvanotechnik; ISBN 978-3-87480-277-2; Eugen G. Leuze Verlag
[3] Die Prüfung von Polier-, Läpp- und Schleifmitteln; ISBN 3-87480-074-1; Eugen G. Leuze Verlag
[4] Handbuch für das Schleifen und Polieren; ISBN 3-87480-021-0; Eugen G. Leuze Verlag
[5] Mikrobiologische Aufarbeitung von Abwässern der metallverarbeitenden Industrie und Rückgewinnung von Schwermetallen; Galvanotechnik (2000), 10