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Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http:// dnb.ddb.de> abrufbar.

1. Auflage 1995 2., verbesserte Auflage 1996 3., überarbeitete Auflage 1999 4., überarbeitete Auflage Januar 2003

Alle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweigjWiesbaden, 2003 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 2003 Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. www.vieweg.de

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und straf bar. Das gilt insbeson­dere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein­speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

ISBN 978-3-322-91548-1 ISBN 978-3-322-91547-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-91547-4

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Vorwort zur 4. Auflage

Oberflächen technik ist eine in Deutschland besonders stark ausgeprägte Wissenschaft. Deutsche Produkte sind weltweit verkautbar, weil sie trotz hoher Lohnkosten sich durch besondere oberflächentechnische Eigenschaften auszeichnen. Oberflächentech­nik ist auch eine personell kleine Fakultät, weil man mit wenigen Mitarbeitern viel er­reichen kann. Oberflächentechnik ist auch eine schwierige Disziplin, weil sehr viele Gedanken bei der Tätigkeit berücksichtigt werden müssen. Oberflächentechnik ist auch kein Fach für Großuniversitäten. Viele kleinere Ausbildungsstätten kommen dem Wunsch der Studenten nahe, die Ausbildung in der Nähe des Wohnortes zu vollziehen. Der Wunsch vieler deutscher Politiker, das Fach nur existieren zu lassen, wenn eine be­stimmte Mindeststückzahl an Studenten sich jährlich einschreibt, geht damit am Wunsch vorbei, deutschen Produkten trotz hoher Lohnkosten eine Marktnische zu öffnen.

Oberflächentechnik zählt auch zu den umweltbelastenden Techniken. Eine Ausbildung in allen Fragen des Umweltschutzes ist daher für den Studenten und für den Praktiker dringend von Nöten. Im vorliegenden Buch wurde daher der die Oberflächentechnik treffende Anteil an der Umwelttechnik aus der entsprechenden Vorlesung des Autors mit dem Fachwissen im Bereich Oberflächentechnik kombiniert. In vielen Kapiteln gibt es daher Einzelkapitel, in denen die Umwelttechnik dargestellt wird. Im Kapitel 12 "Lackieren" war dies der großen Komplexität des Umweltschutzes wegen nicht mög­lich, so daß der Umweltschutzgedanke in jedem Unterkapitel mit aufgeführt wird. Das gleiche gilt vielfach im Kapitel 15 "Galvanik" zu dem zusätzlich ein zusammenfassen­des Kapitel 22 eingeführt wurde.

Inhaltsverzeichnis

1 Oberflächen technik - Anwendung und Gliederung 1

2 Mechanische Verfahren der Oberflächentechnik .................... 3 2.1 Schleifen und Polieren ....................................... 3 2.2 Sonderheiten beim Schleifen und Polieren von Kunststoffen ......... 4 2.3 Schleif- und Poliermittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.4 Schleif- und Poliermaschinen und -verfahren ..................... 12

3 Oberflächen behandlung durch Strahlmittel ........................ 19 3.1 Der Arbeitsvorgang ......................................... 19 3.2 Strahlanlagen .............................................. 20 3.3 Shot-peening............................................... 25 3.4 Strömungsschleifen ......................................... 27 3.5 Umweltaspekte beim Schleifen und Polieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28

4 Öle und Fette in der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31 4.1 Eigenschaftsgrößen von Schmierstoffen ......................... 31 4.2 Chemische Komponenten des Schmierstoffaufbaus und ihre Bewertung

aus Sicht des Oberflächentechnikers ............................ 32 4.3 Anforderungen und Auftragsmengen der Schmierstoffe und Korrosions-

schutzöle in der Blechbearbeitung .............................. 36 4.4 Festschmierstoffe ........................................... 38 4.5 Umweltschutz bei der Verwendung von Ölen und Fetten - Emulsionen,

In-process-recycling und Abfallbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5 Reinigen und Entfetten ......................................... 43 5.1 Theorie der Reinigung ....................................... 43 5.2 Stabilität der Waschflotte als kolloidchemischer Vorgang. . . . . . . . . . .. 44 5.3 Produkte zum industriellen Reinigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45 5.4 Reinigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50

5.4.1 Reinigen mit und ohne Lösungsmittel ..................... 50 5.4.2 Reinigen mit wässrigen Lösungen und Emulsionen. . . . . . . . . .. 52 5.4.3 Niederdruck-Plasmareinigung........................... 72

5.5 Umweltschutz bei der Reinigung-In-Process-Recycling und Entsorgung von Reinigungsbädern ........ 73

6 Phosphatieren................................................. 87 6.1 Systematik der Phosphatierung ................................ 87 6.2 Theorie der Phospatschichtbildung ............................. 88 6.3 Die Eisenphosphatierung ..................................... 90

6.3.1 Eigenschaften von Eisenphosphatschichten . . . . . . . . . . . . . . . .. 90 6.3.2 Eisenphospatierverfahren............................... 92

6.4 Zinkphosphatierungen ....................................... 94 6.4.1 Eigenschaften von Zinkphosphatschichten ................. 94 6.4.2 Zinkphosphatierverfahren............................... 99

VIII Inhaltverzeichnis

6.5 Manganphosphatierungen..................................... 107 6.6 Umweltschutz beim Phosphatieren -

In-Process-Recycling und Konstruktion von Phosphatieranlagen . . . . .. 107

7 Chromatierverfahren und Brünierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109 7.1 Gelbchromatierung, Transparentchromatierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109 7.2 Blauchromatierung.......................................... 110 7.3 Grün- oder Olivchromatierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111 7.4 Schwarzchromatierung....................................... 112 7.5 Verwendung und Korrosionsschutzwert von Chromatierungen . . . . . . .. 112 7.6 Brünierungen .............................................. 113 7.7 Umweltschutz beim Chromatieren -

In-Process-Recycling und Abwasserbehandlung von Chromatierlösungen 114 7.8 Chromfreier Ersatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116

8 Beizen und Entrosten ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 117 8.1 Beizen von unlegiertem und legiertem Stahl ...... . . . . . . . . . . . . . . .. 117 8.2 Beizen von Buntmetallen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120 8.3 Beizen von Zink- und Aluminiumwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121 8.4 Beizen von Kunststoffen ..................................... 124 8.5 Inhibitoren und Beizbeschleuniger ............................. 124 8.6 Beizanlagen ............................................... 126 8.7 Umweltschutz beim Beizen - Regenerieren von Beizsäure und Lauge.. 126

9 Spültechnik nach Vorbehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137 9.1 Spülen nach einem alkalischen Reinigungsprozeß . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137 9.2 Spülen nach Phosphatierprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138 9.3 Spülen nach sauren Beizprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 139 9.4 Spülwassertemperatur........................................ 140 9.5 Umweltschutz beim Spülen - Spülwasserrecycling . . . . . . . . . . . . . . . .. 140 9.6 Berechnung der Spülwassermenge .............................. 144

10 1'rocknung .................................................... 157 10.1 Trocknen mit entwässernden Flüssigkeiten oder durch mechanische

Hilfen .................................................... 157 10.2 Trocknen mit heißer Luft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159 10.3 Infrarot-Trocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 160

11 Angewandte Vorbehandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 163 11.1 Oberflächenvorbehandlung von Draht .......................... 163 11.2 Vorbehandlung in der Stahlblechemaillierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 167

11.2.1 Vorbehandlung für konventionelle Emaillierverfahren im Spritz-, Tauch- elaktrostatischem Spritz- oder Pulverauftrag ..... . . . .. 168

11.2.2 Vorbehandlungsverfahren bei einer Direktweißemaillierung DWE) .............................................. 172

11.2.3 Vorbehandlung bei elektrophoretischen Tauchemaillierung (ETE) 173 11.3 Vorbehandlung vor dem Lackieren von Stahlblech ................. 174

Inhaltsverzeichnis IX

12 Organische Beschichtungen - Farbe und Lack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 177 12.1 Bestandteile organischer Beschichtungen ....................... 177 12.2 Herstellung von Farben und Lacken ........................... 183 12.3 Verarbeitung lösungsmittelhaitiger Farben und Lacke. . . . . . . . . . . . .. 192

12.3.1 Auftragsverfahren und -hilfsmittel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193 12.3.1.1 Auftragsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193 12.3.1.2 Auftragskabinen ............................. 199 12.3.1.3 Lackversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 205

12.3.2 Abdunsten und Trocknen .............................. 206 12.3.3 Abluftentsorgung .................................... 211 12.3.4 Die Entlackung ...................................... 218

12.4 Wasserhaltige Lacke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225 12.4.1 Wasserlacke ........................................ 225 12.4.2 Elektro-Tauchlacke (ETL) ............................. 230

12.4.2.1 Prinzipielles der anaphoretischen und der kataphoretischen Tauchlackierung ............... 230

12.4.2.2 Technische Elektrotauchlackierungen . . . . . . . . . . . .. 232 12.5 Pulverlackierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 237

12.5.1 Pulverlacke ......................................... 237 12.5.2 Pulverlackauftrag und -kabinen .................. . . . . . .. 239 12.5.3 Wirbelsintern und Flammspritzen von Pulvern ............. 254 12.5.4 Weitere organische Beschichtungen und ihre Verarbeitung. . .. 256

12.5.4.1 Autophoreselack ............................. 256 12.5.4.2 High-Solid-Lacke ............................ 257 12.5.4.3 Überkritische Sprühlacke (SCF-Lacke) ........... 259 12.5.4.4 Verpackungslacke ............................ 260 12.5.4.5 Folienüberzüge von Bandmaterial ............... 260

12.5.5 Das Bedrucken von Metallen ........................... 262 12.5.5.1 Siebdruck ................................... 263 12.5.5.2 Tampondruck ................................ 265

13 Das Emaillieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 267 13.1 Emails und Emaillierungen .................................. 267 13.2 Die Herstellung von Emails ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 271 13.3 Emaillierfahiger Stahl ...................................... 278 13.4 Emaillierverfahren ......................................... 282

13.4.1 Nassemaillierung .................................... 283 13.4.2 Nassauftrag von Emailschlickern ........................ 285 13.4.3 Die Trocknung ...................................... 291

13.5 Pulveremail und -auftrag auf Stahlblech ........................ 293 13.6 Der Emaileinbrand .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 295 13.7 Emaillieren von Bandstahl ................................... 302 13.8 Gußeisenemaillierung - Puderemaillierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 303 13.9 Dekoremail, Effektemail .................................... 304

13.10 Umweltschutz beim Emaillieren .............................. 305

14 Chemisches Metallisieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 307 14.1 Austauschmetallisieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 311

x Inhaltsverzeichnis

14.2 Chemisch reduktives Metallisieren ............................. 312 14.2.1 Reduktion mit Fonnaldehyd ............................. 312 14.2.2 Reduktion mit Borwasserstoff-Derivaten ................... 313 14.2.3 Reduktion mit Hypophoshit NaH2P02.H20 ................. 316 14.2.4 Weitere Reduktionsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 317

14.3 Chemisch vernickeln ........................................ 318 14.3.1 Anforderungen an den Grundwerksstoff ................... 318 14.3.2 Badparameter und ihr Einfluß auf die Schichteigenschaften .... 319

14.4 Eigenschaften der Ni-P-Schichten .............................. 324 14.5 Anlagen zum chemischen Vernickeln ........................... 328 14.6 Chemisch metallisieren von Kunststoffen ........................ 330 14.7 Dispersionsschichten ........................................ 332 14.8 Umweltschutz beim chemischen Metallisieren-

In-Process-Recycling und Abwasserbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 334

15 Galvanisches Metallisieren ...................................... 337 15.1 Theoretische Grundlagen ..................................... 337 15.2 Galvanotechnische Anlagen ................................... 346 15.3 Sonderverfahren ............................................ 354

15.3.1 Hochgeschwindigkeits-Strömungszelle .......... . . . . . . . . .. 354 15.3.2 Jet-Plating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 355 15.3.3 Tampongalvanik ...................................... 356 15.3.4 Dispersionsschichten .................................. 358 15.3.5 Galvanofonnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 359 15.3.6 Pulse-Plating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 360 15.3.7 Elektropolieren und Strippen ............................ 360

15.4 Spezielle galvanische Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 361 15.4.1 Kupferschichten ...................................... 361 15.4.2 Nickelschichten ...................................... 363 15.4.3 Zinkschichten ........................................ 364 15.4.4 Zinnschichten ........................................ 368 15.4.5 Chromschichten ...................................... 369 15.4.6 Legierungsschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 376

15.5 Stoff- und Energiebilanz galvanotechnischer Anlagen .............. 376 15.6 Umweltschutz und Abfallentsorgung in der Galvanik . . . . . . . . . . . . . .. 383

16 Schmelztauchschichten ......................................... 387 16.1 Feueraluminieren ........................................... 387 16.2 Feuerverbleien ............................................ 388 16.3 Feuerverzinnen ............................................ 388 16.4 Feuerverzinken ............................................ 389

16.4.1 Stückverzinken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 390 16.4.2 Verzinken von Bandstahl ............................... 394

17 DitTusionsschichten ............................................ 403 17.1 Härten .................................................... 403 17.2 Aufkohlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 409 17.3 Carbonitrieren .............................................. 415

Inhaltsverzeichnis XI

17.4 Nitrieren .................................................. 415 17.5 Borieren .................................................. 418 17.6 Silizieren .................................................. 421 17.7 Alitieren .................................................. 422 17.8 Inchromieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 423 17.9 Sherardisieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 423

18 Metallische Dickschichten ....................................... 425 18.1 Dickschichtauftrag durch Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 425 18.2 Plattieren .................................................. 429 18.3 Metallspritzen .............................................. 431

19 Dünnschichttechnologie ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 439 19.1 Physik von Gasen und Dämpfen ............................... 439 19.2 CVD-Verfahren ............................................. 441 19.3 PVD-Verfahren ............................................. 449 19.4 Der Kunststoff und das Vakuumbedampfen von Kunststoff .......... 461 19.5 TiC-, TiN-, TiAIN- und anderen Schichten ....................... 464 19.6 Beschichten von Massenartikeln: Architekturglas und Reflektoren,

Kohlenstoffschichten ........................................ 468

20 Chemische und anodische Oxidschichtbildung bei Aluminium . . . . . . . .. 471 20.1 Chemische Schichtbildung .................................... 471 20.2 Anodisieren von Aluminium .................................. 471 20.3 Einfarben von Oxidschichten auf Aluminium ..................... 478

21 Behandlungsgerechtes Konstruieren .............................. 481

22 Umweltschutz in der Galvanik und bei anderen chemischen Prozessen -Grundzüge der Abwasserbehandlung im oberflächentechnischen Betrieb .............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 487 22.1 Chemische Reaktionen bei der Abwasserbehandlung ............... 489 22.2 Abwasseraufbereitung im mittelständischen Betrieb . . . . . . . . . . . . . . .. 494

23 Beschichtungsfehler und ihre Ursachen ............................ 499 23.1 Schleif- und Polierfehler bei metallischen Werkstücken ............. 499 23.2 Vorbehandlungsfehler ........................................ 501 23.3 Lackierfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 503 23.4 Emaillierfehler ............................................. 507 23.5 Fehler beim chemischen Metallisieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 513 23.6 Fehler beim galvanischen Beschichten .......................... 515

23.6.1 Chromschichten ...................................... 515 23.6.2 Kupferschichten ...................................... 516 23.6.3 Nickelschichten ...................................... 517 23.6.4 Silberschichten .......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 518 23.6.5 Zinkschichten ........................................ 518 23.6.6 Zinnschichten ........................................ 521

XII Inhaltverzeichnis

24 Literatur ..................................................... 523

25 Bildquellennachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 535

26 Stichwortverzeichnis ........................................... 539