Entfetten in der Galvanotechnik!

Woher kommen Öle/Fette?

Öl wird oft als temporäre Konservierungsschicht eingesetzt. Wenn von vorne herein klar ist, das die Teile später galvanisiert werden ist das nicht die beste Lösung. Wie bereits beschrieben müssen die Teile sauber werden, bevor sie beschichtet werden können.

Weiterhin kommt Öl aus vorigen Bearbeitungsschritten, wie Beispielweise bohren, fräsen, drehen und so weiter. Zuletzt gibt es immer wieder zufällige Verunreinigungen wie Fingerabdrücke oder sonstige Kontakte mit irgendwelchen Ölen.

Unterschied zwischen Öl und Fett?

Fett ist eingedicktes Öl, was für uns bedeutet dass wir nicht zwischen Öl und Fett unterscheiden. Chemisch gesehen ist es genau das selbe.

Was für Öle gibt es?

• Mineralöl
• Synthetische Öle
• Vollsynthetische Öle
• Natürliche Öle

Um so natürlicher, um so besser zu entfernen!

Wie früher entfettet wurde

• Die Heißwasserentfettung hatte eine sehr schlechte Wirkung.
• Lösemittel (FCKW) ist hoch giftig
• Scheuersand hat eine schlechte Wirkung
• Petroleum ist gefährlich/giftig (Explosionsgefahr)

Wie heute entfettet wird

• Abkochentfettung
• Ultraschallentfettung
• Elektrolytische Entfettung
• (Lösemittel FCKW frei (Alkohol))

• Temperatur
  • schwächt die Kohäsionskräfte

• Emulgieren (Tenside)
  • hält das Öl in Emulsion, damit es nicht aufschwimmt

• Verseifen (Lauge)
  • verarbeitet Fett in Tenside

• Bewegung
  • Elektrolytbewegung unterstützt das Ablösen des Öltropfens

Das waren alle wichtigen Wirkstoffe der Abkochentfettung. Es sind noch einige andere Salze in einer Abkochentfettungvorhanden. Jedoch sind das die Wichtigsten. In aller Regel bekommt man Fertigmischungen vom Hersteller, weshalb man sowieso nicht genau nachvollziehen kann was genau darin ist.

Es herrschen verschiedene Kräfte in der Entfettung.
F_A beschreibt die Auftriebskraft, da der Öltropen leichter als Wasser ist.
F_K sind die Kohäsionskräfte, die den Öltropfen in sich zusammen halten.
F_AD sind die Adhäsionskräfte, die zwischen dem Öl und der Werkstückoberfläche wirkt.
F_V ist die mechanische Kraft durch Umwälzung

Die Temperatur senkt die Kohäsionskräfte. Somit reißt ein großer Teil des Öltropfens ab. Jedoch bleibt durch die Adhäsionskräfte ein Ölfilm zurück. Das zweite Problem in der Heißwasserentfettung ist, dass das Öl aufschwimmt. Beim Herausnehmen des Werkstücks fährt man durch diese Ölschicht was bewirkt dass das ganze Bauteil wieder voller Öl ist.

Links sieht man die lipophile (Öl liebende) Gruppe. Diese besteht, genau wie Öl selbst aus Kohlen Wasserstoff Gruppen.

Rechs sieht man die hydrophile (Wasser liebende) Gruppe. In diesem Fall ist diese negativ geladen. Darum handelt es sich hier um ein anionisches Tensid. Es gibt auch kathionische und neutrale Tenside.

Tenside sind grenzflächenaktive Stoffe. Das bedeutet sie sitzen immer auf die Grenzflächen zwischen zwei verschiedenen Stoffen. In der Entfettung bedeutet das, dass Tenside mit dem einen Teil im Öltropfen sind und mit dem anderen in der wässrigen Lösung.

Wenn das Werkstück in die Abkochentfettung eingetaucht wird setzen sich die Tenside an den Öltropfen. Somit wird das Öl unterwandert und es löst sich vom Werkstück ab.

Dadurch dass die „Köpfe“, also die Wasser liebende Seite negativ geladen ist, stoßen sich die Köpfe ab. Das sorgt dafür dass die Öltropfen emulgieren. Also so klein werden, dass die nicht aufschwimmen. Bildlich gesprochen schwimmen in einer Entfettung sehr viele kleinste Öltröpfchen herum, die nicht aufschwimmen.

Somit sind beide Probleme der Heißwasserentfettung gelöst. Durch die Tenside werden die Adhäsionskräfte ausgehebelt.Gleichzeitig werden die Tropfen emulgiert, was dafür sorgt dass sich beim Ausfahren des Bauteils kein Öl mehr an diesem absetzt.

Verseifung:

Fett + Wasser –> Glycerin + Fettsäure

Fettsäure + Lauge –> Salz (Tensid) + Wasser

Die Lauge ist dafür da, die natürlichen Öle zu verseifen.

Somit wird die Entfettung mit der Zeit immer stärker. Natürlich nur bis zu einem bestimmten Punkt, da irgendwann die Löslichkeit erschöpft ist.

Gleichzeitig sind die „neuen“ Tenside Zufallsprodukte und somit nicht so effektiv wie die ursprünglich eingesetzten.

Ohne die Lauge wäre schnell zu viel Öl in der Entfettung.

Die Tenside sind begrenzt. Wenn also zu viel Öl in der Entfettung ist und keine Tenside mehr zur Verfügung sind funktioniert die Entfettung nicht mehr. Es löst sich das Öl nicht mehr richtig vom Werkstück. Das Öl schwimmt auf was bedeutet dass das Werkstück beim Ausfahren wieder mit Öl benetzt wird.

Darum ist es wichtig dass genug Lauge in der Entfettung ist um die Öle zu verseifen.

In der Lösung befinden sich verschiedene Salze. Jedoch ist für die Grundreaktion nur Wasser von Bedeutung.

Rekation an der Kathode

H₂O + 4e^– –>2H₂ + 4OH^–

Reaktion an der Anode:

H₂O – 4e^– –> O₂ + 4H⁺

Der Gleichrichter funktioniert wie bei den Abscheidungslektrolyten. Die Elektronen werden von der Anode an die Kathode „gepumpt“.

Das interessante im Gegensatz zu Abscheidungs Bäder ist, dass man hier frei bestimmen kann was Anode und was Kathode sein soll. Die beiden oberen Reaktionen finden immer parallel statt. Je nach Schaltung entsteht am Bauteil Wasserstoffgas oder Sauerstoffgas.

Die entstehenden Gasbläschen sprengen das Öl ab. Auf der Grafik ist zu sehen wie sich der Öltropfen langsam abtrennt. Jedoch sollte in der Elektrolytischen Entfettung maximal noch ein hauchdünner Ölfilm auf dem Werkstück vorhanden sein.

• NaOH
• pH Puffer
  • Phosphate
  • Carbonate
• Komplexbildner
• Netzmittel
• Tenside
• Strom: ca. 6-10 A/dm²
• Dauer: bis zu 90 Sekunden

Die Hersteller liefern in der Regel Fertigsalze weshalb man den genauen Ansatz nicht ohne weiteres beeinflussen kann. Weiterhin können auch noch andere Bestandteile in der Elektrolytischen Entfettung vorkommen. Oder auch weniger.

Kathodisch Entfetten (Werkstück -)

• Werkstoff löst sich nicht auf
• Bei Stählen Gefahr der Wasserstoff Versprödung
• Kein Angriff auf die Oberfläche
• Für alle Buntmetalle geeignet

Anodisch Entfetten (Werkstück +)

• Buntmetalle können angegriffen werden
• Zinn und Aluminium und dessen Legierungen werden in jedem Fall angegriffen
• KEINE Wasserstoff Versprödung
• Am Bauteil entsteht eine kleine Passivschicht, die durch aktivieren/dekapieren wieder entfernt werden muss

Buntmetalle kathodisch/anodisch

• Buntmetalle werden grundsätzlich kathodisch entfettet.
• Manche empfehlen danach noch kurz anodisch zu entfetten.
  • Bringt bei sauberen Teilen meines Erachtens nichts, da die anodische Entfettung schwächer ist als die kathodische.
  • Hilft aber bei stark oxidierten Teilen, da der Werkstoff an gelöst wird.

Bei stark oxidierten Teilen kann es sinnvoll sein kurz anodisch zu entfetten. Den es löst sich die Oberfläche an, was auch die Oxidschicht löst. Das hat genaugenommen nichts mit entfetten zu tun, findet jedoch in der anodischen Entfettung statt. Wenn etwas anodisch geschalten wird löst es sich, genau wie Beispielweise die Nickelanoden im Nickelbad.

So löst sich eben auch das Werkstück. Zumindest die Oberfläche wird angelöst. Das kann wie beschrieben, dafür sorgen dann eine Oxidschicht gelöst wird, die in der restlichen Vorbehandlung nicht entfernt werden konnte.

Beim kathodischen Entfetten entsteht Wasserstoff am Werkstück.

Dieser diffundiert bei Eisenwerkstoffen in das Metallgitter ein. Dort entstehen dann Wasserstoffblasen, welche für die Wasserstoffversprödung verantwortlich sind.

Man kann dem ganzen nur durch tempern (entspröden) entgegenwirken. Oder noch besser, auf Nummer Sicher gehen und Stahlwerkstoffe nur anodisch Entfetten.

• Temperatur
  • schwächt die Kohäsionskräfte

• Emulgieren (Tenside)
  • hält das Öl in Emulsion, damit es nicht aufschwimmt

• Verseifen (Lauge)
  • verarbeitet Fett in Tenside

• Bewegung
  • Durch Unterwanderung des Fettes durch Wasserstoff/Sauerstoff
  • Nur anodisch: Durch Auflösen des Grundmetalls auf dem das Öl sitzt
  • Elektrolytbewegung unterstützt das Ablösen des Öltropfens

Man sieht, die Wirkungen der verschiedenen Entfettungen überschneiden sich deutlich. Bei der Elektrolytischen Entfettung ist das meiste Optional. Je nach Prozess und Ware könnte man eine elektrolytische Entfettung auch einfach nur mit Natronlauge ansetzen.

Die roten Punkte sind speziell nur bei elektrolytischen Entfettungen.

Durch den Ultraschallschwinger entstehen Zug- und Druckspannungen. Die Moleküle im Eletrolyten bewegen sich „vor“ und „zurück“. Dadurch entsteht eine heftige Umwälzung was Öl und Schmutz vom Bauteil entfernt. Gleichzeitig entstehen Kaviationsblasen:

Eine Kaviationsblase ist ein kleines Vakuum. Während der Druckphase fällt sie wieder in sich zusmmane

Das ORANGE ist die „Blase“.
Dann gilt die Reihenfolge BLAU, GRÜN und ROT.

Zuerst bildet sich ein kleiner Stachel (blau) in der Blase. Dieser sorgt dafür dass die Blase dann in sich zusammenfällt (grün und rot). Dabei entstehen kurzzeitig mehrere 1000 Bar und über 1000°C. Durch den heftigen Aufschlag platzt der Schmutz ab. Gleichzeitig besteht auch die Gefahr dass das Grundmaterial angegriffen wird. Es können durchaus Löcher eingeschlagen werden. Darum ist hier unbedingt die Frequenz entsprechend dem Grundmaterial anzupassen.

• Temperatur
  • Schwächt die Kohäsionskräfte
• Emulgieren (Tenside)
  • hält das Öl in Emulsion, damit es nicht aufschwimmt
• Verseifen (Lauge)
  • verarbeitet Fett in Tenside
• Bewegung
  • Kavitation
  • Zug- und Druckspannung
  • Elektrolytbewegung unterstützt das Ablösen des Öltropfens

Emulgierende Entfettung

• Öltropfen werden dauerhaft in Emulsion gehalten
• Stärkere Entfettungswirkung
• Teuer und aufwändig zu regenerieren
• Stärker geladene Köpfe der Tenside

Demulgierende Entfettung

• Öltropfen werden nur bei eingeschalteter Umwälzung in Emulsion gehalten
• Schwächere Entfettungswirkung
• Günstig und einfach zu regenerieren
• Schwächer geladene Köpfe der Tenside

Ein Teil der Entfettung wird in den Beipass geleitet. Dort wird die Entfettung beruhigt, es ist keine Umwälzung vorhanden. Somit setzten sich die schweren Stoffe unten am Boden ab.

Gleichzeitig entsteht oben eine Ölschicht, da die Tenside in der demulgierenden Entfettung nicht stark genug sind ohne Umwälzung das Öl in Emulsion zu halten. Mit dem Ölskimmer wird das Öl fast sauber von der Entfettung getrennt. Die gereinigte Entfettungslösung wird wieder dem Prozessbad zugeführt.

• Öl ist kaum verunreinigt
• Daher günstige Entsorgungskosten
• Der Beipass ist auch in der Anschaffung relativ kostengünstig

Die Emulgierende Entfettung wird mit hohem Druck durch die Ultrafiltration geleitet. Die Membran der Ultrafiltration ist hat rund herum kleine Poren.

Dort passt nur unverbrauchte Entfettung durch, Öltropfen sind zu groß. Die unverbrauchte Entfettung wird dem Prozessbad zugeführt. Das Öl wird gesammelt und dann entsorgt. Jedoch ist das Öl hier ein Gemisch mit Entfettungslösung.

Mit der Ultrafiltration kann das Öl nicht sauber von der Entfettungslösung getrennt werden. Der Prozess ist insgesamt relativ teuer und lohnt sich für die meisten Galvanikanlagen in dieser Form nicht.

• Hoher Druck
• Unverbrauchter Elektrolyt passt durch die Poren
• Öl passt nicht durch die Poren
• Tenside müssen nachdosiert werden, da mit dem Öl auch Tenside entsorgt werden
• Öl ist nicht sauber –> Ölgemisch
• Aufwändig und teuer

Die Regeneration einer Demulgierenden Entfettung ist einfach und günstig.

Das Gegenteil gilt für emulgierende Entfettungen. Daher ist es sinnvoll als ersten Schritt eine demulgierende Entfettung zu nutzen um den größten Schmutz der Bauteile zu entfernen. Nachgeschaltet kann dann eine emulgierende Entfettung genutzt werden. Diese hält durch die Vorreinigung automatisch länger.

• Bei leichter Verschmutzung demulgierende Entfettung sinnvoll
• Bei starker Verschmutzung zuerst eine demulgierende, dann eine emulgierende Entfettung schalten.