Bestimmung fertigungsbedingter Bleimengen auf Oberflächen von Kupferlegierungen
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Kupfer
Bestimmung fertigungsbedingter Bleimengen auf
Oberflächen von Kupferlegierungen
Erning, J.W. (1); Ebner, M. (2); Priggemeyer, S. (3); Rapp, T. (4)
Während der Bearbeitung von bleihaltigen Le- definierter Geometrie) genau definierten Parametern bear-
gierungen wie Messing oder Rotguss kann sich bestimmen kann. beitet wird.
ein Film von Blei auf der bearbeiteten Oberfläche Der Prozess besteht
bilden. Diese Bleischichten sind stark vom Bear- prinzipiell in der Die vorgeschlagene Methode
Auflösung der Blei-
beitungsprozess abhängig. Der Sinn dieses Ver-
filme auf der inneren Proben in Form von Röhrchen wur-
fahrens ist es, die Menge an fertigungsbedingtem
Oberfläche der Proben den hergestellt. Die Abmessungen
Blei auf der Oberfläche von Werkstücken aus durch eine Mischung betrugen 100 mm Länge, 18 mm
Kupferlegierungen zu bestimmen. Um die Ver- von 0,1 mol/l Tetra- Innendurchmesser und 22,4 mm
gleichbarkeit der Ergebnisse sicher zu stellen, fluoroborsäure und Außendurchmesser. Zur Validierung
wurde ein einfaches Vergleichsstück definiert. 0,1 mol/l Amidosul- der Methode wurde eine größere
Der Nachweis der Nutzbarkeit wurde durch zwei fonsäure. Die Auf- Anzahl von Kontrollproben (MCS)
Ringversuche erbracht. lösung wird durch hergestellt und in den beteiligten
Schütteln der Probe Labors nach der beschriebenen Pro-
D
ie Abgabe von Blei aus Kup- für je 2 Minuten unterstützt, die zedur getestet.
ferlegierungen an das Trink- Extraktion mehrfach wiederholt.
wasser wird von zwei unab- Der Bleigehalt der Extrakte als Funk- Herstellung der
hängigen Prozessen beeinflusst: tion der Extraktionsschritte erlaubt Extraktionslösung
1. Die kurzzeitige Abgabe erhöhter einen Rückschluss auf die Existenz
Bleimengen unmittelbar nach der von Bleifilmen. Wenn ein Bleifilm 15 ml 50 % Tetrafluoroborsäure
Inbetriebnahme, ausgelöst durch vorliegt, ist die Konzentration im (HBF4) und 10 g Amidosulfonsäure
Bleifilme auf der Oberfläche, die ersten Extrakt sehr hoch, verringert (H2N-SO3H) werden in 1 Liter destil-
durch die Bearbeitung der Ober- sich aber nach der nächsten Extrak- liertem Wasser gelöst.
flächen verursacht werden. tion stark.
2. Die langfristige Abgabe von Blei, Die Ergebnisse sind stark von der Extraktionsmethode
ausgelöst durch das in der Legie- Konzentration und dem Alter der
rung enthaltene Blei. eingesetzten Säuren abhängig, daher 15 ml der frisch zubereiteten Extrak-
Bisher lassen sich diese Unterschiedli- ist es unbedingt erforderlich, eine tionslösung werden in die Probe ein-
chen Bereiche der Bleimigration zwar Kontrollprobe (MCS) in der Methode gefüllt, die Proben werden dicht ver-
problemlos mittels des Prüfstands zu untersuchen, um die korrekte Wir- schlossen und für 2 Minuten senkrecht
nach DIN EN 15664-1 ermitteln. Um kung des Verfahrens nachzuweisen. geschüttelt indem die Proben zweimal
eine Aussage über fertigungsbeding- Die Kontrollprobe besteht aus einem pro Sekunde geschüttelt werden.
te Rückstände zu treffen, ist diese Standard-Messing mit einem weit- Der erste Extrakt nach 2 Minuten
Methode aber zu langsam und zu gehend homogenen Bleifilm, das mit Schütteln wird in ein vorbereitetes
kostspielig. Daher wurde ein Verfah-
ren gesucht, das eine schnelle Aussa-
ge über diese Bleischichten auf den
Werkstoffoberflächen erlaubt, und
zwar sowohl ob als auch wieviel Blei
sich auf den Oberflächen des Werk-
stoffes befindet.
Problematisch ist besonders die Aus-
wahl einer geeigneten Beizlösung, die
selektiv das Blei aus dem Bearbei-
tungsprozess entfernt, den Werkstoff
aber nicht angreift.
Es wurde eine Methode entwickelt,
mithilfe derer man dünne fertigungs-
bedingte Bleifilme auf den Innenflä- Bild 1: Verhalten der Bleimigration
chen von Probestücken (Ein Rohr mit
· 62. Jahrgang · 10/2008 637
Metall-Forschung
die chemische Analyse der
Extraktionslösungen nach der
Extraktion.
Die Genauigkeit der Methode wird
durch die Gleichförmigkeit der MCS
bestimmt. Übliche Herstellungspro-
zesse führen zu gewissen Abwei-
chungen bei den Eigenschaften der
Produkte. Es wurde besonders darauf
geachtet, diese Abweichungen bei der
Herstellung der MCS so gering wie
möglich zu halten. Die Ermittlung der
Streuung der MCS war eine der Auf-
gaben des ersten Ringversuchs.
Da die Genauigkeit des Verfahrens das
Ergebnis der akkumulierten Genauig-
keit verschiedener Prozesse darstellt,
sind die erwarteten Abweichungen
größer als für eine rein analytische
Methode zu erwarten wäre.
Die teilnehmenden Laboratori-
en haben anhand der Ergebnisse
gemeinsam geschlossen, dass das
Testverfahren für die MCS und das
Konzept des MCS funktioniert und
geeignet ist. Es ist möglich, eine grö-
ßere Zahl von Proben durch mecha-
nische Bearbeitung herzustellen, die
vergleichbare Bleimengen auf Ihren
Oberflächen aufweisen und ein ver-
gleichbares Verhalten bei der Unter-
Bild 2: Problemstellung des Verfahrens suchung zeigen.
Gefäß überführt. Der Versuch wird 15
mal wiederholt.
Die Extraktionslösungen der 15
Extraktionen werden auf den Gehalt
an Blei analysiert.
Ergebnisse und Diskussion
Die Ergebnisse des ersten Ringver-
suchs zur Ermittlung der Eigenschaf-
ten der Kontrollprobe (MCS) sind in
Bild 1 dargestellt.
Die Darstellung zeigt, dass die mitt-
leren Bleikonzentrationen für alle
beteiligten Laboratorien den gleichen
Verlauf und auch vergleichbare Abso- Bild 3: Mittlere Bleiextraktion von 6 MCS
lutwerte aufweisen.
Abweichungen bei den Ergebnissen Probe Element Cu Zn Pb Fe Sn Ni As
können verursacht werden durch: Rotguss Mass-% 86.21 5.76 2.97 0.62 4.42 0.42
Kupfer
Kemper GmbH & Co KG ist ein
geschütztes Verfahren, das prinzipiell
aus fünf Schritten besteht:
Reinigung der Oberfläche,
Spülen,
saure Beize plus Ultraschall,
Spülen und
Passivierung.
Die vollständige Reinigung dauert
etwa 30 Minuten und entfernt alle
fertigungsbedingten Bleischichten
von den Proben. Das Beizbad greift
selektiv nur das Blei an und hat
keinerlei Einfluss auf die Kupferle-
gierungen.
Alle Versuche zeigen:
Bild 4: Rotguss bearbeitet (A)/ bearbeitet und gewaschen (B) – eine gute Übereinstimmung der
Mittelwert von 2 Proben Ergebnisse der Laboratorien für
alle Werkstoffe,
Die Begründung zur Verwendung des
MCS ist die, die korrekte Ausführung
der Extraktion und der folgenden ana-
lytischen Untersuchungen nachzuwei-
sen. Der Ringversuch ergab folgende
Randbedingungen für den Erfolgrei-
chen Test der vorgeschlagenen MCS:
Bei der ersten Extraktion:
Pb-Konzentration > 200 mg/l
Bei der fünften Extraktion:
Pb- Konzentration < 5 mg/l
Der nächste Schritt war nun, die Eig-
nung der Methode für die üblichen
Legierungen, die für den Einsatz im
Trinkwasser verwendet werden, nach-
zuweisen und Randbedingungen für
die Bestimmung der Bleimengen auf Bild 5: Messing Gusszustand (G)/ Gusszustand gewaschen (H) –
den Oberflächen von Proben zu ermit- Mittelwert von 2 Proben
teln. Dazu wurden weitere Proben aus
drei Werkstoffen (Rotguss, Messing
und DR-Messing) hergestellt (siehe
Tabelle 1). Die innere Geometrie ent-
sprach der der MCS aus dem ersten
Ringversuch. Es wurden verschiede-
ne Werkstoffe mit unterschiedlichen
Oberflächenzuständen untersucht.
Die Proben wurden in vier verschie-
denen Oberflächenzuständen herge-
stellt:
bearbeitet,
im Gusszustand,
bearbeitet und gewaschen,
im Gusszustand und gewaschen
Die Reinigung der Oberfläche
(Waschen) wurde in einem bereits
eingeführten industriellen Prozess Bild 6: DR-Messing bearbeitet (I)/ DR-Messing bearbeitet gewaschen
für alle Proben des 2. Ringversuchs (K) – Mittelwert von 2 Proben
durchgeführt. Der Prozess der Gebr.
· 62. Jahrgang · 10/2008 639
Metall-Forschung
stoff. Für alle untersuchten Legierun-
gen stellt die Summe der ersten fünf
Extraktionen den am besten geeigne-
ten Parameter zur Beschreibung der
Bleimenge auf der Oberfläche dar.
Schlussfolgerungen
Die Extraktionsversuche ergeben eine
gute Übereinstimmung innerhalb und
zwischen den beteiligten Laborato-
rien. Es wird nachgewiesen, dass
die Methode geeignet ist, mit hoher
Zuverlässigkeit die Bleimenge auf der
Oberfläche von Kupferlegierungen zu
bestimmen. Die Gesamtmenge an Blei
auf den Oberflächen wird durch die
ersten fünf Extraktionen entfernt. Sie
ist für alle untersuchten Werkstoff-
gruppen geeignet. Die Differenzierung
zwischen den Oberflächenzuständen
gewaschen und nicht gewaschen war
in allen Fällen möglich.
Die Ergebnisse der Extraktionsversu-
che legen nahe, dass die Summe der
Bleiwerte der ersten fünf Extraktio-
nen einen geeigneten Parameter zur
Beschreibung der Bleimenge auf den
Oberflächen der untersuchten Proben
Bild 7: Proben und Probenvorbereitung darstellt. Weitere Untersuchungen
sind erforderlich, um diesen Para-
hohe Bleikonzentrationen in den Bearbeitete Proben geben weni- meter mit der Bleiabgabe aus realen
ersten drei Extrakten, wenn Blei ger Blei ab als gegossene aus Produkten korrelieren zu können.
auf der Oberfläche vorhanden dem gleichen Werkstoff.
ist, Die Auswertung der Ergebnisse aller
niedrige Werte für alle Proben untersuchten Legierungen (Proben (1) J.W. Erning, Bundesanstalt für
nach der 5. Extraktion, A-M) erlaubt die Schlussfolgerung, Materialforschung und -prüfung
deutlicher Nachweis des wirk- dass alles Blei auf den Oberflächen in (BAM), Berlin
samen Waschverfahrens für die den ersten fünft Extraktionsschritten (2) M. Ebner, Wieland Werke AG,
meisten Proben. (Gegossene und entfernt wird. Die gemessene Blei- Ulm
gewaschene Proben ergeben konzentration nach der 5. Extraktion (3) S. Priggemeyer, KME AG, Osna-
leicht unterschiedliche Kurven- bleibt auf einem weitgehend gleichen brück
verläufe als bearbeitete gewa- Niveau und entspricht der Bleiabgabe (4) T. Rapp, Umweltbundesamt, Bad
schene Proben). durch die Auflösung aus dem Werk- Elster
Neues Fachbuch: Elektronik in der Fahrzeugtechnik
Nicht zuletzt zeigen die Beiträge der Bleiakkumulatoren, Nickel-Metallhy- im Kfz von anderen Anwendungen
vorliegenden METALL-Ausgabe, wie drid-Akkumulatoren, Lithium-Ionen- unterscheidet. Gleichzeitig wird an
wichtig Metalle für die PKW-Elektro- Akkus, Natrium-Schwefel-Akkus oder Beispielen die Komplexität realer Sys-
nik sind. Den Hintergrund dazu liefert Brennstoffzellen. Starter, Generatoren, teme im Fahrzeug vorgeführt und
dieses aktuelle Buch: Es beschreibt den Hybridfahrzeuge – ohne NE-Metalle gezeigt, welche Anwendungen durch
Entwicklungsprozess vom Teil über die sind sie nicht möglich. Doch trotz die Elektronik erst möglich werden.
Komponente bis zum komplexen Kfz- allem schafft der intensive Elektronik-
Elektroniksystem. Themen des Buches einsatz aber auch neue Probleme. Das Von K. Borgeest, Vieweg+Teubner,
sind Leitungen, Kabelbäume, Steckver- Buch vermittelt die Grundlagen, um 2008, 346 S., Geb, ISBN: 978-3-8348-
binder, aber auch Energiespeicher, wie zu verstehen, wie sich die Elektronik 0207-1
640 · 62. Jahrgang · 10/2008
Sie können auch lesen
