Oberflächenbehandlungen verschiedener Kupferwerkstoffe

Kupfer

Kupfer ist ein auf der Oberfläche besonders gut zu bearbeitender und veredelnd zu behandelnder Werkstoff. Schleifen erfolgt auf Scheiben, die mit dem Schleifmittelkorn belegt oder völlig durchsetzt sind. Schleifen mit Band und Bürsten hat sich ebenfalls bewährt. Poliert wird auf Tuch- oder Filzscheiben mit pastenförmigen oder flüssigen Poliermitteln. Kupfer kann chemisch geglänzt oder elektrolytisch poliert werden. Dazu wendet man Säurelösungen mit Zusatzmitteln an.

Zum reinigenden Beizen dienen Schwefel- und Amidosulfosäure sowie Amidopersulfatlösungen und verdünnte Borfluorwasserstoffsäure. Zeigt die Oberfläche keinen Zunder, kann anstatt zu beizen besser chemisch geglänzt werden. Metallisch reine Kupferoberflächen können mit Chromatierlösung schwach aufglänzend behandelt werden; dabei entsteht gleichzeitig ein zeitweiliger passivierender Schutz gegen Anlaufen und schwache Korrosionseinflüsse.

Beschichtungen aus Zinn und Zinn-Blei fördern die Löteignung des Kupfers. Durch Nickelschichten erzielt man dekorative Wirkungen. Vor einem galvanischen Verchromen des Kupfers wird meist vernickelt. Nickel-Kobalt-Überzüge führen zu gezielten magnetischen Eigenschaften, aber auch zu verschleißbeständigen Oberflächen. Nickel-Mangan-Schichten sind hitzebeständiger als Nickelschichten.

Funktionelle Bauteile aus Kupfer können nach zahlreichen Verfahren, z.B. durch CVD, PVD, Ion-Plating, im Vakuum oder schmelzflüssig, elektrolytisch oder mechanisch mit nahezu allen Metallen, Legierungen und Hartstoffen beschichtet werden. Durch thermische Verfahren werden Diffusionszonen aus Legierungen mit Kupfer erzeugt.

Im Kunsthandwerk wird Kupfer vielfach chemisch gefärbt.

Im Bauwesen werden Kupferbleche für Sonnenkollektoren durch chemische und galvanische Verfahren geschwärzt und für Dachdeckungen künstlich patiniert geliefert.

Emaillieren ist ebenfalls ein beliebtes Veredelungsverfahren im Kunsthandwerk und in der Metallwarenindustrie. Email wird auch dann zum bewährten Überzug für Kupfer, wenn es gilt, Anlagenteile z.B. für die chemische und pharmazeutische Industrie gegen chemischen Angriff zu schützen. Lackieren mit Klarlacken erhält den natürlichen Farbton des Kupfers lange Zeit, oft über Jahre hinaus. Lackiert werden auch gefärbte Kupferteile.

Kupfer-Zink (Messing)

Fertigteile aus Kupfer-Zink-Legierungen werden wegen ihrer ansprechenden Eigenfarbe oft nur noch mechanisch, chemisch oder elektrochemisch behandelt.

Fast alle Kupfer-Zink-Werkstoffsorten lassen sich gut mechanisch polieren sowie chemisch und elektrochemisch glänzen. Die mit zunehmendem Zinkgehalt verbundene Legierungsverfestigung hat vor allem eine ausgezeichnete mechanische Polierfähigkeit zur Folge. Bei a/ß-Legierungen kann gegebenenfalls die ß-Phase das Polierbild beeinflussen.

Gereinigt und entfettet wird in organischen Lösemitteln (Vorreinigen), in alkalischen und sauren Reinigern. Mit Hilfe elektrochemischer Verfahren und durch Anwenden von Ultraschall wird der Reinigungsvorgang intensiviert und beschleunigt.

Gebeizt wird in Salz- oder Schwefelsäurelösung, gebrannt und glanzgebrannt in Lösungen auf Salpetersäurebasis. Diese und weitere Verfahren bietet der Markt auch in Form von Fertiglösungen und Konzentraten sowie als Salze an. Der Einsatz von Salpetersäure ist jedoch wegen der Entstehung nitroser Gase (NOx) und damit einhergehender Beschränkungen stark rückläufig.

Die natürliche Eigenfarbe von Kupfer-Zink-Werkstoffen bleibt lange Zeit erhalten, wenn die Oberfläche farblos lackiert ist. Für Innenanwendungen (in geschlossenen Räumen)gewähren farblose Zaponlacke ausreichenden Schutz. Eingefärbte Lacke führen zu besonderen Oberflächeneffekten. Sie werden z.B. zum Abtönen von Oberflächen in Richtung Bronze- und Goldfarben aufgebracht.

Insbesondere das Kunsthandwerk bedient sich gern der Oberflächenveredlung durch chemisches Färben oder Emaillieren. Chemische und elektrochemische Färbeverfahren bieten eine vielseitige Palette von Grün-, Braun-, Grau- und Schwarztönungen. Kupfer-Zink-Legierungen mit max. 10 % Zink ist emaillierbar.

Bevorzugte Ätzqualität, z.B. für Zifferblätter, ist CuZn36. Überzüge aus anderen Metallen und zahlreichen Legierungen, die dekorative und funktionelle Aufgaben übernehmen sollen, werden auf Kupfer-Zink-Oberflächen stromlos (Ni) galvanisch abgeschieden. Das stromlose Verfahren gewinnt beim Vernickeln an Bedeutung. Bei sachgemäßer Vorbehandlung [23] ist einphasige a- bzw. b-Kupfer-Zink-Legierung einwandfrei galvanisierbar. Dies muss im Bereich um 37 % Zink berücksichtigt werden, denn je nach Wärmebehandlung kann dort heterogenes Gefüge vorliegen. Zur Vorbehandlung darf bleihaltige Kupfer-Zink-Legierung nicht in Schwefelsäure gebeizt werden, denn das dabei entstehende Bleisulfat kann zu Bläschenbildung oder sogar zum Abblättern der Überzüge führen. Hier ist mit verdünnter Salpetersäure oder besser mit 10 – 20 %-iger Fluoroborsäure zu beizen. Fluoroborsäure ätzt allerdings die Oberfläche schwach an, so dass möglicherweise mechanisch nachpoliert werden muss.

Schwieriger ist oft die Vorbehandlung von CuZn20Al2As, CuZn28Sn1As usw., zum Galvanisieren, die nach dem Beizen zusätzlich gebürstet werden müssen. Bei der Vorbehandlung muss – um einer Gefährdung durch Entzinkung oder Spannungsrisskorrosion zu begegnen – bei bestimmten Legierungen (z.B. CuZn39Pb3) auf die Gefahr des Überbeizens geachtet werden.

Zinnüberzüge dienen der Verbesserung der Löteignung oder werden aufgetragen, wenn Oberflächen mit Nahrungs- und Genussmitteln in Berührung kommen. Neben reinen Zinnüberzügen werden auch Überzüge aus Zinn-Kupfer- und Zinn-Nickel-Legierungen eingesetzt.

Nickel und Chrom sind für Kupfer-Zink-Werkstoffe die wichtigsten Überzugsmetalle. Armaturen, und Sanitärzubehör aus Kupfer-Zink-Legierungen werden hartverchromt.

Edelmetalle und Edelmetall-Legierungen werden überwiegend galvanisch aufgetragen. Sie dienen dazu, gezielt funktionelle Aufgaben zu übernehmen oder  die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. In der Schmuck- und Uhrenindustrie kommen Überzüge aus Silber, Gold und Platinmetallen zur Anwendung. Bauteile aus platiniertem Kupfer-Zink-Werkstoff werden in der chemischen und verfahrenstechnischen Industrie eingesetzt.

Kupfer-Zinn (Zinnbronze)

Durch Strahlen werden funktionelle und dekorativ wirkende Oberflächenstrukturen bei gleichzeitigem Verfestigen der Oberfläche erzielt. Die Qualität wird durch Strahlmittelwerkstoff, -form und –korngröße bestimmt. Egalisieren der Oberfläche, Mattieren, Seidenglanzpolieren und Verfestigen sind die überwiegenden Effekte, die durch Strahlbearbeitung auf Kupfer-Zinn-Knetlegierungen erzeugt werden.

Das Schleifen kann von Hand durch Scheiben, die an Schleifböcken rotieren, erfolgen. Es handelt sich hierbei um transportable Schleifscheiben, die von Handmotoren getrieben werden. Blech wird bevorzugt mit Schleifband im Freihand- und Kontaktverfahren geschliffen. Größere Flächen werden im Band- bzw. Pendelschleifverfahren auf Tischmaschinen bearbeitet, die auch vollautomatisiert sein können.

Mechanisches Polieren wird ebenfalls von Hand an Tuchscheiben durchgeführt. Übliche Vorrichtungen sind Polierböcke und Handmaschinen. Massenteile werden auf Polierautomaten bearbeitet. Um eine bessere Polierwirkung der Scheiben zu erreichen und um die der Polierarbeit ausgesetzte Flächenpartie nicht zu überhitzen, werden Polierfette, -wachse und –emulsionen verwendet. Es gibt Polierhilfen mit einformulierten Inhibitoren, die ein Oxidieren und Anlaufen der frisch polierten Oberfläche über einen längeren Zeitraum verhindern.

Vor allem schüttbare Massenteile aus Kupfer-Zinn-Legierungen sind geeignet, durch Trommeln geschliffen, poliert und geglättet zu werden. Man vermengt das Poliergut mit keramischen oder mineralischen Schleif- oder Polierkörpern, den Chips. Es wird außerdem eine wässerige Behandlungslösung zugegeben, die reinigende, schleifende, polierende, entoxidierende und evtl. auch noch passivierende Agenzien enthält.

Entfettet wurde bisher mit organischen Lösemitteln, bevorzugt den Chlorkohlenwasserstoffen Tri- und Perchlorethylen sowie dem 1,1,1-Trichlorethan. Aus Umweltgründen werden in jüngster Zeit vermehrt auch heiße wässerige Lösungen von Alkalien eingesetzt, wenn in einer Verfahrensfolge nass-in-nass weitergearbeitet, z. B. galvanisiert wird. Das elektrolytische Entfetten ist die letzte reinigende Behandlungsstufe vor dem Galvanisieren.

Beizen dient zum Entfernen von Zunder – wie er z.B. durch Glühen entsteht – sowie von Oxidschichten anderen Ursprungs. Allgemein sind Beizlösungen aus verdünnter Schwefelsäure sowie Beizgemische mit Gehalten an Schwefel- und Salpetersäure eingeführt. Diese Lösungen enthalten außerdem Zusätze zum Inhibieren des Beizangriffs auf die metallische Oberfläche sowie zur Glanzgebung und zum Passivieren. Schwieriger als Kupferoxid lässt sich das hellfarbene Zinnoxid entfernen. Dabei ist ein teilweises Lösen der metallischen Randzone in verdünnter Salpetersäure notwendig. Wegen der beim Anwenden von Salpetersäure aufkommenden Umwelt- und Hygiene-probleme setzt sich das Beizen mit Wasserstoffoxid/Schwefelsäure-Lösungen immer mehr durch (15).

Die beschichtende Oberflächenveredlung spielt für Kupfer-Zinn-Legierungen eine besondere Rolle. Beim Feuerverzinnen werden die Teile in eine Zinnschmelze getaucht. Das Diffusionsverzinnen erfolgt durch Tauchen der Teile in SnCI2-haltige Salzschmelzen bei etwa 400°C (Reaktionstemperatur).

Durch Flammspritzen werden Schichten aus Metallen, Legierungen, Hart-, Super- und Sonderlegierungen sowie aus hochschmelzenden Werkstoffen und aus Keramik aufgebracht.

Galvanische Überzüge aus Silber, Gold, Nickel, Chrom, Cadmium, Zinn oder Blei-Zinn-Legierungen lassen sich leicht aufbringen. Im Allgemeinen wird vorher eine Nickelschicht als sogenannte Diffusionssperre aufgebracht, die als Träger weiterer Schichten dient. Wegen der hohen Korrosionsbeständigkeit des Trägerwerkstoffes sind dann auch bei nicht absolut porendichten Schichten keine Nachteile zu befürchten.

Als Schutz gegen Anlaufen ist Lackieren mit Klarlack üblich. Voraussetzung für die gute Haftung des Lackfilms ist eine sachgemäße Vorbehandlung der Metalloberfläche.

Kupfer-Aluminium

Kupfer-Aluminium-Legierungen lassen sich mechanisch gut polieren. Problematisch ist sowohl eine galvanische Metallbeschichtung als auch eine Feuerverzinnung, weil das aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit erforderliche, vollkommen dichte Beschichten der Metalloberfläche nur sehr schwer zu erreichen ist. Die Aluminiumoxidanteile der äußeren Werkstoffzone sind schlecht entfernbar und haftungshindernd für die aufgetragene Schicht. Das Aufbringen von Metall- und Legierungsüberzügen durch galvanische Verfahren und aus Schmelzen erfordert deshalb besondere Maßnahmen. Daher wurden Vorbehandlungsverfahren entwickelt, die beim Galvanisieren und Feuerverzinnen zu einwandfreien Ergebnissen führen. Kleine Bauteile können auch nach Bedampfungsverfahren (PVD- und ähnliche Verfahren) mit zahlreichen Metallen, Legierungen und Cermets beschichtet werden.

Kupfer-Nickel

Kupfer-Nickel-Legierungen lassen sich gut mechanisch und elektrochemisch polieren.

Zum Beizen zwecks Entfernen der bei oxidierendem Glühen oder beim Warmumformen gebildeten, sehr beständigen Oxide ist als Beizlösung heiße 15 %ige Schwefelsäure mit Zusatz von etwa 2 % Natriumnitrat, Salpetersäure oder Natriumdichromat wirksam. Auch warme Salzsäure (1:1) mit Bichromatzusatz ist geeignet. Durch Abschrecken von höheren Temperaturen in Wasser mit 2 % Alkohol sind Beizbehandlungen zu umgehen.

Zum Glanzbrennen kann für alle Legierungen das Vorbrennen mit einer Lösung aus 1000 ml Salpetersäure (38 Bé), 1000 ml Wasser und 60 bis 90 g Kochsalz bei 25 bis 35°C angewendet werden. Nach Heißspülen wird kurz in Salpetersäure (1:1) getaucht, anschließend in verdünnter Ammoniaklösung neutralisiert, gespült und getrocknet. Bei der chemischen Oberflächenbehandlung sind die entsprechenden Umweltvorschriften zu beachten. Da Kupfer-Nickel-Legierungen in zahlreichen Medien korrosionsbeständig sind, ist ein Galvanisieren aus korrosionschemischen Gründen kaum erforderlich. Hingegen werden zur Übernahme funktionaler Aufgaben Überzüge aufgebracht, z.B. Silber.

Kupfer-Nickel-Zink (Neusilber)

Die Oberflächenbehandlung hat bei Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen zur Erzielung dekorativer Effekte große Bedeutung. Sie lassen sich gut mechanisch und elektrochemisch polieren. Zum Beizen ist etwa 60 °C warme, 10%ige Schwefelsäure geeignet. Soll eine blanke Oberfläche erreicht werden, ist ein Zusatz von einigen Prozenten Salpetersäure zur Beize zu empfehlen. Es ist jedoch zu beachten, dass zu hohe Gehalte der Beize an stark oxidierenden Zusätzen und auch zu lange Beizzeiten rauhe Oberflächen ergeben.

Glänzende Oberflächen werden durch kurzzeitiges Tauchen des Beizgutes in konzentrierte Salpetersäure und sofortiges gründliches Nachspülen in weinsteinhaltigem Wasser erzielt. Anstelle von Salpetersäure ist auch eine schwefelsaure Kaliumdichromat-Lösung geeignet.

Das galvanische Aufbringen von Überzügen aus z. B. Chrom, Nickel, Silber, Gold, Zinn, Zinn-Blei und Zink bereitet keine besonderen Schwierigkeiten. Solche Überzüge dienen allgemein zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit in zahlreichen Anwendungsbereichen sowie dem tribologischen Verhalten. Galvanisch aufgetragene Metall- und Legierungsüberzüge haften auf Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen gut. Beim Verchromen und Vernickeln sind Zwischenschichten nicht notwendig. Zum Versilbern sind die Legierungen mit weniger als 20 % Ni besser geeignet, weil die Haftfestigkeit der Silberüberzüge bei höheren Nickelgehalten abnimmt. Galvanisch auf Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen mit weniger als 20 % Ni abgeschiedene Silberüberzüge haften ausgezeichnet, so dass auch beim Versilbern von Tafelbestecken und dekorativen Tafelgeräten eine Zwischenvernickelung nicht notwendig ist. Zahlreiche Schichten übernehmen funktionelle Aufgaben, zum Beispiel Zinn und Zinn-Blei-Legierungen.

Zum Lackieren, mit dem der Glanz polierter, geglänzter oder gebrannter Oberflächen erhalten werden soll, werden geeignete Lacke durch Streichen, Tauchen oder Spritzen auf die entfettete Oberfläche aufgebracht. Für Teile, die in gedeckten Räumen verwendet werden, sind farblose Zapon- und Nitrozelluloselacke gebräuchlich.

Ungeschützte Oberflächen müssen mit Metallputzmitteln gepflegt werden. Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen lassen sich emaillieren und chemisch färben. Davon wird im Kunsthandwerk und in der Metallwarenindustrie Gebrauch gemacht.

Anmerkung

Vor der Anwendung der genannten Verfahren müssen zwingend die rechtlichen Aspekte dieser Behandlungsverfahren geprüft werden.