Basler Norm Beizen, Passivieren und Elektropolieren von BBS-Systems

Zweck und Anwendungsbereich
Diese Norm vermittelt Hinweise über den Zweck und die Methoden der Durchführung von Oberflächenbehandlungen duch chemische und elektrochemische Verfahren an Rohrleitungen, Apparaten und Teilen.

Diese Norm gilt für das Beizen, Passivieren und Elektropolieren von den im chemischen Apparatebau gebräuchlichen nichtrostenden Stählen, z.B. 1.4435 nach BN2, 1.4435, 1.4571, 316L, 1.4539 oder 1.4306. Mit Ausnahme des Elektropolierens ist es dabei unwesentlich, ob es sich um stabilisierte oder unstabilisierte, bzw. um niederig gekohlte Stähle mit oder ohne Stickstoffzusatz handelt. Diese Norm gilt nicht für Reinigungsverfahren wie z.B. cleaning in place (CIP). Sie gilt nicht für Nickelbasislegierungen und Sonderwerkstoffe.

Beizen
Nichtrostende Stähle müssen eine intakte, durchgehende, auf einer möglichst fehlerfreien Metalloberfläche gebildeten Oxydschicht ( Passivschicht ) aufweisen, damit ihre Korrosionsbeständigkeit wirksam wird.
Das Beizen bewirkt
- das Entfernen von Fremdstoffen wie Reaktionsprodukten ( Anlauffarben, Zunder, Schlackereste ) Korrosionsprodukten ( Rost ) oder Fremdkörpern ( Metallstaub ) von der Oberfläche;
- das Abtragen der mit Gitterfehlern durchsetzten obersten Metallschicht, die beim mechanischen Bearbeiten ( Schleifen, Sägen, Drehen usw. ) entsteht.

Der Abtrag soll gleichmässig erfolgen und bis 3µm betragen. Stärkere Abträge sind unerwünscht und gelten als Überbeizung.

Behandlung vor dem Beizen
Einer möglichst geringen Verunreinigung der Oberfläche kann bereits während der Verarbeitung durch entsprechende Vorkehrungen Rechnung getragen werden. Um den Aufwand der Beizarbeiten so gering wie möglich zu halten,

- soll die Verarbeitung von nichtrostenden Stählen nicht in den gleichen Räumen, in denen auch unlegierter Stahl verarbeitet wird, vorgenommen werden. ( Eisenstaub, Flugrost )
- sind vor der Durchführung von Arbeiten mit Wärmeeinwirkung ( Schweissen, Glühen ) die beeinflussten Oberflächen gut von Schmutz, Fett und Oel zu reinigen.
- sind Werkzeuge und Verarbeitungs-Einrichtungen von Verunreinigungen durch Schmutz, Staub und vor allem durch metallische Fremdkörper sauber zu halten.
- ist jeder Kontakt mit artfremden metallischen Werkstoffen zu vermeiden.
- sind Schweiss-Spritzer ( Schweissperlen ) sofort zu entfernen.

Um ein gleichmässiges Einwirken des Beizmittels zu ermöglichen, soll man anhaftende Fremdstoffe durch folgende Verfahren entfernen:
- Zunder und noch vorhandene Schweissrückstände durch mechanische Verfahren ( Bürsten ) oder durch partielles Vorbeizen
- Schmutz, Fett, Farbreste etc. durch Ausdämpfen und Spülen mit Entfettungslösungen ( Hochdruckreinigung )

Teile aus unlegiertem Stahl sind vor dem Beizen mit einem Beizschutz ( z.B. Abziehlack ) zu versehen, um sie vor einer unerwünschten Einwirkung des Beizmittels zu schützen.

Beizmittel
Beizwirksame Säuren sind Salpetersäure, Flusssäure und Schwefelsäure.
Um Korrosionsschäden ( z.B. Spannungsrisskorrosion, Spaltkorrosion ) zu vermeiden, ist mit Salzsäure und chloridfreien Beizmitteln zu beizen.
Zum Ansetzen der Beizmittel und zum Spülen nach dem Beizen ist vollentsalztes Wasser zu verwenden.

Beizen im Tauchbad
Allgemeines
Die zu beizenden Teile ( Halbzeuge sowie fertige Apparate ) werden in ein Beizbad getaucht und in diesem Bad einige Zeit belassen. Die Eintauchzeit richtet sich nach dem zu beizenden Werkstoff sowie nach der Zusammensetzung, der Temperatur und dem Metallgehalt des Beizbades.
Im Tauchbad darf nur durch fachkompetente Betriebe gebeizt werden, die Gewähr für eine qualitativ einwandfreie Beizung bieten.

Qualitätssicherung
Um Überbeizung zu vermeiden, ist eine analytische Überwachung des Beizbades notwendig. Dabei muss die Säurekonzentration zum Erhalten eines gleichmässigen Beizergebnisses bekannt sein. Der Gehalt an gelöstem Chrom und Eisen bestimmt die Aggressivität des Bades. Die Chloridfreiheit des Bades ist zu erhalten.

Nachbehandlung
Nach dem Beizen sind alle Teile gründlich mit Wasser zu spülen. Es ist darauf zu achten, dass nach dem Spülen keine säurehaltigen Wasserreste zurückbleiben. Dies kann durch Indikatorpapier nachgewiesen werden.
Beim Spülen bilden sich unter der gleichzeitigen Einwirkung des Luftsauerstoffes auf derm Stahl die gewünschte Passivschicht aus. Nach dem Beizen und Spülen noch anhaftender, aber gelockerter Zunder kann mit einer Wurzelbürste oder einem Lappen abgerieben werden.
Formschwierige Teile mit Spalten und schwer zugänglichen Stellen, bei denen durch Spülen die Beizereste nicht vollständig entfernt werden können, sind in einem Neutralisationsbad von mindestens pH 8 ( z.B. wässrige Sodalösung ) zu neutralisieren. Anschliessend wird wieder mit Wasser gespült.

Wasserqualität
Als Zusatzwasser für die Beizmittel sind Flusswasser und Brunnenwasser ohne Trinkqualität erfahrungsgemäss nicht geeignet, weil sie Stoffe mitführen können, die die Beizwirkung beeinträchtigen.
Trinkwasser mit einem Chloridgehalt bis zu 50ppm kann im Normalfall zum Ansetzen der Beizmittel und zum Spülen nach dem Beizen benutzt werden.
Besser ist der Gebrauch von vollentsalztem Wasser oder Kondensat.

Beizen im Durchfluss
Allgemeines
Im Durchfluss werden hauptsächlich Rohrleitungen gebeizt. Auf Grund der Druckbeaufschlagung ist sicherzustellen, dass das zu beizende System dicht ist. Die Anlagenteile werden mit Beizmittel gefüllt bzw. während der Beizzeit durchflossen. Man unterscheidet grundsätzlich das Beizen im Durchfluss mit oder ohne zusätzlicher Lufteinblasung. Die Luft kann durch einen Injektor kontinuierlich oder schwallweise zugesetzt werden. Es dürfen sich keine toten Äste im System befinden. Vor dem Beizen muss sichergestellt sein, dass nicht noch Teile aus Fremdwerkstoffen ( z.B. Buntmetalle, unlegierter Stahl, Kunststoffe, etc. ) im System eingebaut sind. Dichtwerkstoffe sind auf ihre Beständigkeit gegen das Beizmittel zu überprüfen.
Die Beizzeit ist in Vorversuchen festzulegen und richtet sich nach dem zu beizenden Werkstoff, der Temperatur, der Zusammensetzung und dem Metallgehalt des Beizmittels.
Im Durchfluss soll nur durch fachkompetente Betriebe gebeizt werden, die Gewähr für eine qualitativ einwandfreie Beizung und fachgerechte Entsorgung von Beizmitteln und Spülwasser sorgen können.

Qualitätssicherung
Zur Überprüfung der Beizwirkung können Passstücke oder Mutterplättchen im System eingebaut werden.

Nachbehandlung
Nach Ablauf der Beizzeit ist das Beizmittel aus dem System abzulassen. Das ganze System muss bis zur völligen Säurefreiheit gespült werden. Die Kontrolle des Spülwassers erfolgt mit Indikatorpapier.

Sprühbeizen
Allgemeines
Das Sprühbeizen kann als Alternative zum Beizen im Tauchbad angewendet werden. Es eignet sich für die grossflächige Anwendung sowohl an Innen- als auch an Aussenflächen, sofern sie durch Sprühen zugänglich sind. Bei richtiger Anwendung entspricht die Qualität dem Beizen im Tauchbad.
Das Verfahren kann für alle nichtrostenden Stähle angewendet werden. Vor dem Sprühbeizen sind alle Teile aus unlegiertem Stahl abzudecken oder zu entfernen.
Das Sprühbeizen darf nur durch fachkompetente Betriebe durchgeführt werden, die Gewähr für eine qualitaltiv einwandfreie Beizung bieten.

Verfahren
Die vorgereinigte Fläche wird je nach Verfahren in einem oder zwei Arbeitsgängen durch Aufsprühen der Beizmittel gebeizt. Ein Überbeizen ist bei Einhalten der Herstellerangaben nicht möglich, da die zur Verfügung stehende Menge an Säure im Beizmittel begrenzt ist. Längere Einwirkzeiten ( z.B. über Nacht ) sind daher möglich. Um eine homogene Oberfläche zu erreichen, ist darauf zu achten, dass die Temperatur auf dem ganzen Beizobjekt gleichmässigt ist ( keine direkte Sonneneinstrahlung ) und dass das Beizmittel nicht austrocknet, bevor der Beizvorgang abgeschlossen ist.

Nachbehandlung
Die gebeizten Oberflächen werden mit Wasser intensiv gespült, möglichst unter Verwendung eines Hochdruckspritzgerätes ( Wasserqualität beachten ). Durch den Druck wird der restliche noch vorhandene Zunder weggespült. Es muss bis zur völligen Säurefreiheit gespült werden ( Kontrolle mit Indikatorpapier) wobei schlecht zugängliche Stellen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss.

Pastenbeizen
Das Pastenbeizen wird vorwiegend für das Beizen von Kleinteilen und Schweissnähten angewendet. Für das Beizen grosser Flächen eignet sich dieses Verfahren schlecht, weil eine homogene Beizwirkung schwierig zu erreichen ist.

Sicherheitshinweis
Da vor allem durch allgemeine Werkstätten mit Pasten gebeizt wird, ist dem Personenschutz wegen der starken Säuren erhöhte Aufmerksamkeit zu schenken. Zudem sind die örtlich geltenden Abwasserbestimmungen einzuhalten. Im überigen gelten sinngemäss die Regeln wie für die anderen Beizverfahren.

Kontrollen
Die gebeizte Oberfläche soll ein von blossem Auge wahrgenommenes glattes, sauberes sowie gleichmässiges Aussehen aufweisen. Die Oberfläche muss vollständig frei sein von Anlauffarben, Zunder, Schlackeresten, Rost und Eiseneinschlüssen. Falls erforderlich, kann mit einem Vergleichsmuster die gewünschte Oberflächenqualität festgelegt werden. Stichproben über den chemische Zustand der Oberfläche mit nassem Indikatorpapier müssen ein neutrales Verhalten zeigen.
Es ist empfehlenswert, mit Hilfe eines Referenzmusters den Abtrag zu bestimmen.

Passivieren
Nichtrostende Stähle müssen eine intakte, durchgehende, auf einer möglichst fehlerfreien Metalloberfläche gebildete, oxidische Passivschicht aufweisen. Wird diese Passivschicht durchbrochen, repassiviert der Werkstoff in gut leitfähiger, oxydierender Umgebung ( neutral bis sauer ) selbständig. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Passivierung unter kontrollierten Bedingungen schneller und gezielter durchzuführen.
Zweck dieser Norm ist es, dem Hersteller, aber besonders auch dem Betreiber von Apparaturen aus nichtrostendem Stahl, Hinweise zum Korrosionsschutz durch Passivieren zu geben. Das nachfolgend beschriebene Verfahren führt zur
- Steigerung der Lochfrassbeständigkeit durch Entfernung der Sulfideinschlüsse
- schnellen Bildung einer gleichmässigen, dichten Passivschicht;
- Abstoppen von bereits eingetretenen Lochfrass

Behandlung vor dem Passivieren
Um ein gleichmässiges Einwirken der Passivierungslösung zu ermöglichen, muss die zu passivierende Oberfläche frei von groben Verunreinigungen sein. Bei Neuanlagen ist ein vorheriges Beizen der Oberfläche zu Empfehlen. Bei bereits betriebenen Anlagen müssen Schmutz, Fett, Chemikalien etc. durch geeignete Verfahren entfernt werden. Während der Passivierung ist mit dem Auftreten von nitrosen Gasen zu rechen. Es ist deshalb für ausreichende Lüftung oder entsprechenden Atemschutz zu sorgen. Anlagenteile wie Dichtungen, Pumpen etc. müssen auf Ihre Beständigkeit gegenüber stark oxidierenden Substanzen überprüft werden. Gummierungen sind gegenüber Passivierungslösungen nur beschränkt beständig.

Passivierung
Die besten Resultate erhält man mit einer 5%igen Salpetersäure, die während 24 Stunden bei 50°C bis max. 60°C einwirkt. Diese Passivierungslösung kann für mehrere Apparate nacheinander gebraucht werden, wenn der Chloridgehalt 50ppm nicht übersteigt. Die Qualität des verwendeten Wassers muss dem bereits definierten Anforderungen entsprechen.

Höher konzentrierte Salpetersäure mit Gehalten über 30 % sind ebenfalls in Gebrauch, doch sollte die Anwendung auf Stähle mit max. 2,5% Mo-Gehalt beschränkt werden. Die Passivierungszeit ist temperaturabhängig, deshalb benötigen kältere Passivierungslösungen längere Passivierungszeiten. Für gleichmässige Passivschichten sollten 100 Stunden Einwirkungszeit nicht überschritten werden.

Nachbehandlung
Nach dem Passivieren sind die Teile gründlich mit Wasser zu spülen ( Wasserqualität wie bereits beschrieben ). Es ist darauf zu achten, dass nach dem Spülen keine säurehaltigen Wasserreste zurückbleiben. Diese können durch Indikatorpapier nachgewiesen werden.

Elektropolieren
Zweck
In der Regel werden Rohrleitungen, Apparate und Teile elektropoliert, um das günstige Reinigungsverhalten und die verringerte Belagsbildung an der Oberfläche auszunützen. Eine Passivschicht, wie oben beschrieben, kann auch durch Elektropolieren erreicht werden. Zusätzlich sind diese Oberflächen glänzend, glatt und spannungsarm.

Einschränkungen bezüglich Werkstoffen und Abmessungen
Zum Elektropolieren eignen sich die nichtrostenden, unstabilisierten CrNi- und CrNiMo-Stähle. Mit Titan oder Niob stabilisierte Stähle (z.B. 1.4541, 1.4571 etc. ) eignen sich aufgrund der sehr beständigen Titan- und Niobcarbonitride weniger zum Elektropolieren. Die besten Resultate ergeben Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von < 0.3% ( bei plattierten Stählen < 0.2% ). Zum Elektropolieren im Tauchbad eignen sich vor allem kleine und mittelgrosse Apparate und Teile, deren Abmessungen von der verfügbaren Badgrösse abhängen. Konstruktiv sind ausreichend grosse Zugänge zum Einbau von Innenelektroden vorzusehen. Die Innenräume müssen entgast werden könne ( keine toten Ecken, in denen sich das beim Elektropolieren entstehende Knallgas ansammeln kann ). Gasstau bedingt Unfallgefahr und das angsammelte Gas verdrängt den Elektrolyten, weshalb in diesem Breich der Oberfläche nicht elektropoliert wird. Bei Apparaten, die ausserhalb des Bades im Innenraum elektropoliert und dazu mit Elektrolyt befüllt werden müssen, ist dessen Dichte von ca. 1800kg/m3 zu berücksichtigen.

Behandlung vor dem Elektropolieren
Die erreichbare Oberflächenrauheit ist abhängig von der Vorbehandlung. Wird nur eine fremdstofffreie, gut passivierte Oberfläche gewünscht, so reicht die Vorbehandlung wie bereits beschrieben.
Wird eine mit Rauheitswerten definierte polierte Oberfläche gewünscht, so sind zusätzlich folgende Punkte einzuhalten:
- bei kaltgewalzten Blechen ohne Vorbehandlung sind Verletzungen wie Kratzer und Bearbeitungsspuren möglichst fein zu verschleifen.
- warmgewalzte Bleche sind bis mindestens Korn 180 vorzuschleifen
- andere Flächen sollten, wenn nicht anders definiert, eine Oberflächenrauheit von Ra<0,8µm aufweisen, dies entspricht ungefähr Korn 220 oder besser.
- die Oberflächen müssen metallisch blank und damit leitfähig sein.

Verfahren
Die Qualität der elektropolierten Oberfläche ist neben der Vorbehandlung von der Elektrolytzusammensetzung, Stromdichte, Behandlungszeit und der Badtemperatur abhängig. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens ist zwischen Betreiber und Lieferant festzulegen. Zum Erreichen eines optimalen Ergebnisses müssen durch das Elektropolieren mindestens 30µm Werkstoff abgetragen werden. Der Abtrag ist durch die aufgezeichneten Prozessdaten ( Stromstärke, Zeit, Fläche, Badausbeute ) nachzuweisen. Die Elektrolytqualität muss mittels Überwachung des Metall- und Säuregehaltes sichergestellt werden.

Nachbehandlung
Nach dem Elektropolieren sind die behandelten Teile mit Wasser zu spülen bis sie elektrolytfrei sind . (Wasserqualität wie oben beschrieben )

Kontrolle
Die Oberflächenqualität wird vorteilhaft mit einem Referenzmuster nach BN93 Teil2 und mit maximalen Rauheitswerten spezifiziert und bei der Kontrolle mit jener der behandelten Teile verglichen. Die elektropolierte Oberfläche muss ein gleichmässiges, fleckenloses Aussehen haben. Der gemessene Rauheitswert Ra einer elektropolierten Oberfläche lässt sich nur beschränkt mit dem einer mechanisch bearbeiteten Oberfläche vergleichen, da die Elektropolitur bevorzugt Mikrorauheiten beseitigt aber Welligkeiten im Makrobereich bestehen lässt.

Sicherheit, Umwelschutz
Bei allen Verfahren zur chemischen und elektrochemischen Oberflächenbehandlung werden unter anderem starke Säuren verwendet. Dem Personenschutz ist durch entsprechende Ausrüstung Rechnung zu tragen.
Bezüglich der Entsorgung von Beizen, Passivier- und Elektropolier-Lösungen, Spül- und Abwässer sowie Abgasen ist die örtliche Gewässerschutzbestimmung bzw. Luftreihalteverordnung zu beachten.