Beizbäder überwachen

Dipl.-Ing. Annemarie Kleist

Ein universelles Beizmedium ist Eisen(III)-chlorid in einer meist 20- bis 45%-Lösung für metallische Werkstoffe wie z. B. Kupfer und seine Legierungen, Aluminium, Nickel, Eisen und Stahl. Es wird auch zum chemischen Abtragen von Oberflächen eingesetzt. Die Abätzrate liegt bei Kupfer bei 35 und bei Eisen bei 20 µm/min. Für ein optimales Beizergebnis müssen die Konzentrationen des Eisen(III)chlorids und der freien Säure ständig kontrolliert werden. Ist der Säuregehalt zu gering, besteht die Gefahr von Ausfällungen, die sich auf der Metalloberfläche ablagern können.

Durch Ziehen von Proben und manuellen Laboruntersuchungen kann man die Konzentration sporadisch analysieren lassen. Das Ergebnis einer solchen Analyse hat einen zeitlichen Versatz, dadurch kann es passieren, dass Metallstücke schon in einer unzureichenden Beizlösung behandelt wurden. Mehrkosten für Neubearbeitung oder Verschrottung sind u. U. die Folge. Besser ist hier die Online-Analyse. Die Probe stellt allerdings besondere Anforderungen an das Analysengerät. Zum einen liegen Eisen und Säure in solchen Konzentrationen vor, die für gängige Analysenmethoden viel zu hoch sind, zum anderen beeinflusst Eisen die Analyse der Säure, so dass keine korrekten Ergebnisse erhalten werden.

Die Analyse des Eisengehaltes beruht im Allgemeinen auf der Bildung eines farbigen Komplexes mit Hilfe eines organischen Stoffes. Dieser lässt sich in gepufferter Umgebung fotometrisch auswerten. Die Anwendbarkeit dieser Methoden beschränkt sich auf den Mikro- bzw. Milligrammbereich. In Beizen liegt Eisen jedoch in Konzentrationen bis 150 g/l vor. Um diesen Bereich messen zu können, muss die Probe stark verdünnt werden.

Bei hohen Verdünnungen besteht prinzipiell die Möglichkeit, dass ein eingetragener Fehler sich multipliziert. Durch Einsatz einer peristaltischen Mehrkanalpumpe in Verbindung mit speziellem Pumpenschlauchmaterial ist es gelungen, einen Verdünnungsfehler weitgehend zu vermeiden. So konnte eine Methode erstellt werden, bei der der Eisengehalt nach 500facher Verdünnung mit Hilfe von Sulfosalicylsäure als Komplexbildner mit einer Präzision von < ±1,5 % gemessen wird.

Da Sulfosalicylsäure nur mit Eisen in seiner 3-wertigen Form einen Komplex bildet, bietet diese Methode auch die Möglichkeit einer Bestimmung von Eisen(III) neben Eisen(II). Soll der Gesamtgehalt an Eisen gemessen werden, so fügt man der Reaktion noch ein Oxidationsmittel hinzu, das Eisen(II) zu Eisen(III) oxidiert. Aus dem in diesem Falle gemessenen Gesamteisengehalt und dem Eisen(III)-Gehalt lässt sich durch Subtraktion der Gehalt an Eisen(II) berechnen.

Die Messung des Gehaltes an freier Säure erfolgt mit Hilfe einer Säure-Base-Titration. Voraussetzung dafür ist die klare Unterscheidung der freien Säure (meist Salzsäure, eine starke Säure) und der so genannten gebundenen Säure (eine schwache Säure). Als gebundene Säure bezeichnet man in diesem Fall die Verbindung des Eisen(III)-chlorides. Die Säurekonstanten der beiden Verbindungen unterscheiden sich nicht stark genug voneinander, als dass die freie Säure hinreichend genau bestimmt werden könnte, daher wird Natriumfluorid zu der Messlösung hinzugefügt. Die Fluoridionen reagieren nun mit Eisen zu einem schwerlöslichen Fluoroeisenkomplex, der aus der Lösung ausfällt. Nach dieser Probenvorbereitung kann die freie Säure nun mit Natronlauge titriert und bestimmt werden.

Da das Beizen von Metalloberflächen heutzutage aus der Metallverarbeitung nicht mehr wegzudenken ist und Eisenbeizen ökologisch und ökonomisch sinnvoll verbreitet eingesetzt werden, kann die schnelle Online-Analyse helfen, die Beizlösung kontinuierlich zu überwachen. Auf nachlassende Konzentrationen kann somit schnell durch Nachschärfen der Beizlösung reagiert werden.

Halle A4, Stand 380

cav 404