Manuel M. Lohrengel

Electrochemical Machining, abgekürzt ECM, ist der internationale Begriff für eine elektrochemische Metallbearbeitung, die Formgebung, Entgratung und Polieren einschließt. Das Werkstück aus Metall wird als Anode in einen Elektrolyten (heute meist hochkonzentrierte wässrige NaNO3-Lösungen) eingetaucht. Eine speziell geformte Kathode, die gewissermaßen das Negativ der gewünschten Form darstellt, wird dem Werkstück unter Stromfluss angenähert. An den Stellen, wo der Abstand zur Kathode immer kleiner wird, löst sich das Werkstück anodisch auf (Abb. 1) und nimmt die entsprechende Form an.

Diese Technik hat viele Vorteile, so dass sie im letzten Jahrzehnt einen deutlichen Aufschwung erlebt. Durch die praktisch berührungslose Technik entstehen keine Störungen der Oberfläche, wie sie bei mechanischer Bearbeitung (Bohren, Fräsen, Schleifen) immer zu erwarten sind; Formgebung, Entgratung und Polieren erfolgen in einem Arbeitsgang; der Prozess ist recht schnell (Abtrag bis zu Millimeter pro Minute), das Werkstück wird nicht erhitzt, und schließlich zeigt das Werkzeug, die Kathode, kaum Verschleiß. Nachteilig ist, dass der Prozess nur bei sehr hohen Stromdichten (um 100 A/cm²) abläuft. Ferner entstehen durch diese hohen Stromdichten Mengen an Hydroxiden, die durch Bewegung des Elektrolyten unter hohem Druck weggeschwemmt und hinterher entsorgt werden müssen.

Abbildung 1: Die Werkzeug-Kathode nähert sich dem Werkstück (1.), das lokal berührungslos aufgelöst wird (2.) und wird zum Schluss vom geformten Teil wieder zurückgezogen (3.)

Damit wird der Prozess recht kostenintensiv und beschränkt sich auf extrem hochwertige Bauteile, bei denen die Herstellungskosten untergeordnete Bedeutung haben. So werden heutzutage Turbinenschaufeln für Strahlflugzeuge, medizinische Implantate (Hüftgelenke), Ventilsitze, Einspritzdüsen und Pumpengehäuse für Dieselmotoren oder Spritzgussformen mit ECM hergestellt. Populärstes Produkt dürften die runden Scherkappen von Elektrorasierern sein, deren Löcher und Schlitze in weniger als einer halben Minute entstehen. In Drachten, Holland, werden so jährlich ca. 70 Millionen Stück produziert.

Elektrochemische Auflösung ist in der Technik ein durchaus üblicher Prozess. So wird Rohkupfer zur Reinigung anodisch aufgelöst und kathodisch wieder abgeschieden (Aktuelle Wochenschau, Woche 6 vom 07.02.2006, Joachim Heitbaum "Elektrochemische Metallgewinnung"). ECM an Eisen oder Stahl in NaNO₃-Lösungen läuft aber überraschenderweise im transpassiven Bereich ab.

Abbildung 2: Scherkappe eines Elektrorasierers. Die Löcher und Schlitze werden in weniger als einer halben Minute durch berührungslose elektrochemische Auflösung hergestellt.

Erhöht man das Potential über den Passivbereich hinaus, so beginnt sich Sauerstoff zu entwickeln. Bei hohen Potentialen verhält sich das Eisenoxid wie ein Halbleiter und ermöglicht eine Sauerstoffentwicklung, ohne sich dabei in größerem Umfang aufzulösen. Diesen Bereich der Sauerstoffentwicklung nennt man transpassiv.

Wieso ist dann ECM möglich? Die Sauerstoffentwicklung stellt zunächst nur eine störende Nebenreaktion dar, die Metallauflösung ist ja erwünscht. Tatsächlich säuert sich aber die Probenoberfläche mit zunehmender Sauerstoffentwicklung nach

an. Damit nimmt die Oxidauflösung zu, die Oxidschicht wird dünner, aber sie verschwindet nicht ganz, da sie bei den hohen Potentialen metallseitig ständig nachgebildet wird. Bei Stromdichten von mehr als 5 A/cm² übersteigt die Konzentration der so gebildeten Eisennitrate ihre Löslichkeit in Wasser. Viele Salze würden dann als kleine Kristalle ausfallen, nicht aber die meisten Metallnitrate. Sie bilden übersättigte, metastabile, dickflüssige, stark gefärbte Flüssigkeiten, die erst nach langen Zeiten kristallisieren (Abb. 3). Das kann in sauberen Gefäßen mehrere Wochen dauern. Kristallisation ist also bei der starken Elektrolytströmung beim ECM kein Thema. Vielmehr entsteht nur ein viskoser, saurer Film auf der Oberfläche, der sich am Metall kontinuierlich nachbildet und elektrolytseitig auflöst und so nur etwa 1/1000 Millimeter dick wird.

Abbildung 3: Kristallines Eisennitrat (Fe(NO3)3·9H2O), wie kommerziell erhältlich, (links) und nach Erwärmen auf 60°C und wiederabkühlen (rechts).

Wie kann man so einen Prozess grundlegend wissenschaftlich untersuchen? Die absoluten Ströme sind mindestens um einen Faktor 1000 größer als im Labor üblich; in einer technischen Apparatur kann andererseits keine potentiostatische Analyse (Aktuelle Wochenschau, Woche 9 vom 01.03.2006, Klaus Jüttner "Mit Hightech auf den Spuren Faradays - Elektrochemische Meßmethoden") gemacht werden. Hier musste ein neuer Messaufbau entwickelt werden.

Abbildung 4: Kapillare mit zwei Kanälen und Silikondichtung (links) und vollständiger Messaufbau (rechts).

Zwei Bedingungen sind zu erfüllen: Der absolute Strom muss in den Bereich der üblichen Potentiostate gebracht werden und der Elektrolyt muss sehr schnell bewegt werden. Eine kleine Fläche lässt sich mit einer Kapillarzelle erreichen. Eine elektrolytgefüllte, ausgezogene Glaskapillare mit einer Trennwand in der Mitte erhält an der Spitze einen Silikondichtring (Abb. 4). Wird sie auf eine Materialprobe aufgesetzt, so wird nur etwa 1/1000 cm² benetzt und stellt jetzt die bearbeitete Fläche dar (in Abb. 4, rechts sind in der runden Probe bereits einige kleine Löcher erkennbar). Bei einer Stromdichte von 100 A/cm² liegt der absolute Strom dann nur bei 0,1 A und ist gut beherrschbar. Durch die Trennwand ist die Kapillare 2-kanalig; ein Kanal dient der Elektrolytzufuhr, der andere als Abfluss. Der Elektrolyt wird mit einer Pumpe bewegt. Damit sind formal alle Bedingungen des ECM erfüllt.

Insgesamt läuft der Prozess dann folgendermaßen ab. Zuerst wird Sauerstoff entwickelt und die Oberfläche säuert sich stark an (etwa 0,1 Sekunde). Dabei wird die Passivschicht großteils aufgelöst, aber wegen des hohen Potentials ständig nachgebildet. Die Auflösungsprodukte (Eisennitrate) übersättigen an der Oberfläche und bilden einen viskosen, mäßig leitfähigen Film, der zwei Funktionen hat:

• Da die wenigen Wassermoleküle recht fest an die Kationen gebunden sind (beispielsweise Fe[H₂O]₆²⁺), steht kaum noch freies Wasser für die Sauerstoffentwicklung zur Verfügung. Sie macht nur noch etwa 5% des Stroms aus, 95% dienen der Auflösung.
• Der viskose, mäßig leitende Film zieht sich gleichmäßig über die Oberfläche. Damit wirkt er polierend, weil er an Metallerhebungen dünner ist (kleinerer Widerstand und höherer Abtrag) und über Vertiefungen dicker (größerer Widerstand und kleinerer Abtrag).

Abbildung 5: So sieht es im Inneren der ECM-Maschine beim technischen Prozess aus. Der Elektrolyt spritzt unter hohem Druck vom Werkstück weg, das sich (hier nicht sichtbar) in der Mitte der Maschine befindet. (Foto: PEMTec SNC, Forbach, Frankreich)

In der industriellen Fertigung wird oft nicht mit Gleichstrom gearbeitet, sondern mit einer großen Zahl kurzer Rechteckimpulse. Man kann zusätzlich eine vibrierende Kathode verwenden; der Strom wird nur dann kurz eingeschaltet, wenn der Abstand Kathode-Werkstück am geringsten ist. Manchmal wird in die Pausen auch noch ein kathodischer Zwischenpuls gesetzt. Diese Variationen helfen, den Prozess reproduzierbarer sowie mit höherer Oberflächen- und Abbildungsqualität zu gestalten. Abb. 5 zeigt das Innere einer ECM-Maschine in Aktion.