Beizen

Unter Beizen versteht man im technischen Bereich die Behandlung fester Körper zur Veränderung der Oberfläche mithilfe einer Beize oder eines Beizmittels. Je nach Zusammenhang und Fachgebiet können dabei ganz unterschiedliche Vorgänge gemeint sein. Gemeinsam ist ihnen, dass das Beizmittel entweder in die Oberfläche einzieht oder chemisch mit dieser reagiert und dass dabei zwar starke optische Veränderungen eintreten können, aber in der Regel keine Beschichtung auf dem Werkstück gebildet wird. ⓘ

Eine Beizung kann u. a. zum Schutz der Oberfläche gegen Oxidation (bei Metall) oder Schimmel (bei Holz und Geweben) dienen, aber auch zur Färbung der Oberfläche. ⓘ

Ein Abbeizmittel ist meist eine Lauge, die zum Ablösen von Farbschichten verwendet wird. ⓘ

Beizen ist eine Metalloberflächenbehandlung zur Entfernung von Verunreinigungen wie Flecken, anorganischen Verunreinigungen und Rost oder Zunder von Eisenmetallen, Kupfer, Edelmetallen und Aluminiumlegierungen. Zur Entfernung der Oberflächenverunreinigungen wird eine Lösung, die so genannte Beizlauge, verwendet, die in der Regel Säure enthält. Sie wird in der Regel zum Entkalken oder Reinigen von Stahl in verschiedenen Stahlherstellungsprozessen verwendet. ⓘ

Metall- und Kunststoffbearbeitung

Metalloberflächen können Verunreinigungen enthalten, die die Verwendung des Produkts oder die Weiterverarbeitung, z. B. das Beschichten mit Metall oder das Lackieren, beeinträchtigen können. Zur Reinigung dieser Verunreinigungen werden normalerweise verschiedene chemische Lösungen verwendet. Starke Säuren wie Salzsäure und Schwefelsäure sind üblich, aber für verschiedene Anwendungen werden auch andere Säuren verwendet. Auch alkalische Lösungen können für die Reinigung von Metalloberflächen verwendet werden. Die Lösungen enthalten in der Regel auch Zusatzstoffe wie Netzmittel und Korrosionsinhibitoren. Das Beizen wird manchmal als saure Reinigung bezeichnet, wenn keine Entzunderung erforderlich ist. ⓘ

Viele Warmverarbeitungsprozesse und andere Prozesse, die bei hohen Temperaturen ablaufen, hinterlassen eine verfärbende Oxidschicht oder Zunder auf der Oberfläche. Um den Zunder zu entfernen, wird das Werkstück in einen Bottich mit Beizflüssigkeit getaucht. Vor dem Kaltwalzen durchläuft warmgewalzter Stahl normalerweise eine Beizlinie, um den Zunder von der Oberfläche zu entfernen. ⓘ

Die bei der Stahlerzeugung hauptsächlich verwendete Säure ist Salzsäure, obwohl früher eher Schwefelsäure verwendet wurde. Salzsäure ist teurer als Schwefelsäure, aber sie beizt viel schneller und minimiert den Verlust an unedlem Metall. Die Geschwindigkeit ist eine Voraussetzung für die Integration in automatische Stahlwerke, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 800 ft/min (≈243 Meter/min) produzieren. ⓘ

Kohlenstoffstähle mit einem Legierungsgehalt von höchstens 6 % werden häufig in Salz- oder Schwefelsäure gebeizt. Stähle mit einem Legierungsgehalt von mehr als 6 % müssen in zwei Schritten gebeizt werden, und es werden andere Säuren wie Phosphorsäure, Salpetersäure und Flusssäure verwendet. Rost- und säurebeständige Chrom-Nickel-Stähle werden traditionell in einem Bad aus Flusssäure und Salpetersäure gebeizt. Die meisten Kupferlegierungen werden in verdünnter Schwefelsäure gebeizt, während Messing in konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure, vermischt mit Natriumchlorid und Ruß, gebeizt wird. ⓘ

In der Schmuckherstellung wird das Beizen verwendet, um die Kupferoxidschicht zu entfernen, die beim Erhitzen von Kupfer und Sterlingsilber während des Lötens und Glühens entsteht. Traditionell wird ein verdünntes Schwefelsäurebeizbad verwendet, das jedoch auch durch Zitronensäure ersetzt werden kann. ⓘ

Stahlbleche, die mit Säure gebeizt werden, oxidieren (rosten), wenn sie atmosphärischen Bedingungen mit mäßig hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden. Aus diesem Grund wird ein dünner Ölfilm oder eine ähnliche wasserfeste Beschichtung aufgetragen, um eine Barriere gegen die Luftfeuchtigkeit zu schaffen. Dieser Ölfilm muss später für viele Verarbeitungs-, Beschichtungs- oder Lackierprozesse entfernt werden. ⓘ

Bei Metall- und Kunststoffoberflächen geschieht das Beizen in der Hauptsache durch ein Anätzen mittels aggressiver Chemikalien, meist Säuren oder Laugen. Eine Sparbeize ist eine starke Säure zum Reinigen von Metalloberflächen. ⓘ

Der Vorgang wird auch in der Galvanotechnik eingesetzt, um aufgetragene Metallschichten zu entfernen oder um eine oxidfreie Oberfläche zu bekommen. Oft wird der Vorgang durch elektrischen Strom unterstützt (Elektrolyse). ⓘ

Beizen von Eisenwerkstoffen

Einen wichtigen Prozessschritt stellt das Beizen bei der Herstellung kaltgewalzter Stahlbänder dar. Zweck ist es, den durch den Warmwalzprozess an der Oberfläche entstandenen festen Abbrand, den sogenannten Zunder, zu entfernen. Es gibt zwei Arten von Beizanlagen: Durchlaufbeize und Schubbeize. In der Durchlaufbeize wird das üblicherweise in Coils aufgewickelte Band abgewickelt, gerichtet, das Ende des vorherigen sowie der Anfang des neuen Bands nach einem Schnitt zu einem „endlosen“ Band verschweißt und durch Salzsäure- oder Schwefelsäurebäder gefördert. In einer Schubbeize werden die Coils einzeln nacheinander abgewickelt, durch die Anlage geschoben und aufgewickelt. ⓘ

Der Schwefelsäureprozess bedarf wegen eines selektiven Zunderangriffs einer mechanischen Vorbehandlung, die in der Regel aus einem Streckbiegerichten mit einem Streckgrad von bis zu 2,5 % besteht. Der Schwefelsäureprozess wird meist nur in Stahlwerken betrieben, die in Kopplung mit der Koksherstellung über eine Schwefelsäureherstellung verfügen (Steinkohle enthält Schwefel). ⓘ

Nach dem Beizen werden die Stahlbänder in einer Wasserkaskade gespült und in der Regel alkalisiert, d. h., sie werden in eine alkalische Lösung (z. B. Natronlauge (NaOH)) getaucht, um die Säure zu neutralisieren, sodass keine Säurereste mehr an der Oberfläche anhaften. Säurereste würden die Bänder unweigerlich korrodieren lassen. Beizen birgt zudem die Gefahr der Wasserstoffversprödung des Stahls. ⓘ

Vor dem Aufwickeln des fertiggebeizten Bandes besteht die Möglichkeit, die Oberfläche einzuölen und die Bandkanten zu besäumen ("beschneiden"). ⓘ

Beizen von Aluminium

Beizen von Aluminium dient oft der Vorbehandlung für Klebeverbindungen, die auf eloxiertem oder walzblankem Aluminium nur eine geringere Haftung entwickeln. Wie kaltgewalzte Stahlbänder wird auch aufgewickeltes Aluminiumblech in der Durchlaufbeize behandelt. Der Beizprozess verwendet z. B. eine Mischung aus 27,5 Gew.-% konzentrierter Schwefelsäure und 7,5 Gew.-% Natriumdichromat (Na₂Cr₂O₇ · 2H₂O) sowie als Rest (65 Gew.-%) Wasser. Ein etwas einfacherer und ungiftigerer Prozess zum Beizen von Aluminium für Klebeverbindungen ist die Verwendung von Natronlauge. Je nachdem, ob das Aluminium-Endprodukt im Baubereich oder als Nahrungsmittel verwendet wird, können unterschiedliche Chemikalien eingesetzt werden. ⓘ

In der Galvanotechnik wird Aluminium auch mit einer Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure gebeizt. Die Behandlung mit Flusssäure, die in Deutschland rechtlichen Einschränkungen unterliegt, dient der Herauslösung von Silicium, das sich beim Herstellungsprozess in das Aluminium mischt und sich nicht galvanisch beschichten lässt. ⓘ

Die Beizzeiten betragen einige Sekunden bis wenige Minuten. Beim Durchlaufbeizen wird das Aluminiumband beiderseits mit der Chemikalie besprüht und anschließend gesäubert. ⓘ

Beizen anderer Metalle

Das Beizen von Kupfer, Bronze, Messing, Tombak oder Rotguss mittels Chromsäuremischungen wird auch als Brennen oder Gelbbrennen bezeichnet. ⓘ

Gelbbeizen für Goldlegierungen ⓘ

1 Teil konzentrierte Salpetersäure, 1 Teil konzentrierte Schwefelsäure, 1 Teil dest. Wasser. Das Gemisch wird auf 80 °C erwärmt. Bei der Anwendung lösen sich Kupfer und seine Oxide, sowie Teile des Silbers in der Legierung. Es entsteht ein satter gelber Farbton. ⓘ

In der Galvanotechnik kommen diverse stromlose und stromunterstützte Beizverfahren zum Einsatz. Der Grund ist meist die Aktivierung des Grundmetalls für die weitere Beschichtung. Diese Aktivierungen sind für jedes Grundmetall und jede Legierung unterschiedlich. Oft können schon kleine Unterschiede der Legierungsbestandteile unterschiedliche Beizverfahren erfordern. ⓘ

Nachteile

Die saure Reinigung hat insofern ihre Grenzen, als sie aufgrund ihrer Korrosivität schwierig zu handhaben ist und nicht für alle Stähle geeignet ist. Die Wasserstoffversprödung wird bei einigen Legierungen und kohlenstoffreichen Stählen zum Problem. Der Wasserstoff aus der Säure reagiert mit der Oberfläche und macht sie spröde und verursacht Risse. Wegen der hohen Reaktivität mit behandelbaren Stählen müssen die Säurekonzentration und die Lösungstemperaturen unter Kontrolle gehalten werden, um die gewünschten Beizraten zu gewährleisten. ⓘ

Abfallprodukte

Beizschlamm ist das Abfallprodukt des Beizens und umfasst saure Spülwässer, Eisenchloride, Metallsalze und Abfallsäure. Verbrauchte Beizflüssigkeit wird von der EPA als gefährlicher Abfall betrachtet. Beizschlamm aus Stahlprozessen wird in der Regel mit Kalk neutralisiert und auf einer Deponie entsorgt, da er nach der Neutralisierung von der EPA nicht mehr als gefährlicher Abfall eingestuft wird. Durch die Neutralisierung mit Kalk wird der pH-Wert der verbrauchten Säure angehoben. Das Abfallmaterial wird einer Abfallbestimmung unterzogen, um sicherzustellen, dass kein charakteristischer oder gelisteter Abfall vorhanden ist. Seit den 1960er Jahren wird Salzsäurebeizschlamm häufig in einer Salzsäure-Regenerationsanlage behandelt, die einen Teil der Salzsäure und des Eisenoxids zurückgewinnt. Der Rest muss noch neutralisiert und auf Deponien entsorgt oder als gefährlicher Abfall gemäß der Abfallprofilanalyse behandelt werden. Die Nebenprodukte der Salpetersäurebeize sind für andere Industrien, wie z. B. Düngemittelhersteller, vermarktbar. ⓘ

Alternativen

Glatte saubere Oberflächen (SCS) und ökologisch gebeizte Oberflächen (EPS) sind neuere Alternativen. Beim SCS-Verfahren wird die Oxidation der Oberfläche mit einem speziellen Schleifmittel entfernt, und das Verfahren macht die Oberfläche widerstandsfähig gegen nachfolgende Oxidation, ohne dass ein Ölfilm oder eine andere Schutzschicht erforderlich ist. EPS ist ein direkterer Ersatz für das Säurebeizen. Das saure Beizen beruht auf chemischen Reaktionen, während EPS mechanische Mittel verwendet. Das EPS-Verfahren gilt im Vergleich zum sauren Beizen als "umweltfreundlich" und verleiht dem Kohlenstoffstahl ein hohes Maß an Rostbeständigkeit, so dass die Ölschicht, die bei säuregebeiztem Kohlenstoffstahl als Oxidationsschutz dient, nicht mehr aufgetragen werden muss. ⓘ

Zu den alternativen Methoden gehören auch mechanische Reinigungsverfahren wie Strahlen, Schleifen, Drahtbürsten und Wasserstrahlreinigung. Diese Methoden führen im Allgemeinen nicht zu einer so sauberen Oberfläche wie das Beizen. ⓘ

Textilverarbeitung

Beizenfarbstoffen werden auf zuvor mit Metallsalzen gebeizte Gewebe aufgebracht. ⓘ