Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie GK · Glatter Stahl 2026

Glatter Stahl

Es gibt viele Anwendungen von Stahl, bei denen die Oberflächen sehr glatt und zusätzlich gegen Korrosion geschützt sein müssen. Die Oberflächen von Stahl können mit dem Elektropolieren geglättet werden und erhalten dabei gleichzeitig eine schützende Oxidschicht. Daher wird das Elektropolieren in der Lebensmittelindustrie, in der Medizintechnik oder auch im dekorativen Bereich zur Oberflächenbearbeitung eingesetzt, da glatte Stahloberflächen schön glänzen.

Material 1: VA-Stahl [1]

Legierungen sind kristalline Stoffe aus zwei oder mehr Komponenten, von denen mindestens eine ein Metall ist. Stahl ist eine Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist und die immer einen geringen Anteil an Kohlenstoff enthält. Ein VA-Stahl enthält zusätzlich noch Chrom und Nickel. Er ist hart, formstabil, rostbeständig und unempfindlich gegenüber Säuren.

Bei Legierungen kann man vereinfacht zwischen zwei Arten unterscheiden. Bei einer Art sind die einzelnen Atome der verschiedenen Metalle zufällig verteilt, z. B. bei einem VA-Stahl. Bei der zweiten Art setzt sich die Legierung aus verschiedenen, in sich homogenen kleinen Bereichen (Kristallite) zusammen, z. B. liegt bei einer Legierung aus Blei und Eisen Blei in Form von submikroskopisch kleinen metallischen Einschlüssen im Eisen vor.

Material 2: Oberflächenbehandlung von VA-Stahl durch Elektropolitur [2], [3]

Beim Elektropolieren wird zur Glättung Metall von einer Metalloberfläche entfernt, indem ein Werkstück in einen geeigneten Elektrolyten eingetaucht und an den Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen wird. Als Elektrolyt wird häufig ein Gemisch aus Schwefelsäure und Phosphorsäure verwendet. Das Material der negativen Elektrode darf an der Elektrolyse nicht beteiligt sein. Die angelegte Spannung liegt im Bereich von 4 bis 12 V. Vorstehende Unebenheiten des Metalls werden aufgrund der dort höheren Stromdichte bevorzugt abgetragen.

Vereinfacht laufen beim Elektropolieren von VA-Stahl folgende Vorgänge an der Metalloberfläche ab:

An der Anode reagieren alle metallischen Legierungsbestandteile (z. B. Fe), wenn auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

Zusätzlich entsteht an der Anode Sauerstoff.

Chrom reagiert langsamer als die anderen Metallsorten und bildet mit dem gleichzeitig an der Anode entstehenden Sauerstoff eine dichte Chrom(III)-oxidschicht. Durch diese Oxidschicht wird die Korrosionsbeständigkeit des Stahls erhöht.

An der Kathode entsteht Wasserstoff.

Legierungen aus einem Gefüge verschiedenartiger, in sich homogener Kristallite – wie etwa eine Legierung aus Eisen und Blei – können nicht elektropoliert werden.

Material 3: Elektropolitur für Heimwerker? [4]

In einem Blog findet sich folgender Beitrag:

Hallo,

nachdem ich festgestellt habe, dass das händische Polieren von M8-Muttern eine echt blöde Arbeit ist, habe ich beschlossen, diese elektrisch zu polieren. Dazu benötigt man nicht viel Ausrüstung.

12 V-Spannungsquelle, die hohe Stromstärken liefert

säurebeständiger Behälter

je ein Liter Schwefelsäure 96 % und Phosphorsäure 84 % oder bei kleinem Becken entsprechend weniger

1 Stück VA-Abfallblech als Kathode

Für ein paar M8-Muttern brauchte ich etwa 25 A bei 12 V. Die Teile waren jeweils etwa 15 Sekunden im Bad.

Das Bad wurde während des Prozesses sehr heiß.

Material 4: Mechanisches Schleifen [3]

Durch mechanisches Schleifen kann auf Stahl eine glänzende Oberfläche erzeugt werden. Das Schleifen bringt Spannungen in die Oberfläche des Werkstoffs ein. Zusätzlich ist Schleifen oft arbeitsintensiv, erzeugt Metallstäube und ist bei komplizierten Formen schwer durchzuführen.

1.

Beschreiben Sie die Bindungsverhältnisse in einem Metall.

Nennen und begründen Sie eine spezifische Eigenschaft von Metallen.

Stellen Sie den Aufbau der beiden Legierungsarten unter Verwendung einer geeigneten Modellvorstellung in einer beschrifteten Skizze dar (M 1).