Passivierung
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In der Metallbearbeitung ist der Schutz der Oberfläche vor oxidativen Einflüssen oftmals eine wesentliche Anforderung. Passivierung ist eine bewährte Oberflächentechnik, die es in einem gut kontrollierbaren Bearbeitungsprozess ermöglicht, metallische Oberflächen zu schützen und zu veredeln. Die verschiedenen Techniken erzeugen eine aus Oxiden bestehende oberflächliche Schutzschicht auf metallischen Werkstücken. Die Oxidschicht hat die Funktion einer Barriere vor äußeren Umwelteinflüssen, bewahrt das Metall vor Korrosion und veredelt zudem die Oberfläche. Lebensdauer und Beständigkeit des Materials lassen sich damit signifikant verbessern. Besonders in anspruchsvollen Umgebungen ist das inerte Verhalten des Materials dank der geschützten Oberfläche von großem Vorteil.
Passivierungsprozess
Passivierung kann bei Metallen wie Aluminium spontan erfolgen, wird aber auch mithilfe spezieller technischer Verfahren gezielt für die gut kontrollierbare Herstellung einer dicken Oxidschicht auf metallischen Oberflächen eingesetzt. Da der Luftsauerstoff nach der Passivierung dank der oberflächlichen Oxidschicht nicht mehr direkt mit dem Metall in Berührung kommen kann, ist das Werkstück vor äußeren Umwelteinflüssen dauerhaft geschützt: Die Sauerstoffkorrosion des Grundwerkstoffes ist stark verlangsamt bzw. sogar vollständig verhindert. Spezifische Passivierungsverfahren führen zur Ausbildung einer Chrom enthaltenden Schutzschicht und werden als Chromatieren bezeichnet.
Gängige Beispiele für Metalle, auf die zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit Passivierung angewendet wird, sind Edelstahl, Titan, Kupfer oder Aluminium. Vielfach wird bei der Passivierung das Metall einer Säurelösung ausgesetzt. Die Säure oxidiert die Materialoberfläche und macht sie chemisch passiv oder zumindest weniger reaktiv.
Eloxieren ist eine Sonderform des Passivierens, bei dem mithilfe eines elektrolytischen Prozesses vor allem der Werkstoff Aluminium veredelt wird. Dazu legt man an metallische Werkstücke, die sich in einer Säurelösung befinden, eine elektrische Spannung an, die einen Stromfluss bewirkt. Ergebnis ist eine im Vergleich zur spontanen Passivierung wesentlich dickere und gleichmäßigere Oxidschicht auf der Materialoberfläche. Mit dieser Technik lässt sich daher eine hochwertige Korrosions- und Verschleißfestigkeit erreichen. Eloxieren von Aluminium ist außerdem in unterschiedlichen Farben möglich.
Anwendungsbereiche und Beispiele der Passivierung
Passivierung verbessert die Korrosionsbeständigkeit von metallischen Bauteilen wesentlich. Dies hat für Bauteile sowohl eine erhöhte Leistungsfähigkeit als auch eine höhere Lebensdauer zur Folge.
Ein typischer Anwendungsbereich ist die Luft- und Raumfahrt, da die Umweltbedingungen im Weltraum extrem sind, die passivierten Bauteile aber dennoch eine hervorragende Widerstandsfähigkeit aufweisen. In der Elektronikindustrie spielt die Passivierung für den Schutz elektrischer Komponenten eine wichtige Rolle. Die Automobilindustrie benötigt für viele Fahrzeugkomponenten einen dauerhaften Korrosionsschutz für die Verbesserung von Optik und Haltbarkeit.
Arten der Passivierung und Qualitätsbeurteilung
Ob es zur Korrosion kommt, wenn blankes Metall dem Luftsauerstoff oder einer anderen korrosiven Umgebung ausgesetzt wird, hängt vom Metall und dessen chemischer Beschaffenheit ab. Falls Korrosion auftritt, spricht man auch von spontaner Passivierung. Beispielsweise prägen Aluminium und Edelstahl an der Luft eine dünne natürliche Passivschicht aus. Da die spontan gebildete Passivierungsschicht in vielen Fällen nicht robust genug ist, kommen spezifische Passivierungsverfahren für Metalle zum Einsatz. Diese Oberflächentechniken erzeugen eine dicke, homogene und dauerhafte Oxidschicht.
Die chemische und die elektrochemische Passivierung sind die in der Praxis wichtigsten Methoden. Für die chemische Passivierung kommen meist Säuren zur Verwendung. Beispiele dafür sind die Salpetersäure bzw. die Zitronensäure. Die Säure entfernt nicht nur Verunreinigungen, sondern trägt zur Bildung einer Oxidschicht bei, welche zwar dünn aber homogen und dicht ausgeprägt ist.
Elektrischer Strom ist bei der elektrochemischen Passivierung in einem Elektrolytbad für den kontrollierten Aufbau einer dicken und damit sehr beständigen Oxidschicht verantwortlich. Die auch als Anodisieren bezeichnete Technik kommt vor allem bei Aluminium und Titan zum Einsatz.
Unterschiede der Passivierung von Aluminium, Titan und Kupfer
Je nach vorliegendem Metall sind die chemischen Vorgänge bei der Passivierung unterschiedlich. Aluminium:
- Aluminium hat beispielsweise eine hohe Affinität zu Sauerstoff, was zu natürlicher Passivierung an der Luft führt. Da jedoch die Oxidschicht bei der natürlichen Passivierung dünn ausgeprägt ist, kommt in der Regel für Aluminium ein spezifisches Verfahren wie das Eloxieren zum Einsatz. Dabei wird elektrolytisch eine dickere Oxidschicht gebildet.
- Titan: Titan bildet eine Titandioxidschicht (TiO₂) aus, wenn es mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff reagiert. Elektrochemisches Passivieren bzw. chemische Passivierung mit Säuren sind die gängigen Passivierungstechniken. Die Oberflächenschicht weist eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
- Kupfer: Kupfer bildet bei der Passivierung in belüftetem Wasser eine dünne Schicht aus Kupferoxid (Cu₂O) aus. Für das gezielte chemische Passivieren von Kupfer verwendet man Salpetersäure, Oxalsäure, verdünnter Chromsäure, Phosphorsäure bzw. Zitronensäure.
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Qualitätskontrolle der Passivierung
Die Qualität einer Passivierungsschicht kann im ersten Schritt durch visuelle Inspektion auf Verfärbungen bzw. Flecken erfolgen. Mit Wasser kann fallweise in Form des Wasserbruchtests überprüft werden, ob die Oberfläche gleichmäßig in Form eines dünnen Films benetzt wird. Zerfällt das Wasser unregelmäßig in Form von Tropfen oder Perlen, kann dies auf eine unsaubere und damit unzureichende Passivschicht hindeuten.
Genauere Aussagen sind mit Tests auf Basis einer spezifischen Passivierungs-Testlösung möglich. Dabei wird ein Tropfen auf die zu prüfende Oberfläche aufgebracht. Wenn nach einem definierten Zeitraum keine Verfärbungen auf der zu prüfenden Oberfläche auftreten, ist die Passivschicht ausreichend und gleichmäßig ausgebildet. Bei Verfärbung ist die Passivierung unzureichend. Ein Beispiel ist der Ferroxyl-Test, der freies Eisen auf der Oberfläche in Form von blauen Punkten nach Durchführung des Tests nachweist. Denselben Zweck hat der Kupfersulfat-Test für Oberflächen von Kupferwerkstücken.
Zusätzlich kommen beschleunigte Korrosionstests wie beispielsweise der Salzsprühtest zur Anwendung. Der Test dient zur Simulierung einer aggressiven Umgebung, um die Langzeitbeständigkeit der Schicht zu bewerten. Zusätzlich kommen auch Geräte zur Messung der Passivschicht zum Einsatz.
Zusammenfassend die wesentlichen Tests für die Qualitätskontrolle der Passivierung im Überblick:
- Salzsprühtest
- Passivierungs-Testlösung wie Ferroxyl-Test bzw. Kupfersulfat-Test
- Wasserbruchtest
- Gerät zur Messung der Passivschicht
