Passivierung: Ein Oberflächenbehandlungsprozess

Passivierungsschritte

Passivierung ist eine weit verbreitete Oberflächenbehandlung von Industrieteilen für Edelstahl, das die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Obwohl rostfreier Stahl Oxid bildet natürlicherweise eine schützende Oxidschicht; Fertigungsprozesse wie Bearbeiten, Umformen oder Schweißen können jedoch Oberflächenverunreinigungen hinterlassen, die diesen Schutz schwächen.

Durch die Passivierung werden Oberflächenverunreinigungen entfernt und die Schutzschicht des Metalls verbessert, indem die Bildung eines stabilen Oxidfilms gefördert wird.

Dieser Artikel erklärt Was ist Passivierung?, wie der Prozess funktioniert und warum er häufig zur Verbesserung der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Edelstahlteilen in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt wird.

Was ist Passivierung?

passivierte Stahlteile

Passivierung Es handelt sich um ein Oberflächenmodifizierungsverfahren nach der Fertigung, das die Korrosionsbeständigkeit gefertigter Metallteile verbessert. Es reduziert die Menge an chemischen Reaktionen an der Teileoberfläche, die zu Korrosion und/oder Materialermüdung führen könnten. Es wird hauptsächlich bei Edelstählen angewendet.

Auf Edelstahl bildet sich eine sehr dünne, natürliche Chromoxidschicht, die ihn vor Korrosion schützt. Bei der Bearbeitung von Edelstahl (z. B. durch maschinelles Zerspanen) kann diese Schicht jedoch beschädigt werden, wodurch geringe Mengen an freiem Eisen an der Oberfläche entstehen. Freies Eisen erhöht die Korrosionsgefahr.

Die Passivierung entfernt freies Eisen und leichte Oberflächenverunreinigungen von Edelstahl mithilfe einer chemischen Lösung. Nach der Reinigung kann die Edelstahloberfläche ihre schützende Chromoxidschicht neu bilden. Diese Schicht wirkt als Barriere und trägt zum Korrosionsschutz bei.

Aus den oben genannten Gründen wird die Passivierung typischerweise bei Edelstahlkomponenten in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Lebensmittelverarbeitung, der Elektronik und der Automobilherstellung eingesetzt.

Die Hauptfunktion der Passivierung besteht darin, freies Eisen und Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Dicke Oxidschichten oder durch Schweißen entstandene Anlauffarben werden durch die Passivierung nicht entfernt. Daher ist vor der Passivierung in der Regel ein anderes Reinigungsverfahren, das sogenannte Beizen, erforderlich.

Welche Prinzipien liegen dem Passivierungsprozess zugrunde?

Passivierung von Edelstahl – Prozessstufen

Die Passivierung umfasst folgende entscheidende Schritte: 

• Reinigung des Metalls, um den Zugang für Passivierungslösungen zu ermöglichen; 

• Entfernung von freiem Eisen (und anderen kleinskaligen Verunreinigungen) mittels einer Säurelösung, die gleichzeitig die Grundlage für die nachfolgende Korrosionsverhütung bildet; 

• Bildung eines dünnen Oxidfilms auf der Metalloberfläche; 

• Die Kontrolle der Bedingungen, unter denen diese drei ersten Schritte erfolgen, und 

• Spülen Sie das Teil abschließend gründlich ab, um eventuelle Säurereste zu entfernen.

Oberflächenreinigung vor der Passivierung: Das Metall muss vor der Passivierung gründlich gereinigt werden. Es können Restmaterialien aus Fertigungsprozessen, wie z. B. der maschinellen Bearbeitung, vorhanden sein. 

Es ist unerlässlich, das Metall zu reinigen, damit die Passivierungslösung es erreichen kann. Ein sauberes Metall gewährleistet die einwandfreie Wirkung der Passivierungslösung.

Säurebehandlung zur Entfernung von freiem Eisen: Sobald die Metalloberfläche sauber ist, wird sie mit einer milden Säurelösung behandelt. Beispielsweise wird häufig Salpetersäure zur Behandlung von Edelstahl verwendet. 

Die Säure entfernt freies Eisen und eventuell vorhandene geringfügige Oberflächenverunreinigungen, die sich während der Metallherstellung gebildet haben könnten. Durch die Entfernung von freiem Eisen wird Rostbildung verhindert und die Oberfläche für die Schutzschicht vorbereitet, die sich nach der Passivierung bildet.

Bildung der Schutzschicht: Bei der Behandlung des Metalls mit der Säurelösung bildet sich auf seiner Oberfläche eine sehr dünne Oxidschicht. Auf Edelstahl bildet sich hauptsächlich Chromoxid. 

Obwohl dieser Oxidfilm extrem dünn und praktisch unmerklich ist, schützt er das darunter liegende Metall wirksam vor Wasserdampf und Sauerstoff und verhindert so weitere Korrosion.

Spülen und Kontrollieren: Da jede Metallart spezifische Bedingungen für eine erfolgreiche Passivierung erfordert, gibt es kein universelles Passivierungsverfahren. Daher verwendet jeder Hersteller seine eigenen, patentierten Methoden. 

Im Allgemeinen erfolgt die Passivierung bei 50-70 °C für 20 bis 60 Minuten. Nach Abschluss des Passivierungsprozesses werden die Teile gewaschen, um eventuell verbliebene Säurelösung zu entfernen.

Materialien, die bei der Passivierung verwendet werden

Die Passivierung wird hauptsächlich bei Metallen durchgeführt, die von Natur aus Schutzschichten bilden, um Korrosion zu widerstehen.

• Edelstahl
• Titan
• Aluminium
• Magnesium

Gängige Verfahren zur Passivierung von Metalloberflächen

Durch Passivierung entsteht eine stärkere und dickere natürliche Schutzschicht um das Metall. Beispielsweise kann dadurch die Anzahl der chemisch gebundenen Chromatome an der Oberfläche von Edelstahl erhöht werden, anstatt der reaktiven (gelösten) Eisenatome. Diese Chromatome reagieren mit Sauerstoff und bilden eine extrem dünne, aber hochwirksame Oxidschicht.

Die Passivierung kann durch Eintauchen in eine Passivierungslösung oder durch Aufbringen einer chemischen Konversionsbeschichtung, der sogenannten „Bläuung“, erreicht werden.

Immersion Passivation

Beim Tauchpassivierungsverfahren werden die Teile in ein Bad mit einer Passivierungslösung, typischerweise Salpeter- oder Zitronensäure, eingetaucht. Da die Bildung einer gleichmäßigen Schutzschicht auf allen Oberflächen von Temperatur und Zeit abhängt, muss dieser Prozess sorgfältig kontrolliert werden. Die Tauchpassivierung wird aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Wirksamkeit beim dauerhaften Korrosionsschutz häufig bei Edelstahlteilen angewendet.

Brünieren

Blaue Passivierung durch dreiwertige Zinkplattierung

Eine chemische Konversionsbeschichtung, das sogenannte Brünieren, erzeugt einen sehr dünnen Oxidfilm auf der Metalloberfläche, wodurch Blendeffekte reduziert und das Aussehen verbessert werden. Gebrünierte Teile müssen regelmäßig geölt werden, um die korrosionsschützenden Eigenschaften der Beschichtung zu erhalten.

Arten der Passivierung von Stahl

Die Hersteller verwenden unterschiedliche Methoden für die Passivierung von Edelstahl, abhängig vom gewünschten Korrosionsschutz und den Anwendungsanforderungen.

Passivierung mit Salpetersäure

Passivierung mit Salpetersäure

Ein typisches Verfahren zur Passivierung von Stahl besteht darin, ihn in Salpetersäure einzutauchen. Die Säurelösung reinigt die Metalloberfläche und trägt zur Wiederherstellung der natürlich gebildeten, schützenden Oxidschicht bei, die Korrosion verhindert.

Salpetersäure mit Natriumdichromat

Die Zugabe von Natriumdichromat zu Salpetersäure während des Reinigungs- und Passivierungsprozesses verbessert den Korrosionsschutz. Dieses Verfahren wird typischerweise angewendet, wenn Stahlprodukte extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.

Passivierung mit Zitronensäure

Zitronensäure ist eine umweltfreundlichere Alternative zur Salpetersäuremethode. Sie entfernt effektiv Oberflächeneisen und fördert gleichzeitig die Bildung der Oxidschicht; dadurch werden auch die Umweltauswirkungen der Passivierungsbehandlung reduziert.

Vor- und Nachteile der Passivierung

Die Passivierung ist eine chemische Behandlung, die auf fertige Metallbauteile angewendet wird, um Korrosion vorzubeugen. Sie wird am häufigsten mit Edelstahl in Verbindung gebracht und bietet zwar viele Vorteile, hat aber auch einige Nachteile.

Vorteile der Passivierung

Stärkerer Korrosionsschutz

Durch die Passivierung entsteht eine extrem dünne Schutzschicht auf der Oberfläche des behandelten Metalls. Diese Passivierungsschicht schützt vor Korrosion und verhindert, dass Feuchtigkeit und korrosive Stoffe (Chemikalien) das darunterliegende Metall erreichen.

Längere Lebensdauer der Teile

Passivierte Bauteile weisen im Allgemeinen eine längere Lebensdauer auf. Diese Bauteile widerstehen typischerweise den Belastungen durch extreme Umgebungsbedingungen und/oder korrosive Substanzen, die andernfalls Schäden verursachen würden.

Erhält die ursprünglichen Metalleigenschaften

Durch die Passivierung werden die intrinsischen Eigenschaften des Metalls nicht verändert. Festigkeit, Härte, elektrische Leitfähigkeit usw. bleiben daher unverändert. Das passivierte Bauteil weist jedoch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf.

Spart im Laufe der Zeit Geld

Wie bereits erwähnt, benötigen passivierte Bauteile aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und der Fähigkeit, ihre strukturelle Integrität über lange Zeiträume zu bewahren, weniger Wartung und Austausch. Der reduzierte Wartungs- und Austauschbedarf führt zu geringeren Ausfallzeiten und Kosteneinsparungen. Beispiele hierfür sind unter anderem Anlagen zur Lebensmittelverarbeitung, Produktionsanlagen für medizinische Geräte und verschiedene Arten von Industriemaschinen.

Nachteile der Passivierung

Erfordert sorgfältige Handhabung

Da die Passivierung eine präzise Kontrolle von Chemikalien, Temperatur und Zeit erfordert, kann die Behandlung großer und/oder komplexer Teile eine Herausforderung darstellen, wodurch es schwierig wird, eine gleichmäßige Abdeckung und eine konsistente Schutzschicht zu gewährleisten.

Behebt keine bestehenden Schäden

Durch Passivierung lassen sich bereits korrodierte oder beschädigte Bereiche nicht reparieren. Die Passivierung erzielt optimale Ergebnisse auf sauberen und vorbereiteten Oberflächen und beugt so zukünftiger Korrosion vor.

Funktioniert am besten auf bestimmten Metallen.

Die Passivierung ist besonders vorteilhaft bei Werkstoffen, die eine natürliche, schützende Oxidschicht bilden. Edelstahl beispielsweise bildet eine solche Oxidschicht. Fehlt einem Werkstoff diese Eigenschaft, kann eine Passivierungsbehandlung unter Umständen nicht die gewünschten Ergebnisse liefern.

Bewährte Verfahren für die Bauteilkonstruktion zur Passivierung

Das Hauptziel bei der Entwicklung von Bauteilen für die Passivierung ist die Gewährleistung einer gleichmäßigen und vorhersagbaren Ausbildung der Passivschicht. Einige wenige grundlegende Entscheidungen während der Bauteilentwicklung können die Ergebnisse deutlich verbessern.

Verwenden Sie Materialien, die mit der Passivierung kompatibel sind.

Werkstoffe wie Edelstahl eignen sich am besten, da sie von Natur aus eine Passivierungsschicht bilden. Die Verwendung von Werkstoffen, die keine Passivierungsschicht bilden, kann den gesamten Passivierungsprozess jedoch negativ beeinflussen.

Halten Sie die Formen einfach

Bauteile mit flachen, glatten Oberflächen lassen sich im Allgemeinen leichter chemisch behandeln als solche mit komplexen Geometrien oder Vertiefungen. Bauteile mit Löchern, scharfen Kanten oder anderen Merkmalen, in denen sich chemische Lösungen festsetzen könnten, bieten im Allgemeinen schlechte Bedingungen für die Passivierung.

Glatte Oberflächen

Chemikalien, die auf eine raue Oberfläche aufgetragen werden, bedecken nicht die gesamte Fläche. Zudem können sie nicht in die mikroskopisch kleinen Spalten einer rauen Oberfläche eindringen. Daher ist es entscheidend, dass alle Oberflächen glatt sind. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Eckenradius. Jede scharfe Kante erzeugt einen Bereich, den die chemische Lösung nicht erreichen kann, um eine Schutzschicht zu bilden. Durch leichtes Abrunden der Ecke kann die Lösung in diesen Bereich eindringen und beide Seiten der Ecke gleichmäßig beschichten. Dies sorgt für einen besseren Korrosionsschutz.

Abgerundete Ecken und Kanten

Es gibt verschiedene Schweißnahtkonfigurationen, darunter Kehl-, Stumpf- und Nutschweißungen. Alle diese Schweißnahtkonfigurationen bergen potenzielle Probleme für die Anwendung von Passivierungschemikalien. Wie bereits erwähnt, sind Fließwege erforderlich, damit die chemische Lösung alle Oberflächen erreichen und nach der Anwendung abfließen kann. Durch die Reduzierung der Schweißnahtanzahl oder die Gestaltung der Schweißnähte mit Fließwegen für die chemische Lösung lässt sich die Wahrscheinlichkeit verringern, dass die Lösung in der Schweißnaht eingeschlossen wird.

Für ausreichende Entwässerung und genügend Freiraum sorgen.

Die Bauteile müssen so konstruiert sein, dass alle Oberflächen mit Passivierungsflüssigkeiten versorgt werden und diese anschließend wieder abfließen können. Eingeschlossene Flüssigkeit verringert die Wirksamkeit der chemischen Behandlung und führt dazu, dass ungeschützte Oberflächen weiterer Korrosion ausgesetzt sind.

Grate und scharfe Kanten entfernen

Durch das Entfernen scharfer Kanten (Grate) wird verhindert, dass sich Schmutz oder Chemikalien festsetzen. Das Entfernen von Graten vor dem Auftragen einer chemischen Behandlung erhöht die Zuverlässigkeit der Behandlung und verlängert die Lebensdauer der Schutzbeschichtung.

Unterschied zwischen Passivierung und Anodisierung

Anodisieren und Passivieren Beide Verfahren bilden Schutzschichten für Metalle. Jedes Verfahren hat jedoch seine eigene, spezifische Vorgehensweise. Die Hauptfunktion von passivieren Die Oxidschicht dient der Behandlung der natürlich entstandenen Schutzschicht eines Metalls. Edelstahl wird am häufigsten mit dieser Methode behandelt, da sie die vorhandene (natürliche) Chromoxidschicht nutzt. Die Oberfläche wird mit einer schwachen Säure von Verunreinigungen und freiem Eisen gereinigt, um eine bessere Oxidbildung und erhöhte Korrosionsbeständigkeit zu fördern. 

Dieses Verfahren wird häufig bei Aluminiumteilen wie Smartphone-Gehäusen, Laptop-Rahmen, Fahrradkomponenten und architektonischen Fensterrahmen angewendet. 

Anodisieren wird hauptsächlich bei Aluminium angewendet. Es handelt sich um ein elektrochemisches Verfahren, bei dem durch Leiten eines elektrischen Stroms durch das Metall in einer sauren Lösung eine kontrollierte, dicke Oxidschicht erzeugt wird. Neben der Erhöhung der Oberflächenbeständigkeit können anodische Beschichtungen zur Verbesserung des Erscheinungsbildes eingefärbt werden. 

Die Passivierung wird häufig bei Edelstahlteilen wie chirurgischen Instrumenten, Ventilen für die Lebensmittelverarbeitung, Pumpen und Edelstahlbefestigungselementen angewendet, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beim Anodisieren eine dicke, schützende Oxidschicht auf Aluminium gebildet wird, die für ein ansprechendes Aussehen sorgt, während beim Passivieren die natürlich vorkommende Oxidschicht von Edelstahl geschützt und erhalten wird.

Passivierung mit Salpetersäure vs. Zitronensäure: Was ist der Unterschied?

In der Praxis, Salpetersäure passivation wird häufig für Edelstahlsorten wie z. B. verwendet 304 und 316 zur Verfügung auf Teilen wie Verbindungselemente für die Luft- und Raumfahrt, Ventilkörper und bearbeitete Fittings.

Sowohl Salpetersäure als auch Zitronensäure können zur Behandlung von Edelstählen verwendet werden und sind jeweils anerkannt durch ASTM A967 und AMS 2700. Diese Behandlungen wirken auf unterschiedliche Weise, und im Allgemeinen richtet sich die Auswahl nach der jeweiligen Edelstahlsorte, den erforderlichen Spezifikationen für dieses Metall und/oder zusätzlichen Überlegungen wie Abfallentsorgung und Sicherheit.

Zitronensäure wirkt anders: Sie nutzt Chelatbildung, um Eisen von der Oberfläche des Edelstahls zu entfernen, und gelösten Sauerstoff, um die Bildung einer stabilen Oxidschicht zu unterstützen. Zitronensäurepassivierung wird üblicherweise ausgewählt für medizinische Instrumente, Lebensmittelverarbeitungsanlagen und pharmazeutische Komponenten weil es sicherer zu handhaben ist und weniger gefährliche Abfälle produziert.

Es ist zu beachten, dass keine der beiden Säurebehandlungen an sich besser ist als die andere. Um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, ist es unerlässlich, alle Aspekte des Behandlungsprozesses – einschließlich der Zusammensetzung der Säurelösung, der Temperatur und der Behandlungsdauer – sorgfältig zu steuern und die geltenden Spezifikationen einzuhalten.

Vergleichstabelle

Wie man passivierte Metallteile bei Prolean Tech bestellt

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