Anlassfarben auf Edelstahl

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Manche Mineralien in der Natur bestechen durch ihre schöne, irisierende Oberfläche. Auch bei Metalloberflächen kann man diesen Effekt beobachten – der in der industriellen Metallbearbeitung in manchen Fällen erwünscht, in anderen unerwünscht ist. Doch wie entstehen diese bunten Farben und wie kann man das umgangssprachlich auch als „Anlaufen“ bekannte Phänomen von Metallen verhindern?

Was sind Anlass- oder Anlauffarben?

In der Natur kann man bunt schillernde Mineralien, wie beispielsweise den Bunt- oder Kupferkies, bewundern. Je nach Lichteinfall schillern diese Steine in allen möglichen Regenbogenfarben und erinnern dabei an den irisierenden Film, der sich auch auf einer Ölpfütze oder auf Seifenblasen bildet. Diese Farbgebung entsteht durch sehr dünne, transparente Oxidschichten, die sich an der Oberfläche von Mineralien und auch Metallen bilden können. Diese sogenannten Interferenzfarben kommen durch Überlagerung von Lichtstrahlen zustande, die an den dünnen Schichten gebrochen bzw. reflektiert werden. Je nach Dicke der Schicht werden sie unterschiedlich stark gebrochen und vom menschlichen Auge als unterschiedliche Farben wahrgenommen.

Wie entstehen Anlassfarben?

In der Natur entstehen Anlass- beziehungsweise Anlauffarben auf Mineralien, deren Oberfläche durch Luftsauerstoff leicht oxidierbar sind. Dazu gehören Kupfer- oder Eisen enthaltende Mineralien, wie Buntkupferkies oder Hämatit. In der Metallverarbeitung entstehen Anlassfarben teils erwünscht, wenn ein Metall eine bestimmte Farbe erhalten soll. Manche Metalloberflächen werden dadurch veredelt und erhalten erst eine bestimmte Farbe. So erhält Titan durch Anodisieren, dem gezielten Erzeugen einer Oxidschicht, den gewünschten Farbton. Dieser kann von goldfarben über blau und lila bis zu grün reichen, was in der Uhren- und Schmuckindustrie ausgenutzt wird. In der Stahlverarbeitung wird das sogenannte Anlassen genutzt, um die Eigenschaften des Stahls, wie Härte und Zähigkeit zu verändern und innere Spannungen abzubauen. Bei anderen Metallbearbeitungsverfahren, wie dem Schweißen, ist die Bildung einer Oxidschicht unerwünscht und man versucht, deren Entstehung zu verhindern.

Temperatur und Einwirkdauer beeinflussen die Anlassfarbe

Bei Titan, Edelstahl und jedem anderen Metall bestimmt die Dicke der Oxidschicht die Farbe der Oberfläche. Beim Erhitzen diffundiert Sauerstoff in die oberen Metallschichten ein und die Farbgebung hängt davon ab, wie tief dieser in die Oberflächenschicht eindringt. Die Eindringtiefe hängt wiederum von der Temperatur und der Einwirkdauer ab. Umgekehrt kann man von der Farbgebung des Metalls auf die Dicke der Oxidschicht schließen. So deutet ein blassgelber Farbton auf Edelstahl auf eine dünne Oxidschicht hin und die Bearbeitung erfolgte um die 200°C. Generell verläuft die Farbpalette von hellgelb über rot bis nach blau und schließlich schwarz, wobei schwarze Schichten als Zunder bezeichnet werden. Auch mehrere Farben können nebeneinander vorkommen, wie man es beispielsweise bei Schweißnähten beobachten kann.

Welche Werkstoffe sind besonders betroffen?

Generell kann bei allen Metallen eine Oxidschicht entstehen. Bei einigen erst bei Erwärmung, bei anderen an der Luft. Das „Anlaufen“ von Silber oder Metall zeigt auf, dass der Vorgang an sich im Alltag auch bekannt ist. Wobei im Fall von Silber die schwarze Schicht nicht durch Luftsauerstoff entsteht, sondern durch Schwefelwasserstoff, das mit Silber zu Silbersulfid reagiert. Aber auch dieser dünne Überzug zeigt bei genauer Betrachtung eine leicht irisierende Farbgebung. In einigen Fällen, wie bei Titan, ist die bei der Oxidation entstehende Farbgebung erwünscht, in anderen Fällen nicht. Anlassfarben auf Edelstahl sind, vor allem wenn sie an Schweißnähten vorkommen, generell unerwünscht, da sie die Korrosionsbeständigkeit, eine der wichtigsten Eigenschaften des Edelstahls, negativ beeinflussen.

Woher kommt die Korrosionsbeständigkeit und weshalb sind Anlassfarben auf Edelstahl zu vermeiden?

Korrosionsbeständige Stähle enthalten in der Regel einen Mindestanteil von 11% Chrom, der mit Luftsauerstoff reagiert und eine dünne, festhaftende Chromoxidschicht bildet. Dieser als Passivierung bezeichnete Prozess verhindert eine weitere Oxidation des darunterliegenden Stahls. Außerdem erneuert sich die Passivschicht auch bei Beschädigung oder Zerstörung der Oberfläche wieder, vorausgesetzt es steht genug Sauerstoff zur Verfügung und es sind keine weiteren Beläge an der Oberfläche, die die Ausbildung der Schicht stören.

Anlassfarben, die sich auf Edelstahl bilden, können dieses empfindliche Gleichgewicht stören. Chrom reagiert leichter mit dem in die tieferen Schichten diffundierenden Sauerstoff. Die Oberfläche „verarmt“ an Chrom und die Ausbildung der schützenden Chromoxidschicht ist nicht mehr gewährleistet. An dieser Stelle kann Lochkorrosion auftreten und sich im Werkstoffinneren fortsetzen zu kavernenartigen Aushöhlungen. Der Werkstoff ist irreparabel beschädigt. Haben sich Anlassfarben auf Edelstahl gebildet, müssen diese entfernt, einzig sehr helle Verfärbungen können in den meisten Fällen toleriert werden.

Für die Entfernung von Anlassfarben auf Edelstahl stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung

Die einfachste Möglichkeit – mechanisch

Die mechanische Entfernung von Anlauffarben auf Edelstahl erfolgt durch Bürsten, Schleifen oder Strahlen. Wichtig ist, wie bei allen Behandlungsmethoden auch, vorherige gute Reinigung und vollständiges Entfetten. Soll eine geringe Schicht auf dem Metall entfernt werden, reicht Bürsten im Allgemeinen aus. Allerdings ist zu beachten, dass, je nach Werkstück und Geometrie, nicht alle Stellen erreicht werden können. Alternativ kann man Anlassfarben auf Metall durch Schleifen entfernen. Hier sollte man darauf achten, dass es beim Bearbeiten nicht zu einer örtlichen Überhitzung kommt und sich dadurch wieder neue Oxidschichten bilden, die die Bildung der Passivschicht verhindern. Der Schleifvorgang sollte außerdem sowohl in mehreren Schritten wie auch mit unterschiedlichen Körnungen – von grob nach fein – durchgeführt werden. Vor allem im industriellen Maßstab hat sich unter den mechanischen Bearbeitungsmethoden das Strahlen durchgesetzt. Es entfernt auch festhaftende Anlassfarben und sorgt gleichzeitig für eine vorteilhafte, weil gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit.

Entfernen mit Chemie

Das Beizen ist die chemische Variante, um Anlassfarben zu entfernen. Dabei wird mit einer Säure, im Fall nichtrostender Stähle zum Beispiel einer Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure, behandelt. Neben dem Tauchbeizen, bei dem das Werkstück in ein Bad getaucht wird und das vor allem für kleinere bis mittelgroße Bauteile geeignet ist, kann man Beizpasten oder Beizgels lokal auftragen und dadurch entstandene Anlauffarben entfernen. Für sehr große oder komplexe Bauteile wird das Sprühbeizen eingesetzt.

Oft werden auch beide Verfahren hintereinander genutzt und einer mechanischen Behandlung folgt das Beizen.

Glatte Oberflächen auf Edelstahl – die dritte Variante

Eine dritte Möglichkeit ist die elektrochemische Behandlung: das „Elektropolieren“ oder „anodische Beizen“. Das Prinzip entspricht dem umgekehrten Galvanisieren: das Werkstück wird in ein Elektropolierbad getaucht, im Gleichstrom als Anode geschaltet und auf der Oberfläche wird das Metall elektrochemisch aufgelöst. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass eine sehr saubere und spannungsfreie Fläche entsteht.

Vermeiden ist die beste Strategie

Die beste Möglichkeit, Anlauffarben zu entfernen, ist sie gar nicht erst entstehen zu lassen. Das Schweißen unter Schutzgasatmosphäre wird als Formieren bezeichnet und kann die Bildung von Anlassfarben effektiv verhindern. Dabei werden entweder inerte Gase, wie Argon oder Stickstoff eingesetzt oder Gemische aus Argon-Wasserstoff beziehungsweise Stickstoff-Wasserstoff. In diesen Gemischen wird die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs ausgenutzt, der bei entsprechend hohen Temperaturen bereits entstandene Metalloxide reduzieren und zweitens mit noch vorhandenem Restsauerstoff zu Wasser reagieren kann. Die Auswahl des geeigneten Gasgemisches hängt dabei vor allem vom zu bearbeitenden Werkstoff ab.