Kluthe Magazin
« Korrosionsschutz für eine lange Lebensdauer von Bauteilen »
Abhängig vom Chromgehalt weist Edelstahl von Natur aus eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf als viele andere Metalle. Dennoch ist er nicht gänzlich vor Korrosion gefeit. Insbesondere Rost kann Schäden verursachen, die nicht nur optisch, sondern auch substanziell ein Problem darstellen. Verbessern lässt sich der Korrosionsschutz durch das Passivieren von Edelstahl. Dieses Verfahren optimiert die natürliche Oxidschicht des Metalls und senkt damit seine Anfälligkeit gegen korrosive Umgebungen und chemische Angriffe.
Warum sollten Bauteile aus Edelstahl passiviert werden?
Die Korrosionsbeständigkeit nicht rostender Stähle beruht auf einer Passivschicht, welche die Oberfläche vollständig bedeckt. Sie besteht überwiegend aus Chromoxid und bildet sich auf natürliche Weise unter Einfluss von Luftsauerstoff. Solange sie intakt ist, dient sie als schützende Barriere zwischen dem Metall und seiner Umgebung.
Obwohl die natürlichen Passivierungsschichten mikroskopisch dünn sind, benötigen sie mehrere Tage bis Wochen, um sich komplett auszubilden. Während dieser Zeit kann das Grundmaterial mit Luftschadstoffen reagieren. Das lässt sich darauf zurückführen, dass Wassermoleküle im Bereich von Korngrenzen und Fremdkörpern einen Teil des im Stahl enthaltenen Eisens oxidieren können. Dieser als Rouging (aus dem Französischen für “rot”) bezeichnete Vorgang erzeugt auf den Oberflächen der Bauteile eine rote bis rotbraune Schicht, die nicht nur unschön aussieht, sondern auch eine Angriffsfläche für einen späteren Korrosionsangriff darstellt.
Durch das Passivieren von Edelstahl wird der Aufbau der Passivierungsschichten beschleunigt und die natürliche Oxidschicht der Bauteile-Oberflächen verstärkt. Damit trägt das Verfahren maßgeblich zur Funktionalität und Lebensdauer von Edelstahlprodukten bei.
Wo kommt das Passivieren von Edelstahl zum Einsatz?
In vielen Anwendungsbereichen sind passivierte Edelstahloberflächen obligatorisch, um die erforderlichen Standards erfüllen zu können. In der Medizintechnik sorgt die Passivierung dafür, dass chirurgische Instrumente, medizinische Geräte sowie Implantate korrosionsbeständig und zuverlässig biokompatibel bleiben. Auch in der Pharmazie müssen produktberührende Bauteile, Anlagen und Ausrüstungen absolut passiv sein. Im Chemieanlagenbau werden Behälter, Rohrleitungen und Apparaturen passiviert, die aggressiven chemischen Einflüssen unterliegen.
In der Automobilindustrie werden Fahrzeugteile behandelt, die unterschiedlichsten Witterungseinflüssen ausgesetzt sind. Besonders belastete Bauteile in der Luft- und Raumfahrt müssen diesen Prozess ebenfalls durchlaufen. In der Energietechnik gehört das Passivieren von Edelstahl zum Standard, wenn Bauteile und Anlagen vor hohen Temperaturen und aggressiven Umgebungen geschützt werden müssen. Darüber hinaus ist eine Passivierung unerlässlich für Komponenten, die in der Wasserverteilung und -aufbereitung oder in der Luftreinhaltung zum Einsatz kommen.
In der Lebensmittelindustrie werden Ausrüstungen, Anlagen und Rohrleitungen einer Passivierung unterzogen, um hygienische Standards in der Produktion zu erfüllen. Weitere Einsatzgebiete sind die Haushaltsindustrie, wo beispielsweise Edelstahlverkleidungen und Komponenten von Geschirrspülern und Kühlschränken passiviert werden, und die Elektroindustrie, wo auf diese Weise die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen wie Gehäusen und Halterungen in elektronischen Geräten erhöht wird.
Wie funktioniert das Passivierungsverfahren?
Beim Passivieren handelt es sich um ein nicht elektrolytisches Verfahren, das aus mehreren Schritten besteht. Zunächst wird der Stahl von Eisenpartikeln und Fremdstoffen befreit, da sich die schützenden Konversionsschichten nur auf metallisch reinen Oberflächen ausbilden. Anschließend werden die Bauteile durch Eintauchen chemisch behandelt. Dabei können je nach Edelstahlsorte verschiedene Säuren zur Anwendung kommen.
Passivieren mit Salpetersäure
Der Einsatz von Salpetersäure lässt sich bis in die Mitte des 18. Jahrhunderts zurückverfolgen. Heute ist es das gängigste Verfahren zum Passivieren von Edelstahl. Das liegt nicht zuletzt daran, dass es mit unterschiedlichsten Edelstahllegierungen kompatibel ist. Die starke Mineralsäure ist in der Lage, sämtliche Spuren von Eisen und anderen Metallen auf der Edelstahloberfläche zu eliminieren. Zugleich aktiviert Salpetersäure den passiven Chromoxidfilm. Der Nachteil liegt darin, dass es sich um eine gefährliche Chemikalie handelt, die ein hohes Sicherheitsrisiko für die Mitarbeiter und die Umwelt bedeutet.
Passivieren mit Salpetersäure und Natriumdichromat
Das Hinzufügen von Natriumdichromat zur Salpetersäurelösung erhöht deren Oxidationsfähigkeit und bewirkt eine höhere Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls. Ferner verringert die Zugabe von Natriumdichromat das Risiko des sogenannten Blitzschlages. Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, das eine matte, dunkle Metalloberfläche zur Folge hat. Außerdem ist die Technik weniger beliebt, da sie das Salpetersäurebad ein Stück weit unsicherer macht.
Passivieren mit Zitronensäure
Das Passivieren mit Zitronensäure wurde erst in den 1990er Jahren eingeführt. Durch das Eintauchen von Edelstahlkomponenten in ein Zitronensäurebad wird freies Eisen entfernt und eine dünne inerte Konversionsschicht auf der Metalloberfläche erzeugt. Zitronensäure ist im Gegensatz zu Salpetersäure sehr sicher in der Anwendung und der Passivierungsvorgang im Allgemeinen umweltfreundlich. Überdies ist dieses Passivierungsverfahren für fast alle Edelstahlsorten einsetzbar.
Die Edelstahlpassivierung findet bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 60 °C statt. Sie dauert in aller Regel mindestens 20 bis 30 Minuten. Danach folgt die Neutralisierung in einem Bad aus wässriger Natriumhydroxidlösung. Abschließend werden die Bauteile gründlich mit klarem Wasser abgespült und getrocknet, um das Ausbilden der Oxidschicht zu fördern.
Eine Ausnahme bildet martensitischer nicht-rostender Stahl. Dieser lässt sich nur schwer passivieren, weil sich in einem herkömmlichen Säurebad auf seiner Oberfläche mikroskopische Diskontinuitäten bilden können. Um dennoch schützende Konversionsschichten erzeugen zu können, haben verschiedene Hersteller spezifische Passivierungsverfahren entwickelt.
Praktische Durchführung: Edelstahl passivieren mit Zitronensäure – Schritt für Schritt
Wer Edelstahl passivieren möchte, kann dies mit Zitronensäure in einem klar strukturierten Verfahren durchführen. Die Anleitung umfasst mehrere aufeinanderfolgende Schritte, die jeweils sorgfältig ausgeführt werden müssen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Zunächst werden die Bauteile gründlich gereinigt und entfettet, um sicherzustellen, dass keine Verunreinigungen die Ausbildung der Passivierungsschichten behindern. Anschließend erfolgt die Vorbereitung des Zitronensäurebads. Die Konzentration liegt typischerweise zwischen 4 und 10 Gewichtsprozent, abhängig von der Edelstahlsorte und den spezifischen Anforderungen. Austenitische Stähle benötigen in der Regel Konzentrationen um 4 bis 6 Prozent, während ferritische Sorten höhere Konzentrationen erfordern können.
Die Badtemperatur beim Passivieren mit Zitronensäure bewegt sich zwischen 20 und 60 Grad Celsius. Höhere Temperaturen beschleunigen den Prozess, erfordern jedoch eine präzisere Kontrolle. Die Einwirkzeit variiert zwischen 20 und 60 Minuten. Während dieser Zeit werden freie Eisenpartikel von der Oberfläche entfernt und die schützende Oxidschicht verstärkt. Nach Ablauf der Behandlungszeit werden die Bauteile aus dem Bad entnommen und mehrfach mit entmineralisiertem Wasser gespült. Dieser Spülvorgang ist entscheidend, um Säurerückstände vollständig zu beseitigen. Abschließend erfolgt die Trocknung, idealerweise bei erhöhter Temperatur oder mittels ölfreier Druckluft.
Bei der praktischen Durchführung ist auf angemessene Sicherheitsmaßnahmen zu achten. Obwohl Zitronensäure deutlich weniger gefährlich ist als Salpetersäure, sollten Schutzbrille, säurebeständige Handschuhe und geeignete Arbeitskleidung getragen werden. Der Arbeitsbereich muss ausreichend belüftet sein. Für größere Bauteile oder komplexe Geometrien kann das Sprühverfahren eine Alternative zum Tauchbad darstellen. Hierbei wird die Zitronensäurelösung gleichmäßig auf die Oberfläche aufgetragen und nach entsprechender Einwirkzeit abgespült.
Qualitätskontrolle: So überprüfen Sie eine erfolgreiche Passivierung
Nach dem Passivieren von Edelstahl ist eine Qualitätskontrolle unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Passivierungsschichten vollständig ausgebildet sind und die gewünschte Korrosionsbeständigkeit erreicht wurde. Verschiedene Prüfverfahren stehen zur Verfügung, um die Qualität der Behandlung zu bewerten.
Der Kupfersulfat-Test nach ASTM A380 ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Überprüfung passivierter Oberflächen. Bei dieser Methode wird eine Kupfersulfatlösung auf die behandelte Fläche aufgetragen. Auf einer korrekt passivierten Oberfläche schlägt sich kein metallisches Kupfer nieder, da die intakte Oxidschicht den direkten Kontakt zwischen Lösung und Eisen verhindert. Zeigen sich hingegen kupferfarbene Ablagerungen, deutet dies auf freies Eisen hin, und die Passivierung muss wiederholt werden. Der Test sollte nach einer Wartezeit von mindestens 24 Stunden nach der Behandlung durchgeführt werden, um der Passivschicht ausreichend Zeit zur vollständigen Ausbildung zu geben.
Die visuelle Prüfung bildet einen weiteren wichtigen Bestandteil der Qualitätssicherung. Eine erfolgreich passivierte Oberfläche weist eine gleichmäßige, metallisch blanke Erscheinung auf, frei von Verfärbungen, Flecken oder Anlauffarben. Rötliche oder bräunliche Verfärbungen sind Anzeichen für verbliebene Eisenverunreinigungen und erfordern eine erneute Behandlung. Bei hochglanzpolierten Oberflächen darf die Passivierung den Glanzgrad nicht beeinträchtigen.
Für anspruchsvolle Anwendungen in der Medizintechnik oder Pharmazie kommen zusätzliche elektrochemische Prüfverfahren zum Einsatz. Diese messen das Korrosionspotenzial der Oberfläche und geben präzise Auskunft über die Qualität der Passivschicht. Salzsprühtests nach DIN EN ISO 9227 simulieren korrosive Umgebungen über längere Zeiträume und bewerten die Langzeitbeständigkeit der Passivierung. Sollte eine Nachbehandlung erforderlich sein, wird zunächst die Ursache für die unzureichende Passivierung ermittelt. Häufige Gründe sind eine zu kurze Einwirkzeit, unzureichende Vorreinigung oder eine zu niedrige Konzentration der Passivierungslösung. Nach Korrektur dieser Parameter kann das Passivieren von Edelstahl wiederholt werden.
Temporärer Blankkorrosionsschutz schützt Edelstahl bei Lagerung und Transport
Neben dem dauerhaften Passivieren von Edelstahl gibt es die vorübergehende Passivierung, auch als temporärer Blankkorrosionsschutz bezeichnet. Dieser nutzt sich im Laufe der Zeit ab und muss daher regelmäßig erneuert werden, um die Korrosionsbeständigkeit kontinuierlich zu gewährleisten. Wie lange die Konversionsschichten bestehen bleiben, hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von:
- der Edelstahlsorte und ihren spezifischen Eigenschaften,
- den Umgebungsbedingungen (z. B. Feuchtigkeit, Temperatur, Exposition gegenüber korrosiven Substanzen) und
- der Art und Spezifikationen des verwendeten Passivierungsproduktes
Einige der vorübergehenden Passivierungsschichten halten nur wenige Stunden, während manche unter optimalen Bedingungen zwei Jahre und länger wirksam sein können. Aufgrund seiner Endlichkeit eignet sich ein temporärer Blankkorrosionsschutz in erster Linie zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bei der Zwischenlagerung vor der Weiterbearbeitung oder als Transportschutz.
Der temporäre Korrosionsschutz wird erzielt, indem Edelstahl in eine Passivierungslösung getaucht oder im Spritzverfahren damit behandelt wird. Die Anwendungstemperatur liegt dabei zwischen 25 und 85 °C. Zudem lässt sich diese Form des Passivierens in Abschreckbädern mit erhöhter Temperatur durchführen.
Unterschied zwischen Passivieren und Beizen von Edelstahl
Häufig herrscht Unklarheit über die Unterschiede zwischen dem Passivieren und dem Beizen von Edelstahl. Obwohl beide Verfahren mit Säuren arbeiten und die Oberflächeneigenschaften verändern, verfolgen sie unterschiedliche Ziele und werden zu verschiedenen Zeitpunkten in der Fertigung eingesetzt.
Beim Beizen handelt es sich um einen aggressiveren Prozess, der darauf abzielt, Oxidschichten, Zunder, Schweißverfärbungen und andere fest haftende Verunreinigungen von der Metalloberfläche zu entfernen. Typischerweise kommen hierfür Salpetersäure in Kombination mit Flusssäure zum Einsatz. Das Beizen wird nach mechanischen Bearbeitungen wie Schweißen, Warmumformung oder Wärmebehandlung angewendet, wenn sich dickere Oxidschichten gebildet haben. Der Prozess trägt eine dünne Schicht des Grundmaterials ab und legt eine frische, metallisch reine Oberfläche frei.
Das Passivieren hingegen ist ein milderer chemischer Prozess, der die bereits vorhandene natürliche Oxidschicht des Edelstahls verstärkt und optimiert. Es werden lediglich freie Eisenpartikel und lose Verunreinigungen entfernt, ohne dass nennenswerte Mengen des Grundmaterials abgetragen werden. Die Behandlung beschleunigt die Bildung einer dichten, homogenen Chromoxidschicht, die vor Korrosion schützt. Während das Beizen die Oberfläche mattiert, verändert das Passivieren das optische Erscheinungsbild kaum.
In der industriellen Praxis werden beide Verfahren häufig nacheinander eingesetzt. Nach schweißintensiven Arbeiten wird zunächst gebeizt, um Anlauffarben und Oxide zu beseitigen. Anschließend erfolgt die Passivierung, um die optimale Korrosionsbeständigkeit herzustellen. Diese Kombination ist besonders bei Bauteilen üblich, die höchsten hygienischen Anforderungen genügen müssen, etwa in der Pharmazie oder Lebensmittelverarbeitung. Für die Behandlung von Stahl ohne oder mit geringem Chromgehalt gelten andere Anforderungen als beim Passivieren von Edelstahl. Unlegierte Stähle bilden keine stabilen Chromoxidschichten aus und benötigen alternative Korrosionsschutzverfahren wie Phosphatierung oder organische Beschichtungen.
Passivierung auch chromatfrei realisierbar
Herkömmliche Chrom(VI)-Passivierungen können zu umweltrelevanten und gesundheitlichen Gefährdungen führen. Mittlerweile gibt es aber Alternativen, die den Passivierungsvorgang umweltfreundlicher gestalten und zugleich das Recyceln der beschichteten Komponenten erleichtern. Ob sich das Passivieren chromatfrei durchführen lässt, hängt davon ab, welche Eigenschaften der Edelstahl letztlich aufweisen soll. Zum einen können chromfreie Passivierungen hinsichtlich Korrosionsschutz und Temperaturbeständigkeit weniger effektiv sein als chromhaltige. Zum anderen bedeutet chromatfrei in vielen Fällen auch teurer. Dadurch können die Gesamtkosten des Passivierungsprozesses steigen. Ferner weisen einige chromfreie Passivierungen eine geringere Lagerbeständigkeit auf als chromhaltige und müssen daher öfter erneuert werden, um einen unterbrechungsfreien Schutz sicherzustellen. Aus Umweltsicht überwiegen die Vorteile chromatfreier Passivierungslösungen oftmals die Nachteile, insbesondere die Verringerung der Umweltbelastung und die erleichterte Einhaltung der Umweltvorschriften. Wir von Kluthe empfehlen daher eine umfassende Beratung durch unsere Experten, um das bestgeeignete Passivierungprodukt für die jeweiligen Anforderungen zu finden.
