Passivierung: korrosionsschutz durch oberflächenbehandlung

Passivierung bezeichnet in der Oberflächentechnik die spontane Entstehung oder gezielte Erzeugung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf einem metallischen Werkstoff, um die Sauerstoffkorrosion des Grundwerkstoffes zu verhindern oder stark zu verlangsamen. Enthält die Schutzschicht Chrom(VI), spricht man vom Chromatieren. Die Begriffe passivieren und chromatieren werden im Alltag nicht scharf voneinander abgegrenzt. Von der Passivierung zu unterscheiden ist hingegen die Phosphatierung, deren Verwendungszweck sich stark mit der Passivierung überschneidet.

Spontane Passivierung (Autopassivierung)

Die spontane Passivierung tritt ein, wenn blankes Metall Luft oder einer anderen korrosiven Umgebung ausgesetzt wird. Ob und wie schnell Korrosion auftritt, hängt stark von der chemischen Beschaffenheit des Metalls ab. Gold und Platin, als Edelmetalle bekannt, korrodieren nur sehr langsam. Im Gegensatz dazu zeigen unedlere Metalle wie Eisen, Zink und Aluminium eine Neigung zur Korrosion.

Ein bemerkenswertes Beispiel für eine solche Passivierungsschicht ist das Metall Chrom: Obwohl Chrom im chemischen Sinne unedler als Eisen ist, verhält es sich bei der Korrosion gegenüber Luft und Wasser fast wie ein Edelmetall. Dies zeigt sich beispielsweise bei verchromten Badezimmerarmaturen, die jahrzehntelang blank und glänzend bleiben. Eine sehr dünne, unsichtbare Oxidschicht (bei Chrom-Nickel-Stählen in der Größenordnung von \(10 \text{ nm}\), bei reinem Chrom ca. 5 Atomlagen) trennt das Metall von der Atmosphäre, sodass weitere Oxidation nur durch Diffusion durch die Oxidschicht möglich ist. Die passivierende Schicht behindert die Diffusion, sodass eine weitere Korrosion des Werkstoffs gestoppt wird.

Technische Bedeutung von Passivierungsverfahren

Rostfreie Stähle sind ein weiteres Beispiel für den Nutzen von Passivierungsschichten. Das enthaltene Chrom bildet ab \(10,5 \%\) Massenanteil eine Chromoxid-Schicht, wodurch weitere Oxidation verhindert wird. Wird diese Oxidschicht beschädigt, gelangt blankes Metall in Kontakt mit der Atmosphäre und es bildet sich automatisch eine neue passivierende Schicht, d. h., die Schicht ist selbstheilend.

Die technische Implementierung der Passivierung kann durch verschiedene Verfahren erfolgen:

Chemische Passivierung

Bei rostfreien Stählen mit einem Chromgehalt von mehr als \(12 \%\) kann die natürliche Passivschicht durch den Einsatz von speziellen Passiviersäuren wie Salpetersäure oder Zitronensäure deutlich verbessert werden. Diese Verfahren reduzieren freie Eisenanteile an der Oberfläche. Das verbleibende Chrom bildet durch Oxidation eine Passivschicht.

Eloxieren

Bei Aluminium ist es sinnvoll, die Entstehung einer Passivierungsschicht nicht dem Zufall zu überlassen, sondern diese technisch zu erzeugen. Man spricht in diesem Fall von Eloxieren. Hierbei wird eine schützende Oxidschicht erzeugt, welche neben dem verbesserten Korrosionsschutz auch als Haftgrund für nachfolgende Verfahrensschritte dienen kann.

Chromatieren

Das Verfahren der Chromatierung hat eine große technische Bedeutung erlangt. Es ermöglicht die Erzeugung einer passivierenden Schicht auf Zinkoberflächen, wodurch deren Korrosion (Weißrost) sehr lange hinausgezögert wird. Die entstehenden Farbtöne können variieren und umfassen schwach blau, gelb, schwarz, oliv oder transparent.

Herausforderungen und Alternativen

Die Verwendung von Chrom(VI)-haltigen Passivierungsschichten wurde aufgrund ihrer gesundheitlichen Risiken seit \(2007\) in der EU für den Automobilbau (PKW < 3,5 t) sowie bei Hausgeräten verboten. Daher wurden Alternativen entwickelt, die das weniger gefährliche Chrom(III) enthalten oder gänzlich chromfrei sind. Bei chromfreien Verfahren werden beispielsweise Behandlungslösungen verwendet, die komplexe Zirconium- oder Titanfluoride enthalten. Daraus entsteht dann eine Passivierungsschicht aus Titan- bzw. Zirconiumoxid. Nicht alle Alternativen erreichen die gleiche Korrosionsbeständigkeit wie die Chrom(VI)-haltigen Verfahren. Verbreitet als Alternative zu Chrom(VI)-oxid ist die Dickschichtpassivierung, die eine gute bis sehr gute Korrosionsbeständigkeit ermöglicht.

Silicium in der Halbleiterindustrie

In der Halbleiterindustrie ist Silicium ein häufig verwendeter Werkstoff, welcher schnell oxidiert und dabei einen Teil seiner gewünschten positiven elektrischen Eigenschaften verliert. Bisher verwendete man häufig Siliciumnitrid, um die Oberfläche zu passivieren. Dieser Prozess findet in einer Vakuumkammer statt, welche auf \(400 \text{ °C}\) aufgeheizt wird. Diese relativ hohe Temperatur führt dazu, dass nicht alle anderweitig geeigneten Materialien für den Passivierungsprozess infrage kommen und die Produkte relativ kostenintensiv hergestellt werden.

Wissenschaftler des MIT entwickeln derzeit ein neues Verfahren, das den Passivierungsprozess bei Raumtemperatur ermöglichen soll. Ebenfalls in einer Vakuumkammer wird über dem Silicium ein Heizdrahtgeflecht positioniert, welches auf ca. \(300 \text{ °C}\) aufgeheizt wird. Das innerhalb der Vakuumkammer eingebrachte Polymermaterial verdampft in der Nähe der Heizdrähte und kondensiert an der Oberfläche des Siliciums. Da das Silicium bei diesem Prozess selbst nicht über \(20 \text{ °C}\) erwärmt wird, soll sich bei der Herstellung von Solarzellen ein deutlich besserer Gesamtwirkungsgrad ergeben. Die Vorteile dieses Dampfphasenabscheidungsverfahrens sollen ein drastisch reduzierter Energieverbrauch, die Einsatzmöglichkeit verschiedenster Materialien zur Passivierung sowie eine deutliche Senkung der Produktionskosten sein.

Analyse der passivierbaren Schichten

Spontane Passivierungsschichten, oft auch native Oxidschichten genannt, können mit Hilfe oberflächenanalytischer Verfahren analysiert und vermessen werden. Ideal geeignet ist dazu die Photoelektronenspektroskopie (XPS, ESCA). Diese Verfahren erlauben es, die Stärke der Oxidschichten zu messen und ermöglichen so eine chemische Analyse der Passivierungsschicht auf einem Bauteil.

Das Pilling-Bedworth-Verhältnis kann genutzt werden, um zu berechnen, ob die Oxidschicht einen schützenden oder nichtschützenden Charakter besitzt.

Fazit

Die Passivierung stellt einen essenziellen Bestandteil moderner Oberflächentechniken dar und bietet vielfältige Lösungen zum Schutz metallischer Werkstoffe vor Korrosion unter unterschiedlichsten Bedingungen. Der kontinuierliche Fortschritt in diesem Bereich, sowohl in Bezug auf neue Materialien als auch innovative Prozesse, zeigt das Potenzial zur Verbesserung der Haltbarkeit sowie Funktionalität verschiedener Produkte über Jahre hinweg.

Was ist Passivierung?

Passivierung ist ein chemischer Prozess, bei dem eine Schutzschicht auf der Oberfläche eines Materials gebildet wird, um Korrosion zu verhindern.

Wie funktioniert die Passivierung?

Die Passivierung funktioniert durch die Bildung einer dünnen, stabilen Oxidschicht auf der Oberfläche, die das Metall vor weiterem Oxidationsangriff schützt.

Welche Materialien können passiviert werden?

In der Regel können Edelstahl, Aluminium und andere reaktive Metalle passiviert werden.

Welche Chemikalien werden häufig zur Passivierung verwendet?

Häufig verwendete Chemikalien zur Passivierung sind Nitriersäure, Phosphorsäure und Chromsäure.

Ist die Passivierung bei allen Anwendungen notwendig?

Nicht alle Anwendungen erfordern Passivierung, aber sie ist wichtig, wenn das Material aggressiven Umgebungen ausgesetzt ist.

Passivierung: Ein Prozess, der dazu dient, eine schützende Schicht auf Metallen oder Legierungen zu bilden.
Korrosionsschutz: Maßnahmen, die ergriffen werden, um Materialien vor Korrosion zu schützen.
Oxidschicht: Eine dünne Schicht, die entsteht, wenn ein Metall mit Sauerstoff reagiert.
Chemische Passivierung: Behandlung von Metallen mit bestimmten Chemikalien zur Bildung einer stabileren Schicht.
Salpetersäure: Eine chemische Verbindung, die häufig in Passivierungsprozessen verwendet wird.
Eisen(III)-oxid: Eine Verbindung, die als schützende Schicht bei der Passivierung von Stahl dient.
Chrom: Ein chemisches Element, das eine wichtige Rolle bei der Passivierung von Edelstahl spielt.
Anodisierung: Ein elektrochemischer Prozess, um die Oxidschicht auf Aluminium zu verstärken.
Aluminiumoxid: Die Verbindung, die bei der Anodisierung von Aluminium entsteht und Korrosion widersteht.
Reaktionsgleichung: Eine chemische Gleichung, die zeigt, wie Reaktanten in Produkte umgewandelt werden.
Elektrochemie: Das Teilgebiet der Chemie, das sich mit den chemischen Reaktionen befasst, die durch elektrischen Strom verursacht werden.
Batterien: Geräte zur Speicherung von elektrischer Energie, die auf Passivierungsprozesse angewiesen sein können.
Brennstoffzellen: Technologien, die chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln und von Passivierung profitieren.
Materialwissenschaft: Ein interdisziplinäres Feld, das sich mit der Erforschung und Entwicklung von Materialien beschäftigt.
Nanotechnologie: Die Wissenschaft, die sich mit der Manipulation von Materie auf molekularer und atomarer Ebene beschäftigt.
Umweltfreundliche Passivierungsstoffe: Materialien, die zur Passivierung verwendet werden und weniger schädlich für die Umwelt sind.

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