Passivieren

Unter Passivierung versteht man in der Oberflächentechnik die Entstehung oder Erzeugung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf einem metallischen Werkstoff, welche die Korrosion des Grundwerkstoffes verhindert oder verlangsamt. Die aktive, reaktionsfreudige Schicht wird passiv (passiviert)
Zuvor muss das Werkstück evtl. entzundert, gebeizt und gereinigt werden

Spontane Passivierung
Wird blankes Metall der Luft oder einer anderen korrosiven Umgebung ausgesetzt, dann hängt es vom Metall ab, ob es zur Korrosion kommt. Gold und Platin sind -als Edelmetalle- vor Korrosion geschützt. Die unedleren Metalle wie Eisen, Zink und Aluminium haben eine Neigung zur Korrosion. Ob und wie schnell es zur Korrosion kommt, hängt auch von der möglichen „spontanen“ Entstehung einer Passivierungsschicht ab.
Ein gutes Beispiel für eine solche spontane Passivierungsschicht ist Chrom: Obwohl Chrom im chemischen Sinne unedler als Eisen ist, verhält es sich bei der Korrosion gegenüber Luft und Wasser fast wie ein Edelmetall. Eine sehr dünne, unsichtbare Oxidschicht (bei reinem Chrom in der Größenordnung von 1nm = ca. 5 Atomlagen!!) trennt das Metall von der Atmosphäre, so dass weitere Oxidation nur durch Diffusion durch die Oxidschicht möglich ist. Die passive Schicht behindert die Diffusion, so dass eine weitere Korrosion des Werkstoffs gestoppt wird.

Nichtrostende Stähle
Ein weiteres Beispiel für dieses Phänomen ist rostfreier Stahl: Sofern die metallisch blanke Oberfläche Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird, die ausreichend Sauerstoff enthalten, bildet das enthaltene Chrom (Massenanteile Cr> 11 %; C< 1,2 %), eine Chromoxid-Schicht (bei Cr-Ni-Stählen in der Größenordnung von 10nm = ca. 50 Atomlagen), wodurch weitere Oxidation verhindert wird. Wird diese Oxidschicht beschädigt und gelangt blankes Metall in Kontakt mit der Atmosphäre, so bildet sich automatisch eine neue passivierende Schicht sofern die Bildung nicht durch andere Oberflächenbeläge gestört wird und ausreichendes Sauerstoffangebot vorhanden ist, d. h. die Schicht ist selbstheilend. Mit der Zeit nimmt die Dicke dieser Schicht zu.
Bei nichtrostenden Stählen kann die Oberfläche lokal dort aktiv werden, wo der Sauerstoffzutritt unterbunden ist, z. B. bei mechanischen Verbindungen, in unzugänglichen Ecken oder fehlerhaften Schweißnähten oder unter Wasser. Lokalkorrosion in Form von Lochfraß oder Spaltkorrosion kann dann die Folge sein.

Die natürliche Passivschicht des nichtrostenden Stahls unterscheidet sich grundsätzlich von Anlauffarben und Zunder, wie sie unter Wärmeeinfluss entstehen können. Wird der Stahl erhitzt, wird die transparente Passivschicht zunehmend dicker und bildet zunächst Anlauffarben, dann Zunder. Diese nunmehr sichtbaren Oxidschichten bedeuten in der Regel eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit bei Raumtemperatur.
Bauteile (Auspuffkrümmer), die in Werkstoff und Konstruktion auf Hochtemperaturanwendungen ausgelegt sind, nutzen die Bildung derartiger – dann allerdings besonders widerstandsfähiger – Oxidschichten gezielt aus, um Hochtemperaturbeständigkeit zu erzielen. Demgegenüber beruht bei Teilen, die bei Umgebungstemperatur eingesetzt werden, die Korrosionsbeständigkeit auf der dünnen, transparenten Passivschicht.

Andere Metalle
Auch Aluminium, Nickel, Titan, Blei, Zink und Silicium bilden Passivschichten.

Das bekannteste Beispiel, bei dem es nicht zur spontanen Passivierung kommt, ist normaler Stahl. Die Korrosionsschicht - der Rost - besteht aus einer schnell anwachsenden Schicht aus Eisenoxid, welche das weitere Fortschreiten der Korrosion nicht verlangsamt.


Passivierungsverfahren
Nichtrostender Stahl, der aus dem seriösen Handel bezogen wird, ist im Lieferzustand vollständig passiv. Bei manchen Metallen und bei nichtrostenden Stahlteilen mit komplexer Geometrie ist es sinnvoll, die Entstehung einer Passivierungsschicht durch ein definierte Verfahren, z.B. durch Oxidationsmittel, technisch zu unterstützen. Salpetersäure ist hierfür besonders geeignet und wird in handelsüblichen Passivierungslösungen verwendet. Auch schwächere Säuren wie Zitronensäure können die Bildung der Passivschicht fördern. Die Säurepassivierung sollte aber eher als Ausnahme denn als Regel betrachtet werden.
Bevor die Passivierung durchgeführt wird, ist besonders darauf zu achten, dass
-- die Stahloberflächen zunderfrei sind,
-- Oberflächenschichten, die aufgrund der Bildung von Anlauffarben oder Oxiden chromverarmt sind, durch Beizen entfernt wurden,
-- die Oberflächen sauber sind (frei von organischen Verschmutzungen, Schmiermitteln, Ölen und Fetten),
weil die Behandlung ansonsten nicht durchgängig wirksam ist.

Im Unterschied zum Beizen trägt die Passivierungsbehandlung kein Material ab. Beschaffenheit und Dicke der Passivschicht werden gezielt optimiert. Beizen und Passivieren erfolgen nicht gleichzeitig, sondern nacheinander durch getrennte Säurebehandlungen. Die zum Passivieren verwendete Salpetersäure übt auf nichtrostenden Stahl nur geringe Beizwirkung aus.

Passivierungsschichten auf Magnesium, Silber, Zink und Cadmium lassen sich durch das Verfahren der Chromatierung erzeugen, welche neben dem verbesserten Korrosionsschutz auch als Haftgrund für nachfolgende Verfahrensschritte, als Anlaufschutz (Silber), als Schutz gegen Fingerabdrücke oder zur Veränderung des Aussehens (Glanz, Farbton) dienen kann. (Link: Chromatieren)

Eine große technische Bedeutung hat die Chromatierung von Zinkschichten erlangt.  (Link: Chromatieren)

Bei Aluminium nennt sich der Vorgang der Passivierung „eloxieren“ und erfolgt durch elektrochemische Oxidation. .

Links:
Fremdrost
Chromatieren
Brünieren
Passivieren
Edelstahl entzundern-reinigen-beizen
Anlauffarben