Brünieren

Grundprinzip und Zweck

Brünieren ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eisenhaltiger Werkstücke. Es soll Korrosion vermindern, Farbe und Reflexionsvermögen verändern oder bei speziell angepassten Prozessen die tribologischen Eigenschaften verbessern, also das Verhalten von Oberflächen bei Reibung und Verschleiß. Ein Beispiel dafür sind Wälzlager.

Die Werkstücke werden meist in heiße alkalische Lösungen getaucht, deren Hauptbestandteile Natronlauge und Natriumnitrit sind. Bei Temperaturen von bis zu 150 °C entsteht eine schwarze Mischoxidschicht aus Eisen(II,III)-oxid. Der schwarze Magnetit Fe₃O₄ ist eine 1:1-Mischung aus FeO und Fe₂O₃. Bei einem Überschuss von Fe₂O₃ tendiert die Farbe zu Braun. In Sonderfällen kommen Salzschmelzen oder besondere Ofenatmosphären zum Einsatz.

Brünieren ist keine Beschichtung im eigentlichen Sinn: Es wird keine zusätzliche Schicht aufgetragen, sondern die vorhandene Oberfläche chemisch umgewandelt. Die typische Oxidationstiefe beträgt ein bis zwei Mikrometer. Dadurch bleiben die Maße des Werkstücks nahezu unverändert. Das alkalische Verfahren schont außerdem den Stahl und vermeidet Beizangriffe.

Verfahrensarten und Temperaturen

Brünierverfahren lassen sich nach ihrer Ausführungstemperatur unterscheiden. Beim Kaltbrünieren werden Kupfersalze und selenige Säure eingesetzt, um eine blaue bis schwarze Oberfläche zu erzeugen.

Beim traditionellen Heißbrünieren bilden ätzende Salze, Nitrat und Nitrit bei 140–145 °C eine Magnetit-Oberfläche. Neuere Verfahren ermöglichen die Umwandlung zu Magnetit bereits bei 93–115 °C.

Die DIN 50938 unterscheidet außerdem Ein-, Zwei- und Dreibadbrünieren. Das Verfahren ist dort unter dem Titel „Brünieren von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen – Anforderungen und Prüfverfahren“ genormt; die im Artikel genannte letzte Ausgabe stammt vom Januar 2018.

Schichteigenschaften und Korrosionsschutz

Die Konversionsschicht – eine durch chemische Umwandlung des Grundwerkstoffs gebildete Schicht – besitzt eine geringe Oxidationstiefe von etwa 1 µm. Die durch den Einbau von Sauerstoff verursachte Volumenzunahme wird durch eine geringe Ablösung von Eisen im Brünierbad ausgeglichen. Deshalb bleiben brünierte Bauteile sehr maßhaltig.

Im Rasterelektronenmikroskop sind Poren erkennbar. Sie werden mitunter irrtümlich als Zeichen einer undichten Schicht oder als Schmierstoffreservoir gedeutet. Tatsächlich entstehen sie als Überbleibsel der FeO-Bildung zu Beginn der Reaktion. Sie sind weder durchgängig noch aktiv und haben keinen wesentlichen Einfluss auf Schmierung oder Korrosionsschutz.

Der Korrosionsschutz einer unbehandelten Brünierschicht ist wegen ihrer geringen Dicke und der unvollständigen Passivierung des Eisens sehr gering. Passivierung bezeichnet hier die Verringerung der chemischen Reaktionsfähigkeit der Oberfläche. Öl oder Fett kann den Korrosionsschutz verbessern. Brünieren erhöht auch die Haftung von Schmierstoffen, allerdings nur mäßig im Vergleich zur rauen Oberfläche von phosphatiertem Stahl.

Da die Schicht ein integraler Bestandteil des Grundwerkstoffs ist, ist sie vollständig biegefest und kann weder abplatzen noch abblättern. Sie ist relativ abriebfest und bis etwa 300 °C temperaturbeständig. Eine unbeölte Brünierung kann alternativ zum Phosphatieren als Haftgrund für Lackbeschichtungen dienen.

Anwendungen und begriffliche Abgrenzung

Brünieren wird vor allem im Maschinen- und Werkzeugbau eingesetzt. Eine besondere Anwendung ist die Behandlung von Handfeuerwaffen. Neben Waffen gehören Wälzlager zu den Werkstücken mit dem größten Brüniervolumen. Durch dafür angepasste Verfahren können ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gesteigert werden.

Für Wälzlager gelten jedoch Werknormen. Eine konventionelle Brünierung nach DIN kann bei ihnen statt einer Verbesserung sogar eine Verringerung der Lebensdauer bewirken.

Im weiteren Sinn bezeichnet „Brünieren“ auch verschiedene kalte Schwarzfärbeverfahren oder Behandlungen von Nichteisenmetallen. Dabei entstehen keine Eisenoxide. Stattdessen bilden sich andere schwarze Verbindungen, beispielsweise auf Basis von Kupferoxiden oder Sulfiden; häufig handelt es sich auch um schwarze, selenhaltige Schwermetallniederschläge.

Schwarzfärben durch Einbrennen von Leinöl

Bei gusseisernen Pfannen, Kochgeschirr und anderen Schmiedeprodukten kann die Korrosionsanfälligkeit durch das Abbrennen von Leinöl vermindert werden. Dieses Verfahren heißt auch Einbrennen oder Schwarzbrennen. Das Metall wird zwischen glühenden Kohlen erhitzt und anschließend mit Leinöl abgeschreckt. Alternativ lässt sich das Öl zuerst auftragen und der Gegenstand danach erhitzen. Für ein gutes Ergebnis sind gewöhnlich mehrere Durchgänge erforderlich.

Die Temperatur soll etwa 400 °C bis 700 °C betragen, was einer dunkelroten Glühfarbe entspricht. Beim Auftragen raucht das Öl sichtbar ab. Ein Teil des Öls polymerisiert, verbindet sich also zu größeren Molekülstrukturen, und bildet eine wasserabweisende sowie passivierende Schicht. Diese verringert außerdem die Anhaftung des Bratguts.

Verwandte Verfahren mit Leinöl sind der Firnisbrand von Kupfer und Kupferlegierungen sowie das Patinieren von Aluminium bei Temperaturen bis zu 400 °C. Auch einige Verfahren, bei denen durch Eintauchen in Salzschmelzen Oxidschichten entstehen, werden als Schwarzfärben bezeichnet. Diese Einbrennverfahren dürfen nicht mit dem Einbrennen von Druckfarben und Lacken bei Temperaturen unter 200 °C verwechselt werden.