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Passivierung
Passivierung bezeichnet in der Oberflächentechnik die spontane Entstehung oder gezielte Erzeugung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf einem …
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Grundprinzip der Passivierung
Passivierung bezeichnet in der Oberflächentechnik die spontane Entstehung oder gezielte Erzeugung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf einem Metall. Diese Schicht verhindert die Sauerstoffkorrosion des Grundwerkstoffs oder verlangsamt sie stark. Sauerstoffkorrosion ist die Reaktion des Metalls mit Sauerstoff, durch die es oxidiert und sich langfristig zersetzt.
Enthält die Schutzschicht Chrom(VI), spricht man vom Chromatieren. Im Alltag werden „passivieren“ und „chromatieren“ allerdings nicht scharf voneinander unterschieden. Von der Passivierung ist die Phosphatierung abzugrenzen, auch wenn sich ihre Verwendungszwecke stark überschneiden.
Eine Passivierung kann natürlich entstehen oder durch ein festgelegtes technisches Verfahren erzeugt werden. Entscheidend ist, dass die Schutzschicht den Kontakt des Metalls mit der Umgebung erschwert und dadurch weitere Oxidation beziehungsweise Korrosion vermindert.
Spontane Passivierung und ihre Grenzen
Ob blankes Metall in Luft oder einer anderen korrosiven Umgebung korrodiert, hängt von seiner chemischen Beschaffenheit und von der möglichen Bildung einer Passivierungsschicht ab. Eine Patina entsteht bei nahezu allen Metallen unter atmosphärischen und witterungsbedingten Bedingungen. Bei Kupfer bildet die natürliche Patina eine Schutzschicht gegen weitere Korrosionsschäden, insbesondere gegen Elektrokorrosion. Auch Blei kann sich trotz korrosiver Salzsäure passivieren: Durch Bleioxid entsteht eine Schutzschicht; PbO₂ ist schwarz, während Blei selbst grau-metallisch ist.
Gold und Platin korrodieren als Edelmetalle nur sehr langsam. Unedlere Metalle wie Eisen, Zink und Aluminium neigen stärker zur Korrosion. Ein besonders wichtiges Beispiel ist Chrom. Obwohl Chrom chemisch unedler als Eisen ist, verhält es sich gegenüber Luft und Wasser fast wie ein Edelmetall. Ursache ist eine sehr dünne, unsichtbare Oxidschicht. Bei Chrom-Nickel-Stählen ist sie etwa 10 nm dick, also ungefähr 50 Atomlagen; bei reinem Chrom entspricht sie etwa 5 Atomlagen. Diese Schicht trennt das Metall von der Atmosphäre. Weitere Oxidation ist nur durch Diffusion, also das langsame Durchdringen von Teilchen durch die Oxidschicht, möglich. Die passivierende Schicht behindert diese Diffusion und kann die Korrosion dadurch stoppen.
Zu den technisch bedeutenden Werkstoffen mit Passivschichten gehören neben Chrom auch Aluminium, Nickel, Titan, Blei, Zink und Silicium. Unter ungünstigen Bedingungen, etwa in einem halogenhaltigen Medium oder bei einem ungünstigen elektrochemischen Potential, können solche Werkstoffe dennoch für Lochfraßkorrosion anfällig werden. Dabei entstehen örtlich begrenzte, tiefe Korrosionsstellen.
Rost bei gewöhnlichem Stahl ist kein wirksamer Passivschutz. Die Korrosionsschicht besteht aus schnell wachsendem Eisenoxid und verlangsamt das weitere Fortschreiten der Korrosion nicht. Ob eine Oxidschicht schützend oder nichtschützend wirkt, kann mithilfe des Pilling-Bedworth-Verhältnisses beurteilt werden. Native Oxidschichten, also spontan entstandene Passivierungsschichten, lassen sich mit oberflächenanalytischen Verfahren untersuchen. Besonders geeignet ist die Photoelektronenspektroskopie (XPS, ESCA). Sie misst unter anderem die Stärke der Oxidschicht und erlaubt eine chemische Analyse der Passivierungsschicht auf einem Bauteil.
Passivierung rostfreier Stähle
Rostfreie Stähle bilden ihre natürliche Passivschicht durch den enthaltenen Chromanteil. Ab einem Chromgehalt von 10,5 % Massenanteil entsteht eine Chromoxidschicht, die weitere Oxidation verhindert. Wird diese Schicht beschädigt, kommt blankes Metall mit der Atmosphäre in Kontakt. Daraufhin bildet sich automatisch eine neue Passivschicht. Die Schicht ist deshalb selbstheilend.
Bei rostfreien Stählen mit einem Chromgehalt von mehr als 12 % kann die natürliche Passivschicht zusätzlich verbessert werden. Dafür verwendet man Passiviersäuren wie Salpetersäure oder Zitronensäure. Diese Behandlung verringert die freien Eisenanteile an der Oberfläche. Das verbleibende Chrom oxidiert und bildet eine schützende Passivschicht.
Chromatierung verschiedener Metalle
Bei manchen Metallen wird die Bildung der Passivierungsschicht technisch gezielt gesteuert, anstatt sie dem Zufall zu überlassen. Bei Aluminium wird ein solches Verfahren als Eloxieren bezeichnet und nicht als Passivierung.
Aluminium, Magnesium, Silber, Zink und Cadmium können durch Chromatierung mit einer Passivierungsschicht versehen werden. Diese verbessert zunächst den Korrosionsschutz. Zusätzlich kann die Schicht als Haftgrund für nachfolgende Verarbeitungsschritte dienen, Silber vor dem Anlaufen schützen, Fingerabdrücke abweisen oder das Aussehen verändern. Möglich sind Veränderungen von Glanz und Farbton.
Zinkschichten und gesundheitliche Anforderungen
Die Chromatierung von Zinkschichten besitzt große technische Bedeutung. Die dabei erzeugte Passivierungsschicht kann die Korrosion des Zinks, den sogenannten Weißrost, sehr lange hinauszögern. Je nach Verfahren kann sie schwach blau, gelb, schwarz, oliv oder transparent erscheinen.
Frühere Passivierungsschichten enthielten teilweise giftiges und krebserregendes Chrom(VI)-oxid. Wegen der hohen Gesundheitsgefahren ist seine Anwendung seit 2007 in der Europäischen Union im Automobilbau für Personenkraftwagen unter 3,5 t und bei Hausgeräten verboten.
Als Ersatz wurden Verfahren mit dem weniger gefährlichen Chrom(III) oder vollständig chromfreie Verfahren entwickelt. Bei chromfreien Verfahren können Behandlungslösungen mit komplexen Zirconium- oder Titanfluoriden eingesetzt werden. Dabei entsteht eine Passivierungsschicht aus Zirconiumoxid beziehungsweise Titanoxid. Nicht alle Alternativen erreichen die gleiche Korrosionsbeständigkeit wie Chrom(VI)-haltige Verfahren. Eine verbreitete Alternative ist die Dickschichtpassivierung, die eine gute bis sehr gute Korrosionsbeständigkeit ermöglichen kann.
Passivierung von Silicium
Silicium wird in der Halbleiterindustrie häufig verwendet. Es oxidiert schnell, wodurch ein Teil seiner gewünschten positiven elektrischen Eigenschaften verloren gehen kann. Deshalb wurde die Oberfläche häufig mit Siliciumnitrid passiviert.
Dieser Prozess findet in einer Vakuumkammer statt, die auf 400 °C aufgeheizt wird. Die relativ hohe Temperatur schränkt die Auswahl geeigneter Materialien ein und macht die Herstellung vergleichsweise kostenintensiv.
Ein am MIT entwickeltes Verfahren soll die Passivierung bei Raumtemperatur ermöglichen. In einer Vakuumkammer wird dazu über dem Silicium ein Heizdrahtgeflecht auf etwa 300 °C erhitzt. Ein eingebrachtes Polymermaterial verdampft in der Nähe der Heizdrähte und kondensiert anschließend auf der Siliciumoberfläche. Dieses Verfahren der Dampfphasenabscheidung soll den Energieverbrauch stark senken, den Einsatz verschiedener Passivierungsmaterialien ermöglichen und die Produktionskosten deutlich reduzieren. Das Silicium selbst wird dabei nicht über 20 °C erwärmt. Bei der Herstellung von Solarzellen soll dadurch ein deutlich besserer Gesamtwirkungsgrad erreicht werden.
