Sie haben sichergestellt, dass die Teile gemäß den Spezifikationen bearbeitet wurden. Stellen Sie nun sicher, dass Sie Maßnahmen ergriffen haben, um diese Teile unter den von Ihren Kunden erwarteten Bedingungen zu schützen. #basic
Die Passivierung ist nach wie vor ein entscheidender Schritt zur Maximierung der grundlegenden Korrosionsbeständigkeit von bearbeiteten Edelstahlteilen und -baugruppen. Sie kann den Unterschied zwischen zufriedenstellender Leistung und vorzeitigem Ausfall ausmachen. Wird die Passivierung nicht sachgemäß durchgeführt, kann sie sogar Korrosion verursachen.
Die Passivierung ist ein Verfahren nach der Fertigung, das die inhärente Korrosionsbeständigkeit der aus dem Werkstück hergestellten Edelstahllegierungen maximiert. Es handelt sich weder um eine Entzunderungsbehandlung noch um eine Lackierung.
Über den genauen Mechanismus der Passivierung besteht kein allgemeiner Konsens. Sicher ist jedoch, dass sich auf der Oberfläche von passiviertem Edelstahl ein schützender Oxidfilm bildet. Dieser unsichtbare Film ist vermutlich extrem dünn, weniger als 0,0000001 Zoll dick, etwa 1/100.000 der Dicke eines menschlichen Haares!
Ein sauberes, frisch bearbeitetes, poliertes oder gebeiztes Edelstahlteil bildet aufgrund des Kontakts mit Luftsauerstoff automatisch diese Oxidschicht. Unter idealen Bedingungen bedeckt diese schützende Oxidschicht alle Oberflächen des Teils vollständig.
In der Praxis können jedoch Verunreinigungen wie Werkstattschmutz oder Eisenpartikel von Schneidwerkzeugen während der Bearbeitung auf die Oberfläche von Edelstahlteilen gelangen. Werden diese Fremdkörper nicht entfernt, können sie die Wirksamkeit des ursprünglichen Schutzfilms beeinträchtigen.
Beim Zerspanen können Spuren von freiem Eisen vom Werkzeug abgetragen werden und auf die Oberfläche des Edelstahlwerkstücks gelangen. In manchen Fällen bildet sich eine dünne Rostschicht. Dabei handelt es sich um Korrosion des Stahls durch das Werkzeug, nicht des Grundwerkstoffs. Gelegentlich können Spalten, in denen Stahlpartikel von Schneidwerkzeugen oder deren Korrosionsprodukte eingebettet sind, zu Erosion des Werkstücks selbst führen.
Ebenso können kleine Partikel von eisenhaltigem Werkstattschmutz an der Oberfläche des Werkstücks haften bleiben. Obwohl Metall im bearbeiteten Zustand glänzend erscheinen mag, können unsichtbare Partikel von freiem Eisen nach dem Kontakt mit Luft Oberflächenrost verursachen.
Freiliegende Sulfide können ebenfalls ein Problem darstellen. Sie entstehen durch die Zugabe von Schwefel zu Edelstahl, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Sulfide erhöhen die Fähigkeit der Legierung, beim Bearbeiten Späne zu bilden, die sich vollständig vom Schneidwerkzeug ablösen können. Werden die Teile nicht ordnungsgemäß passiviert, können Sulfide Ausgangspunkt für Oberflächenkorrosion an den gefertigten Produkten sein.
In beiden Fällen ist eine Passivierung erforderlich, um die natürliche Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls zu maximieren. Sie entfernt Oberflächenverunreinigungen wie eisenhaltige Werkstattschmutzpartikel und Eisenpartikel in Schneidwerkzeugen, die Rost bilden oder als Ausgangspunkt für Korrosion dienen können. Durch die Passivierung werden außerdem Sulfide entfernt, die auf der Oberfläche von Automatenstahllegierungen freiliegen.
Ein zweistufiges Verfahren bietet den besten Korrosionsschutz: 1. Reinigung, ein grundlegendes, aber manchmal übersehenes Verfahren; 2. Säurebad- oder Passivierungsbehandlung.
Die Reinigung sollte stets Priorität haben. Oberflächen müssen gründlich von Fett, Kühlmittel und anderen Werkstattrückständen befreit werden, um eine optimale Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Bearbeitungsrückstände und sonstige Verschmutzungen können vorsichtig abgewischt werden. Handelsübliche Entfetter oder Reiniger eignen sich zur Entfernung von Prozessölen und Kühlmitteln. Fremdkörper wie thermische Oxide müssen gegebenenfalls durch Schleifen oder Beizen entfernt werden.
Manchmal verzichtet ein Maschinenbediener auf die grundlegende Reinigung, da er fälschlicherweise annimmt, Reinigung und Passivierung würden gleichzeitig durch einfaches Eintauchen eines fettbenetzten Teils in ein Säurebad erfolgen. Das ist jedoch nicht der Fall. Im Gegenteil: Verunreinigtes Fett reagiert mit Säure und bildet Luftblasen. Diese Blasen sammeln sich auf der Werkstückoberfläche und beeinträchtigen die Passivierung.
Erschwerend kommt hinzu, dass Verunreinigungen der Passivierungslösungen, die mitunter hohe Chloridkonzentrationen aufweisen, zu einem sogenannten „Flashing“ führen können. Im Gegensatz zur Erzielung des gewünschten Oxidfilms mit einer glänzenden, sauberen und korrosionsbeständigen Oberfläche kann Flashing zu einer stark geätzten oder verdunkelten Oberfläche führen – einer Oberflächenverschlechterung, die durch Passivierung eigentlich optimiert werden soll.
Teile aus martensitischem Edelstahl [magnetisch, mäßig korrosionsbeständig, Streckgrenze bis ca. 280 ksi (1930 MPa)] werden bei erhöhten Temperaturen gehärtet und anschließend angelassen, um die gewünschte Härte und die mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. Ausscheidungshärtbare Legierungen, die eine höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als martensitische Legierungen aufweisen, können lösungsgeglüht, teilbearbeitet, bei niedrigeren Temperaturen ausgehärtet und anschließend endbearbeitet werden.
In diesem Fall muss das Werkstück vor der Wärmebehandlung gründlich mit einem Entfetter oder Reiniger gesäubert werden, um jegliche Kühlschmierstoffreste zu entfernen. Andernfalls kann der auf dem Werkstück verbleibende Kühlschmierstoff zu übermäßiger Oxidation führen. Dies kann dazu führen, dass untermaßige Werkstücke nach dem Entfernen des Zunders durch Säure- oder Schleifmittelverfahren Dellen bekommen. Verbleibt Kühlschmierstoff auf blankgehärteten Werkstücken, beispielsweise in einem Vakuumofen oder unter Schutzgasatmosphäre, kann es zu Oberflächenaufkohlung und damit zu einem Verlust der Korrosionsbeständigkeit kommen.
Nach gründlicher Reinigung können die Edelstahlteile in ein Passivierungsbad mit Säure getaucht werden. Hierfür eignen sich drei Verfahren: Passivierung mit Salpetersäure, Passivierung mit Salpetersäure und Natriumdichromat sowie Passivierung mit Zitronensäure. Welches Verfahren angewendet wird, hängt von der Edelstahlsorte und den vorgegebenen Abnahmekriterien ab.
Korrosionsbeständigere Chrom-Nickel-Sorten lassen sich in einem 20%igen (v/v) Salpetersäurebad passivieren (Abbildung 1). Wie aus der Tabelle hervorgeht, kann weniger beständiger Edelstahl durch Zugabe von Natriumdichromat zu einem Salpetersäurebad passiviert werden. Dadurch wird die Lösung oxidierender und kann einen Passivfilm auf der Metalloberfläche bilden. Alternativ kann die Salpetersäurekonzentration durch Natriumchromat ersetzt und auf 50 Vol.-% erhöht werden. Sowohl die Zugabe von Natriumdichromat als auch die höhere Salpetersäurekonzentration verringern die Gefahr unerwünschter Verdampfung.
Das Verfahren zur Passivierung von Automatenstählen (siehe auch Abbildung 1) unterscheidet sich etwas von dem für nicht Automatenstähle. Dies liegt daran, dass bei der Passivierung in einem typischen Salpetersäurebad einige oder alle schwefelhaltigen Sulfide der Automatenstähle entfernt werden, wodurch mikroskopische Fehlstellen an der Oberfläche des bearbeiteten Teils entstehen.
Selbst eine im Allgemeinen wirksame Wasserspülung kann nach der Passivierung Säurereste in diesen Fehlstellen hinterlassen. Diese Säure greift dann die Oberfläche des Bauteils an, sofern sie nicht neutralisiert oder entfernt wird.
Zur effektiven Passivierung von leicht bearbeitbarem Edelstahl hat Carpenter das AAA-Verfahren (Alkali-Säure-Alkali) entwickelt, das Restsäure neutralisiert. Diese Passivierungsmethode ist in weniger als 2 Stunden abgeschlossen. Hier ist der Ablauf Schritt für Schritt:
Nach dem Entfetten werden die Teile 30 Minuten lang in einer 5%igen Natriumhydroxidlösung bei 71 °C bis 82 °C (160 °F bis 180 °F) eingeweicht. Anschließend werden sie gründlich mit Wasser abgespült. Danach werden die Teile 30 Minuten lang in eine 20%ige (v/v) Salpetersäurelösung mit 22 g/l Natriumdichromat bei 49 °C bis 60 °C (120 °F bis 140 °F) getaucht. Nach dem Herausnehmen aus dem Bad werden die Teile mit Wasser abgespült und erneut 30 Minuten lang in die Natriumhydroxidlösung eingetaucht. Abschließend werden die Teile nochmals mit Wasser abgespült und getrocknet. Damit ist das AAA-Verfahren abgeschlossen.
Die Passivierung mit Zitronensäure erfreut sich zunehmender Beliebtheit bei Herstellern, die den Einsatz von Mineralsäuren oder natriumdichromathaltigen Lösungen sowie die damit verbundenen Entsorgungsprobleme und Sicherheitsbedenken vermeiden möchten. Zitronensäure gilt in jeder Hinsicht als umweltfreundlich.
Obwohl die Passivierung mit Zitronensäure attraktive Umweltvorteile bietet, sollten Betriebe, die mit anorganischer Säurepassivierung gute Erfahrungen gemacht haben und keine Sicherheitsbedenken bestehen, diese Methode beibehalten. Wenn diese Anwender über eine saubere Werkstatt, gut gewartete und saubere Anlagen, Kühlmittel frei von Eisenrückständen und einen Prozess verfügen, der gute Ergebnisse liefert, besteht möglicherweise kein wirklicher Änderungsbedarf.
Die Passivierung in einem Zitronensäurebad hat sich für eine Vielzahl von Edelstählen, darunter auch verschiedene Edelstahlsorten, als nützlich erwiesen (siehe Abbildung 2). Zur Veranschaulichung ist auch die traditionelle Passivierungsmethode mit Salpetersäure aus Abbildung 1 dargestellt. Ältere Salpetersäureformulierungen werden in Volumenprozent, neuere Zitronensäurekonzentrationen hingegen in Gewichtsprozent angegeben. Bei der Durchführung dieser Verfahren ist es wichtig, die Einwirkzeit, die Badtemperatur und die Konzentration sorgfältig aufeinander abzustimmen, um das zuvor beschriebene „Aufblitzen“ zu vermeiden.
Die Passivierungsbehandlungen variieren je nach Chromgehalt und Bearbeitungseigenschaften der jeweiligen Sorte. Beachten Sie die Spalten, die sich entweder auf Prozess 1 oder Prozess 2 beziehen. Wie in Abbildung 3 dargestellt, umfasst Prozess 1 weniger Schritte als Prozess 2.
Labortests haben gezeigt, dass die Passivierung mit Zitronensäure anfälliger für Blitzkorrosion ist als die mit Salpetersäure. Zu den Faktoren, die diese Korrosion begünstigen, zählen zu hohe Badtemperaturen, zu lange Einwirkzeiten und Verunreinigungen im Bad. Zitronensäureprodukte mit Korrosionsinhibitoren und anderen Zusätzen wie Netzmitteln sind im Handel erhältlich und sollen die Anfälligkeit für Blitzkorrosion verringern.
Die endgültige Wahl des Passivierungsverfahrens hängt von den vom Kunden vorgegebenen Akzeptanzkriterien ab. Einzelheiten hierzu finden Sie in ASTM A967. Diese Norm ist unter www.astm.org abrufbar.
Zur Beurteilung der Oberfläche passivierter Teile werden häufig Prüfungen durchgeführt. Die zu beantwortende Frage lautet: „Entfernt die Passivierung freies Eisen und optimiert sie die Korrosionsbeständigkeit von Automatenstählen?“
Es ist wichtig, dass die Testmethode dem zu bewertenden Qualitätsstandard entspricht. Zu strenge Tests lassen einwandfreie Materialien durchfallen, während zu lasche Tests mangelhafte Teile durchfallen lassen.
Ausscheidungshärtende und Automatenstähle der 400er-Serie werden am besten in einer Klimakammer geprüft, die 24 Stunden lang bei 35 °C (95 °F) eine Luftfeuchtigkeit von 100 % (feuchte Proben) aufrechterhält. Der Querschnitt ist oft die kritischste Oberfläche, insbesondere bei Automatenstählen. Ein Grund dafür ist, dass sich die Sulfidschichten in Bearbeitungsrichtung erstrecken und diese Oberfläche schneiden.
Kritische Oberflächen sollten nach oben gerichtet sein, jedoch in einem Winkel von 15 bis 20 Grad zur Senkrechten, um den Feuchtigkeitsverlust zu ermöglichen. Ordnungsgemäß passiviertes Material rostet kaum, kann aber leichte Verfärbungen aufweisen.
Austenitische Edelstahlsorten können auch mittels Feuchtigkeitsprüfung beurteilt werden. Bei dieser Prüfung sollten Wassertropfen auf der Oberfläche der Probe vorhanden sein, die durch das Vorhandensein von Rost auf freies Eisen hinweisen.
Die Verfahren zur Passivierung gängiger Automatenstähle und nicht-Automatenstähle in Zitronensäure- oder Salpetersäurelösungen erfordern unterschiedliche Prozesse. Abbildung 3 unten enthält Details zur Prozessauswahl.
(a) pH-Wert mit Natriumhydroxid einstellen. (b) Siehe Abbildung 3. (c) Na₂Cr₂O₇ entspricht 3 oz/Gallone (22 g/l) Natriumdichromat in 20%iger Salpetersäure. Alternativ kann 50%ige Salpetersäure ohne Natriumdichromat verwendet werden.
Eine schnellere Methode ist die Anwendung der Lösung gemäß ASTM A380, „Standardverfahren zur Reinigung, Entkalkung und Passivierung von Edelstahlteilen, -geräten und -systemen“. Der Test besteht darin, das Teil mit einer Kupfersulfat-Schwefelsäure-Lösung abzuwischen, es 6 Minuten lang feucht zu halten und auf Kupferablagerungen zu achten. Alternativ kann das Teil 6 Minuten lang in die Lösung eingetaucht werden. Löst sich das Eisen auf, bildet sich Kupfer. Dieser Test sollte nicht für Oberflächen von Teilen der Lebensmittelverarbeitung verwendet werden. Er ist außerdem nicht für martensitische Stähle der 400er-Serie oder niedrigchromhaltige ferritische Stähle geeignet, da es zu falsch-positiven Ergebnissen kommen kann.
Historisch gesehen wurde auch der 5%ige Salzsprühtest bei 35 °C (95 °F) zur Bewertung passivierter Proben verwendet. Dieser Test ist für einige Güteklassen zu streng und ist im Allgemeinen nicht erforderlich, um die Wirksamkeit der Passivierung zu bestätigen.
Vermeiden Sie übermäßige Chloridkonzentrationen, da diese gefährliche Verpuffungen verursachen können. Verwenden Sie nach Möglichkeit nur hochwertiges Wasser mit einem Chloridgehalt von unter 50 ppm. Leitungswasser ist in der Regel ausreichend und verträgt in manchen Fällen sogar mehrere hundert ppm Chlorid.
Es ist wichtig, das Bad regelmäßig zu erneuern, um einen Verlust des Passivierungspotenzials zu vermeiden, der zu Überschlägen und Bauteilschäden führen kann. Das Bad muss auf der richtigen Temperatur gehalten werden, da zu hohe Temperaturen lokale Korrosion verursachen können.
Bei hohen Produktionsmengen ist es wichtig, einen genau festgelegten Lösungswechselplan einzuhalten, um das Kontaminationsrisiko zu minimieren. Anhand einer Kontrollprobe wurde die Wirksamkeit des Bades geprüft. Falls die Probe angegriffen wird, muss das Bad ausgetauscht werden.
Bitte geben Sie an, dass bestimmte Maschinen nur Edelstahl bearbeiten; verwenden Sie zum Schneiden von Edelstahl das gleiche bevorzugte Kühlmittel, unter Ausschluss aller anderen Metalle.
Die Teile des DO-Gestells werden einzeln behandelt, um Metall-auf-Metall-Kontakt zu vermeiden. Dies ist besonders wichtig bei Automatenstahl, da frei fließende Passivierungs- und Spüllösungen erforderlich sind, um Korrosionsprodukte in Sulfiden zu diffundieren und die Bildung von Säuretaschen zu verhindern.
Aufgekohlte oder nitrierte Edelstahlteile dürfen nicht passiviert werden. Die Korrosionsbeständigkeit der so behandelten Teile kann so weit reduziert werden, dass sie im Passivierungsbad angegriffen würden.
Verwenden Sie keine Werkzeuge aus Eisenwerkstoffen in einer Werkstattumgebung, die nicht besonders sauber ist. Stahlabrieb kann durch die Verwendung von Hartmetall- oder Keramikwerkzeugen vermieden werden.
Vergessen Sie nicht, dass Korrosion im Passivierungsbad auftreten kann, wenn das Bauteil nicht ordnungsgemäß wärmebehandelt wurde. Hochkohlenstoffhaltige, hochchromhaltige martensitische Stähle müssen zur Korrosionsbeständigkeit gehärtet werden.
Die Passivierung erfolgt üblicherweise nach dem anschließenden Anlassen bei Temperaturen, die die Korrosionsbeständigkeit erhalten.
Die Salpetersäurekonzentration im Passivierungsbad darf nicht vernachlässigt werden. Regelmäßige Kontrollen sollten mithilfe des von Carpenter beschriebenen einfachen Titrationsverfahrens durchgeführt werden. Es dürfen nicht mehr als ein Edelstahlteil gleichzeitig passiviert werden. Dies beugt kostspieligen Verwechslungen und galvanischen Reaktionen vor.
Über die Autoren: Terry A. DeBold ist Spezialist für Forschung und Entwicklung von Edelstahllegierungen und James W. Martin ist Stabmetallurg bei Carpenter Technology Corp. (Reading, PA).
In einer Welt mit immer strengeren Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit sind einfache Rauheitsmessungen nach wie vor nützlich. Schauen wir uns an, warum Oberflächenmessungen wichtig sind und wie sie mit modernen tragbaren Messgeräten direkt in der Werkstatt durchgeführt werden können.
Sind Sie sicher, dass Sie den optimalen Einsatz für diesen Drehvorgang verwenden? Überprüfen Sie den Span, insbesondere wenn er unbeaufsichtigt blieb. Die Spaneigenschaften geben Ihnen viele Aufschluss.