Sie haben sichergestellt, dass die Teile den Spezifikationen entsprechen. Stellen Sie nun sicher, dass Sie Maßnahmen ergreifen, um diese Teile in der Umgebung zu schützen, die Ihre Kunden erwarten. #base
Die Passivierung ist ein wichtiger Schritt zur Maximierung der Korrosionsbeständigkeit von Teilen und Baugruppen aus Edelstahl. Sie kann den Unterschied zwischen zufriedenstellender Leistung und vorzeitigem Ausfall ausmachen. Eine falsche Passivierung kann Korrosion verursachen.
Passivierung ist eine Nachbearbeitungstechnik, die die Korrosionsbeständigkeit der Edelstahllegierungen, aus denen das Werkstück besteht, maximiert. Dies ist kein Entzundern oder Lackieren.
Es besteht kein Konsens über den genauen Mechanismus der Passivierung. Sicher ist jedoch, dass sich auf der Oberfläche von passiviertem Edelstahl eine schützende Oxidschicht bildet. Diese unsichtbare Schicht soll extrem dünn sein, weniger als 0,0000001 Zoll dick, was etwa 1/100.000 der Dicke eines menschlichen Haares entspricht!
Ein sauberes, frisch bearbeitetes, poliertes oder gebeiztes Edelstahlteil erhält durch den Kontakt mit Luftsauerstoff automatisch diese Oxidschicht. Unter idealen Bedingungen bedeckt diese schützende Oxidschicht alle Oberflächen des Teils vollständig.
In der Praxis können jedoch bei der Bearbeitung von Edelstahlteilen Verunreinigungen wie Fabrikschmutz oder Eisenpartikel von Schneidwerkzeugen auf die Oberfläche gelangen. Werden diese Fremdkörper nicht entfernt, kann dies die Wirksamkeit des ursprünglichen Schutzfilms beeinträchtigen.
Während der Bearbeitung können Spuren von freiem Eisen vom Werkzeug entfernt und auf die Oberfläche des Edelstahlwerkstücks übertragen werden. In manchen Fällen kann sich auf dem Werkstück eine dünne Rostschicht bilden. Tatsächlich handelt es sich dabei um Korrosion des Werkzeugstahls, nicht des Grundmetalls. Manchmal können Risse durch eingebettete Stahlpartikel von Schneidwerkzeugen oder deren Korrosionsprodukte das Werkstück selbst erodieren.
Ebenso können kleine Partikel eisenhaltigen metallurgischen Schmutzes an der Oberfläche des Teils haften. Obwohl das Metall im fertigen Zustand glänzend erscheint, können unsichtbare Partikel freien Eisens nach Kontakt mit der Luft Oberflächenrost verursachen.
Auch freiliegende Sulfide können ein Problem darstellen. Sie entstehen durch die Zugabe von Schwefel zu Edelstahl, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Sulfide erhöhen die Fähigkeit der Legierung, bei der Bearbeitung Späne zu bilden, die vom Schneidwerkzeug vollständig entfernt werden können. Werden Teile nicht ordnungsgemäß passiviert, können Sulfide zum Ausgangspunkt für Oberflächenkorrosion an Industrieprodukten werden.
In beiden Fällen ist eine Passivierung erforderlich, um die natürliche Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls zu maximieren. Sie entfernt Oberflächenverunreinigungen wie Eisenpartikel und Eisenpartikel in Schneidwerkzeugen, die Rost bilden oder Korrosion auslösen können. Durch die Passivierung werden auch Sulfide entfernt, die sich auf der Oberfläche von Edelstahllegierungen im offenen Schnitt befinden.
Ein zweistufiges Verfahren bietet die beste Korrosionsbeständigkeit: 1. Reinigen, das Hauptverfahren, das jedoch manchmal vernachlässigt wird. 2. Säurebad oder Passivierung.
Die Reinigung sollte stets oberste Priorität haben. Oberflächen müssen gründlich von Fett, Kühlmittel und anderen Rückständen gereinigt werden, um optimale Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Bearbeitungsrückstände oder anderer Fabrikschmutz können vorsichtig vom Teil abgewischt werden. Handelsübliche Entfetter oder Reiniger können zum Entfernen von Prozessölen oder Kühlmitteln verwendet werden. Fremdkörper wie thermische Oxide müssen möglicherweise durch Schleifen oder Beizen entfernt werden.
Manchmal überspringt der Maschinenbediener die Grundreinigung, weil er fälschlicherweise glaubt, Reinigung und Passivierung würden gleichzeitig erfolgen, indem das geölte Teil einfach in ein Säurebad getaucht wird. Das ist jedoch nicht der Fall. Umgekehrt reagiert verunreinigtes Fett mit Säure und bildet Luftblasen. Diese Blasen sammeln sich auf der Werkstückoberfläche und beeinträchtigen die Passivierung.
Schlimmer noch: Verunreinigungen in Passivierungslösungen, die manchmal hohe Chloridkonzentrationen enthalten, können einen „Flash“ verursachen. Im Gegensatz zur Erzeugung des gewünschten Oxidfilms mit einer glänzenden, sauberen und korrosionsbeständigen Oberfläche kann Flash-Ätzen zu einer starken Ätzung oder Schwärzung der Oberfläche führen – eine Verschlechterung der Oberfläche, die durch Passivierung optimiert werden soll.
Martensitische Edelstahlteile (magnetisch, mäßig korrosionsbeständig, Streckgrenze bis ca. 1930 MPa) werden bei hohen Temperaturen abgeschreckt und anschließend angelassen, um die gewünschte Härte und die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Ausscheidungsgehärtete Legierungen (mit besserer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als martensitische Sorten) können lösungsgeglüht, teilweise bearbeitet, bei niedrigeren Temperaturen gealtert und anschließend endbearbeitet werden.
In diesem Fall muss das Teil vor der Wärmebehandlung gründlich mit einem Entfetter oder Reiniger gereinigt werden, um alle Spuren von Kühlschmierstoff zu entfernen. Andernfalls kann verbleibendes Kühlmittel zu übermäßiger Oxidation führen. Dies kann nach dem Entzundern mit Säure oder abrasiven Methoden zur Bildung von Dellen an kleineren Teilen führen. Bleibt Kühlmittel auf glänzenden, gehärteten Teilen zurück, z. B. in einem Vakuumofen oder unter Schutzatmosphäre, kann es zu einer Oberflächenaufkohlung und damit zu einem Verlust der Korrosionsbeständigkeit kommen.
Nach gründlicher Reinigung können Edelstahlteile in ein passivierendes Säurebad getaucht werden. Dabei stehen drei Methoden zur Verfügung: Passivierung mit Salpetersäure, Passivierung mit Salpetersäure und Natriumdichromat und Passivierung mit Zitronensäure. Die Wahl der Methode hängt von der Edelstahlsorte und den festgelegten Abnahmekriterien ab.
Korrosionsbeständigere Nickel-Chrom-Sorten können in einem 20 %igen (v/v) Salpetersäurebad passiviert werden (Abbildung 1). Wie die Tabelle zeigt, können weniger beständige Edelstähle durch Zugabe von Natriumdichromat zu einem Salpetersäurebad passiviert werden. Dadurch wird die Lösung oxidierender und kann einen passivierenden Film auf der Metalloberfläche bilden. Eine weitere Möglichkeit, Salpetersäure durch Natriumchromat zu ersetzen, besteht darin, die Salpetersäurekonzentration auf 50 % (Vol.) zu erhöhen. Sowohl die Zugabe von Natriumdichromat als auch die höhere Salpetersäurekonzentration verringern die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Grate.
Das Passivierungsverfahren für zerspanbare Edelstähle (siehe Abb. 1) unterscheidet sich geringfügig von dem Verfahren für nicht zerspanbare Edelstähle. Denn bei der Passivierung im Salpetersäurebad werden die zerspanbaren schwefelhaltigen Sulfide teilweise oder vollständig entfernt, wodurch mikroskopische Inhomogenitäten auf der Werkstückoberfläche entstehen.
Selbst bei einer normalerweise wirksamen Reinigung mit Wasser können nach der Passivierung Säurerückstände in diesen Diskontinuitäten zurückbleiben. Diese Säure greift die Oberfläche des Teils an, wenn sie nicht neutralisiert oder entfernt wird.
Für die effiziente Passivierung von leicht zu bearbeitendem Edelstahl hat Carpenter das AAA-Verfahren (Alkaline-Acid-Alkaline) entwickelt, das Restsäure neutralisiert. Diese Passivierungsmethode kann in weniger als 2 Stunden abgeschlossen werden. Hier ist der Schritt-für-Schritt-Prozess:
Nach dem Entfetten die Teile 30 Minuten lang in einer 5%igen Natriumhydroxidlösung bei 71 °C bis 82 °C einweichen. Anschließend die Teile gründlich mit Wasser abspülen. Anschließend das Teil 30 Minuten lang in eine 20%ige (v/v) Salpetersäurelösung mit 22 g/l Natriumdichromat bei 49 °C bis 60 °C eintauchen. Nach der Entnahme des Teils aus dem Bad spülen Sie es mit Wasser ab und tauchen es 30 Minuten lang in eine Natriumhydroxidlösung. Spülen Sie das Teil erneut mit Wasser ab und trocknen Sie es. Damit ist die AAA-Methode 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 erhöhten Sicherheitsbedenken vermeiden möchten. Zitronensäure gilt in jeder Hinsicht als umweltfreundlich.
Obwohl die Passivierung mit Zitronensäure attraktive Umweltvorteile bietet, sollten Betriebe, die bereits mit anorganischen Säuren erfolgreich waren und keine Sicherheitsbedenken haben, diesen Kurs beibehalten. Wenn diese Anwender eine saubere Werkstatt haben, die Geräte in gutem Zustand und sauber sind, das Kühlmittel frei von werksseitigen Eisenablagerungen ist und der Prozess gute Ergebnisse liefert, besteht möglicherweise kein wirklicher Bedarf für eine Änderung.
Die Passivierung im Zitronensäurebad hat sich für eine Vielzahl von Edelstählen, darunter auch mehrere Edelstahlsorten, bewährt (siehe Abbildung 2). Abbildung 2.1 zeigt der Einfachheit halber die traditionelle Passivierungsmethode mit Salpetersäure. Beachten Sie, dass die alten Salpetersäureformulierungen als Volumenprozente angegeben werden, während die neuen Zitronensäurekonzentrationen als Massenprozente angegeben werden. Wichtig ist, dass bei diesen Verfahren ein sorgfältiges Abwägen von Einwirkzeit, Badtemperatur und Konzentration entscheidend ist, um das oben beschriebene „Flashing“ zu vermeiden.
Die Passivierung variiert je nach Chromgehalt und Verarbeitungseigenschaften der einzelnen Sorten. Beachten Sie die Spalten für Prozess 1 oder Prozess 2. Wie in Abbildung 3 dargestellt, umfasst Prozess 1 weniger Schritte als Prozess 2.
Labortests haben gezeigt, dass die Passivierung mit Zitronensäure anfälliger für „Siedepunkt“ ist als die mit Salpetersäure. Faktoren, die zu diesem Angriff beitragen, sind unter anderem eine zu hohe Badtemperatur, eine zu lange Einwirkzeit und Badverunreinigungen. Produkte auf Zitronensäurebasis mit Korrosionsinhibitoren und weiteren Zusätzen wie Netzmitteln sind im Handel erhältlich und sollen die Anfälligkeit für „Blitzkorrosion“ verringern.
Die endgültige Wahl der Passivierungsmethode hängt von den vom Kunden festgelegten Abnahmekriterien ab. Einzelheiten finden Sie in ASTM A967. Sie ist unter www.astm.org verfügbar.
Häufig werden Tests durchgeführt, um die Oberfläche passivierter Teile zu bewerten. Die zu beantwortende Frage lautet: „Entfernt die Passivierung freies Eisen und optimiert sie die Korrosionsbeständigkeit von Legierungen für das automatische Schneiden?“
Es ist wichtig, dass die Testmethode der zu bewertenden Klasse entspricht. Zu strenge Tests führen nicht zu absolut guten Materialien, während zu schwache Tests zu ungenügenden Teilen führen.
PH- und leicht zerspanbare Edelstähle der 400er-Serie lassen sich am besten in einer Kammer mit 100 % Luftfeuchtigkeit (Probe nass) für 24 Stunden bei 35 °C (95 °F) prüfen. Der Querschnitt ist oft die kritischste Oberfläche, insbesondere bei Automatensorten. Ein Grund dafür ist, dass das Sulfid in Maschinenrichtung über diese Oberfläche gezogen wird.
Kritische Oberflächen sollten nach oben, jedoch in einem Winkel von 15 bis 20 Grad zur Senkrechten, ausgerichtet sein, um Feuchtigkeitsverlust zu vermeiden. Richtig passiviertes Material rostet kaum, es können jedoch kleine Flecken auftreten.
Austenitische Edelstahlsorten können auch durch einen Feuchtigkeitstest bewertet werden. Bei diesem Test sollten Wassertropfen auf der Oberfläche der Probe vorhanden sein, die durch das Vorhandensein von Rost auf freies Eisen hinweisen.
Passivierungsverfahren für häufig verwendete automatische und manuelle Edelstähle in Zitronen- oder Salpetersäurelösungen erfordern unterschiedliche Prozesse. Abb. 3 unten zeigt Details zur Prozessauswahl.
(a) Stellen Sie den pH-Wert mit Natriumhydroxid ein. (b) Siehe Abb. 3(c). Na2Cr2O7 entspricht 22 g/l Natriumdichromat in 20%iger Salpetersäure. Alternativ kann auch 50%ige Salpetersäure ohne Natriumdichromat verwendet werden.
Ein schnellerer Ansatz ist die Anwendung von ASTM A380, dem Standardverfahren für die Reinigung, Entzunderung und Passivierung von Edelstahlteilen, -geräten und -systemen. Der Test umfasst das Abwischen des Teils mit einer Kupfersulfat-/Schwefelsäurelösung, das 6 Minuten lang feucht gehalten wird, und die Beobachtung der Kupferbeschichtung. Alternativ kann das Teil 6 Minuten lang in die Lösung eingetaucht werden. Löst sich Eisen auf, entsteht eine Kupferbeschichtung. Dieser Test ist nicht für die Oberflächen von Teilen der Lebensmittelverarbeitung geeignet. Er sollte auch nicht bei martensitischen Stählen der 400er-Serie oder ferritischen Stählen mit niedrigem Chromgehalt angewendet werden, da dies zu falsch positiven Ergebnissen führen kann.
In der Vergangenheit wurde auch der 5%ige Salzsprühtest bei 35 °C zur Bewertung passivierter Proben verwendet. Dieser Test ist für einige Sorten zu streng und wird im Allgemeinen nicht benötigt, um die Wirksamkeit der Passivierung zu bestätigen.
Vermeiden Sie die Verwendung von überschüssigem Chlorid, da dies zu gefährlichen Stichflammen führen kann. Verwenden Sie nach Möglichkeit nur hochwertiges Wasser mit weniger als 50 ppm Chlorid. Leitungswasser ist in der Regel ausreichend und kann in manchen Fällen bis zu mehreren hundert ppm Chlorid vertragen.
Es ist wichtig, das Bad regelmäßig zu wechseln, um das Passivierungspotenzial nicht zu verlieren, da dies zu Blitzeinschlägen und Teileschäden führen kann. Das Bad muss auf der richtigen Temperatur gehalten werden, da unkontrollierte Temperaturen lokale Korrosion verursachen können.
Bei großen Produktionsläufen ist es wichtig, einen genau festgelegten Lösungswechselplan einzuhalten, um das Kontaminationsrisiko zu minimieren. Die Wirksamkeit des Bades wurde anhand einer Kontrollprobe getestet. Ist die Probe angegriffen, muss das Bad ausgetauscht werden.
Bitte beachten Sie, dass einige Maschinen nur Edelstahl produzieren. Verwenden Sie zum Schneiden von Edelstahl dasselbe bevorzugte Kühlmittel, unter Ausschluss aller anderen Metalle.
Die DO-Rackteile werden separat bearbeitet, um Metallkontakt zu vermeiden. Dies ist besonders wichtig für die Bearbeitung von Edelstahl, da leicht fließende Passivierungs- und Spüllösungen erforderlich sind, um Sulfidkorrosionsprodukte zu zerstreuen und die Bildung von Säurenester zu verhindern.
Aufgekohlte oder nitrierte Edelstahlteile dürfen nicht passiviert werden. Die Korrosionsbeständigkeit derart behandelter Teile kann so weit reduziert sein, dass sie im Passivierungsbad beschädigt werden können.
Verwenden Sie keine Eisenmetallwerkzeuge unter nicht besonders sauberen Werkstattbedingungen. Stahlspäne lassen sich durch den Einsatz von Hartmetall- oder Keramikwerkzeugen vermeiden.
Beachten Sie, dass im Passivierungsbad Korrosion auftreten kann, wenn das Teil nicht ordnungsgemäß wärmebehandelt wurde. Martensitische Werkstoffe mit hohem Kohlenstoff- und Chromgehalt müssen gehärtet werden, um Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.
Die Passivierung erfolgt üblicherweise nach einem anschließenden Anlassen bei korrosionsbeständigen Temperaturen.
Achten Sie auf die Salpetersäurekonzentration im Passivierungsbad. Regelmäßige Kontrollen sollten mit dem von Carpenter vorgeschlagenen Titrationsverfahren durchgeführt werden. Passivieren Sie nicht mehr als einen Edelstahl gleichzeitig. Dies verhindert kostspielige Verwechslungen und galvanische Reaktionen.
Über die Autoren: Terry A. DeBold ist F&E-Spezialist für Edelstahllegierungen und James W. Martin ist Spezialist für Stabmetallurgie bei Carpenter Technology Corp.(Reading, Pennsylvania).
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