Passivierung ist Der Vorgang der Passivierung von Metallen bedeutet die Bildung dünner Schichten auf der Oberfläche zum Schutz vor Korrosion

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Herkömmliche Methoden zum Schutz von Metallen vor Korrosion erfüllen immer weniger die technischen Anforderungen, die an die Leistungseigenschaften kritischer Strukturen und Materialien gestellt werden. Tragbalken in Hauszargen, Rohrleitungen und Metallverkleidungen kommen im Dauereinsatz des Produktes allein nicht ohne mechanischen Rostschutz aus. Ein wirksamerer Ansatz zum Korrosionsschutz ist das elektrochemische Verfahren und insbesondere die Passivierung. Dies ist eine der Möglichkeiten, aktive Lösungen zu verwenden, die einen schützenden und isolierenden Film auf der Oberfläche des Werkstücks bilden.

Technologieübersicht

Passivierung ist als Prozess der Bildung eines dünnen Films auf einer Metalloberfläche zu verstehen, dessen Struktur sich ergibtzeichnet sich durch hohe Widerstandsfähigkeit aus. Darüber hinaus können die Funktionen dieser Beschichtung unterschiedlich sein – zum Beispiel in Batterieelektrolyten verlängert sie nicht nur die Lebensdauer der Elektroden, sondern reduziert auch die Intensität der Selbstentladung. Aus Sicht des Korrosionsschutzes ist die Passivierung eine Möglichkeit, die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber einer aggressiven Umgebung zu erhöhen, die die Entwicklung von Rost provoziert. Derselbe Mechanismus der Bildung einer schützenden isolierenden Beschichtung kann unterschiedlich sein. Elektrochemische und chemische Verfahren unterscheiden sich grundlegend, aber in beiden Fällen wird das Endergebnis der Übergang der äußeren Struktur des Werkstücks in einen chemisch inaktiven Zustand sein.

Prinzip des elektrochemischen Korrosionsschutzes

Der Schlüsselfaktor bei der elektrochemischen Passivierung ist die Wirkung eines externen Stroms auf die Targetoberfläche. Im Moment des Durchgangs des Kathodenstroms durch die korrodierende Metallstruktur ändert sich sein Potential in die negative Richtung, was auch die Art des Ionisierungsprozesses der Werkstückmoleküle ändert. Bei anodischer Belichtung von der Seite eines externen Polarisators (typisch für saure Medien) kann eine Stromerhöhung erforderlich sein. Dies ist notwendig, um den Polarisator zu unterdrücken und anschließend einen vollen Korrosionsschutz zu erreichen. Mit zunehmender Passivierung der Oberfläche durch Außenstrom steigt jedoch die Freisetzung von Wasserstoff, was zu einer Hydrierung des Metalls führt. Als Folge beginnt der Prozess der Wasserstoffauflösung in der Metallstruktur, gefolgt von einer Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Werkstücks.

KathodeSchutzmethode

Dies ist eine Art elektrochemischer Korrosionsschutz, der die Technik des Anlegens von kathodischem Strom verwendet. Aber diese Methode kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Beispielsweise wird in manchen Fällen in der Produktion für eine ausreichende Potentialverschiebung gesorgt, indem das Bauteil an eine externe Stromquelle als Kathode angeschlossen wird. Die Anode ist eine inerte Hilfselektrode. Diese Methode führt eine Passivierung von Nähten nach dem Schweißen durch, schützt Metallplattformen von Bohrstrukturen und unterirdischen Rohrleitungen. Zu den Vorteilen der kathodischen Passivierung gehört die effiziente Unterdrückung verschiedener Arten von Korrosionsprozessen.

Neben allgemeinen Rostschäden wird Lochfraß und interkristalline Korrosion verhindert. Solche Methoden der kathodischen elektrochemischen Wirkung wie Schutz- und Galvanik werden ebenfalls praktiziert. Das Hauptmerkmal dieser Ansätze ist die Verwendung eines elektronegativeren Metalls als Polarisator. Dieses Element steht mit dem geschützten Produkt in Kontakt und fungiert als Anode, die während des Betriebs zerstört wird. Ähnliche Methoden werden normalerweise verwendet, wenn kleine Strukturen, Gebäudeteile und Strukturen isoliert werden.

Anodenschutzmethode

Bei der anodischen Isolierung von Metallteilen verschiebt sich das Potential in positive Richtung, was ebenfalls zur Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegenüber Korrosionsprozessen beiträgt. Ein Teil der Energie des angelegten Anodenstroms wird für die Ionisierung von Metall aufgewendetMoleküle und der andere Teil - um die kathodische Reaktion zu unterdrücken.

Zu den negativen Faktoren dieses Ansatzes gehört die hohe Auflösungsgeschwindigkeit des Metalls, die mit der Reduktionsgeschwindigkeit der Korrosionsreaktion nicht zu vergleichen ist. Andererseits hängt viel von dem Metall ab, auf das die Passivierung angewendet wird. Dies können sowohl sich aktiv auflösende Materialien als auch Teile mit unvollständigen elektronischen Schichten sein, deren Struktur im passiven Zustand auch zu Brems- und Zerstörungsreaktionen beiträgt. Um jedoch einen signifikanten Korrosionsschutz zu erzielen, ist in jedem Fall die Verwendung großer Anodenströme erforderlich.

Aus dieser Sicht ist dieses Verfahren zur kurzzeitigen Isolationserh altung nicht empfehlenswert, jedoch rechtfertigen geringe Energiekosten für die Aufrechterh altung des überlagerten Stroms eine anodische Passivierung voll und ganz. Übrigens benötigt das gebildete Schutzsystem zukünftig nur noch eine Stromstärke von 10-3 A/m2.

Verwendung chemischer Hemmstoffe

Ein alternativer technologischer Ansatz zur Erhöhung der Beständigkeit von Metallen beim Betrieb in aggressiven Umgebungen. Inhibitoren sorgen für eine chemische Passivierung, die die Auflösungsintensität von Metallen verringert und in unterschiedlichem Maße die schädlichen Auswirkungen von Korrosionsschäden beseitigt.

An sich ist ein Inhibitor gewissermaßen ein Analogon des überlagerten Stroms, jedoch mit einer chemischen oder elektrochemischen kombinierten Wirkung. Organische und anorganische Substanzen wirken als Aktivatoren des Schutzfilms und häufiger -speziell ausgewählte Komplexverbindungen. Das Einbringen eines Inhibitors in eine aggressive Umgebung verursacht Veränderungen in der Struktur der Metalloberfläche, die die kinetischen Elektrodenreaktionen beeinflussen.

Die Wirksamkeit des Schutzes hängt von der Art des Metalls, den äußeren Bedingungen und der Dauer des gesamten Prozesses ab. Die Passivierung von Edelstahl erfordert also langfristig mehr Energieressourcen, um einer aggressiven Umgebung entgegenzuwirken, als dies bei Messing oder Eisen der Fall ist. Aber auch der Wirkmechanismus des Inhibitors selbst wird noch eine Schlüsselrolle spielen.

Inhibitoren-Passivatoren

Aktiver Korrosionsschutz nach dem Prinzip der passiven Widerstandsbildung kann durch verschiedene Inhibitoren gebildet werden. So sind Adsorptionsverbindungen in Form von Anionen, Kationen und neutralen Molekülen weit verbreitet, die auf einer Metalloberfläche chemisch und elektrostatisch wirken können. Dies sind universelle Mittel zum Korrosionsschutz, ihre Wirkung wird jedoch in Umgebungen reduziert, in denen die Sauerstoffpolarisation dominiert. Zum Passivieren von Edelstahl muss beispielsweise ein spezieller Inhibitor mit oxidierenden Eigenschaften verwendet werden. Dazu gehören Molybdate, Nitrite und Chromate, die einen Oxidfilm mit einer positiven Polarisationsverschiebung erzeugen, die ausreicht, um Sauerstoffmoleküle freizusetzen. Auf der Metalloberfläche findet eine Chemisorption der entstehenden Sauerstoffatome statt, wodurch die aktivsten Bereiche der Beschichtung blockiert werden und ein zusätzliches Potenzial entsteht, um die Auflösungsreaktion der Metallstruktur zu verlangsamen.

Der Einsatz der Passivierung beim Schutz von Halbleitern

Der Betrieb von Halbleiterbauelementen unter Hochspannung erfordert eine besondere Vorgehensweise beim Korrosionsschutz. In solchen Fällen drückt sich die Passivierung des Metalls in der kreisförmigen Isolierung des aktiven Bereichs des Teils aus. Mit Dioden und Bipolartransistoren wird ein elektrischer Flankenschutz gebildet. Bei der planaren Passivierung wird neben der Beschichtung der kristallinen Oberfläche mit Glas ein Schutzring erzeugt. Ein weiteres Verfahren der Mesa-Passivierung beinh altet die Bildung einer Rille, um das maximal zulässige Spannungsniveau auf der Oberfläche eines strukturellen Metallkristalls zu erhöhen.

Modifikation der Korrosionsschutzfolie

Die durch die Passivierung entstandene Beschichtung ermöglicht vielfältige zusätzliche Verstärkungen. Dies kann Plattieren, Verchromen, Lackieren und Erstellen eines Konservierungsfilms sein. Verfahren zur zusätzlichen Verstärkung des Korrosionsschutzes als solche werden ebenfalls verwendet. Für Zinkbeschichtungen werden spezielle Lösungen auf Basis von Polymer- und Chromkomponenten entwickelt. Für einen normalen verzinkten Eimer können zum Spülen nicht reaktive Zusätze verwendet werden.

Schlussfolgerung

Korrosion ist ein zerstörerischer Prozess, der sich auf unterschiedliche Weise manifestieren kann, aber in jedem Fall zur Verschlechterung bestimmter Betriebseigenschaften des Metalls beiträgt. Es ist möglich, das Auftreten solcher Prozesse auf verschiedene Weise auszuschließen, ebenso wie die Verwendung von Edelmetallen, die sich durch eine anfängliche Reduktion auszeichnenRostempfindlichkeit. Aus bestimmten wirtschaftlichen und technologischen Gründen ist jedoch die Verwendung von Standard-Korrosionsschutz oder die Verwendung von Metallen mit hoher Korrosionsbeständigkeit nicht immer möglich.

Die optimale Lösung in solchen Fällen ist die Passivierung - es ist eine relativ kostengünstige und effektive Methode zum Schutz von Metallen verschiedener Art. Einigen Berechnungen zufolge kann eine Elektrode mit einem richtig ausgewählten Inhibitor ausreichen, um eine 8 Kilometer lange unterirdische Pipeline vor Korrosion zu schützen. Die Nachteile äußern sich in der prinzipiellen technischen Komplexität des Einsatzes elektrochemischer Passivierungsverfahren.