Elektropolieren und chemische Oberflächenbehandlung von Edelstahl
Zusammenfassung
Vortrag von Dr. Olaf Böhme (POLIGRAT GmbH), Förderverein Fachschulen Galvano- und Leiterplattentechnik, Schwäbisch Gmünd, 09.03.2012 (54 Folien). Kerninhalt: Passivschicht-Aufbau und -Zerstörung auf Edelstahl, die Verfahren Reinigen/Beizen/Elektropolieren/Passivieren mit konkreten Badchemien und Abtragsraten sowie Messdaten zu Lochfraßpotenzialen.
Inhalt
Passivschicht – Grundlage der Korrosionsbeständigkeit
- Definition „Oberfläche“: endlich dicke Werkstoffschicht mit abweichendem Aufbau vom Grundwerkstoff (Beilby-Schicht).
- Passivschichten: nichtmetallisch, farblos transparent, oxidisch-kristallin, ca. 10 nm dick; Chrom-/Eisenoxide im Cr/Fe-Verhältnis 1:2 bis 2:1 (je nach Vorbehandlung).
- Halbleitereigenschaften: leiten Elektronen, sind Nichtleiter für Metallionen.
- Voraussetzungen guter Passivschichten: metallisch saubere Oberfläche, ausreichende/homogene Chromkonzentration, geringe Zugspannungen, Sauerstoff aus der Umgebung.
- Beeinflussbarkeit durch Oberflächenbehandlung: Zunder/Anlauffarben +++, Fremdkorrosion (Ferritkontamination) +++, Lochfraß ++, Spannungsrisskorrosion +; dagegen Flächen-, Spalt- und interkristalline Korrosion kaum (− bis −−).
Beizen (abtragend)
- Bestandteile: Flusssäure HF (0,3–8 %) löst Chromoxide; Oxidationsmittel (HNO₃, H₂O₂ oder Fe³⁺); starke Säure für den Metallabtrag.
- Abtrag meist ≤ 2 µm, Abtragsbeizen bis ~8 µm (Überbeizgefahr durch selektiven Korngrenzenangriff).
- Drei Verfahrensvarianten:
- HF/HNO₃ (HF 1–8 %, HNO₃ 8–20 %): Standard bei ~90 % der Anwendungen; nur für Legierungen mit Cr > 15 % (Austenite/Duplex); nitrose Gase + Nitrat im Abwasser.
- HF/H₂SO₄/H₂O₂ (je 1–5 %): ohne nitrose Gase, schwächerer Abtrag, Redoxpotential überwachen.
- HF/H₂O₂ zweistufig (neu): Aktivierung 2–5 min, dann H₂O₂ 200 g/l; geeignet für alle Gefüge ab 9 % Cr, Kreislauf-/Wertstoffrückgewinnung.
- Nach chemischem Beizen ist die Oberfläche aktiv/korrosionsanfällig → anschließend passivieren. Anodisches Beizen (HF-frei, meist H₃PO₄/H₂SO₄) erzeugt durch Sauerstoffentwicklung spontan eine erste Passivschicht; Abtrag stromdichte-/zeitgesteuert ohne Überbeizgefahr; lokal per Tampon (Schweißnahtbeizen); dicke Zunderschichten erfordern Spezialelektrolyte.
Elektropolieren
- Prinzip: „umgekehrtes Galvanisieren“ – Werkstück = Anode im Gleichstromkreis; chemisch nicht angreifender Elektrolyt löst Metall elektrochemisch ab, völlig belastungsfrei → spannungsfreie, passive Oberfläche.
- Duale Wirkung:
- makroskopisch: höhere Feldstärke an Ecken/Kanten → höherer Abtrag → Feinentgraten (Badentgraten);
- mikroskopisch: Einebnung durch „Polierfilm“, Minimierung der realen Oberfläche.
- Effekte: Cr- und Ni-Anreicherung an der Oberfläche um einige Prozent (optimale Passivschichtbildung); Sauerstoffanreicherung → spontane Passivierung direkt nach Abschalten des Stroms.
- Reale Oberfläche je 1 cm² geometrisch: elektropoliert ≈ 2,5 cm², geschliffen Korn 240 ≈ 17 cm².
- Verbesserte Eigenschaften: Korrosionsbeständigkeit, Reinigungsverhalten/Reinheit, Glätte/Glanz, Dauerfestigkeit, Reibung/Verschleiß, Löt-/Schweißbarkeit, galvanisierbare Oberfläche.
- Messreihe (1.4571, 0,1 M NaCl, 30 °C, potentiodynamisch): elektropoliertes Blech (Abtrag 20 µm) zeigt das höchste Lochfraßpotenzial aller neun Oberflächenzustände (geschliffen, gestrahlt, gebeizt).
Passivieren (nicht abtragend)
- Oxidierend: HNO₃ 15–30 %, 20–40 °C, 10–30 min; Kaliumbichromat nur für martensitische/niedrig legierte Stähle (stark giftig, krebserregend, erbgutschädigend).
- Chelat-Passivierung (POLINOX Protect): wässrige Komplex-/Chelatbildner, biologisch abbaubar, kein Gefahrstoff; 3–4 h bei 20–70 °C; alle Edelstähle ≥ 15 % Cr; repassiviert lokale Beschädigungen, reduziert Rouging, kein Einfluss auf das Finish.
Quellen
raw/Elektro-Polieren.pdf– Vortragsfolien (POLIGRAT, Schwäbisch Gmünd 09.03.2012)