Darstellung der Bildungsprinzipien (Mechanismen und Kinetik) zum Aufbau einer Passivschicht.
Die aktive (aktiver Bereich) Oberfläche einer austenitischen Edelstahllegierung – etwa nach dem chemischen Beizen mit HF + HNO3 – wobei die Passivschicht gezielt chemisch aufgelöst wurde – benötigt zum neuerlichen Aufbau der Passivschicht (Vorgang der Repassivierung) freien Sauerstoff.
Aufgrund der hohen Affinität von Chrom zu Sauerstoff bildet sich an der Oberfläche des Bauteils rasch (z. B. unter Verwendung von HNO3 als effektiv sauerstoffspendende, oxidierende Passivierungschemikalie) innerhalb 15–120 min infolge des chemiesorbierten Sauerstoffs eine stabile chromoxidreiche Passivschicht mit Einlagerungen von Eisenoxiden bis zu einer Dicke von 1–3 nm (ca. 1 nm bei metallblanken Oberflächen; bis 3 nm bei elektrochemisch polierten Oberflächen).
Der chemische Vorgang der Schichtbildung wird speziell hinsichtlich der Reaktionskinetik der Metalloxidbildung sowohl vom effektiven Sauerstoffangebot betreffend Menge und Reaktiviät als auch vom morphologischen (Morphologie) Zustand der Oberfläche wesentlich beeinflusst.
Sauerstoff in atomarer Form als O ist bei Raumtemperatur wesentlich reaktionsfreudiger als molekularer Sauerstoff O2, wie er etwa in Luft oder gelöst in Wasser vorliegt. Zudem ist atomarer Sauerstoff O im Hinblick auf die Penetration (Diffusion) dünner Werkstoffschichten zur dortigen Metalloxidbildung wesentlich beweglicher als O2. Dies erklärt z. B. die Ausbildung dickerer und auch kompakterer Passivschichten mit O und die zunehmenden oxidischen Anteile von Nickel und Molybdän in der Passivschicht.
Der morphologische Zustand der (aktiven) und zu passivierenden Oberfläche beeinflusst den Passivschichtaufbau in der Form, dass z. B. lokale elementare oder molekulare Verunreinigungen bzw. lokale strukturelle Anomalitäten die gezielte Metalloxidbildung erheblich behindern oder zumindest verzögern. Im Grenzfall ist es sogar möglich, dass die Schichtbildung (Passivierung) nicht bzw. nicht flächendeckend erfolgen kann, wenn die Oberfläche nicht die notwendige morphologische Reinheit bzw. Aktivität aufweist, die notwendig ist. Dies ist speziell bei durch mechanisches Schleifen hergestellten Oberflächen zu beachten, zumal diese meist eine Vielzahl morphologischer Störungen aufweisen (Wulffsche Oberflächenmorphologie), die den Passiviervorgang erheblich behindern, sodass derartige Oberflächen auch bei „intensiver” Passivierung hinsichtlich Konzentration der Passivierlösung, Temperatur und Einwirkzeit nur sehr beschränkte Passivschichtausbildungen bzgl. Schichtdicke und Cr/Fe-Verhältnis erzielen lassen.
© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie