Februar 13, 2025

Die Passivierung von rostfreiem Stahl ist ein wichtiges Oberflächenbehandlungsverfahren in der industriellen Fertigung, insbesondere in stark nachgefragten Bereichen wie der Medizin-, Lebensmittel- und Schiffstechnik, das in direktem Zusammenhang mit der Korrosionsbeständigkeit, Sicherheit und Lebensdauer des Produkts steht. Herkömmliche Passivierungsverfahren, wie das chemische Beizen und die elektrolytische Behandlung, haben zwar bestimmte Wirkungen, aber auch Probleme wie starke Verschmutzung, hohe Kosten und starke Einschränkungen. Die Passivierung durch mechanisches Sandstrahlen mit keramischen Strahlperlen hat sich aufgrund des Umweltschutzes, der hohen Effizienz und der präzisen Kontrollierbarkeit zu einem neuen Trend in der Oberflächenbehandlung von Edelstahl entwickelt.

In diesem Artikel werden die Grundprinzipien der Passivierung von rostfreiem Stahl im Detail analysiert, gängige Methoden verglichen und die Schlüsselrolle der Keramikkugeln im Passivierungsprozess beleuchtet.

Unter Passivierung versteht man die Bildung einer dichten Chromoxidschicht (Cr₂O₃) auf der Oberfläche von nichtrostendem Stahl durch physikalische oder chemische Mittel. Diese Schicht ist in der Regel nur 1-5 Nanometer dick, aber sie spielt eine äußerst wichtige Schutzfunktion (Referenzquelle: Journal of Materials Science & Technology, 2021)

1. Isolierung korrosiver Medien: Verhinderung des Eindringens von Sauerstoff, Feuchtigkeit und Chloridionen, wodurch die elektrochemische Korrosion verlangsamt wird (Referenzquelle: Corrosion Science, 2020)
2. Verbesserung der Oberflächenstabilität: Reduzierung der aktiven Stellen und Verringerung der Metallionenauflösung durch Gitterumbau.
3. Erhöht die Verschleißfestigkeit: Die Härte des Oxidfilms kann HV 800-1200 erreichen, was wesentlich höher ist als die des freiliegenden Grundmetalls (Referenzquelle: Surface and Coatings Technology)

Das Passivierungsverfahren ist in vielen Industriezweigen zwingend erforderlich, vor allem um die Korrosionsbeständigkeit und Sauberkeit von Edelstahlprodukten zu verbessern. Zum Beispiel:

• Medizinische Geräteindustrie: Die ASTM F86 schreibt vor, dass chirurgische Instrumente nach der Passivierung einen Salzsprühtest von ≥500 Stunden bestehen müssen, um sicherzustellen, dass die Oberfläche rostfrei ist.
• Lebensmittelindustrie: FDA 21 CFR 175.300 schreibt vor, dass Oberflächen aus rostfreiem Stahl, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, passiviert werden müssen, um mikrobielles Wachstum und Lebensmittelkontamination zu verhindern.
• Meerestechnik: Die Norm ISO 9227 schreibt vor, dass die Porosität der Passivierungsschicht auf der Edelstahloberfläche in einer stark salzhaltigen Umgebung weniger als 1% betragen muss, um Lochfraß zu vermeiden.

Die Frage, wie eine hochwertige Passivierung effizient und umweltfreundlich erreicht werden kann, bleibt jedoch eine wichtige Herausforderung für die Industrie.

Derzeit werden bei der Passivierung von rostfreiem Stahl hauptsächlich drei Methoden angewandt: die chemische Passivierung, die elektrolytische Passivierung und die mechanische Passivierung (Sandstrahlen), die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben.

Das Prinzip: Verwenden Sie Salpetersäure (20%-50%) oder Zitronensäure (4%-10%), um Eisenelemente an der Oberfläche zu entfernen und eine chromreiche Oxidschicht zu bilden.

Vorteile: geringe Kosten, geeignet für Werkstücke mit einfachen geometrischen Formen.

Benachteiligungen:

1. Abwasser enthält Schwermetalle, und die Behandlungskosten sind hoch (Quelle: Environmental Science & Technology)
2. Sie kann Mikrorisse auf der Oberfläche verursachen und die Korrosionsbeständigkeit verringern (die Korrosionsrate einer bestimmten Automobilfabrik stieg nach dem Beizen um 15%).

Das Prinzip: Das Werkstück wird in den Elektrolyten eingetaucht und unter Strom gesetzt, um eine gleichmäßige Oxidschicht zu bilden.

Vorteile: Die Schicht ist gleichmäßig und kontrollierbar (1-10nm) und eignet sich für hochpräzise elektronische Bauteile.

Benachteiligungen:

1. Hohe Ausrüstungsinvestitionen (einzelne Geräte ≥ 50.000 US-Dollar).
2. Hoher Energieverbrauch (Leistungsaufnahme ≥ 20 kW pro Stunde, Referenzquelle: Journal of Materials Processing Technology)

Das Prinzip: Sandstrahlen entfernt Schadstoffe, aktiviert die Oberfläche und fördert die natürliche Oxidation von Cr₂O₃.

Vorteile:

1. Keine chemische Verschmutzung, in Übereinstimmung mit den ISO 14001-Umweltschutznormen.
2. Die kontrollierbare Oberflächenrauhigkeit (Ra 0,2-2,5µm) verbessert die Haftung der Oxidschicht.

Herausforderungen:

Die Sandstrahlparameter (Druck, Winkel, Auswahl der Strahlmittel) müssen genau kontrolliert werden.

Die Rollwirkung kugelförmiger Partikel: Keramikkugeln (Sphärizität ≥ 95%) schälen den Oxidbelag durch Rollreibung ab, wodurch Schneidschäden durch kantige Medien (wie Aluminiumoxid) vermieden werden.

Präzise Klassifizierung der Partikelgröße:

• B60 (60-100µm): Reinigung von dicken Oxidschichten und Schweißschlacke.
• B120 (20-40µm): Entfernung von leichten Flecken und Fingerabdruckrückständen.
• B205 (5-10µm): ultrafeines Polieren.

Nach dem Sandstrahlen bilden sich auf der Oberfläche gleichmäßige Vertiefungen (0,5-2 µm), und die spezifische Oberfläche erhöht sich um 30%, was die Oxidationsreaktion fördert.

Effekt der Gitterverzerrung: Sandstrahlwirkung erhöht die Cr-Diffusionsrate und verbessert die Korrosionsbeständigkeit (Referenzquelle: Acta Materialia)

Medizinische Geräteindustrie

• Problem: Das Beizen verursacht interkristalline Korrosion von Implantaten mit einer Ausschussrate von 12%.
• Lösung: B120 Keramikperlen + Zitronensäurepassivierung.
• Ergebnis: Die Ausschussrate sank auf 0,5%, und die Bestehensrate des Salzsprühtests erreichte 99,5%.

Lebensmittelgärtankindustrie

• Problem: Die Rückstände herkömmlicher Sandstrahlmittel verursachen einen Überschuss an Mikroorganismen.
• Lösung: B60-Keramikperlen + Hochdruckwasserwäsche.
• Ergebnis: Die Kolonie wurde um 92% reduziert, was den FDA-Standards entspricht.

Zusammenfassung:

Keramische Perlen lösen systematisch die sechs Probleme der traditionellen Passivierung durch den Dreischritt von physikalischer Reinigung - Oberflächenaktivierung - Oxidationsverstärkung und erreichen ein Dreiecksverhältnis von Effizienz, Kosten und Qualität.

Parameter des Sandstrahlens:

Materialhärte ≤HRC 30: B120 Keramikkugeln, PSI=80, Einfallswinkel 30°.

Materialhärte＞HRC 30: B60-Keramikkugeln, PSI=120, Auftreffwinkel 45°.

Qualitätsprüfungsstandard: Weißer Handschuh Test hat keine Verschmutzung Rückstand, und Rauheit Meter Test Ra erfüllt die Norm.

Chemische Verstärkung (optional):

• lNitronensäurepassivierung: Konzentration 20%, Temperatur 25℃, 20 Minuten einweichen.
• lZitronensäurepassivierung: Konzentration 10%, Temperatur 40℃, 30 Minuten einweichen.

Oxidationskontrolle: Echtzeit-Überwachung des ORP (Oxidations-Reduktions-Potential) zur Aufrechterhaltung von 200-300mV.

Kupfersalztest: Gemäß der Norm ASTM A380 gilt die Oberfläche als qualifiziert, wenn keine Kupferablagerungen vorhanden sind.

XPS-Analyse: Cr₂O₃ macht ≥18% aus (unbehandelte Teile sind normalerweise ≤12%).

Keramische Strahlperlen optimieren die Passivierung von rostfreiem Stahl durch eine dreistufige Methode der Reinigung, Aktivierung und Verfestigung, wodurch sie in der Medizin-, Lebensmittel-, Schifffahrts- und anderen Industrien weit verbreitet sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden verbessern keramische Perlen nicht nur die Qualität der Passivierungsschicht, sondern reduzieren auch die Umweltverschmutzung und die Produktionskosten, was einen nachhaltigeren Entwicklungspfad für die Industrie darstellt.