Lässt sich Stahl eloxieren?
Auch wenn Metalle robust und vielseitig einsetzbar sind, sind ihre Oberflächen anfällig für Korrosion. Um diesem Problem entgegenzuwirken, werden einige Metalle mit einer Oxidschicht versehen. Dieses Eloxieren ist vor allem bei Nichteisenmetallen wie Aluminium gängige Praxis. Aber können auch Eisenmetalle wie Stahl eloxiert werden? Und wenn ja, wäre das sinnvoll?
Wir klären auf!:
Inhalt
Eloxieren – was ist das?
Beim Eloxieren handelt es sich um einen elektrochemischen Prozess, bei dem eine dünne Oxidschicht auf Metalle aufgebracht wird.
Diese Schicht ist zwischen 1,8 und 30 µm dünn und schützt die Oberfläche sowohl vor Korrosion als auch vor Verschleiß. Außerdem ermöglicht sie, die Oberfläche einzufärben und so optisch aufzuwerten.
Der Prozess der Anodisierung findet in einer Elektrolysezelle statt, die ein saures Medium wie Schwefel-, Oxal- oder Chromsäure enthält. Das Metall, das eloxiert werden soll, wird mit dem Pluspol verbunden und dient als Anode, während ein weiteres Metall als Kathode eingesetzt wird.
Wenn der Strom nun durch den Stromkreis fließt, kommt es an der Anode zu einer Oxidation.
Durch das Oxidieren des Materials entsteht eine Schutzschicht. Wichtig ist, dass die entscheidenden Parameter wie Temperatur, Spannung und Strom genau überwacht und kontrolliert werden.
Bei Aluminium und Aluminiumlegierungen ist das Eloxieren ein übliches Verfahren. Auch bei Titan und Magnesium funktioniert das Eloxieren, wenn auch unter etwas anderen Bedingungen. Bei Stahl hingegen sieht es anders aus.
Lässt sich also nun Stahl eloxieren?
Stahl ist eine Eisenlegierung. Wenn die Oberfläche oxidiert, bildet sich eine Schicht aus Eisenoxid, die landläufig als Rost bezeichnet wird. Im Unterschied zu schützenden Oxiden korrodiert die Rostschicht das eigentliche Material.
Würde Stahl in einem Säurebad eloxiert, wie es für andere Metalle verwendet wird, würde das die Bildung von Rost nicht vermeiden, sondern erst recht hervorrufen.
Trotzdem ist es technisch möglich, Stahl zu eloxieren. Im Labor wird dabei Zink, Aluminium oder Blei in einem alkalischen, nicht sauren Medium verwendet. Unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen bildet sich dann eine Magnetitschicht. Anders als Rost schützt Magnetit das Material.
Wie wird Stahl eloxiert?
Das Eloxieren von Stahl ist letztlich nur unter kontrollierten Bedingungen im Labor möglich.
Dabei gliedert sich das Verfahren in vier Schritte:
- Vorbehandlung: Eine sorgfältige Vorbehandlung ist bei Stahl wie auch bei Aluminium notwendig. Denn sie bestimmt, wie die Beschichtung später aussehen wird. Wichtig ist, dass die Oberfläche keine Mängel aufweist, gründlich gereinigt und poliert wurde. Zudem müssen alle Schweißarbeiten und Bohrungen abgeschlossen sein. Das Eloxieren ist der letzte Fertigungsschritt.
- Einrichten der Elektrolysezelle: Bei der Anodisierung von Stahl muss ein basisches Medium verwendet werden. Üblicherweise handelt es sich um 50 % Natriumhydroxid (Natronlauge) oder Kaliumhydroxid. Der Stahl wird in die alkalischen Elektrolyte eingetaucht. Ein anderes Metall wie Aluminium oder Blei dient als Kathode. Die Lösung muss die ganze Zeit über auf etwa 70 Grad gehalten werden, während ein Magnetrührer die gleichmäßige Verteilung sicherstellt.
- Eloxierung: Sobald an den beiden Elektroden Hochspannung anliegt, beginnt die elektrolytische Reaktion. Allmählich bildet sich auf der Oberfläche eine schwarze Schutzschicht aus Magnetit. Die Dicke der Beschichtung steigt proportional zur dritten Potenz der Eintauchzeit. Durch stärkere Spannungen und höhere Temperaturen kann der Beschichtungsprozess beschleunigt werden.
- Versiegelung: Die oberste eloxierte Schicht ist porös. Damit sie ihre Schutzwirkung entfalten kann, muss die Oberfläche deshalb versiegelt werden. Dazu wird das Metall bei einer sehr hohen Temperatur in deionisiertes Wasser eingetaucht. Dadurch schließen sich die Poren.
Welche Vorteile hat das Eloxieren von Stahl?
Die speziellen Bedingungen, die letztlich nur ein Labor gewährleisten kann, und die hohen Kosten machen das Eloxieren von Stahl zu einem Verfahren, das kommerziell kaum Anwendung findet. Trotzdem bringt es einige Vorteile mit sich.
Ein Pluspunkt ist die verbesserte Abriebfestigkeit. Wenn Metalle an einer Oberfläche reiben, führt das oft zu einem Verschleiß.
Eine chemisch eloxierte Schicht, die auf molekularer Ebene mit dem Metall verbunden ist, lässt sich nicht so leicht abkratzen. Dadurch wird die Metalloberfläche deutlich abrieb- und kratzfester.
Die Magnetitschicht besteht im Wesentlichen aus Eisen und Sauerstoff. Obwohl sie schwarz ist, kann sie einen Effekt erzeugen, der an einen Regenbogen erinnert.
Außerdem kann die eloxierte Schicht durch ihre poröse Beschaffenheit Farbstoffe absorbieren. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Farbe der Oberfläche anzupassen.
Als dritter und vielleicht wichtigster Vorteil kommt die bessere Haltbarkeit dazu. Eine blanke Stahloberfläche ist anfällig für Oxidation und Rost. Die Magnetitschicht unterbindet die weitere Oxidation. Zusammen mit der verbesserten Verschleißfestigkeit verlängert sich so die Lebensdauer des Metallteils.
Welche Alternativen zum Eloxieren gibt es bei Stahl?
Bei Aluminium ist das Eloxieren eine gängige Technik. In einem Säurebad entsteht eine harte und nicht-magnetische Schicht aus Aluminiumoxid, die die Korrosionsbeständigkeit verbessert.
Stahl und Eisen hingegen können auf die herkömmliche Weise nicht eloxiert werden. Denn ihre Oxidschichten weisen Rost auf, der dem Material eher schadet, als nützt.
Um Stahl zu eloxieren, muss eine basische Lösung zum Einsatz kommen. Unter kontrollierten Bedingungen, bei denen die Spannung und die Temperatur konstant gehalten werden müssen, bildet sich eine magnetische Schutzschicht aus Magnetit.
Weil dieses Verfahren aber aufwändig und teuer ist, ist es vor allem bei größeren Stückzahlen nicht wirtschaftlich. Stattdessen sind bei Stahl andere Methoden der Oberflächenbehandlung gängiger.
Eines dieser Verfahren ist die Passivierung. Dabei wird die Oberfläche mit einem milden Oxidationsmittel behandelt, um freies Eisen und Verunreinigungen zu entfernen. Gleichzeitig entsteht eine dünne, schützende Oxidschicht, die die Korrosionsbeständigkeit erhöht.
Eine andere Methode ist die Phosphatierung. Beim Phosphatieren wird Phosphorsäure auf den Stahl aufgetragen. Dadurch bildet sich eine Schicht aus Zink-, Eisen- oder Manganphosphat.
Obwohl die Beschichtung einen gewissen Korrosionsschutz bietet und die Reibung beweglicher Teile verringert, dient sie in erster Linie als Grundierung für eine weitere Beschichtung oder Lackierung.
Daneben gibt es noch das Elektropolieren.
Auch als umgekehrtes Galvanisieren bezeichnet, wird bei diesem Verfahren die äußere Metallschicht mithilfe einer elektrochemischen Lösung entfernt. Im Ergebnis wird die Stahloberfläche glatter.
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