Cr / Fe-Verhältnis. Lexikon Pharmatechnologie - prozesstechnik online

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Cr / Fe-Verhältnis

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Siehe auch: Passivschichtmorphologie.

Chrom / Eisen-Verhältnis. Kennzeichnende Größe der chromoxidreichen Passivschicht auf der Oberfläche einer austenitischen Edelstahllegierung zur Beurteilung der Passivschichtqualität. Neben der Passivschichtdicke von austenitischen Edelstahllegierungen ist vor allem auch der morphologische (Morphologie) Aufbau der Schicht betreffend Bestandteilen und Zusammenlagerungsmechanismen von fundamentalem Interesse für den Mechanismus des Korrosionsschutzes durch die Passivschicht.

Die elementare Zusammensetzung der Schicht ist zum einen dem Auger-Tiefenprofil (Auger-Analyse) zu entnehmen und wird zum anderen betreffend der unmittelbaren Oberflächenbestandteile durch die Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) bestimmt.

Die ESCA-Analyse erlaubt dabei sowohl die verschiedenen Metalle als auch deren (oxidische) Verbindungen im Detail qualitativ – und mittels der Energiebanden der Verbindungen – quantitativ zu detektieren. Die Auswertung der ESCA-Analyse ergibt insofern durch elektronische Flächenintegration der Anzeigepeaks der verschiedenen Metalle / Metalloxide: Fe in %, Cr in %, Fe-Oxid in %, Cr-Oxid in %, Cr-Hydroxid in %.

Aus diesen Daten kann man folgende Verhältnisse ermitteln: Crtotal: Fetotal, Crmetallisch: Femetallisch, Cr-Oxid: Fe-Oxid. (total = metallischer + oxidischer + hydroxidischer-Anteil). Aufgrund dieser Ergebnisse lässt sich z. B. auch der in der Passivschicht vorliegende Anteil an freiem Fe rechnerisch ermitteln.

Die übliche Kennzahl von austenitischen Edelstahllegierungen Crtotal: Fe total erlaubt eine wesentliche Aussage über den Passivschichtaufbau, wobei vor allem Cr: Fe günstigerweise möglichst hohe Werte annehmen soll, z. B. 1.4404: elektrochemisch poliert: 1,8–3,0, metallblank bzw. mechanisch geschliffen: 1,01–1,08.

Diese Unterschiede werden bei näherer Betrachtung der erheblichen Unterschiede von Topographie, Morphologie und Energieniveau von elektropolierten und mechanisch polierten Oberflächen bei der Edelstahloberflächencharakterisierung relativ einsichtig. Grundsätzlich ist die Schichtqualität besser und stabiler, wenn Chrom die zunehmend dominante Matrixmaterialkomponente (Matrixmaterialkomposition) bildet, d. h. das Cr / Fe-Verhältnis (stabil hinsichtlich der gegebenen Umgebungsbedingungen) möglichst groß ist. Diese Einschränkung betreffend der Stabilität der Passivschicht (nämlich die Normierung der Schichtverhältnisse bzw. der Gleichgewichtsbedingungen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen) ist thermodynamisch vor allem deshalb von Bedeutung, um messwertverfälschende Oberflächenpräparationen, wie z. B. Eisenphosphatschichtbildungen etc., richtig einordnen zu können.

Eine weitere wesentliche Beurteilung des Passivschichtaufbaus betrifft den strukturellen Aufbau der Schicht aus den vorwiegend metalloxidischen Bestandteilen laut ESCA- / XPS-Analyse. Hier erkennt man für die Schicht im Gegensatz zum kristallin relativ streng geordneten Legierungsgefügeaufbau eine vorwiegend amorphe (ungeordnete) Schichtung, welche letztlich die optische Transparenz der Passivschicht erklärt. Dabei ist zu beachten, dass die Passivschicht einer permanenten Depassivierung und Repassivierung unterliegt und in Abhängigkeit von der Umgebung einen dynamischen Gleichgewichtszustand einnimmt. Speziell bei dicker gezüchteten Passivschichten (chemische oder elektrochemische Züchtung) erscheinen die Edelstahloberflächen nun plötzlich farbig, obgleich die Schicht unverändert eindeutig transparent ist. Die Farbwirkung erfolgt durch Lichtbrechung, wobei praktisch je nach Schichtdicke die Interferenzfarben des weißen Lichts erzeugt werden können, sobald die Schichtdicken über die Wellenlänge des natürlichen Lichts (ca. 5 nm) anwachsen. Diese Erscheinungen bestätigen den amorphen, transparenten strukturellen Aufbau der Passivschicht auf Edelstahloberflächen.

Die Schicht enthält auch entsprechende Spuren eingelagerter Feuchte, welche im Bedarfsfall durch entsprechende Trocknungsspülungen bzw. unter Erwärmung zu reduzieren ist.

© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie

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