Der ultimative Leitfaden zur Schwarzoxid-Beschichtung für Metalle
Was ist eine Schwarzoxid-Bichtung? Schwarzoxid ist ein chemisches Umwandlungsverfahren, das verwendet wird, um die Oberfläche eines Bauteils zu schwärzen, ohne…
Die Schwarzoxid-Beschichtung ist eine chemische Umwandlungsbeschichtung, die hauptsächlich für Eisenmetalle verwendet wird, sich jedoch auch für Edelstahl, Kupfer, Aluminium und Zink anpassen lässt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungen wie Pulverbeschichtung oder Galvanisierung wird bei Umwandlungsbeschichtungen weder Material hinzugefügt noch entfernt.
Stattdessen wandelt das Schwarzoxid-Finish die oberste Schicht eines Bauteils in eine attraktive, korrosionsbeständige und nicht reflektierende Oberfläche um. Der Prozess ist auch unter den Begriffen Schwärzen, Schwarzpassivierung, Oxidieren und Brünieren bekannt.
Allgemein bezeichnet Schwarzoxid oder Eisen(II,III)-oxid das Magnetit (Fe3O4), das entsteht, wenn ein Eisenmetall speziellen oxidierenden Chemikalien ausgesetzt wird. Es handelt sich um eine Umwandlungsbeschichtung, bei der sich die Metalloberfläche in ihr Oxid umwandelt. Die Schichtdicke eines fertigen Bauteils liegt zwischen ein und zwei Mikrometern.
Diese dünne Schicht an der Oberfläche bietet Vorteile wie erhöhten Korrosionsschutz, eine ansprechende Optik und eine glatte Oberfläche. Deshalb wird die Schwarzoxid-Beschichtung in zahlreichen Bereichen eingesetzt, etwa in der Automobilindustrie.
Das Schwärzungsverfahren eignet sich auch für einige Nichteisenmetalle wie Zink und Kupfer.
Schwarzoxid-Beschichtungen werden eingesetzt, um Korrosions- und Verschleißbeständigkeit zu erhöhen und gleichzeitig hohe Maßtoleranzen einzuhalten. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist der minimale Schichtaufbau, wodurch sich die Gesamtabmessungen des Bauteils nur geringfügig verändern.
Sie werden auf Teilen verwendet, die eine gewisse Abriebfestigkeit benötigen, da Schwarzoxid widerstandsfähiger ist als manche andere Oberflächen. Schwarzoxidierte Bauteile finden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie ebenso Verwendung wie bei der Herstellung von Handwerkzeugen und anderen Hardware-Komponenten. Auch bei Verbindungselementen wird Schwarzoxid eingesetzt, um deren Griffigkeit, Korrosionsschutz und Ästhetik zu verbessern.
Der Schwarzoxid-Beschichtungs- oder Schwärzungsprozess ist eine chemische Reaktion, bei der die Metalloberfläche mit chemischen Lösungen reagiert und so umgewandelt wird.
Der Prozess wird in drei Haupttypen unterteilt:
Das Heißschwärze-Verfahren findet bei einer erhöhten Temperatur von 141 °C statt und wandelt die Oberfläche des Eisenmaterials in Magnetit (Fe3O4) um. Magnetit ist von Natur aus schwarz, undurchsichtig und magnetisch; die Oberfläche wird dadurch schwarz.
Der gesamte Prozess besteht aus sieben Schritten:
Zu Beginn wird die Oberfläche mit einem geeigneten alkalischen Reinigungsmittel von Verunreinigungen wie Fett, Schmutz, Staub, Rost, Zunder, Fetten, Ölen und Mikroorganismen befreit. Die alkalische Lösung lässt sich zudem leicht abspülen.
Ein einfaches Wasserbad dient dazu, das Reinigungsmittel samt gelöster Verunreinigungen zu entfernen.
Das Beizen mit Säure entfernt Oxidfilme und Rostflecken. Ist dies nicht notwendig, kann dieser Schritt entfallen.
Anschließend wird die Säure durch erneutes Spülen restlos entfernt.
Die Teile werden in ein heißes Bad aus Natriumhydroxid, Nitraten und Nitriten getaucht. Diese Schwarzoxid-Verbindungen wandeln die oberste Schicht in Magnetit (Fe3O4) um.
Alternativ kann eine Eisen(III)-Chlorid-Lösung verwendet werden. In der Regel reicht eine 50%ige Schwarzoxid-Lösung aus.
Der Grad der Schwärzung hängt von der Tauchdauer ab. Anfangs erfolgt die Schwärzung schnell, für tiefere Schwarztöne ist längeres Tauchen nötig.
Nach der gewünschten Färbung werden die Teile erneut gespült, um Rückstände zu entfernen.
Dieser zusätzliche Schritt erhöht den Korrosionsschutz. Das Bauteil wird mit einem Versiegelungsmittel, meist Öl, behandelt, das die Poren der Schwarzoxidschicht ausfüllt und sie so abdichtet. Öl verleiht zudem einen glänzenden Look, während Wachs ein mattes Finish erzeugt. Die Versiegelung benötigt Zeit zum vollständigen Trocknen.
Nach Abschluss erhält das Metallbauteil eine attraktive schwarze Oberfläche. Lager werden häufig auf diese Weise geschwärzt.
Das Heißschwärze-Verfahren ist besonders für große Serien geeignet. Automatisierte Träger tauchen die Teile für festgelegte Zeiträume in die jeweiligen Bäder.
Es ist das gängigste Schwärzungsverfahren, birgt jedoch das Risiko von Dampfdurchschlägen, da die Temperatur über dem Siedepunkt von Wasser liegt.
Das Schwärzen kann auch unterhalb des Siedepunkts von Wasser durchgeführt werden. Erfolgt es zwischen 90 °C und 120 °C, spricht man vom Mittlere Temperatur-Schwarzoxid-Verfahren.
Dieses Verfahren erzeugt keine giftigen, ätzenden Dämpfe und ist daher sicherer für Mensch und Umwelt.
Beim Kalt-Schwarzoxid-Verfahren erfolgt die Behandlung bei Raumtemperatur zwischen 20 °C und 30 °C. Anders als bei den beiden anderen Verfahren findet keine Umwandlung der Oberfläche in ein Oxid statt.
Stattdessen lagert sich Kupferselenid auf der Oberfläche ab, das ebenfalls die charakteristische schwarze Farbe aufweist und eine optisch ähnliche Oberfläche erzeugt.
Der Film ist jedoch weicher und kann sich leichter ablösen. Daher ist auch hier eine Versiegelung nötig, um den Korrosionsschutz zu erhöhen.
Die genannten Verfahren funktionieren ausgezeichnet bei eisenbasierten Metallen wie Gusseisen und Baustahl. Es gibt jedoch auch Methoden zur Schwärzung anderer Materialien.
Beim Schwärzen von Kupfer wird die Oberfläche in Kupfer(II)-oxid (CuO) umgewandelt – bekannt als Ebonol C. Diese hochwertige Schicht hält Temperaturen bis zu 200 °C problemlos stand.
Wie bei Kohlenstoffstahl muss auch diese Schicht mit Öl, Lack oder Wachs versiegelt werden, um den Korrosionsschutz zu erhöhen.
Das Schwärzen von Zink erfolgt unter dem Handelsnamen Ebonol Z. Dabei wird das Zinkteil in eine alkalische Lösung bei 72 °C bis 82 °C getaucht.
Das Ergebnis ist eine tiefschwarze Oberfläche mit moderatem Korrosionsschutz.
Schwarzoxid wird oft eingesetzt, um die Reflexion von Edelstahl zu minimieren – beispielsweise bei chirurgischen Instrumenten. Dies verringert das Risiko von Fehlern, da das Licht nicht zurückstrahlt.
Für Edelstahl eignet sich das Mittlere Temperatur-Verfahren am besten. Es wird bei 93 °C bis 98 °C durchgeführt und erzielt eine Oberfläche, die mit der Heißschwärze vergleichbar ist. Es ist für Edelstahl der 200er, 300er und 400er Serien geeignet.
Die Schwarzoxid-Beschichtung ist ein Zwischenschritt zwischen Schutzbeschichtungen und Galvanisierung. Sie vereint viele Vorteile der Galvanotechnik, ist dabei jedoch günstiger und weniger aufwendig:
Viele entscheiden sich für Schwarzoxid wegen der ästhetischen Erscheinung. Die Schwärzung sorgt für eine saubere, gleichmäßige Oberfläche ohne Flecken. Je nach Versiegelung kann ein glänzendes oder mattes Finish erzielt werden.
Das Schwärzen ist günstiger als Galvanisieren oder Lackieren. Das Kaltverfahren kann sogar mit handelsüblichen Mitteln und Kunststoffbehältern zu Hause durchgeführt werden.
Die Bauteilgröße nimmt durch die Oxidschicht nur minimal zu – deutlich weniger als bei Lackierung oder Galvanisierung.
Die typische Schichtdicke beträgt ein bis zwei Mikrometer und ist somit fast vernachlässigbar. Daher eignet sich das Verfahren auch für Teile mit engen Toleranzen.
Die Schwarzoxid-Beschichtung verleiht dem Bauteil eine erstklassige Oberfläche, die nicht nur glatt, sondern auch schützend ist.
Eine geringe Lichtreflexion kann in vielen Anwendungen erforderlich sein, etwa bei chirurgischen Instrumenten oder Teilen für Strahlenanwendungen (UV- und IR-Sensoren).
Durch die verminderte Reflexion wird die Kontrolle und Präzision bei minimal-invasiven Eingriffen verbessert.
Die Schwarzoxid-Beschichtung verbessert den Korrosionsschutz, sofern eine Versiegelung verwendet wird. In aggressiven Umgebungen kann dennoch Korrosion auftreten.
Bei Edelstahl wird der Korrosionsschutz zusätzlich verstärkt, da das Material seine korrosionsbeständige Eigenschaft behält.
Schwarzoxid-Beschichtungen wirken dem Kaltverschweißen (Galling) entgegen. Sie verhindern also adhäsiven Verschleiß bei gleitender Beanspruchung zwischen Bauteilen.
Dadurch können sich Reibpartner besser einlaufen. Die Schwarzoxid-Schicht wird zwar geopfert, aber die Oberfläche wird verfestigt und weitere Abnutzung verhindert.
Die Schwarzoxidschicht hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten, insbesondere wenn sie mit Wachs oder Öl behandelt wird.
Die Schwarzoxid-Schicht bietet eine gewisse Abriebfestigkeit. Sie blättert nicht leicht ab und ist in manchen Anwendungen härter als das Grundmaterial. Die erhöhte Härte erleichtert den Umgang mit abrasiven Materialien.
Folgende Einschränkungen können den Einsatz von Schwarzoxid-Beschichtungen begrenzen:
Schwarzoxid bietet keinen herausragenden Korrosionsschutz. Wenn der Korrosionsschutz im Vordergrund steht, gibt es günstigere Alternativen.
Schwarzoxid-Beschichtungen sind weniger langlebig als andere Oberflächen und können sich abnutzen, sodass das Grundmaterial aggressiven Einflüssen – insbesondere Hitze – ausgesetzt ist. Zudem kann sich das Öl nach der Versiegelung verfärben und der Teil wirkt wie vorzeitig verrostet. Ist die Schicht beschädigt, ist eine Reparatur schwierig.
Daher wird Schwarzoxid nicht für Verbindungselemente empfohlen, die beispielsweise einen Motor sichern sollen.
