Oxidschicht auf Metalloberflächen?

Die Frage geht an Metallurgen, Materialwissenschaftler und Chemiker. Wie lange dauert der Aufbau einer stabilen Oxidschicht auf verschiedenen Metallen? Wenn ich also zum Beispiel ein Stück Aluminium metallisch blank schleife, wie lange dauert es, bis sich wieder eine neue, stabile Oxidschicht an der Oberfläche bildet? In welchen Zeiträumen rechnet man da? Femtosekunden, Millisekunden, etc. Gibt es darüber Belege? In Fachschriften findet man nur Informationen von "spontan", "innerhalb Minuten", etc. Aber die konkrete Frage ist, wie lange man z.B. Zeit hätte, einen Klebevorgang auf dem blanken Metall auszuführen, bevor sich wieder eine relativ inaktive Oberflächenschicht bildet?

Answer 1

[segler1968]

Das hängt doch völlig von den Umständen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. ab. Und natürlich von der Beschaffenheit der Oberfläche.

Aber ich habe mal ChatGPT 4o1 für Dich gefragt:

Kurze Zusammenfassung

• Bei reaktiven Metallen (z. B. Aluminium, Magnesium) beginnt die Oxidation unmittelbar nach Freilegung der blanken Oberfläche und läuft in den ersten Millisekunden bis Sekunden sehr schnell ab, sodass innerhalb dieses Zeitraums bereits eine extrem dünne (oft nur wenige Nanometer dicke) Oxidschicht entsteht.

• Eine „stabile“ oder zumindest schützende Oxidschicht bildet sich in der Regel innerhalb von Sekunden bis Minuten, abhängig von Umgebungseinflüssen (Feuchte, Sauerstoffpartialdruck, Temperatur).

• Für Klebeprozesse und andere Oberflächen-Sensitivitäten bedeutet dies: Man hat oft nur ein recht kurzes Zeitfenster (Sekunden bis wenige Minuten), in dem die Oberfläche noch relativ „frisch“ ist und weniger stark oxidiert.

1. Warum ist das so schwer genau zu quantifizieren?

1. Unterschiedliche Definition von „stabiler Oxidschicht“

• In der Fachliteratur wird teils von einer „ersten Oxidschicht“ gesprochen, die sich quasi sofort bildet und nur wenige Atomlagen dick ist.

• Daneben kann sich über längere Zeit (Minuten bis Stunden) eine dickere oder dichtere Oxidschicht ausbilden, welche stabiler gegen weitere Reaktion ist.

2. Stark abhängige Randbedingungen

• Relative Luftfeuchte, Sauerstoffpartialdruck, Temperatur, Oberflächenzustand (Rauhigkeit, Verunreinigungen) und Legierungsbestandteile beeinflussen das Oxidationsverhalten erheblich.

• Selbst geringfügige Änderungen dieser Parameter können die Oxidationskinetik deutlich beschleunigen oder verlangsamen.

3. Messmethodische Herausforderung

• Viele Literaturquellen sprechen von „spontaner“ Bildung, weil man das Einsetzen der Oxidation mit konventionellen Methoden (z. B. Lichtmikroskopie) nicht in Echtzeit beobachten kann.

• Hochauflösende Analysemethoden (z. B. XPS, AES, TEM) belegen jedoch, dass der Oxidaufbau schon in den ersten Millisekunden stattfindet.

2. Beispiele verschiedener Metalle

2.1 Aluminium

• Sofortige Bildung erster Atomlagen

Frisch freigelegtes Aluminium reagiert äußerst schnell mit Sauerstoff und Wasserdampf in der Luft. Bereits nach Millisekunden sind die ersten Nanometer an Al2O3 vorhanden.

• Aufbau einer stabileren Oxidschicht

Innerhalb von Sekunden bis wenigen Minuten wächst die Oxidschicht oft auf einige Nanometer Dicke an, was bereits ein hohes Maß an Korrosionsschutz bewirkt.

• Dicke bei Standardbedingungen

Typischerweise 2–5 nm nach kurzer Zeit, später kann sie je nach Bedingungen bis auf 10–20 nm anwachsen (etwa bei höheren Temperaturen oder längerer Exposition).

2.2 Titan

• Ebenfalls sehr reaktiv

Titan bildet eine TiO2-Schicht, die ähnlich schnell wie Aluminium passiviert. Hier spricht man auch von Millisekunden bis Sekunden, bis die obersten Atomlagen oxidiert sind.

• Sehr dichte Passivschicht

Diese Schicht ist extrem dicht und inert, weshalb Titan so korrosionsbeständig ist.

2.3 Edelstahl (rostfreier Stahl)

• Chromoxid-Schicht

Bei sogenannten „rostfreien“ Stählen (z. B. 304, 316) ist es das Chrom im Stahl, das rasch eine dünne, aber dichte Cr2O3-Schicht bildet.

• Zeitfenster

Auch hier reden wir in erster Linie von Sekunden bis wenigen Minuten, bis eine erste schützende Passivschicht wiederhergestellt ist.

2.4 Magnesium

• Äußerst schnell oxidierend

Selbst bei Raumtemperatur reagiert Magnesium schnell mit Sauerstoff und (noch schneller) mit Wasser. Die Oxidschicht bleibt allerdings porös oder unvollständig, sodass Magnesium meist weniger korrosionsbeständig ist als Al oder Ti.

• Zeitmaßstab

Ebenfalls im Bereich Millisekunden bis Sekunden für die erste, dünne Oxidschicht.

3. Konkrete Zeitangaben und Quellen

1. Experimentelle Studien mit XPS/AES

• Studien zur Oxidation von Aluminiumoberflächen zeigen, dass man unmittelbar nach dem Abtrag (etwa per Argon-Sputtern oder Schleifen) schon im Vakuum (!) in wenigen Sekunden oxidierte Schichten erkennt, sobald Sauerstoffkontakt besteht.

• In der Praxis (d. h. in normaler Labor- oder Produktionsumgebung) ist die Zeit noch kürzer, da Luftfeuchte und Sauerstoff sofort in Kontakt mit dem Metall kommen.

2. Angaben aus der Klebetechnik

• In Klebeleitfäden von Aluminium (z. B. von Henkel, 3M) findet man die Empfehlung, die Oberfläche innerhalb von Minuten nach dem Schleifen/Beizen zu kleben oder zumindest durch geeignete Primer zu schützen.

• „Spontane Oxidation“ wird regelmäßig erwähnt, wobei man meist von Sekunden ausgeht, bis eine erste geschlossene Oxidschicht vorhanden ist.

3. Elektrochemische Untersuchungen

• Durch potentiodynamische Messungen kann man feststellen, dass sich das Korrosions- bzw. Passivierungsverhalten unmittelbar nach Freilegung der Oberfläche ändert. Aufschluss über die Dicke der Schicht geben diese Daten jedoch oft nur indirekt.

4. Praxisempfehlung für Klebevorgänge

1. Zeitfenster so kurz wie möglich halten

• Ideal ist es, wenn das Metall erst unmittelbar vor dem Klebevorgang (oder Beschichtungsprozess) vorbehandelt wird (z. B. Schleifen, Bürsten, Beizen).

• Direkter Auftrag von Klebstoff bzw. Primer sollte innerhalb von Sekunden bis maximal wenigen Minuten erfolgen.

2. Schutzmaßnahmen zwischen Oberflächenvorbereitung und Klebung

• Wenn sich Verzögerungen nicht vermeiden lassen:

• Lagerung unter Schutzgasatmosphäre (Argon, Stickstoff)

• Verwendung von temporären Haftvermittlern („Primern“)

• Abdecken mit geeigneten Folien oder Schutzlacken

3. Prozessintegration

• In der Industrie werden solche Vorbehandlungsschritte möglichst in-line in automatisierte Prozesse integriert, damit möglichst wenig Zeit zwischen dem Freilegen der Oberfläche und dem Fügen verstreicht.

5. Fazit

• Erste, dünnste Oxidschichten bilden sich je nach Metall innerhalb von Millisekunden bis Sekunden.

• Eine einige Nanometer dicke Schicht, die bereits als „Passivschicht“ gilt, entsteht meist innerhalb weniger Sekunden bis Minuten.

• Für Klebeprozesse (oder andere Reaktionen, bei denen eine möglichst oxidfreie Metalloberfläche von Vorteil ist) hat man dementsprechend meist nur ein sehr kurzes Zeitfenster. In der industriellen Praxis spricht man daher oft von „frisch vorbehandeln, sofort fügen“.

Kurz gesagt: Sie hätten in der Praxis allenfalls ein paar Sekunden, manchmal bis zu wenigen Minuten (je nach Metall und Bedingungen), bevor sich eine relativ dichte, inaktive Oxidschicht ausbildet. Im Zweifel sind es eher Sekunden als Minuten, weshalb viele Fachquellen das Zeitfenster so klein wie möglich angeben.

Comments

[Tutmosis]

Danke für die tolle Antwort! In der Praxis mache ich es immer so, daß ich die Metalloberfläche mit einem Diamant-Pad vollends blankschleife. Insgesamt ersetzen Klebeverbindungen bei uns immer mehr das klassische Schrauben.

Answer 2

[indiachinacook]

Unter realistischen Bedingungen würde ich schätzen ⪅Millisekunden. Es gibt einen Trick, ein Stück Aluminium durch Amalgamierung so zu präparieren, daß die Oxid­schicht nicht haftet; dann reagiert es binnen Sekunden zu makroskopischen Mengen Aliminiumoxid, die von der Oberfläche abblättern. Wenn Du ein Stück Natrium ab­schnei­dest, dann kannst Du der Oxidschicht in wenigen Sekunden beim Wachsen zu­sehen. Natürlich sind das besonders reaktive Metalle, vielleicht braucht es bei Titan länger.

Aber die Bedingungen sind dabei wichtig. Im Holleman–Wiberg steht, daß man Natri­um in reiner O₂-Atmosphäre schmelzen kann, ohne daß es seinen Metallglanz ver­liert. Unter realistischen Bedingungen würde einem das abfackeln, aber es geht, wenn man Wasserdampf fernhält; also scheint Wasser da als Katalysator zu wirken.

Gegenüber trockenem Sauerstoff ist Natrium zum Unterschied davon sehr bestän­dig und kann sogar in vollkommen wasserfreiem O₂ geschmolzen werden (Smp. 97.82 °C), ohne sich zu entzünden. 

Ob dasselbe auch f𝕦r die passivierenden Oxidschichten gilt, weiß ich nicht, würde es aber vermuten.