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Präzisionsprototyp mit schwarzer Oxidation

Schwarzoxid oder Schwärzung ist eine Umwandlungsbeschichtung für Eisenwerkstoffe, Edelstahl, Kupfer und kupferbasierte Legierungen, Zink, pulverförmige Metalle und Silberlot.[1]Es wird verwendet, um eine leichte Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, das Erscheinungsbild zu verbessern und die Lichtreflexion zu minimieren.[2]Um eine maximale Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, muss das schwarze Oxid mit Öl oder Wachs imprägniert werden.[3]Einer seiner Vorteile gegenüber anderen Beschichtungen ist die minimale Ablagerung.
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1. Eisenmaterial
Ein standardmäßiges schwarzes Oxid ist Magnetit (Fe3O4), das an der Oberfläche mechanisch stabiler ist und einen besseren Korrosionsschutz bietet als rotes Oxid (Rost) Fe2O3.Moderne industrielle Ansätze zur Bildung von Schwarzoxid umfassen die unten beschriebenen Heiß- und Mitteltemperaturprozesse.Das Oxid kann auch durch einen elektrolytischen Prozess beim Anodisieren gebildet werden.Traditionelle Methoden werden im Artikel zum Bläuen beschrieben.Sie sind historisch gesehen von Interesse und auch für Bastler nützlich, um mit wenig Ausrüstung und ohne giftige Chemikalien sicher Schwarzoxid herzustellen.

Das unten ebenfalls beschriebene Niedertemperaturoxid ist keine Konversionsbeschichtung – der Niedertemperaturprozess oxidiert das Eisen nicht, sondern scheidet eine Kupfer-Selen-Verbindung ab.

1.1 Heißes schwarzes Oxid
Heiße Bäder aus Natriumhydroxid, Nitraten und Nitriten bei 141 °C (286 °F) werden verwendet, um die Oberfläche des Materials in Magnetit (Fe3O4) umzuwandeln.Dem Bad muss regelmäßig Wasser hinzugefügt werden, wobei geeignete Kontrollen erforderlich sind, um eine Dampfexplosion zu verhindern.

Beim Heißschwärzen wird das Teil in verschiedene Becken getaucht.Das Werkstück wird üblicherweise von automatisierten Teileträgern für den Transport zwischen den Tanks „eingetaucht“.Diese Tanks enthalten der Reihe nach alkalischen Reiniger, Wasser, Natronlauge bei 140,5 °C (284,9 °F) (die Schwärzungsverbindung) und schließlich das Dichtmittel, bei dem es sich normalerweise um Öl handelt.Die Natronlauge und die erhöhte Temperatur führen dazu, dass sich auf der Oberfläche des Metalls Fe3O4 (schwarzes Oxid) anstelle von Fe2O3 (rotes Oxid; Rost) bildet.Während es physikalisch dichter als rotes Oxid ist, ist das frische schwarze Oxid porös, daher wird dann Öl auf den erhitzten Teil aufgetragen, der ihn versiegelt, indem es darin „einsinkt“.Die Kombination verhindert Korrosion des Werkstücks.Das Schwärzen bietet viele Vorteile, vor allem:

Das Schwärzen kann in großen Mengen erfolgen (ideal für Kleinteile).
Es gibt keinen nennenswerten Einfluss auf die Abmessungen (durch den Schwärzungsprozess entsteht eine etwa 1 µm dicke Schicht).
Es ist weitaus günstiger als vergleichbare Korrosionsschutzsysteme wie Lackieren und Galvanisieren.
Die älteste und am weitesten verbreitete Spezifikation für heißes Schwarzoxid ist MIL-DTL-13924, die vier Prozessklassen für verschiedene Substrate abdeckt.Zu den alternativen Spezifikationen gehören AMS 2485, ASTM D769 und ISO 11408.

Mit diesem Verfahren werden Drahtseile für Theateranwendungen und Flugeffekte geschwärzt.

1.2 Schwarzoxid bei mittlerer Temperatur
Wie heißes Schwarzoxid wandelt auch Schwarzoxid mittlerer Temperatur die Oberfläche des Metalls in Magnetit (Fe3O4) um.Mitteltemperaturschwarzes Oxid schwärzt jedoch bei einer Temperatur von 90–120 °C (194–248 °F), deutlich weniger als heißes Schwarzoxid.Dies ist von Vorteil, da der Siedepunkt der Lösung unterschritten wird und somit keine ätzenden Dämpfe entstehen.

Da Schwarzoxid bei mittlerer Temperatur am ehesten mit heißem Schwarzoxid vergleichbar ist, kann es auch die Militärspezifikation MIL-DTL-13924 sowie AMS 2485 erfüllen.

1.3Kaltes schwarzes Oxid
Kaltschwarzoxid, auch Raumtemperaturschwarzoxid genannt, wird bei einer Temperatur von 20–30 °C (68–86 °F) aufgetragen.Es handelt sich nicht um eine Oxidkonversionsschicht, sondern um eine abgeschiedene Kupfer-Selen-Verbindung.Kaltbrünieren bietet eine höhere Produktivität und ist praktisch für das Schwärzen im eigenen Haus.Diese Beschichtung erzeugt eine ähnliche Farbe wie die Oxidumwandlung, neigt jedoch dazu, sich leicht abzureiben und bietet eine geringere Abriebfestigkeit.Durch die Anwendung von Öl, Wachs oder Lack wird die Korrosionsbeständigkeit auf das Niveau heißer und mittlerer Temperaturen gebracht.Eine Anwendung für den Prozess der Kaltbrünierung wäre der Werkzeugbau und die architektonische Endbearbeitung von Stahl (Patina für Stahl).Es wird auch Kaltbrünieren genannt.

2. Kupfer
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Schwarzes Kupferoxid, manchmal auch unter dem Handelsnamen Ebonol C bekannt, wandelt die Kupferoberfläche in Kupferoxid um.Damit das Verfahren funktioniert, muss die Oberfläche mindestens 65 % Kupfer enthalten;Bei Kupferoberflächen, die weniger als 90 % Kupfer enthalten, muss diese zunächst mit einer aktivierenden Behandlung vorbehandelt werden.Die fertige Beschichtung ist chemisch stabil und sehr haftfest.Es ist bis zu 204 °C (400 °F) stabil;Oberhalb dieser Temperatur verschlechtert sich die Beschichtung aufgrund der Oxidation des Grundkupfers.Um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, kann die Oberfläche geölt, lackiert oder gewachst werden.Es wird auch als Vorbehandlung zum Lackieren oder Emaillieren verwendet.Die Oberfläche ist normalerweise satiniert, kann aber durch Auftragen einer klaren Hochglanzlackierung glänzend gemacht werden.

Auf der Oberfläche bilden sich im mikroskopischen Maßstab Dendriten, die Licht einfangen und die Absorptionsfähigkeit erhöhen.Aufgrund dieser Eigenschaft wird die Beschichtung in der Luft- und Raumfahrt, Mikroskopie und anderen optischen Anwendungen eingesetzt, um Lichtreflexionen zu minimieren.

Bei Leiterplatten (PCBs) sorgt die Verwendung von Schwarzoxid für eine bessere Haftung der Glasfaserlaminatschichten.Das PCB wird in ein Bad getaucht, das Hydroxid, Hypochlorit und Cuprat enthält, wodurch alle drei Komponenten abgereichert werden.Dies weist darauf hin, dass das schwarze Kupferoxid teilweise aus dem Cuprat und teilweise aus den Kupferschaltkreisen der Leiterplatte stammt.Bei mikroskopischer Untersuchung ist keine Kupfer(I)-Oxidschicht zu erkennen.

Eine anwendbare US-Militärspezifikation ist MIL-F-495E.

3. Edelstahl
Heißes Schwarzoxid für Edelstahl ist eine Mischung aus ätzenden, oxidierenden und schwefelhaltigen Salzen.Es schwärzt die Serien 300 und 400 sowie die ausscheidungsgehärteten Edelstahllegierungen 17-4 PH.Die Lösung kann auf Gusseisen und Weichstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt verwendet werden.Die resultierende Oberfläche entspricht der Militärspezifikation MIL-DTL–13924D Klasse 4 und bietet Abriebfestigkeit.Bei chirurgischen Instrumenten wird in lichtintensiven Umgebungen eine schwarze Oxidbeschichtung verwendet, um die Ermüdung der Augen zu verringern.

Die Schwärzung von Edelstahl bei Raumtemperatur erfolgt durch eine autokatalytische Reaktion der Ablagerung von Kupferselenid auf der Edelstahloberfläche.Es bietet eine geringere Abriebfestigkeit und den gleichen Korrosionsschutz wie das Heißbrünierungsverfahren.Eine Anwendung für die Schwärzung bei Raumtemperatur sind architektonische Oberflächen (Patina für Edelstahl).

4. Zink
Schwarzoxid für Zink ist auch unter dem Handelsnamen Ebonol Z bekannt. Ein weiteres Produkt ist Ultra-Blak 460, das verzinkte und verzinkte Oberflächen schwärzt, ohne Chrom und Zinkdruckguss zu verwenden.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 23. November 2021