Brünieren
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| Bereich | Beschichten von Bauteilen | ||
| Titel | Brünieren von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen - Anforderungen und Prüfverfahren | ||
| Letzte Ausgabe | Januar 2018 | ||
Brünieren (von französisch brunir ‚bräunen‘) dient der Bildung einer dünnen Schutzschicht auf eisenhaltigen Oberflächen, um Korrosion zu vermindern, Farbe und Reflexionsvermögen zu verändern, oder um bei speziell dafür angepassten Prozessen tribologische Eigenschaften zu verbessern (z. B. für Wälzlager). Durch Eintauchen der Werkstücke in heiße alkalische Lösungen (Hauptbestandteile meist Natronlauge und Natriumnitrit bei bis zu 150 °C), in Sonderfällen auch mittels Salzschmelzen oder besonderen Ofenatmosphären, bilden sich schwarze Mischoxidschichten aus Eisen(II,III)-oxid. Schwarzes Magnetit Fe3O4 ist die 1:1 Mischung aus FeO und Fe2O3. Tendiert die Farbe zu braun, ist ein Überschuss von Fe2O3 enthalten. ⓘ
Die Brünierung ist keine echte Beschichtung, denn es wird keine zusätzliche Schicht auf das Material aufgetragen. Vielmehr wird die bereits bestehende Oberfläche umgewandelt. Es handelt sich eher um eine Oxidationstiefe als um eine Schichtdicke. Die typische Oxidationstiefe beträgt ein bis zwei Mikrometer. Dies kann bei besonderen Ansprüchen an die Maßgenauigkeit von Vorteil sein. Das alkalische Verfahren schont zudem den Stahl und vermeidet Beizangriffe. ⓘ
Bläuen ist ein Passivierungsverfahren, bei dem Stahl durch eine schwarze Oxidschicht teilweise vor Rost geschützt wird. Es ist nach dem blauschwarzen Aussehen der resultierenden Schutzschicht benannt. Beim Bläuen handelt es sich um eine elektrochemische Umwandlungsbeschichtung, die durch eine oxidierende chemische Reaktion mit Eisen auf der Oberfläche entsteht und selektiv Magnetit (Fe
3O
4), dem schwarzen Oxid des Eisens. Im Vergleich dazu bildet Rost, das rote Eisenoxid (Fe
2O
3), erfährt bei der Hydratation eine extrem große Volumenveränderung, so dass das Oxid leicht abblättert und das typische rötliche Wegrosten von Eisen verursacht. Schwarzes Oxid bietet nur minimalen Schutz gegen Korrosion, es sei denn, es wird zusätzlich mit einem wasserverdrängenden Öl behandelt, um die Benetzung und die galvanische Wirkung zu verringern. In der Umgangssprache werden dünne Schichten aus schwarzem Oxid oft als "gun bluing" bezeichnet, während stärkere Schichten als "black oxide" bezeichnet werden. Beide Bezeichnungen beziehen sich auf dasselbe chemische Verfahren zur Erzielung einer echten Waffenbrünierung. ⓘ
Übersicht
Für den Oxidationsprozess werden verschiedene Verfahren eingesetzt. ⓘ
Bei der "kalten" Brünierung handelt es sich in der Regel um eine Verbindung auf Selendioxidbasis, die den Stahl schwarz oder - häufiger - sehr dunkelgrau färbt. Es ist ein schwer gleichmäßig aufzutragendes Produkt, das nur minimalen Schutz bietet und im Allgemeinen am besten für kleine, schnelle Reparaturen und Ausbesserungen geeignet ist. ⓘ
Das "heiße" Verfahren ist eine Alkalisalzlösung aus Kaliumnitrit oder Natriumnitrat und Natriumhydroxid, die als "traditionelles Laugenschwarz" bezeichnet wird und in der Regel bei einer erhöhten Temperatur von 135 bis 155 °C (275 bis 311 °F) angewendet wird. Diese Methode wurde von größeren Feuerwaffenherstellern übernommen, um eine kostengünstigere Brünierung in großem Maßstab zu ermöglichen. Es bietet eine gute Rostbeständigkeit, die mit Öl verbessert wird. ⓘ
Die beste Rost- und Korrosionsbeständigkeit bieten "Rust Bluing" und "Fume Bluing", da bei diesem Verfahren alle rostfähigen Metalle kontinuierlich in Magnetit (Fe
3O
4). Die Behandlung mit einer geölten Beschichtung erhöht den Schutz, den die Brünierung bietet. Dieses Verfahren ist auch das einzige Verfahren, mit dem alte Flinten sicher wieder gebläut werden können. Viele doppelläufige Flinten sind weichgelötet (Blei) oder silbergelötet, und viele der Teile sind auch auf diese Weise miteinander verbunden. Die höheren Temperaturen der anderen Verfahren sowie ihre ätzende Wirkung könnten die Lötstellen schwächen und die Waffe für den Gebrauch gefährlich machen. ⓘ
Das Bläuen kann auch in einem Ofen erfolgen, zum Beispiel für ein Schwert oder einen anderen Gegenstand, der traditionell von einem Schmied oder einem Spezialisten wie einem Waffenschmied hergestellt wird. Auch heute noch werden gelegentlich Schmiedeerzeugnisse aus gebläutem Stahl von traditionellen Handwerkern in Kulturen und Gesellschaftsschichten hergestellt, die diese Technik entweder aus Notwendigkeit oder freiwillig anwenden. ⓘ
Verfahren
Heißes Bläuen
Das Bläuen kann durch Eintauchen von Stahlteilen in eine Lösung aus Kaliumnitrat, Natriumhydroxid und Wasser erfolgen, die je nach Rezeptur bis zum Siedepunkt (135-154 °C) erhitzt wird. In ähnlicher Weise können Teile aus nichtrostendem Stahl in eine Mischung aus Nitraten und Chromaten getaucht werden, die ebenfalls erhitzt wird. Jedes dieser beiden Verfahren wird als "Heißbläuen" bezeichnet. Die Heißbläuung ist der derzeitige Standard bei der Waffenbläuung, da sie ebenso wie die Rostbläuung den dauerhaftesten Grad an Rostschutz und kosmetischem Schutz für freiliegendes Waffenmetall bietet, und die Heißbläuung weniger Zeit in Anspruch nimmt als die Rostbläuung. ⓘ
Rostbläuen
Rostbläuen wurde zwischen dem Heiß- und dem Kaltbläuen entwickelt und wurde ursprünglich von Büchsenmachern im 19. Jahrhundert zum Bläuen von Feuerwaffen verwendet, bevor das Heißbläuen entwickelt wurde. Das Verfahren bestand darin, die Waffenteile in eine saure Lösung zu tauchen, die Teile gleichmäßig rosten zu lassen und sie dann in kochendes Wasser zu tauchen, um das rote Oxid Fe
2O
3 in schwarzes Oxid Fe
3O
4 umzuwandeln, das eine schützende, stabilere Schicht als das rote Oxid bildet; das kochende Wasser entfernt auch alle verbleibenden Rückstände der aufgetragenen Säurelösung (häufig Salpetersäure und Salzsäure, die in Wasser verdünnt wurden). Das lose Oxid wurde dann mit einer Krempelbürste - einer Drahtbürste mit weichen, dünnen Drähten (in der Regel etwa 0,051 mm dick) - oder einem Rad abgeschabt. ⓘ
Dieser Vorgang wurde so lange wiederholt, bis die gewünschte Farbtiefe erreicht war oder das Metall sich einfach nicht weiter verfärbte. Dies ist einer der Gründe, warum Rost- und Rauchbläuen im Allgemeinen rostbeständiger ist als andere Methoden. Die Teile werden dann geölt und über Nacht stehen gelassen. Dieses Verfahren hinterlässt eine tief blauschwarze Oberfläche. ⓘ
Moderne Heimwerkerversionen dieses Verfahrens verwenden in der Regel eine Wasserstoffperoxid- und Salzlösung, manchmal mit Essig, für den Rostvorgang, um den Einsatz gefährlicherer Säuren zu vermeiden. ⓘ
Bläuen mit Rauch
Die Rauchbläue ist ein weiteres Verfahren, das der Rostbläue ähnelt. Anstatt die Säurelösung direkt auf die Metallteile aufzutragen, werden die Teile in einen versiegelten Schrank mit einer Feuchtigkeitsquelle, einem Behälter mit Salpetersäure und einem Behälter mit Salzsäure gelegt. Der Schrank wird dann versiegelt. Die gemischten Dämpfe der Säuren erzeugen in etwa 12 Stunden einen gleichmäßigen Rost auf der Oberfläche der Teile (innen und außen). Anschließend werden die Teile in destilliertem Wasser abgekocht, trocken geblasen und dann wie bei der Rostbläue kardiert. ⓘ
Diese Verfahren wurden später von den großen Waffenherstellern aufgegeben, da es oft Tage dauerte, bis die Teile vollständig fertig waren, und sie sehr arbeitsintensiv waren. Sie werden manchmal noch von Büchsenmachern verwendet, um eine authentische Oberfläche für eine Waffe aus der Zeit zu erhalten, in der die Rostbrünierung in Mode war, analog zur Verwendung der Brünierung bei früheren repräsentativen Feuerwaffennachbildungen. Die Rostbrünierung wird auch bei Flintenläufen verwendet, die an die Rippe zwischen den Läufen gelötet sind, da heiße Brünierungslösungen das Lot während des Brünierungsprozesses schmelzen. ⓘ
Die industrielle Heißbrünierung in großem Maßstab wird häufig in einem Brünierofen durchgeführt. Dies ist eine alternative Methode zur Erzeugung der schwarzen Oxidschicht. Anstelle eines heißen Bades (wenn auch bei niedrigerer Temperatur) ist es möglich, den Stahl durch Steuerung der Temperatur so zu erhitzen, dass sich selektiv über dem roten Oxid ein schwarzes Oxid bildet. Auch dieses Verfahren muss geölt werden, um eine nennenswerte Rostbeständigkeit zu erzielen. ⓘ
Kaltbläuen
Es gibt auch Methoden der Kaltbläuung, die keine Hitze erfordern. Kommerzielle Produkte werden in kleinen Flaschen für die Kaltbläuung von Feuerwaffen verkauft, und diese Produkte werden in erster Linie von einzelnen Waffenbesitzern für kleine Ausbesserungen an der Oberfläche einer Waffe verwendet, um zu verhindern, dass ein kleiner Kratzer mit der Zeit zu einer großen Rostquelle wird. Die Kaltbläuung ist weder besonders widerstandsfähig gegen Holsterabnutzung noch bietet sie ein hohes Maß an Rostbeständigkeit. Oft reicht es aus, um die Oberfläche einer Waffe kosmetisch aufzufrischen, wenn sie regelmäßig geölt wird. Die Rostbläuung kleinerer Flächen passt sich jedoch oft besser an und lässt sich besser abnutzen als jede Kaltbläuung. ⓘ
Mindestens eine der Kaltbläulösungen enthält Selendioxid. Dabei wird eine Schicht aus Kupferselenid auf der Oberfläche abgeschieden. ⓘ
Nitrierenbläuen
Beim Nitrieren werden polierte und gereinigte Stahlteile in ein Bad aus geschmolzenen Salzen - in der Regel Kaliumnitrat und Natriumnitrat (manchmal mit 9,4 g Mangandioxid pro Pfund Gesamtnitrat) - getaucht. Das Gemisch wird auf 310 bis 321 °C (590 bis 610 °F) erhitzt, und die Teile werden mit Draht in dieser Lösung aufgehängt. Die Teile müssen ständig auf Farbveränderungen beobachtet werden. Der Querschnitt und die Größe der Teile wirken sich auf das Ergebnis der Endbearbeitung und die dafür benötigte Zeit aus. Diese Methode darf nicht bei kritisch wärmebehandelten Teilen wie Empfängern, Schiebern oder Federn angewendet werden. Sie wird im Allgemeinen bei kleineren Teilen wie Stiften, Schrauben, Visieren usw. angewandt. Die Farbpalette reicht von Stroh über Gold, Braun, Violett, Blau und Türkis bis hin zu Schwarz. Beispiele für diese Veredelung finden sich häufig bei älteren Taschenuhren, deren Zeiger das so genannte "Pfauenblau" aufweisen, ein sattes, schillerndes Blau. ⓘ
Buntgehäusehärtung
Die Bunthärtung ist der Vorläufer aller Metallfärbungen, die in der Feuerwaffenindustrie üblich sind. Zeitgenössische wärmebehandelbare Stähle existierten nicht oder steckten noch in den Kinderschuhen. Es wurde weicher, kohlenstoffarmer Stahl verwendet, aber für die Gehäuse von Feuerwaffen wurden feste Materialien benötigt. Anfänglich wurde das Einsatzhärten verwendet, das jedoch keine ästhetischen Vorteile bot. Beim Einsatzhärten wurden weiche Stähle in einem einigermaßen luftdichten Tiegel in einer Mischung aus verkohltem Leder, Knochen- und Holzkohle verpackt. Dieser Tiegel wurde bis zu 6 Stunden lang auf 730 °C (1.350 °F) erhitzt (je länger die Hitzeeinwirkung, desto stärker die Einsatzhärtung). Am Ende des Erhitzungsprozesses wird der Tiegel aus dem Ofen genommen und über einem Wasserbad positioniert, in das Luft durch eine perforierte Spule am Boden des Bades gepresst wird. Der Boden des Tiegels wird geöffnet, damit der Inhalt in das schnell sprudelnde Wasser fallen kann. Durch die unterschiedliche Abkühlung entstehen Farbmuster, und das Teil wird gehärtet. ⓘ
Verschiedene Farben können durch Variationen dieses Verfahrens erzielt werden, z. B. durch Abschrecken in Öl statt in Wasser. ⓘ
Bräunung
Bräunung" ist kontrollierter Rotrost Fe
2O
3 und wird auch als "Pluming" oder "Pflaumenbraun" bezeichnet. Im Allgemeinen kann man zum Bräunen dieselbe Lösung verwenden wie zum Blaufärben. Der Unterschied ist das Eintauchen in kochendes Wasser zum Bläuen. Der Rost verwandelt sich dann in schwarzblaues Fe
3O
4. Viele ältere Bräunungs- und Brünierungsformeln basieren auf ätzenden Lösungen (die notwendig sind, um Metall zum Rosten zu bringen) und enthalten oft Zyanid- oder Quecksilbersalzlösungen, die für Menschen besonders giftig sind. ⓘ
Anwendungen
Bläuen wird am häufigsten von Waffenherstellern, Büchsenmachern und Waffenbesitzern verwendet, um das kosmetische Erscheinungsbild ihrer Waffen zu verbessern und ihnen ein gewisses Maß an Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Es wird auch von Maschinenbauern verwendet, um die für ihren eigenen Gebrauch hergestellten Werkzeuge zu schützen und zu verschönern. Die Brünierung trägt auch dazu bei, die Metalloberfläche zu erhalten, indem sie oberflächlichen Kratzern widersteht, und hilft auch, die Blendung der Augen des Schützen zu verringern, wenn er in den Lauf der Waffe schaut. Alle gebläuten Teile müssen immer noch geölt werden, um Rost zu verhindern. Da es sich bei der Brünierung um eine chemische Umwandlungsbeschichtung handelt, ist sie nicht so verschleißfest und korrosionsbeständig wie plattierte Beschichtungen und ist in der Regel nicht dicker als 2,5 Mikrometer (0,0001 Zoll). Aus diesem Grund wird davon ausgegangen, dass die Beschichtung bei präzise bearbeiteten Waffenteilen keine nennenswerte zusätzliche Dicke aufweist. ⓘ
Neue Waffen sind in der Regel in gebläuter Ausführung erhältlich, die als preisgünstigste Ausführung angeboten wird und im Vergleich zu anderen Oberflächenbehandlungen wie Parkerisieren, Hartverchromen oder Nitrierverfahren wie Tenifer auch die geringste Rostbeständigkeit aufweist. ⓘ
Das Bläuen wird auch zur Färbung von Stahlteilen feiner Uhren und anderer feiner Metallarbeiten verwendet. Dies wird oft ohne Chemikalien durch einfaches Erhitzen des Stahls erreicht, bis eine blaue Oxidschicht entsteht. Das blaue Aussehen des Oxidfilms wird auch als Temperaturindikator beim Anlassen von Kohlenstoffstahl nach dem Härten verwendet und zeigt einen für Federn geeigneten Anlaßzustand an. ⓘ
Bläuen wird auch zum Würzen von gusseisernem Kochgeschirr verwendet, um es relativ rostfrei und antihaftbeschichtet zu machen. In diesem Fall verdrängt das Speiseöl, nicht das Waffenöl, das Wasser und verhindert den Rost. ⓘ
Hochwertige Fechtklingen werden oft mit einer brünierten Oberfläche angeboten. So können sie in feuchten Umgebungen, wie z. B. Sporttaschen, gelagert werden, ohne zu rosten. ⓘ
Das Bläuen ist oft ein Hobby, und es gibt viele Methoden des Bläuens, wobei die relative Wirksamkeit der einzelnen Methoden immer wieder diskutiert wird. ⓘ
In der Vergangenheit wurden Rasierklingen oft aus gebläutem Stahl hergestellt. Eine nichtlineare Widerstandseigenschaft des gebläuten Stahls von Rasierklingen, die eine Vorahnung auf die später in Halbleiterdioden entdeckte Eigenschaft ist, führte zusammen mit der leichten Verfügbarkeit von Rasierklingen aus gebläutem Stahl zur Verwendung von Rasierklingen als Detektor in AM-Kristallradios, die Kriegsgefangene während des Zweiten Weltkriegs häufig bauten. ⓘ
Aluminium
Bläuen funktioniert nur bei Teilen aus Stahl, Gusseisen oder rostfreiem Stahl als Korrosionsschutz, da es Eisen in Fe3O4 umwandelt; bei Nichteisenwerkstoffen funktioniert es nicht. Aluminium (Al) und Kunststoffteile können nicht gebläut werden, und es wird kein Korrosionsschutz geboten. Die Chemikalien des Bläuungsprozesses können jedoch zu einer ungleichmäßigen Verfärbung von Aluminium- und Kunststoffteilen führen. Aluminium sollte niemals heiß gebläut werden, da es mit dem in der Regel in der Salzlauge gelösten Salz reagiert. ⓘ
Durch Reibung, z. B. durch die Abnutzung des Holsters, wird die kalte Brünierung schnell entfernt, und auch die heiße Brünierung, der Rost oder die Rauchbrünierung werden bei längerem Gebrauch entfernt. Es ist in der Regel nicht ratsam, eine kalte Brünierung als Ausbesserung zu verwenden, wenn Reibung vorhanden ist. Wenn die Kaltbrünierung die einzige praktische Option ist, sollte die Stelle ständig geölt werden, um die Lebensdauer der Beschichtung so weit wie möglich zu verlängern. ⓘ
Eigenschaften
Durch die geringe Oxidationstiefe der Konversionsschicht von etwa 1 µm bleiben die brünierten Werkstücke genau maßhaltig. Die Volumenszunahme aus dem Sauerstoffeinbau wird ausgeglichen durch eine geringe Eisenablösung im Brünierbad. Die im Rasterelektronenmikroskop erkennbaren Poren werden oft als Beleg für eine undichte Schicht oder als Schmierstoffreservoirs fehlinterpretiert. Tatsächlich sind die Poren ein Überbleibsel der FeO-Bildung bei Reaktionsbeginn und sind weder durchgängig noch aktiv, sie haben keinen wesentlichen Einfluss auf die Schichteigenschaften hinsichtlich Schmierung oder Korrosionsschutz. Wegen der sehr geringen Dicke der Brünierschicht und der nicht vollständigen Eisenpassivierung ist der Korrosionsschutz nur sehr gering; er kann durch Beölen oder Befetten aber deutlich verbessert werden. Die Haftung dieser Schmierstoffe an der Oberfläche wird durch die Brünierung verbessert. Die Schichten sind als integraler Bestandteil des Grundwerkstoffes vollständig biegefest, ein Abplatzen oder Abblättern ist unmöglich. Zudem sind sie relativ abriebfest sowie bis etwa 300 °C temperaturbeständig. Eine unbeölte Brünierung wirkt alternativ zum Phosphatieren auch als Haftgrund für Oberflächenbeschichtungen mit Lacken. ⓘ
Das Einsatzgebiet liegt im Maschinen- und Werkzeugbau. Eine spezielle Anwendung ist das Brünieren von Handfeuerwaffen. Das wohl größte Brüniervolumen neben Waffen stellen Wälzlager dar, deren Leistungsfähigkeit und Lebensdauer hierdurch gesteigert werden kann. ⓘ
Das Verfahren ist in Deutschland in der DIN 50938 genormt. Dort unterscheidet man auch zwischen Ein-, Zwei- und Dreibadbrünieren. Das Brünieren von Wälzlagern erfolgt hingegen nach Werknormen, hier führt die Anwendung einer konventionellen Brünierung nach DIN eher zur Lebensdauerreduzierung statt zu deren Erhöhung. ⓘ
Im weiteren Sinne wird der Begriff Brünieren auch für verschiedene Schwarzfärbeverfahren verwendet, die entweder auf Nichteisenmetallen angewandt werden, oder die kalt erfolgen. Hier werden jedoch keine Eisenoxide erzeugt, sondern andere schwarze Verbindungen z. B. auf Basis von Kupferoxiden oder Sulfiden, oft sind es auch schwarze selenhaltige Schwermetallniederschläge. ⓘ
Schwarzfärben
Eine bei eisernem Kochgeschirr und bei Schmiedeprodukten verwendete Methode zur Verminderung der Anfälligkeit gegen Korrosion ist das Abbrennen von Leinöl auf der Eisenoberfläche, das auch als Einbrennen oder Schwarzbrennen bezeichnet wird. Dazu wird das Metall zwischen glühenden Kohlen erhitzt und dann mit Leinöl abgeschreckt. Alternativ kann auch das Öl zuerst aufgetragen und der Gegenstand dann erhitzt werden. Gewöhnlich sind mehrere Durchgänge erforderlich, um ein gutes Ergebnis zu erzielen. Die Temperatur soll etwa 400 °C bis 700 °C (dunkelrot) betragen. Das Öl raucht dann beim Auftragen sichtbar ab. ⓘ
Ähnliche Verfahren unter Verwendung von Leinöl sind der Firnisbrand von Kupfer und Kupferlegierungen und das Patinieren von Aluminium bei Temperaturen von bis zu 400 °C. Auch einige Methoden zur Bildung von Oxidschichten durch das Eintauchen in Salzschmelzen werden als Schwarzfärben bezeichnet. Nicht zu verwechseln sind diese Verfahren des Einbrennens jedoch mit dem Einbrennen von Druckfarben und Lacken bei Temperaturen von unter 200 °C. ⓘ