Pilling-Bedworth-Verhältnis

Das Pilling-Bedworth-Verhältnis (PBV, oder PBR von Pilling-Bedworth-Ratio) ist in der Chemie und Werkstoffkunde das Verhältnis der molaren Volumina eines metallischen Elements und seines Oxids. Anhand des PBV kann abgeschätzt werden, ob ein Metall an trockener Luft durch Bildung einer schützenden Oxidschicht (Passivierung) dauerhaft beständig ist. Da die Oxidbildung teilweise mehrstufig verläuft und bei Legierungen gemischte Oxide gebildet werden können, erlaubt das PBV keine sicheren Aussagen. Das gilt insbesondere für die atmosphärische Korrosion, die wegen des allgegenwärtigen Wassers fast immer über Hydroxide verläuft.

Definition

\mathrm {PBV={\frac {V_{Oxid}}{{n}\cdot V_{Metall}}}={\frac {M_{Oxid}\cdot \rho _{Metall}}{M_{Metall}\cdot {n}\cdot \rho _{Oxid}}}}

M bezeichnet die molare Masse, ρ die Dichte, V das (molare) Volumen und n die Anzahl der Metallatome in der Summenformel des Oxids.

Effekt

Anhand von Messungen lässt sich folgender Zusammenhang zeigen:

Schematische Darstellung des Oxidaufbaus und des Pilling-Bedworth-Verhältnisses

PBV < 1: Aufreißen der Oxidschicht, keine Schutzwirkung (Beispiel Magnesiumoxid auf Magnesium)

PBV > 2: Abplatzen der Oxidschicht, keine Schutzwirkung (Beispiel Rost auf Eisen)

PBV = 1 ... 2: Bildung einer dauerhaften, passivierenden Oxidschicht (Beispiele Aluminium, Titan, Chromschicht auf Stahl)

Zahlenwerte

Metall	Metalloxid	PBV
Magnesium	Magnesiumoxid	0,81
Aluminium	Aluminiumoxid	1,28
Zirconium	Zirconium(IV)-oxid	1,56
Nickel	Nickel(II)-oxid	1,65
Eisen	Eisen(II)-oxid	1,7
Titan	Titan(IV)-oxid	1,73
Chrom	Chrom(III)-oxid	2,07
Eisen	Eisen(II,III)-oxid	2,10
Eisen	Eisen(III)-oxid	2,14
Eisen	Eisen(III)-oxidhydroxid (Rost)	3,6
Silicium	Siliciumdioxid	2,15
Tantal	Tantal(V)-oxid	2,47[1]
Vanadium	Vanadium(V)-oxid	3,25[1]

Weblinks

Skript der TU Dortmund Erklärung zum PBV auf Seite 33. (PDF-Datei; 5,44 MB)
Dissertation. Enthält eine Definition des PBV. (PDF-Datei)
Dissertation mit Zahlenwerten des PBV, u. a. für Cr, Ni, Al (Seite 27). (PDF-Datei; 4,53 MB)

Literatur

Ralf Bürgel: Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik Grundlagen. Seite 272ff. ISBN 3528231076
N.B. Pilling, R. E. Bedworth: The Oxidation of Metals at high Temperatures. J. Inst. Met 29 (1923), S. 529–591.
N. D. Tomashov: Theory of Corrosion and Protection of Metals (The Science of Corrosion). Translated and edited by B. H. Tyrtell, I. Geld, H. S. Preiser, New York (1965).

Anmerkungen

"ASM Handbook Vol.13 Corrosion", ASM International, 1987.

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[ASM-1] "ASM Handbook Vol.13 Corrosion", ASM International, 1987.