Oberflächenbehandlung von Aluminium
Reinigen und Beschichten galten lange als reine Maßnahmen zum Korrosionsschutz. Heute steht bei der Oberflächenbehandlung von Aluminium die gezielte Veränderung der Materialeigenschaften im Vordergrund – etwa um die Haftung von Beschichtungen zu verbessern, die Oberflächenhärte und Abriebfestigkeit zu erhöhen oder das optische Erscheinungsbild aufzuwerten und dauerhaft zu erhalten. Im Folgenden werden die üblichen Ziele und Verfahren dieser Behandlungen kurz erläutert. Technische Details zu Badzusammensetzungen fallen in den Zuständigkeitsbereich spezialisierter Fachfirmen.
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Anodisieren
Beim Anodisieren entsteht durch elektrochemische Umwandlung eine gleichmäßige Oxidschicht auf Aluminium, die sich deutlich vom natürlichen Oxidbelag unterscheidet. Sie dient dem Korrosionsschutz, der Härtung, der optischen Veredelung sowie der Verbesserung von Reibungseigenschaften und Haftung. Je nach Verfahren kann die Schicht wenige bis rund 100 µm dick sein. Unterschieden werden verschiedene Anodisationsarten – darunter Eloxieren für dekorative Anwendungen sowie Hartanodisieren für technische Anforderungen. Die Wahl des Verfahrens hängt von der Legierung, dem Einsatzzweck und den gewünschten Eigenschaften ab.
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Hartanodisierung
Dieser Begriff umfaßt mehrere Anodisierungstechniken, mit denen sich bei niedriger Temperatur dicke (50-100 µm) und dichte Oxidschichten herstellen lassen. Diese sind abriebfester als die besten Vergütungsstähle und wiesen ein elektrisches Isolationsvermögen in der Größenordnung von Porzellan auf. Hartanodisierte Produkte werden in Elektrik und Mechanik eingesetzt. Zur Verringerung des Reibbeiwertes eignen sich unterschiedliche Imprägnierungsstoffe wie z.B. Lanolin, Teflon, Molybdänsulfid usw. Angesichts der sehr hohen Schichtdicken kann es in bestimmten Fällen erforderlich werden, mit veränderten Abmessungen des Werkstücks nach dem Anodisieren zu rechnen.
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Entfetten
Aufgabe des Entfettens ist die Entfernung von Schmierstoffresten aus dem Walz- oder Stranpreßvorgang bzw. aus Umformungsverfahren, die den Einsatz von Schmierstoffen erfordern (z.B. Tiefziehen, spanende Bearbeitung). Es handelt sich daher um einen Verarbeitungsschritt, der jeder anderen Oberflächenbehandlung vorausgeht. Es gibt zwei mögliche Entfettungsverfahren: Entfettung mit chlorierten Lösungsmitteln, zumeist in der Dampfphase. Die Verwendung dieser Entfettungsmethode ist heute aus zweierlei Gründen rückläufig: Zunehmend verschärfte gesetzliche Regelung des Einsatzes chlorhaltiger Lösungsmittel, die als toxisch gelten. Mögliche Gefahr der Oberflächenkorrosion bei unsachgemäßem Einsatz dieser Verbindung. Entfettung durch Ablaugen mit alkalischen Verbindungen, die entweder stark alkalisch (ph > 10) sind, mit Silikaten bzw. Chromaten passiviert werden und sich gut als Vorbereitung zur chemischen Umwandlung oder Lackierung eignen. Oder schwach alkalisch auf der Basis von Phosphaten oder deren Derivaten formuliert sind und sich besser für nachfolgende chemische oder elektrolytische Oberflächenbehandlungen (Anodisieren, elektrolytisches Polieren usw.) eignen. Nach dem chemischen Entfetten ist darauf zu achten, daß der auf dem Metall zurückbleibende Kolloidfilm vollständig durch Säureneutralisation beseitigt wird.
Mechanische Oberflächenbehandlung
Mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren galten lange als sehr kostenintensiv. Diese Kosten sind jedoch mit zunehmender Automatisierung immer weiter zurückgegangen. So werden z.B. folgende Verfahren heute routinemäßig eingesetzt: -Polieren (mechanisch oder mittels Vibrationssystem) -Bürsten -oberflächenverfestigendes Kugelstrahlen zur Erhöhung der Ermüdungsbeständigkeit von Legierungen der Serien 2000 und 7000
Chemische Oberflächenbehandlungsverfahren:
Man unterscheidet zwischen: Der Desoxidation, die dem Zweck dient, den durch die Umwandlung bzw. Umformung entstandenen Oxidbelag zu entfernen, ohne das Metall zu beschädigen. Bewährtestes Mittel hierfür ist bis heute das Phosphor-Chrom-Bad, in dem das unter der natürlichen Oxidschicht liegende Metall nicht angegriffen wird. Dem chemischen Beizen, das sich gegenüber der Desoxidation durch eine wesentlich erhöhte Wirksamkeit auszeichnet, jedoch auch das Metall angreift. Gängigstes Verfahren ist die Behandlung in alkalischen Bädern, zumeist auf Schwefelbasis, wobei durch Zusatzstoffe dafür gesorgt wird, daß ein hoher Aluminiumgehalt in der Lösung bleibt. Die Führung des Beizverfahrens setzt eine genaue Überwachung voraus, um eine gleichbleibende Abtragungsgeschwindigkeit zu gewährleisten und die Anreicherung der Lösung mit schweren Metallen (Zink, Eisen) zu vermeiden, die das Erscheinungsbild der gebeizten Oberfläche beeinträchtigen können. Ungleichmäßigkeiten im Erscheinungsbild, die nach dem Beizen in alkalischen Bädern nicht selten festzustellen sind, entstehen auch durch unterschiede in der Abtragsgeschwindigkeit zwischen der Aluminiummatrix und den intermetallischen Verbindungen wie z.B. Al3FE. Das Metall wirkt seidenmatt. Die Wiederholbarkeit des Aussehens hängt von de4m Badzustand, der Höhe und der Verteilung des Anteils intermetallischer Verbindungen ab. Um ein möglichst gleichmäßiges Aussehen zu erzielen, sollten nach Möglichkeit Chargen von derselben Zusammensetzung verwendet werden, die unter identischen Bedingungen umgewandelt wurden. An das alkalische Beizen muß sich in jedem Fall eine Neutralisierung im kalten Säurebad (in der Regel in 50%-iger Salpetersäure) anschließen, um die gallertartigen Aluminiumrückstände, die das Material stumpf und grau wirken lassen, von der Oberfläche zu entfernen. Im Säurebad wird heute nur noch selten gebeizt. Für Legierungen der Kaltverfestiger stellt das Abbeizen auf Schwefel/Chrom-Basis jedoch ein sehr geeignetes Verfahren dar. Als Oberflächenvorbehandlung vor dem Kleben oder Lackieren verleiht es der Beschichtung eine gute Haftung und hohe Zeitstandfestigkeit
Chemisches Glänzen und elektrolytisches Polieren
Zweck des Glänzens ist die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit, um das Lichtreflexionsvermögen des Materials zu erhöhen. Diese Maßnahme ist vorwiegend Spezialqualitäten vorbehalten. Nach dem Glänzen erfolgt in der Regel eine Anodisierung. Es kommen Bäder in unterschiedlichsten Zusammensetzungen (zumeist konzentrierte Säuremischungen auf der Basis von Phosphor-, Schwefel- oder Salpetersäure) zum Einsatz. Die optimalen Behandlungsbedingungen hängen im Einzelfall von dem verwendeten Metall (Chemische Zusammensetzung, Umformungsbedingungen) sowie dem gewünschten Einsatzzweck des Produkts ab. Dasselbe gilt für das elektrolytische Polieren im Säure- oder Laugenbad.
Schwefelanodisieren:
Hierbei handelt es sich um das derzeit weitverbreitetste Anodisierungsverfahren, das sowohl zu dekorativen Zwecken als auch zur Oberflächenhärtung und Verbesserung der Einsatzeigenschaften durchgeführt wird. Zur Herstellung eines Produkts für die Verwendung im Bauwesen werden dabei traditionell folgende Behandlungsbedingungen gewählt: -H2 SO4 - Gehalt: 200 + 20 gl -1 -Anteil gelösten Aluminiums im Bad: max. 15 gl -1 -Rühren des Bades zur Vermeidung der Überschreitung einer Temperatur von 20°C -Gleichstromdichte: 1,5 + 0,2 Adm -2 Dieses Verfahren wird sowohl diskontinuierlich an Profilen oder Blechen als auch kontinuierlich an durchlaufenden Bändern durchgeführt. Die Dicke der Oxidschicht richtet sich nach der Anwendung: -Reflektoren 1 - 2 µm -Dekorationsteile (Inneneinrichtung, Kraftfahrzeuge): 5 - 8 µm -Hochbau: 15 - 20 µm -Hartanodisation: 50 - 100 µm Der Aufbau der Anodisierungsschicht hängt von der Art des Bades und den Behandlungsbedingungen ab. Sie besteht aus sechseckigen Zellen, die von mikroskopisch feinen Poren durchzogen sind. Der Durchmesser dieser Poren ist z.B. bei einer Schicht von 15 µm Dicke tausendmal geringer als die Schichtdicke. Die Schicht liegt dabei nicht direkt auf dem Metall, sondern auf einer Grenzschicht auf. Diese porösen Schichten lassen sich gut färben (z.B. durch Absorption, Tauchfärbung oder elektrolytische Färbeverfahren). Zur Erzielung der gewünschten Haltbarkeit müssen sowohl gefärbte als auch ungefärbte Anodisierungsschichten einer Nachverdichtung durch Hydration unterzogen werden. Diese bewirkt das Verschließen der Mikroporen durch Aufquellen des Oxids und wird durch Eintauchen in kochendes, vollentsalztes Wasser (evtl. mit Zusätzen) erzielt. Um die Beständigkeit bestimmter Legierungen (insbesondere der Serien 2000 und 7000) gegenüber atmosphärischer Korrosion zu erhöhen, wird dem Wasser zur Versiegelung häufig Kaliumbichromat beigefügt. Hierdurch erhält die Anodisierungsschicht einen leicht gelbgrünen Farbton.
Eigenfarbanodisierung:
Hierzu wurden seit 1965 spezielle Elektrolyte entwickelt, die in der Regel aus schwefelorganischen Säuren zusammengesetzt sind. Diese erlauben auf zahlreichen Legierungen die Herstellung einer dunklen, zumeist bronzefarbenen anodischen Oxidschicht. Die zugrundeliegenden Verfahren erfreuten sich aufgrund des ausgezeichneten Verhaltens der so gefärbten Schicht einer gewissen Beliebtheit für Produkte zum Einsatz im Bauwesen. Heute werden diese Anodisierungsverfahren zumindest in Europa durch elektrolytische Färbungsverfahren auf Schwefelbasis ersetzt, die eine höhere Reproduzierbarkeit des Farbtons zwischen verschiedenen Chargen gewährleisten.
Chromanodisierung:
Diese Technik, die eher zu den Verfahren der Halbsperrschichtanodisation gehört, ist auf verschiedene Arten durchführbar. Sie wird bei Kokillenguss weithin zur Prüfung der Werkstoffhomogenität und Optimierung des Einsatzverhaltens eingesetzt, wobei auch mit dünnsten Oxidschichten (5 µm) gearbeitet werden kann. Die auf enlegiertem Aluminium natürlich grau erscheinende Anodisierungsschicht kann auf Legierungen je nach deren Zusammensetzung mehr oder weniger dunkel wirken. Sie eignet sich gut als Lackierungs- und Klebegrundlage für die in der Luft- und Raumfahrt derzeit angewendeten Verfahren.