Oberflächenbehandlung von Aluminium

Chemische und physikalische
Oberflächenbehandlung
von Aluminium
Oberflächenbehandlung von Aluminium
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Chemische Oberflächenbehandlung
2.1
2.2
2.3
Chromatieren
Phosphatieren
Ausführen der beiden Verfahren
3. Anodische Oxidation (Eloxieren)
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
Charakteristische Eigenschaften
Grundlagen und Werkstoffwahl
Eigenschaften bestimmter anodisch erzeugter
Oxidschichten
Ausführung und Verfahren der anodischen Oxidation
Hartanodisation
Verdichten anodisch erzeugter Oxidschichten
Zum Anodisieren geeignete Stoffe
4. Beschichten von Aluminium
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Metallüberzüge im Tauch- und Sudverfahren
Stromloses (chemisches) Vernickeln
Galvanisieren
Thermisches Spritzen
Lackieren, Anstreichen
Kunststoffüberzüge
Emaillieren
5. Literatur
6. Abbildungsverzeichnis
1. Einleitung
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Oberflächenbehandlung von Aluminium
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Aluminium galt lange Zeit als seltenes und kostbares Metall. Heute ist es zu einem der
wichtigsten Gebrauchsmetalle geworden. Aluminium besitzt eine Reihe von
Eigenschaften, welches es zu einem begehrten Gebrauchsmetall werden lassen.
Aluminium ist leicht, fest, pflegeleicht und korrosionsbeständig. Diese Eigenschaften
garantieren ihm eine lange Lebensdauer. Desweiteren hat Aluminium gute thermische und
elektrische Eigenschaften, ein hohes Reflexionsvermögen und ist sehr gut dehnbar.
Aluminium ist sehr genau formbar und existiert in nahezu unerschöpflicher Menge auf der
Erde. Einziger kleiner Wehrmutstropfen ist die hohe Energiemenge, welche bei der
Herstellung von Aluminium aus dem Mineral Bauxit benötigt wird. Dies sorgte schon bei
den Anfängen der Aluminiumherstellung dafür, daß Alt-Aluminium wiederverwertet wird.
Beim Einschmelzen sind dabei nur etwa 5 % des ursprünglichen Energieeinsatzes
erforderlich.
Durch Recycling ist es gelungen, daß schon heute rund 35 % des Aluminiumverbrauchs
aus Alt-Aluminium hergestellt werden. Im Bausektor sind es gar 85 %.
Die Anwendungsgebiete des Aluminiums und seiner Legierungen sind vielfältig. So wird
es in der Automobilindustrie, dem Flugzeug- und Schiffbau eingesetzt, aber auch in der
Verpackungs- und Elektroindustrie und vielen anderen Bereichen.
Die guten Korrosionseigenschaften des Aluminiums entstehen durch einen natürlichen
Prozeß der Passivierung. Dabei entsteht auf dem Aluminium eine wenige Nanometer
dicke Schicht aus Aluminiumoxid.
Aber besonders auch durch technische Verfahren wurde dem Werkstoff Aluminium zu
seinem Siegeszug in der Industrie verholfen. Durch viele verschiedene
Behandlungsverfahren der Aluminiumoberfläche können die Eigenschaften des
Aluminiums in großem Maße variiert werden. An dieser Stelle will ich mich mit den
chemischen und physikalischen Oberflächenbehandlungen, besonders der anodischen
Oxidation, welche eine hohe wirtschaftliche Bedeutung hat, beschäftigen. Diesen geht
meist eine mechanische Behandlung voraus, auf die hier aber nicht eingegangen werden
soll.
Die chemischen und physikalischen Verfahren lassen sich in folgende Bereiche
unterteilen:
-
Chemische Oberflächenbehandlung
-
Anodische Oxidation (Eloxieren)
-
Beschichten von Aluminium
2. Chemische Oberflächenbehandlung
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Zu den chemischen Oberflächenverfahren zählen:
-
Entfetten
Oberflächenabtragende Behandlungen (Beizen, Ätzen, usw.)
Korrosionsschutz und Haftgrundvermittlung
Dient das Entfetten nur der Vorbereitung anderer oberflächenbehandelnder Verfahren und
das Beizen, Ätzen, usw. der Abtragung von Material am Aluminium, so will ich mich hier
mit den Verfahren des Korrosionsschutzes und der Haftgrundvermittlung beschäftigen.
Zu Ihnen gehören:
- das Chromatieren
- das Phosphatieren
Beide Verfahren arbeiten nach dem Prinzip der chemischen Oxidation. Diese ist stromlos
und kann nur durchgeführt werden, wenn zunächst die natürliche, ungleichmäßige
Oxidschicht entfernt worden ist. Dazu werden andere chemische Verfahren genutzt.
Chromatierung und Phosphatierung werden verwendet um folgende Eigenschaften zu
erhalten:
-
verbesserter Korrosionsschutz bei leichter Korrosionsbeanspruchung (Anwendung
auch in der Lebensmittelindustrie)
bessere Einlauf- und Gleiteigenschaften beim Umformen (z.B. beim Tiefziehen)
Haftgrund für organische Schichten (Chromatierung)
Haftgrund für Farblackierungen (Phosphatierung)
Im Gegensatz zu einer leitenden Oberfläche beim Chromatieren entsteht beim
Phosphatieren eine isolierende Schicht. Weiterhin unterscheidet man beim Chromatieren
das saure und das alkalische Chromatieren. Das Phosphatieren dagegen wird nur im
Sauren durchgeführt.
2.1 Chromatieren
a) Saures Chromatieren
Das saure hat, gegenüber dem alkalischen Chromatieren, Vorteile in der Standzeit der
Bäder, der Gleichmäßigkeit der erzeugten Schicht sowie in der Wirtschaftlichkeit. Beim
sauren Chromatieren unterscheidet man:
-
Gelbchromatierung (bei pH = 1,5 – 2,5 / 20 – 70 °C) und Transparentchromatierung
(bei pH = 3 – 4 / 20 – 70 °C)
Blauchromatierung (verwand mit der Gelb- und Transparentchromatierung)
Grün- und Schwarzchromatierung (pH = 1,2 – 1,8 / 18 – 50 °C)
Die verschiedenen Farbtöne ergeben sich durch unterschiedliche Schichtdicken sowie
dem Einsatz von verschiedenen Zusatzstoffen in den Bädern. So sorgen bei der
Schwarzchromatierung zum Beispiel eingelagerte Silber-I- oder Kupfer-II-Atome für die
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Schwarzfärbung. Bei der Grünchromatierung sind es gemischte Aluminium- und
Chromphosphate, bei der Blauchromatierung Chrom-VI- oder Chrom-III-Atome, welche für
die Färbung verantwortlich sind.
b) Alkalisches Chromatieren
Bei Verfahren dieser Art sorgt der Einbau von Chromverbindungen in die
Aluminiumoxidschicht für eine Graufärbung. Sie werden jedoch kaum noch verwendet.
Die Schichtdicken die beim Chromatieren erreicht werden können variieren zwischen 0,01
und 10 µm.
2.2 Phosphatieren
Wie schon erwähnt wird eine Phosphatierung nur im sauren Bereich durchgeführt. Die
Basis für dieses Verfahren bilden Zirkonium, Titan und Zink. Dieses Verfahren wird
besonders auf dem Verpackungssektor eingesetzt, sofern keine außergewöhnlichen
Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gestellt werden.
Basis Zirkonium und Zink:
Arbeitet mit Zirkoniumphosphat oder Titanphosphat. Anwendung vor allem bei
Getränkedosen.
Abb. 1: Getränkedosen (Phosphatbeschichtung als Haftgrund für die Lackierung)
Basis Zink:
Arbeitet mit einer sauren Lösung aus Monozinkphosphat, Phosphorsäure und Fluoriden.
Die Fluoride binden die in Lösung gehenden Aluminiumionen, welche sich bei zu großer
Konzentration in der Lösung ungünstig auf die Oberflächenbildung auswirken würden.
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Diese Art von Phosphatschicht dient hauptsächlich als Haftgrund für Anstriche und in
manchen Fällen als Erleichterung der Umformung. Die Schichtdicke beträgt zwischen 1
und 5 µm, bei einer Durchschlagsspannung von etwa 27 V/µm. Die Schichten stören bis
zu einer Dicke von 2 µm nicht wesentlich beim Schweißen. In etwas stärkerer saurer oder
alkalischer Lösung sind sie löslich.
2.3 Ausführung der beiden Verfahren
Die Chromatier- und Phosphatierschichten werden hauptsächlich in Tauch- und
Spritzverfahren aufgebracht, aber auch durch ein Einsprühen und Walzverfahren zum
Beispiel auf Aluminiumbändern. In Einzelfällen wird auch vom Hand mit dem Pinsel
aufgetragen. Jedoch erreicht man dadurch nicht die Schichtqualität wie bei den anderen
Auftragemethoden.
Zum ganzen Prozeß der Chromatierung und Phosphatierung gehören:
-
Reinigen:
Die Oberfläche wird mit Hilfe anderer chemischer Verfahren und Lösungsmittel von
Fett, Öl und sonstigen Verschmutzungen befreit.
-
Zwischenspülen:
Die Lösungsmittel und Reinigungschemikalien werden mit kaltem oder warmen Wasser
abgespült. Wurden beim Reinigen nur organische Lösungsmittel verwendet, so entfällt
dieser Schritt.
-
Aktivieren:
Durch den Einsatz von Aktivierungsmitteln (z.B. salpeter- und schwefelhaltige
Lösungen beim Chromatieren) erhält man Kristallüberzüge, die in ihrer Struktur
wesentlich feiner sind.
-
Chromatieren bzw. Phosphatieren
-
Spülen:
Es werden, mit voll entsalztem Wasser, die überschüssigen Chromatierungs- und
Phosphatierungsmittel
weggespült.
Dabei
darf
beim
Chromatieren
die
Wassertemperatur nicht über 50 – 60 °C liegen.
-
Passivieren:
Mit Hilfe von stark verdünnten chromsäure- bzw. chromsäurephosphorsäurehaltigen
Lösungen wird durch Spritzen oder Tauchen eine Passivierung der aufgetragenen
Schicht erreicht.
-
Trocken:
Das Trocknen wird mit warmer Luft direkt nach der Naßbehandlung durchgeführt.
Dieses sollte zum Vermeiden von pulvrigen oder abwischbaren Schichten bei der Gelbund Transparentchromatierung 60 °C, bei der Grünchromatierung 80 – 90 °C nicht
überschreiten.
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Abb. 2: Verfahren der chemischen Oxidation und ihre Anwendungsgebiete
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3. Anodische Oxidation (Eloxieren)
Der anodischen Oxidation kommt eine große wirtschaftliche Bedeutung zu. So führte das
gemeinsame Interesse an diesem Verfahren und seinem Nutzen schon im Jahr 1928 zur
Gründung einer Interessengemeinschaft mehrerer Firmen.
In der neueren Zeit führte der große Einsatz von Aluminium im Bausektor zu immer
weitergehenden Entwicklungen bei der anodischen Oxidation. So wurden immer weitere
Verfahren entwickelt, durch die vor allem ein immer größeres Spektrum von Farben und
somit dekorativer Eigenschaften des Aluminiums erreicht wurden.
3.1 Charakteristische Eigenschaften
Die anodische Oxidation ist ein elektrolytisches Verfahren. Dabei wird eine Oxidschicht auf
der Oberfläche erzeugt, welche gegenüber der natürlich gebildeten Schicht um etwa das
Hundertfache verstärkt ist.
Folgende charakteristische Eigenschaften sind zu nennen:
-
Feste Verbindung:
Die Oxidschicht wird aus dem Grundwerkstoff gebildet und hat somit, im Unterschied
zu metallischen und nichtmetallischen Beschichtungen, eine feste Verbindung zum
Grundmetall.
-
Korrosionschutzwirkung:
Besserer Schutz vor Korrosion im verdichteten Zustand => höhere Widerstandswirkung
gegen Umwelteinflüsse im Bereich pH 5 bis 8.
-
Dekorative Wirkung:
Die Schichten behalten dauerhaft Ihre durch vorherige Bearbeitung erreichten
optischen Eigenschaften. Weiterhin kann durch bestimmte Farbgebung ihre dekorative
Wirkung verbessert werden.
-
Einfärb- und Imprägnierbarkeit:
Vor dem Verdichten der Oberfläche können bestimmte Stoffe in die Schicht eindringen.
Dadurch läßt sich die Schicht färben, bedrucken oder imprägnieren.
-
Mechanische Beanspruchbarkeit:
Harte abriebfeste Schichten werden gebildet (vgl. auch 3.5 Hartanodisation)
-
Isolationswirkung:
Hohe elektrische Isolationsfähigkeit
-
Toxische Unbedenklichkeit:
Unbedenklich in medizinischer und lebensmittelrechtlicher Hinsicht
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3.2 Grundlagen und Werkstoffwahl
Durch die anodische Oxidation hergestellte Schichten besitzen einen Schichtaufbau, wie
er in folgender Abbildung wiedergegeben ist.
Abb. 3: Schichtaufbau bei der anodischen Oxidation
Die komplette Struktur besteht im Grunde aus 2 Schichten, der Sperrschicht und der
Deckschicht. Die Dicke der Sperrschicht (dielektrische Grundschicht), ist proportional zur
vorliegenden Spannung beim Anodisieren (ca. 1 – 1,2 nm/V). Die feinporige elektrisch
leitende Deckschicht entsteht aus der Sperrschicht durch chemische Rücklösung im
Elektrolyten. Dabei regeneriert sich die Sperrschicht in der selben Geschwindigkeit, wie
aus ihr Deckschicht entsteht. Es entsteht so ein konstantes Wachstum bei
gleichbleibender Sperrschichtdicke und gleichbleibender Spannung.
Die maximale Dicke einer Oxidschicht wird dadurch begrenzt, daß die Außenseite der
Deckschicht ständig der lösenden Wirkung des Elektrolyten ausgesetzt ist. Sie ist
abhängig von der Elektrolytzusammensetzung, der Temperatur und der Stromdichte.
Die poröse Struktur der Deckschicht ist durch den Aufbau aus Faserbündeln gegeben.
Diese bestehen im Äußeren Bereich aus Aluminiumoxid und im Inneren überwiegend aus
Elektrolytionen. Der Stoffaustausch während des Wachstums der Oxidschicht erfolgt über
das Innere dieser Fasern. Eine durch die anodische Oxidation hergestellte Schicht wächst
bezogen, auf die ursprüngliche Metalloberfläche, zu etwa 1/3 aus dem Metall heraus und
zu etwa 2/3 hinein.
An die Werkstoffwahl der bei der anodischen Oxidation verwenden Werkstücke werden im
großen und ganzen keine besonderen Anforderungen im Hinblick auf Korrosionsverhalten,
Verschleißfestigkeit und Haftgrundauftrag gestellt. Lediglich eine intakte Oberfläche sollte
das Aluminium besitzen, d.h. frei von Lunkern und Poren sein (z. B. bei Gußstücken).
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Werden jedoch Anforderungen an die dekorativen Eigenschaften gestellt, so muß auf
bestimmte Arten von Aluminiumlegierungen zurückgegriffen werden.
3.3 Eigenschaften bestimmter anodisch erzeugter Oxidschichten
An dieser Stelle möchte ich einige Beispiele für die Einwirkungen verschiedener
Materialien auf die Eigenschaften der hergestellten Schichten betrachten.
-
Magnesium:
Bis zu 3 – 4 % keine Beeinträchtigung
Ab ca. 5 % Eintrübung
-
Zink:
Über 2 %: keine wesentlichen Eintrübungen, Härte der Schicht wird etwas
herabgesetzt
-
Kupfer:
In Gehalten unter 0,2 % ohne merklichen Einfluß auf Farbe Transparenz und Härte
der Schicht
-
Mangan:
Eintrübungen oder Farbstiche schon bei Konzentrationen über etwa 0,2 %
-
Eisen:
Bewirkt Eintrübung bereits in kleinen Mengen (etwa 0,4 %)
-
Chrom:
Gelbstich ab 0,1 %
-
Titan und Zirkonium:
Können schon ab Hundertstel % Farbe und Transparenz beeinflussen
Schichtdicken:
Durch die Erfahrung mit den Oxidschichten der anodischen Oxidation wurde festgestellt,
welche Schichtdicken erforderlich sind um die gewünschte Schutzwirkung zu erreichen.
Dabei ergaben sich folgende Dicken und Einsatzbereiche im Bausektor:
Klasse
Lage und Beanspruchung
Mindestschichtdicke [µm]
10
20
Innen, trocken
Innen, feucht; Außen
10
20
Teile aus Knetwerkstoffen
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Schichtdicke [µm]
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Mechanisch beanspruchte Teile (Verschleißschutz)
Kochgeschirr, Flaschen, Campingartikel
Beschlagteile aller Art
Reflektoren
Schmuckwaren
größer 30 – 60
10 – 20
10 –15
5 – 10
5 – 10
Gußstücke
Allgemein
Beschlagteile
10 – 15
10 – 15
Für eine gute Schutzwirkung der Oxidschicht ist außer ihrer Dicke eine ordnungsgemäße
Verdichtung entscheidend (vgl. Kap. 3.6).
Härte:
Anodisch erzeugte Schichten weisen eine hohe Härte auf (bis 350 HV) und Schichten der
Hartanodisation gar eine Härte bis 600 HV. Dabei sollte jedoch beachtet werden, das
diese harten Schichten auf einer relativ weichen Metalloberfläche liegen. Sollte es also zu
Verformungen des Materials kommen, so kann die Oberfläche dieser nicht folgen und es
kommt zu Haarrissen in der Schicht.
Elektrische Isolation:
Die Schichten der anodischen Oxidation weisen einen hohe elektrische Isolation auf,
welche durch höhere Temperaturen jedoch etwas erniedrigt wird.
3.4 Ausführung und Verfahren der anodischen Oxidation
Bei der anodischen Oxidation taucht der Werkstoff (Anode) und eine Kathode in eine mit
Elektrolyt gefüllt Wanne. Bei Stromfluß kommt es zu einer Redoxreaktion. Die einzelnen
Reaktionen finden wie folgt an den Elektroden statt.
Dissoziierter Elektrolyt:
3 H2SO4
Æ
3 SO42- + 6 H+
Anodenreaktion:
3 SO42-
Æ
3/2 O2 + 3 SO3 + 6 e-
Oxidbildung:
2 Al + 3/2 O2
Æ
Al2O3
Säurerückbildung:
3 SO3 + 3 H2O
Æ
3 H2SO4
Kathodenreaktion:
6 H+ + 6 e-
Æ
3 H2↑
Summenreaktion:
2 Al + 3 H2O
Æ
Al2O3 + 3 H2↑
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Abb. 4: Schema einer Anodisierzelle
Abb. 5: Standard-Anodisierverfahren
Abb. 6: Verfahrensgruppen der anodischen Oxidation und Anwendungsgebiete
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Abb. 7: Arbeitsvorgänge bei der anodischen Oxidation
Neben den Standardanodisierverfahren GS (Gleichstrom-Schwefelsäure) und GSX
(Gleichstrom-Schwefelsäure-Oxalsäure), bei denen eine Einfärbung der Schicht nur durch
Farbstoffe oder elektrolytische Färbung erzeugt wird, gibt es noch weitere verwandte
Verfahren, bei denen die Einfärbung direkt bei der Erzeugung der Oxidschicht einhergeht.
Die mechanischen Eigenschaften der verschieden eingefärbten Schichten sind im
wesentlichen gleich.
-
Adsorptives Färben (Tauchfärbung)
Eintauchen nach dem Anodisieren in verschiedene Anorganische Farbstoffe. Die
Einfärbbarkeit hängt von der Schichtdicke, der Porösität, den Anodisierbedingungen
sowie dem Farbstoff ab. Bevorzugte Farbstoffe: Blau, Rot, Gold und Schwarz
Abb. 8: Schaltknauf (tauchgefärbt)
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-
Farbanodisation (Einstufenverfahren)
Durch die Wahl des Elektrolyten erhält die Schicht bereits eine Eigenfärbung. Durch
die Wahl der Elektrolytzusätze erhält man Farbtöne von Hell- bis Dunkelbronze und
Hell- bis Dunkelgrau.
-
2-Stufen-Colinalverfahren:
Farbtöne: Silber bis Schwarz. Die Farbtöne entstehen durch die Variation der
Behandlungsdauer. Die eloxierten Aluminium-Teile werden in einer Metallsalzlösung
mittels Wechselstrom (2. Verfahrensstufe) elektrolytisch eingefärbt. Es handelt sich
hierbei um ein licht- und wetterbeständiges Färbeverfahren.
Abb. 9: Einfärbung durch 2-Stufen-Colinalverfahren
Die Farbpalette kann durch Kombination zweier oben genannter Verfahren wesentlich
erweitert werden.
Neben den genannten Anodisierverfahren gibt des weitere Sonderverfahren, welche für
bestimmte Anwendungsgebiete entwickelt wurden (z.B. Flugzeugbau, Textilindustrie).
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Abb. 10: Erzeugen von farbigen Oxidschichten nach verschiedenen Verfahren
Abb. 11: Weitere Einsatzgebiete von eloxierten Bauteilen (Gebäudebau)
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3.5 Hartanodisation
Bei der Hartanodisation werden durch spezielle Verfahrensvarianten besonders harte und
verschleißfeste Oxidschichten für technische Zwecke erzeugt. Es werden Schichtdicken
von 25 – 150 µm hergestellt. Dabei wird kein Wert auf dekoratives Aussehen gelegt.
Merkmale dieser Verfahren sind niedrigere Elektrolyttemperaturen und höhere
Stromdichte. Durch die kleinere Temperatur wird die Wärme beim Entstehen der Schicht
schneller abgeleitet und es wird die Rücklösung der Oxidschicht gemindert. Zusätzlich
wird mit der Dicke der Schicht die Spannung beim Anodisieren erhöht.
Abb. 12: Einige Hartanodisierverfahren
Eigenschaften der Hartoxidschichten:
-
Durchschlagsspannung von 20 – 30 V/µm (max. 5000 V)
Verschleißschutz bis 520 HV
Mikrorauhe Oberfläche
Elektrisch isolierend
Gleichbleibende hohe Härte von der Metallseite bis nach außen (bei normalen
Verfahren abnehmend)
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Feine
Haarrisse
möglich,
die
jedoch
die
Abriebfestigkeit
und
die
Korrosionsbeständigkeit nicht beeinflussen
3.6 Verdichten anodisch erzeugter Oxidschichten
Die Oxidschichten der verschiedenen Anodisierverfahren erreichen ihre optimale
Beständigkeit erst durch eine Verdichtungsbehandlung. Diese bewirkt einen
Porenverschluß. Das Verdichten geschieht in vollentsalztem, siedendem Wasser bei über
96 °C bzw. in Sattdampf bei über 98 °C. Dabei wird die Oxidschicht hydratisiert. Aus dem
Oxid entsteht Böhmit. Dabei werden die Poren verschlossen und die Schicht kann keine
Fremdstoffe (Farben etc.) mehr einlagern.
Unter Temperatureinfluß größer 75 °C: Al2O3 + H2O Æ
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2 AlO (OH)
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Das sachgemäße Verdichten ist für die Beständigkeit der Schicht von größter Wichtigkeit.
Eine Belagbildung wie sie bei der Verdichtung auftreten kann wird durch Zusätze, sog.
Belagverhinderer, unterdrückt, da sie die optischen Eigenschaften beeinträchtigen würde.
3.7 Zum Anodisieren geeignete Stoffe
Abb. 13: Zum Anodisieren geeignete Stoffe
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4. Beschichten von Aluminium
Beim Beschichten von Aluminium wird nicht etwa wie beim chemischen Behandeln der
Oberfläche oder bei der anodischen Oxidation die Oberfläche verändert, sondern sie wird
mit einem Überzug versehen. Dabei kann man dem Grundstoff Aluminium
charakteristische Vorteile des Beschichtungsmaterials verleihen und es entstehen neue
Anwendungsgebiete.
4.1 Metallüberzüge im Tauch- und Sudverfahren
Beim Tauch- und Sudverfahren wird die Eigenschaft des Aluminiums genutzt edlere
Metalle aus ihren Salzlösungen zu verdrängen. So wird auf chemischem Wege eine
Ablagerung des edleren Metalls auf der Aluminiumoberfläche erreicht. Die Schichten sind
nur wenige µm dick und genügen deshalb nur geringen mechanischen und chemischen
Ansprüchen. Anwendung findet dieses Verfahren deshalb nur bei billigen Massenartikeln
(Abzeichen, Plaketten usw.).
4.2 Stromloses (chemisches) Vernickeln
Dieses Verfahren findet vor allem Anwendung in technischen Bereichen. Es werden
Nickellegierungen durch chemische Reduktion in einer sauren oder alkalischen
Nickelsalzlösung auf dem Aluminium abgeschieden. Die Schichtdicke ist sehr gleichmäßig
und wird mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 µm/h abgeschieden. Die
Lösungstemperatur liegt bei etwa 95 – 100 °C. Es werden Härten von bis 450 HV erreicht,
die sich nach einer thermischen Nachbehandlung gar noch etwas weiter erhöhen läßt.
4.3 Galvanisieren
Beim Galvanisieren kann der Grundstoff Aluminium mit allen galvanisch (elektrolytisch)
abscheidbaren Metallen beschichtet werden. Dabei nutzt man die Möglichkeit der
Zwischenschichten sollte eine Direktbeschichtung mit einem bestimmten Metall nicht
möglich sein. Der Erfolg der Galvanisierung hängt besonders von der
Oberflächenvorbehandlung ab. Die Oberfläche muß gründlich vorgereinigt (Reinigen und
Entfetten) werden und es muß die Oxidschicht mit Hilfe von Beizen entfernt und die
Oberfläche mit Spezialbeizen aktiviert werden.
Folgende Galvanisierungsmethoden sind häufig vertreten:
-
Verkupfern:
Vorgenommen als Vorbereitung zum Weichlöten von Aluminiumteilen. Es dient
weiterhin als Zwischenschicht unter Nickel und Chrom und gelegentlich als dekorativer
Kupferüberzug.
-
Vernickeln:
Dekorative Zwecke
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-
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Verchromen:
Verchromen dient sowohl technischen als auch dekorativen Zwecken. Für die
technische Anwendung kommt es zum Einsatz, wenn es um hohe Härte und große
Verschleißfestigkeit geht. Je nach Art des Verchromens unterscheidet man
Glanzverchromen, Schwarzverchromen (beide im dekorativen Bereich) und
Hartverchromen. Beim Hartverchromen werden Schichtdicken von bis zu 250 µm
erreicht. Diese Schichten dienen ausschließlich technischen Zwecken und erreichen,
wie der Name schon sagt, eine hohe Härte.
Um die gleichmäßige Schichtdicken zu bekommen werden bei der Galvanisierung an die
Werkstückform angepaßte Elektroden verwendet um eine gleichmäßige Abscheidung der
Schicht zu bewirken. Der Niederschlag findet beim Galvanisieren an der Kathode statt.
Hier einige Beispiele:
Abb. 14: Elektrodenanordnungen bei komplizierter Werkstückform
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4.4 Thermisches Spritzen
Der Beschichtungswerkstoff, dies kann hier Keramik, Metall oder Kunststoff sein, wird
unter einer Flamme aufgeschmolzen und durch Druckluft oder Schutzgas auf das zu
beschichtende Werkstück geschleudert. Anwendung findet dieses Verfahren bei der
Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Hitzeschutzes. Die Oberfläche des zu
beschichtenden Werkstückes bleibt trotz der Temperatur der Wärmequelle relativ kalt
(< 200 °C). Als Spritzwerkstoff werden verarbeitet: Metalle, Metalllegierungen, -karbide,
-nitride, -boride, -silicide und -oxide.
Je nach Art des Energieträgers unterscheidet man:
-
Flammspritzen (Brenngas-Sauerstoff.Flamme)
Lichtbogenspritzen
Flammschockspritzen (explosionsartige Beschichtung)
Plasmaspritzen
In das Plasma (ionisiertes Gas zwischen zwei Elektroden, ca. 25000 °C) wird der
Beschichtungsstoff eingebracht und aufgeschmolzen auf das Werkstück geschleudert.
Abb. 15: Werkstoffe, die durch Plasmaspritzen aufgetragen werden
4.5 Lackieren, Anstreichen
Es werden verschiedene Lacke, Farben und Kunststoffüberzüge auf das Werkstück
aufgebracht. Der Auftrag erfolgt unter korrosionstechnischen und dekorativen Gründen.
Man unterscheidet Beschichtungen, die dauerhaft auf dem Aluminium verbleiben und sog.
Abziehlacke. Je nach Beschichtung muß man also auf die Haftung des Stoffes auf der
Aluminiumoberfläche achten. Auch für diese Art der Oberflächenbehandlung muß auf eine
sorgfältige Oberflächenvorbereitung geachtet werden um die zu erzielenden
Eigenschaften zu erlangen. Näher soll an dieser Stelle nicht auf die verschiedenen
Lackierverfahren eingegangen werden. Einen kleinen Überblick über die Verfahren bietet
die folgende Tabelle.
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Seite 21
Abb. 16: Lackfarben und Beschichtungsstoffe für die lackierende Beschichtung von
Aluminium
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4.6 Kunststoffüberzüge
Kunststoffüberzüge werden vor allem im Bausektor verwendet, aber auch der Einsatz als
Verpackung ist üblich. Die Kunststoffschichten werden auf die Oberfläche geklebt, per
Schmelzbad aufgebracht oder es wird das warme Werkstück in die Masse eingetaucht.
-
Schmelztauchmassen
Es werden die zu beschichtenden Teile in die geschmolzene Beschichtungsmasse auf
Celluloseacetobutyrat-Basis getaucht. Anwendung findet dieses Verfahren bei
Verpackungen und dem temporären Schutz von Beschlägen. Die Überzugsmasse
kann vollständig wieder entfernt werden. Die Schichtdicken liegen zwischen 300 und
1000 µm.
-
Plastisole:
Vinylharze mit Weichmachern. Eintauchen der vorgewärmten Teile (60 - 90 °C) in die
Beschichtungsmasse. Vernetzung der Harze bei etwa 180 °C.
-
Kunststoffpulver:
Das auf etwa 300 °C erwärmte Werkstück wird in ein Kunststoffpulver (Polyethylen,
PVC, Polyamide und andere Thermoplaste) getaucht. Dabei haftet das
aufgeschmolzene Pulver an der Oberfläche. Eine glatte gleichmäßige Oberfläche wird
bei anschließender Wärmebehandlung bei ca. 200 °C im Ofen oder bei Überflächung
mit einer Flamme erreicht.
-
Kunststofffolie:
Die Kunststofffolie wird unter Einsatz von Klebstoffen bei erhöhter Temperatur auf die
vorbehandelte Aluminiumfläche aufgebracht. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist
das Bedrucken der Folie vor dem Auftragen.
4.7 Emaillieren
Unter Emaillieren versteht man das Aufbringen von anorganischem, glasähnlichem
Material
vorwiegend
oxidischer
Zusammensetzung.
Dabei
muß
der
Ausdehnungskoeffizient der Emails dem des Aluminium ähnlich sein, da der Überzug bei
etwa 520 - 560 °C Emailtemperatur geschieht. Die Stoffe werden aufgeschmolzen und auf
das Aluminium aufgespritzt. Man erhält Schichtdicken von 50 - 80 µm aus Bor-Silikaten
und Alkali-Bor-Titan-Zirkomnium.Emails, welche durch Zusatz von färbenden Pigmenten
(Metalloxide) eingefärbt werden können.
Eigenschaften:
- viele Farbvarianten möglich, auch durch Sieb- und Schablonendruck
- ausgezeichnete Licht-, Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit
- Durchschlagsspannung von 500 V bei 25 µm Schichtdicke
Anwendungen:
- Verkleidungsbleche
- Wandelemente und Fertigbauteile für Außen- und Innenarchitektur
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-
Seite 23
Kacheln
5. Literatur
-
Praktische Oberflächentechnik, Müller
Vieweg-Verlag, ISBN 3-528-16562-6
-
Aluminium-Taschenbuch, 14. Auflage
Aluminium-Verlag, ISBN 3-87017-169-3
-
Forschung in Aluminium, Forschungsinstitut der VAW
-
WITH Metallbau, www.with.ch/Systembeschreibung.htm
-
Metallveredlung Rudolf Clauss, www.rudolf-clauss.de
6. Abbildungsverzeichnis
Abb.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Dargestellt
Getränkedosen (Phosphatbeschichtung als Haftgrund für die Lackierung)
Verfahren der chemischen Oxidation und ihre Anwendungsgebiete
Schichtaufbau bei anodischen Oxidation
Schema einer Anodisierzelle
Standard-Anodisierverfahren
Verfahrensgruppen der anodischen Oxidation und Anwendungsgebiete
Arbeitsvorgänge bei der anodischen Oxidation
Schaltknauf (tauchgefärbt)
Einfärbung durch 2-Stufen-Colinalverfahren
Erzeugen von farbigen Oxidschichten nach verschiedenen Verfahren
Weitere Einsatzgebiete von eloxierten Bauteilen (Gebäudebau)
Einige Hartanodisierverfahren
Zum Anodisieren geeignete Stoffe
Elektrodenanordnungen bei komplizierter Werkstückform
Werkstoffe, die durch Plasmaspritzen aufgetragen werden
Lackfarben und Beschichtungsstoffe für die lackierende Beschichtung von
Aluminium
Vorlesung: Leichtmetalle
Seite
5
7
9
12
12
13
13
14
14
15
15
16
17
19
20
21