mini|Verschieden eingefärbte Eloxal-Schichten auf Aluminium
Das Eloxal-Verfahren [] (von Eloxal, Abkürzung für elektrolytische Oxidation von Aluminium) ist eine Methode der Oberflächentechnik zum Erzeugen einer oxidischen Schutzschicht auf Aluminium durch anodische Oxidation. Im Gegensatz zu den galvanischen Überzugsverfahren wird beim Eloxieren die Schutzschicht nicht auf dem Werkstück niedergeschlagen, sondern durch Umwandlung der obersten Metallschicht ein Oxid bzw. Hydroxid gebildet. Es entsteht eine 5 bis 25 Mikrometer dünne Schicht, die tiefere Schichten vor Korrosion schützt, solange keine Risse oder Lücken in dieser Schicht entstehen. Die natürliche (atmosphärische) Oxidschicht des Aluminiums beträgt demgegenüber lediglich wenige Nanometer. mini|Eingefärbte Ventile zur Be- und Entlüftung an einem Raumanzug
Neben der chemischen Beständigkeit erhöht sich beim Eloxieren auch die Härte der Oberfläche und die Reibungswerte beim Kontakt mit verschiedenen Materialien verringern sich.
Das Verfahren mini|Prinzipdarstellung der anodischen Oxidation (Eloxieren)
Grundprinzip des Eloxierens mini|Anfangsphase der Umwandlung von Aluminium durch anodische Oxidation und Reaktion von Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen Aluminium und wässrigem Elektrolyt in der Anfangsphase mini|Fortschreitende Umwandlung von Aluminium durch anodische Oxidation unter Bildung von Poren, wobei die Reaktion von Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen Aluminium und wässrigem Elektrolyt bestehen bleibt
Auf Aluminium bildet sich in Kontakt mit Sauerstoff eine dünne, aber dichte Oxidschicht, die das Aluminiummetall unter normalen Umgebungsbedingungen gegen weitere Oxidation schützt. Bei einer Dicke zwischen etwa 5 nm und 20 nmCatrin Kammer: Aluminium-Taschenbuch. Bd. 1: Grundlagen und Werkstoffe. 15. Auflage. Aluminium-Verlag, Düsseldorf 1995, S. 356ff.Dieter Altenpohl: Aluminium von innen – Das Profil eines modernen Metalls. 5. Auflage. Aluminium-Verlag, Düsseldorf 1994, S. 260ff.T. W. Jelinek: Oberflächenbehandlung von Aluminium; E. G. Leuze Verlag, Saulgau, 1997, S. 31. ist die Schicht zudem vollkommen transparent (d. h. unsichtbar) und bewahrt dadurch den metallischen Charakter des Aluminiums. Die Oxidschicht schützt das Metall vor Oxidation durch Sauerstoff und in einem pH-Bereich zwischen etwa pH 4 und pH 9 gegen Korrosion – deshalb ist das Metall unter normalen Umgebungsbedingungen relativ beständig. Allerdings führen Bestandteile wie Salz (Natriumchlorid) oder Schwefeldioxid zu Korrosionserscheinungen, weshalb Aluminium in Meeresnähe oder unter rauen Industriebedingungen Korrosionsangriffe zeigt. Vor allem aber ist die sehr dünne natürliche Oxidschicht nicht in der Lage, Aluminium gegen Verschleiß zu schützen.
Die natürliche Oxidschicht auf Aluminium kann durch die elektrochemische Behandlung der anodischen Oxidation verstärkt werden. Dabei wird das Aluminium in einem Elektrolyten (z. B. Schwefelsäure oder Oxalsäure) als Anode in einem Gleichstromkreislauf geschaltet. Hierbei wird aus dem wasserhaltigen Elektrolyten an der Aluminiumoberfläche Sauerstoff erzeugt. Dieser reagiert direkt an der Oberfläche mit dem Metall (das durch den Stromfluss in reaktionsfähige Aluminiumionen überführt wird) zu Aluminiumoxid. Es erfolgt also eine direkte Umwandlung der Oberfläche in Aluminiumoxid. Auch komplexe Geometrien erhalten so eine nahezu gleichmäßig dicke Aluminiumoxidschicht. Die Oxidschicht besitzt verfahrensbedingt direkt nach der Erzeugung Mikroporen. Durch ein abschließendes Verdichten bzw. Versiegeln (engl. Sealing) lassen sich die Poren verschließen, um eine kompakte, weitgehend aus Aluminiumhydroxid bestehende Schicht zu erzeugen. Die anodisch erzeugte Oxidschicht besitzt eine wesentlich bessere Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß. Zudem ist die durch Anodisieren erzeugte Oxidschicht ein guter elektrischer Isolator mit Durchschlagsfestigkeiten von etwa 900 V bei einer Dicke der Eloxalschicht von 30 µm.
Materialauswahl Je reiner das Material ist, desto besser sind die Eloxalergebnisse. Im Bereich der Außenarchitektur finden somit gerne Reinaluminium oder nur gering legierte Materialien Verwendung. In Luftfahrt, Maschinenbau oder der Fahrzeugtechnik sind diese „weichen“ Aluminiumsorten allerdings nicht einzusetzen. Um die geforderten Material- oder Bearbeitungseigenschaften zu erzielen, werden unterschiedliche Legierungskomponenten beigefügt, die den Anodisationsprozess teilweise erheblich beeinflussen oder gar stören. Die am meisten verbreiteten Zusätze sind:
Kupfer, z. B. AlCuMgPb (EN-AW 2007), ist beim Eloxieren stark löslich Silizium, z. B. AlMgSi1 (EN-AW 6082), wird nicht gelöst, sondern mit eingebaut Magnesium, Zink und Mangan, z. B. AlZnMgCu1,5 (EN-AW 7075), werden herausgelöst.
Diese eingebauten Elemente führen teilweise zu Fehlstellen in der Oxidschicht; die sich lösenden Elemente erhöhen stark die Rücklösung, worunter die Schichtqualität merklich leidet. Es ist wichtig, die Legierung exakt auf die mechanische Anwendung und die zu erzielenden Schichteigenschaften abzustimmen, wobei die Legierungsempfehlungen des Eloxalbetriebes zu beachten sind.
Vorbehandlung Um eine gleichmäßige Oberfläche zu erhalten, werden die Aluminiumteile meist zunächst basisch (mit auf Natronlauge basierenden Laugen) entfettet und gebeizt, anschließend sauer (mit Salpetersäure oder Flusssäure).Friedrich Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium. 2. Auflage. Springer, Berlin / New York 2007, ISBN 978-3-540-71196-4, S. 581 (). Die zur Anwendung kommenden Beizmittel und -bedingungen sind von den Eigenschaften des Werkstoffs, wie beispielsweise der Art der Beimischungen von Fremdmetallen in einer Legierung, abhängig. Beim Beizen wird teilweise auch die dünne, natürliche Oxidschicht entfernt. Durch längere Einwirkzeiten kann bei geeignetem Grundmaterial ein mattes Beiz-Finish erzeugt werden. Diese genormte Optik (E6) wird bei Bauteilen im Außenbereich überwiegend eingesetzt.
Bei der Eloxierung feinmechanischer Komponenten sind längere Beizzeiten ungünstig, da die Maßhaltigkeit unter dem Materialabtrag leidet.
Die entstehenden aluminiumhaltigen Säuren (Aluminiumnitrat-Lösung) und Laugen (Natriumaluminat-Lösung) sind Sekundärrohstoffe und werden in den industriellen Al-Kreislauf zurückgeführt. In einigen Eloxal-Anlagen werden sie neutralisiert, so dass der entstehende Aluminiumhydroxid-Filterkuchen als Rohstoff verwendet werden kann.
Das Eloxieren Nach der Oberflächen-Vorbehandlung erfolgt das eigentliche Eloxieren. Zuweilen wird dann die frische poröse Schicht mit Farbstoffen gefärbt, und schließlich folgt das Verdichten, üblicherweise einfach mit heißem Wasser oder Dampf. Es gibt auch die Möglichkeit des chemischen Verdichtens, das meist in Kombination mit Dampfverdichtern eingesetzt wird.
Das Eloxal-Verfahren bedient sich der Elektrolyse. Die Kathode (negative Elektrode) zerlegt das in der Säure enthaltene Oxonium (H3O+) in Wasserstoff und Wasser. Der Wasserstoff wird frei.
An der Anode (positive Elektrode) findet die Oxidation (1) von Aluminium zu Aluminium(III)-Ionen statt und anschließend die Weiterreaktion zu Aluminium(III)-oxid (2). Die Säure wird nur zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet und ist an der Reaktion nicht beteiligt.
Die Gesamtreaktion kann wie folgt beschrieben werden:
Das elektrolytische Verfahren wird üblicherweise mittels Gleichstrom (im Folgenden betrachtet) in Schwefelsäure- oder Oxalsäure-Elektrolyten durchgeführt. Es kann aber auch mit Wechselstrom (z. B. WX-Verfahren) oder mit Hilfe einer Verbindung beider Stromarten durchgeführt werden.
mini|Thermographiebild eines Eloxierversuches Bei der Gleichstromvariante wird das Aluminium als Anode geschaltet; man nennt daher das Verfahren auch Anodisieren. Die Gegenelektrode besteht meistens aus einem Material, das vom Elektrolyten nicht angegriffen wird. Die Oxidation von Aluminium mit dem Eloxal-Verfahren kann auf drei Arten vorgenommen werden:
Eintauchverfahren in ruhenden Bädern: die Werkstücke werden ganz oder teilweise in das Oxidationsbad eingetaucht; die Stromquelle ist am Werkstück und an der im Bad tauchenden Gegenelektrode befestigt. Spritzverfahren: das Werkstück und eine bewegliche Düse, aus der der Elektrolyt austritt, werden an die Stromquelle angeschlossen. Durchlaufverfahren in ruhenden Bädern: Drähte, Bänder u. ä. werden durch das Oxidationsbad gezogen; die Stromquelle ist wie bei 1. angeschlossen.
Eloxiertes und anschließend gefärbtes Aluminium sollte möglichst im zweistufigen Versiegelungsverfahren behandelt werden, um ein Ausbluten der Farbstoffe zu vermeiden. Stufe 1 im Nickelacetatbad 15 Min. bei 60 °C. Stufe 2 im Heißwasserbad 3 Min./µm Schichtdicke.
Die erzeugten Schichten können hart, mittelhart und weich sein. Dies hängt von den Oxidationsbedingungen ab. Die Oxidationsbedingungen, die Wahl des Elektrolyten und dessen Zusätze haben auf die Güte und Art der Schicht Einfluss. Somit ist man in der Lage, die Schicht dem jeweiligen technischen Verwendungszweck anzupassen.
Arbeitsschutz Beim Eloxieren können die Beschäftigten gegenüber Gefahrstoffen exponiert sein. Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung müssen die am Arbeitsplatz auftretenden Gefahrstoffe ermittelt und entsprechende Schutzmaßnahmen festgelegt werden. Die DGUV-Information 213-716 der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung gibt Verfahrensweise und Schutzmaßnahmen beim Eloxieren an, sodass für Stoffe mit Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) dessen Einhaltung sichergestellt ist. Für Stoffe ohne AGW ist der Stand der Technik dokumentiert.
Die Schicht Voraussetzungen zur Erzielung technisch einwandfreier Schichten:
Möglichst homogenes Gefüge des Metalls (Ungleichmäßigkeiten übertragen sich auf die Oxidschicht) Keine Verwendung ungeeigneter metallischer Legierungselemente oder Verunreinigungen, da deren Primär- und Sekundärphasen einen regulären Aufbau der Eloxalschicht stören können. Vermeidung nichtmetallischer Einschlüsse, wie z. B. Feuerfestmaterialien oder diverse Oxide, da diese einen regulären Schichtaufbau stören können.
Für die Erzielung dekorativ einwandfreier Schichten sind anspruchsvollere Voraussetzungen bezüglich der Legierungszusammensetzung und der Gefügeausbildung zu erfüllen.EUROPEAN ALUMINIUM CONGRESS 2009, Norbert William Sucke, Dr. Lothar Löchte, „ALMINOX – The next generation of highly decorative ALUMINIUM“.
Schichtbildungsvorgänge Die Schichtbildungsvorgänge werden beeinflusst durch die:
Wahl des Elektrolyten, seine Konzentration und Temperatur Stromart (Gleichstrom, Wechselstrom) elektrische Stromdichte Spannung und Dauer der Behandlung
Starken Einfluss üben auch Temperaturveränderungen aus. Die Dauer der Behandlung hängt direkt mit der Schichtdicke zusammen. In den Elektrolyten werden manchmal Zusätze gemischt, welche auf die Zusammensetzung der Oxidschichten einwirken. Der Grundstoff der Schicht bleibt jedoch immer Aluminiumoxid. Durch Zusätze zum Elektrolyt können die Eigenschaften der Schicht verändert werden (Verbesserung der Beständigkeit, des Aussehens und so weiter). Da die Schicht aus Aluminiumoxid besteht, leitet sie im Gegensatz zu Aluminium den elektrischen Strom nicht.
Härte Durch das Eloxieren lassen sich Härten zwischen 200 und 350 HV erreichen. Durch Harteloxalverfahren können dickere Schichten mit höherer Sprödigkeit erzeugt werden, die Härten bis zu 600 HV erreichen.Modellbau.Org, Eloxieren Grundlagen.Eloxal München, Materialauswahl.
Schichtwachstum in die Tiefe Die Schicht ist feinkristallin, weist jedoch unzählige Poren auf. Deshalb ist die Schicht in der Lage, Flüssigkeiten „aufzusaugen“, was für das Wachstum der Oxidschicht notwendig ist, denn für das weitere Wachstum der Schicht muss der Elektrolyt an die innere Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid und Aluminium vordringen, wo die Oxidation des Aluminiums stattfindet.