Chemische und physikalische. Oberflächenbehandlung von Aluminium

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1 Chemische und physikalische Oberflächenbehandlung von Aluminium

2 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 2 1. Einleitung Inhaltsverzeichnis 2. Chemische Oberflächenbehandlung 2.1 Chromatieren 2.2 Phosphatieren 2.3 Ausführen der beiden Verfahren 3. Anodische Oxidation (Eloxieren) 3.1 Charakteristische Eigenschaften 3.2 Grundlagen und Werkstoffwahl 3.3 Eigenschaften bestimmter anodisch erzeugter Oxidschichten 3.4 Ausführung und Verfahren der anodischen Oxidation 3.5 Hartanodisation 3.6 Verdichten anodisch erzeugter Oxidschichten 3.7 Zum Anodisieren geeignete Stoffe 4. Beschichten von Aluminium 4.1 Metallüberzüge im Tauch- und Sudverfahren 4.2 Stromloses (chemisches) Vernickeln 4.3 Galvanisieren 4.4 Thermisches Spritzen 4.5 Lackieren, Anstreichen 4.6 Kunststoffüberzüge 4.7 lieren 5. Literatur 6. Abbildungsverzeichnis 1. Einleitung

3 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 3 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

4 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 4 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 / C) und Transparentchromatierung (bei ph = 3 4 / C) - Blauchromatierung (verwand mit der Gelb- und Transparentchromatierung) - Grün- und Schwarzchromatierung (ph = 1,2 1,8 / 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

5 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 5 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.

6 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 6 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 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 C nicht überschreiten.

7 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 7 Abb. 2: Verfahren der chemischen Oxidation und ihre Anwendungsgebiete

8 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 8 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

9 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 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).

10 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 10 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 Innen, trocken Innen, feucht; Außen 20 Teile aus Knetwerkstoffen Schichtdicke [µm]

11 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 11 Mechanisch beanspruchte Teile (Verschleißschutz) größer Kochgeschirr, Flaschen, Campingartikel Beschlagteile aller Art Reflektoren 5 10 Schmuckwaren 5 10 Gußstücke Allgemein Beschlagteile 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 H 2 SO 4 3 SO H + Anodenreaktion: 3 SO 4 2-3/2 O SO e - Oxidbildung: 2 Al + 3/2 O 2 Al 2 O 3 Säurerückbildung: 3 SO H 2 O 3 H 2 SO 4 Kathodenreaktion: 6 H e - 3 H 2 Summenreaktion: 2 Al + 3 H 2 O Al 2 O H 2

12 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 12 Abb. 4: Schema einer Anodisierzelle Abb. 5: Standard-Anodisierverfahren Abb. 6: Verfahrensgruppen der anodischen Oxidation und Anwendungsgebiete

13 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 13 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)

14 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 14 - 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).

15 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 15 Abb. 10: Erzeugen von farbigen Oxidschichten nach verschiedenen Verfahren Abb. 11: Weitere Einsatzgebiete von eloxierten Bauteilen (Gebäudebau)

16 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite Hartanodisation Bei der Hartanodisation werden durch spezielle Verfahrensvarianten besonders harte und verschleißfeste Oxidschichten für technische Zwecke erzeugt. Es werden Schichtdicken von 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. Eigenschaften der Hartoxidschichten: Abb. 12: Einige Hartanodisierverfahren - Durchschlagsspannung von V/µm (max 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: Al 2 O 3 + H 2 O 2 AlO (OH)

17 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 17 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

18 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 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 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

19 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 19 - 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

20 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 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 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.

21 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 21 Abb. 16: Lackfarben und Beschichtungsstoffe für die lackierende Beschichtung von Aluminium

22 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 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 lieren Unter lieren versteht man das Aufbringen von anorganischem, glasähnlichem Material vorwiegend oxidischer Zusammensetzung. Dabei muß der Ausdehnungskoeffizient der s dem des Aluminium ähnlich sein, da der Überzug bei etwa C temperatur geschieht. Die Stoffe werden aufgeschmolzen und auf das Aluminium aufgespritzt. Man erhält Schichtdicken von µm aus Bor-Silikaten und Alkali-Bor-Titan-Zirkomnium. s, 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

23 Oberflächenbehandlung von Aluminium Seite 23 - Kacheln 5. Literatur - Praktische Oberflächentechnik, Müller Vieweg-Verlag, ISBN Aluminium-Taschenbuch, 14. Auflage Aluminium-Verlag, ISBN Forschung in Aluminium, Forschungsinstitut der VAW - WITH Metallbau, - Metallveredlung Rudolf Clauss, 6. Abbildungsverzeichnis Abb. Dargestellt Seite 1 Getränkedosen (Phosphatbeschichtung als Haftgrund für die Lackierung) 5 2 Verfahren der chemischen Oxidation und ihre Anwendungsgebiete 7 3 Schichtaufbau bei anodischen Oxidation 9 4 Schema einer Anodisierzelle 12 5 Standard-Anodisierverfahren 12 6 Verfahrensgruppen der anodischen Oxidation und Anwendungsgebiete 13 7 Arbeitsvorgänge bei der anodischen Oxidation 13 8 Schaltknauf (tauchgefärbt) 14 9 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 21