Anodisieren Prozess

Anodisieren ist eine elektrolytische Behandlung, die eine stabile Oxidschicht auf einer Metalloberfläche erzeugt. Die häufigsten Anwendungen sind bei Aluminium und Magnesium, aber es wird auch auf Zink, Titan und anderen weniger verbreiteten Metallen angewendet. Anodisierte Beschichtungen werden hauptsächlich zu dekorativen Zwecken verwendet; sie bieten auch Korrosionsschutz. Es ist aufschlussreich, das Anodisieren mit der Galvanotechnik zu vergleichen, da beides elektrolytische Prozesse sind. Zwei Unterschiede stechen hervor: (1) Beim elektrochemischen Beschichten ist das Werkstück, das beschichtet werden soll, die Kathode in der Reaktion. Im Gegensatz dazu ist beim Anodisieren das Werkstück die Anode, während der Verarbeitungstank die Kathode ist. (2) Beim Galvanisieren wird die Beschichtung durch Haftung von Ionen eines zweiten Metalls an der Oberfläche des Basismetalls gebildet. Beim Anodisieren wird die Oberflächenbeschichtung durch chemische Reaktion des Substratmetalls zu einer Oxidschicht gebildet. Anodisierte Beschichtungen haben in der Regel eine Dicke zwischen 25 µm und 0,075 µm (0,0001 und 0,003 Zoll). Diese Dickenwerte ändern sich je nach Art des Anodisierens, die wir im folgenden Text erklären. Farbstoffe können in den Anodisierungsprozess integriert werden, um eine Vielzahl von Farben zu erzeugen; dies ist besonders häufig bei der Aluminiumanodisierung. Sehr dicke Beschichtungen von bis zu 0,25 mm (0,010 Zoll) können ebenfalls auf Aluminium durch einen speziellen Prozess namens Hartanodisieren gebildet werden; diese Beschichtungen zeichnen sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Korrosion aus. [1]

WARUM ANODISIEREN WICHTIG IST?

Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit: Versiegelte anodische Aluminiumoxidschichten sind korrosionsbeständig und hochbeständig gegen atmosphärische und salzhaltige Angriffe. Die anodische Beschichtung schützt das darunterliegende Metall, indem sie als Barriere für potenzielle Korrosionsmittel dient. Um die optimale Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, wird das amorphe Aluminiumoxid, das durch das Anodisieren erzeugt wird, durch Behandlung in leicht angesäuertem heißem Wasser, kochendem deionisiertem Wasser, einer heißen Dichromatlösung oder einer Nickelacetatlösung versiegelt. Die Versiegelung wird in einem späteren Abschnitt dieses Artikels behandelt.
Verbesserung der dekorativen Erscheinung: Alle anodischen Beschichtungen sind glänzend und weisen eine relativ gute Abriebfestigkeit auf. Daher werden diese Beschichtungen als abschließende Oberflächenbehandlung verwendet, wenn das natürliche Aussehen des Aluminiums gewünscht wird oder wenn ein mechanisch induziertes Muster erhalten bleiben soll. Der Glanzgrad der anodischen Beschichtungen hängt vom Zustand des Basismetalls vor dem Anodisieren ab. Mattes Ätzen verringert den Glanz; glänzendes Ätzen, chemisches oder elektrolytisches Aufhellen und Polieren erhöhen den Glanz, entweder diffus oder spekulativ. Das meiste Aluminium, das in architektonischen Anwendungen verwendet wird, ist anodisiert. Diese Beschichtungen, mit der inhärenten Härte des Aluminiumoxids, sind dick genug für Anwendungen, bei denen rotierende Teile und Abriebfestigkeit erforderlich sind. Obwohl alle anodischen Filme härter sind als das Substratmaterial, sind die Beschichtungen, die durch Chromsäure und einige Schwefelsäurebäder erzeugt werden, zu dünn oder zu weich, um die Anforderungen an die Abriebfestigkeit zu erfüllen.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des einfachen elektrischen Kreises, der während des Anodisierens hergestellt wird. Beim Anodisieren wird eine Stromquelle verwendet, um den elektronischen Pfad (Strom- oder Spannungsbias) in die Richtung zu setzen, die den Elektrotransport von Aluminiumionen von der Anode zum Elektrolyten ermöglicht, der den Ionenpfad durch den Elektrolyten zur Kathode bereitstellt und den Kreislauf schließt. Das anodische Oxid wächst auf der Oberfläche der Anode, wenn Aluminiumionen mit Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten reagieren. [2]

BEISPIELE FÜR DIE PRODUKTION VON ANODISIERTEN OBERFLÄCHEN

⦁ Autoscheinwerfer – Atmosphärische Exposition
⦁ Radkolben – Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
⦁ Computerchip-Haube – Hohe Dielektrizität, thermisch leitfähig
⦁ Namensschilder – Atmosphärische Exposition
⦁ Landefahrwerk – Korrosionsbeständigkeit
⦁ Kabinenrahmen – Beständig gegen Abrieb und Seeluft

DREI HAUPTARTEN DES ANODISIERVERFAHRENS

Die drei Hauptarten des Anodisierens sind Chromsäureprozesse, bei denen das Elektrolyt Chromsäure ist; Schwefelsäureprozesse, bei denen das Elektrolyt Schwefelsäure ist; und das harte Anodisierverfahren, das entweder Schwefelsäure allein oder mit Zusätzen verwendet. Andere, weniger häufig verwendete oder für spezielle Zwecke angewandte Verfahren verwenden Schwefelsäure mit Oxalsäure, Phosphorsäure, Oxalsäure, Borsäure, Sulfosalicylsäure, Sulfophthalsäure oder Weinsäure. Abgesehen von den dickeren Beschichtungen, die durch das harte Anodisieren erzeugt werden, reichen die meisten anodischen Beschichtungen von 5 bis 18 µm. [5]

Chromsäureverfahren

Die Reihenfolge der Operationen im Chromsäureverfahren hängt von der Art des Teils, der zu anodisierenden Legierung und dem Hauptziel des Anodisierens ab. Aufgrund der korrosiven Natur von Schwefelsäure ist das Chromsäureverfahren das bevorzugte Verfahren für Komponenten wie genietete oder geschweißte Baugruppen, bei denen es schwierig oder unmöglich ist, die gesamte Anodisierlösung zu entfernen. Chromsäure-Anodisierungslösungen enthalten 3 bis 10 Gew.-% CrO3. Eine Lösung wird hergestellt, indem der Tank etwa halb voll mit Wasser gefüllt wird, die Säure in Wasser aufgelöst wird und dann Wasser hinzugefügt wird, um das gewünschte Betriebsniveau anzupassen.

Schwefelsäureverfahren

Die grundlegenden Operationen für das Schwefelsäureverfahren sind dieselben wie für das Chromsäureverfahren. Teile oder Baugruppen, die Verbindungen oder Vertiefungen enthalten, in denen das Elektrolyt eingeschlossen werden könnte, sollten nicht im Schwefelsäurebad anodisiert werden.

Hartes Anodisieren

Die Hauptunterschiede zwischen dem Schwefelsäure- und dem harten Anodisierverfahren sind die Betriebstemperatur, die Verwendung von Zusatzstoffen sowie die Spannung und Stromdichte, bei denen das Anodisieren durchgeführt wird. Hartes Anodisieren, auch als Hardcoat oder Typ-III-Anodisieren bezeichnet, erzeugt eine deutlich dickere Beschichtung als das herkömmliche Schwefelsäure-Anodisieren in einer gegebenen Zeitspanne.

Die Legierungszusammensetzung ist entscheidend, um das Anodisierverfahren erfolgreich anzuwenden. Das Chromsäureverfahren sollte nicht verwendet werden, um Aluminium-Gusslegierungen mit mehr als 5 % Cu oder mehr als 7,5 % Gesamtlegierungselemente zu anodisieren, da es zu übermäßigen Pitting-Fehlern, die häufig als “Brennen” bezeichnet werden, kommen kann. Das Schwefelsäureverfahren kann für alle kommerziell verfügbaren Legierungen verwendet werden, während das harte Anodisieren in der Regel auf Legierungen beschränkt ist, die weniger als 5 % Cu und 7 % Si enthalten. Die Wahl der Legierung ist wichtig, wenn maximale Korrosions- und/oder Abriebfestigkeit erforderlich ist. Legierungen wie 6061 sind in ihrer Fähigkeit, eine harte, korrosionsbeständige Beschichtung zu erzeugen, den Kupfer- und Kupfer-Magnesium-Legierungen überlegen.

Der industrielle Anodisierungsprozess von Aluminium kann vereinfacht als der Betrieb eines elektrischen Kreises betrachtet werden, der dem Ohmschen Gesetz folgt.

V = i.R (Gleichung 1)

In dieser Gleichung ist V die Spannung des Kreises, gemessen in Volt, und R ist der Widerstand des Kreises. In einem herkömmlichen elektrischen Kreis wird der Strom i normalerweise in Ampere gemessen; dies liegt jedoch daran, dass der Durchmesser eines Drahts als vernachlässigbar betrachtet wird. In jedem elektrochemischen Kreis muss die Oberfläche des gesamten Strom führenden Werkstücks bei der Berechnung des für die Reaktion kritischen Potentials berücksichtigt werden, unabhängig davon, ob es sich um die Auflösung einer Kathode handelt, um einen Abscheidungsprozess auf der Oberfläche einer Anode zu erzeugen, wie beim Galvanisieren, oder um die Auflösung einer Anode zur Bildung eines Oxids, wie beim Anodisieren. [2]

Beim Anodisierprozess von Al und seinen Legierungen ist das Elektrolytmedium als Anode Al und das Badmedium wirkt als Kathode, zum Beispiel H2SO4. Unter dem Einfluss der Spannung beginnen Ionen zu wandern und auf der Oberfläche bildet sich das Aluminiumoxid. Diese Oxidform von Aluminium (Al2O3) hat eine hohe Korrosions- und Abriebfestigkeit. Das macht diesen Prozess sehr wichtig für Anwendungen in der Luftfahrt und der Automobilindustrie. Der Unterschied zu anderen ähnlichen Prozessen besteht darin, dass bei diesem Prozess eine Oxidschicht gebildet wird und kein anderes Material an der Oberfläche sichtbar wird, was diesen Prozess einzigartig macht. Einfach gesagt, wir nutzen die verschleiß- und korrosionsbeständige Phase unseres Materials in einem einfachen Prozess.
In Bezug auf die Kristallstruktur ist Al2O3 strukturierter als reines Al und seine Legierungen, was Al2O3 inert und korrosionsbeständig macht.

rend des Anodisierens von Al angewendet werden, wie Stromdichte, Spannung, Badtemperatur und -dauer, beeinflussen die Eigenschaften und die Dicke der erzeugten Oxidschicht.

Abbildung 2 Wachstumsmechanismus der Oxidschicht sowohl an der Oberfläche als auch innerhalb der Oberfläche. Diese Abbildung zeigt den Mechanismus des Oxidwachstums. [2]

Alle Komponenten, die aus Aluminium und seinen Legierungen hergestellt werden, haben Oberflächen mit Leistungsanforderungen, die je nach Einsatzumgebung und Anwendung variieren. Ob die Anforderung Korrosions- und/oder Abriebfestigkeit oder einfach ein schönes Aussehen ist, für viele Anwendungen kann die Oberfläche der Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Komponente anodisiert werden, um die erforderlichen Leistungsanforderungen zu erfüllen. Das anodisierte Finish, besser bekannt als die anodische Oxidschicht, entsteht und wächst von der Oberfläche des Aluminiums, wodurch ein einheitliches, kontinuierliches, hochgeordnetes Netzwerk individueller Zellen gebildet wird, das eine Schicht bildet, deren Dicke und Zellabmessungen und letztlich die ingenieurtechnischen Eigenschaften von den elektrochemischen Parametern des Anodisierungsprozesses abhängen. [2]

GRUNDLEGENDEN SCHRITTE DES ANODISIERENS

Abbildung 3 Anodisierte Aluminiumprobe unter dem Lichtmikroskop

Abbildung 4 Anodisierter Probenkörper von Al 6061-T6

Kritische Schritte und Parameter im Anodisierungsprozess

Die Prozessparameter spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Dicke und Gleichmäßigkeit der Beschichtung. Daher müssen diese Parameter sorgfältig überwacht und optimiert werden, um die gewünschten Eigenschaften im Endmaterial zu erreichen. Die wichtigsten Reaktionsparameter, die durch Änderungen im Anodisierungsprozess beeinflusst werden, sind die Dicke der anodisierten Schicht, ihre Porosität und die durchschnittliche Oberflächenrauheit, die unten detailliert erklärt wird. Durch systematisches Variieren und Kontrollieren dieser Parameter ist es möglich, den Anodisierungsprozess so abzustimmen, dass eine hochwertige, langlebige Beschichtung entsteht. [4]

Die Parameter, die die Endeigenschaften beeinflussen, sind:
⦁ Konzentration des Mediums,
⦁ Temperatur des Mediums,
⦁ Spannung,
⦁ Anodisierungszeit.

Diese Parameter beeinflussen das Endmaterial in Bezug auf:
⦁ Rauheit,
⦁ Porosität,
⦁ Dicke der Oxidbeschichtung.

Die Dicke der anodisierten Schicht nahm mit einer Erhöhung der Konzentration und anschließend mit einer Verringerung der Spannung und Temperatur ab. Mit zunehmender Konzentration nahm die Porosität ab, da die Schwellenpotentiale für die feldunterstützte Auflösung des Oxids an den Porenböden verringert wurden, was zu einer erhöhten Rate der anodischen Oxidbildung führte. Wenn die Elektrolyttemperatur erhöht wurde, wurde die Struktur offener, mit größeren Porendurchmessern und Verbindungen zwischen den Poren. Im Allgemeinen nahm die Porosität mit zunehmender Spannung und Temperatur zu. Dieser Trend war jedoch nicht immer konsistent. In einigen Fällen nahm die Porosität mit einer Erhöhung der Spannung und Temperatur ab, auch wenn die Konzentration konstant gehalten wurde. Dieses Ergebnis kann sich mit der Änderung der Legierung und des Hauptelements ändern. [3]

Die Oberflächenrauheit ist hauptsächlich das Ergebnis der Größe der Schleifpartikel. Daher wird die Auswahl der Schleifkorngröße teilweise durch die für eine ausreichende Haftung erforderliche Rauheit bestimmt und kann durch die Beschichtungsdicke begrenzt werden. Dieser Faktor sollte für jede Kombination von Schleifkorngröße, -typ und Substratmaterial individuell betrachtet werden. Die Schleuderdruckluftdrücke variieren von 210 bis 620 kPa (30 bis 90 psi), mit Abständen von 50 bis 150 mm (2 bis 6 Zoll). Die Düsenöffnungen für das Schleudern haben in der Regel einen Durchmesser von 6 bis 10 mm (0,25 bis 0,375 Zoll). Der Schleuderwinkel zum Substrat sollte etwa 90° betragen. Übermäßiges Schleudern sollte vermieden werden, um Schleifkorneinschlüsse in der Oberfläche zu minimieren. [6]

REFERENZEN

[1] FUNDAMENTALS OF MODERN MANUFACTURING Materials,Processes,andSystems Fourth Edition Mikell P. Groover
[2] Jude Mary Runge The Metallurgy of Anodizing Aluminum Connecting Science to Practice
[3] Chand, Sudhanshu, et al. “Effect of process parameters on anodization of AA7075.” Materials Science Forum. Vol. 830. Trans Tech Publications Ltd, 2015.
[4] RATTANASATITKUL, Aunyanat; PROMBANPONG, Suksan; TUENGSOOK, Pongsak. An effect of process parameters to anodic thickness in hard anodizing process. In: Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd, 2016. p. 168-172.
[5] Runge, J. M. “Anodizing for design and function.” Journal of Materials Science and Nanotechnology 1.1 (2014): S108
[6] Surface Engineering was published in 1994 as Volume 5 of the ASM Handbook.