Wie funktioniert die Eloxierung von Aluminium? Eigenschaften und Filmbildung

Eigenschaften und Anwendungsbereiche von anodischen Oxidschichten

Beim Eloxieren dient ein Metall in einem geeigneten Elektrolyten als Anode, und durch Anlegen eines Stroms bildet sich auf seiner Oberfläche eine Oxidschicht. Unterschiedliche Elektrolyttypen und -konzentrationen sowie unterschiedliche Prozessbedingungen führen zu Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften und Dicken im Bereich von einigen zehn bis zu einigen hundert Mikrometern. Zum Vergleich: Die natürliche Oxidschicht auf Aluminium ist 0,010 bis 0,015 μm dick.

Poröse Struktur

Eine Anodenschicht weist eine poröse Wabenstruktur auf. Die Porosität hängt vom Elektrolyten und den Prozessbedingungen ab. Die Poren adsorbieren organische Substanzen, Harze, Paraffinwachs, anorganische Substanzen, Farbstoffe und Lacke. Der Film kann daher als Untergrund für Beschichtungen oder Galvanisierungen dienen und zur Verbesserung des Aussehens eingefärbt werden. Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit ist eine Versiegelung erforderlich.

Verschleißfestigkeit

Die hohe Härte der Schicht verbessert die Verschleißfestigkeit der Oberfläche. Adsorbiertes Schmiermittel kann die Verschleißfestigkeit zusätzlich verbessern.

Korrosionsbeständigkeit

Die Schicht ist in der Atmosphäre stabil und bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit. Die Leistungsfähigkeit hängt von der Schichtdicke, der Zusammensetzung, der Porosität, der Zusammensetzung des Untergrunds und der strukturellen Integrität ab. Eloxierte Schichten werden in der Regel versiegelt oder lackiert, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

Elektrische Isolierung

Eine Anodenschicht weist einen hohen Isolationswiderstand und eine hohe Durchbruchspannung auf und kann als Dielektrikum in einem Elektrolytkondensator oder als Isolierschicht auf elektrischen Produkten dienen.

Wärmedämmung

Die Folie ist ein guter Wärmeisolator und bleibt bis zu 1500 °C stabil. Bei Bauteilen, die kurzzeitig hohen Temperaturen ausgesetzt sind, kann sie dazu beitragen, ein Schmelzen des Aluminiums zu verhindern. Die Wärmeleitfähigkeit liegt im Allgemeinen zwischen 0,419 und 1,26 W/(m·K).

Haftung

Da sich die Folie direkt auf dem Untergrund ablagert, haftet sie sehr fest und lässt sich mechanisch nur schwer entfernen. Selbst wenn ein oxidiertes Blechteil so stark gebogen wird, bis es bricht, bleibt die Folie haften. Ihre Haftkraft ist daher wesentlich stärker als die einer aufgebrachten Beschichtung.

Transparenz

Anodische Oxidschichten sind hochgradig transparent, wobei die Transparenz mit steigender Reinheit des Aluminiums zunimmt. Sowohl die Reinheit des Materials als auch die Legierungszusammensetzung beeinflussen die Transparenz.

Funktionale Eigenschaften

In den Poren können funktionelle Partikel eingebracht werden, um Materialien mit elektromagnetischen, katalytischen, sensorischen, trenntechnischen und anderen Funktionen herzustellen.

Entstehungsmechanismus von anodischen Oxidschichten

Aluminium und Aluminiumlegierungen werden in der Regel in sauren Lösungen mit mäßiger Lösungskraft eloxiert. Blei kann als Kathode dienen und leitet hauptsächlich den Strom. An der Anode finden folgende Reaktionen statt:

H₂O → [O] + 2H⁺ + 2e⁻

2Al + 3[O] → Al₂O₃

An der Kathode findet folgende Reaktion statt:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑

Der saure Elektrolyt löst zudem das Aluminiumsubstrat und die Oxidschicht chemisch auf:

2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3 Stunden₂↑

Al₂O₃ + 6 Std.⁺ → 2Al³⁺ + 3 Stunden₂O

Das Anwachsen und die Auflösung der Schicht erfolgen gleichzeitig. Zu Beginn des Eloxiervorgangs verläuft das Anwachsen schneller als die Auflösung, sodass die Schichtdicke zunimmt. Mit zunehmender Schichtdicke steigt der elektrische Widerstand, der Strom nimmt ab und das Anwachsen verlangsamt sich. Wenn das Anwachsen und die Auflösung ein dynamisches Gleichgewicht erreichen, stabilisiert sich die Schichtdicke.

Die Spannungs-Zeit-Kurve verdeutlicht zudem den Ablauf des Schichtwachstums.

1. Phase a: Bildung der Sperrschicht. Im Abschnitt AB steigt die Spannung in den ersten Sekunden bis zu einigen zehn Sekunden stark von Null auf einen Höchstwert an, der als kritische Spannung bezeichnet wird. Auf der Anode bildet sich ein durchgehender, dünner, porenfreier Film, der eine weitere Verdickung verhindert. Die Dicke der Barriereschicht ist proportional zur Bildungsspannung und umgekehrt proportional zur Auflösungsrate im Elektrolyten. Die Dicke beträgt 0,01 bis 0,1 μm.
2. Phase b: Bildung einer porösen Schicht. Im Bereich BC lösen sich die dünnsten Stellen zuerst auf und bilden Hohlräume. Durch diese Hohlräume gelangt Elektrolyt an das frische Aluminium, und die elektrochemische Reaktion setzt sich fort. Der Widerstand nimmt ab, und die Spannung sinkt auf 10% bis 15% des Maximalwerts, was darauf hindeutet, dass sich der Barrierefilm auflöst und sich eine poröse Schicht bildet.
3. Stufe c: Verdickung der porösen Schicht. Im Abschnitt CD erreicht die Spannung nach etwa 20 Sekunden einen stabilen, langsam ansteigenden Wert. Während sich die Barriereschicht kontinuierlich in eine poröse Schicht auflöst, wächst eine neue Barriereschicht nach. Die Filmbildung und -auflösung setzen sich am Boden jeder Zelle fort. Wenn ihre Geschwindigkeiten ein dynamisches Gleichgewicht erreichen, führt eine Verlängerung der Anodisierungszeit nicht mehr zu einer weiteren Zunahme der Dicke, und der Prozess sollte beendet werden.