Was sind die wichtigsten Verfahren zur Anodisierung von Aluminium?

Wenn eine Aluminiumanode in einer sauren Lösung durch einen externen Strom oxidiert wird, finden das Wachstum des Oxidfilms und dessen Auflösung gleichzeitig statt. Ein anodischer Oxidfilm entsteht nur, wenn seine Bildungsrate die Auflösungsrate übersteigt. Zu den gängigen Verfahren zählen das Anodisieren mit Schwefelsäure, Chromsäure und Oxalsäure. Weitere Verfahren sind die Hartanodisierung und die porzellanartige Anodisierung.

Schwefelsäure-Eloxieren

Beim Schwefelsäure-Eloxieren wird Gleich- oder Wechselstrom in einem Elektrolyten angelegt, der 10% bis 20% H enthält.₂SO₄ nach Masse. Dabei entsteht ein farbloser, transparenter, stark adsorbierender Film mit einer Dicke von 5 bis 20 μm. Das Verfahren ist einfach, die Lösung ist stabil und die Handhabung ist unkompliziert.

Einfluss der Schwefelsäurekonzentration

Eine hohe Schwefelsäurekonzentration beschleunigt die chemische Auflösung und führt zur Bildung eines dünnen, weichen, hochporösen Films mit starker Adsorptionsfähigkeit und guter Färbbarkeit. Eine niedrigere Konzentration erhöht die Filmwachstumsrate und führt zu einer geringeren Porosität, höherer Härte, guter Verschleißfestigkeit und guter Reflektivität.

Einfluss der Temperatur

Die Temperatur des Elektrolyten hat einen starken Einfluss auf die Qualität der Schicht. Bei 10 bis 20 °C ist die Schicht porös, adsorbierend, elastisch und zum Färben geeignet, weist jedoch eine geringere Härte und Verschleißfestigkeit auf. Oberhalb von 26 °C wird er locker und weich. Unterhalb von 10 °C wird er dicker, härter und verschleißfester, ist jedoch weniger porös. Die Temperatur muss daher streng kontrolliert werden.

Einfluss der Stromdichte

Eine Erhöhung der Stromdichte beschleunigt das Wachstum, verkürzt die Oxidationszeit, verringert die chemische Auflösung und führt zu einer härteren, verschleißfesteren Schicht. Eine zu hohe Stromdichte erhöht die Auflösung durch Joule-Erwärmung und kann die Wachstumsrate verringern. Eine sehr niedrige Stromdichte erfordert einen langen Prozess und führt zu einer lockeren, weicheren Schicht.

Auswirkung der Durchmischung

Das Rühren fördert die Konvektion und sorgt für eine gleichmäßige Temperaturverteilung, wodurch verhindert wird, dass eine lokale Erwärmung des Metalls die Folienqualität beeinträchtigt. Zum Rühren werden Druckluftsysteme und Pumpen eingesetzt.

Einfluss der Legierungszusammensetzung

Die Legierungszusammensetzung hat einen starken Einfluss auf die Qualität, die Dicke und die Farbe der Schicht. Andere Elemente beeinträchtigen in der Regel die Qualität. Enthält eine Al-Mg-Legierung mehr als 5% Magnesium (Massenanteil) und weist sie eine ungleichmäßige Struktur auf, ist eine geeignete homogenisierende Wärmebehandlung erforderlich, um die Transparenz zu erhalten. Mit steigendem Siliziumgehalt in Al-Mg-Si-Legierungen verändert sich die Farbe des Films von farblos und transparent über Grau und Violett bis hin zu Schwarz, was eine gleichmäßige Färbung erschwert. Kupfer erhöht in Al-Cu-Mg-Mn-Legierungen die Porosität und die Lockerheit und mindert die Qualität. Unter identischen Bedingungen erzeugt reines Aluminium den dicksten und härtesten Film mit der besten Korrosionsbeständigkeit.

Einfluss der Oxidationszeit

Die benötigte Zeit hängt von der Elektrolytkonzentration, der Temperatur, der Stromdichte und der angestrebten Schichtdicke ab. Unter gleichen Bedingungen führen zunehmende Schichtdicken zu einer höheren Porosität, besseren Färbbarkeit und höherer Korrosionsbeständigkeit, doch das Wachstum verlangsamt sich schließlich und kommt zum Stillstand. Für eine Schicht mit einer bestimmten Dicke und Härte sind 30 bis 40 Minuten erforderlich; eine dekorative Schicht mit höherer Porosität zum Färben benötigt 60 bis 100 Minuten.

Auswirkungen von Wechselstrom

Bei der Wechselstrom-Anodisierung ist jedes Werkstück nur während der Hälfte eines Zyklus anodisch, sodass die Schwefelsäurekonzentration niedriger sein sollte und die Stromdichte höher sein kann. Die Schicht weist eine hohe Transparenz und Porosität auf, jedoch eine geringere Härte und Verschleißfestigkeit. Werkstücke können auf beiden Elektroden befestigt werden, sofern ihre Flächen gleich groß sind. Um die gleiche Schichtdicke wie beim Gleichstrom-Anodisieren zu erzielen, ist die doppelte Oxidationszeit erforderlich.

Chromsäure-Eloxierung

Chromsäurefilme sind mit einer Dicke von 2 bis 5 μm wesentlich dünner als Schwefelsäure- oder Oxalsäurefilme. Sie weisen eine geringe Porosität auf, sind weich und elastisch und haben eine geringere Korrosions- und Verschleißfestigkeit als Schwefelsäurefilme. Da sich nur wenig Aluminium löst, behalten die Teile ihre ursprüngliche Genauigkeit und Oberflächenrauheit bei, wodurch sich das Verfahren für Präzisionsbauteile eignet. Der Film haftet gut auf Lack und wird häufig als Lackgrundierung sowie auf gummibeschichteten Teilen verwendet.

Konzentration an Chromsäureanhydrid

Die Oxidationskraft nimmt ab, wenn der Chrom(III)-anhydrid-Gehalt entweder zu hoch oder zu niedrig ist, wobei ein leichter Überschuss innerhalb des zulässigen Bereichs akzeptabel ist. Ein Elektrolyt mit zu geringem Chrom(III)-anhydrid-Gehalt ist instabil und beeinträchtigt die Filmqualität.

Auswirkungen von Verunreinigungen

Chlorid-, Sulfat- und dreiwertige Chromionen sind schädliche Verunreinigungen. Chlorid greift Bauteile an. Ein Anstieg des Sulfatgehalts führt dazu, dass der Film von transparent zu undurchsichtig wird, und verkürzt die Lebensdauer der Lösung. Ein Überschuss an dreiwertigem Chrom lässt den Film dunkel und matt erscheinen.

Auswirkung der Spannung

In den ersten 15 Minuten wird die Spannung schrittweise von 0 auf 40 V in Schritten von höchstens 5 V erhöht, um den Strom innerhalb des vorgegebenen Bereichs zu halten. Sobald 40 V erreicht sind, wird diese Spannung bis zum Ende des Oxidationsvorgangs beibehalten. Die Spannung muss während des Anodisierens schrittweise ansteigen, um die vorgegebene Stromdichte aufrechtzuerhalten und die erforderliche Schichtdicke zu erreichen.

Oxidieren mit Oxalsäure

Oxalsäure ist schwach und greift Aluminium nur geringfügig an. Durch die Oxalsäure-Anodisierung entsteht daher eine relativ harte, bis zu 60 μm dicke Schicht mit guter Korrosionsbeständigkeit und elektrischer Isolierung. Die Kosten sind hoch, da der Elektrolyt einen höheren Widerstand aufweist als Schwefel- oder Chromsäure, mehr elektrische Energie verbraucht und sich leicht erwärmt, was eine wirksame Kühlung erfordert. Durch Veränderung der Prozessbedingungen lassen sich direkt dekorative Schichten in verschiedenen Farben erzeugen, ohne dass ein anschließendes Färben erforderlich ist – außer bei kupferhaltigem Aluminium.

Der Oxalsäure-Elektrolyt reagiert äußerst empfindlich auf Chloridionen. Bei Konzentrationen über 0,04 g/l treten Korrosionsstellen auf der Schicht auf. Die Konzentration an dreiwertigen Aluminiumionen darf 3 g/l nicht überschreiten.