Aluminium-Anodisierung: Alles, was Sie wissen müssen

Beim Anodisieren von Aluminium werden Werkstücke aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einen geeigneten Elektrolyten getaucht. Das Aluminium dient dabei als Anode und ein anderes Metall als Kathode. Unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Stroms bildet sich auf der Oberfläche des Aluminiums eine Oxidschicht. 

Durch die Auswahl verschiedener Elektrolytarten und -konzentrationen sowie die Steuerung der Prozessbedingungen während der Oxidation lassen sich anodische Oxidschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften und Dicken im Bereich von zehn bis mehreren hundert Mikrometern erzielen. Diese Schichten weisen im Vergleich zu chemisch erzeugten Oxidschichten eine deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und dekorative Eigenschaften auf.

Der für die Anodisierung von Aluminium und seinen Legierungen verwendete Elektrolyt ist eine saure Lösung mit mäßigem Lösungsvermögen. Während des Anodisierungsprozesses laufen zwei Reaktionen gleichzeitig ab. Zum einen reagiert das als Anode fungierende Aluminiumwerkstück mit Sauerstoffatomen, die bei der Wasserhydrolyse entstehen, und bildet einen Oxidfilm (Al).₂O₃) durch eine elektrochemische Reaktion, wie unten dargestellt:

H₂O – 2e ^- → [O] + 2H⁺

2Al + 3[O] → Al₂O₃

Andererseits löst der Elektrolyt kontinuierlich das neu gebildete Aluminium auf.₂O₃ Film, mit der Reaktion:

Al₂O₃ + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3H₂O

Das Wachstum des Oxidfilms ist ein dynamischer Prozess kontinuierlicher Bildung und Auflösung. Ein dickerer Oxidfilm wird nur dann erreicht, wenn die Bildungsrate die Auflösungsrate übersteigt. Die Oberfläche des anodisierten Oxidfilms auf Aluminium und seinen Legierungen ist durch eine poröse, wabenartige Struktur mit zweischichtigem Aufbau gekennzeichnet. Die innere, dem Substrat zugewandte Schicht besteht aus dichtem Aluminium.₂O₃ Ein 0.01–0.05 μm dicker Film, die sogenannte Barriereschicht, zeichnet sich durch hohe Härte aus. Die äußere Schicht ist ein poröser Oxidfilm aus Aluminium.₂O₃ mit kristallinem Wasser, das weniger hart ist, aber hervorragende Adsorptionseigenschaften besitzt.

Eigenschaften von anodisierten Aluminiumschichten

Die Mikroporen in einem porösen Anodisierungsfilm sind regelmäßig und senkrecht zur Metalloberfläche angeordnet und bilden eine röhrenförmige Struktur. Beispielsweise beträgt der Porendurchmesser in einem 10 µm dicken, mit Schwefelsäure anodisierten Oxidfilm typischerweise weniger als 20 nm, wodurch die Porenlänge mehr als das 500-fache ihres Durchmessers beträgt. Diese Poren ähneln länglichen, geraden Röhren. Die Porendichte kann bis zu 76 Milliarden Poren pro Quadratzentimeter erreichen – die Anzahl der Poren auf einer Fläche von der Größe eines Fingernagels entspricht etwa dem Zehnfachen der Weltbevölkerung.

Die poröse Struktur und Morphologie von anodisierten Oxidschichten werden typischerweise direkt mit Hilfe der hochauflösenden Rasterelektronenmikroskopie beobachtet, wodurch die Eigenschaften der Schicht aus verschiedenen Blickwinkeln sichtbar werden.

Aluminium-Anodisierungsprozess

Das typische Verfahren zum Anodisieren von Aluminium und Aluminiumlegierungen beinhaltet folgende Schritte:

Oberflächenglättung → Entgraten → Chemische Entfettung → Spülen → Neutralisation → Spülen → Alkalische Ätzung → Spülen → Anodisieren → Spülen → Färben oder elektrolytische Farbgebung → Spülen → Versiegeln → Mechanisches Polieren → Inspektion

Dies ist ein Standardverfahren, jedoch können einzelne Schritte je nach Anforderungen und spezifischen Gegebenheiten angepasst oder weggelassen werden. Anodisierungsverfahren benutzt.

Tabelle: Wichtige Parameter für die Schwefelsäureanodisierung

Table: Nachbehandlungsspezifikationen für die chemische Oxidation

Versiegelung für eloxierte Aluminiumfolien

Aufgrund der porösen Struktur und der starken Adsorptionseigenschaften von Anodisierungsschichten ist die Oberfläche anfällig für Verunreinigungen, insbesondere durch korrosive Medien, die in die Poren eindringen und Korrosion verursachen können. Daher ist nach der Bildung der Anodisierungsschicht, unabhängig davon, ob sie gefärbt ist oder nicht, eine Versiegelungsbehandlung erforderlich, um die Poren zu schließen und so die Korrosionsbeständigkeit, die Isolation und die Verschleißfestigkeit zu verbessern sowie die Adsorption von Verunreinigungen oder Ölen zu reduzieren. Gängige Versiegelungsverfahren sind Heißwasserversiegelung, Dampfversiegelung, Dichromatversiegelung, Hydrolyseversiegelung und Füllversiegelung.

(1) Heißwasserversiegelung

Die Heißwasserversiegelung beinhaltet die Behandlung eines frisch erzeugten Anodisierungsfilms in siedendem oder nahezu siedendem Wasser für eine bestimmte Zeit. Dadurch wird der Film deaktiviert, die weitere Farbstoffadsorption verhindert und die aufgebrachte Farbe stabilisiert. Das Prinzip beruht auf der Hydratation von amorphem Aluminium.₂O₃

Al₂O₃+ nH₂O → Al₂O₃ · nH₂O

Dabei steht:  n ist typischerweise 1 oder 3. Wenn Al₂O₃ Hydrate bilden Monohydrat (Al₂O₃ · H.₂O), erhöht sich sein Volumen um etwa 33 %. Für Trihydrat (Al₂O₃ · 3H₂O), verdoppelt sich das Volumen nahezu. Diese Hydratation führt zum Schließen der Poren, da sich das Volumen von Al₂O₃ an der Oberfläche und an den Porenwänden dehnt es sich aus.

Heißwasserversiegelungsverfahren

• Wassertemperatur: 90–110°C
• pH-Wert: 6–7.5
• Zeit: 15–30 Minuten

Es muss destilliertes oder deionisiertes Wasser verwendet werden, da Leitungswasser die Transparenz und den Glanz des Oxidfilms beeinträchtigen kann.

(2) Hochtemperatur-Dampfversiegelung

Die Hochtemperaturdampfversiegelung beruht auf dem gleichen Hydratationsprinzip wie die Heißwasserversiegelung, wodurch sich der poröse Film durch Volumenausdehnung schließt. Zu ihren Vorteilen zählen:

1. Schnellere Abdichtung und höhere Effizienz im Vergleich zur Heißwasserabdichtung.
2. Geringere Abhängigkeit von Wasserqualität und pH-Wert.
3. Das Auftreten von weißer Asche, einem häufigen Problem bei der Heißwasserversiegelung, wurde reduziert.
4. Geringeres Risiko des Auswaschens oder Verblassens des Farbstoffs, wodurch es sich für gefärbte Anodisierungsoxidschichten eignet.

Der Schlüssel zur Dampfversiegelung liegt in der Konstruktion der Anlagen und deren Luftdichtheit, um die erforderliche Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu gewährleisten. Die Temperatur muss über 100 °C liegen, typischerweise zwischen 115 und 120 °C, der Dampfdruck wird auf 0.7–1 atm (1 atm = 10⁵ Pa) geregelt. Kondensation an der Oberfläche ist unbedingt zu vermeiden. Chemische Kinetik zeigt, dass eine Temperaturerhöhung um 10 °C die Reaktionsgeschwindigkeit um etwa 30 % steigern kann. Allerdings sind schnelles Aufheizen (idealerweise innerhalb von 5 Minuten) und eine gute Isolierung entscheidend und erfordern hochentwickelte Anlagen. Die hohen Kosten für Bau und Betrieb von Dampfversiegelungssystemen schränken deren breite Anwendung ein.

(3) Dichromatversiegelung

Die Dichromatversiegelung erfolgt in einer stark oxidierenden Kaliumdichromatlösung bei erhöhten Temperaturen. Die Reaktion zwischen dem Al₂O₃ an den Porenwänden und Kaliumdichromat (K₂Cr₂O₇) ist wie folgt:

2Al₂O₃ + 3K₂Cr₂O₇ + 5H₂O → 2AlOHCrO₄ + 2AlOHCr₂O₇ + 6 KOH

Das entstehende basische Aluminiumchromat, basische Aluminiumdichromat und hydratisierte Aluminiumoxid verschließen gemeinsam die Mikroporen. Die Details des Verfahrens sind wie folgt:

Der behandelte Oxidfilm erscheint gelb und bietet eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, wodurch er sich für die Schutzanodisierung eignet, jedoch nicht für dekorative, gefärbte Filme.

(4) Hydrolyseversiegelung

Die Hydrolyseversiegelung ist in China weit verbreitet, insbesondere zur Versiegelung gefärbter Oxidschichten, da sie viele Nachteile der Heißwasserversiegelung überwindet. Bei diesem Verfahren werden leicht hydrolysierbare Kobalt- oder Nickelsalze in die Poren der Oxidschicht adsorbiert, wo sie hydrolysieren und Hydroxidpräzipitate bilden, die die Poren verschließen.

Ni₂ + 2H₂O → Ni(OH)₂↓ + 2H⁺

Co₂ + 2H₂O → Co(OH)₂↓ + 2H⁺

Die dabei entstehenden Nickel- und Kobalthydroxide, die nahezu farblos und transparent sind, verschließen die Poren, ohne die ursprüngliche Farbe des Films zu beeinträchtigen. Dadurch eignet sich diese Methode ideal für gefärbte Filme.

(5) Füllen und Versiegeln

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden können anodisierte Oxidschichten mit organischen Materialien wie Klarlack, geschmolzenem Paraffin, Harzen oder Trockenölen versiegelt werden. So kann beispielsweise Silikonöl die Isolation hartanodisierter Oxidschichten verbessern, Silikonfett staubfreie Oberflächen erzeugen und Fettsäuren oder Hochtemperaturfette für Infrarotreflektoren eingesetzt werden, um Absorptionsverluste im Wellenlängenbereich von 4–6 μm zu verhindern. Für spezifische Anwendungen wurden verschiedene organische Versiegelungsmittel entwickelt.