Was ist Harteloxieren von Aluminium?

Anodisieren (auch anodische Oxidation genannt) ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem sich auf der Metalloberfläche des behandelten Werkstücks eine kompakte Oxidschicht bildet. Bei diesem Prozess wird elektrischer Strom eingesetzt; die Bezeichnung leitet sich davon ab, dass das zu behandelnde Bauteil mit der Anode einer Elektrolysezelle verbunden ist.

Das Anodisieren ist die wichtigste Schutzbehandlung, die auf Aluminium durchgeführt wird. Andere Metalle, die leicht anodisiert werden können, sind Titan und Magnesium.

Anodisieren von Aluminium

Der erste Anodisierungsprozess, der zwischen 1920 und 1930 entwickelt wurde, basierte auf Chromsäure. Diese als Chromsäureanodisierung bezeichnete Beschichtung wird aufgrund der Karzinogenität von Chromsalzen heute nur noch in bestimmten Bereichen wie dem Militär- und Luftfahrtsektor eingesetzt.

Derzeit ist das Anodisieren auf Schwefelsäurebasis das am weitesten verbreitete Verfahren.

Die zu behandelnden Teile werden in eine 20%ige Schwefelsäurelösung getaucht, die als Elektrolyt dient. Das Aluminiumteil wird mit dem Pluspol verbunden, während der Minuspol an eine in der Lösung befindliche Kathode angeschlossen wird. Durch die Bestromung der Elektrolysezelle entstehen an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks Sauerstoffionen. Diese verbinden sich mit den Aluminiumatomen zu einer harten und kompakten Aluminiumoxidschicht mit folgenden hervorragenden Eigenschaften:

• Korrosionsbeständigkeit
• Verschleißfestigkeit
• Härte
• Gleichmäßigkeit der Dicke
• Möglichkeit der Färbung mit Pigmenten, die in die Oxidschicht eindringen
• dielektrische Isolation

Aufbau der Oxidschicht

Das beim Anodisieren in Schwefelsäure gebildete Aluminiumoxid weist eine wabenförmige Säulenstruktur mit sechseckigen Zellen und zentralen Poren auf, die sich nahezu über die gesamte Tiefe erstrecken. Beim Harteloxieren entstehen Poren mit einem Durchmesser von etwa 20-40 nm und einem Abstand von etwa 100 nm.

Es gibt zwei Arten des Anodisierens, die sich in ihren Oberflächeneigenschaften und Prozessparametern unterscheiden:

Harteloxieren von Aluminium

Als Harteloxieren wird eine sehr harte und kompakte Aluminiumoxidbeschichtung bezeichnet, die eine größere Schichtdicke als dekorative Eloxalschichten aufweist. Sie wird vor allem in der Feinmechanik bei aus Vollmaterial bearbeiteten Werkstücken sowie bei Strangpressprofilen, Guss-, Druckguss- und Walzteilen eingesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit zu erhöhen.

Technische Referenznormen

Für das Harteloxieren gelten folgende technische und internationale Normen:

Ästhetisches Aussehen

Beim Harteloxieren bleibt die Oberflächenmorphologie des Werkstücks erhalten. Dadurch lassen sich die Oberflächenbeschaffenheit und das Finish des Aluminiums auch nach dem Anodisieren beibehalten (z. B. glänzend, satiniert, gebürstet, gestrahlt, kugelgestrahlt oder sandgestrahlt).

Die Eigenfärbung der Beschichtung hängt stark von der verwendeten Aluminiumlegierung ab und kann zwischen Grau, Dunkelgrau und Braun variieren. Nach der Behandlung lässt sich die Oberfläche mit schwarzem, blauem oder rotem Farbstoff einfärben. Die Pigmente dringen dabei in die Eloxalschicht ein. Da die Grundfarbe der harteloxierten Schicht im Gegensatz zu natürlichen Eloxalschichten dunkel ist, entstehen tiefschwarze, dunkelblaue oder dunkelrote Farbtöne. Mit zunehmender Schichtdicke wird die Beschichtung dunkler. Legierungen mit hohem Kupfergehalt erhalten ein bronzefarbenes Aussehen; Legierungen mit hohem Siliziumgehalt (>12 %) können eine ungleichmäßige Färbung aufweisen. Aufgrund seiner dunklen Eigenfärbung eignet sich das Harteloxieren für dunkle, deckende Farben. In der Regel wird Schwarz gewählt, sowohl wegen der hervorragenden ästhetischen Wirkung als auch um bei unterschiedlichen Legierungen ein einheitliches Erscheinungsbild zu erzielen.

Anodisierbare Aluminiumlegierungen

Mit wenigen Ausnahmen sind alle Aluminiumlegierungen anodisierbar. Die größten Schwierigkeiten treten bei Legierungen auf, die hohe Anteile anderer Elemente enthalten, da nur das Aluminium zur Bildung der Oxidschicht beiträgt. Kupferreiche Legierungen, etwa der Serie 2000, erreichen daher keine großen Schichtdicken; zudem ist ihre Oxidschicht etwas weniger kompakt und weniger korrosions- und verschleißbeständig. Legierungen mit einem Siliziumgehalt von mehr als 12 % können eine geringere Schichtdicke und Gleichmäßigkeit der Beschichtung aufweisen. Dies führt zu einer geringeren Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und mitunter zu Farbunterschieden.

Anodisierungsdicke

Ein besonderes Merkmal des Anodisierens ist die Möglichkeit, Werkstücke auf nahezu allen Oberflächen mit einer gleichmäßigen und genau definierten Schichtdicke zu beschichten. Eine Ausnahme bilden unter Umständen sehr tiefe Bohrungen mit kleinem Durchmesser, bei denen das Eindringvermögen der Beschichtung im Einzelfall beurteilt werden muss.

Die Standarddicke beim Harteloxieren beträgt 30-50 µm, aber je nach Bedarf können kleinere oder größere Dicken gewählt werden. Bei sehr engen Toleranzen neigt man dazu, die Anodisierungsdicke zu verringern und/oder eine engere Toleranz wie z. B. 30±5 µm zu definieren.

Zunahme der Größe

Die Oxidschicht wächst zu 50 % über die ursprüngliche Oberfläche hinaus und zu 50 % in das Aluminiumteil hinein. Die radiale Maßzunahme entspricht somit der Hälfte der Schichtdicke.

Korrosionsbeständigkeit

Das Harteloxieren weist aufgrund der größeren Schichtdicke und höheren Kompaktheit der Oxidschicht eine höhere Korrosionsbeständigkeit als das dekorative Anodisieren auf. Diese Beständigkeit kann durch die Poren in der Beschichtung beeinträchtigt werden, da sie Ausgangspunkte für Korrosion bilden. Um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, wird die Schicht daher nach dem Anodisieren versiegelt. Es gibt verschiedene Versiegelungsverfahren; die beiden industriell am häufigsten eingesetzten und international anerkannten sind:

• Heißversiegelung: Eintauchen in Wasser bei einer Temperatur von etwa 95 °C. Dabei wird die Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche hydratisiert, wodurch sich die Poren schließen und die Korrosionsbeständigkeit verbessert.
• Kaltversiegelung: Eintauchen in eine Nickelfluoridlösung bei Raumtemperatur. Nickelsalze dringen in die Poren der Beschichtung ein und verbessern die Korrosionsbeständigkeit.

Die Heißversiegelung ist zwar energieintensiv, da sie bei 95 °C gehalten werden muss, wird jedoch gegenüber der Versiegelung auf Basis von Nickelsalzen zunehmend bevorzugt, da diese krebserregend sind und Hautallergien hervorrufen können. In der Lebensmittelindustrie kann beispielsweise die Versiegelung auf Nickelbasis nicht eingesetzt werden.

Anodisierte Schichten sind bei Kontakt mit Alkoholen, Kohlenwasserstoffen und neutralen Lösungen sehr korrosionsbeständig. Saure oder basische Lösungen lösen das Aluminiumoxid auf und heben damit die schützende Barrierewirkung auf. Die Auflösungsgeschwindigkeit der Eloxalschicht steigt mit dem Säure- beziehungsweise Basengehalt der Lösung und ist bei basischen Lösungen höher.

Harteloxieren OX-W ist eine Behandlung, die speziell entwickelt wurde, um die bereits hervorragende Korrosionsbeständigkeit des Harteloxierens weiter zu erhöhen. Bei einigen Legierungen können im neutralen Salzsprühtest nach ISO 9227 1000 Stunden ohne Korrosionserscheinungen erreicht werden. OX-W eignet sich auch zum Schutz von Legierungen mit hohem Siliziumgehalt, die sich im Standardverfahren nur schwierig anodisieren lassen.

Härte, Dichte und Verschleißfestigkeit

Das Harteloxieren bietet eine hohe Härte, die je nach verwendeter Aluminiumlegierung variiert.

Die Spezifikation ISO 10074 legt die Mindesthärte für bestimmte Legierungen fest. Die Härte wird nach ISO 4516 an einer 25-50 µm dicken Schicht mit einer Prüflast von 50 g (HV 0.05) gemessen.

Die Dichte, gemessen nach ISO 2106 auf einer 50 µm ± 5 µm-Beschichtung ohne Versiegelung, muss folgende Mindestwerte aufweisen:

Dank der hohen Härte und Kompaktheit der Oxidschicht sowie ihrer säulenförmigen Struktur erreicht das Harteloxieren eine hohe Verschleißfestigkeit. Sie übertrifft die der chemischen Vernickelung und ist mit der einer Dickhartverchromung vergleichbar. Der Taber-Abraser-Test bestimmt den Verschleiß von Beschichtungen beim Gleiten über Schleifräder. Nach ISO 10074 muss der Massenverlust nach 10.000 Zyklen unter folgenden Werten liegen:

Rauheit

Das Harteloxieren erhöht die Oberflächenrauheit geringfügig. Dies ist bei mechanisch bearbeiteten Oberflächen mit geringer Ausgangsrauheit deutlicher feststellbar.

Das Harteloxieren OX-W begrenzt den Anstieg der Oberflächenrauheit. Durch die Verwendung bestimmter Aluminiumlegierungen und die Wahl der richtigen Prozessparameter lässt sich die Endrauheit unter einem Ra-Wert von 0,5 halten.

Lebensmittelkontakt

Die Norm „EN 14392 Requirements for anodized products for use in contact with foodstuff“ legt die Anforderungen an Eloxalbehandlungen von Aluminiumteilen fest, die für den Kontakt mit Lebensmitteln bestimmt sind.

Die von Durox srl durchgeführten Behandlungen entsprechen der Norm EN 14392, sofern folgende Anforderungen erfüllt sind:

• Die chemische Zusammensetzung der Aluminiumlegierungen der zu anodisierenden Teile muss, soweit anwendbar, den Anforderungen der Normen EN 601 oder EN 602 entsprechen.
• Die Anodisierbehandlungen müssen eine Versiegelung umfassen, die ausdrücklich beauftragt werden muss.