Eloxieren von Aluminium

Um Aluminiumprodukte vor Korrosion zu schützen und die Struktur ihrer Oberfläche zu verstärken, wird die sogenannte „Oxidation“ angewandt, die einen dicken Film auf der Produktoberfläche erzeugt. Dabei kann es sich entweder um eine chemische Oxidation in einer Chromlösung oder um das Eloxieren durch anodische Polarisation des Produkts im Elektrolyten handeln. Anders gesagt ist das Eloxieren der Prozess der Bildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche von Metallen und Legierungen. Der Hauptzweck dieses Verfahrens ist es, die Neigung des Metalls zur Korrosion zu verringern sowie das Aussehen des Metallprodukts zu verbessern.

Die gebräuchlichste Technologie zum Eloxieren von Aluminium ist das sogenannte Schwefelsäure-Eloxieren , das auf der chemischen Zusammensetzung der Anodenlösung (Elektrolyt) basiert. Als Ergebnis des Eloxierverfahrens bildet sich eine dicke anodische Schicht mit Poren unterschiedlicher Größe auf der Aluminiumoberfläche. Die Schichtdicke und Porengröße hängen von der Konzentration der Schwefelsäure im Anodenelektrolyten, der Temperatur der Anodenlösung und der Stromdichte ab, die durch den Elektrolyten zur Aluminiumoberfläche fließt.

 Die Anodenschicht besteht in ihrer Struktur aus einer porösen Schicht und einer darunter liegenden Sperrschicht. Die Dicke der Sperrschicht hängt von der Zusammensetzung des Elektrolyten und den technologischen Parametern ab. Beim Eloxieren wird zuerst die Sperrschicht gebildet, deren Dicke direkt von der Höhe der Eloxierstromdichte abhängt. 

Nachdem die Sperrschicht gebildet ist, entsteht auf ihrer Außenseite eine poröse Kristallstruktur. Während ihrer Bildung löst sich zunächst die Sperrschicht auf, und mit zunehmendem Stromwert und steigender Temperatur löst sich die Oberflächenschicht auf, um eine poröse Schicht zu bilden.

Reines Aluminium von höchster Qualität lässt sich besser eloxieren als Legierungen mit anderen Metallen. Das Aussehen der Anodenschicht und ihre Eigenschaften (Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw.) hängen sowohl von der Art der Aluminiumlegierung als auch von der Einhaltung der Technologie bei ihrer Herstellung ab. Die Größe, Form und Verteilung der Intermetallidpartikel (bestehend aus zwei oder mehr Metallen) beeinflussen ebenfalls die Qualität des Eloxierens. Die chemische Zusammensetzung der Aluminiumlegierung ist besonders wichtig bei Produkten, die ein brillantes Eloxieren erfordern, wobei der Anteil unlöslicher Partikel möglichst gering sein muss.

Der Eloxierprozess besteht aus drei Phasen:

1. Vorbereitungsphase, während der das Aluminiumprodukt mechanisch und elektrochemisch behandelt wird. Die Oberfläche wird gereinigt, geschliffen und entfettet. Anschließend wird das Produkt in eine alkalische Lösung zum Ätzen gelegt. Die letzte Vorbereitungsstufe ist das Eintauchen in eine saure Lösung, wo es geklärt wird, danach wird das Produkt gründlich vom Säurerest gewaschen.

2. Das chemische Eloxieren des Aluminiums. Dazu wird das Produkt an speziellen Halterungen aufgehängt und in ein Bad mit Elektrolyt zwischen zwei Kathoden gelegt. Als Elektrolyte können Lösungen von Schwefel-, Oxal-, Chrom- und Sulfosalicylsäure dienen, manchmal mit Zusatz von organischer Säure oder Salz. Schwefelsäure ist der gebräuchlichste Elektrolyt, jedoch ist eine ordnungsgemäße Bearbeitung von Produkten mit kleinen Löchern oder Spalten damit nicht möglich. Chromsäuren eignen sich besser für diesen Zweck. Oxalsäure wiederum erzeugt die besten Isolierschichten in verschiedenen Farben. Unterschiedliche Säurekonzentrationen und Stromdichten führen zu unterschiedlichen Endergebnissen. Eine Erhöhung der Temperatur und eine Verringerung der Stromdichte ergeben einen weichen und porösen Film. Sinkt die Temperatur und steigt die Stromdichte, nimmt die Härte der Schicht zu. Der Temperaturbereich im Schwefelsäureelektrolyten liegt zwischen 0 und 50 Grad Celsius, der Dichtebereich zwischen 1 und 3 A/dm². Die Elektrolytkonzentration kann je nach Bedarf zwischen 10 und 20 % des Volumens variieren.

Während des Eloxierens bilden die Anodenzellen, einschließlich der Poren, eine sechseckige Struktur, die nach Expertenmeinung dem Prinzip der minimalen Energie folgt und unabhängig von der Art des verwendeten Elektrolyten ist. Die sechseckige Form hat ihren Ursprung in der Energie.

Die Dicke der anodischen Schicht nimmt mit der Dauer des Eloxierens zu. Der Grad des Dickenwachstums hängt jedoch von mehreren Faktoren ab, wie der Art des Elektrolyten, der Stromdichte, der Bearbeitungszeit usw. Zunächst erfolgt ein schnelles und konstantes Dickenwachstum, danach beginnt die Wachstumsrate der Dicke abzunehmen, bis ein Stadium erreicht wird, in dem die Dicke trotz fortgesetzter Stromzufuhr nahezu konstant bleibt. Dies liegt daran, dass während des Eloxierens die Schichtdicke kontinuierlich zunimmt und gleichzeitig durch den Elektrolyten (Schwefelsäurelösung) aufgelöst wird. 

Die Größe der Anodenzellen hängt direkt von den Eloxierparametern ab. Mit steigender Spannung vergrößert sich die Zellgröße und die Anzahl der Poren nimmt entsprechend ab. Das Verhältnis zwischen Zellgröße und Spannung ist annähernd linear, das heißt, je höher die Spannung, desto größer die Zellgröße.

3. Die dritte und wichtigste Phase ist die Phase der Verdichtung.  Da die Oberfläche des Produkts nach dem Eloxieren porös und weich wird, müssen die Poren verschlossen werden. Dieses Verfahren erfolgt durch Eintauchen des Produkts in erwärmtes Frischwasser, durch Dampfbearbeitung oder mit einer speziellen Lösung.  Wenn das Produkt jedoch später gefärbt werden soll, wird keine Fixierung vorgenommen, da die Farbe selbst die Porenräume ausfüllt.

Für das farbige Eloxieren werden vier Methoden verwendet:

1. Imprägnierung der porösen Schicht mit speziellem Farbstoff (Adsorptionsmethode). Nach dem Bad mit dem Elektrolyten wird das Produkt für eine bestimmte Zeit (von 5 bis 30 Minuten) in eine Lösung mit einem auf eine bestimmte Temperatur (55-75 Grad Celsius) erwärmten Farbstoff getaucht und anschließend weiter verdichtet, um eine dickere Farbschicht aufzubauen.

2. Elektrochemische Ablagerung verschiedener Metalle in die Poren (Methode des elektrolytischen Färbens, auch bekannt als Schwarzeloxieren von Aluminium) besteht darin, zunächst eine farblose Anodenschicht zu erzeugen und dann den Prozess in einer sauren Lösung von Salzen bestimmter Metalle (Kupfer, Mangan, Zinn usw.) fortzusetzen. Die Farbe des fertigen Produkts reicht von Bronze bis Schwarz.

3. Spezielle Legierung durch Ausscheidung von Partikeln im Volumen der porösen Schicht, jedoch nicht in den Poren selbst – die Methode des integralen Färbens. Bei dieser Methode werden organische Salze der Elektrolytlösung zum Eloxieren zugesetzt, wodurch das Produkt gefärbt wird.

4. Elektrolytisches Färben mit spezieller Legierung durch zusätzliche Erweiterung der Poren nahe deren Boden (die Interferenzfärbemethode). Technologisch ähnlich der Methode des integralen Färbens, ermöglicht sie jedoch durch die Bildung einer speziellen reflektierenden Schicht mehr Farbtöne.

Bei den TSPROF K03 Messerschärfern wird der Dreharm des Drehmechanismus unbedingt eloxiert. Dieser Teil ist beim Schärfen ständig Belastungen und Reibung durch die sich darauf bewegenden Klemmen ausgesetzt. Das Eloxieren dient dem Schutz vor zu schnellem Verschleiß der Oberfläche des Dreharms, wodurch dessen Verschleißfestigkeit erhöht wird.