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Anodisch erzeugte Aluminiumoxidschichten

20.07.2018

Anodisation ist die Erzeugung von Oxidschichten mit Hilfe des elektrischen Stroms. Dabei wird das Metall, auf dem die Oxidschichten gebildet werden, als Pluspol (Anode) in einer elektrisch leitenden, wässrigen Lösung (Elektrolyt) geschaltet. In derselben Lösung befindet sich eine zweite Elektrode, die Kathode. Bei Anlegen einer Spannung fließt zwischen beiden Elektroden ein elektrischer Strom. Das anodisch kontaktierte Metall wird oxidiert und gibt Elektronen ab. Der an der Kathode entstehende Wasserstoff entweicht. Das verbleibende Hydroxidion reagiert an der Anode mit dem ionisierten Metall zu einem Oxidhydrat mit amorpher Stöchiometrie, entsprechende folgender Gesamtreaktion (vereinfacht; die Reaktion gibt nur den Stoffaustausch wieder und nicht die tatsächlichen mikroskopischen Abläufe):

Me + nH2O → Me(OH)n + n/2H2

Anodisierbar sind Metalle, die eine kompakte Sperrschicht bildenden, wie Aluminium, Titan, Tantal, Niob oder Magnesium. Die Oxidschicht ist sehr stabil und schützt das darunter liegende Metall vor einem weiteren Angriff durch Oxidation oder Korrosion. Zudem behalten je nach Verfahren die anodisierten Objekte ihr metallisches Aussehen, da die Oxidschicht dünn und transparent ist. Beim Aufwachsen der Oxidschicht durch das Anodisieren entsteht ein elektrischer Widerstand zwischen Anode und Kathode. Die Dicke der Oxidschicht hängt dabei von der angelegten Spannung zwischen Anode und Kathode ab. Da Oxidschichten sehr gute elektrische Isolatoren sind, ist die Dicke der Oxidschicht auf einige 100 nm beschränkt. Dies gilt insbesondere für die Oxidschichten auf Titan, Tantal oder Niob. 

Ausnahme bildet hier Aluminium, bei dem durch die Verwendung von Säuren als Elektrolyte eine poröse Oxidschicht erzeugt werden kann. Die elektrische Sperrschicht (der den Stromfluss begrenzende Isolator) liegt hierbei am Grund der entstehenden Poren, wogegen die Porenwände stetig wachsen können. Dadurch lassen sich (poröse) Oxidschichten im Bereich von einigen 10 µm herstellen. In einem Folgeprozess nach dem Anodisieren, dem sogenannten Verdichten, werden die Poren mit einer Aluminiumoxidhydroxid aufgefüllt und somit eine geschlossen Oxidschicht erzeugt – streng genommen handelt es sich bei der endgültig vorliegenden Schicht nicht um reines Oxid, sondern um eine Mischung mit einem mehr oder weniger hohen Anteil an Hydroxid.

Stabile und gleichmäßige Oxidschichten entstehen auf reinem Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit Magnesium und Zink. Stark störend wirken beispielsweise die Legierungselemente Kupfer oder Eisen, die – wenn überhaupt – nur in geringen Mengen vorhanden sein dürfen. Aluminiumoxid besitzt eine deutlich höhere Härte als das metallische Aluminium. Die Härte der Oxidschicht liegt je nach Legierung und Anodisationsverfahren bei etwa 250 HV bis 600 HV. Die Haftung der anodischen Oxidschichten ist aufgrund der Art der Oxidschichtbildung unübertrefflich gut: die Konversionsschicht wird durch Umwandlung des vorhandenen Grundmaterials erzeugt, wodurch keine Störungen zwischen Oxidschicht und Grundmaterial auftreten können. Durch die direkte Anbindung der Schicht an das Substrat kann es nicht zu Abplatzungen kommen, wie sie bei auf ein Grundmaterial aufgebrachten Lack- oder Galvanikschichten zu beobachten sind. Allerdings sind anodisierte Schichten relativ spröde, so dass an Biegestellen oder durch Spannungen im Material vor allem bei dickeren Schichten Rissbildungen auftreten können. Insbesondere bei mechanischen Biegevorgängen verformt sich das Grundmaterial, wogegen die Oxidschicht aufgrund der hohen Härte und geringen Dehnfähigkeit bricht. Brüche treten dann auch an den Grenzflächen des Oxids zum Grundmaterial auf und es können Oxidbereiche vom Grundmaterial abrechen. Diese können in der Folge bei Reib-/Verschleißbelastungen abrasiv wirken und die Schädigung einer Oberfläche fördern. 

Abb. 1: Aluminiumteile mit Harteloxalschicht als Schutz gegen Verschleiß (Quelle: Stark Eloxal)

 

Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von anodisch erzeugten Aluminiumoxidschichten kann für einige Belastungsfälle durch das Auftragen von Gleitstoffen auf die Oberfläche erzielt werden. Die Poren der Oxidschicht fördern hierbei die Verankerung zwischen der Gleitschicht und der Oxidschicht. 

Plasmaoxidation – Ein neuere Variante des Anodisierens ist das Plasmaanodisieren beziehungsweise das Plasmakeramisieren. Mit hohen Energien und Spannungen über 100 V bilden sich an der Oberfläche lokale Plasmazonen mit kurzzeitig sehr hohen Strömen. Hier wird aus dem Aluminium das reine Oxid zum größten Teil in seiner stabilsten Kristallisationsform Aluminiumoxid beziehungsweise Korund erzeugt. Im plasmakeramischen Prozess entsteht Korund abhängig vom Verfahren in Form mikro- oder nanokristalliner Kristallite, welche in eine komplexe Keramikmatrix integriert sind und so als Oberfläche ihre herausragenden Eigenschaften entwickeln können. Darin unterscheidet sich die plasmakeramische Schicht deutlich von der klassischen Anodisationsschicht, die primär aus amorphem Aluminiumoxidhydrat besteht.

Durch Variation der Arbeitsparameter kann das entstehende Oxid hinsichtlich seiner Eigenschaften beeinflusst werden. Im bestmöglichen Fall entstehen nanokeramische Oberflächen mit extrem feiner und gleichmäßiger Verteilung. Nanostrukturierte Schichten sind weitaus kompakter und dichter und zeichnen sich durch sehr hohe Abriebfestigkeit, mechanische und Korrosionsbeständigkeit aus.

Nanokeramische Schichten erzielen je nach Legierung Härten bis zu 2400 HV. Sie liegen damit um das Fünffache höher als hartanodisierte Oberflächen mit gleichzeitig drastisch erhöhtem Verschleißwiderstand. Die nanokristalline Gefügestruktur zeigt nach Angaben der Hersteller eine superplastische Verformung der Oxidschicht bei Formveränderungen des Substrates. Während anodisierte Oberflächen zum Beispiel beim Biegen sichtbar und hörbar brechen, nimmt die keramische Schicht die Verformung auf. Bei mehrfacher Biegung ermüdet in der Regel das Substrat und bricht, ohne die Oberfläche zu beeinträchtigen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber klassischen Oxidoberflächen ist der Effekt des Kantenumschlusses. Bei anodisierten Schichten befindet sich an den Kanten eine Klüftung, also Schwachstelle, da die Strukturen während ihres Wachstums dort aufeinander treffen und nicht ausreichend Grundmaterial für den Schichtaufbau verfügbar ist. Die plasmakeramische Schicht umschließt völlig homogen und gleichmäßig selbst schärfste Kanten und Geometrien (Abb. 2).

Abb. 2: Verbesserter Kantenschutz mit Nanokeramik (Quelle: Ceranod)

Abb. 3: Nanokeramikschicht auf Aluminium (Quelle: Ceranod)

 

Nanokeramische Oberflächen sind so dicht und homogen, dass sie ohne weiteres durch Schleifen oder Polieren auf Rauheitswerte von Ra < 0,1 eingestellt werden können (Abb. 3). Nanokeramische Schichten auf Aluminium können ohne Maßveränderung aufgebracht werden. So lassen sich auch maßlich sensible Geometrien wie Gewinde oder Passungen ohne Beeinträchtigung beschichten und erhalten somit den gewünschten Schutz. Da Korund chemisch inert ist, wird die Oberfläche auch durch verdünnte Säuren und Laugen sowie Lösemittel und Reiniger nicht beeinträchtigt. Da die plasmakeramische Oberfläche hydratfrei ist, treten auch bei Erwärmung auf mehrere hundert Grad Celsius keine Änderungen der Eigenschaften auf. Die Temperaturbeständigkeit des Bauteils wird nur durch das Substrat limitiert.

Neben der hohen Härte und Plastizität der plasmakeramischen Schichten trägt das Ausbleiben von Fehlstellen an Kanten dazu bei, dass bei mechanischer Belastung kein Aufreißen der Oxidschicht erfolgt. Damit entfällt die Bildung von Oxidpartikeln, die bei konventionellen Anodisationsschichten unter Reibbelastung zur Abrasion führen können. 

Quelle: CERANOD, Ludwigsburg