Viele Fachleute der Oberflächentechnik werden sich an den einen oder anderen Leitsatz ihrer Ausbildung erinnern. Auch dem Autor der vorliegenden Abhandlung hat sich aus seinen frühen Tagen als Werkstudent in der Oberflächentechnik ein – oft mit erhobenem Zeigefinger und lebhafter Geste dozierter – Hinweis besonders eingeprägt: Das Wichtigste, was ein Lack können muss, ist erst einmal haften! Tatsächlich kann eine Oberfläche noch so fantastische Eigenschaften besitzen: Ohne ihr Substrat, auf dem diese zur Wirkung kommen, ist sie eben nur eine Oberfläche. Ein mehr oder weniger zweidimensionales Gebilde, dem die eigentlich dritte Dimension fehlt und das für sich allein kaum einen Nutzen erbringt.
Die Hauptaufgabe der Oberflächentechnik ist es, die Oberfläche so auszurüsten, dass sie auf Dauer mit ihrem Substrat verbunden bleibt und so ihre Eigenschaften in Verbindung mit dem Grundmaterial voll entfalten kann. Es gibt viele Methoden, dies zu erreichen, zum Beispiel durch mechanische Vorbehandlung wie Aufrauen oder Strahlen, wodurch eine erhöhte physikalische Haftung, ein besserer Grip, erzielt wird. Und es gibt für jedes Substrat eine Vielzahl von Hilfsmitteln, die dem Beschichtungsmaterial zugesetzt werden, um die Haftung zwischen Grundmaterial und Oberfläche herzustellen. Nicht selten werden komplizierte, mehrschichtige Aufbauten für den Übergang von einem Medium zum anderen (z B. mit Primern oder Haftvermittlern) erzeugt. Moderne Methoden, wie Plasmabehandlung oder Lasern, kommen ebenfalls zum Einsatz.
Am Ende ist die Haftung einer Oberfläche auf einem Substrat jedoch immer von der sehr dünnen Grenzzone abhängig, in der die zwei Medien aufeinandertreffen. Treten in dieser Grenzzone aus irgendeinem Grund Störungen oder unerwünschte Reaktionen auf, sei es durch Unterwanderung mit aggressiven Medien, thermische Spannungen oder chemische Veränderungen auf der einen oder durch UV-Strahlung auf der anderen Seite, um nur einige wenige zu nennen, dann hält die Beschichtung (oder eine oberflächennahe Übergangszone) nicht und löst sich ab. Damit kann das komplette beschichtete oder oberflächenbehandelte Bauteil seinen Zweck nicht mehr oder nur noch teilweise erfüllen.
Die bei der anodischen Oxidation auftretenden Bindungen sind chemischer Natur – die stärkste mögliche Bindungsform überhaupt. An der Oberfläche fungiert die oberste Lage nach außen oxidisch und nach innen metallisch als Bindeglied zwischen metallischem Substrat und Oxidstruktur
Dass dies ein großes Problem darstellen kann, lässt sich leicht nachvollziehen. Ideal für eine Oberfläche wäre es also, wenn es gar keine Grenzzone zum Substrat gäbe und somit das Thema Zwischenschichthaftung gar nicht relevant wäre. Auch wenn dies illusorisch klingt, gibt es durchaus entsprechende Lösungsansätze!
Werden die anodisch erzeugten Oberflächen bei den Leichtmetallen wie Titan, Magnesium und vor allem Aluminium betrachtet, so ist das, was bei den meisten Beschichtungen das Grundproblem darstellt, nämlich eine ungenügende Haftung, nicht zu finden. Warum das so ist und wie sich dieser vermeintliche Widerspruch auflösen lässt, wird im Folgenden erklärt.
Bei der anodischen Oxidation – hierzu gehören die unter den Verfahrensbezeichnungen Natureloxal und Hartanodisation hergestellten Oxidschichten sowie die plasmakeramische Oxidation – liegt im Grunde nicht eine Beschichtung, sondern eine so genannte Konversionsschicht vor. Konversion bedeutet, dass ein vorhandenes Substrat in eine Schicht umgewandelt wird. Bei Anodisiationsverfahren geschieht dies durch das Anlegen einer Spannung, wodurch das Substrat, zum Beispiel Aluminium, in ein Oxidhydrat überführt wird. Die Bildung der Oxidschicht erfolgt nicht von oben nach unten beziehungsweise durch Nachlegen von außen, sondern durch Wachstum von unten aus dem Substrat heraus.
Bei der Anodisation von Aluminium bilden sich in typischerweise Schwefelsäure oder anderen mehrwertigen Säuren sechseckige (hexagonale) Röhren aus Oxidhydrat mit einer Pore in der Mitte. Die Länge der Röhre beträgt je nach Verfahren wenige bis etwa 100 Mikrometer, der Durchmesser der Pore wenige zehn Nanometer. Die Röhren sind demnach sehr lang und sehr dünn. Am Fuß der Poren befindet sich die so genannte Sperrschicht. Die Sperrschicht wiederum ist fest mit dem Substrat, dem metallischen Gitter, verbunden.
Direkt an der Grenze zwischen Sperrschicht und Metallgitter erfolgt der Vorgang der anodischen Oxidation, das heißt das metallische Aluminium reagiert mit Sauerstoff, der durch elektrochemische Reaktion aus dem vorhandenen Wasser der Säurelösung gebildet wird, zu Aluminiumoxid. Das Aluminiumoxid schließt hierbei eine geringe Menge an Wasser ein – daher die Bezeichnung Oxidhydrat. Diese Reaktion an der Grenzfläche mit der direkten Überführung des Metalls in das Oxid ist die Grundlage für die gute Haftung der Oxidhydratschicht auf dem Aluminiummetall. Es liegt also vielmehr eine direkte chemische Bindung auf atomarer Ebene vor, als eine Haftung im Sinne eines Auftragens von Beschichtungsstoff auf ein Substrat.
Die anodisierte Oxidschicht ist aufgrund der vorhandenen Porenstruktur bestens zum Färben geeignet. Auch hier werden wiederum keinerlei Haftungsmechanismen benötigt. In die Pore der Oxidhydratröhre können elektrolytisch oder durch Diffusion Pigmente eingelagert werden. Die Pore wird nach dem Färben im Sealingprozess verschlossen. Vergleichbar ist dieser Vorgang mit dem Abfüllen und Verkorken einer Flasche. Das eingelagerte Farbpigment ist geschützt und kann sich weder ablösen noch durch Wanderung (Migration oder auch Diffusion) nach außen entfernen – ein Vorgang, der in der Oberflächentechnik auch als Ausbluten bezeichnet wird. Offenporige, also ungesealte Anodisationsoberflächen, eignen sich auch hervorragend, um im Sieb- oder Tampondruck mit erstaunlich hohen Auflösungen bedruckt zu werden.
Auch bei der plasmakeramischen Oxidation von Titan, Magnesium oder Aluminium wird die neue Oberfläche durch Konversion erzeugt. Anders als bei der Anodisiation ist der Prozess aber energiereicher, so dass an der Oberfläche des Leichtmetalls in einem speziellen Elektrolyten sehr kleine – von außen als leuchtend erkennbare – Plasmazellen entstehen, in denen durch Umwandlung das jeweilige hochreine Metalloxid in nanopartikulärer Größe erzeugt wird. Die so hergestellte Strukur ist zwar völlig anders als bei der herkömmlichen Anodisiation, der Mechanismus an der Übergangszone von metallischem Gitter zu Oxid jedoch sehr ähnlich. Auch hier handelt es sich nicht um die klassische physikalische Haftung, sondern um eine Konversion mit den Bindungsmechanismen auf Atomebene.
Damit ist auch diese Art der Oberflächendeckschicht von dem Problemthema Haftung (Stichwort Konversion) nicht betroffen. Die Möglichkeiten, eine oxidische Oberfläche – und hierzu gehört neben der anodisierten Schicht auch die bereits erwähnte Plasmakeramik – weiter zu funktionalisieren, besteht aufgrund der chemisch-physikalischen Eigenschaften des erzeugten Oxidhydrats beziehungsweise Oxids.
Viele haftungsvermittelnde Prozesse, dazu gehören altbewährte chemische, wie beispielsweise die Phosphatierung, aber auch sehr moderne wie die Plasmabehandlung, haben zum Ziel, an der Oberfläche eines Substrats Bindungsbrücken zu einer späteren Beschichtung zu erzeugen. Bildlich lassen sich diese Brücken wie Druckknöpfe darstellen, an die später die im Beschichtungsmaterial vorhandenen Gegenstücke andocken können. Als derartige Bindungsstellen können auch die in den oxidischen Leichmetalloberflächen vorhandenen funktionalen Gruppen betrachtet werden; sie müssen also nicht durch ein zusätzliches Verfahren erst erzeugt werden.
Die von der ELB entwickelten, neuartigen CERANOD®-Hybridbeschichtungen für Leichtmetalle machen sich genau diese Eigenschaft zunutze: Sie stellen zwischen Substrat und Oxid mittels chemischer Bindung eine optimale Verlinkung her. Die bei entsprechenden Hybriden zum Einsatz kommenden Beschichtungen reichen von Sol-Gel-Systemen bis hin zu Hochleistungspolymeren. In der Anwendung sind die Möglichkeiten nahezu unbegrenzt und reichen vom klassischen Maschinenbau, Werkzeug- und Formenbau über Solartechnik, Medizintechnik, Automobilbau, Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zu exklusiven Schlüsselkomponenten in der Audiotechnik, um nur einige Beispiele zu nennen. In der Kombination erzielen solche Hybridsysteme Eigenschaften bezüglich Funktion und Lebensdauer, die jede einzelne Komponente für sich allein nie erreichen könnte.
Damit gilt als wichtigstes Fazit: Haftung kein Problem!
ELB Eloxalwerk Ludwigsburg
Helmut Zerrer GmbH
Neckartalstraße 33, D-71642 Ludwigsburg
Text zum Titelbild: Hexagonale Röhren aus Oxidhydrat wachsen bis zu 100 Mikrometer hoch, der Durchmesser der Poren in der Mitte beträgt jedoch nur wenige Nanometer. Am Fuß dieser Röhren befindet sich die so genannte Sperrschicht, aus der die Röhren herauswachsen. Die Sperrschicht wiederum wurzelt im metallischen Gitter des Substrats
