Aluminium – Werkstoff mit besonderen Eigenschaften

Werkstoffe 29. 08. 2015

Von Charlotte Schade, Waldshut-Tiengen

Neben der Luftfahrt findet Aluminium im Fassadenbau und zunehmend auch in der Fahrzeugtechnik Anwendung. Da reines Aluminium eine geringe Festigkeit besitzt, kommen überwiegend Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Mit steigendem Anteil an Legierungsbestandteilen verändern sich allerdings auch die Eigenschaften beim Verarbeiten und das chemische Verhalten. Insbesondere die Ausbildung der schützenden Oxidschicht wird mit zunehmendem Anteil an Fremdmetallen, beispielsweise durch Kupfer oder Eisen, schwieriger. Gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeiten lassen sich neben der Herstellung von dicken Oxidschichten durch anodische Oxidation auch durch plasmachemische Oxidation erzielen.

Aluminium – a Material with Some Rather Special Properties

In addition to its use in the aircraft industry, aluminium is widely used in architectural applications such as cladding and, more recently, increasingly in automobile construction. Since pure aluminium has low mechanical strength, the metal is almost invariably used in alloy form. However, as the amounts of alloying components increase, so do the working properties and chemical characteristics of such alloys change. In particular, formation of the outer protective layer of metal oxide, which acts to protect this intrinsically reactive metal, becomes more difficult to form. Good corrosion and wear resistance can be achieved by forming a thicker oxide layer, either by conventional anodising or plasmachemical oxidation.

Der Werkstoff Aluminium konnte in den letzten Jahren ein stetig zunehmendes Interesse verzeichnen. Gründe dafür sind einerseits sein geringes spezifisches Gewicht und andererseits aber auch die gute Verarbeitbarkeit, die gute chemische Beständigkeit unter normalen Umweltbedingungen oder die hohe Verfügbarkeit des Ausgangsstoffes zur Aluminiumgewinnung. Dass Aluminium und Aluminiumlegierungen aber erst seit etwa 100 Jahren in brauchbarer Qualität zu akzeptablen Preisen verfügbar sind, deutet schon darauf hin, dass für die Herstellung und den nutzbringenden Einsatz des Metalls einige Besonderheiten gelten, die es deutlich von anderen Gebrauchsmetallen wie Eisen, Kupfer oder Edelmetalle (einschließlich der unterschiedlichen Legierungen dieser Metalle) unterscheiden.

1 Aluminium und Aluminiumlegierungen

Aluminium gehört zu den Leichtmetallen (Dichte unter 5 kg/dm3) mit einer Dichte von 2,7 kg/dm3, einem Schmelzpunkt von 660,2 °C und einer elektrischen Leitfähigkeit von 27,7 Sm/mm2 (bzw.: m/(W mm2). Reines Aluminium erreicht eine Zugfestigkeit von bis zu 50 MPa, eine 0,2-Dehngrenze von bis zu 25 MPa und eine Bruchdehnung von maximal 45 %; damit liegen die Festigkeitseigenschaften weit unter der der Stähle, bei allerdings hoher Bruchdehnung.

Durch Zugabe von Legierungselementen wie beispielsweise Magnesium, Mangan, Molybdän, Silizium, Titan, Zirkonium, Beryllium, Chrom, Eisen, Kupfer oder Zink lassen sich die mechanischen und chemischen Eigenschaften in weitem Umfang verbessern. Als Ausgangsmaterial wird dabei in den meisten Fällen Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,5 % verwendet. Schon durch geringe Zusätze von Legierungselementen lassen sich die Eigenschaften des reinen Aluminiums stark beeinflussen. Sie setzen zum Beispiel die Festigkeit und Härte herauf, ohne die gute Verformbarkeit zu beeinträchtigen. Die 0,2-Dehngrenze kann beispielsweise bei der Aluminiumlegierung AlZn1,5MgCu von 40 MPa (bei Al99,5) auf 450 MPa gesteigert werden. Das günstige Verhältnis zwischen Festigkeit und Dichte macht Aluminium besonders bei mobilen Konstruktionen (Automobil, Luft- und Raumfahrt, Wasserfahrzeuge) durch Energieeinsparung zu einem wich­tigen Werkstoff.

Aluminiumlegierungen werden nach der Art der Verarbeitung in Guss- und Knet­legierungen und nach der Möglichkeit der Festigkeitssteigerung in aushärtbare und nichtaushärtbare Legierungen eingeteilt.

Aluminium-Gusslegierungen zeichnen sich durch ihre hervorragenden Gießeigenschaften, wie Dünnflüssigkeit und geringe Schwindung, aus. Typische Vertreter sind Legierungen der Zusammensetzung AlSi, AlSiMg, AlSiCu, AlMg, AlMgSi, AlCuTi und AlCuTiMg. Hauptanwender ist die Kraftfahrzeugindustrie zur Herstellung von Motorblöcken, Kolben oder Felgen. Aluminium-Gusslegierungen können hohe Anteile an Legierungselementen beinhalten (z. B. für Motorkolben bis zu 26 % Silizium).

Aluminium-Knetlegierungen werden vor allem durch Umformen, wie beispielsweise Walzen oder Strangpressen, in ihre Endform überführt. Typische Vertreter sind die aushärtbaren Legierungen der Zusammensetzung AlCuSiMn, AlCuMg, AlMgSi, AlZnMg und AlZnMgCu sowie die nichtaushärtbaren Legierungen wie AlMn, AlMg und AlMgMn. Sie werden beispielsweise zu Halbzeugen verarbeitet.

Durch eine Wärmebehandlung können bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen die mechanischen Eigenschaften erheblich erhöht werden. Bei nichtaushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen ist eine Festigkeitssteigerung durch Wärmebehandlung nicht möglich. Zu ihnen gehören Aluminium-Magnesium-Legierungen. Typische Vertreter enthalten 1 % bis 7 % Magnesium. Sie sind besonders seewasserbeständig und gut schweißbar. Zudem lassen sie sich stark kaltverfestigen. Einsatzgebiete sind Walz-, Press- und Schmiedeprodukte.

Das Legieren von Aluminium mit Mangan führt bereits bei Zugaben von 1 Massen% zu einer Steigerung der Zugfestigkeit von circa 40 N/mm2 auf circa 100 N/mm2. Die Bruchdehnung nimmt ebenfalls von etwa 30 % auf 45 % zu. Die chemische Beständigkeit bleibt erhalten oder nimmt geringfügig zu [1].

Häufig eingesetzt werden Legierungen mit Magnesium. Gegenüber reinem Aluminium steigt die Festigkeit von etwa 50 N/mm2 auf über 250 N/mm2 bei 5 Gew.% Magnesium. Allerdings ist bei dieser Legierung eine Abnahme der Bruchdehnung (von circa 45 % auf circa 35 %) zu verzeichnen.

Aluminium-Silizium-Legierungen sind gut gießbar; die Legierung besitzt zudem eine gute Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei Legierungsanteilen zwischen 5 Massen% und 20 Massen%. Zur Verbesserung der Gießbarkeit sind darüber hinaus geringe ­Anteile an Eisen und Kupfer üblich. Allerdings verschlechtert insbesondere Kupfer die chemische Beständigkeit der Legierungen. Ein weiteres Legierungselement der Gusslegierungen ist Magnesium. Die ternäre­ Legierung aus Aluminium, Silizium und Magnesium (9,5 % Silizium) verzeichnet durch die Zugabe von etwa 0,5 Massen% Magnesium eine Steigerung der Festigkeit von etwa 180 N/mm2 auf etwa 290 N/mm2 [1, 4, 6].

2 Mechanische Oberflächenbearbeitung

Die mechanische Bearbeitung von Aluminium beziehungsweise Aluminiumlegierungen wird insbesondere von dessen Härte­ beeinflusst. Reines Aluminium ist weich und gut verformbar. Dadurch neigt es allerdings bei der mechanischen Bearbeitung, beispielsweise durch Fräsen oder Bohren, zum Verkleben mit dem Werkzeug. Ähnliches geschieht beim Schleifen, indem die Schleifkörner relativ schnell von Aluminium umgeben und damit wirkungslos werden.

Durch die Zugabe von Legierungsmetallen nimmt die Härte deutlich zu, die Verformbarkeit dagegen ab. Damit sinkt auch die Neigung zum Verkleben bei der mechanischen Bearbeitung. Die Löslichkeit von Legierungselementen in Aluminium ist bei den meisten Legierungspartnern gering, wodurch in den Aluminiumlegierungen intermetallische Phasen entstehen. Diese zeichnen sich in der Regel durch eine deutlich­ höhere Härte als die Aluminiummatrix aus. Bei der mechanischen Bearbeitung führt dies dazu, dass die harten Phasen aus der Matrix herausgerissen werden können und dadurch Poren beziehungsweise Löcher in der Matrix zurückbleiben (Abb. 1). Eine derartige mikroporöse Struktur kann bei einer nachfolgenden Oberflächenbeschichtung oder auch im Einsatz zu Problemen führen.

Ein ähnliches mikroporöses Erscheinungsbild kann auch bei der Bearbeitung von Gussteilen auftreten, wenn durch eine mechanische Oberflächenbearbeitung die vorhandene Gusshaut vollständig entfernt wird. Die Dicke der Gusshaut liegt je nach Art der Legierung und der Verarbeitung bei einigen 10 µm bis einigen 100 µm. Poröse Bereiche sind im Übrigen auch bei Strangpressprofilen zu finden. Auch hier kann es in Oberflächennähe zum Freilegen von Poren kommen (Abb. 1). Stark gestörte Bereiche werden zudem bei einer nicht optimalen schneidenden Bearbeitung durch Fräsen oder Bohren erzeugt (Abb. 2).

Abb. 1: Aluminiumprofil (Strangguss) mit Poren im Oberflächenbereich, die im oberen Bild von der galvanischen Beschichtung ausgefüllt werden konnten (Aluminium = hell) 

 

Abb. 2: Stark gestörte Oberflächenzonen unter einer galvanischen Kupfer-Nickel-Beschichtung, die zu Schichtablösungen durch unzureichende mechanische Festigkeit führen können

Insbesondere beim Schleifen von Aluminiumlegierungen ist unbedingt darauf zu achten, dass eine sichere und effektive Absaugung vorhanden ist. Die hohe Reaktionsfreudigkeit von Aluminium mit dem Sauerstoff der Luft kann zu einer sehr schnellen und exothermen Oxidation von fein verteiltem Aluminiumstaub führen – das Ergebnis ist eine Staubexplosion mit entsprechender zerstörerischer Wirkung.

Vor allem beim Polieren von Aluminium kommt es beim Arbeiten mit zu hohem Anpressdruck zu einer oberflächlichen Erweichung, in dessen Folge makroskopisch gesehen ein unruhiges (welliges) Aussehen der Oberfläche entstehen kann. Mikroskopisch treten darüber hinaus Materialverschiebungen auf, bei denen Bereiche in der Art einer Zunge über die Oberfläche gedrückt werden (Abb. 3). Dabei werden beispielsweise Fremdstoffe (Poliermittel, Abrieb) eingeschlossen oder es entstehen Hohlräume. Diese führen im späteren Gebrauch zu oberflächlichen Schädigungen, was insbesondere bei dekorativen Oberflächen sehr nachteilig ist. Ähnliche Effekte sind beim Umformen von Aluminium festzustellen, wobei dort oftmals die auftretenden Kräfte größer sind, sodass die Materialüberlappungen mehr oder weniger miteinander verschweißen und Hohlräume so auch verschlossen werden.

Abb. 3: An der Oberfläche liegende, schmale Aluminiumzunge, bei der ein Hohlraum zurückbleibt; hier mit galvanischer Beschichtung

3 Anodisation

Reinaluminium und die kupferfreien Legie­rungen sind gegenüber einer Vielzahl von Korrosionsmedien beständig, obwohl Aluminium ein sehr unedles Metall ist (Elektronenpotential -1,67 eV). Seine Korrosionsbeständigkeit beruht auf der Ausbildung einer selbstheilenden, sehr dünnen (etwa 0,001–0,01 mm) Oxidschicht auf der Oberfläche. Die Metalloberfläche passiviert. Je stärker oxidierend das Umgebungsmedium ist (z. B. konzentrierte Salpetersäure), umso beständiger wird die Deckschicht. Gegenüber Stoffen, die zu einer Zerstörung der Passivschicht führen, wie beispielsweise alkalische oder chloridhaltige Medien, ist das Aluminium unbeständig. Aluminium und seine Legierungen finden infolge ihres Korrosionsverhaltens ihr Einsatzgebiet im Bauwesen, in der chemischen Industrie, der Nahrungs- und Genussmittelindustrie sowie im Automobil- und Schiffsbau. Durch anodische Oxidation (Eloxieren) kann die Dicke der Oxidschicht und damit die Korrosionsbeständigkeit noch deutlich verbessert werden.

Anodisation ist die Erzeugung von Oxidschichten mithilfe 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 der selben 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. Dabei entsteht an der Kathode Wasserstoff, der entweicht. Das verbleibende Hydroxidion reagiert an der Anode mit dem ionisierten Metall zu einem Oxidhydrat mit amorpher Stöchiometrie, entsprechend folgender Gesamtreaktion (vereinfacht):

Me + nH2O → Me(OH)n + n/2H2

Anodisierbar sind die eine kompakte Sperrschicht bildenden Metalle Aluminium, Titan und Magnesium. Die Oxidschicht ist sehr stabil und schützt das darunter liegende Metall vor einem weiteren Angriff durch Oxidation oder Korrosion. Anodisierte Metalloberflächen sind deshalb im Gebrauch sehr beständig. Sie behalten je nach Verfahren auch ihr metallisches Aussehen, da die Oxidschicht dünn und transparent ist.

Durch das Anodisieren in sauren wässrigen Lösungen kann die natürlich vorhandene Oxidschicht verstärkt werden. Dies wird in großem Umfang bei Aluminium und Aluminiumlegierungen durchgeführt. Speziell bei Aluminium wird das Anodisieren auch als Eloxieren bezeichnet – Eloxieren ist eine Kurzfassung des Begriffes elektrolytisches Oxidieren. Die Dicke der Oxidschicht hängt unter anderem von der beim Anodisieren verwendeten elektrischen Spannung ab. Im Prinzip besteht das beim Anodisieren hergestellte Aluminiumoxid aus zwei Phasen: einer Sperrschicht von einigen Nanometern direkt an der Metallgrenze und einer deutlich dickeren, aus hexagonalen Röhren aufgebauten Oxidschicht. Die Poren mit Durchmessern von 20 nm bis 40 nm befinden sich im Zentrum von sogenannten Zellen und stehen annähernd senkrecht auf dem Grundmaterial. Die Struktur der Zellen sowie der Aufbau der Oxidschicht hängen vom Anteil an Fremdstoffen im Aluminium ab [2, 3, 7].

Abb. 4: Eingefärbte Aluminiumteile / Quelle: Stark Eloxal GmbH

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. Anodisch erzeugte Oxidschichten auf Aluminium verbessern dessen Korrosionsbeständigkeit. Das Oxid besitzt amphoteren Charakter, das heißt, es wird sowohl von starken Säuren als auch von starken Laugen angegriffen. In schwach sauren und schwach alkalischen Lösungen ist die Oxidschicht dagegen beständig, weshalb Aluminium unter normalen Umgebungsbedingungen sehr korrosionsbeständig ist. Je dicker eine Schicht ist, umso länger dauert die Auflösung, deshalb steigt die Korrosionsbeständigkeit mit der Dicke der Oxidschicht. 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 [3, 6].

Die Haftung der anodischen Oxidschichten ist unübertrefflich gut, was an der Art der Entstehung liegt: Es handelt sich um eine sogenannte Konversionsschicht, die durch Umwandlung des vorhandenen Grundmaterials erzeugt wird. Durch die atomare Anbindung von Schicht an das Substrat kann es nicht zu Abplatzungen kommen, wie sie bei auf ein Grundmaterial aufgebrachten Lackschichten zu beobachten sind. Allerdings sind anodisierte Schichten relativ spröde, sodass an Biegestellen oder durch Spannungen im Material vor allem bei dickeren Schichten Rissbildungen auftreten können. Die Haptik der Aluminiumoxidschichten ist ähnlich der des reinen Metalls, sodass sich der Eindruck beim Berühren eines anodisierten Aluminiumteils nicht wesentlich von dem eines nicht anodisierten unterscheidet. Das visuelle Erscheinungsbild hängt von der Dicke des erzeugten Aluminiumoxids ab. Dünne Oxidschichten (im Bereich von einigen Mikrometern) verändern den Glanz des Aluminiumteils nicht. Deshalb eignen sich die dünnen Oxidschichten (Glanzanodisieren) zur Erhöhung des Korrosions- und Verschleißschutzes von hochglanzpoliertem Aluminium. Bei Schichten von deutlich über etwa 10 µm wird die Oberfläche zunehmend matt und trüb. Bei technischen Teilen, zum Beispiel Leichtbauteilen für Fahrzeuge, stellen dicke Oxidschichten keine Beeinträchtigung dar, da solche Teile in der Regel keine glänzenden Oberflächen aufweisen müssen.

In Tabelle 1 sind verschiedene Aluminiumlegierungen und deren Eignung zur Herstellung von Oxidschichten durch Anodisieren aufgeführt. Für dekorative Anwendungen, zum Beispiel das Einfärben der Oxidschicht durch Einlagerung von Farbstoffen in die entstehenden Poren der Schicht (Abb. 4), eignen sich vorzugsweise hochreine Aluminiumvarianten (> 99,5 % Aluminium) oder Legierungen mit Magnesium und geringen Anteilen an Silizium. Die gebräuchlichen Schichtdicken liegen hier bei 5 µm bis 25 µm. Die funktionellen Oxidschichten mit hohen Schichtdicken von bis zu 100 µm (zum Teil sind auch höhere möglich) verfügen insbesondere über eine sehr gute Verschleißbeständigkeit neben einer zusätzlich hohen Korrosionsbeständigkeit. Hergestellt werden sowohl dekorative Oxidschichten als auch Harteloxalschichten nach dem selben Verfahren und mit den selben Einrichtungen. Lediglich die Temperatur des verwendeten Elektrolyten zum Anodisieren ist unterschiedlich: Zum Hartanodisieren wird der Elektrolyt stark gekühlt. Damit verschiebt sich das Gleichgewicht zwischen Oxidbildung und Oxidauflösung. Dieses Gleichgewicht ist der Grund für die poröse Struktur. Bei niederer Elektrolyttemperatur ist die Rücklösung des Oxids geringer und daher die Oxidschicht dichter. Aus diesem Grund werden bei Harteloxal Schichthärten von bis zu 600 HV erreicht, wogegen die dekorativen Schichten in der Regel Härten bis 350 HV besitzen [3, 6]. 

3.1 Plasmaoxidation

Eine neue und äußerst interessante 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, der zu den härtesten fünf Stoffen zählt. Im plasmakeramischen Prozess entsteht Korund abhängig vom Verfahren in Form von mikro- oder nanokristallinen Kristalliten, die in eine komplexe Keramikmatrix integriert sind und so als Oberfläche ihre heraus­ragenden und einzigartigen Eigenschaften entwickeln können. Darin unterscheidet sich die plasmakeramische Schicht völlig von der klassischen Anodisationsschicht, die primär aus amorphem Aluminiumoxidhydrat besteht.

Durch Variation der Arbeitsparameter, angefangen von der Aufnahme des zu beschichtenden Bauteils über die Elektrolytzusammensetzung bis hin zur Steuerung der Energiezufuhr, kann das entstehende Oxid hinsichtlich seiner Konsistenz, Morphologie und Größe beeinflusst werden. Zudem wird die interpartikuläre Verbindung ebenfalls durch gezielt gesetzte Rahmenbedingungen kontrolliert aufgebaut. Im bestmöglichen Fall entstehen nanokeramische Oberflächen mit extrem feiner und gleichmäßiger Verteilung. Nanostrukturierte Schichten sind weitaus kompakter und dichter und übertreffen mikrokeramische Oberflächen in puncto Abriebfestigkeit, mechanische Beständigkeit und Korrosionswiderstand bei weitem.

Nanokeramische Schichten erzielen je nach Legierung Härten von bis zu 2400 HV; sie liegen damit um das Fünffache höher als hartanodisierte Oberflächen, wobei der Verschleißwiderstand um ein Vielfaches höher ist. Außerdem erlaubt die nanokristalline Gefügestruktur eine superplastische Verformung der Oxidschicht, einhergehend mit Formveränderungen des Substrats, dessen Duktilität auf die Keramikoberfläche­ quasi übertragen wird. 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 aufeinandertreffen und nicht ausreichend Grundmate­rial für den Schichtaufbau verfügbar ist. Die plasmakeramische Schicht umschließt völlig homogen und gleichmäßig selbst schärfste Kanten und Geometrien.

Nanokeramische Oberflächen sind so dicht und homogen, dass sie ohne weiteres durch Schleifen oder Polieren auf Rauheits­werte von Ra < 0,1 eingestellt werden können. 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. Korund ist chemisch inert. Verdünnte Säuren und Laugen sowie Lösemittel und Reiniger beeinträchtigen die keramische Oberfläche nicht. Im Gegensatz zur anodisierten Oxidschicht ist die plasma­keramische Oberfläche hydratfrei. Auch bei Erwärmung auf mehrere hundert Grad Celsius ändert die Plasmakeramik ihre Eigenschaften nicht. Die Temperaturbeständigkeit des Bauteils wird nur durch das Substrat limitiert [5].

4 Beschichtung

Neben der Anodisation als Verfahren zur Herstellung von schützenden Oberflächen ist es auch möglich, Aluminium mit Metallschichten zu versehen. Die direkte galvanische Beschichtung ist allerdings aufgrund der stets vorhandenen Oxidschicht nicht möglich, da diese einerseits die erforderliche direkte Anlagerung von Metall an das Kristallgitter des Aluminiums verhindert. Andererseits wirkt die stets vorhandene Oxidschicht als Isolator und verhindert den Übergang von Elektronen aus dem Metall an die Ionen des Elektrolyten; es ist also keine direkte Reduktion von Metallkationen an der Grenzfläche möglich.

Zur galvanischen Metallisierung wird daher in einem ersten Schritt die Oxidschicht in einer sauren Lösung entfernt. Befindet sich in dieser Säure gleichzeitig gelöstes Zink, findet eine sogenannte Kontaktabscheidung statt. Zink ist elektrochemisch gesehen ­edler als Aluminium und wird auf der Aluminiumoberfläche als dünner Film abgeschieden. Dieser dünne Zinkfilm verhindert die Aluminiumoxidation bei Kontakt mit Luftsauerstoff. Das verzinkte Aluminium kann somit aus der Lösung herausgenommen werden, ohne dass sofort wieder eine Aluminiumoxidschicht entsteht. Auf diese in der Regel nur einige 10 nm bis 100 nm dicke Zinkschicht kann mit den konventionellen galvanischen Verfahren weiter beschichtet werden. Am besten geeignet ist im ersten Folgeschritt eine Kupferschicht, die aus ­cyanidischen Elektrolyten abgeschieden wird, da in diesem Elektrolyten weder die dünne Zinkschicht noch das Aluminium angegriffen wird. Auf die Kupferschicht folgen je nach Anforderungen an das Aussehen der Teileoberfläche (matt, glänzend) oder die Anforderungen an die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit Nickelschichten aus chemischen oder galvanischen Verfahren (Abb. 5). Auf diese Schichten können beliebige weitere Schichten, beispielsweise dekorative Edelmetallschichten, elektrische Kontaktschichten (Silber, Gold), lötfähige Schichten oder kratzbeständiges Chrom folgen [6, 7].

Abb. 5: Galvanisch beschichtetes Aluminium; Beschichtung aus Zink (nicht aufgelöst), Kupfer (rot) und zwei unterscheidbaren Nickelschichten 

Für die Beschichtung mit Lacken werden Aluminiumbauteile zunächst gebeizt. Dadurch werden ungleichmäßig dicke oder mit Fremdstoffen verunreinigte Oxid- und sonstige Deckschichten entfernt. Im Anschluss daran wurden bis vor einigen Jahren Chromatierungen als standardmäßige Vorbehandlungen durchgeführt. Hierbei entsteht eine Chromatschicht mit mikrorauer­ Struktur, die einen guten Haftgrund für die Lackschicht darstellt. Im Zuge der Vermeidung des Einsatzes von sechswertigem Chrom in der Oberflächentechnik wurden in den letzten Jahren verstärkt chromfreie Verfahren zur Erzeugung von Konversionsschichten (Umwandlungsschichten, zu denen auch Aluminiumoxid zählt) eingeführt. Des Weiteren gehören zu den neueren Verfahren auch Sol-Gel-Schichten. Besonders gute Haftung, verbunden mit einem sehr guten Korrosionsschutz bieten natürlich auch anodisch erzeugte Oxidschichten mit Dicken von einigen Mikrometern, die allerdings die Kosten für die Beschichtung deutlich erhöhen und deshalb nur bedingt zum Einsatz kommen.

5 Korrosionsverhalten

Aluminium weist aufgrund seiner stets vorhandenen Oxidschicht unter normalen ­atmosphärischen Bedingungen eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Kritisch sind Bedingungen mit hohen Gehalten an Chloriden, wie sie beispielsweise in mariner Umgebung auftreten oder stark sauren Klimaten in industrieller Umgebung. Die Beständigkeit ist in einem pH-Bereich zwischen etwa pH 4 bis etwa pH 10 relativ hoch.

Deutlich kritischer zu sehen ist die Beständigkeit von Aluminium, wenn es in direkten metallischen Kontakt mit einem anderen Metall gelangt und der Kontaktbereich durch eine wässrige Lösung überdeckt wird. In diesem Fall macht sich das elektro­chemische Verhalten beziehungsweise die Spannungsdifferenz der beiden Metalle bemerkbar. Metallisches Aluminium zählt, wie bereits eingangs vermerkt, zu den unedlen Metallen. Mit einem Gleichgewichtspotenzial von -1,2 V bis -1,7 V liegt es weit im negativen Bereich, während Zink bei -0,5 V bis -0,7 V, Eisen bei -0,2 V bis -0,4 V oder Kupfer bei +0,5 V bis +0,7 V zu finden ist. (Die Spannweiten der Werte richten sich nach der Zusammensetzung des Mediums, in dem die Potenziale bestimmt werden.) [8, 9]. Ab Potenzialdifferenzen von etwa 0,2 V bis 0,4 V findet eine Auflösung des jeweils unedleren Metalls (das mit dem negativeren Wert) statt. Da im Prinzip alle Gebrauchsmetalle positivere Potenzialwerte besitzen (Tab. 2), muss bei einer Verbindung von Metallteilen mit Aluminium dieser Nachteil in Bezug auf die Korrosion berücksichtigt werden. 

Abhilfe schaffen beispielsweise Isolierungen zwischen den Metallen, die den direkten Kontakt unterbinden. Eine weitere Möglichkeit ist, das Auftreten eines überdeckenden Wasserfilms zu vermeiden, indem die Kontaktstelle mit einem wasserabweisenden Schutzfilm umgeben wird. Häufig zum Einsatz kommen aber auch galvanische Beschichtungen oder Lackierungen auf den Aluminiumteilen oder dem anderen Kontaktmetall. Insbesondere im Automobilbau werden die heute gebräuchlichen Zink-Nickel-Schichten auf Stahlteilen dazu eingesetzt, die Potenzialdifferenz ­zwischen Stahl und Aluminium soweit zu reduzieren, dass keine erkennbare Auflösung des Aluminiums erfolgt [10].

Der Prozess, der bei Kontakt zwischen Aluminium und einem edleren Metall abläuft, kann auch bei galvanisch beschichteten Aluminiumteilen auftreten. Dies erfolgt dann, wenn die Beschichtung bis zum Grundmetall beschädigt ist und eine wässrige Lösung an der Fehlstelle einen Korrosionsvorgang ermöglicht. In diesem Fall ist die Auflösung des Aluminiums besonders hoch, sodass die Korrosion innerhalb kürzester Zeit ein Teil zerstören kann (Abb. 6). Es ist daher zu empfehlen, galvanische Schichten auf deren Eignung zu prüfen, eine Beschädigung zu vermeiden und auf jeden Fall auf eine porenfreie und dicke ­Beschichtung Wert zu legen.

Abb. 6: Starke Korrosion des Aluminiumgrundmaterials nach Durchbruch der galvanischen Schicht aus Kupfer-Nickel-Palladium

6 Vorteile nutzen – Nachteile vermeiden

Das Leichtmetall Aluminium ist einer der interessantesten Werkstoffe, insbesondere im Hinblick auf den Einsatz im Flugzeug- und Fahrzeugbau. Dabei lassen sich die Vorteile des geringen Gewichts und der guten mechanischen Eigenschaften besonders dann voll ausschöpfen, wenn mit Unterstützung der Oberflächentechnik auch eine gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erzielt wird. Dafür stehen verschiedene Methoden von der Verstärkung der Oxidschicht über eine Auftragung von Lack oder Metall bis hin zur optimal angepassten Auswahl von Kombinationsmetallen zur Verfügung. In allen Fällen ist es ratsam, die Bedingungen des Einsatzes vor Auswahl des Aluminiumwerkstoffs zu ermitteln und die unterschiedlichen Verfahrenstechnologien zur Herstellung von Aluminiumbauteilen gut aufeinander abzustimmen.

Literatur

[1] Aluminium-Taschenbuch, Band 1: Grundlagen und Werkstoffe; Aluminium-Verlag, Düsseldorf; z. B. 15. Auflage, 1995 (wird regelmäßig aktualisiert und neu aufgelegt)

[2] Dettner/Elze: Handbuch der Galvanotechnik, Band 3; Hanser Verlag, München

[3] Stark Eloxal GmbH, Lottstetten; Datenblatt; www.stark-eloxal.de

[4] Dietrich Altenpohl: Aluminium; Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 1994

[5] ELB – Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH, Ludwigsburg-Neckarweihingen; www.ceranod.com

[6] Die AHC-Oberfläche – Handbuch für Konstruktion und Fertigung; AHC-Oberflächentechnik, Kerpen, 4. Auflage, 1999

[7] T. W. Jelinek: Oberflächenbehandlung von Aluminium; E. G. Leuze Verlag KG, 1997

[8] H. Kaesche: Die Korrosion der Metalle; Springer Verlag, 2. Auflage, 1979

[9] M. G. Fontana, N. D. Greene: Corrosion Engineering; MacGraw-Hill Book Co., 2. Auflage, 1978

[10] Ch. Schade; WOMag 2/2013; www.womag-online.de

DOI: 10.7395/2014/Schade6

 

 

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