Oberflächentechnik für die Feinmechanik

Basiswissen der Aluminium-Anodisation (Eloxal)

Der Name Eloxal

Der Name ELOXAL ist ein Kunstwort und setzt sich aus ELektrolytische OXidation des ALuminiums zusammen, wodurch sich schon erklärt, dass dieses nur mit dem Werkstoff Aluminium funktioniert. Das Eloxieren beschreibt also den Anodisier-Prozess des Aluminiums, das Anodisieren im Allgemeinen ist aber auch auf andere Materialien anwendbar. Man kann bei diesem Material also beide Begriffe verwenden!

Materialauswahl

Heute ist eine Vielzahl unterschiedlicher Legierungen auf dem Markt verfügbar. Die „eierlegende Wollmilchsau“ ist allerdings noch nicht erfunden, so dass man immer einen Kompromiss zwischen den verschiedenen Eigenschaften eingehen muss. Das gilt für die Zerspanbarkeit, die Festigkeit, den Preis, oder aber für die dekorative Eloxierbarkeit. Liegt der Schwerpunkt also zum Beispiel auf einem perfekten Oberflächenfinish, sind nur bestimmte niedrig legierte Materialien einsetzbar (AlMgSi0,5/1, AlMg1/3 etc.). Da man bei einer falschen Materialauswahl schon das Endergebnis nicht mehr zu erreichen kann, ist es ganz wichtig schon zu Beginn die richtige Entscheidung zu treffen. Nutzen Sie dazu unsere Materialempfehlung, oder lassen sie sich direkt von uns beraten. Das Thema ist nicht einfach und ein Laie kann aus allen Legierungen und unterschiedliche Markenbezeichnungen, welche auf dem Markt kursieren, kaum die für seine Anwendung optimal passende herausfiltern. Für uns ist das Tagesgeschäft! 

Entfettung

Zu Beginn praktisch aller Oberflächentechniken, erfolgt immer eine Entfettung. Dieser Prozess ist entscheidend, da ansonsten die Folgeprozesse gestört werden. Die Anforderungen sind oftmals kritisch, da heute unterschiedlichste Emulsionen, Öle und Konservierungsmittel zum Einsatz kommen (mineralisch, synthetisch, teil-synthetisch…). Alle von den spanenden Betrieben genutzte Medien kann man mit den Standardentfettungen nicht prozesssicher beseitigen. Auch belastetet Öl das Entfettungsbad bis hin zur Sättigung. Aus diesen Gründen müssen die Teile hier schon weitestgehend fettfrei angeliefert werden. 

Beizen

Die nachfolgenden möglichen chemischen Vorbehandlungen sind das Beizen und das Glänzen. Beide Verfahren tragen Material ab und beeinflussen die Maßhaltigkeit. Auch haben die Legierung und die Materialgüte hierauf einen erheblichen Einfluss. So lässt sich bei feinmechanischen Produkten eine wirkliche Mattierung auf dem Aluminium praktisch nie durch das Beizen erzielen, da hierfür eine sehr lange Beizzeite zur Anwendung kommen müsste, die dann alle Passungen ruiniert. Nur bei den wenigen wirklich geeigneten Legierungen bildet sich ein dekoratives Beizfinish (EQ=Eloxal Qualität). Bei Gefüge-Problemen wie Grobkorn oder Pseudogrobkorn arbeitet die Beize diese Mängel sogar heraus – sie werden also erst durch das Beizen sichtbar. Wir beizen als Standard sehr kurz, wodurch wir die Oberfläche nochmals reinigen und den späteren Schichtaufbau kompensieren. Viele Artikel werden auch überhaupt nicht gebeizt. Oftmals fordern die Kunden eine Beizung nach E6, einem Normbegriff aus dem Architektur-Eloxal. Würden wir dieser Angabe folgen, wären die Bauteile in der Regel sofort zerstört. Typische E6-Beizzeiten sind 20 Minuten – die Maßveränderung auf den Durchmesser betrüge dann ca. 80-100µm! Sofern eine Mattierung gewünscht wird, ist es oft am sinnvollsten im Vorfeld zu strahlen. Wir arbeiten, wenn möglich, in einer automatischen Anlage und verwenden ausschließlich Edelstahl-Strahlgut. Ansonsten stehen bei uns noch 3 hochwertige Druckstrahlkabinen mit unterschiedlichen Körnungen zum Einsatz. 

Glänzen

Eine andere Möglichkeit stellt das Glänzen dar. Es handelt sich dabei um eine chemische Vorbehandlung und nicht um eine spezielle Art des Eloxierens, also nicht im eigentlichen Sinne um Glanz-Eloxal. Wir arbeiten in unserem Hause mit einem chemischen Glänz-Verfahren und sind dadurch auf Legierungen mit einem Kupfergehalt von maximal 0,5% beschränkt. Da der Prozess des Glänzens einfach in der Prozessführung ist, hat die Legierung selber den entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung des Glanzgrades. Dieser Prozess ist relativ teuer, da das verwendete Säuregemisch bei 100°C arbeitet und man hiervon einen sehr großen Verbrauch hat. Das Ergebnis ist ein Seidenglanz, der die Optik deutlich aufwertet. Besonders interessant ist dieser Prozessschritt in Verbindung mit dem vorgeschalteten Strahlen. Hier werden dann die spitzen Strukturen der gestrahlten Oberfläche abgerundet wodurch eine tolle Haptik entsteht und die Oberflächen anschließend sehr unempfindlich gegen Fingerabdrücke und Hautabrieb sind. Ein gutes Beispiel hierfür sind die sehr feinen Oberflächen der Firma Apple, wenngleich man solch ein perfektes Ergebnis bei Kleinserien und Einzelstücken nur schwer erzielen kann.

Eloxal / Eloxieren / Anodisieren

Das Eloxieren oder Anodisieren geschieht also praktisch mit in der Prozessfolge nach den Vorbehandlungen und vor den Nachbehandlungen. Es wird weltweit fast nur noch das GS-Verfahren verwendet, wofür G für Gleichstrom und S für Schwefelsäure besteht. Der Elektrolyt, also das chemische Bad, besteht aus Schwefelsäure und Wasser, manchmal noch mit einigen Additiven. Eloxieren geschieht mit Hilfe von Gleichstrom, wobei die Bauteile als Anode geschaltet sind – deshalb wird der Prozess auch Anodisieren genannt (also liegt hier + an…). Die Temperatur muss bei ca. 18°C stabilisiert werden. Da sehr viel Abwärme entsteht, kühlen wir mit leistungsfähigen Kühlanlagen permanent gegen den Temperaturanstieg. Die sich bildende Schicht ist immer automatisch silbern, weshalb man das ungefärbte Eloxal auch Natur eloxiert nennt (die Bezeichnung silbern eloxieren ist also überflüssig…). Die Eloxal-Schicht ist von unzähligen Poren übersäht, die allerdings so klein sind, dass man diese bei einer normalen Vergrößerung nicht erkennen kann (ca. 10-20nm).  

Die Prozessführung beim Eloxieren ist entscheidend für die Qualität der Oberfläche. Wir verwenden zur Regelung unsere patentierte selbstlernende Stromdichteregelungen vom Typ POC. Das weltweit einzigartige System nutzt die zuvor erlernten individuellen Stromdichteprofile für die Regelprozesse. Typische Schichtstärken sind ca. 10-15 µm bei ungefärbtem und 15-20µm bei gefärbten Eloxal. Leider lassen sich lediglich optische Defizite erkennen. Mängel im Bereich der UV-Stabilität oder im Korrosionsschutz bemerkt man immer erst dann, wenn es zu spät ist. Deshalb ist die Wahl eines zuverlässigen und kompetenten Eloxierers das Wichtigste, wenngleich es immer einen Billigeren gibt! (das gilt aber auch für die Zerspanung…) 

Harteloxal / Harteloxieren / Hartcoat / Hartcoatieren / Coatieren

Harteloxal, Hartanodiesieren, Hartcoat, Hartcoatieren, Coatieren oder auch Hardcoat und Hardcoatieren (mit d statt t) beschreiben letztlich alle das Gleiche. Es handelt sich um die Erzeugung von harten Oxidschichten. Das Verfahren ist sehr eng mit dem Eloxieren verwandt, weshalb auch hier die Wahl der geeigneten Legierung eine zwingende Voraussetzung ist. Hohe Kupfergehalte stören dramatisch und man erhält Schichten von minderer Güte. Zusätzlich besteht dann immer eine sehr große Gefahr von Stromdurchschlägen, was die Bauteile sogar zerstören kann! Man verwendet etwas modifizierte Elektrolyte, doch der Hauptunterschied ist die niedrigere Temperatur des Anodisier-Bades. Der Prozess findet meist bei -5°C bis 0°C statt. Die dadurch reduzierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit führt zu deutlich höheren Spannungen und einer noch stärkeren Wärmeentwicklung. Es ist hierbei entscheidend das die Prozesstemperatur beim kompletten Vorgang des Harteloxierens konstant gehalten wird und der Energieaufwand ist sehr hoch. Die Prozesse dauern bis zu über 1 1/2h in diesem Bad. Die Harteloxalschichten sind erheblich härter als die der Anodisation. Man erreicht Härten von bis zu HV550 und die Abriebfestigkeit bei gleitender Beanspruchung ist oft die denen von Hartchromschichten vergleichbar, manchmal sogar überlegen. Sehr oft verwechseln Kunden aber Härte mit Abriebfestigkeit, welche absolut nicht miteinander korrelieren. Der entscheidende Faktor ist nach unseren Erfahrungen in der Regel die Glattheit. Diese beeinflusst die Gleiteigenschaften und den Verschleiß entscheidend. Oft ist ein etwas weniger hartes aber glatteres Harteloxal im praktischen Einsatz viel beständiger als ein Hartcoat mit maximaler Härte. 

Unser patentiertes polymeroxid®-Verfahren erzeugt die glattesten und beständigsten Schichten auf dem Markt und wir beschichten hiermit jährlich zehntausende Fahrwerkskomponenten renommierter Sportwagen- und Rennmotorradhersteller. Durch die Erzeugung einer optimierter polymeroxid®-Matrix können wir sogar rissfreie Schichten darstellen, welche im Fahrwerksbau, Hydraulik und Pneumatik von größtem Interesse sind. Die typischen Schichtstärken sind 30 oder 50µm. Harteloxal unter 20µm empfehlen wir nicht, da die Übergangsbereiche zum Grundmaterial nie wirklich scharf abgegrenzt sind. Bei einem Verschließ unterhalb von 10µm besteht immer die Gefahr, dass man partiell auf das Grundmaterial trifft. An diesen Stellen beginnt dann der sich schnell ausbreitende Zerstörung des Hartcoat. Da die Hartanodisation den elektrischen Feldlinien folgt, streut der Prozess nur bedingt in Bohrungen hinein. Bis zu einem Verhältnis zwischen Tiefe zum Durchmesser von 2,5 ist das bei Sacklöchern zu vernachlässigen (beidseitig offen 5…), darüber hinaus muss mit Innenelektroden gearbeitet werden, sofern das technisch möglich ist (z.B. Harteloxal auf Stoßdämpfern). Korrekt ist es, wenn man den Schichtaufbau des Harteloxierens bei der mechanischen Bearbeitung mit einberechnet. Wir kalkulieren immer mit einem effektiven Aufbau von 40% des Gesamtschichtstärke. Ein Harteloxal mit 50µm wird also ca. mit 20µm pro Seite aufbauen, auf den Durchmesser dann ca. 40µm. Dieses durch ein vorgeschaltetes Beizen zu kompensieren ist zwar technisch theoretisch möglich und wird in Notfällen auch so gehandhabt, sollte sich aber auch wirklich nur auf Notfälle beschränken. Zum einen ist das Harteloxal dann durch das Beizen natürlich rau, was technisch völliger Unsinn ist. Zum anderen sind Diskussionen vorprogrammiert, wenn es dann doch nicht passt (zu lange oder zu kurz gebeizt!). So machte es oftmals mehr Sinn die eine oder andere Stelle in unserem Hause im Vorfeld abzudecken, was wir in einer eigenen Abteilung mit speziellen Stopfen, Flüssiglacken oder geplotteten Stickern bewerkstelligen. Spitze Kanten sind beim Hartcoatieren grundsätzlich zu vermeiden, da es hierzu immer wieder zu Schwierigkeiten kommt.

Das Schichtwachstum an scharfen Kanten führt nicht zu einer geschlossenen Schicht. Aus diesem Grund sollten schon vor der Oxidation bei der Formgebung scharfe Kanten vermieden werden, da sonst die Korrosionsbeständigkeit an diesen Stellen nicht mehr gegeben ist. Es sind möglichst große Radien zu wählen, wenn man die Teile hartanodisieren will. (also z.B. Radius = 50x Schichtstärke) Grundsätzlich verhält es sich beim Harteloxal genau wie beim Eloxal. Nur die genaue Einhaltung von allen Prozessparametern führt zu einer guten Qualität. Leider kann man die Unterschiede optisch nicht erkennen und sie zeigen sich erst in der praktischen Anwendung, nämlich wenn die Schicht beim Einsatz frühzeitig versagt. Die Folgeschäden sind dann vielfach immens und übersteigen den Preisunterschied zwischen einem minderwertigen Hartcaot und einem Teuren um ein Vielfaches! Harteloxal ist grau – aber grau ist nicht alles. 

Färben

Die sehr kleinen Poren in Eloxal oder Harteloxal kann man zum Färben nutzen. Hier werden dann in der Anodisation folgenden Badstufen Farbpigmente eingelagert. Die Wahl des geeigneten Farbstoffes und die korrekte Füllung mit den Pigmenten ist entscheidend für die Langzeitstabilität der Färbung. Wir verwenden ausschließlich Farbstoffe aus den Häusern TECHEVON (USA) und Clariant (CHE). Für jede Farbe muss man ein eigenen Badbehälter vorhalten, weshalb die Auswahl an Farbtönen beschränkt ist. Wir haben die Farben Rot, Blau, Grün, Orange, Gelb, Violett, Titan und Schwarz im Einsatz. Sonderfärbungen sind grundsätzlich möglich, doch recht aufwendig, da man hierfür ein komplettes Färbungsbad ansetzten muss, welches man nach der Verwendung dann entsorgen muss. Die Farbstoffe sind, wie alle organischen Stoffe (dazu zählen auch Sie!), alle unterschiedlich Temperatur- und UV-stabil. Elektrolytische Färbeverfahren, womit man UV-stabile Bronze- und Schwarz-Töne erzeugen kann, sind auf den in der Feinmechanik üblichen Legierungen nicht anwendbar. Durch den Einsatz eines speziellen UV-Filters sind wir in der Lage auch bei kritischen Farben eine akzeptable UV-Stabilität zu garantieren. Beim Farbeloxal sieht man Mängel in der Prozessführung direkt an der unterschiedlichen Farbausprägung, weshalb es bei vielen Eloxalbetrieben zu nicht endende Schwierigkeiten und Diskussionen kommt. 

Neben der Verwendung hochwertigen und homogenen Materials, kann nur eine wirklich gute und stabile Prozessführung und Analytik zum Erfolg führen. Durch den Einsatz unseres patentierten polymeroxid®-Harteloxals sind wir in der Lage auch auf diesen eigentlich als nicht färbbar geltenden dichten Oxidschichten brauchbare Färbungen zu erzeugen, wobei die Farbe Schwarz bei der Hartanodisation am meisten nachgefragt wird. Wir erzielen ein absolut tiefes Schwarz und nicht das gewohnte dunkelgrau. Besonders interessant hierfür ist hier eine spezielle Variante des Hartcoatierens – unser polymeroxid® LF4.

Verdichten

Das Verdichten ist die letzte Stufe der Prozesskette. Eloxalschichten werden in der Regel in siedendem Wasser verdichtet. Hier verschließt man die Porenstruktur, wodurch dann der UV-Schutz und die Korrosionsstabilität erzielt wird. Möglich ist auch der Einsatz der sogenannten Kaltverdichtung, einem aus Japan stammenden energiesparenden Verfahren. Dieses hat einige technische Vorteile, ist aber aufwendig in der Prozessführung und Analytik. Wir benutzen dieses Verfahren als Standard – oft auch in der Kombination mit der Heißverdichtung. Hartcoat wird in vielen Betrieben überhaupt nicht verdichtet, da klassische Heißverdichtungen die Härte reduzieren. Wir arbeiten auch hier gerne mit dem Kaltverdichten, da die Bauteile anschließend nicht mehr Empfindlich gegen Fleckenbildung durch Öle sind und auch bei Berührung nicht mehr kleben. 

Zum Schluss

 Sacklöcher stellen bei Eloxal und Harteloxal immer ein großes Problem dar, welches weltweit nicht wirklich gelöst ist. Das gilt für alle Bereiche der Galvanotechnik. Es verfangen sich hier oft Luftblasen, welche eine Beschichtung verhindern. Es ist also reiner Zufall, ob diese Stellen später Schicht aufweisen, oder nicht. Auch lagern sich hier gerne Beiz- und/oder Elektrolytreste ab, welche sich trotz intensivster Spülmethoden nicht prozesssicher entfernen lassen. Diese treten dann während der Färbeprozesse aus und können dann „Läufer“ in den Sichtbereichen hinterlassen. Das sind Spuren an denen lokal die Färbung zerstört ist. Manchmal verbleiben diese Chemikalien auch nach dem Trocknungsprozess als unschöne und störende Kristalle. Wir haben zur optimierten Spülung solcher Problemstellen das patentierte acidEX®-Verfahren entwickelt, doch lassen sich hiermit auch nicht die ganz schwierigen Fälle immer zufriedenstellend lösen. (z.B. M3x15) Bei Bauteilen mit solchen Situationen raten wir meist zum Verschließen dieser Bohrungen mit Einmalstopfen. Das ist aufwendig, doch man hat hierdurch eine gute Chance das Problem nachhaltig zu lösen.

Das soll hier nur ein kleiner Ratgeber sein. Das ganze Thema füllt Bände, würde hier aber zu weit führen. Es ist völlig ausreichend, wenn Sie die Grundlagen wissen und wir uns richtig gut auskennen. Bitte sprechen Sie uns an. Wir sind immer gerne für sie und Ihre Probleme da und Sie können uneingeschränkt auf unsere Expertise zugreifen. Das ist unser Job und unser Hobby!

IHAA DBU TÜV NordNaturstrom