Leitfaden zur Aluminium-Eloxierung: Wie sich die Legierungszusammensetzung auf die CNC-Oberflächen auswirkt

Jedes Teil, das in ein Eloxalbad eingelegt wird, unterliegt denselben elektrochemischen Prozessen, unabhängig von seiner Verwendung. Ob das eloxierte Aluminiumteil sauber, spröde oder trocknungsfähig ist, wird bereits festgelegt, bevor das Teil die Fertigungslinie erreicht. All dies wird in der Legierungsangabe der Zeichnung festgelegt, in der das für das Bauteil erforderliche Material oder die Metallgüte angegeben ist. Diese Angabe ist in der Stückliste (BOM), den allgemeinen Hinweisen oder im Titelblock enthalten. So können beispielsweise zwei Teile, die bei gleicher Stromstärke und zur gleichen Zeit in ein Eloxalbad eingelegt werden, deutlich unterschiedliche Beschichtungen aufweisen. Sind sie beispielsweise aus 7075-T6 bzw. 6061-T6 gefertigt, können Farbunterschiede oder optische Abweichungen auftreten.

Der Leitfaden soll sich speziell auf diese Variable konzentrieren: den Einfluss der chemischen Zusammensetzung von Aluminiumlegierungen auf die Ergebnisse der Anodisierung. Zudem soll er deren Auswirkungen auf Druckguss- und CNC-bearbeitete Werkstücke untersuchen und dabei Eigenschaften wie Maßtoleranzen, die Wahl der Legierung und Zeichnungsangaben berücksichtigen.

Warum führt derselbe Eloxalprozess bei verschiedenen Legierungen zu unterschiedlichen Ergebnissen?

Beim Eloxieren von Aluminiumlegierungen geht es nicht darum, ob sich das Material eloxieren lässt, sondern wie es sich während und nach dem Prozess verhält. Beim Eloxieren entsteht durch eine elektrochemische Reaktion eine Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiums, wodurch ein dauerhafter Schutzfilm gemäß technischen Normen wie ASTM B580 gebildet wird. ^[1]. Ist das Aluminium rein, oxidiert es sauber und gleichmäßig. Bei Legierungselementen ist der Effekt jedoch deutlich zu erkennen, da sie sich beim Wachstum der Schicht an der Grenzfläche zwischen Metall und Oxid abscheiden. Jedes Element zeigt charakteristische strukturelle und optische Effekte auf der entstehenden Schicht.

Auf Legierungsmaterial mit dem Gehalt 6061 bildet sich eine gleichmäßige Oxidschicht mit vorhersagbarer Dicke und Farbe. Hochfeste Legierungen mit hohem Kupfergehalt führen zu einer dunkleren und ungleichmäßigen Beschichtung.

Das Verständnis dieses Aspekts hilft der Industrie dabei, zu ermitteln, wie sich Werkstoffe auf die Ergebnisse der Eloxierung auswirken. Dies trägt dazu bei, den Zweck der Einhaltung von Spezifikationen zu bestimmen und festzulegen, wie mit unerwarteten Ergebnissen umzugehen ist.

• Kupfer: weist in einer klaren Typ-II-Folie einen deutlich gelblichen Farbton auf, selbst bei einem Gewichtsanteil von 1%.
• Zink: Wenn es sich unter der Oxidschicht absetzt, erscheint es blau.
• Eisen und Mangan: eine gelb- bis bräunliche Verfärbung verursachen.
• Silizium: Dies stört die Gleichmäßigkeit des Oxidwachstums und führt zu dunklen, unregelmäßigen Oberflächen, da siliziumreiche Bereiche an der Oberfläche verbleiben. Dies geschieht bei etwa 8–9% oder darüber; es findet überhaupt keine Umwandlung in Oxid statt.

Somit würden zwei Legierungen mit ähnlichen Eloxalparametern – Zeit, Temperaturen und Badkonzentration – dazu führen, dass der Tank völlig unterschiedlich aussieht.

Vergleich der Eloxierung von Aluminiumlegierungen.

Beim Vergleich von Aluminiumlegierungen geht es oft um das Verhältnis von Aussehen und Festigkeit.

Bei internen CNC-Aufträgen in unserer Werkstatt, bei denen in den Kundenzeichnungen gut sichtbare eloxierte Oberflächen (Rot-, Blau- und kräftige Farbtöne) vorgegeben sind, konzentrieren wir uns bei der Konstruktion auf 6063-T5 ODER 6061-T6 anstelle von 7075. Das Zink und Kupfer in 7075 streuen das Licht und dämpfen die Farbsättigung selbst bei hoher Anodisierungsqualität.

Warum werden die Werkstoffe 2024 und 7075 dunkler oder weniger gleichmäßig eloxiert?

Das bei der Anodisierung entstehende Oxid ist porös, und der Farbstoff wird darin aufgenommen, wodurch verschiedene Farben entstehen. Die Farbe ist auf Legierungselemente wie Cu, Zn, Mg und Si zurückzuführen, die die Aluminiumoxidschicht beeinflussen. Bei Knetlegierungen kann deren Gewichtsanteil den Farbton der Oxidschicht drastisch verändern. Bei Gusslegierungen lassen sich bestimmte Farben nicht erzielen, wenn der Verunreinigungsgehalt zu hoch ist.

Beispielsweise führen bei Legierungen wie 2024 und 7075 Verunreinigungen nach der Anodisierung zu einer dunkelgrauen Färbung, was auf den hohen Kupfergehalt in 2024 und den hohen Zinkgehalt in 7075 zurückzuführen ist. Die intermetallischen Partikel im kupferreichen Werkstoff 2024 sind poröser und weniger gleichmäßig. Daher eignet sich dieser Werkstoff für Luft- und Raumfahrtteile, für die eine Chromsäure-Anodisierung vom Typ I anstelle von Typ II vorgeschrieben ist. Typ I ist aufgrund der geringeren Beanspruchung und der besseren Toleranz bei Gussteilen oft das Verfahren der Wahl, um die ursprüngliche Ermüdungsfestigkeit eines Werkstoffs zu erhalten.

Typ III sorgt für eine Oberfläche, die selbst den härtesten Umgebungsbedingungen gewachsen ist. Eine Hartbeschichtung vom Typ III wird jedoch nicht auf Kupfer oder Silizium mit einem Gehalt von über 5% oder 8% sowie auf Legierungen mit einer Porosität von mehr als 5% aufgebracht.

Die Legierung 7075 ist für ihre unglaubliche Festigkeit bekannt, doch ihr Zink- und Kupfergehalt erschwert die Eloxierung und führt zu Unebenheiten in der Oxidschicht. Sie eignet sich hervorragend für Anwendungen mit hoher Beanspruchung, die Festigkeit erfordern, insbesondere für Teile, die starkem Verschleiß ausgesetzt sind, sowie für militärische und bauliche Werkstoffe.

Es ist nahezu unmöglich, mit diesen Legierungen hellere Farbtöne zu erzielen. Für eine bessere Farbanpassung ergeben die Legierungen 5052 und 3003 eine klarere Eloxalschicht.

Warum lassen sich A380 und ADC12 noch schwerer eloxieren?

A380 und ADC12 sind die beliebtesten Aluminiumdruckgusslegierungen mit ähnlichen Eigenschaften. ADC12 dominiert die asiatischen Märkte, während A380 in Nordamerika vorherrscht. Die Eloxierung dieser Legierungen ist schwierig und erfordert eine äußerst strenge Prozesskontrolle. Daher beschränkt sich ihre Anodisierung auf funktionalen Korrosionsschutz und schwarze oder dunkelgraue Oberflächen.

Dieses Hindernis ist auf ihre chemische Zusammensetzung zurückzuführen. Das Aluminiumwerkstoff ADC12 weist beispielsweise einen Siliziumgehalt von 9,6% bis 12% auf, das kaum an der Reaktion beteiligt ist.

Der A380 weist einen geringeren Siliziumgehalt (7,51 TP4T–9,51 TP4T) und einen höheren Kupfergehalt von 3,01 TP4T–4,01 TP4T auf. Obwohl er sehr gut fließt, reicht er kaum an die extreme Formfüllfähigkeit von ADC12 heran.  Aus diesem Grund eignet er sich besser für überlegene mechanische Eigenschaften.

Wenn Aluminium oxidiert, verbleibt Silizium, ein nichtleitendes Element, in Form von Flocken oder Partikeln zurück und bildet eine lose “Staubschicht”. Daher müssen Aluminiumdruckgussteile zur Korrosionsbeständigkeit eloxiert werden, und Beschaffungsteams sollten bei der Spezifikation von ADC12/A380 mit dunklen Farben oder einer naturbelassenen (ungefärbten) Oberfläche rechnen. Für eine helle, gleichmäßig gefärbte Oberfläche ist Aluminium 6061 oder 6063 zuverlässiger, auch wenn die Stückkosten höher sind.

Inwiefern hängt die Wahl des Werkstoffs mit der Unterscheidung zwischen Typ II und Typ III zusammen?

Sobald Sie in einer Zeichnung eine Eloxierung festlegen, müssen Sie sich wahrscheinlich zwischen zwei Varianten entscheiden. Die falsche Wahl kann zu einem unzureichenden Schutz führen oder Sie Geld kosten.

Wie sollten CNC-Programmierer Maßzugaben einkalkulieren?

Da jeder Auftrag anders ist, orientieren sich Konstrukteure an allgemeinen Richtlinien für Bearbeitungszugaben, die vom jeweiligen Fertigungsverfahren abhängen. CNC-Programmierer legen Maßzugaben auf der Grundlage der 50/50-Faustregel für Aluminiumteile fest, die einer Eloxierung unterzogen werden. Das bedeutet, dass während des Prozesses die Oxidschicht zu 50% ihrer Dicke in den Grundwerkstoff hineinwächst, während die andere Hälfte (50%) nach außen wächst und die ursprüngliche Oberfläche vergrößert.

Um also die korrekten Abmessungen zu erzielen, sollte die Zugabe pro Oberfläche genau die Hälfte der angegebenen Gesamtbeschichtungsdicke betragen.

Gemäß MIL-A-8625 sind die Art der Beschichtung, die Schichtdicke und die Versiegelungsmethode in der Bestellung oder der Teilezeichnung anzugeben.

Wenn Sie in der Zeichnung eine Eloxierung angeben, haben Sie die Wahl zwischen zwei Arten:

Typ II weist eine Schichtdicke von 0,0002–0,001 Zoll (5–25 µm) auf. Ermöglicht einen Ausdehnungsspielraum nach außen für einen möglichst passgenauen Sitz.

Die Gesamtdicke einer Typ-III-Hartbeschichtung liegt im Bereich von 0,001–0,003 Zoll (25–75 µm). Diese Toleranz muss berücksichtigt werden, um einen korrekten Sitz bei Bohrungen, Wellen und Passflächen zu gewährleisten.

Bei Merkmalen wie Gewindebohrungen, Lagersitzen und Passbohrungen mit Toleranzbändern, die enger als etwa ±0,001 Zoll sind, sollten diese vor dem Eloxieren abgedeckt oder mit einem Stopfen versehen oder nach dem Eloxieren bearbeitet werden.

Wie wird die Aluminiumeloxierung in einer Zeichnung gekennzeichnet?

In einer technischen Zeichnung muss die Aluminiumeloxierung angegeben werden, um Oberflächenbeschaffenheit und Aussehen festzulegen und Maßabweichungen zu vermeiden.

1. Eloxierungsnorm, Typ und Klasse: Beispiel Typ III (Hartbeschichtung), Referenznorm wie MIL-A-8625, Klasse 2 (gefärbt).
2. Anmerkung zu den Abmessungen: Es ist zu klären, ob die angegebenen Abmessungen vor oder nach dem Eloxieren gelten.
3. Abdeckung und Kontakte: für Bereiche, in denen elektrische Kontaktstellen oder Schnittstellen mit engen Toleranzen erforderlich sind.
4. Schichtdickenbereich in Mikrometern oder Mil.

Schlussfolgerung

Das Eloxieren von Aluminium ist ein effizientes Verfahren zur Oberflächenveredelung von Aluminiumprodukten, das sowohl deren Leistungsfähigkeit als auch deren optische Attraktivität verbessert. Ein Verständnis dieses Verfahrens hilft dabei, die beste Wahl für jeden Bedarf zu treffen, da es eine Vielzahl von Eloxalarten und -farben bietet. Dieser Leitfaden unterstützt Sie dabei, fundierte Entscheidungen zu treffen, um hochwertige eloxierte Aluminiumprodukte zu erhalten.

Unsere Eloxaldienstleistungen zeichnen sich bei jedem Projekt durch Qualität und Präzision aus und helfen Ihnen dabei, Ihre Ziele zu erreichen. Daher sind unsere technischen Teams stets bestrebt, präzise Toleranzen und erstklassige Ergebnisse zu liefern.

Referenz

[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) Norm für anodische Oxidbeschichtungen auf Aluminium. ASTM-Normendatenbank. https://www.astm.org/b0580-79r19.html