Die Aluminium-Eloxierung wird je nach Stärke der Beschichtung in drei Typen unterteilt. Während Typ I und Typ II in Anwendungen mit geringer Reibung zum Einsatz kommen, wird die Typ-III-Eloxierung (Harteloxierung) dort verwendet, wo die Anwendung eine ausreichende Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenhärte erfordert. Typ I ist eine Chromsäure-Eloxierung und weist eine Schichtdicke von 0,0001” auf. Was oft als Schwefelsäure-Eloxierung bezeichnet wird, entspricht in Nordamerika gemäß der Norm MIL-A-8625 dem Typ II; diese weist eine mittlere Schichtdicke von 1,8 μm bis 25 μm (0,00007″ bis 0,001″) auf.
Die Anodenschicht für Typ III kann eine Dicke zwischen 13 und 150 μm (0,0005″ bis 0,006″) aufweisen. Je dicker die Anodenschicht ist, desto besser ist die Beständigkeit gegen Korrosion, Abrieb und Verschleiß. Diese Eigenschaften weist blankes Aluminium möglicherweise nicht auf. Beim Harteloxieren wird die Aluminiumoberfläche mit einer ausreichend dicken Schicht aus Aluminiumoxid versehen. Der Prozess zur Verbesserung der Beschichtung umfasst jedoch eine Reihe von Verfahren, darunter auch Nachbehandlungen. Dieser Leitfaden behandelt den Prozess, die Eigenschaften und die konstruktiven Überlegungen beim Harteloxieren.
Was ist Harteloxieren?
Die Harteloxierung wird manchmal auch als Typ-III-Eloxierung oder einfach als Harteloxierung bezeichnet. Es handelt sich um ein elektrochemisches Umwandlungsverfahren, das in der Regel bei Aluminium angewendet wird und bei dem auf Aluminiumkomponenten eine harte, dicke Aluminiumoxidschicht entsteht.
Beim Hartanodisierungsverfahren wird das Aluminiumteil als Anode an die Gleichstromquelle angeschlossen und in eine Elektrolysezelle getaucht. Das zu anodisierende Teil wird an den Minuspol der Gleichstromquelle angeschlossen und dient als Kathode. Sobald die Gleichstromversorgung eingeschaltet wird, findet um das Aluminiumteil herum eine ionische Dissoziation statt, bei der Sauerstoffionen freigesetzt werden. Diese Ionen reagieren mit dem Aluminium im Elektrolyten und bilden eine Aluminiumoxidschicht. Die Reaktion verläuft kontinuierlich, wobei der Elektrolyt gleichzeitig einen Teil des Oxids auflöst. Die endgültige Reaktion führt zu einem Gleichgewicht zwischen der Oxidbildung und der chemischen Auflösung.
Diese Reaktion ist typisch für den normalen Anodisierungsprozess. Um eine Hartanodisierung zu erreichen, wird die Temperatur auf niedrigere Werte geregelt, während die Stromdichte so gesteuert wird, dass eine übermäßige chemische Auflösung verhindert wird. Im Ergebnis führt dieser Prozess zu einer stärkeren Bildung der Oxidschicht. Die Hartanodisierung unterscheidet sich im Wesentlichen von den anderen Anodisierungsarten durch die relativ höhere Chemikalienkonzentration. Zudem ist die Anodisierungsdauer bei der Hartanodisierung länger als bei Typ I und Typ II. Die Anodisierung vom Typ III lässt sich wie folgt zusammenfassen:;
- Aluminiumkomponente
- Vorbereitung der Oberfläche
- Saurer Elektrolyt
- Geregelter Gleichstrom
- Oxidwachstum
- Spülung
- Optionales Färben/Versiegeln
- Inspektion
Inwiefern unterscheidet sich die Typ-III-Eloxierung von der Typ-II-Eloxierung?
Um Fehler bei der Fertigung zu vermeiden, ist es wichtig, die Unterschiede zwischen den drei Arten der Eloxierung zu verstehen. Während bei Typ I Chromsäure als Elektrolyt verwendet wird, kommen sowohl bei Typ II als auch bei der Harteloxierung Schwefelsäure zum Einsatz. Die Klassifizierung und Unterscheidung zwischen Typ II und der Harteloxierung helfen dabei, die Konzentration des sauren Elektrolyts während des elektrochemischen Prozesses zu bestimmen. Die folgende Tabelle fasst die Unterschiede zwischen den beiden Anodisierungsverfahren zusammen.
| Merkmal | Typ-II-Eloxierung | Typ-III-Hartbeschichtung |
|---|---|---|
| Hauptzweck | Optik, Korrosionsschutz, allgemeiner Oberflächenschutz | Verschleiß, Abrieb, Haltbarkeit, technische Leistungsfähigkeit |
| Typische Schichtdicke | Etwa 1,8–25,4 µm in den AAC-Referenzdaten | Etwa 12,7–115 µm in den AAC-Referenzdaten |
| Oberflächenhärte | Höher als bei blankem Aluminium | Deutlich höher als bei blankem Aluminium |
| Verschleißfestigkeit | Mäßig | Hoch |
| Typisches Erscheinungsbild | Transparente, gefärbte und Metallic-Farben | Grau, dunkelgrau, bronzefarben, braun oder fast schwarz, je nach Legierung/Verfahren |
| Auswirkungen auf die Abmessungen | In der Regel relativ klein | Muss in den Entwurf integriert werden |
| Färben | Allgemein | Das ist möglich, aber die Farbpalette ist eingeschränkter. |
| Versiegeln | Typisch für Korrosions- und Farbstabilität | Anwendungsabhängig; bei Anwendungen mit extremem Verschleiß sollte auf eine Abdichtung verzichtet werden |
| Typische Anwendungsbereiche | Konsumgüter, Bauteile, Gehäuse | Gleitkomponenten, Zylinder, Kolben, Zahnräder, Werkzeuge, Bauteile für die Luft- und Raumfahrt |
Der Leistungsunterschied zwischen der Typ-II-Anodisierung und der Hartanodisierung ergibt sich aus der Beschaffenheit und Struktur des anodischen Oxids. Aluminiumoxid ist eine Keramik, die aus Aluminium und Sauerstoff besteht. Die Oxidschicht ist dick und porös und somit relativ härter als unbehandeltes Aluminium. Ingenieure interessieren sich jedoch nicht nur für die Härte. Vielmehr werden bei der Standard-Anodisierung weitere Parameter wie Verschleißfestigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit sowie Spannungs- und Ermüdungsfestigkeit berücksichtigt. Diese Parameter werden durch die richtige Auswahl von Aluminiumlegierungen, geeignete Berechnungen zur Lastverteilung, Schmiermittelanwendungen und die Steuerung der Oberflächenrauheit erreicht.
Was geschieht beim Harteloxieren?
Das Harteloxieren ist ein mehrstufiger Prozess, der zahlreiche Arbeitsschritte von der Materialvorbereitung bis hin zur Versiegelung umfasst, sofern diese erforderlich ist. Lassen Sie uns diese Prozesse Schritt für Schritt betrachten.
Kompletter Arbeitsablauf für die Harteloxierung, der die Vorbereitung der Werkstücke, die Reinigung und Entfettung, das Ätzen, das Entzundern, die Harteloxierung und das Spülen umfasst. Dabei entsteht eine gleichmäßige, dichte und verschleißfeste Hartoxidschicht mit kontrollierter Dicke.
- Vorbereitung der Oberflächenbehandlung
Vor dem Eloxiervorgang muss das Aluminiumteil bereits gefertigt worden sein. Unabhängig vom zur Herstellung des Teils verwendeten Fertigungsverfahren (einschließlich CNC-Bearbeitung) kann es Mängel aufweisen, die vor der Harteloxierung eine Reinigung und technische Behandlung erfordern. Mängel wie Werkzeugspuren, Bearbeitungsspuren, Grate und Verunreinigungen können auch nach dem Eloxieren bestehen bleiben. Das Eloxieren dient nicht dazu, diese Mängel zu beseitigen. Zu den Vorbereitungsmaßnahmen vor der Oberflächenbehandlung gehören unter anderem die Festlegung der Kanten- und Eckenbedingungen, die Bestimmung der erforderlichen Eloxalschichtdicke, die Festlegung der Maßtoleranzen für das Endprodukt sowie die Ermittlung der Anforderungen an Gewinde.
- Reinigung und Entfettung
Das Aluminiumteil weist nach den Fertigungsprozessen wahrscheinlich Verschmutzungen, Ölrückstände und Fingerabdrücke auf. Das Teil wird vor dem Eloxieren gereinigt, um diese Verunreinigungen zu entfernen. Ohne eine ordnungsgemäße Reinigung können Verunreinigungen zu Haftungsproblemen, ungleichmäßigem Oxidwachstum und Verfärbungen führen.
- Ätzen
Das Aluminiumteil wird vor dem Eloxieren einer alkalischen oder einer ähnlichen chemischen Behandlung unterzogen, um eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen. Durch das Ätzen wird die Oberflächenstruktur verändert und gleichzeitig eventuelle Materialrückstände entfernt.
- Entstauben
Beim Ätzen können chemische Reaktionen mit Aluminiumlegierungen wie Zink, Magnesium, Kupfer und Silizium zu unlöslichen Rückständen auf der Oberfläche führen. Durch das Entzundern werden diese Rückstände entfernt, wodurch eine saubere Oberfläche für die Eloxierung entsteht.
- Harteloxieren
Nach der Vorbereitung wird das Bauteil in ein Elektrolytbad getaucht und als Anode an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Der elektrochemische Prozess wird durch einen Prozessregler gesteuert, der die chemische Konzentration, die Temperatur, die Stromdichte, die Durchmischung und die Anodisierungszeit regelt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Anodisierung, bei der die Temperatur erhöht wird, erfolgt die Hartanodisierung bei einer niedrigeren Temperatur, wobei die Anodisierungszeit verlängert wird.
- Spülung
Nach dem Eloxieren folgt das Spülen, um Rückstände von Reaktionsprodukten und Elektrolyt zu entfernen. Das Spülen trägt dazu bei, Verfärbungen und korrosionsbedingte Mängel zu vermeiden.
Bei Bedarf können die Hersteller die Bauteile färben und versiegeln.
Welche Eigenschaften bietet die Harteloxierung?
Die Harteloxierung sorgt für Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Isolierung und Oberflächenbeständigkeit.
Abnutzungswiderstand
Die meisten technischen Anwendungen mit Maschinen und beweglichen Teilen sind durch Verschleiß gekennzeichnet, der durch das Zusammenwirken von Kontaktteilen entsteht. Eine gute technische Konstruktion muss die Verschleißfestigkeit berücksichtigen. Aluminium, ein aufgrund seines Gewichtsvorteils weit verbreitetes Metall, muss harteloxiert werden, um seine Verschleißfestigkeit zu verbessern. Dadurch werden die Aluminiumkomponenten abriebfester, bieten einen besseren Gleitkontakt und können besser an anderen Bauteilen reiben. Dank dieser Verschleißfestigkeit eignet sich eloxiertes Aluminium für den Einsatz in vielfältigen Bereichen, darunter Ventilkomponenten, Zylinder und Führungen.
Korrosionsbeständigkeit
Die Korrosion von Aluminium lässt sich verhindern, indem der direkte Kontakt der Aluminiumoberfläche mit der Betriebsumgebung vermieden wird. Aluminiumoxidschichten erfüllen diesen Zweck wirksam und bilden eine Schutzbarriere, die den strengen Prüfanforderungen gemäß ASTM B580 entspricht. [1]. Die Wirksamkeit des Korrosionsschutzes bei Aluminium hängt jedoch von der Schichtdicke, den Versiegelungsbedingungen, der Art der verwendeten Aluminiumlegierung und möglichen Defekten auf der Aluminiumoberfläche ab.
Elektrische Isolierung
Neben der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit verbessert Aluminiumoxid auch die elektrische Isolierung. Aluminiumoxid ist ein Isolator. Diese Oxidschicht verhindert den Stromfluss, der bei blankem Aluminium auftreten würde. Das Aluminiumoxid muss jedoch dick genug sein, um zu verhindern, dass die Durchbruchspannung die Beschichtung umgeht. Somit ist die durch Hartanodisierung gebildete dicke Oxidschicht ein wirksamer elektrischer Isolator.
Oberflächenbeständigkeit
Durch das Harteloxieren entsteht eine dicke Oberflächenbeschichtung, die Kratzer und andere Oberflächenbeschädigungen während des Betriebs und der Handhabung des Bauteils verringert. Diese dicke Beschichtung schützt das Bauteil jedoch nicht vor mechanischen Beschädigungen. Sehr hohe Kontaktbelastungen oder Stöße können die Oxidschicht des Bauteils aufbrechen und zu dessen Zerstörung führen.
Was sind die häufigsten Fehler bei der Harteloxierung?
Zu den häufigsten Mängeln, die bei der Hartanodisierung auftreten, gehören Verbrennungen, ungleichmäßige Schichtdicke, Farbabweichungen, Oberflächenfehler sowie Risse oder Sprödbruch.
Insbesondere beim Hartanodisieren bei hohen Temperaturen oder hoher Stromdichte kann es zu übermäßiger lokaler Erwärmung oder zu abnormalem Oxidwachstum kommen. Dieser Vorgang wird als „Brennen“ bezeichnet. „Brennen“ kann auch durch unzureichende Elektrolytzirkulation und geometriebedingte Stromkonzentration verursacht werden.
Uneinheitliche Dicke ist in der Regel auf die Geometrie des Bauteils, die Elektrolytzirkulation, die Stromverteilung und die lokale Wärmeentwicklung zurückzuführen. Manchmal können diese Effekte zu Oberflächenfehlern wie Bearbeitungsspuren, Einschlüssen und Kratzern führen.
Zwar wird eine dicke Eloxalschicht aufgrund ihrer Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit empfohlen, doch ist die dabei entstehende dicke Aluminiumoxidschicht spröde, insbesondere unter starker mechanischer Beanspruchung. Dies erfordert kontrollierte Konstruktions- und Fertigungsverfahren.
Wann sollten Ingenieure eine Harteloxierung anstelle einer Typ-II-Eloxierung wählen?
Im Allgemeinen entscheiden sich Ingenieure für die Harteloxierung, wenn die Oberflächenbeständigkeit die wichtigste technische Anforderung ist. Zu den weiteren Anforderungen zählen eine höhere Abriebfestigkeit, eine größere Oberflächenhärte, elektrische Isolierung und Gleitverschleißfestigkeit. Darüber hinaus wird Typ III bevorzugt, wenn Ingenieure eine relativ dicke Schutzschicht aus Oxid erzielen möchten, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Im Grunde streben sie ein Bauteil mit langer Lebensdauer in einer Betriebsumgebung an, in der es wiederholt Kontakt aussetzt.
Andererseits würden Ingenieure Typ II wählen, wenn Farbe, Optik, geringere Auswirkungen auf die Abmessungen und allgemeiner Korrosionsschutz im Vordergrund stehen. Man denke beispielsweise an ein Aluminiumgehäuse, das Feuchtigkeit und Fingerabdrücken ausgesetzt ist. Bei diesem Bauteil sind keine besonderen Anforderungen an die Belastbarkeit zu berücksichtigen. In der Praxis würden sich Ingenieure für eine Typ-II-Eloxierung entscheiden. Ist dasselbe Bauteil jedoch einer Betriebsumgebung ausgesetzt, in der ein Stahlgleitmechanismus daran entlangläuft, ist ein verstärkter Korrosionsschutz erforderlich. In diesem Fall würden sich Ingenieure für eine Harteloxierung entscheiden.
Referenz
[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) Norm für anodische Oxidbeschichtungen auf Aluminium. ASTM-Normendatenbank. https://www.astm.org/b0580-79r19.html
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