Grundprinzip des Eloxierens

Auf Aluminium bildet sich in Kontakt mit Sauerstoff eine dünne, aber dichte Oxidschicht, die das Aluminiummetall unter normalen Umgebungsbedingungen gegen weitere Oxidation schützt. Bei einer Dicke zwischen etwa 5 nm und 20 nm ist die Schicht zudem vollkommen transparent (d. h. unsichtbar) und bewahrt dadurch den metallischen Charakter des Aluminiums. Die Oxidschicht schützt das Metall vor Oxidation durch Sauerstoff und in einem pH-Bereich zwischen etwa pH 4 und pH 9 gegen Korrosion – deshalb ist das Metall unter normalen Umgebungsbedingungen relativ beständig. Allerdings führen Bestandteile wie Salz (Natriumchlorid) oder Schwefeldioxid zu Korrosionserscheinungen, weshalb Aluminium in Meeresnähe oder unter rauen Industriebedingungen Korrosionsangriffe zeigt. Vor allem aber ist die sehr dünne natürliche Oxidschicht nicht in der Lage, Aluminium gegen Verschleiß zu schützen.

Die natürliche Oxidschicht auf Aluminium kann durch die elektrochemische Behandlung der anodischen Oxidation verstärkt werden. Dabei wird das Aluminium in einem Elektrolyten (z. B. Schwefelsäure oder Oxalsäure) als Anode in einem Gleichstromkreislauf geschaltet. Hierbei wird aus dem wasserhaltigen Elektrolyten an der Aluminiumoberfläche Sauerstoff erzeugt. Dieser reagiert direkt an der Oberfläche mit dem Metall (das durch den Stromfluss in reaktionsfähige Aluminiumionen überführt wird) zu Aluminiumoxid. Es erfolgt also eine direkte Umwandlung der Oberfläche in Aluminiumoxid. Auch komplexe Geometrien erhalten so eine nahezu gleichmäßig dicke Aluminiumoxidschicht. Die Oxidschicht besitzt verfahrensbedingt direkt nach der Erzeugung Mikroporen. Durch ein abschließendes Verdichten bzw. Versiegeln (engl. Sealing) lassen sich die Poren verschließen, um eine kompakte, weitgehend aus Aluminiumhydroxid bestehende Schicht zu erzeugen. Die anodisch erzeugte Oxidschicht besitzt eine wesentlich bessere Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß. Zudem ist die durch Anodisieren erzeugte Oxidschicht ein guter elektrischer Isolator mit Durchschlagsfestigkeiten von etwa 900 V bei einer Dicke der Eloxalschicht von 30 µm.

Materialauswahl

Je reiner das Material ist, desto besser sind die Eloxalergebnisse. Im Bereich der Außenarchitektur finden somit gerne Reinaluminium oder nur gering legierte Materialien Verwendung. In Luftfahrt, Maschinenbau oder der Fahrzeugtechnik sind diese „weichen“ Aluminiumsorten allerdings nicht einzusetzen. Um die geforderten Material- oder Bearbeitungseigenschaften zu erzielen, werden unterschiedliche Legierungskomponenten beigefügt, die den Anodisationsprozess teilweise erheblich beeinflussen oder gar stören. Die am meisten verbreiteten Zusätze sind:

• Kupfer, z. B. AlCuMgPb (EN-AW 2007), ist beim Eloxieren stark löslich
• Silizium, z. B. AlMgSi1 (EN-AW 6082), wird nicht gelöst, sondern mit eingebaut
• Magnesium, Zink und Mangan, z. B. AlZnMgCu1,5 (EN-AW 7075), werden herausgelöst.

Diese eingebauten Elemente führen teilweise zu Fehlstellen in der Oxidschicht; die sich lösenden Elemente erhöhen stark die Rücklösung, worunter die Schichtqualität merklich leidet. Es ist wichtig, die Legierung exakt auf die mechanische Anwendung und die zu erzielenden Schichteigenschaften abzustimmen, wobei die Legierungsempfehlungen des Eloxalbetriebes zu beachten sind.

Vorbehandlung

Zunächst werden die Aluminiumteile vorbehandelt, d. h. entfettet und gebeizt. Um eine gleichmäßige Oberfläche zu erhalten, wird meist zunächst basisch (mit auf Natronlauge basierenden Laugen) gebeizt, anschließend sauer (mit Salpetersäure oder Flusssäure). Die zur Anwendung kommenden Beizmittel und -bedingungen sind von den Eigenschaften des Werkstoffs, wie beispielsweise der Art der Beimischungen von Fremdmetallen in einer Legierung, abhängig. Beim Beizen wird auch die dünne, natürliche Oxidschicht entfernt. Durch die Anwendung längerer Prozesszeiten kann bei geeignetem Grundmaterial ein sehr dekoratives Beiz-Finish erzeugt werden. Diese genormte Optik (E6) ist in der Außenarchitektur praktisch der Standard. Bei der Eloxierung feinmechanischer Komponenten sind die hierfür benötigten langen Beizzeiten nicht praktikabel, da diese die Maßhaltigkeit zerstören. Die dabei entstehenden aluminiumhaltigen Säuren (Aluminiumnitrat-Lösung) und Laugen (Natriumaluminat-Lösung) sind Sekundärrohstoffe und werden in den industriellen Al-Kreislauf zurückgeführt. In einigen Eloxal-Anlagen werden sie auch neutralisiert und der dabei entstehende Aluminiumhydroxid-Filterkuchen ebenfalls als Al-Rohstoff verwertet.

Das Eloxieren

Nach der Oberflächen-Vorbehandlung erfolgt das eigentliche Eloxieren. Zuweilen wird dann die frische poröse Schicht mit Farbstoffen gefärbt, und schließlich folgt das Verdichten, üblicherweise einfach mit heißem Wasser oder Dampf. Es gibt auch die Möglichkeit des chemischen Verdichtens, das meist in Kombination mit Dampfverdichtern eingesetzt wird.

Das Eloxal-Verfahren bedient sich der Elektrolyse. Die Kathode (negative Elektrode) zerlegt das in der Säure enthaltene Oxonium (H₃O⁺) in Wasserstoff und Wasser. Der Wasserstoff wird frei.

${\displaystyle \mathrm {6\ H_{3}O^{+}+6\ e^{-}\to 3\ H_{2}+6\ H_{2}O} }$

An der Anode (positive Elektrode) findet die Oxidation (1) von Aluminium zu Aluminium(III)-Ionen statt und anschließend die Weiterreaktion zu Aluminium(III)-oxid (2). Die Säure wird nur zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet und ist an der Reaktion nicht beteiligt.

1. ${\displaystyle \mathrm {2\ Al\to 2\ Al^{3+}+6\ e^{-}} }$
2. ${\displaystyle \mathrm {2\ Al^{3+}+9\ H_{2}O\to Al_{2}O_{3}+6\ H_{3}O^{+}} }$

Die Gesamtreaktion kann wie folgt beschrieben werden:

${\displaystyle \mathrm {2\ Al+3H_{2}O\to Al_{2}O_{3}+3\ H_{2}} }$

Das elektrolytische Verfahren wird üblicherweise mittels Gleichstrom (im Folgenden betrachtet) in Schwefelsäure- oder Oxalsäure-Elektrolyten durchgeführt. Es kann aber auch mit Wechselstrom (z. B. WX-Verfahren) oder mit Hilfe einer Verbindung beider Stromarten durchgeführt werden.

Bei der Gleichstromvariante wird das Aluminium als Anode geschaltet; man nennt daher das Verfahren auch Anodisieren. Die Gegenelektrode besteht meistens aus einem Material, das vom Elektrolyten nicht angegriffen wird. Die Oxidation von Aluminium mit dem Eloxal-Verfahren kann auf drei Arten vorgenommen werden:

1. Eintauchverfahren in ruhenden Bädern: die Werkstücke werden ganz oder teilweise in das Oxidationsbad eingetaucht; die Stromquelle ist am Werkstück und an der im Bad tauchenden Gegenelektrode befestigt.
2. Spritzverfahren: das Werkstück und eine bewegliche Düse, aus der der Elektrolyt austritt, werden an die Stromquelle angeschlossen.
3. Durchlaufverfahren in ruhenden Bädern: Drähte, Bänder u. ä. werden durch das Oxidationsbad gezogen; die Stromquelle ist wie bei 1. angeschlossen.

Eloxiertes und anschließend gefärbtes Aluminium sollte möglichst im zweistufigen Versiegelungsverfahren behandelt werden, um ein Ausbluten der Farbstoffe zu vermeiden. Stufe 1 im Nickelacetatbad 15 Min. bei 60 °C. Stufe 2 im Heißwasserbad 3 Min./µm Schichtdicke.

Die erzeugten Schichten können hart, mittelhart und weich sein. Dies hängt von den Oxidationsbedingungen ab. Die Oxidationsbedingungen, die Wahl des Elektrolyten und dessen Zusätze haben auf die Güte und Art der Schicht Einfluss. Somit ist man in der Lage, die Schicht dem jeweiligen technischen Verwendungszweck anzupassen.

Arbeitsschutz

Beim Eloxieren können die Beschäftigten gegenüber Gefahrstoffen exponiert sein. Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung müssen die am Arbeitsplatz auftretenden Gefahrstoffe ermittelt und entsprechende Schutzmaßnahmen festgelegt werden. Die DGUV-Information 213-716 der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung gibt Verfahrensweise und Schutzmaßnahmen beim Eloxieren an, sodass für Stoffe mit Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) dessen Einhaltung sichergestellt ist. Für Stoffe ohne AGW ist der Stand der Technik dokumentiert.

Schichtbildungsvorgänge

Die Schichtbildungsvorgänge werden beeinflusst durch die:

• Wahl des Elektrolyten, seine Konzentration und Temperatur
• Stromart (Gleichstrom, Wechselstrom)
• elektrische Stromdichte
• Spannung und Dauer der Behandlung

Starken Einfluss üben auch Temperaturveränderungen aus. Die Dauer der Behandlung hängt direkt mit der Schichtdicke zusammen. In den Elektrolyten werden manchmal Zusätze gemischt, welche auf die Zusammensetzung der Oxidschichten einwirken. Der Grundstoff der Schicht bleibt jedoch immer Aluminiumoxid. Durch Zusätze zum Elektrolyt können die Eigenschaften der Schicht verändert werden (Verbesserung der Beständigkeit, des Aussehens und so weiter). Da die Schicht aus Aluminiumoxid besteht, leitet sie im Gegensatz zu Aluminium den elektrischen Strom nicht.

Härte

Durch das Eloxieren lassen sich Härten zwischen 200 und 350 HV erreichen. Durch Harteloxalverfahren können dickere Schichten mit höherer Sprödigkeit erzeugt werden, die Härten bis zu 600 HV erreichen.

Schichtwachstum in die Tiefe

Die Schicht ist feinkristallin, weist jedoch unzählige Poren auf. Deshalb ist die Schicht in der Lage, Flüssigkeiten „aufzusaugen“, was für das Wachstum der Oxidschicht notwendig ist, denn für das weitere Wachstum der Schicht muss der Elektrolyt an die innere Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid und Aluminium vordringen, wo die Oxidation des Aluminiums stattfindet. Auf diese Weise ist die Schicht sehr gut mit dem Aluminium über chemische Bindungen „vernetzt“, was sich unter anderem in einer hohen Haftfestigkeit der Schicht zeigt. Die Oxidschicht wächst daher von der Oberfläche aus in das Metall hinein, das heißt, die Grenzfläche von Aluminiumoxid und Aluminium liegt somit innerhalb des ursprünglichen Metalls.

Der Grund für die porige Oberfläche

Die anfänglich gebildete Sperrschicht isoliert. Dies hat zur Folge, dass der Widerstand der Anode steigt. Damit steigt die für die Reaktion benötigte Spannung. Das führt dazu, dass die vom Elektrolyt angegriffenen Stellen der Oxidschicht durchschlagen werden. Aufgrund der fehlenden oder nur dünnen Oxidschicht steigt die Stromdichte stellenweise an, was zu einer lokalen Erwärmung führt. An den wärmeren Stellen wird die Oxidschicht verstärkt aufgelöst, es bilden sich Vertiefungen. Die Kanäle ermöglichen einen Ladungsaustausch mit dem Elektrolyten und werden deshalb durch ihn offen gehalten. Die umliegende Oxidschicht wächst weiter, die Kanäle bleiben, und es bildet sich eine poröse Struktur aus.

Elektrische Leitfähigkeit

Eloxalschichten sind elektrische Nichtleiter. Das leitende Aluminium wird durch das Eloxieren zum Nichtleiter. Die Isolationsfähigkeit ist stark abhängig von der Legierung, der Schichtdicke und den Beschichtungsparametern. In den günstigsten Fällen sind Isolationswerte bis zu knapp 1000 Volt erreichbar, wobei der Wert vom angewandten Messverfahren abhängig ist. Messverfahren können mit der Berücksichtigung der Norm ISO 2376 durchgeführt werden. Allfällige Kratzer und Abnutzung an der Oberfläche können den Isolationswert hemmen oder ganz zunichtemachen.

Anwendung des Adsorptionsvermögens

Unbehandelte Eloxal-Schichten sind also saugfähig, was zur Folge hat, dass sich der Korrosionswiderstand gegenüber flüssigen Mitteln verkleinert. Die Schichten können jedoch verschlossen werden, indem sie mit vor Korrosion schützenden Stoffen oder mit Isolierstoffen behandelt werden (Wachs, Emaillierlack, Isolierlack und so weiter). Die häufigste technische Anwendung des Adsorptionsvermögens ist das Färben der Eloxal-Schichten. Diese sind imstande, große Mengen von Farbstoffen aus Lösungen aufzunehmen.

Färben der Oxidschichten

Verdichten

Um die Einlagerung von korrosionsfördernden Stoffen zu verhindern, müssen die Poren verdichtet werden. Das eloxierte und eventuell gefärbte Aluminium wird in demineralisiertem Wasser durch einfaches Kochen verdichtet. Dabei kommt es zu einer Reaktion zwischen dem Aluminiumoxid und Wasser, es bildet sich Aluminium-Oxid-Hydroxid (Böhmit). Des Weiteren kommt es durch die Wasseraufnahme zu einer Volumenzunahme, so dass die Poren (genauer der Porenhals) verengt und dann geschlossen werden.

Nachträgliches Entfernen der Eloxalschicht

Häufig wird die 5 µm bis 25 µm dicke Eloxalschicht durch spanende Verfahren wie Drehen oder Fräsen oder durch thermische Bearbeitung mittels Laser entfernt. Diese Nachbearbeitung erfordert einen Zusatzaufwand in Bezug auf Maschinen, Logistik und Arbeitsplanung. Die Teile müssen fixiert werden und es ist eine relativ präzise Bearbeitung nötig, wenn zusätzlich zur Eloxalschicht nicht auch ein Teil des Grundmaterials entfernt werden soll. Vor allem dünnwandige oder komplex geformte Teile können problematisch sein und zu einem Anstieg der Fehlerquote führen. Bei der spanenden Bearbeitung können Grate auftreten, die eine Nachbearbeitung erforderlich machen.

Herstellung eines Kontaktpunktes ohne Eloxalschicht