DE4213535C1 - Anodising aluminium@ and magnesium@ surfaces - by constantly increasing current to predetermined max. value and holding at this value so that ratio of charge in 1st stage to 2nd stage is approximately 0.5 - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anodischen Oxidation, insbesondere zur Erzeugung einer Oxidschicht auf Werkstücken aus Aluminium- oder Magnesiumwerk­ stoffen als Vorbehandlung für eine nachfolgende Klebung oder Beschichtung, bei dem das zu beschichtende Werk­ stück mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle verbunden und in ein den elektrischen Strom leitendes schwefelsäurehaltiges Bad eingebracht wird und bei dem zwischen dem Werkstück und einer Gegenelektrode ein elektrischer Strom fließt, dessen Stromdichte von Null ansteigend zunächst kontinuierlich erhöht wird und anschließend für eine vorgegebene Zeitdauer annähernd konstant gehalten wird.

Ein derartiges Verfahren stellt einen Sonderfall des sogenannten Eloxalverfahrens dar, das der Erzeugung eines Überzuges aus Aluminiumoxid auf einem Werkstück aus Aluminium oder dessen Legierungen dient und bei dem das zu beschichtende Werkstück als Anode geschaltet und in einem Bad aus verdünnter Schwefelsäure zusammen mit einer metallischen Kathode an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird. Der beim Stromdurchgang freiwerden­ de Sauerstoff verbindet sich beim Eloxieren mit dem Aluminium zu Aluminiumoxid, das die Werkstückoberfläche als Film überzieht. Ein ähnliches Verfahren wird auch bei Werkstücken aus Magnesium und dessen Legierungen angewandt. Hier dient es dem Zweck, das Werkstück durch eine möglichst robuste, undurchlässige Oxidhaut gegen Umgebungseinflüsse, insbesondere gegen Korrosion in feuchten Umgebungen, zu schützen.

In der Luft- und Raumfahrttechnik wird das Anodisieren seit einigen Jahren dazu verwendet, die Oberfläche von Werkstücken aus Aluminiumwerkstoffen, die anschließend miteinander verklebt oder die mit einer organischen, metallischen oder anorganischen Beschichtung versehen werden sollen, für diesen Prozeß vorzubereiten. Anders als bei dem vorangehend beschriebenen Eloxieren dient hier die auf der Werkstückoberfläche erzeugte Oxidhaut dazu, die Adhäsionseigenschaften der Werkstückober­ fläche zu erhöhen. Deshalb ist es bei diesem Anwendungs­ fall besonders wichtig, eine möglichst weiche, dünne und vor allem porige Oxidschicht zu erzeugen, da durch sie die wirksame Oberfläche vergrößert und somit eine möglichst große Zahl aktiver Zentren für die Ausbildung von adhäsiven Bindungen zur Verfügung gestellt wird.

In der Fachwelt wurde bisher davon ausgegangen, daß für die Herstellung solcher Oxidfilme das Eloxierverfahren entsprechend der obigen Beschreibung ungeeignet sei, da die mit diesem Verfahren erzeugbaren Oxidschichten solchen Anforderungen nicht genügten. Stattdessen wurden Werkstücke aus Aluminiumwerkstoffen vor dem Verkleben oder Beschichten in der Regel in einem Chrom­ säurebad anodisiert und mit einer Oxidhaut versehen.

Demgegenüber ist aus der EP 04 05 624 A2 ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei dem ein solches Eloxierverfahren auch zur Vorbehandlung von miteinander zu verklebenden Oberflächen eingesetzt wird und bei dem die Anodisierung in einem Bad erfolgt, das aus einer Mischung von Schwefel- und Borsäure erfolgt und bei dem die angelegte Spannung zunächst kontinuier­ lich von 5 Volt auf einen Wert von 15 bis 20 Volt erhöht wird und anschließend bis zum Erreichen einer vorgegebenen Schichtdicke konstant gehalten wird. Daneben sind aus der US 48 59 288 sowie der US 47 84 732 Anodisierverfahren zur Erzeugung von Oxidschichten auf Aluminiumoberflächen bekannt, bei denen die Stromdichte zunächst bis zum Erreichen eines vorgegebenen Maximalwertes kontinuierlich erhöht und anschließend bei diesem Maximalwert konstant gehalten wird. Als Elektrolyten werden dabei entweder schwefel- oder phosphorsäurehaltige Lösungen verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich eine für die nachfolgende Weiterverarbeitung optimale Oberflächenmorphologie ausbildet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin liegt, daß sich mit ihm eine ähnliche Oberflächenbeschaffenheit erzielen läßt wie mit Hilfe des Chromsäure-Anodisierens, daß es aber sowohl im Hinblick auf die Umwelt als auch in wirtschaftlicher Hinsicht wesentlich günstiger durchzuführen ist als dieses. Die mit dem Verfahren nach der Erfindung herzu­ stellende Oxidschicht erweist sich dabei als optimal bezüglich der Eigenschaften Haftfestigkeit, Duktilität, Dicke, Betriebsfestigkeit sowie Korrosionsbeständig­ keit. Ferner kann dieses Verfahren in idealer Weise dem jeweils zu bearbeitenden Werkstoff angepaßt werden. In den weiteren Patentansprüchen sind die für die Durch­ führung des Verfahrens nach der Erfindung als optimal erkannten Prozeßparameter angegeben.

Es hat sich dabei in überraschender Weise gezeigt, daß für die Ausbildung einer optimalen Oxidstruktur auf der Werkstückoberfläche das Verhältnis der Ladungsmenge, die während der Anstiegsphase der Stromdichte ausge­ tauscht wird, zu der Ladungsmenge, die während der Phase annähernd konstanter Stromdichte ausgetauscht wird, von besonderer Bedeutung ist. Bezeichnet man die erstere Ladungsmenge mit A, die letztere mit B, so wird bei einem Ladungsverhältnis A/B von etwa 1/2 und einer Gesamtladung von etwa 400 Amperesekunden, bezogen auf einen Quadratdezimeter Werkstückoberfläche, die Struktur der Oxidgrenzfläche extrem feinporig und führt dadurch zu einer außerordentlich guten Haftfestigkeit einer nachfolgenden Beschichtung auf der Werkstückober­ fläche.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, wobei das in der Figur dargestellte Stromdichte-Zeit- Diagramm den zeitlichen Ablauf des Anodisiervorganges wiedergeben soll.

Das für eine nachfolgende Klebung oder Beschichtung, beispielsweise mit einer organischen Substanz, vorzu­ bereitende Werkstück aus einem Aluminiumwerkstoff wird zunächst einem Reinigungs- und Aktivierungsschritt mit einem handelsüblichen Reinigungsmittel sowie einem oxidierenden sauren Bad, beispielsweise aus Salpeter­ säure (HNO₃), unterzogen. Anschließend wird das Werk­ stück in ein Bad aus verdünnter Schwefelsäure mit einer Konzentration zwischen etwa 100 und 400 g/l, im vor­ liegenden Fall etwa 200 g/l, gelegt und mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle verbunden. Als Kathode dient eine Elektrode aus Reinaluminium, Bleich oder aus einem hochlegierten Stahl. Die Badtemperatur liegt bei etwa 35°C.

Die Stromstärke wird nun derart geregelt, daß die anodische Stromdichte, von Null ausgehend, kontinuier­ lich bis zu einem Grenzwert ansteigt, der, je nach der angestrebten Beschaffenheit und Dicke der Oxidschicht, zwischen etwa 0,4 und 1 Ampere/Quadratdezimeter (A/dm²), vorzugsweise bei etwa 0,5 bis 0,8 A/dm², liegt. Die sich dann einstellende Schichtdicke liegt, je nach dem gewählten Profil des in der Figur schematisch dargestellten Stromdichte-Zeit-Diagramms, zwischen etwa 0,5 und 3 Mikrometern. Die mit A und B bezeichneten Flächen unter der Kurve, die den zeitlichen Verlauf der Stromdichte wiedergibt, repräsentieren dabei jeweils die in der Zeit t₁ und t₂-t₁ insgesamt umgesetzten Ladungsmengen. Wählt man für die während der Anstiegszeit und während der Zeit konstanter Stromdichte ausgetauschten Ladungsmengen A und B ein Verhältnis A/B=1/2, so ergibt sich bei einer insgesamt umgesetzten Ladungsmenge von etwa 400 Amperesekunden eine Prozeßdauer in der Größenordnung von etwa 20 Minuten. Die Oxidschicht weist dann ein hohes Porenvolumen und damit eine Anzahl aktiver Zentren für die Ausbildung adhäsiver Bindungen auf, die wesentlich größer ist als bei Oxidschichten, die mit einer Chromsäure-Anodisierverfahren erzeugt werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es dabei auch möglich, das genannte und in der Figur dargestellte Stromdichte- Zeit-Profil durch ein vorgegebenes Spannungs-Zeit- Profil zu ersetzen, das den jeweiligen Konzentrations- und Temperaturbedingungen des Säurebades angepaßt ist und das auf die Aluminiumlegierung abgestimmt ist, aus der das zu bearbeitende Werkstück gefertigt wurde.

Claims (4)

1. Verfahren zur anodischen Oxidation, insbesondere zur Erzeugung einer Oxidschicht auf Werkstücken aus Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffen als Vorbehand­ lung für eine nachfolgende Klebung oder Beschich­ tung, bei dem das zu beschichtende Werkstück mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle verbunden und in ein den elektrischen Strom leitendes schwefelsäurehaltiges Bad eingebracht wird und bei dem zwischen dem Werkstück und einer Gegenelektrode ein elektrischer Strom fließt, dessen Stromdichte von Null ansteigend zunächst kontinuierlich erhöht wird und anschließend für eine vorgegebene Zeit­ dauer annähernd konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in ein Schwefel­ säurebad eingebracht wird, daß das Verhältnis der während der Anstiegszeit der Stromdichte und der während der nachfolgenden Zeit annähernd konstanter Stromdichte ausgetauschten elektrischen Ladungs­ mengen (A, B) etwa A/B=0,5 beträgt und daß die maximale Stromdichte zwischen 0,4 und 1 A/dm² liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Stromdichte 0,5 A/dm² beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Schwefel­ säurebades-etwa 35°C beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Schwefel­ säure etwa 200 g/l beträgt.