Untersuchung von Technologien zur Behandlung von Aluminiumoberflächen durch Analyse der Porositätshomogenität und der Verschleißfestigkeitswerte.

Die Verschleißfestigkeit von eloxiertem Aluminium ist eine wichtige Eigenschaft, die oft für Materialeigenschaften und Qualitätskontrolle erforderlich ist.

Seit der Veröffentlichung des Militärstandards MIL-A-8625 – Anodische Beschichtungen für Aluminium und Aluminiumlegierungen im Jahr 1953 ist dies mit 4.5.5 die wichtigste Anodisierungsspezifikation (hauptsächlich in den USA verwendet). Abschnitt 1.1.1.1 definiert, wie die Verschleißfestigkeit von elektrolytisch gebildeten harten anodischen Oxidationsbeschichtungen quantifiziert wird. Das als „Taber-Test“ bekannte Verfahren ist die anerkannte Testmethode zum Testen, zur Prozesskontrolle, zum vergleichenden Ranking oder zur Korrelation mit der Leistung des Endbenutzers. 

Allerdings wurden diese Testprinzipien in unserem Land noch nicht entwickelt und getestet, und es wurde auch noch keine Literatur in ungarischer Sprache erstellt. Ziel der Forschung ist die praktische Anwendung und Überprüfung der Methode.

Für Teile, die eine verschleißfeste Oberfläche erfordern, verlangt die MIL-Spezifikation einen maximalen Taber-Verschleißindexwert von 1,5 mg/1000 Zyklen für Klasse III. für hartbeschichtete Aluminiumoberflächen des Typs 2 oder 3,5 mg/1000 Zyklen für Legierungen mit >2 % Cu. Anwendungsbeispiele: Kolben, Zylinder, hydraulische Antriebe, Ventile, Gleitteile, Gelenkmechanismen, Nocken, Zahnräder, Drehgelenke, Isolierplatten, Explosionsschutzschilde usw.

Das Untersuchungsprinzip ist das sog. Laut Taber-Schleifgerät, das durch eine Kombination aus Rollen und Reiben Abrieb auf der Oberfläche der Probe erzeugt. Ein flacher Testabschnitt mit einer Seitenlänge von etwa 100 mm und einem Loch in der Mitte wird auf einer Drehtischplattform montiert, die sich mit einer festen Geschwindigkeit um eine vertikale Achse dreht. Vor jedem Versuch werden zwei Schleifscheiben mit einer Scheibe bestückt. Die Schleifscheiben werden mit einer Last von 1000 Gramm pro Scheibe auf die Oberfläche der Probe abgesenkt. 
Der charakteristische Verschleißeffekt entsteht durch den Kontakt des Prüflings mit der Gleitrotation der beiden Schleifscheiben. Während sich der Drehtisch dreht, werden die Räder in die entgegengesetzte Richtung des Testabschnitts um eine horizontale Achse bewegt, die tangential zur Achse der Probe ist, während ein Vakuumsystem während des Tests lose Rückstände entfernt. Die entstehenden Abnutzungsspuren bilden ein Muster aus sich kreuzenden Bögen in einem kreisförmigen Band und bedecken eine Fläche von etwa 30 cm². Der Verschleiß wird als kumulativer Massenverlust oder Massenverlust pro tausend Verschleißzyklen (Taber-Verschleißindex) definiert. Je niedriger der Verschleißindex, desto besser ist die Verschleißfestigkeit des Materials.
Die Verschleißfestigkeit harter anodischer Beschichtungen kann durch Faktoren wie Testbedingungen, Art des Schleifmittels, Druck zwischen dem Teststück und dem Schleifmittel, Legierungszusammensetzung, Beschichtungsdicke und Anodisierungs- oder Versiegelungsbedingungen oder beides beeinflusst werden.

Folgende wichtige Fragen ergaben sich im Zuge der Recherche bzw. stellen wir die gegebenen Antworten dar:

• Müssen Proben konditioniert werden?

Bei den Tests wurde festgestellt, dass die Proben NICHT konditioniert, d. h. für eine bestimmte Zeit bei einer festen Temperatur gehalten werden müssen.

• Wie oft sollten Schleifscheiben nachgeschliffen werden?

Bei der Durchführung des Taber-Tests kann es je nach der Klebeeigenschaft des von der Probe abgeriebenen Materials zu einer Verstopfung der Schleifräder kommen. Dies kann die Verschleißeigenschaften der Räder verändern und die Testergebnisse erheblich beeinflussen. Um diese Abweichung zu verringern, wird empfohlen, die Oberfläche der Räder vor jedem Test neu zu schleifen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schleifscheiben den Anforderungen entsprechen und dass eventuell bei vorherigen Prüfungen anhaftender Schmutz von der Scheibenoberfläche entfernt wird. Die Einhaltung der geforderten Neuabdeckung verursachte jedoch erhebliche zusätzliche Kosten für den Test und erhöhte den Masseverlust der Probe. Dieser Mangel wurde 2019 in der Norm behoben und mit folgendem Hinweis ergänzt: „Anorganische Beschichtungen erfordern kein Abdecken der Schleifscheibe nach jeweils 500 Prüfzyklen.“

• Wie kann die Probe die Testergebnisse beeinflussen?

Um ein gleichmäßiges Verschleißmuster zu erzeugen, müssen die Musteroberflächen zunächst flach und parallel sein.
Zweitens kann es bei unzureichender Plattendicke zu einer Verbiegung der Platte durch die Eloxalbeschichtung kommen. Bei falscher Griffposition kann es zu ungleichmäßigem Verschleiß kommen und die Probe muss verworfen werden. Die in der Norm festgelegte minimale nominale Probendicke beträgt 1,6 mm. 
Drittens kann das Bohren oder Stanzen des Mittellochs zur Bildung eines kleinen Grates führen, der vor der Montage der Probe entfernt werden muss. 
Viertens müssen die Proben frei von allen Fremdstoffen, Oxiden und Verunreinigungen wie Fetten, Ölen, Farben und Schweißflüssigkeiten sein. Entfernen Sie vor dem Eloxieren Oxide und andere störende Schichten mit einem geeigneten Reinigungsverfahren. Während der gesamten Vorbehandlung, Eloxierung und Nachbehandlung sollten die Proben an den Kanten angefasst werden, um Verunreinigungen und mechanische Beschädigungen zu vermeiden.

• Wie kann sich der Anodisierungsprozess auf die Testergebnisse auswirken?

Die Eigenschaften und Merkmale harter anodischer Oxidationsschichten können sowohl durch die Legierung als auch durch das Herstellungsverfahren maßgeblich beeinflusst werden. Zu den zu beachtenden Faktoren zählen Vorbehandlung, Temperatur des Elektrolytbads, Badbewegung, Stromdichte, Badchemie, Zeit in Lösung und Verarbeitungsunterschiede (Tanks, Gestelle, Probenabstand von den Kathoden usw.).
Durch Harteloxieren wird die Schichtdicke auf jeder Oberfläche typischerweise um etwa 50 % vergrößert. Die Schichtdicke von Eloxalschichten liegt häufig zwischen 8 μm und 150 μm; Bei Verschleißanwendungen liegt die normale Dicke jedoch normalerweise zwischen 40 μm und 60 μm. Die Außenfläche der anodischen Beschichtung kann weicher oder weniger dicht sein, was während der ersten 1000 Verschleißzyklen zu einem größeren Masseverlust führen kann als in den restlichen Zyklen. „Die anodische Beschichtung hat eine bekannte mikrozelluläre Struktur, die aus feinen Poren besteht. Ihre Dichte kann je nach Dicke variieren. Die Oberflächenschicht ist poröser und weicher als die innere Schicht. 
Die Abriebfestigkeit wird üblicherweise an einer unversiegelten anodischen Oxidationsbeschichtung gemessen. Während die Korrosionsbeständigkeit oft durch eine Versiegelung der Beschichtung erhöht wird, wurde beobachtet, dass eine Versiegelung oder Lackierung die Verschleißbeständigkeit um mehr als 50 % verringern kann!

Testen

Unmittelbar nach dem Abriebtest mit 10.000 Zyklen und nach einer Wartezeit von 1 Stunde wurde ein Gewichtsverlust festgestellt. Die folgenden Daten fassen die mit Methode A erzielten Ergebnisse zusammen (Boxplot wird für Legierung 6061 angezeigt):

Test Typ B: Ziel dieses Tests war es, festzustellen, ob die Außenfläche der eloxierten Probe weicher oder weniger dicht war. 
Bei zwei verschiedenen Legierungen (2024 und 7075) war der anfängliche Verschleißmassenverlust nach 1000 Zyklen jeweils höher als der durchschnittliche Verschleißindex für die verbleibenden Verschleißzyklen.
 

Entwicklung der Oberflächenvorbereitungs- und Eloxierungstechnologie, Bestimmung des technologischen Fensters.

Eloxieren (anodische Oxidation) ist ein Verfahren zur Behandlung von Metalloberflächen, bei dem Aluminiumoberflächen mit einer harten, verschleißfesten, korrosionsbeständigen und dennoch farbechten und ästhetischen Schicht versehen werden. Der Kern des Verfahrens besteht darin, dass Aluminium als Anode (Pluspol) in eine verdünnte Säure (etwa Phosphorsäure, Oxalsäure, Schwefelsäure oder Chromsäure) geschaltet wird und es zur Wasserspaltung kommt. An der Anode wird Sauerstoff freigesetzt, während an der Kathode Wasserstoff entsteht. Der Vorteil der so gebildeten Oxidschicht liegt darin, dass diese aus dem Grundmetall selbst abgeschieden wird, anders als beispielsweise bei der Galvanisierung, bei der ein weiteres Überzugsmetall auf dem Gegenstand haftet. Einerseits bestimmt die Dicke der Oxidschicht die endgültige Farbe des Objekts, die durch die Stärke des elektrischen Stroms oder die Einwirkzeit gesteuert werden kann.
Europäische Normen schreiben hier eine Standardschichtdicke von 5-10-15-20-25 µm vor. Eine dickere Schichtdicke von 30-35 µm kann durch sogenanntes Harteloxieren erreicht werden.
Die Art des Oberflächenschutzes richtet sich in der Regel nach dem Einsatzgebiet, den auftretenden Beanspruchungen, der Funktion des Werkstücks, den Werkstoffeigenschaften und weiteren Gegebenheiten.
Turkish Machinery Ltd. beschäftigt sich seit 2015 mit der Oberflächenbehandlung und Eloxierung von Aluminium. Der Einführung der neuen Dienstleistung gingen mehrere Jahre Forschungs-/Entwicklungstätigkeit voraus, da die einzuführenden Technologien – wie etwa die vollautomatische, auf Kranbahnen basierende Produktionslinie speziell für die Behandlung von Aluminium (Natur-, Farb- und Harteloxieren) – in unserem Land bislang nicht verfügbar waren, nicht einmal auf dem Niveau der Fachliteratur. Es gab einige Fabriken, die jedoch manuell betrieben wurden. Gleichzeitig ist zur Erzielung optimaler und reproduzierbarer Qualität die Einhaltung strenger Produktions- und Chemikalienparameter unerlässlich: sekundengenaue Zykluszeiten, Kontrolle der Parameter auf Dezimalbasis (Strom, Spannung, pH-Wert, Leitfähigkeit, Badtemperaturen, statistische Prozesskontrolle der Chemikalien usw.). 
 

Der strikte Qualitätsansatz und das Engagement des Unternehmens für den Schutz unserer Umwelt stellten auch für die Design-/Baufachleute eine Herausforderung dar. Bundesweit einzigartig ist auch das entwickelte Abwasserreinigungssystem zur Behandlung der im Betrieb anfallenden Abwässer. 

Die Hauptschwierigkeit beim Eloxieren besteht darin, dass der Prozess stark vom Rohmaterial und Schwankungen der technologischen Parameter abhängig ist. Im Vergleich zu anderen ähnlichen Oberflächenbehandlungsverfahren wird die Schicht hier aus dem Grundmaterial selbst gebildet, die Schichtbildung wird also von allen Legierungselementen des Grundmetalls beeinflusst. Daher haben Verunreinigungen, die im Grundmetall vorhanden sind oder während der Produktion in das Material eingebracht werden, einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts. Daher muss im Produktionssystem besonderes Augenmerk darauf gelegt werden, die technologisch wichtigen Parameter zu überwachen und in engen Grenzen zu halten.

Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Gewährleistung einer angemessenen Oberflächenqualität ein ebenso wichtiger Aspekt beim Eloxieren ist, da sich die Oxidschicht auf der Oberfläche des Materials bildet und somit deutlich erkennbar ist, dass ein Zusammenhang zwischen der Qualität von Roh- und Eloxaloberflächen besteht. Daher ist eine ordnungsgemäße mechanische oder chemische Konditionierung der Werkstücke unerlässlich, um die erwartete Qualität zu erreichen.

Bei diesen Verfahren lassen sich zwei Hauptgruppen unterscheiden:

Mechanische Vorbereitung:

• Schleifen
• Trovalisierung
• Glasperlenstrahlen
• Quarzsandstrahlen

Es wurden Kreuzprobentests durchgeführt, um die Auswirkungen verschiedener Oberflächenvorbereitungsverfahren auf die Anodisierungsqualität, insbesondere für unterschiedliche Materialqualitäten, zu ermitteln. Die Studie umfasste auch Änderungen der Schichtdicke und Änderungen der Sichtbarkeit von Schnittspuren (Werkzeugpfaden).

Mechanische Prozesse

Alle mechanischen Vorbereitungen verändern die Homogenität der Oberfläche stark, da mechanische Vorbehandlungen meist drastische Veränderungen der Oberfläche bewirken. Weitere Tests zeigten zudem, dass sich Quarzsand für jegliche Oberflächenvorbereitungsarbeiten besonders schlecht eignet, da sich beim Sandstrahlen SiO2-Partikel in der Oberfläche festsetzen können und so eine hochwertige Eloxierung verhindert wird. Als Strahlmittel zur Oberflächenbearbeitung eignen sich Glasperlen, mit denen sich ein besonders homogenes Strahlbild und eine ausreichende Oberflächenqualität erzielen lässt.
Zu beachten ist, dass auch unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten Einfluss auf die Ergebnisse der Schichtmessung haben und die Messwerte gängiger Wirbelstrommessgeräte deutlich verändern.
Als Fazit lässt sich ziehen, dass das Basisnormal des Messgerätes ein Material mit der gleichen Oberflächenbeschaffenheit wie das zu messende Werkstück sein sollte, da nur so konstante und genaue Schichtdickenwerte gemessen werden können.

Chemische Vorbehandlung

Chemische Vorbehandlungen wie Natriumhydroxidbäder, Säurebeizen und Wasserstoffperoxidbleichen sind beim Eloxieren allgemein üblich.
Natriumhydroxid reagiert relativ heftig mit Aluminium (Bildung des Natrium-[Tetrahydroxoaluminat(III)]-Komplexions). Seine Eigenschaften werden durch die Verwendung eines Tauchbadverfahrens ausgenutzt, um Aluminiumteile zu homogenisieren und die Sichtbarkeit von Oberflächendefekten, Kratzern und Schnittspuren zu reduzieren. Bei den Versuchen reagierten bestimmte Rohstoffe mit einer starken Oxidationsreaktion auf das Bad. Zudem neigt Natronlauge dazu, Toleranzen (Löcher) und Gewinde auszufräsen, so dass bei bestimmten Rohstoffen diese Methode mit der gebotenen Vorsicht angewendet werden muss.
Bei den Tests, bei denen nur die Oxidationsneigung untersucht wurde, wurden folgende Werte festgestellt:

Man kann sagen, dass bestimmte Rohstoffe heftig auf eine chemische Vorbehandlung reagieren, daher ist es bei Werkstücken aus dieser Materialqualität notwendig, den Arbeitsgang in engen Grenzen zu halten oder sogar ganz darauf zu verzichten.
Das chemische Bleichen ist die letzte Prozessphase vor dem Eloxieren. Mit seiner Anwendung können auf Rohmetall verbleibende Oxidrückstände erfolgreich gelöst werden, sofern alle Vorbehandlungsschritte auf das jeweilige Rohmaterial abgestimmt sind.  Vollständige Oxidfreiheit ist die Grundlage für eine ordnungsgemäße Eloxierung; Eine verunreinigte Oberfläche kann nach dem Eloxieren fleckig und inhomogen bleiben. In der folgenden Tabelle sind die für die Desoxidation benötigten Zeiten für unterschiedliche Materialqualitäten zusammengefasst.
 

Die nach der Analyse der Daten beobachteten Zusammenhänge sind eindeutig: Die vollständige Desoxidation oxidationsanfälliger Metalle dauert selbst nach leichter Oberflächenoxidation deutlich länger. Darüber hinaus führt der vollständige Abbau hartnäckigerer Verschmutzungen zu einer Verringerung der Produktivität aufgrund längerer Betriebszeiten.

Fazit:

Aufgrund des hohen Legierungsgehalts der meisten Automobilkomponenten sind bei der Oberflächenvorbereitung sorgfältig ausgewählte Arbeitsschritte erforderlich, um die entsprechende Qualität zu erreichen. Die strukturierte Oberflächenvorbereitung, die Beseitigung von Schnittspuren und die Homogenisierung des Materials stellen Fertigungs- und Oberflächenbehandlungsbetriebe vor Herausforderungen. Durch die Wahl der richtigen Technologie für den Rohstoff kann jedoch die gewünschte Qualität erreicht werden.