Beim Hart-Coat-Verfahren der AHC Oberflächentechnik GmbH handelt es sich um eine klassische Anodisation, die bei relativ niedrigen Temperaturen eines Säure-Elektrolyten durchgeführt wird. Dadurch lassen sich auf Aluminium-Bauteilen im Vergleich zu gewöhnlichen Eloxal-Schichten hohe Schichthärten erzielen.
Exklusiv in KEM Der Autor Jürgen Diesing ist Leiter Marketing bei der AHC Oberflächentechnik GmbH in Kerpen
Bei der Auswahl von Konstruktionswerkstoffen geht der Trend schon seit geraumer Zeit hin zu den Leichtmetallen. Die Gründe liegen auf der Hand: Gewichtseinsparung bedeutet vor allem Energieeinsparung durch geringere träge Massen, die bewegt werden müssen. Je mehr Leichtmetall-Legierungen in neue Anwendungsbereiche vorstoßen, desto mehr steigen aber auch die Anforderungen hinsichtlich des Verschleißschutzes und des Korrosionsschutzes. Ein Beispiel bilden Biokraftstoff-führende Teile aus Aluminium im Automobil, die ohne einen geeigneten Oberflächenschutz korrodieren würden. Berücksichtigt man hierzu noch die Forderung nach der Recyclefähigkeit der verwendeten Grundwerkstoffe, so stellen hartanodische Beschichtungen von Aluminium-Legierungen ideale Oberflächenbehandlungen dar.
Diese Verfahren erzeugen nämlich so genannte Konversionsschichten, die sich durch Aufnahme von Sauerstoff auf elektrolytischen Wege aus dem jeweiligen Grundwerkstoff aufbauen. Es wird eine äußere Stromquelle verwendet, wobei das zu beschichtende Werkstück als Anode geschaltet ist. Die Konversionsschichten wachsen teilweise in das Metall hinein. Die Oberfläche des jeweiligen Werkstoffes wird in entsprechende Oxide umgewandelt. Solche anodischen Schichten lassen sich nur auf sperrschichtbildenden Metallen erzeugen, zu denen Aluminium zählt.
Hohe Schichthärten auf Aluminium-Bauteilen
In diesem Beitrag wird auf das sogenannte hartanodische Verfahren Hart-Coat der AHC Oberflächentechnik GmbH eingegangen. Dabei handelt es sich um eine klassische Anodisation, die bei relativ niedrigen Temperaturen eines Säure-Elektrolyten durchgeführt wird. Dadurch werden im Vergleich zu gewöhnlichen Eloxal-Schichten hohe Schichthärten auf Aluminium-Bauteilen erzielt, weshalb man von hartanodischer Beschichtung oder auch von Harteloxal spricht. Grundsätzlich wird der Grundwerkstoff an der Grenzfläche Elektrolyt-Metall in Aluminiumionen umgewandelt, die sich mit dem durch Elektrolytzersetzung gebildeten Sauerstoff zu Aluminiumoxid verbinden. Die Hart-Coat-Schicht ist amorph mit regelmäßiger Porenanordnung. Als Konversionsschicht weist sie eine sehr hohe Haftfestigkeit auf.
Die zu beschichtenden Aluminium-Werkstücke werden auf spezielle Titan- oder Aluminiumgestelle geklemmt, wobei ein guter elektrischer Kontakt wichtig ist. Werkstückoberflächen, die nur teilweise beschichtet zu werden brauchen, können auf den nicht zu bearbeitenden Flächen abgedeckt werden. Hierzu finden unter anderem Gummi- und Kunststoffstopfen, Gummischläuche, Klebebänder oder porendicht aufgetragene Lackschichten Verwendung. Ob es kostengünstiger ist, Werkstückoberflächen vollständig oder nur teilweise zu behandeln, hängt von verschiedenen Faktoren ab, die im Einzelfall zu klären sind.
Die Anodisation wird wesentlich von der Elektrolytzusammensetzung, der Temperatur, dem Elektrodenpotenzial (Badspannung) und der chemischen Zusammensetzung des zu beschichtenden Werkstücks beeinflusst. Während der Anodisation wachsen regelmäßige Zellen – vorwiegend aus amorphem γ-Aluminiumoxid – senkrecht zur Aluminiumoberfläche auf. Jede Zelle hat eine Pore, deren Volumen und Durchmesser sehr viel geringer sind als bei Schichten, die mit herkömmlichen Anodisationsverfahren erzeugt wurden.
Die Poren einer Hart-Coat-Schicht haben einen Durchmesser von etwa 50 nm. In den Zellwänden sind naturgemäß nichtlösliche Legierungspartner vollständig und lösliche Legierungspartner zum Teil eingebaut. Je nach Art des Basiswerkstoffes und den angewandten Verfahrensparametern werden daher Porosität, Härte und andere Eigenschaften der Hart-Coat-Schicht beeinflusst.
Im Verlaufe einer Hart-Coat-Beschichtung wird die Werkstückoberfläche aufgeraut. Die Stärke der Aufrauung ist abhängig von Zusammensetzung und Struktur des Grundmaterials sowie von der Qualität der zuvor durchgeführten mechanischen Vorbearbeitung. Eine unsachgemäße Vorbearbeitung kann die Aufrauung unnötig vergrößern.
Sind nach der Hart-Coat-Behandlung Rauheitswerte von Rz < 4 µm erwünscht, so ist ein mechanisches Nachbearbeiten durch Schleifen, Läppen oder Honen unbedingt erforderlich. Im Gegensatz dazu zeichnet sich die Hart-Coat-Verfahrensvariante HC-GL durch eine besonders geringe Aufrauung aus, die je nach verwendetem Substrat zwischen etwa 1 und 2 µm liegt. Bei hoher Ausgangsrauigkeit ist die Zunahme geringer.
Bessere Verschleißfestigkeit
Die Härte der Schicht ist von Zusammensetzung und Struktur des Grundmaterials abhängig und liegt etwa bei der Legierung AlMgSi1 mit einer Schichtdicke von 30 bis 50 µm im Bereich von 450 bis 480 HV0,025. Bedingt durch die spezifische Ausbildung der Oxidschicht wird die sogenannte Scheinhärte gemessen, die maßgeblich von dem Volumen der vorliegenden Poren sowie den Legierungsbestandteilen beeinflusst wird. Untersuchungen mit dem sogenannten Taber-Abraser zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen das Verschleißverhalten der Hart-Coat-Schicht besser ist als das von gehärtetem Stahl. HC-GL-Schichten zeigen eine noch bessere Verschleißfestigkeit.
Die verfahrensbedingten Poren in der Hart-Coat-Schicht lassen sich im Rahmen einer Nachbehandlung nutzen. Der Verschluss der Poren, beispielsweise durch Heißwassernachverdichtung, erhöht die Korrosionsschutzwirkung der Oberflächenschicht. Die Einlagerung von PTFE-Partikeln (Imprägnierung) verbessert die Gleiteigenschaften der Oberflächenschicht. Bis zu einem gewissen Grad können die dekorativen Eigenschaften der Oberflächenschicht durch die Einlagerung von Farbstoffen (absorptiv, elektrolytisch) optimiert werden.
Ansonsten wird die Farbgebung einer Hart-Coat-Schicht durch die Schichtdicke, das verwendete Grundmaterial und dessen Struktur beeinflusst: Bei kupferhaltigen Legierungen tendiert die Farbgebung von grüngrau bis dunkelgrau, bei anderen Aluminium-Legierungen geht der Farbbereich eher von graubraun bis schwarz.
Eine typische Anwendung der Hart-Coat-Oberflächenveredelung, bei der es um Korrosionsschutz geht, ist die Beschichtung eines Aluminiumguss-Gehäuses. Ein bedeutender Hersteller von Komponenten und Systeme für Druckluft- und Druckgastechnik hat eigens für ölfreie Kondensate aus Gasverdichtern Kondensatableiter entwickelt, die ein speziell oberflächenveredeltes Aluminiumgehäuse aus der Gusslegierung AlSi10Mg besitzen. Vor den sehr korrosiv wirkenden Kondensaten schützt eine 50 µm dicke, speziell nachverdichtete Aluminiumoxidschicht, die nach dem Hart-Coat-Verfahren erzeugt wird.
Halle 3, Stand C59 AHC Oberflächentechnik, Tel.: 02237 502-0, E-Mail: info@ahc-surface.com
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