Verfahren und Vorrichtung zur anodischen Oxydation von Aluminium und dessen Legierungen Für die anodische Oxydation des Aluminiums sind verschiedene Verfahren bekannt.
Am einfachsten und am meisten angewandt wird das Verfahren mit Gleich strom in einem Schwefel-, Oxal- oder Chromsäureelek- trolyten. Die in Schwefelsäure erzeugten Oxidschichten sind auf den meisten Aluminiumlegierungen farblos und durchsichtig. Neuerdings wurde zur Erzeugung von eigenfarbigen Oxidschichten die Verwendung von ver schiedenen anderen Elektrolyten, z. B. Aminoschwefel- säure, Sulfosalicylsäure und andere organische polybasi sche, Sulfo- und Oxysäuren vorgeschlagen.
Alle diese Verfahren bieten aber gewisse Schwierigkeiten. Mit Ausnahme von Schwefel- und Chromsäure benötigen diese Elektrolyte für die Oxydation eine relativ grosse Spannung und deshalb einen hohen Energieaufwand, insbesondere bei der auch schon vorgeschlagenen An wendung von Wechselstrom, Wellenstrom oder unterbro chenem Gleichstrom. Sie sind gegen Temperaturände rungen sehr empfindlich; die genaue Wiedergabe der Farbtöne zeigt Schwierigkeiten, und das Farbenspektrum ist sehr eingeschränkt. Wenn ferner Elektrolyte mit geringem Lösungsvermögen für das Aluminiumoxid an gewendet werden müssen, z. B. für Formierschichten auf Elektroden von Elektrolytkondensatoren, steigt die For- mierspannung erheblich.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anodischen Oxydation von Aluminium und dessen Legierungen unter Verwendung eines durch Wechselstrom modulier ten Gleichstromes in einem Stromkreis, in welchen das Oxydationsbad eingeschaltet ist, und ist dadurch gekenn zeichnet, dass die Eigenfrequenz des Stromkreises durch Änderung seiner Induktanz- und/oder Kapazitanzwerte in bezug auf die Frequenz der Wechselstromkomponente des modulierten Stromes eingestellt wird.
Es besteht nämlich zwischen Frequenz f, Induktanz L und Kapazi- tanz C des Stromkreises die Beziehung
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so dass man es in der Hand hat, durch Änderung von L und/oder C die Frequenz des Stromkreises nach Bedarf in bezug auf die Wechselstromkomponente des modulierten Stromes zu regeln Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Eigenfrequenz des Stromkreises innerhalb eines Bereiches von 20%,
vorzugsweise 10 % oder noch besser 5 % der Frequenz der Wechselstromkomponente des modulierten Stromes eingestellt wird. Wenn die Eigenfrequenz genau der Frequenz der Wechselstromkomponente entspricht, ist der spezifische Stromverbrauch am niedrigsten.
Beid seits dieses Optimums gibt es einen Bereich, in, welchem immer noch eine bedeutende Stromersparnis erzielt wird, wie dies unten an Hand des Beispiels gezeigt wird. In diesem Bereich lassen sich verschiedene reproduzierbare Farbnuancen erzeugen.
Die Erfindung betrifft ferner einen Stromkreis zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine veränderbare Kapazitanz und/oder Induktanz besitzt.
Die Erfindung ermöglicht eine erhebliche Herabset zung des Verbrauches an elektrischer Energie, ferner gestattet sie, im Vergleich zu den bis heute bekannten Verfahren, eine beträchtliche Spannungsreduktion bei gleicher Stromstärke oder die Anwendung einer höheren Stromstärke bei gleicher Spannung.
Das Verfahren ermöglicht auch, wenn eigenfarbige Oxidschichten erzeugt werden sollen, eine genauere Reproduzierbarkeit der Farbtöne der Oxidschichten als die bekannten Verfahren, sei es auf reinem Aluminium oder auf Legierungen. Mit diesem Verfahren sind auch verschiedene Nuancen einer Farbe auf der gleichen Aluminiumlegierung, oder die gleiche Nuance auf ver schiedenen Legierungen mit dem gleichen Oxydations bad gleichzeitig im gleichen oder in getrennten Behäl tern erzeugbar.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die bessere Temperaturunempfindlichkeit. Temperaturänderungen des Oxydationsbades von 5 C, haben praktisch keinen Einfluss auf die Eigenschaften der Oxidschicht. Bekannte Verfahren zur Erzeugung von eigenfarbenen Oxidschichten verlangen die Einhaltung eines Temper- turintervalles von 1 C. Ausserdem ist die Wärmeent wicklung durch Joule-Effekt geringer als bei den bis jetzt gebrauchten Oxydationsverfahren, so dass auch die Kühlung der Bäder erheblich vereinfacht wird.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 ist das Diagramm eines zur anodischen Oxydation verwendeten Stromes, und Fig. 2-5 zeigen Ausführungsbeispiele von Schaltsche mas.
In Fig. 1 ist a die Spannungskurve und b die Stromstärkekurve eines modulierten Stromes, wobei die Stromstärkekurve b gegenüber der Spannungskurve a phasenverschoben ist und eine asymmetrische Form aufweist.
Die Phasenverschiebung soll möglichst klein sein, so dass Resonanz innerhalb des erwähnten Berei- ches von 20 % auftritt. Die Asymmetrie kann auch eine andere Form aufweisen, aber die dargestellte Form ist diejenige, welche die besten Resultate ergeben hat, d. h.
die Stromkurve soll jeweils langsam ansteigen und dann rasch abfallen mit einem abgerundeten Übergang; sie darf nicht eine Sägezahnform (mit scharfen Spitzen) aufweisen.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Schaltschemas umfassen eine Gleichstromquelle 1 und eine Wechsel stromquelle 6, welche unabhängig voneinander regulier bar sind und den Modulations- und Resonanzkreis N N' N" N"', in welchem der modulierte Oxydationsstrom fliesst, speisen.
Die Gleichstromquelle 1, deren Spannung regulier bar ist, kann durch einen Gleichstromgenerator beliebi ger Art gebildet werden und ist über eine Induktionsspu le 5, die den Durchgang des Wechselstromes durch die Gleichstromquelle sperrt mit den Resonanzkreis N N' N" N"' verbunden.
Die Wechselstromquelle 6 ist entweder das normale Wechselstromnetz mit 50 Hz oder ein Wechselstromge nerator beliebiger Art, welcher die gewünschte, beliebige Frequenz geben kann. Sie ist über den regulierbaren Transformator 7, mit welchem die alternative Spannung eingestellt werden kann, und gegebenenfalls einen zu sätzlichen Transformator 8 mit dem Resonanzkreis N N' N" N"' verbunden, indem die Sekundärwicklung des Transformators 8 (in Fig. 2), bzw. 7 (in Fig. 3) Bestandteil des Resonanzkreises N N' N" N"' ist.
Der Resonanzkreis enthält einen Kondensator 4, eine Induktionsspule 2, wobei das eine oder beide regulierbar sind, und ferner das Oxydationsbad 3, in den Schemas der Fig. 2 und 3 sind der Kondensator 4, die Induktionsspule 2 und das Bad 3 in Serie geschaltet, so dass Spannungsresonanz vorliegt.
Dem Resonanzkreis ist die Gleichstromquelle paral lel zum Kondensator 4 angeschlossen.
In den Schemas sind noch die notwendigen Messin- strumente, d. h. die Amperemeter A und die Voltmeter V dargestellt.
Durch die beschriebene Anordnung entsteht im Resonanzkreis ein modulierter Gleichstrom, dessen Mit- telspannung durch Regulierung der Gleichstromkompo nente und dessen Modulationsgrad durch Regulierung der Wechselstromkomponente eingestellt werden kön nen. Als Modulationsgrad wird das prozentuale Verhält nis zwischen der Wechselstrom- und der Gleichstrom komponente verstanden.
Es besteht die Möglichkeit, an den Stellen I und 1I in den Resonanzkreis N N' N" N"' weitere Kreise mit weiteren Oxydationsbädern in Serie oder parallel einzu- schalten. In jedem abgezweigten Kreis kann der Modula- tionsgrad gegenüber demjenigen im Kreis N N' N" N"' verändert werden. Fig. 4 zeigt beispielsweise einen solchen abgezweigten, an den Stellen I und II anschliess- baren Kreis.
Dieser Kreis besitzt einen regulierbaren Ohni schen Widerstand 9, mit welchem auch die Strom dichte im Bad 3' verändert werden kann.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche Schaltung, in welcher im Resonanzkreis die veränderliche Induktions spule 2 und der Kondensator parallel geschaltet sind. Es findet dann Stromresonanz statt. In diesem Fall muss aber noch ein zusätzlicher Ohm'scher Widerstand 10 in Serie mit der Spule 2 angeordnet sein. Die weiteren Bezugsziffern haben dieselbe Bedeutung wie bei den Fig. 2und3.
Die Eigenschaften der in ein und demselben Oxyda tionselektrolyten erzeugten Oxydschicht, insbesondere deren Färbung und auch deren Porosität können mit dem erfindungsgemässen Verfahren auf einfache Weise durch Variation der Stromdichte und durch Wahl eines geeigneten Modulationsgrades in der gewünschten Richtung verändert werden, wobei der geeignete Modu- lationsgrad je nach Elektrolyt und zu anodisierendem Werkstoff variieren kann.
Die Einsparung an elektrischer Energie mit dem erfindungsgemässen Verfahren ergibt sich aus folgendem Beispiel: Die anodische Oxydation von Reinaluminium in einem Bad, das pro Liter 100 g Sulfaminsäure, 80 g Weinsäure und 3 g Schwefelsäure enthält, mit einem Gleichstrom von 3 A/dm2 während 30 min bei 30 C benötigt 60 Wh/dm2 zum Aufbau einer Schicht von 27 <I>,um,</I> d. h.
2,2 Wh/dm2,cz. Im gleichen Bad, während der gleichen Zeit und bei gleicher Temperatur, braucht man mit einem modulierten Gleichstrom (Modulations- grad 41%) für die gleiche Schichtdicke nur 26 Wh/dm2, d. h.
0,96 Wh/dm21c. Dabei kann man mit einer um 18 % niedrigeren Spannung arbeiten als bei unmodulier- tem Gleichstrom, was eine Energieersparnis von ca. 50 0/0 gestattet. In anderen Fällen. kann diese Span nungsreduktion noch grösser sein. Bei Bädern anderer Zusammensetzung kann infolge anderer elektrischer Eigenschaften des Bades der geringste Energiebedarf bei anderen Werten des Modulationsgrades liegen.
Die Veränderung der verschiedenen elektrischen Faktoren des Verfahrens ergibt eine grosse Regulations- möglichkeit, die es gestattet, im gleichen Bad oder in verschiedenen Bädern gleiche oder verschiedene Alumi niumlegierungen zu verarbeiten und dabei nach Wunsch gleiche oder verschiedene Farbnuancen zu erzeugen, indem die zu oxydierenden Gegenstände in verschiedene Stromkreise eingeschaltet werden, die nach Wunsch separat reguliert werden können, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben ist.
Ausserdem ist es auch möglich, ohne Zunahme der Arbeitsspannung, nur mit einer Veränderung des Modu- lationsgrades und der Frequenz, die Oxydationsge schwindigkeit zu erhöhen. Man kann dann eine gleich dicke Oxydschicht in kürzerer Zeit erzeugen. Das wird sehr nützlich sein, z. B. für die Durchlauf-Oxydation von Drähten und Bändern. Z.
B. beträgt im oben erwähnten Elektrolyten bei 53V Arbeitsspannung und 30 min Arbeistzeit die mittlere Zunahme der Oxydschicht mit Gleichstrom 0,63,um/min. Bei nur 36,5 V Arbeits spannung und Verwendung von moduliertem Gleichstrom (41 %) steigt diese Zunahme auf 0,83,um/min. Dabei ist im ersteren Fall der Elektrizitätsverbrauch 2,42 Wh/dm2 und im zweiten Fall, d. h.
mit dem modulier ten Gleichstrom, nur 1,04 für 1 ,um Schichtdicke, d. h. mit einer Energieeinsparung von ungefähr 60 %.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht nur für die anodische Oxydation für dekorative Zwecke wirt schaftlich und vorteilhaft, sondern auch in Fällen, in denen eine dünne oder auch eine dicke Oxidschicht mit hohem Isolationsvermögen gewünscht wird, z. B. für elektrische Kondensatoren.