DE10149928C1

DE10149928C1 - Verfahren zum Glänzen von Aluminium und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10149928C1
Application number: DE10149928A
Authority: DE
Inventors: Michael Beier-Korbmacher; Adam Jankowski
Original assignee: WKW Erbsloeh Automotive GmbH
Current assignee: WKW Engineering GmbH
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: CN1412352A; US20030127338A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Werkstück in einem wässrigen Elektrolyten durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung geglänzt wird, wobei der Elektrolyt pro Liter Wasser die folgende Zusammensetzung aufweist: DOLLAR A H¶2¶SO¶4¶ (Schwefelsäure) 85-340 g/l, DOLLAR A H¶3¶PO¶4¶ (Phosphorsäure 850-1360 g/l, DOLLAR A Al (Aluminium) 8,5-43 g/l.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Oberflä chenbehandlung von Werkstücken aus Aluminium und Aluminiumle gierungen und betrifft ein elektrolytisches Glänzverfahren.

Es ist bekannt die Oberfläche von Aluminium und dessen Legie rungen durch elektrolytisches Glänzen zu bearbeiten. Hierbei wird das zu glänzende Werkstück in einen wässrigen Elektroly ten eingetaucht, der sich zumeist in einem stählernen Behälter befindet. Das Werkstück wird dabei mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden. Ist der Behälter für den Elektroly ten elektrisch leitfähig, wird dieser häufig mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden. Alternativ werden Kupfer- oder Kohlekathoden in den Elektrolyten getaucht. An der Ober fläche des Werkstücks werden durch den elektrischen Strom elektrochemische Reaktionen ausgelöst, in deren Folge das Alu minium bzw. dessen Legierungen in Lösung gehen. Durch die Bil dung einer schlecht leitenden, viskosen Flüssigkeitsschicht mit hoher Aluminiumsalzkonzentration werden durch den elektri schen Strom in erster Linie die Spitzen, Erhebungen und Unre gelmäßigkeiten der Oberfläche angegriffen und durch Lösung ab getragen. Durch die Abtragung der Erhöhungen wird insgesamt eine Glättung der Oberfläche, sowie eine damit einher gehende Verbesserung der Reflexions- bzw. Glänzeigenschaften des Werk stücks bewirkt.

Zum elektrolytischen Glänzen von Aluminium werden gebräuchlich drei Verfahren verwendet - das Brytal-Verfahren, das Alzak- Verfahren und das Phosphorsäure/Schwefelsäure-Verfahren (siehe beispielsweise Hübner, Speiser "Praxis der anodischen Oxidati on des Aluminiums", Aluminium-Verlag Düsseldorf, 4. Auflage 1988).

Beim Brytal-Verfahren, welches sich hauptsächlich zur Behand lung von Gegenständen aus Aluminium sehr hoher Reinheit eig net, wird als Elektrolyt eine Lösung aus Na₂CO₃ (kalzinierte Soda) und Na₃PO₄ (Trinatriumphosphat) in entionisiertem Wasser eingesetzt. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit kann dem Elektroly ten auch NaOH (Ätznatron) beigemengt werden. Zur Behandlung eingesetzte typische Stromdichten liegen im Bereich von 3,5-8 A/dm². Je nach Legierung und gewünschtem Effekt liegt die Be handlungstemperatur im Bereich von 70-95°C. Die Behandlungs dauer liegt zwischen 1 und 12 Minuten und beträgt zumeist 6 Minuten. Dieses Verfahren wird meist für Kleinreflektoren und Schmuckwaren angewendet.

Beim Alzak-Verfahren, das sich auch zur Behandlung von Alumi nium minderer Reinheit eignet, wird als Elektrolyt eine Lösung von Borfluorwasserstoffsäure in destilliertem oder entioni siertem Wasser verwendet. Von geringer praktischer Bedeutung sind Varianten, bei denen eine Lösung von Chromsäure oder Schwefelsäure und Flußsäure in Wasser eingesetzt wird. Die zur Behandlung eingesetzte Stromdichte liegt zumeist im Bereich von 1,1-2,1 A/dm². Die Behandlungstemperatur liegt im Bereich von 26-35°C. Die Behandlungsdauer liegt zwischen 5 und 15 Minuten. Dieses Verfahren wird meist für Klein- und Großre flektoren und Schmuckwaren angewendet.

Das Phosphorsäure/Schwefelsäure-Verfahren schließlich, ist ein universell einzusetzendes Glänzverfahren, da auch bei Alumini um minderer Qualität und den meisten Legierungen sehr gute bis befriedigende Glanzeffekte erzielt werden können. Ferner ist dieses Verfahren in wirtschaftlicher Hinsicht den anderen ge nannten Verfahren vorzuziehen. Hierbei wird als Elektrolyt ei ne Lösung aus konz. H₂SO₄ (Schwefelsäure), konz. H₃PO₄ (Phos phorsäure) und HNO₃ (Salpetersäure) eingesetzt. Ferner wird dem Elektrolyten Al (Aluminium) in geringer Menge beigemengt. Ty pisch wird ein Elektrolyt verwendet, der 70 Vol.-% H₂SO₄, 15 Vol.-% H₃PO₄, 0,5-10 Vol.-% HNO₃ und 15 Vol.-% Wasser ent hält. Die Stromdichte zur Behandlung liegt im allgemeinen zwi schen 10 und 15 A/dm². Die Behandlungstemperatur beträgt ty pisch 75-85°C. Die Behandlungszeit liegt typisch zwischen 2 und 15 Minuten. Für spiegelnde Oberflächen ist dieses Phos phorsäure/Schwefelsäure-Verfahren allerdings nicht geeignet.

Ausgehend von den im Stand der Technik bekannten Glänzverfah ren wäre es also wünschenswert über ein Glänzverfahren zu ver fügen, das bei Aluminium und Aluminiumlegierungen möglichst universell einsetzbar ist und mit dem ein hoher Glanzgrad, insbesondere zur Fertigung spiegelnder Oberflächen, erzielt werden kann. Ferner soll ein solches Verfahren wirtschaftlich durchzuführen sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile der im Stand der Technik bekannten Glänzverfahren zu überwinden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung angegeben, bei dem das Werkstück in einem wässrigen Elektrolyten durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung geglänzt wird, wobei der Elektro lyt, pro Liter Wasser, die folgende Zusammensetzung aufweist:

H₂SO₄ (Schwefelsäure)	85-340 g/l,
H₃PO₄ (Phosphorsäure)	850-1360 g/l,
Al (Aluminium)	8,5-43 g/l.

In überraschender Weise hat sich gezeigt, dass durch das er findungsgemäße Verfahren bei Aluminium und dessen Legierungen im Vergleich zu dem herkömmlichen Schwefelsäure/Phosphorsäure- Verfahren eine Steigerung im Glanzgrad um ca. 20-30% er reicht werden kann. Der erzielte Glanzgrad kommt hierbei in vorteilhafter Weise dem sehr hohen Glanzgrad von Chrom nahe - ohne dass jedoch dessen gravierende Nachteile in fertigungs technischer und ökologischer Hinsicht aufgrund der mit Chrom verbundenen giftigen Dämpfe und umweltbelastenden Abwässer in Kauf genommen werden müssen. Darüber hinaus sind hochglänzen des Aluminium und Aluminiumlegierungen durch die künstlich er zeugte Oxidschicht vor dem weiteren, unkontrollierten Ox idieren an Luft geschützt und deshalb im Vergleich zu Chrom wesentlich pflegeleichter. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum Erzielen des hohen Glanzgrads bei Aluminium und des sen Legierungen auf den Einsatz zusätzlicher Glanzbildner, wie Alkohole, Nitrate und Fluoride, verzichtet werden kann. Dies vermeidet die ansonsten auftretende Bildung von gesundheits schädlichen nitrosen Gasen beim Glänzen.

Der Elektrolyt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist gegen über dem im Stand der Technik verwendeten Elektrolyten des Schwefelsäure/Phosphorsäure-Verfahrens eine erheblich geringe re Konzentration an Schwefelsäure, Aluminium und Wasser, sowie eine wesentlich höhere Konzentration an Phosphorsäure auf. Auf den Einsatz von Salpetersäure wird gänzlich verzichtet. In vorteilhafter Weise kann durch Weglassen der Salpetersäure die Bildung gesundheitsschädlicher nitroser Gase vermieden werden. Durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung des Elektrolyten wird die Aggressivität des Glänzbades vermindert, d. h. Un ebenheiten, insbesondere Korngrenzen, der Oberfläche werden weniger stark angegriffen; gleichzeitig wird aber ein wesent lich höherer Glanzgrad erzielt.

Die Konzentration von H₂SO₄ (Schwefelsäure) in Wasser liegt vorzugsweise im Bereich von 85-255 g/l und beträgt insbeson dere bevorzugt ungefähr 170 g/l. Die Konzentration von H₃PO₄ (Phosphorsäure) in Wasser liegt vorzugsweise im Bereich von 1020-1360 g/l und beträgt insbesondere bevorzugt ungefähr 1090 g/l. Ferner liegt die Konzentration von Al (Aluminium) vor zugsweise im Bereich von 17-43 g/l.

Bei dem erfindungsgemäßen Glänzverfahren bildet sich, wie bei den im Stand der Technik bekannten Schwefelsäure/Phosphor säure-Glänzverfahren, durch das abgetragene Aluminium ein Schlamm aus Aluminiumsulfat, wenn das Löslichkeitsprodukt aus Schwefelsäure und Aluminium überschritten ist. Die ausgefalle ne Aluminiumverbindung kann jedoch die Glänzbehandlung der Werkstücke stark beeinträchtigen und muss deshalb entfernt werden, falls deren relativer Anteil zu hoch wird. Dies kann beispielsweise durch Filterung oder Dekantieren erfolgen. Das Entfernen des Schlamms ist mit Kosten verbunden, eventuell muss auch ein Zeitverlust in Betracht gezogen werden. Ein Aus fallen des Aluminiumsulfat-Schlamms sollte deshalb in jedem Fall unterbunden werden.

Jedoch ist noch ein weiterer Effekt von Bedeutung: das gelöste Aluminium senkt die Aggressivität des Glänzbades ab, was in der Folge dazu führt, dass diese Wirkung schlagartig verloren geht, wenn das gelöste Aluminium als Schlamm ausfällt. Die da durch bewirkte sprunghaft erhöhte Aggressivität des Glänzbads kann jedoch durch den damit einher gehenden gesteigerten Ab trag der Korngrenzen zu einer "Griesseligkeit" des Materials führen. Es ist deshalb auch aus diesem Grund anzustreben, dass so wenig Aluminiumsulfat als möglich als Schlamm aus der E lektrolytlösung ausfällt.

Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, ist dann mit Schlammausfällen zu rechnen, wenn das zum Löslichkeitsprodukt proportionale Konzentrationsprodukt von Schwefelsäure und Alu minium, definiert als das Produkt der Konzentrationen der Sul fationen und Aluminiumionen, dividiert durch das Quadrat der Konzentration von Wasser und multipliziert mit 100, einen Wert annimmt, der größer ist als ca. 14,5. Die Konzentration von Schwefelsäure und Aluminium im Elektrolyten ist deshalb so zu wählen, dass das genannte Konzentrationsprodukt diesen Wert während der Behandlungszeit des Werkstücks möglichst nicht üb ersteigt. Ist dieses Konzentrationsprodukt allerdings zu nied rig gewählt, so ist mit einer optischen Beeinträchtigung des geglänzten Werkstücks in Form von "Blauen Wolken" zu rechnen, welche dadurch entstehen, dass sich der viskose Film an der Grenzfläche Metall-Elektrolyt, welcher den Angriff des Glänz bades auf die Erhebungen der Oberfläche richtet, nur unzurei chend ausbilden kann. Es ist aus diesem Grund ein Kompromiss zwischen den beiden genannten Effekten zu finden.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb vor, dass das Produkt der Konzentrationen der Sulfa tionen und Aluminiumionen, dividiert durch das Quadrat der Konzentration von Wasser und multipliziert mit 100, im Bereich von 8-15 liegt. Ferner ist bevorzugt, wenn dieser Wert im Bereich von 9-12 liegt und insbesondere ist bevorzugt, wenn dieser Wert ungefähr 9,4 beträgt.

Bei der Behandlung des Werkstücks aus Aluminium oder einer Al uminiumlegierung kann die Temperatur des wässrigen Elektroly ten im Bereich von 60-80°C liegen und beträgt bevorzugt 62-75°C.

Beim elektrolytischen Glänzen des Werkstücks wird vorzugsweise eine Gleichspannung von 12-45 V angelegt. Insbesondere bevor zugt wird eine Gleichspannung von 25-40 V angelegt, typisch werden 30-38 V angelegt. Die anhand des Abtrags abgeschätzte Stromdichte liegt in der stationären Phase im Bereich von 1-5 A/dm² und beträgt insbesondere bevorzugt ca. 2,5 A/dm². An fänglich liegen die Stromdichten jedoch regelmäßig wesentlich höher, beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10 A/dm².

Beim Glänzen des Werkstücks aus Aluminium bzw. Aluminiumlegie rung liegt die Behandlungszeit vorzugsweise im Bereich von 3 bis 20 Minuten. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass abhängig von der Aggressivität des zum Glänzen eingesetzten Elektroly ten, ein Kompromiss zwischen einem ausreichenden Abtrag der Oberfläche einerseits, und einem Unterbinden eines chemischen Angriffs auf die Korngrenzen und einer damit einher gehenden möglichen "Griesseligkeit" der Oberfläche andererseits, gefun den werden muss. Eine typische Behandlungszeit liegt in der Größenordnung von ca. 10 Minuten.

Zum Erzielen eines hohen Glanzgrads werden die zu glänzenden Oberflächen des Werkstücks vor dem elektrolytischen Glänzen vorzugsweise mechanisch poliert, um die Oberflächenrauheiten einzuebnen. Hierzu können herkömmliche Polierscheiben bzw. Polierpasten eingesetzt werden. Da das mechanische Polieren jedoch zu Verunreinigungen führt, sollte im Anschluss daran eine chemische Reinigung der polierten Oberflächen des Werk stücks erfolgen.

Eine chemische Reinigung kann beispielsweise durch Eintauchen des Werkstücks in ein Tauchbad erfolgen, welches eine Mischung aus Phosphorsäure und Tensid in Wasser enthält, wobei vorzugs weise die Phosphorsäure in einer Menge von 30-50 g/l und das Tensid in einer Menge von 2-6 g/l vorliegt. Bei dem Tensid kann es sich um eine Mischung aus anionischen und nichtion ischen Tensiden handeln. Das Tauchbad hat typisch eine Tempe ratur von 60-67°C. Die Behandlungszeit liegt gewöhnlich im Bereich von 8-30 Minuten und beträgt typisch ca. 10 Minuten.

Die chemische Reinigung dient nicht nur zum Entfernen des durch das mechanische Polieren erzeugten Schmutzes, sondern dient darüber hinaus auch zum restlosen Entfetten des Werk stücks. Eine Fettschicht auf einer zu glänzenden Oberfläche erhöht den elektrischen Widerstand und kann so eine zumindest zeitweilige lokale Unzugänglichkeit der Oberfläche für den elektrischen Strom bewirken. Dies kann in der Folge zu Ober flächeninhomogenitäten des geglänzten Werkstücks führen.

Im allgemeinen müssen nach der chemischen Reinigung der zu glänzenden Oberflächen die verbliebenen Reste des chemischen Reinigungsbades entfernt werden, was beispielsweise durch Spü len mit Wasser erfolgt. Bevorzugt ist hierbei ein zweimaliges Sprühen des Werkstücks mit Wasser: zunächst mit Brunnenwasser, anschließend mit entionisiertem Wasser um zu bewirken, dass keine Fremdionen in den Elektrolyten des Glänzbades einge schleppt werden. Anschließend wird das so vorbehandelte Werk stück in das Glänzbad überhoben und elektrolytisch geglänzt.

Die elektrisch geglänzten Oberflächen des Werkstücks müssen gewöhnlich einer Behandlung zum Erhöhen der Korrosionsbestän digkeit unterzogen werden. Dies gilt umso mehr, wenn die Werk stücke nach erfolgter Montage der freien Witterung ausgesetzt werden. Eine Korrosionsbeständigkeit der geglänzten Ob erflächen kann durch Eloxieren herbei geführt werden.

Hierzu werden die geglänzten Oberflächen des Werkstücks nach dem elektrolytischen Glänzen zunächst gebeizt und passiviert, dann eloxiert und anschließend versiegelt.

Vor dem zuerst ausgeführten Beizen der geglänzten Oberflächen wird das Werkstück gewöhnlich mit Wasser gespült, um insbeson dere ein Verschleppen der Phosphorsäure zu unterbinden. Ein Verschleppen der Phosphorsäure kann sich ungünstig auf den nachfolgenden Eloxiervorgang auswirken, bei dem ein Vorliegen von Phosphaten im ppm-Bereich bereits empfindlich stört. Nach gegebenenfalls mehrmaligem Spülen mit Wasser werden die ge glänzten Oberflächen gebeizt, wobei das Werkstück hierzu vor zugsweise in ein Tauchbad getaucht wird, welches eine Lösung von Natronlauge (NaOH) und gegebenenfalls Aluminium (Al) in Wasser enthält. Hierbei liegt Natronlauge (NaOH) vorzugsweise in einer Menge von 30-40 g/L und Aluminium (Al) vorzugsweise in einer Menge von 0-15 g/L in der Beizlösung vor. Die Beiz lösung hat dabei typisch eine Temperatur von ca. 60°C. Die Tauchzeit beträgt typisch ca. 15-20 Sekunden. Zweck des Bei zens ist die beim Glänzen der Oberflächen entstandene dünne Oxidhaut für das anschließende Eloxieren zu entfernen. Nach dem Beizen wird das Werkstück wiederum mit Wasser gespült, um die Reste der Beizlösung zu entfernen. Hierzu kann Brunnenwas ser verwendet werden.

Nach dem Beizen werden die geglänzten Oberflächen passiviert, was beispielsweise durch Eintauchen des Werkstücks in ein Pas sivierungsbad erfolgt. Das Passivierungsbad kann aus einer Lö sung von Salpetersäure in Wasser bestehen. Die Salpetersäure liegt dabei vorzugsweise in einer Menge von 160-190 g/l vor. Anstelle der Salpetersäure kann ebenso Schwefelsäure verwendet werden. Diese wird dabei zusätzlich mit starken Oxidations mitteln, wie Wasserstoffperoxid, versetzt. Nach dem Passivie ren wird das Werkstück, gegebenenfalls mehrmals, mit Wasser gespült, um die verbliebenen Reste der Passivierungslösung zu entfernen.

Anschließend werden die geglänzten Oberflächen des Werkstücks eloxiert, wobei das Werkstück hierzu in einen wässrigen El ektrolyten, enthaltend Schwefelsäure (H₂SO₄) und Aluminium (Al), getaucht wird. Die Schwefelsäure liegt im Eloxalbad vor teilhaft in einer Menge von 100-400 g/l, bevorzugt 160-200 g/l und insbesondere bevorzugt 180 g/l vor. Aluminium liegt im Eloxalbad vorteilhaft in einer Menge von 7-15 g/l, bevorzugt 9-13 g/l und insbesondere bevorzugt 10 g/l vor. Der wässrige Elektrolyt weist beim Eloxieren vorteilhaft eine Temperatur von 5-25°C, insbesondere bevorzugt ca. 18-19°C auf.

Die anodische Stromdichte beim Eloxieren liegt im Bereich von 0,5-2,5 A/dm². Je höher die Stromdichte gewählt ist, desto schneller wächst die Eloxalschicht. Wie Versuche der Anmelde rin gezeigt haben, hängt die Abbildungsschärfe der geglänzten und eloxierten Oberflächen empfindlich von der eingesetzten Stromdichte ab: Bei hohen Stromdichten vermindert sich die Ab bildungsschärfe stark, so dass erfindungsgemäß eher niedrige Stromdichten bevorzugt sind. Eine insbesonders bevorzugte Stromdichte beim Eloxieren beträgt ca. 0,6 A/dm².

Das Werkstück wird, abhängig von der Dicke der gewünschten El oxalschicht, für einen Zeitraum von 5-90 Minuten, insbeson dere bevorzugt 5-25 Minuten eloxiert. Wie Versuche der An melderin gezeigt haben, hat auch die Dicke der Eloxalschicht wesentlichen Einfluss auf die Abbildungsschärfe der geglänzten und eloxierten Oberflächen: Bei großen Dicken der Eloxal schicht vermindert sich die Abbildungsschärfe, so dass eine bevorzugte Dicke der erzeugten Eloxalschicht vorzugsweise im Bereich von 3-15 µm liegt.

Falls durch die Eloxalschicht ausschließlich ein Korrosions schutz der geglänzten Oberflächen erzielt werden soll, reicht eine Dicke in der Größenordnung von ca. 5 µm aus. Falls die Eloxalschicht eingefärbt werden soll, sollte deren Dicke je doch oberhalb von 5 µm liegen. Eine insbesonders bevorzugte Dicke der Eloxalschicht liegt deshalb im Bereich von 3-10 µm.

Das Werkstück wird nach Ablauf der Behandlungszeit aus dem El oxalbad entnommen und bei Raumtemperatur gegebenenfalls mehr mals mit Wasser gespült. Hierbei soll vor allem die noch in den Poren der Eloxalschicht verbliebene Säure entfernt werden.

Anschließend werden die eloxierten Oberflächen versiegelt, was vorzugsweise in zwei aufeinanderfolgenden Schritten durch Kal timprägnieren und Heißwasserverdichten erfolgt. Bei der Kal timprägnierung wird das Werkstück in ein Bad getaucht, welches typischerweise eine wässrige Lösung von Nickelfluorid (NiF₂) in einer Menge von ca. 2-6 g/l enthält. Das Bad weist dabei vorzugsweise eine Temperatur von ca. 30°C auf. Die Eintauch zeit beträgt maximal 4 Minuten. Nach dem Entnehmen aus diesem Bad wird das Werkstück, gegebenenfalls mehrmals, mit Wasser gespült. Bei der anschließenden Heißwasserverdichtung wird das Werkstück gewöhnlich für einen Zeitraum von 20-40 Minuten in ein Bad getaucht, das mindestens 96°C heißes entionisiertes Wasser enthält. Zusätzlich werden dem Heißwasserverdichtungs bad meist Belagverhinderungsmittel zugesetzt. Diese können beispielsweise aus einem Gemisch aus unterschiedlichen anioni schen und nichtionischen Tensiden und amorphem Aluminiumhydro xid bzw. Aluminiumoxid, in unterschiedlichen Mischungsverhält nissen, bestehen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die geglänzten Oberflächen des Werkstücks nach dem Eloxieren gefärbt werden. Zum Färben können herkömmliche Techniken ein gesetzt werden, insbesondere elektrolytische Färbeverfahren, Adsorptivfärbungen und hydrolytische Färbungen.

Bei den elektrolytischen Färbeverfahren werden Pigmente aus Metallsalzen in der Eloxalschicht elektrolytisch erzeugt. Als Metallsalze eignen sich insbesondere Sulfate von Zinn (II), Nickel, Kobalt, Kupfer, Mangan, Silber und Selen. Gewöhnlich werden in den Elektrolyten zusätzlich Schwefelsäure und orga nische Stabilisatoren eingebracht, um zum einen eine stabile Leitfähigkeit des Elektrolyten zu gewährleisten, und anderer seits eine Oxidation der Metallsalze zu verhindern und für ei ne gleichmäßige Stromverteilung zu sorgen. Die Verweildauer im Tauchbad liegt, je nach gewünschtem Farbton, gewöhnlich zwi schen 30 Sekunden und 10 Minuten; die Temperatur des Tauchbads liegt bei Raumtemperatur.

Bei den Adsorptivfärbungen werden organische Farbstoffe in Form einer Farbstofflösung auf die geglänzten Oberflächen auf gesprüht oder das Werkstück in die Farbstofflösung getaucht. Die Verweildauer im Tauchbad beträgt, je nach gewünschtem Farbton, gewöhnlich zwischen 1 und 20 Minuten. Die Temperatur des Tauchbads beträgt maximal 60°C.

Bei den hydrolytischen Färbeverfahren schließlich, wird das Werkstück beispielsweise in eine Lösung von Natrium- oder Am moniumferrioxalat getaucht. Die Verweildauer im Tauchbad liegt, je nach gewünschtem Farbton, gewöhnlich zwischen 30 Se kunden und 20 Minuten. Die Temperatur des Tauchbads beträgt maximal 60°C.

Nach dem Färben wird das Werkstück, gegebenenfalls mehrfach, mit Wasser gespült und anschließend, wie oben dargestellt, durch Kaltimprägnieren und Heißwasserverdichten versiegelt.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht zum Her beiführen einer Korrosionsbeständigkeit der geglänzten Ober flächen anstelle des Eloxierens der Oberflächen das Aufbringen eines Klarlacks vor. Hierzu werden die geglänzten Oberflächen des Werkstücks nach dem elektrolytischen Glänzen direkt mit einem hochtransparenten Klarlack überzogen. Gleichermaßen ist es möglich, dass die geglänzten Oberflächen des Werkstücks ge beizt und passiviert werden. In diesem Fall müssen die ge glänzten Oberflächen des Werkstücks nach dem Passivieren und vor dem Lackieren jedoch zunächst mit einem Haftvermittler, insbesondere in Form einer auf Chrom (Cr) basierenden Verbin dung, versehen werden.

Die einzelnen Verfahrensschritte der oben dargestellten Vari anten der Erfindung sollen in den folgenden Übersichten noch mals dargestellt werden:

Variante 1)

mechanisches Polieren → chemisches Reinigen → Glänzen → Bei zen → Passivieren → Eloxieren → Versiegeln

Variante 2)

mechanisches Polieren → chemisches Reinigen → Glänzen → Bei zen → Passivieren → Eloxieren → Färben → Versiegeln
Die Variante 2) entspricht der Variante 1) mit Ausnahme, dass nach dem Eloxieren zusätzlich ein Färbeschritt eingefügt ist.

Variante 3)

mechanisches Polieren → chemisches Reinigen → Glänzen → Klar lack auftragen
Bei der Variante 3) wird im Unterschied zu den Varianten 1) und 2) direkt nach dem Glänzen ein Klarlack auf das Werkstück aufgetragen.

Variante 4)

mechanisches Polieren → chemisches Reinigen → Glänzen → Bei zen → Passivieren → Haftvermittler auftragen → Klarlack auf tragen
Die Variante 4) entspricht der Variante 3) mit Ausnahme, dass nach dem Glänzen gebeizt und passiviert, und zusätzlich ein Haftvermittler auf das Werkstück aufgetragen wird.

Bei allen Varianten wurden, der Übersichtlichkeit wegen, die Spülvorgänge weggelassen.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Beispiele beschrieben, wobei Bezug auf das beigefügte Diagramm (Fig. 1) genommen wird. In allen Beispielen wurden die Werkstücke gemäß Variante 1) der Erfindung behandelt.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Abbil dungsschärfe (A) der erfindungsgemäß geglänzten Ober flächen eines Aluminiumwerkstücks von der Schichtdicke der Eloxalschicht (s) und der beim Eloxieren angelegten Stromdichte veranschaulicht, wobei zum Vergleich die Abbildungsschärfen eines durch ein im Stand der Technik bekanntes Glänzverfahren geglänztes Werkstück (Kurve 4) und von Chrom (Kurve 1) dargestellt sind.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde zum Zwecke des Vergleichs mit dem er findungsgemäßen Verfahren ein bei der Anmelderin bisher einge setztes Glänzbad zum Glänzen der Oberflächen von Werkstücken aus Aluminium verwendet. Der wässrige Elektrolyt des Glänzba des hatte, bezogen auf 1 Liter Wasser, folgende Zusammenset zung:

H₂SO₄ (Schwefelsäure)	ca. 408 g/l,
H₃PO₄ (Phosphorsäure)	ca. 697 g/l,
Al (Aluminium)	ca. 37,4 g/l.

Die Werkstücke dienten hierbei als Anode. Es wurde beim Glän zen eine Gleichspannung von ca. 30 V angelegt. Die Glänzzeit betrug ca. 10 Minuten; die Temperatur des Glänzbads wurde auf ca. 62°C eingestellt.

Das Werkstück aus Aluminium wurde vor dem Glänzen mechanisch poliert und anschließend chemisch gereinigt, um den durch das Polieren verursachten Schmutz und sonstige Verunreinigungen, einschließlich Fett, von den zu glänzenden Oberfläche zu ent fernen. Zur chemischen Reinigung wurde das Werkstück in ein Tauchbad getaucht, das eine wässrige Lösung eines Gemischs aus Phosphorsäure und Tensid enthielt. Anschließend wurde das Werkstück zweifach mit Wasser gesprüht, wobei zunächst Brun nenwasser und anschließend entionisiertes Wasser verwendet wurde.

Das Werkstück aus Aluminium wurde nach dem Glänzen in einem wässrigen Elektrolyten der folgenden Zusammensetzung, bezogen auf 1 Liter Wasser, eloxiert:

H₂SO₄ (Schwefelsäure)	ca. 180 g/l,
Al (Aluminium)	ca. 11 g/l.

Die eloxierten Werkstücke wiesen, je nach Behandlungszeit, ei ne unterschiedliche Dicke der Eloxalschicht auf. Bei einer Schichtdicke der Eloxalschicht von ca. 10 µm betrug die Be handlungszeit ca. 35 Minuten. Die Stromdichte beim Eloxieren betrug 0,7 A/dm², die Temperatur des Elektrolyten betrug 18°C.

Nach dem Eloxieren wurden die Abbildungsschärfen der geglänz ten und eloxierten Oberflächen der Werkstücke photometrisch bestimmt. Die Ergebnisse dieser Messung sind als Kurve 4 in Fig. 1 dargestellt.

Wie aus Kurve 4 in Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt die Abbil dungsschärfe eines Werkstücks aus Aluminium, das durch ein im Stand der Technik eingesetztes Glänzverfahren geglänzt wurde, ohne Eloxalschicht ca. 73%. Diese Abbildungsschärfe verringert sich bei Aufbringen einer ca. 10 µm starken Eloxalschicht auf ca. 65%.

Beispiel 2

In Beispiel 2 wurde ein Werkstück aus Aluminium wie in Bei spiel 1 behandelt, mit dem Unterschied, dass erfindungsgemäß beim Glänzen ein wässriger Elektrolyt eingesetzt wurde, der bezogen auf 1 Liter Wasser folgende Zusammensetzung hatte:

H₂SO₄ (Schwefelsäure)	ca. 175 g/l,
H₃PO₄ (Phosphorsäure)	ca. 1130 g/l,
Al (Aluminium)	ca. 27,2 g/l.

Die Temperatur des Glänzbads lag bei ca. 69°C. Das geglänzte Werkstück wurde anschließend bei einer Stromdichte von ca. 0,6 A/dm² unterschiedlich lange eloxiert. Die Behandlungszeiten bei der Eloxierung betrugen 17 bzw. 35 Minuten. Alle sonstigen Pa rameter und Verfahrensschritte entsprechen denen von Beispiel 1. Die Ergebnisse der photometrischen Messung der Abbildungs schärfe der geglänzten Oberflächen sind in Fig. 1 in Kurve 2 dargestellt.

Wie aus Kurve 2 in Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt die Abbil dungsschärfe eines erfindungsgemäß geglänzten Werkstücks aus Aluminium ohne Eloxalschicht ca. 96%. Diese Abbildungsschärfe verringert sich bei Aufbringen einer ca. 3 µm starken Eloxal schicht auf ca. 90%, bei Aufbringen einer ca. 7 µm starken El oxalschicht auf ca. 88%.

Beispiel 3

Wie Beispiel 2, mit dem Unterschied dass erfindungsgemäß beim Glänzen ein wässriger Elektrolyt eingesetzt wurde, der bezogen auf 1 Liter Wasser folgende Zusammensetzung hatte:

H₂SO₄ (Schwefelsäure)	ca. 182 g/l,
H₃PO₄ (Phosphorsäure)	ca. 1156 g/l,
Al (Aluminium)	ca. 21,6 g/l.

Die Temperatur des Glänzbads lag im Unterschied zu Beispiel 2 bei ca. 62°C. Das geglänzte Werkstück wurde anschließend bei einer Stromdichte von ca. 0,6 A/dm² unterschiedlich lange eloxiert. Die Behandlungszeiten bei der Eloxierung betrugen 9 bzw. 46 Minuten. Die Ergebnisse der photometrischen Messung der Abbildungsschärfe der geglänzten Oberflächen sind in Fig. 1 in Kurve 3 dargestellt.

Wie aus Kurve 3 in Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt die Abbil dungsschärfe eines erfindungsgemäß geglänzten Werkstücks aus Aluminium bei Aufbringen einer ca. 2 µm starken Eloxalschicht ca. 93%, bei Aufbringen einer ca. 9 µm starken Eloxalschicht verringert sich dieser Wert auf ca. 86%.

Beispiel 4

Wie Beispiel 3, mit dem Unterschied dass das geglänzte Werk stück bei einer Stromdichte von ca. 2,0 A/dm² unterschiedlich lange eloxiert wurde. Die Behandlungszeiten bei der Eloxierung betrugen 6 bzw. 15 Minuten. Die Ergebnisse der photometrischen Messung der Abbildungsschärfe der geglänzten Oberflächen sind in Fig. 1 in Kurve 5 dargestellt.

Wie aus Kurve 5 in Fig. 1 ersichtlich ist, beträgt die Abbil dungsschärfe eines erfindungsgemäß geglänzten Werkstücks aus Aluminium bei Aufbringen einer ca. 5 µm starken Eloxalschicht ca. 74%, bei Aufbringen einer ca. 10 µm starken Eloxalschicht verringert sich dieser Wert auf ca. 55%, wenn mit einer hohen Stromdichte von 2,0 A/dm² eloxiert wird.

Als Ergebnis der in den obigen Beispielen durchgeführten Ver suche ist zunächst festzustellen, dass die Abbildungsschärfe der in den Beispielen 1, 2, 3 und 4 geglänzten Werkstücke von der Dicke der erzeugten Eloxalschicht, sowie der zum Eloxieren eingesetzten anodischen Stromdichte abhängt. Aus den Beispie len 2, 3 und 4 ergibt sich, dass durch Anwenden des erfin dungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit einem anschließen den Eloxieren bei einer geringen Stromdichte (hier ca. 0,6 A/dm²) und bei Aufbringen einer Eloxalschicht einer Schichtdic ke bis ca. 10 µm eine Abbildungsschärfe erreicht werden kann, die derjenigen von Chrom sehr nahe kommt. Hierzu ist zum Ver gleich die Abbildungsschärfe von Chrom (ca. 99%), welches kei ne Eloxalschicht aufweist, als Kurve 1 in Fig. 1 dargestellt.

Eine erfindungsgemäß geglänzte und eloxierte und damit auch korrosionsbeständige Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung ist von einem entsprechenden Werkstück aus Chrom mit bloßem Auge praktisch nicht mehr zu unterscheiden. Dies gilt insbesondere für eine Schichtdicke von ca. 5 µm, die im Automobilbau als Mindestschichtdicke für Außenanwendungen angesehen wird.

Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung von Oberflächen von Werkstücken aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen ist die Erstellung reflektierender Oberflächen von Leuchtmitteln, beispielsweise Scheinwerferre flektoren, Rasterleuchten und dergleichen.

Eine weitere bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Ver fahrens zur Behandlung von Oberflächen von Werkstücken aus Al uminium bzw. Aluminiumlegierungen liegt in der Fertigung hoch glänzender Werkstücke im Bereich des Automobilbaus. Dort kön nen insbesondere vormals aus Chrom gefertigte Zierleisten nun mehr durch erfindungsgemäß geglänzte Zierleisten aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen ersetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einem wässrigen Elektrolyten durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung geglänzt wird, wobei der Elektrolyt pro Liter Wasser die folgende Zusam mensetzung aufweist: H₂SO₄ (Schwefelsäure) 85-340 g/l, H₃PO₄ (Phosphorsäure) 850-1360 g/l, Al (Aluminium) 8,5-43 g/l.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass H₂SO₄ (Schwefelsäure) im Elektrolyten in einer Kon zentration von 85-255 g/l, insbesondere bevorzugt unge fähr 170 g/l, vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass H₃PO₄ (Phosphorsäure) in einer Konzentration von 1020-1360 g/l, insbesondere bevorzugt ungefähr 1088 g/l, im Elektrolyten vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Al (Aluminium) in einer Konzentration von 17-43 g/l im Elektrolyten vorliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konzentrationsprodukt von Sulfationen und Alumi niumionen, dividiert durch das Quadrat der Konzentration von Wasser, multipliziert mit 100, einen Wert zwischen 8 und 15 hat.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Konzentrationsprodukt von Sulfationen und Alumi niumionen, dividiert durch das Quadrat der Konzentration von Wasser, multipliziert mit 100, einen Wert zwischen 9 und 12 hat und insbesondere bevorzugt ungefähr 9,4 be trägt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des wässrigen Elektrolyten beim Glän zen des Werkstücks 60-80°C, insbesondere bevorzugt 62-75°C beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung beim elektrolytischen Glänzen des Werkstücks 12-45 V, bevorzugt 25-40 V und insbesondere bevorzugt 30-38 V beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszeit beim elektrolytischen Glänzen des Werkstücks von 3-20 Minuten, und insbesondere bevorzugt ungefähr 10 Minuten, beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die zu glänzenden Oberflächen des Werkstücks vor dem elektrolytischen Glänzen mechanisch poliert und anschließend chemisch gereinigt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu glänzenden Oberflächen des Werkstücks in einem Bad, enthaltend eine wässrige Lösung eines Gemischs aus Phosphorsäure und Tensid, chemisch gereinigt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geglänzten Oberflächen des Werkstücks nach dem elektrolytischen Glänzen gebeizt, passiviert, eloxiert und anschließend versiegelt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die geglänzten Oberflächen des Werkstücks in einer Lösung von Natronlauge (NaOH) und gegebenenfalls Aluminium (Al) in Wasser gebeizt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Natronlauge (NaOH) in einer Menge von 30-40 g/l und das Aluminium (Al) in einer Menge von 0-15 g/l in der Beizlösung vorliegen.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gebeizten Oberflächen des Werkstücks in einer Lö sung von Salpetersäure in Wasser passiviert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Salpetersäure in einer Menge von 160-190 g/l vorliegt.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die geglänzten Oberflächen des Werkstücks in einem wässrigen Elektrolyten, enthaltend Schwefelsäure (H₂SO₄) und Aluminium (Al), eloxiert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Schwefelsäure in einer Menge von 100-400 g/l, be vorzugt 160-200 g/l und insbesondere bevorzugt 180 g/l und Aluminium in einer Menge von 7-15 g/l, bevorzugt 9-13 g/l und insbesondere bevorzugt 10 g/l vorliegt.

19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wässrige Elektrolyt beim Eloxieren eine Tempera tur von 5-25°C, insbesondere bevorzugt ca. 18-19°C, aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Stromdichte beim Eloxieren 0,5-2,5 A/dm², insbesondere bevorzugt ca. 0,6 A/dm², beträgt.

21. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück für einen Zeitraum von 5-90 Minuten, insbesondere bevorzugt 5-25 Minuten, eloxiert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Eloxalschicht 3-15 µm, insbesondere bevorzugt 5-10 µm, beträgt.

23. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eloxierten Oberflächen des Werkstücks durch Kal timprägnieren und Heißwasserverdichten versiegelt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die geglänzten Oberflächen des Werkstücks nach dem Eloxieren gefärbt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geglänzten Ob erflächen des Werkstücks nach dem elektrolytischen Glänzen direkt mit einem Klarlack überzogen werden.

26. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geglänzten Ob erflächen des Werkstücks nach dem elektrolytischen Glänzen gebeizt, passiviert, mit einem Haftvermittler versehen und anschließend mit einem Klarlack überzogen werden.

27. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung reflektierender Oberflächen von Leuchtmitteln.

28. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Fertigung hochglänzender Werkstücke im Be reich des Automobilbaus, insbesondere Zierleisten.