DE102011007424B4

DE102011007424B4 - Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats auf Basis von Leichtmetallen durch plasmaelektrolytische Oxidation und beschichtetes Substrat

Info

Publication number: DE102011007424B4
Application number: DE201110007424
Authority: DE
Inventors: Dr. Blawer Carsten; Dr. Höche Daniel; Dr Huang Huanding; Dr. Liang Jun
Original assignee: Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: CA2773434A1; US20120261266A1; CN102732929B; CA2773434C; US8828215B2; JP2012237059A; DE102011007424A1; EP2511401A3; JP5529916B2; EP2511401A2; CN102732929A; DE102011007424B8

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats auf Basis von Leichtmetallen durch plasmaelektrolytische Oxidation, bei dem das Substrat als eine Elektrode zusammen mit einer Gegenelektrode in eine Elektrolytflüssigkeit eingetaucht und eine ausreichende elektrische Spannung zur Erzeugung von Funkenentladungen an der Oberfläche des Substrats angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt darin dispergierte Tonpartikel umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats durch plasmaelektrolytische Oxidation.
Hintergrund der Erfindung
Die plasmaelektrolytische Oxidation von Oberflächen von Leichtmetallen ist ein bekanntes Verfahren. Dabei werden überwiegend harte, keramische Schichten erzeugt, die einen Korrosions- und Verschleißschutz bieten. Voraussetzung für die plasmaelektrolytische Oxidation ist die Ausbildung einer Oxidschicht (Dielektrikum) in einem Elektrolyt. Die Aufrechterhaltung eines Stroms kann so zu Spannungsanstieg und Entladungen führen. Auf diese Weise wird die Oberfläche von Leichtmetallteilen in eine Keramikmatrix umgewandelt. Dazu ist meist eine elektrische Spannung von mindestens 250 V erforderlich, die eine Funkenentladung an den Teileoberflächen bewirkt; es kommt zur lokalen Plasmabildung. Die Schichten entstehen über Mikroentladungen, die das Grundmaterial und Reaktionsprodukte des Elektrolyten mit dem Leichtmetall aufschmelzen und zu einer kristallinen Keramik sintern. Als Elektrolyte werden vorwiegend alkalische Silikat- oder Phosphatlösungen verwendet.
Die Erzeugung von Beschichtungen auf Leichtmetallbauteilen durch plasmaelektrolytische Oxidation ist beispielsweise in C. Blawert et al., Advanced Engineering Materials 2006, 8, No. 6, Seiten 511 bis 533 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
Seit einiger Zeit werden auch Partikel mit in die Schichten eingebaut. Beispielsweise beschreiben Srinivasan et al., Surface Engineering 2010, Vol. 26, No. 5, Seiten 367 bis 370 die Beschichtung von Magnesiumlegierungen des Typs AM50 in alkalischen Phosphatlösungen unter Zugabe von TiO₂-Sol. Diese Partikel werden eingelagert und es bilden sich (teil-)kristalline Schichten.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es den Korrosionsschutz für Substrate aus Leichtmetallen oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen weiter zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats auf Basis von Leichtmetallen durch plasmaelektrolytische Oxidation gelöst, bei dem das Substrat als eine Elektrode zusammen mit einer Gegenelektrode in eine Elektrolytflüssigkeit eingetaucht und eine ausreichende elektrische Spannung zur Erzeugung von Funkenentladungen an der Oberfläche des Substrats angelegt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Elektrolyt darin dispergierte Tonpartikel umfasst. Es wurde gefunden, dass mit der Verwendung von Tonpartikeln amorphe, glasartige Oxidschichten auf Leichtmetallen oder Leichtmetalllegierungen erzeugt werden können.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Tonmaterialien sind in der Technik gut bekannt. Mit Ton werden Schichtsilikate bezeichnet, die eine schichtartige Kristallstruktur aufweisen. Die bevorzugt zum Einsatz kommenden Schichtsilikate sind dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vermiculit, Talk und/oder Smektiten, wobei die Smektite insbesondere Natrium-Montmorillonit, Magnesium-Montmorillonit, Calcium-Montmorillonit, Aluminium-Montmorillonit, Nontronit, Beidellit, Volkonskoit, Hectorit, Saponit, Sauconit, Sobockit, Stevensit, Svinfordit und/oder Kaolinit sind.
Bevorzugt werden unter Schichtsilikaten im erfindungsgemäßen Sinne 1:1- sowie 2:1-Schichtsilikate verstanden. In diesen Systemen sind Schichten aus SiO4-Tetraedern mit solchen aus M(O, OH)6-Oktaedern in regelmäßiger Weise miteinander verknüpft. M steht dabei für Metallionen, wie Al, Mg, Fe. Bei den 1:1-Schichtsilikaten sind dabei jeweils eine Tetraeder- und eine Oktaederschicht miteinander verbunden. Beispiele hierfür sind Kaolin- und Serpentin-Minerale.
Bei den 2:1-Dreischichtsilikaten sind jeweils zwei Tetraeder- mit einer Oktaederschicht kombiniert. Sind nicht alle Oktaederplätze mit Kationen der benötigten Ladung zur Kompensation der negativen Ladung der SiO4-Tetraeder sowie der Hydroxid-Ionen besetzt, treten geladene Schichten auf. Diese negative Ladung wird durch den Einbau einwertiger Kationen, wie Kalium, Natrium oder Lithium oder zweiwertiger Kationen, wie Calcium in den Raum zwischen den Schichten ausgeglichen. Beispiele für 2:1-Schichtsilikate sind Talkum, Vermiculite sowie Smectite, zu denen u. a. Montmorillonit und Hectorit gehören.
Die Tone haben bevorzugt eine mittlere Teilchengröße (Volumetrisch) von 1 nm bis 100 μm, bevorzugter von 10 nm bis 20 μm und am meisten bevorzugt von 50 nm bis 15 μm. Viele Verfahren zur Partkelgrößebestimmung sind bekannt. Ein gängiges Verfahren zur Bestimmung der Partikelgröße ist die Laserdiffraktometrie. Dabei werden die zu messenden Teilchen mit Laserlicht bestrahlt und die Beugungsringe, die durch die Bestrahlung der Partikel entstehen detektiert. Laserdiffraktometrie nutzt die Tatsache, dass die Größe des Beugungs-winkels umgekehrt proportional zur Größe des Partikels ist.
Ein bevorzugter Ton ist unter der Bezeichnung „Cloisite^® Na+” von der Fa. Southern Clay Products, Inc (Texas, U. S. A.) erhältlich. Typischischerweise haben mehr 90% der Partikel eine Partikelgröße von kleiner als 15 μm und mehr als 50% eine Partilelgröße von kleiner als 7,5 μm. Ein anderer bevorzugter Ton ist unter der Bezeichnung Nanofil^® 116 von der Fa. Southern Clay Products, Inc (Texas, U. S. A.) mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 12 μm erhältlich.
Vorzugsweise wird ein wässriger Elektrolyt, bevorzugter ein wässriger, alkalischer Elektrolyt verwendet. Dieser enthält vorzugsweise NaOH, KOH, Mg(OH)₂, Ca(OH)₂ und/oder Ammoniak. Bevorzugt ist die Verwendung von NaOH oder NH₄OH.
Der Elektrolyt enthält vorzugsweise zusätzlich Phosphate und/oder weitere Silikate, die keine Tonmaterialien sind. Bevorzugt werden Phosphate wie Na₃PO₄, K₃PO₄, Mg₃(PO₄)₂ _, und/oder Ca₃(PO₄)₂ oder Silikate wie Na₄SiO₄, K₄SiO₄, Mg₂SiO₄, und/oder Ca₂SiO₄ verwendet. In phosphathaltigen Elektrolyten entstehen glasartige Schichten, die von der Zusammensetzung Biogläsern ähneln. Die Substrate haben daher eine erhöhte Bioverträglichkeit und sind beispielsweise für die Verwendung in Bioimplantatsubstraten geeignet. In silikathaltigen Elektrolyten sind die Schichten ebenfalls amorph und eher für Schichten in der industriellen Anwendung geeignet. Die amorphen Schichten zeigen unter korrosiven Einfluss eine verbesserte Langzeitbeständigkeit und geänderte Eigenschaften (z. B. Benetzbarkeit).
Der Begriff „glasartig”, „glasartige Legierung” oder „metallisches Glas” ist in der Technik geläufig und bezeichnet eine amorphe Legierung, die sich dadurch auszeichnet, dass sie keine Kristallstruktur ausbilden und das Material in einer Art Anordnung ohne Periodizität, d. h. ohne Fernordnung, ähnlich den Atomen in einer Schmelze, verbleibt.
Zur plasmaelektrolytischen Oxidation des Substrats wird eine ausreichende elektrische Spannung oder Strom zur Erzeugung von Funkenentladungen an der Oberfläche des Substrats (Durchschlagsspannung) angelegt. Bevorzugt wird mit konstanter Stromdichte gearbeitet, somit wird die Spannung während der Beschichtung kontinuierlich erhöht, um den steigenden Widerstand (Schichtdickenzunahme) auszugleichen. Vorzugsweise wird eine anfängliche Durchschlagsspannung von mindestens 200 V, bevorzugt mindestens 230 V, bevorzugter mindestens 250 V angelegt. Die Endspannung beträgt vorzugsweise mindestens 500 V, bevorzugter mindestens 520 V.
Es ist bevorzugt, dass eine pulsierende Spannung angelegt wird. Die Pulsdauer beträgt vorzugsweise 1 ms bis 10 ms, bevorzugter 2 ms bis 5 ms, wobei die Intervalle zwischen den Pulsen bevorzugt 1 ms bis 100 ms, bevorzugter 10 ms bis 30 ms betragen. Die Stromdichte sollte vorzugsweise 10 mA cm^–2 bis 50 mA cm^–2, bevorzugter 20 mA cm^–2 bis 40 mA cm^–2 und am meisten bevorzugt 25 mA cm^–2 bis 35 mA cm^–2 betragen.
Die Temperatur des Elektrolyten beträgt vorzugsweise 20°C bis 30°C. Die Dauer der Elektrolyse beträgt vorzugsweise 1 min bis 60 min, bevorzugt 5 min bis 20 min.
Durch die Wahl der Spannung, Stromdichte und Behandlungs- bzw. Prozessdauer lassen sich die Eigenschaften der Beschichtung wie Beschichtungsdicke variieren und dem angestrebten Zweck anpassen. Es liegt im Bereich des fachmännischen Könnens die notwendigen Parameter einzustellen.
Weiterhin lassen sich die Eigenschaften der Beschichtungen durch Variation der Teilchenkonzentration einstellen. Vorzugsweise beträgt die Konzentration an Tonpartikeln im Elektrolyten 1 Gew.% bis 10 Gew.%, bevorzugter 2 Gew.% bis 5 Gew.% auf Basis des Gesamtgewichts des Elektrolyten.
Als Substratmaterialien können bevorzugt Magnesium, Aluminium, Titan oder deren Legierungen verwendet werden. Am meisten bevorzugt ist das Substratmaterial Magnesium oder seine Legierungen. Die Magnesiumlegierung des Magnesiumsubstrats kann jegliche Menge z. B. von 1 bis 100 Atom% (At.%) Magnesium enthalten. Vorzugsweise enthält die Magnesiumlegierung des Magnesiumbauteils mindestens 50 At.%, besonders bevorzugt mindestens 70 At.% Magnesium. Es ist bevorzugt, aber nicht notwendig, dass die Magnesiumlegierung weiterhin mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Elementen der 3. Hauptgruppe, der 3. Nebengruppe oder Seltenenerdelemente des Periodensystems enthält. Beispielsweise kann das Magnesiumsubstrat aus einer AZ31-, AZ91-, AE42-, ZM21-, ZK31-, ZE41-Legierung oder jeder anderen gängigen Magnesiumlegierung gefertigt sein.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt man Oberflächenbeschichtungen auf Substraten auf Basis von Leichtmetallen mit verbessertem Korrosionsschutz oder mit verbesserter Biokompatibilität und der Möglichkeit die Degradation des Substrates besser kontrollieren zu können.
Substrate können daher jegliche aus einem Leichtmetall wie Magnesium oder einer Magnesiumlegierung gefertigte Maschinenbauteile, Automobilbauteile, Eisenbahnbauteile, Flugzeugbauteile, Schiffsbauteile, etc. oder Bioimplantate wie Knochenersatzmaterialien oder medizinische Knochenschrauben sein.
Beispiel
Als Substrat für das folgende Beispiel wurde AM50-Probekörper der Größe 15 mm × 15 mm × 4 mm mit einem Masseanteil von 4,4%~5,5% Al, 0,26%~0,6% Mn, max. 0,22% Zn, max. 0,1% Si und Mg als Rest verwendet. Die Substrate wurden nacheinander mit Schleifpapier der Körnung 500, 800, 1200 und 2500 geschliffen und anschließend mit Ethanol gereinigt.
Der Elektrolyt auf Silikatbasis wurde unter Verwendung von Na₂SiO₃ (10,0 g/l) und KOH (1,0 g/l) in destilliertem Wasser und der Elektrolyt auf Phosphatbasis wurde unter Verwendung von Na₃PO₄ (10,0 g/l) und KOH (1,0 g/l) in destilliertem Wasser hergestellt. Bis zu 10 g/l Tonpartikel (Rockwood Nanofil^® 116 mit einer mittleren Teilchengröße von 12 μm wurden in diesen Elektrolyten zur Herstellung der Nanopartikel-enthaltenden Elektrolyte dispergiert.
Die plasmaelektrolytische Oxidation wurde mit einer pulsierenden Gleichstrom-Spannungquelle durchgeführt, wobei das Pulsverhältnis t_on:t_off 2 ms:20 ms betrug. Die Plasmaelektrolyse wurde jeweils 30 Minuten bei einer konstanten Stromdichte von 15 mA/cm^–2 in sowohl den Elektrolyten auf Silikatbasis, als auch den Elektrolyten auf Phosphatbasis, jeweils mit und ohne Zugabe von Tonpartikeln durchgeführt. Die Temperatur des Elektrolyten wurde mittels eines Wasserkühlungssytems bei 10°C ± 2°C gehalten.
Alle beschichteten Proben wurden sofort nach der Plasmaelektrolyse mit destilliertem Wasser abgespült und in Umgebungsluft getrocknet.
Die durch Plasmaelektrolyse beschichteten Probekörper wurden in einem Cambridge Stereoscan 200 Elektronenmikroskop untersucht. Röntgenbeugung (XRD) wurde mit einer Cu-K_α-Strahlung zur Bestimmung der Phasenzusammensetzung durchgeführt.
Die Struktur der Beschichtung wurde mittels TEM beurteilt. Die TEM-Probekörper wurden hergestellt, indem ein Abschnitt mittels FIB (Focused Ion Beam) aus der Beschichtung entfernt wurde, der bis zur Grenzfläche des Substrats reichte.
Elektrochemische Untersuchungen wurden zur Bestimmung des Korrosionsverhaltens von unbeschichteten und PEO-beschichteten Probekörpern mittels eines Gill AC Potentiostaten durchgeführt. Es wurde eine typische Drei-Elektroden-Zelle mit einer gesättigten Ag/AgCl (gesättigt mit KCl) als Referenz-Elektrode, einer Platinnetz-Gegenelektrode (0,5 cm²) und die Proben als Arbeitselektrode verwendet. Die elektrochemischen Untersuchungen wurden in 0,1 M NaCl-Lösung durchgeführt.
Makroskopische Untersuchungen der Morphologie der korrodierten Oberfläche der Probekörper wurden mit einem optischen Stereomikroskop und im Cambridge Stereoscan 250 Elektronenmikroskop durchgeführt.
1 zeigt das Resultat einer Elektrochemischen. Impendanzspektroskopie Untersuchung von mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis ohne Tonpartikel erzeugten Probekörpers nach unterschiedlich langer Immersion in 0,1 M NaCl-Lösung;
2 zeigt das Resultat einer Elektrochemischen Impendanzspektroskopie Untersuchung von mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörpers nach unterschiedlich langer Immersion in 0,1 M NaCl-Lösung;
3 zeigt das Resultat einer Elektrochemischen Impendanzspektroskopie Untersuchung von mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis ohne Tonpartikel erzeugten Probekörpers nach unterschiedlich langer Immersion in 0,1 M NaCl-Lösung;
4 zeigt das Resultat einer Elektrochemischen Impendanzspektroskopie Untersuchung von mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörpers nach unterschiedlich langer Immersion in 0,1 M NaCl-Lösung;
Beispiel 1
Mit Elektrolyt auf Phosphatbasis hergestellte PEO-Beschichtung Die REM-Aufnahmen zeigen, dass die Oberfläche des mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis (ohne Tonpartikel) erzeugten Probekörpers Mikroporen mit einer Größe von 10–30 μm im Durchmesser aufweist. Die Porenfreie Region ist hingegen glatt. Auf der Oberfläche des mittels PEO unter Verwendung eines 10 g/l Tonpartikel enthaltenden Elektrolyten auf Phosphatbasis waren viele kleine Partikel zu erkennen; die Oberfläche war rau. Die Größe der kleinen Partikel variierte von einigen hundert nm bis zu wenigen mm. Querschnittaufnahmen zeigten, dass die Dicke der mit Tonpartikeln erzeugten Beschichtung (20 μm ± 2 μm) geringer war, als die der ohne Tonpartikel erzeugten Beschichtung (25 μm ± 2 μm). In der mit Tonpartikeln erzeugten Beschichtung wurden auch viel mehr Poren beobachtet.
Ein weiteres interessantes Resultat ist, dass die Hydrophilie der beiden PEO-beschichteten Probekörper unterschiedlich ist. Der mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis ohne Tonpartikel erzeugte Probekörper ist hydrophil, wenn der Wasserkontaktwinkel weniger als 90° beträgt. Bei dem mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörper verteilt sich der Wassertropfen schnell und überdeckt die Oberfläche sofort. Das bedeutet, dass die mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörper superhydrophil sind.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass der i_corr-Wert des mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörpers nur geringfügig unter dem des mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis ohne Tonpartikel erzeugten Probekörper liegt. Tabelle 1:

Probekörper	E_corr (mV)	i_corr (mA/cm²)	E_bd (mV)
Unbeschichtete Mg-Legierung	–1460 ± 10	(2,0 ± 0,5) × 10^–2	-
P-PEO beschichtete Mg-Legierung	–1555 ± 25	(6,8 ± 2,5) × 10^–5	–1390 ± 10
Mit Tonpartikeln P-PEO beschichtete Mg-Legierung	–1520 ± 30	(4,1 ± 1,7) × 10^–5	–1415 ± 20

Die Elektrochemische Impendanzspektroskopie Untersuchung zeigte, dass die mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis ohne Tonpartikel erzeugten Probekörper bereits nach 50 h in 0,1 M NaCl-Lösung durchfielen (1), während die mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Phosphatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörper mehr als 175 Stunden in 0,1 M NaCl-Lösung überlebten (2).
Beispiel 2
Mit Elektrolyt auf Silikatbasis hergestellte PEO-Beschichtung Die SEM-Aufnahmen zeigen, dass die Oberfläche des mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis (ohne Tonpartikel) erzeugten Probekörpers eine größere Anzahl an Mikroporen mit einer Größe von 5–15 μm im Durchmesser aufweist. Die Porenfreie Region ist hingegen glatt ohne jegliche heterogene Partikel. Auf der Oberfläche des mittels PEO unter Verwendung eines 10 g/l Tonpartikel enthaltenden Elektrolyten auf Silikatbasis waren viele kleine Partikel zu erkennen.
Querschnittaufnahmen zeigten, dass die Dicke der mit Tonpartikeln erzeugten Beschichtung und die der ohne Tonpartikel erzeugten Beschichtung in etwa gleich waren (17 μm ± 3 μm). In der mit Tonpartikeln erzeugten Beschichtung wurden auch viel mehr Poren beobachtet.
Wie auch in Beispiel 1, zeigte sich, dass die Hydrophilie der beiden PEO-beschichteten Probekörper unterschiedlich ist. Der mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis ohne Tonpartikel erzeugte Probekörper ist hydrophil, wenn der Wasserkontaktwinkel weniger als 90° beträgt. Bei dem mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörper verteilt sich der Wassertropfen schnell und überdeckt die Oberfläche sofort und der kontaktwinkel is offensichtlich viel geringer.

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass der i_corr-Wert des mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörpers eine Größenordnung über dem der unter dem des mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis ohne Tonpartikel erzeugten Probekörpers liegt. Tabelle 2:

Probekörper	E_corr (mV)	i_corr (mA/cm²)	E_bd (mV)
Unbeschichtete Mg-Legierung	–1460 ± 10	(2,0 ± 0,5) × 10^–2	-
Si-PEO beschichtete Mg-Legierung	–1430 ± 25	(4,5 ± 2,5) × 10^–6	–1150 ± 40
Mit Tonpartikeln Si-PEO beschichtete Mg-Legierung	–1465 ± 50	(4,8 ± 0,6) × 10^–5	–1230 ± 25

Die Elektrochemische Impendanzspektroskopie Untersuchung zeigte, dass die mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silikatbasis ohne Tonpartikel erzeugten Probekörper bereits nach 100 h in 0,1 M NaCl-Lösung durchfielen (3), während die mittels PEO unter Verwendung eines Elektrolyten auf Silkatbasis mit Tonpartikeln erzeugten Probekörper mehr als 175 Stunden in 0,1 M NaCl-lösung überlebten (4).
Röntgenbeugungsuntersuchungen (XRD) legen nahe, dass sich die Beschichtungsstruktur von kristallin zu amorph ändert, wenn Tonpartikel zu den Elektrolyten gegeben werden. Die scharfen XRD-Peaks der kristallinen Schicht verschwinden bei Zugabe von 3 g/l, 6 g/l und 10 g/l Tonpartikel sukzessiv und es zeigt sich das typische breite Beugungsspektrum eines glasartigen Materials. Die Peaks stammen von dem Mg-Substrat unter der Schicht. Dieser Befund wurde durch TEM-Untersuchungen bestätigt.
Die Zusammensetzungen der Beschichtungen wurden mittels EDX-Analyse bestimmt und sind in der nachfolgenden Tabelle 3 wiedergegeben. Tabelle 3:

At.% O Na Mg Al Si P C Fe

P-PEO 50 7 27 0 0 12 4 0

+ 3 g/l Ton 50 6 18 2 7 8 7 1

+ 10 g/l Ton 50 6 11 5 15 6 6 2

Si-PEO 47 4 21 1 18 0 10 0

+ 10 g/l Ton 50 4 11 4 23 0 6 2
Tabelle 3 legt nahe, dass sich die Zusammensetzungen der Beschichtungen denen von Biogläsern (gemischt aus Na₂O, MgO, CaO, SiO₂, Al₂O₃, P₂O₅) ähneln. Nur Ca fehlt als typischer Bestandteil. Man kann daher ähnliche biomedizinische Anwendungen erwarten. Ca kann aber auch in Form von Ca(OH)₂ dem Elektrolyten zugegeben werden, so dass es auch in die Beschichtung eingebracht werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats auf Basis von Leichtmetallen durch plasmaelektrolytische Oxidation, bei dem das Substrat als eine Elektrode zusammen mit einer Gegenelektrode in eine Elektrolytflüssigkeit eingetaucht und eine ausreichende elektrische Spannung zur Erzeugung von Funkenentladungen an der Oberfläche des Substrats angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt darin dispergierte Tonpartikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetall aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Aluminium, Titan, Beryllium oder deren Legierungen ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetall Magnesium oder eine Legierung davon ist.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonpartikel eine Größe von 1 nm bis 100 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonpartikel eine Größe von 10 nm bis 20 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonpartikel eine Größe von 50 nm bis 15 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt zusätzlich Phosphate und/oder Silikate enthält.
Beschichtetes Substrat auf Basis von Leichtmetallen, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7 herstellbar ist.
Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine amorphe, glasartige Oxidbeschichtung aufweist.