DE102015105449B4

DE102015105449B4 - Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf Aluminiumteile

Info

Publication number: DE102015105449B4
Application number: DE102015105449.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Franz Robert Rieger
Original assignee: Rieger Metallveredlung & Co KG GmbH
Current assignee: RIEGER METALLVEREDLUNG GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: DE102015105449A1; WO2016162201A1

Abstract

Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht, insbesondere gegen Korrosion und Verschleiß, auf Aluminiumteile mit folgenden Schritten:
a) elektrolytische Bildung einer Aluminiumoxidschicht (2) auf den Aluminiumteilen (1), anschließend
b) Einbringen der unverdichteten Aluminiumteile (1) in ein Aktivierungsbad (3), das Palladium in ionogener Form enthält und Aufbringen von Wechselstrom mit 1,0 bis 4,0 V in das Aktivierungsbad (3) und anschließend
c) chemisches Aufbringen von Nickel (7) auf die Aluminiumoxidschicht (2), in deren Poren Palladium (5) eingelagert ist, in einem Nickelbad (6) für eine Dauer von 20 bis 40 Minuten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf Aluminiumteile und nach dem Verfahren hergestellte Aluminiumteile.
Bekannt ist die elektrolytische Bildung einer Aluminiumoxidschicht meist in schwefelsauren Lösungen als Korrosionsschutzschicht auf Aluminium und Aluminiumlegierungen. Dieses Verfahren ist auch als sogenanntes Eloxalverfahren bekannt. Anschließend erfolgt eine Verdichtung der Eloxalschicht.
In der WO 91/03583 A1 ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art beschrieben, wobei auf die Aluminiumoxidschicht in einem Aktivierungsbad in einer Palladiumnitrosulfatlösung mit 12,5 V Wechselstrom Palladium aufgebracht wird. Anschließend wird stromlos Nickel chemisch für 10 bis 20 Minuten auf die Palladiumschicht aufgebracht.
In der US 5,218,472 A ist ein ähnliches Verfahren beschrieben. Aufgabe dieses vorbekannten Verfahrens ist es, einen porösen transparenten dielektrischen Film aufzubringen. Dabei wird Phosphorsäure und auch mit einer Palladiumnitrosulfatlösung gearbeitet, wobei das Palladiumnitrosulfat mit 10 V oder 15 V Wechselstrom auf das Aluminiumoxid aufgebracht wird.
Eloxalschichten auf Aluminiumteilen sind ihrer Natur nach keramische, elektrisch isolierende Schichten, die aus Gründen des Korrosionsschutzes und zur Erzielung einer hinreichenden Verschleißfestigkeit durch einen elektrochemischen Prozess, erzeugt sind. Durch eine hierbei hervorgerufene Wasserelektrolyse und damit verbundener Oxidation werden die Oberflächenbereiche des Aluminiumwerkstoffes in eine Oxidschicht umgewandelt, welche aus dem Grundmaterial herauswächst und somit haftfest damit verbunden ist. Die Oxidschicht besitzt dabei eine Porenstruktur aus hexagonalen Oxidzellen mit zentral darin ausgebildeten Poren, welche bis auf das Grundmaterial hinunter reichen. Bekannt ist auch, in die Porenstruktur eine elektrolytische Einlagerung von Metallen in den Porengrund zur witterungsbeständigen Einfärbung von Eloxalschichten, z. B. für Fassaden in Bronzetönen bzw. für organische oder anorganische Auffärbungen, durchzuführen.
Nachteilig dabei ist jedoch, dass eine geschlossene Metallschicht auf der Oberfläche der Eloxalschicht bisher nicht erzeugt werden konnte. Dies bedeutet, ein Korrosionsschutz für das Aluminiumteil ist nicht immer gegeben, wenn eine Beschädigung der Außenhaut aufgetreten ist. In diesem Fall entsteht durch das unedle Aluminium und die darüber angeordneten edleren Metallteile eine „Korrosionsbatterie“. Dies führt entsprechend zu Korrosion.
Bekannt ist auch, das Aluminium mit einer Zinkatbeize zu behandeln, wodurch eine sehr dünne Schicht auf dem Aluminium gebildet wird. Anschließend wird dabei in einem weiteren Bad z. B. chemisch Nickel aufgebracht.
Insbesondere im Maschinenbau, der Automobilindustrie und der Elektronikindustrie sind zum Beispiel für Aluminiumgehäuse neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Abriebfestigkeit (Kratzfestigkeit) auch noch aus Gründen einer elektromagnetischen Abschirmung eine minimale elektrische Leitfähigkeit (und zusätzlich auch noch magnetische Abschirmwirkung) erwünscht. Diese hohen Anforderungen konnten bisher mit den bekannten Verfahren insbesondere bei einem Einsatz in korrosiven Umgebungen nur bedingt erfüllt werden.
Zum Stand der Technik wird auch auf die DE 29 20 632 C2 und die DE 32 46 323 A1 verwiesen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schutz für Aluminiumteile, insbesondere gegen Korrosion und Verschleiß, zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Schritte gelöst:

a) elektrolytische Bildung einer Aluminiumoxidschicht auf den Aluminiumteilen; anschließend
b) Einbringen der unverdichteten Aluminiumteile in ein Aktivierungsbad, das Palladium in ionogener Form enthält und Aufbringen von Wechselstrom mit 1,0 bis 4,0 V in das Aktivierungsbad und anschließend
c) chemisches Aufbringen von Nickel auf die Aluminiumoxidschicht, in deren Poren Palladium eingelagert ist, in einem Nickelbad für eine Dauer von 20 bis 40 Minuten.

Normalerweise wird nach der elektrolytischen Bildung der Aluminiumoxidschicht (Eloxieren) das Aluminiumteil in einem erwärmten Wasserbad behandelt, wodurch die Poren in der Aluminiumoxidschicht verdichtet werden.
Erfindungsgemäß erfolgt jedoch nunmehr keine Verdichtung, sondern die unverdichteten und eloxierten Aluminiumteile werden in dem Aktivierungsbad mit Wechselstrom behandelt. Auf diese Weise bildet sich in den Poren der Aluminiumoxidschicht durch die Metalleinlagerungen von Palladiumteilchen eine Metallschicht. Auf diese Schicht wird anschließend in einem chemischen Prozess Nickel in einem Nickelbad autokatalytisch bzw. stromlos aufgebracht. Durch die auf die Palladiumschicht aufgebrachte Nickelschicht ist das darunter liegende Aluminium über die Aluminiumoxidschicht isoliert und vor Korrosion geschützt, weil kein Kontakt mehr zwischen dem edleren Nickel und dem unedleren Aluminium besteht. Gleichzeitig wird auf diese Weise eine weitgehend elektromagnetische Abschirmung ebenso wie eine magnetische Abschirmung erreicht.
Die Aluminiumoxidschicht selbst ist nicht leitend. Die in die Poren der Aluminiumoxidschicht eingebrachten Palladiumteilchen dienen dazu die nicht leitende Aluminiumoxidschicht auf dessen Oberfläche derart leitend zu machen, dass in einem nachfolgenden Verfahren weitere Metallschichten, wie hier Nickel und gegebenenfalls auf die Nickelschicht zusätzlich noch weitere Metallschichten - je nach Anwendung bzw. Verwendung des Aluminiumteiles - aufgebracht werden können.
Dies gilt beispielsweise zur Vermeidung von Korrosion, insbesondere in aggressiven Atmosphären, oder aus optischen Gründen.
Im Allgemeinen wird es ausreichend sein, wenn die aufgebrachte Nickelschicht eine Stärke von 3 bis 4 µ aufweist.
Im Bedarfsfalle sind auch partielle und selektive Metallbeschichtungen auf diese Weise möglich.
In einem erfindungsgemäßen vorteilhaften Verfahren kann zum Aufbringen des Palladiums in die Poren z. B. ein Schwefel- oder chlorsaures Bad verwendet werden. Sehr vorteilhaft hat sich hierbei ein Palladiumsulfatbad herausgestellt.
Auf der Basis der erfindungsgemäßen Grundschichten können nahezu beliebig weitere Metallschichten abgeschieden werden, auch als Mehrschichtensysteme, entsprechend den gestellten Anforderungen. Funktionelle wie auch dekorative Metalloberflächen sind damit erzielbar.
Die auf diese Weise erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumteile können in den verschiedensten Anwendungsbereichen verwendet werden. So sind zum Beispiel Gehäuse aus Knet- oder aus Gusslegierungen für sensible elektronische Schaltungen und Apparate möglich. Durch eine Abstimmung der elektrischen Metalleinlagerungen ist es auch möglich, einen entsprechend großen Ableitwiderstand einzustellen, wie dies zur Vermeidung elektrischer Entladungen unter Funkenbildung erforderlich ist.
Weitere Einsatzbereiche sind mechanisch wie auch thermisch beanspruchte Elektronikgehäuse, Schaltschränke, Leitungsführungen, Messvorrichtungen, chemische Apparatebau mit elektrostatischem Schutz.
Durch die Verankerung der Metalleinlagerung in der Eloxalschicht wird eine sehr gute Haftfestigkeit und Wärmebeständigkeit erreicht.
Durch Einstellung der Füllhöhe der Poren bei dem galvanischen Nickel-Prozess kann auch vor dem Erreichen der äußeren Oberfläche der Grad der elektrischen Leitfähigkeit eingestellt werden. Dies ist zum Beispiel durch Abbrechung der chemischen Nickelabscheidung in einem bestimmten Stadium möglich.
Mit der an der Oberfläche auch bei einer partiellen Nickelfüllung der Eloxalschichtporen noch zutage tretenden Eloxaloberfläche steht eine harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberfläche zur Verfügung.
Neben einem funktionalen Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Aluminiumteile ist auch ein Einsatz in einem dekorativen Bereich durch eine entsprechende Metallbeschichtung, zum Beispiel durch Chrom, mit metallisch glänzenden, farbigen oder reflektierenden Oberflächen in den verschiedensten Bereichen des täglichen Lebens möglich.
Durch die erfindungsgemäße Kombination von Eloxierung (anodische Oxidation) und anschließendem Aufbringen von Nickel in einem gemeinsamen Herstellverfahren werden die jeweiligen Oberflächeneigenschaften wie Korrosions- und Verschleißschutz deutlich verstärkt.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen prinzipmäßig beschrieben.
Es zeigt:

1 ein Palladiumsulfatbad für ein eloxiertes Aluminiumteil;
2 ein Nickelbad zum chemischen Aufbringen von Nickel; und
3 einen vergrößerten Querschnitt durch ein Aluminiumteil nach dem erfindungsgemäßen Aufbringen der Schutzschichten.

Die Bildung einer Aluminiumoxidschicht auf einem Aluminiumteil 1 ist allgemeiner Stand der Technik, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. In dem folgenden Beispiel erfolgt dies beispielsweise mit einem Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahren.
Nach der Anodisation der Aluminiumteile 1 durch Bildung einer Aluminiumoxidschicht 2 (Eloxalschicht) erfolgt eine Spülung der Aluminiumteile 1. Anschließend werden die unverdichteten Aluminiumteile 1 in ein Aktivierungsbad 3, das mit einer Elektrode 4 versehen ist und das Palladiumsulfat enthält, eingelegt. Anschließend wird Wechselstrom für ca. 2 bis 4 Minuten angelegt. Nach einer Entnahme der nunmehr mit Palladiumteilchen 5 versehenen Aluminiumteile 1, die sich in den Poren der Aluminiumoxidschicht 2 abgesetzt haben, erfolgt eine Spülung mit Wasser. Die Spannung in dem Aktivierungsbad liegt vorzugsweise zwischen 1,0 und 4,0 V und die Temperatur zwischen 10 °C und 40 °C. Die Stromstärke stellt sich dabei selbst ein.
Nach der Spülung mit Wasser wird in einem Nickelbad 6 Nickel 7 in einem chemischen Prozess auf die Aluminiumoxidschicht 2, in deren Poren bereits Palladium 5 eingelagert ist, aufgebracht. In dem Nickelbad 6 erfolgt eine Behandlung der Aluminiumteile 1 für ca. 20 bis 40 Minuten. Als Nickelbad 6 wird ein Nickelhypophosphitbad verwendet, in welchem unter Benutzung einer autokatalytischen Redox-Reaktion eine chemische Vernickelung stattfindet.
Abschließend wird erneut eine Spülung und eine Trocknung der Aluminiumteile 1 durchgeführt.
In einer weiteren galvanischen Beschichtung lassen sich dann auf die Nickelschicht 7 beliebig weitere Metallschichten aufbringen, wie z. B. Zinn, Gold, Chrom, Glanznickel, Hartchrom und dergleichen.
Die 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt (nur Prinzipdarstellung) betreffend den Aufbau eines Aluminiumteiles 1 mit der auf dessen Außenseite gebildeten Aluminiumoxidschicht 2, der in die Poren der Aluminiumoxidschicht 2 eingebrachten Palladiumteilchen 5 und der Nickelschicht 7. Je nach Anwendungs- bzw. Verwendungsfall der auf diese Weise behandelten Aluminiumteile 1 kann auf der Nickelschicht 7 eine weitere Metallschicht 8 elektrochemisch bzw. galvanisch aufgebracht sein.
Wie aus der 3 weiterhin ersichtlich ist, ragen die „Spitzen“ der Aluminiumoxidschicht 2 außenseitig noch über die Palladiumteilchen 5 hinaus, wodurch sich eine bessere Verbindung der Aluminiumoxidschicht 2 auch mit der darüber liegenden Nickelschicht 7 ergibt.
Anstelle von Palladiumsulfat kann für das Aktivierungsbad auch Palladiumchlorid verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht, insbesondere gegen Korrosion und Verschleiß, auf Aluminiumteile mit folgenden Schritten: a) elektrolytische Bildung einer Aluminiumoxidschicht (2) auf den Aluminiumteilen (1), anschließend b) Einbringen der unverdichteten Aluminiumteile (1) in ein Aktivierungsbad (3), das Palladium in ionogener Form enthält und Aufbringen von Wechselstrom mit 1,0 bis 4,0 V in das Aktivierungsbad (3) und anschließend c) chemisches Aufbringen von Nickel (7) auf die Aluminiumoxidschicht (2), in deren Poren Palladium (5) eingelagert ist, in einem Nickelbad (6) für eine Dauer von 20 bis 40 Minuten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsbad (3) schwefel- oder chlorsaures Palladium enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsbad (3) Palladiumsulfat enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsbad (3) Palladiumchlorid enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszeit in dem Aktivierungsbad (3) mit dem Wechselstrom zwischen 1 und 10 Minuten beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszeit mit Wechselstrom zwischen 2 und 4 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Aktivierungsbad (3) zwischen 10 °C und 40 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Nickelbad (6) ein Nickelhypophosphitbad ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Nickelschicht (7) in einem galvanischen Verfahren eine weitere Metallschicht (8) aufgebracht wird.