DE19932098B4

DE19932098B4 - Verfahren zum elektrolytischen Färben von Aluminium-Oberflächen

Info

Publication number: DE19932098B4
Application number: DE1999132098
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Munk
Original assignee: ALGA FORSCHUNGS und ENTWICKLUN; ALGA-FORSCHUNGS- und ENTWICKLUNGSGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: ALGA FORSCHUNGS und ENTWICKLUN; ALGA-FORSCHUNGS- und ENTWICKLUNGSGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-07-10
Also published as: DE19932098A1

Abstract

Mit einem Verfahren zum elektrolytischen Färben von Aluminium-Oberflächen mit Vorbehandlungsschritten zur Aufbereitung und Reinigung der Aluminium-Oberfläche der nachfolgenden Behandlung in einem Gleichstrom-Schwefelsäurebad/Anodisationsbad sowie dem darauf folgenden Einbringen von Metallsalzen in die Oberfläche in einem gleichstrom-/wechselstrombeaufschlagten Färbebad sowie einer Nachverdichtung nach mehreren Spülvorgängen soll eine Lösung geschaffen werden, mit der eine Fülle von Farbtönen erzeugbar ist, neben den bekannten Hellbronze- bis Schwarztönen auch Farben von grau über blau, grün, gelb, rot und violett. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, daß nach der ersten Sperrschichtbildung im Gleichstrom-Schwefelsäurebad/Anodisationsbad wenigstens eine weitere Sperrschicht durch Aufbringung eines vom Gleichstrom verschiedenen Stromes erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Anspruch 1 angegebenen Gattung.

Anodisationsanlagen gibt es bereits seit mehr als 50 Jahren in allen Ländern der Welt. Ob es sich um Kleinteileanlagen oder Strangpreßprofilanlagen handelt, sie sind im Prinzip gleich aufgebaut. Die Wannengrößen variieren von 1,5 m bis 15 m Länge, Standard ist 7 m.

Der Aufbau der Anlage ist in etwa bei allen Anlagen gleich, und zwar wie folgt:
Die Teile müssen gereinigt werden. Es ist also eine Reinigungsstufe eingebaut. Die Teile werden dann chemisch behandelt, um die Oberflächenstruktur des Aluminiums zu verbessern, das sogenannte Beizen. Da dieses meistens im alkalischen Bereich durchgeführt wird, wird das Material nach mehreren Spülvorgängen, die auch zwischen den einzelnen Stufen durchgeführt werden, neutralisiert. Hierbei nimmt man vorzugsweise Salpetersäure bzw. andere Oxidationsmittel.

Nach dieser sogenannten Vorbehandlung einschließlich dem Spülvorgang nach der Salpetersäure werden die Teile dann in ein Gleichstrom-Schwefelsäurebad/Anodisationsbad eingebracht. Diese Bäder bestehen in der Regel aus Schwefelsäure zwischen 100 und 250 g pro Liter und eventuellen anderen chemischen Produkten, z.B. Oxalsäure. An diesem Bad ist ein Gleichrichtergerät angeschlossen. Die Gleichrichtergeräte sind zwischen 0 und 30 Volt Gleichspannung regelbar.

Der positive Pol wird an der Ware angeschlossen. Bei Stromdichten zwischen 0,5 und 3 A/dm² wird nun anodisiert. Es entsteht eine Oxidschicht an der Oberfläche des Aluminiums, die je nach Verweildauer im Bad und Stromdichte zwischen 5 und 30 um betragen. Die Ware wird dann nach einigen Spülvorgängen verdichtet. Der Eloxalprozeß ist in dem Naturton abgeschlossen.

Vor ca. 40 Jahren ist ein zusätzliches Verfahren hinzugekommen, so daß nach dem Anodisieren in den Poren Metallsalze, vorzugsweise Zinn-(II)-Sulfat, aber auch Nickel, Kobalt und Gemenge dieser sowie andere Metallsalze, eingelagert werden können. Dies geschieht wiederum in einem schwefelsäurehaltigen Bad, wobei die Konzentration der Schwefelsäure im Bereich zwischen 5 und 25 g pro Liter liegt. Die entsprechende Menge Metallsalz wird dazugegeben und ein Stabilisator verhindert, daß sich das zweiwertige Zinn z.B. in vierwertiges Zinn umwandelt. Die Streufähigkeit des Elektrolyten wird durch den Stabilisator zusätzlich erhöht.

Durch Wechselstrom wird dann beim Eintauchen in das Bad die Einlagerung der Metallsalze in den Poren vorgenommen. Die Wechselspannung beträgt in der Regel zwischen 5 und 25 Volt. Der Farbton ergibt sich aufgrund der Verweildauer im Bad unter Strom.

Eine Verbesserung der Einfärbung ergibt sich durch ein sogenanntes Gleichstrom/Wechselstromverfahren. Hier wird nach dem Eintauchen in dem Colorbad erst noch eine Gleichspannung, in der Regel zwischen 10 und 20 Volt, auf das Material aufgeschaltet. Hierbei ändert sich die Sperrschicht, sie wird gleichmäßiger, so daß die nachträglich eingeschaltete Wechselstromphase das Material gleichmäßiger einfärben kann. Danach wird dann der übliche Vorgang weiter fortgesetzt, d.h. in mehreren Spülvorgängen wird das Material dann nachverdichtet.

Ein anderes Colorverfahren ist das Einfärben mit organischen Farbstoffen im stromlosen Zustand. Diese sind jedoch meistens nicht lichtecht und sehr aufwendig zu handhaben.

Vor ca. 10 Jahren wurde ein Interferenz-Farbverfahren entwickelt. Dieses Verfahren benötigt jedoch einen zusätzlichen Behälter mit den gleichen Abmessungen wie der Anodisationsbehälter. Hier wird ein zweiter Anodisationsprozeß durchgeführt, allerdings unter sehr schwierigen Bedingungen. Es wird vorzugsweise mit hochkonzentrierter Phosphorsäure gearbeitet, d.h. für den Betreiber besteht das Problem des Platzes sowie Probleme von zusätzlichen Chemikalien in seiner Anlage (Neutralisationsprobleme, zusätzliche Spüleinrichtungen).

Bei einem ähnlichen Verfahren muß ein zusätzliches Colorbad installiert werden. Die komplette Installation zu diesem Colorbad muß mit Spezialkabel durchgeführt werden (sehr teuer und aufwendig bei Strömen bis zu 15.000 Amp.). Außerdem muß das Colorbad, das bisher in Temperaturbereichen zwischen 18°C und 22°C gehalten werden konnte, nun exakt mit ± 0,1°C temperaturgeregelt werden und dieses bei einem Badvolumen bis 25 m³. Ein weiterer Nachteil ist, daß eine Spezialchemikalie eingesetzt werden muß.

Ein drittes Verfahren benötigt ein spezielles Modifizierungsbad, d.h. auch hier sind wieder zusätzliche Wannen erforderlich, sowohl Aktivierungswannen als auch Spülwannen sind einzusetzen.

Das Bad wird mit einem sehr hohen Schwefelsäureanteil in den Bädern betrieben, d.h. mit ca. 500 bis 600 g Schwefelsäure pro Liter. Auch hier ergeben sich wieder Probleme mit der Neutralisation.

Zum Stand der Technik des Färbens von Al-Oberflächen sei als Beispiel auf einige Literaturstellen verwiesen, die unter an derem auch zwei Stufen zeigen, allerdings in einer von der vorliegenden Erfindung unterschiedlichen Verfahrensweise, siehe dazu US-4 310 586, US-4 571 287, EP-B-0 533 852 und die DE 24 16 027 B2 . Eine allgemeine Ausführung zur Oberflächenbehandlung von Aluminium zeigt die Publikation T.W. Jelinek: Oberflächenbehandlung von Aluminium, Eugen G. Lenze Verlag Saulgen, 1997, Seiten 231, 314 bis 318, wobei Kurzhinweise auch in zwei japanischen Abstracts JP 52068833 A , Abstract aus WPIDS 1977-51257 Y [29] oder JP 54028740 A , Abstract aus WPIDS 1979-28529 B [15] gegeben sind.

Aufgabe der Erfindung ist neben der Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine Lösung zu schaffen, mit der insbesondere eine Fülle von Farbtönen erzeugbar ist, neben den bekannten Hellbronze- bis Schwarztönen auch Farben von grau über blau, grün, gelb, rot und violett.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach der ersten Sperrschichtbildung im Gleichstrom-Schwefelsäurebad/Anodisationsbad wenigstens eine weitere Sperrschicht zur Ermöglichung von Interferenzen durch Lichtreflektion und Lichtbeugung durch Aufbringung eines Wechselstromes oder getakteten Gleichstromes erzeugt wird, wobei bei Erzeugung der ersten Sperrschicht der Anodisierstrom gemessen und dessen Wert nach Beendigung des Anodisierens in eine Regelung übernommen wird, der zur Auf bringung der weiteren Sperrschicht notwendige Strom auf unter 30 % dieses Wertes abgesenkt und über eine Zeit von etwa 60 Sekunden langsam auf den der jeweiligen Farbe zugeordneten Endstrom hochgefahren wird.

Durch die Aufbringung einer weiteren Sperrschicht ist es möglich, die optischen Eigenschaften der Oberfläche so zu ändern, daß eine Vielzahl von Farbtönen gezielt erreichbar ist, da durch die Bildung einer zweiten, nicht porösen Aluminium-Oxidschicht das optische Verhalten der Oberfläche gegenüber der herkömmlichen, im schwefelsauren Elektrolyten gebildeten Oxidschicht positiv verändert wird. Durch Lichtreflektion und Lichtbeugung treten Interferenzen auf, die zur Auslöschung oder Verstärkung von Wellenlängenbereichen des sichtbaren Lichtes führen und damit die gewünschte Färbewirkung der Oberfläche ermöglichen.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Verfahren in bisher bereits eingesetzten Anlagen durchgeführt werden kann, beispielsweise im ohnehin vorhandenen Anodisationsbad, wobei es nach der Erfindung selbstverständlich auch möglich sein kann, die zweite Sperrschicht in einem separaten, schwefelsauren Prozeßbad zu bilden.

Eine der Möglichkeiten besteht darin, die Bildung der zweiten Sperrschicht durch Beaufschlagung mit einer getakteten Gleichspannung oder einer Wechselspannung vorzunehmen, wobei die Spannungen unterhalb der vorangegangenen Anodisationsspannung liegen, etwa zwischen 1 bis 20 Volt, wie dies die Erfindung in Ausgestaltung ebenfalls vorsieht.

Natürlich ist es auch möglich, eine Spannungsvorwahl durchzuführen, unabhängig vom Strom, der sich beim Anodisieren ergibt.

Durch die erfindungsgemäße Bildung wenigstens einer weiteren Sperrschicht in einem schwefelsauren Elektrolyten mit oder ohne Zusätze, ist es mit Hilfe einer jeder Farbe zugeordneten Stromkurve möglich, elektrolytisch Farbtöne zu erzeugen, die nach den herkömmlichen Verfahren nicht erzeugbar sind.

Claims

Verfahren zum elektrolytischen Interferenz-Färben von Aluminium-Oberflächen mit Vorbehandlungsschritten zur Aufbereitung und Reinigung der Aluminium-Oberfläche, der nachfolgenden Behandlung in einem Gleichstrom-Schwefelsäurebad/Anodisationsbad sowie dem darauf folgenden Einbringen von Metallsalzen in die Oberfläche in einem gleichstrom-/wechselstrombeaufschlagten Färbebad sowie einer Nachverdichtung nach mehreren Spülvorgängen, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Sperrschichtbildung im Gleichstrom-Schwefelsäurebad/Anodisationsbad wenigstens eine weitere Sperrschicht zur Ermöglichung von Interferenzen durch Lichtreflektion und Lichtbeugung durch Aufbringung eines Wechselstromes oder getakteten Gleichstromes erzeugt wird, wobei bei Erzeugung der ersten Sperrschicht der Anodisierstrom gemessen und dessen Wert nach Beendigung des Anodisierens in eine Regelung übernommen wird, der zur Aufbringung der weiteren Sperrschicht notwendige Strom auf unter 30 % dieses Wertes abgesenkt und über eine Zeit von etwa 60 Sekunden langsam auf den der jeweiligen Farbe zugeordneten Endstrom hochgefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringung einer weiteren oder mehrerer weiterer Sperrschichten im Anodisationsbad oder einem davon verschiedenen Bad vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Sperrschicht im Anodisationsbad durch Beaufschlagung mit einer getakteten Gleichspannung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Sperrschicht durch Beaufschlagung von impulsförmiger Gleichspannung im Spannungsbereich von 1 bis 20 Volt über eine Zeit von 30 bis 900 s vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Sperrschicht durch Beaufschlagung mit einer Wechselspannung, vorzugsweise zwischen 1 und 20 Volt, aufgebracht wird.