DE4104847A1 - Verfahren zur keramisierung von metalloberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Kerami­ sierung von Metalloberflächen unter Nutzung der Funkenentladung in Elektrolyten insbesondere für die Metalle Aluminium, Titan, Tantal, Zirkonium, Niobium, Magnesium oder deren Legierungen.

Das Verfahren ist insbesondere für die Keramisierung von großflächigen Werkstücken einsetzbar.

Die Funkenentladung in wäßrigen Elektrolyten zur Be­ schichtung von Aluminium wird in DE-OS 22 03 445 unter Verwendung von Gleichstrom beschrieben. Der Einsatz von Gleichstrom hat den Nachteil, daß durch das Auf­ treten von Funkenlawinen mit sehr unterschiedlichen Einzelentladungsenergien bzw. -intensitäten relativ rauhe und örtlich unterschiedlich zusammengesetzte Keramikoberflächen entstehen. Außerdem können diese Gleichströme nur unter Verlust erzeugt werden. Des weiteren treten beim Übertragen hoher Gleichspan­ nungsströme, z. B. an Schaltelementen, größere Probleme auf. Darüber hinaus ist bei Anwendung von Gleich­ spannung eine Gegenelektrode (Kathode) notwendig, die zur unerwünschten Veränderung des Elektrolyten führen kann.

In DD-WP 1 42 360 wird die anodische Oxidation unter Funkenentladung für das Metall Aluminium mit Gleich und/oder Wechsel- und/oder mit monopolaren Impuls­ spannungen, Gleich- und Wechselspannung bei Anwendung eines Anoden-Kathoden-Verhältnisses von kleiner 1 : 1 in wäßrigen Elektrolyten beschrieben. Auch hier tre­ ten bei der Umsetzung des Verfahrens auf Metallober­ flächen größer 1 m² erhebliche technische Probleme auf. Insbesondere sind das sicherheitstechnische Fragen, die Bereitstellung des Gleich- und/oder Impuls­ stromes mit hoher Leistung, schaltungstechnische Realisierung, schädlicher Einfluß des Kathodenmate­ rials auf das elektrolytische Bad durch nichtgewünsch­ te Rücklösungseffekte oder auch asymetrische Belastung des Netzes bei Realisierung hoher Impulsleistungen.

Gemäß der EP-A-2 80 886 wird die Funkenentladung in wäßrigen Elektrolyten auf den Metallen Aluminium, Titanium, Tantal, Zirkonium, Niobium oder deren Legierungen mit definierten Impulsen durchgeführt. Die Erzeugung dieser Impulse erfolgt vorzugsweise über Transistor oder Thyristorschaltung und setzt hohen technischen Aufwand voraus.

Negative Auswirkungen beim Betreiben solcher Impuls­ generatoren können z. B. auf Informationssysteme (Nachrichten- und Computertechnik) nicht ausgeschlos­ sen werden, bzw. erfordern Schutzmaßnahmen mit erhöhtem technischen Aufwand.

Alle bisher beschriebenen Verfahren können somit nur mit hohem elektrotechnischen Aufwand betrieben werden, was einer großtechnischen Anwendung nicht förderlich ist.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kera­ misierung von Metalloberflächen unter Nutzung der Funkenentladung zu schaffen, bei dem insbesondere großflächige Teile mit geringem elektrotechnischen Aufwand keramisiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Keramisierung von Metalloberflächen größer 1 m² aus Aluminium, Titanium, Tantal, Niobium, Zirkonium, Magnesium oder deren Legierungen unter Funkenentladun­ gen in liquiden Elektrolyten zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein effektives Strom-Spannungs-Zeit-Regime in der Weise genutzt wird, daß die zu beschichtenden Werk­ stücke (Teile) aus den genannten Metallen oder deren Legierungen an eine regel- oder steuerbare Spannungs­ quelle, die zeitabhängige, verkettete, mehrphasige, periodische Ströme liefert, in dem elektrolytischen Bad ohne Verwendung einer nicht zu keramisierenden Gegenelektrode so angeschlossen sind, daß jede Phase der Spannungsquelle im Bad gleichermaßen die Kerami­ sierung erzeugt und die Werkstücke ebenso die Funktion der Anode und Kathode übernehmen.

Unter der Voraussetzung, daß die zu beschichtenden Teile gleiche Oberflächen und die Elektrolyte eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, treten keinerlei asymmetrische Phasenbelastungen des Genera­ tors auf.

Überraschender Weise wurde gefunden, daß alle im elektrolytischen Bad zu beschichtenden und gepolten Teile ein gleichmäßiges Funkenbild zeigen. Durch die Verkettung der Phasen treten homogene Feldverteilungen im elektrolytischen Bad auf, die selbst bei Änderung der räumlichen Anordnung der Elektroden keine wesent­ liche Veränderung im Funkenbild bzw. im Beschichtungs­ stromverlauf ergeben. Weiterhin ergibt sich durch die Verkettung, daß z. B. schon bei Anwendung eines drei­ phasigen Stromes jedes zu beschichtende Teil < 1/3 der Zeit als Anode wirkt, da die Totzeit bis zum Erreichen der Funken-Zündspannung negiert wird. Daraus resultiert auch, daß durch die speziellen Potentialverläufe der verketteten Phasen eine kürzere Beschichtungszeit als bei Anwendung von Wechselstrom erreicht und die Effektivität des Verfahrens bezüglich der beschichte­ ten Fläche pro Zeit erhöht wird.

Die so erhaltenen Keramikschichten sind aufgrund des hohen Erschmelzungsgrades makroskopisch sehr glatt und haftfest. Außerdem ist durch das erfindungsgemäße Strom-Spannungs-Zeit-Regime, das durch die Zeitabhän­ gige Verkettung der periodischen Ströme charakterisiert ist, überraschender Weise eine extrem großporige Schicht­ ausbildung möglich. Diese Schicht unterscheidet sich bezüglich des mittleren Porendurchmessers gegenüber den bekannten und nach DD-WP 1 42 360 oder EP-A-2 80 886 erzeugten Schichten bis zu einem Faktor von 10. Das erfindungsgemäße Verfahren besticht durch die einfache technische Realisierung und Effektivität.

Durch die gleichmäßige Phasenauslastung werden Rück­ wirkungen auf das elektrische Netz ausgeschlossen. Es lassen sich große Beschichtungsflächen < 1 m² komplika­ tionslos keramisieren.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungs­ beispiel näher beschrieben werden.

Beispiel

Jeweils ein zu keramisierendes Werkstück aus Aluminium 99,5 mit den Abmessungen 400·300·4 mm wird mit je einer Phase eines dreiphasigen Generators in einem wäßrigen elektrolytischen Bad der Zusammensetzung 0,5 mol/l NaF, 0,5 mol/l NaH₂PO₄, 0,1 mol/l Na₂B₄O₇, 0,1 mol/l NH₄F kontaktiert. Die verkettete Spannung wird kontinuierlich von Null Volt auf die Zündspannung der Funkenentladung von 150 Volt strombegrenzt mit 30 Ampere hochgeregelt. Unter diesen Bedingungen beginnen nach der Formierungszeit von 4 Minuten auf allen Werkstückoberflächen gleichzeitig und optisch gleichverteilt die Funkenentladungen. Bei einer Arbeits­ stromstärke von 25 Ampere je Phase entsteht innerhalb von 45 Minuten über die gesamten Oberflächen eine gleichmäßige 18 µm dicke Keramikschicht.

Claims (1)

1. Verfahren zur Keramisierung von Metalloberflächen insbesondere der Metalle Aluminium, Titanium, Tantal, Niobium, Zirkonium, Magnesium oder deren Legierungen unter Nutzung der Funkenentladung in Elektrolyten dadurch gekennzeichnet, daß an eine regel- oder steuerbare Spannungsquelle, die zeit­ abhängige, mehrphasige, periodische Ströme liefert, in einem elektrolytischen Bad ohne Verwendung einer nicht zu keramisierenden Gegenelektrode Werkstücke so angeschlossen sind, daß jede Phase der Spannungsquelle im Bad gleichermaßen die Keramisierung erzeugt und die Teile ebenso die Funktion der Anode und Kathode übernehmen.