EP2824221A1 - Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats - Google Patents

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EP2824221A1
EP2824221A1 EP13003524.9A EP13003524A EP2824221A1 EP 2824221 A1 EP2824221 A1 EP 2824221A1 EP 13003524 A EP13003524 A EP 13003524A EP 2824221 A1 EP2824221 A1 EP 2824221A1
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EP
European Patent Office
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oxide layer
layer
anodic oxide
aluminum
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13003524.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roman Fuchs
Sven Höfler
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Eloxal Hofler GmbH
Original Assignee
Eloxal Hofler GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority to EP14738390.5A priority patent/EP3019644B1/de
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    • C25D11/24—Chemical after-treatment
    • C25D11/246—Chemical after-treatment for sealing layers

Definitions

  • a method of making a corrosion resistant and wearable aluminum substrate susceptible to heat treatment at temperatures of 140 ° C or higher without crack initiation wherein the corrosion resistant and curable aluminum substrate at least partially comprises an anodic oxide layer on aluminum and an organic or inorganic lacquer layer applied thereto having an outer cover layer, wherein an aluminum substrate of an anodic oxidizable aluminum alloy degreased and pickled, then electrochemically oxidized and the exposed surface of the anodic oxide layer is applied with an organic or inorganic lacquer layer.
  • Aluminum substrates with anodized oxide layer have long been known.
  • the anodic oxide layers are produced by electrolytic oxidation of aluminum.
  • Anodic oxidation of aluminum substrates i. an electrolytic oxidation of aluminum substrates with direct current, in which the substrate is connected as an anode, results in the use of aluminum oxide-redissolving electrolytes typical layer thicknesses of 5 to 25 microns.
  • the anodic oxide layer is formed by converting the uppermost aluminum layer into an oxide or hydroxide.
  • Aluminum substrates usually have a natural, atmospheric oxide layer with layer thicknesses of a few nanometers.
  • the aluminum substrates are usually pretreated by degreasing and pickling the substrates. Pickling takes place, for example, first with basic alkalis based on sodium hydroxide solution and then with acidic solutions, typically with nitric acid or hydrofluoric acid. The mordants used and the pickling conditions depend on the material properties of the aluminum substrates. Pickling also removes the thin, natural oxide layer.
  • the pretreatment of the aluminum substrate surfaces by degreasing and pickling is usually carried out by the formation of an aluminum oxide electrolytic layer.
  • an anodized oxidation of aluminum in an alumina-repelling electrolyte is used.
  • an anodic oxidation of aluminum In an aluminum oxide redissolving electrolyte is used as the electrolyte, an acidic solution.
  • the aluminum substrate is connected as an anode and the acidic electrolyte serves as a cathode.
  • the electrolyte for example, a solution of sulfuric acid diluted with water or a mixed solution of sulfuric acid and oxalic acid is used.
  • the formation of the anodic oxide layer in an aluminum oxide redissolving electrolyte is determined by the choice of the electrolyte, its concentration and temperature, the type of current (direct or alternating current), the current density, the applied voltage and the duration of the anodic oxidation.
  • the layer thickness of the anodic oxide layer depends on the duration of the anodic oxidation, i. the duration of the anodic oxidation and the layer thickness are almost in a linear ratio at least in a first phase of the anodic oxidation.
  • the anodic oxidation is temperature dependent in an aluminum oxide redissolving electrolyte.
  • Anodic oxide layers which are prepared in an aluminum oxide redissolving electrolyte, are porous when formed. This porosity first allows the growth of the oxide layer during anodic oxidation, because for the growth of the oxide layer electrolyte must be able to reach the interface between aluminum oxide and aluminum.
  • the oxide layer formed by the anodic oxidation in an alumina redissolving electrolyte grows from the substrate surface into the aluminum ie, the interface of alumina and aluminum is within the original aluminum substrate.
  • the porosity of aluminum anodic oxide layers fabricated in an aluminum oxide redissolving electrolyte is based on the fact that an initially formed oxide layer acts as an electrical barrier layer and therefore, insulates. This increases the electrical resistance at the anode (substrate) and thus also the voltage required for the reaction. As a result of this increase in voltage, the areas of the oxide layer attacked by the acid electrolyte penetrate, the local current density increases and leads to local heating, which in turn leads to increased local chemical dissolution of the oxide layer, so that corresponding depressions are formed in the oxide layer. These channels then allow for the further anodization a corresponding charge exchange with the electrolyte, so that the surrounding oxide layer can continue to grow. The resulting anodic oxide layer always has a porous structure in an aluminum oxide-redissolving electrolyte.
  • the porous anodic oxide layers can be partially or completely dyed with an organic or inorganic dye, or other functional substances can be introduced into the porous structure of the oxide layer.
  • the colors or functional substances may be selectively applied, for example, over the entire surface in a dipping process or, if appropriate, in a printing process, for example in a screen printing process.
  • the pores have been sealed, which can be accomplished, for example, by applying the surface with wax, enamelling, Isollerlack, water glass or by compacting the pores.
  • the densification of the pores of the porous aluminum oxide layer is conveniently accomplished in hot, demineralized water.
  • the oxide layer absorbs water, resulting in a Volume increase leads and which in particular the pore necks narrow or closed.
  • the bath temperature is usually between 80 and 100 ° C.
  • the bath temperature is typically between 25 ° C and 35 ° C.
  • a preferred bath composition for cold compaction is 1.2 g / l Ni; Ratio Ni: F is 1.5: 2.0 and the pH is between 5.5 to 6.0.
  • the cold compacting of an aluminum oxide layer is then preferably carried out at a bath temperature of 25 ° C to 35 ° C for 5 to 30 minutes.
  • Aluminum substrates with 20 to 25 .mu.m thick anodic aluminum oxide layers are used, for example, in the construction industry, in automobile and aircraft construction or for household items.
  • Aluminum substrates with thinner anodic aluminum oxide layers having layer thicknesses of about 8 to 20 microns are often used for decorative purposes or for applications where high heat radiation is required.
  • Sterilizable aluminum containers in particular for the storage of medical devices or medical cutlery, have hitherto usually been produced from aluminum oxide-redissolving electrolytes in aluminum oxide, wherein the anodic oxide layer produced in aluminum oxide-redissolving electrolytes is compacted.
  • layer thicknesses of the anodic oxide layer of 15 to 25 microns are used.
  • the oxide layers are densified in hot water at temperatures between 80 and 100 ° C. In this case, the anodic oxide layers, especially in the dry state at temperatures above 100 ° C tend to micro- or hairline cracks, which may have an influence on the functional properties (sterilizing) and also are usually very disturbing decorative.
  • the cause of the cracking is in particular the different thermal expansion of aluminum (23 * 10 -6 K -1 ) and aluminum oxide (5-7 * 10 -6 K -1 ) of the anodic oxide layer.
  • the internal layer stresses greatly increase, which usually leads to layer cracks.
  • a compression of the pores of the anodic oxide layer ie a closure of the pores by increasing the volume of the oxide layer prevented by the lack of evasive volume, a relaxation of the layer stresses, which can lead to the said layer breaks.
  • the compacted anodic oxide layers of the aluminum containers are often coated with organic or inorganic paints and then the paint is dried and cured.
  • the stoving temperatures of, for example, inorganic sol-gel layers are usually above 140 ° C to ensure complete crosslinking of the silica network.
  • the substrate or electrolyte temperature during the anodic oxidation of aluminum in aluminum oxide redissolving electrolytes has an influence on the hardness of the resulting anodic oxide layer, with higher Temperatures lead to softer layers. Softer layers usually contribute to a reduction in cracking.
  • Aluminum substrates or aluminum containers having an uncompacted, porous anodic oxide layer can be made corrosion-resistant by applying to the anodic oxide layer as a primer a usually organic lacquer layer.
  • the anodic oxide layers usually have a small layer thickness of less than 5 .mu.m, wherein the lacquer layer is then usually thicker than the oxide layer.
  • the paint layers are often pigmented, so that any hair or Eloxalrisse are not visible to the naked eye.
  • the WO 2007/059883 A1 describes a method of making a weather and corrosion resistant electromagnetic radiation reflector.
  • the reflector consists of a rolled product of aluminum with a purity of greater than 99.8%, which degreased, provided with a pretreatment layer of anodic oxide layer of a thickness of 300-500 nm and with an outer sol-gel lacquer layer of 3 microns of polysiloxanes is charged.
  • the object of the present invention is to provide a corrosion-resistant, in particular heat-alkali-resistant, and wear-able aluminum substrate or aluminum container, in particular for medical applications, wherein the aluminum substrate or the aluminum container must also satisfy high functional and decorative aspects.
  • the process according to the invention always comprises an anodic oxidation of aluminum in an aluminum oxide redissolving electrolyte. During the anodic oxidation always porous aluminum oxide layers are formed.
  • the anodic oxidation of the aluminum in an alumina-redissolving electrolyte is carried out with direct current.
  • an electrolyte of either sulfuric acid (GS method) or of a mixture of sulfuric and oxalic acid (GSX method) is particularly preferably used.
  • a typical electrolyte composition for a GSX process consists of 180 to 200 grams of sulfuric acid and about 5 grams of oxalic acid per liter of electrolyte.
  • the electrolyte used is preferably a solution of sulfuric acid diluted with water or a dilute mixed solution of sulfuric acid and oxalic acid.
  • the anodic oxidation during the process according to the invention takes place in an electrolyte which dissolves aluminum oxide in such a way that an anodic oxide layer having a layer thickness of 8 to 25 ⁇ m is formed. It is essential that this anodic aluminum oxide layer before the paint coating either cold-compressed, hot water partially compacted or no hot water compression is subjected.
  • an anodic oxide layer or an anodic aluminum oxide layer is always understood as meaning a porous aluminum oxide layer formed in an aluminum oxide which dissolves in an aluminum oxide.
  • a partially compressed anodic oxide layer is understood as meaning in particular a (aged) anodic oxide layer treated in demineralized water at a temperature of 80 to 98 ° C. for 5 seconds to 5 minutes.
  • the aluminum substrate used for the process according to the invention consists of an anodizable aluminum alloy and is degreased and pickled before the anodic oxidation is carried out.
  • Essential in the inventive method is now that on the one hand, the anodic oxide layer in a predetermined layer thickness range and on the other hand, that after the electrochemical oxidation of the aluminum substrate through which an anodic oxide layer is formed a thickness of 8 to 25 microns, the anodic oxide layer either cold-compressed, partially compressed with hot water , ie in demineralized water is preferably treated at a temperature of 80 to 98 ° C for 5 seconds to 5 minutes, or is subjected to any hot water condensation. In the latter case, the aluminum oxide layer remains porous.
  • the cold compacting is conveniently done by immersing the aluminum substrate provided with the anodic oxide layer for 30 to 60 seconds in a bath containing nickel fluoride and a polar alcohol, the bath temperature being between 25 ° C and 35 ° C.
  • the porous anodic oxide layers may be partially or completely dyed with an organic or inorganic dye before any compaction or partial compaction and before the coating of the coating, or functional substances may be introduced into the porous structure of the oxide layer.
  • the colors or functional substances can be selectively applied, for example, over the whole area in a dipping process or optionally in a printing process, for example in a screen printing process.
  • the coloring of the porous oxide layer is preferably carried out by electrolytic or adsorptive dyeing, or a combination of these methods.
  • a partial ink application is preferably done by selective printing with a digital or screen printing process.
  • the electrolytic coloring is a galvanic process in which metals, in particular Fe, Cu, Nl, Sn, are deposited electrolytically at the base of the pores.
  • an absorptive staining process the aluminum substrate with the uncompacted anodic oxide layer is immersed in an aqueous dye bath containing dissolved organic dyes.
  • adsorptive staining the colors tend to deposit in the upper part of the pores.
  • Specially preferred is the coloring by absorptive dyeing or by selective printing.
  • the anodic oxide layer in demineralized water in a temperature range of 92 ° C to 98 ° C for 1 to 5 minutes partially compacted or gesealt.
  • the anodized aluminum substrate usually dries by itself at an initial temperature (substrate temperature after partial compression) of from 92 ° C to 98 ° C in its ambient air, i. without the use of drying agents, such as hot gas, blowing off with drying gases or heat in an oven or by heat radiation.
  • the cold or partial compaction of the anodic oxide layer directly after the anodic oxidation, or after a possible partial or full coloration of the porous oxide layer or impingement of the porous oxide layer with functional substances, or after rinsing in demineralized water, and before the coating the anodic oxide layer made.
  • Partial densification of the porous, anodic oxide layer is most preferably carried out in demineralized water at a temperature between 94 ° C and 97 ° C for 2 to 4 minutes.
  • the inventively produced, corrosion-resistant and Ageissaulten aluminum substrates fulfill functional as well as decorative purposes, firstly the substrate surfaces should look visually flawless, ie show a uniform surface without cracks, and secondly should be ensured by avoiding cracks that on the one hand no corrosion in the range Cracks in the anodic oxide layer or in the underlying aluminum takes place and also a smooth surface is to be ensured, which is the accumulation of impurities prevented.
  • the anodic oxide layer preferably has a layer thickness of 10 .mu.m to 20 .mu.m.
  • the anodic oxide layer is prepared by DC anodization in an aluminum oxide redissolving electrolyte.
  • the aluminum substrate is preferably made of a wrought alloy, or the aluminum alloy of the aluminum substrate is selected from the group of Al99.5, Al99.7, Al99.8Al99.0, AlCu4MgSi, AlCu4Mg1, AlMn1Cu, AlMn1Mg1, AlMn1Mg0.5, AlMn1, AlMg1, AlMg5, AlMg2Mn0 , AlMg2.5, AlMg4.5Mn0.7, AlMg4, AlMg2, AlMg3Mn, AlMg3, AlSiMg, AlMgSi, AlMg1SiCu, AlSi1MgMn, AlZn4.5Mg1 and AlZn5Mg3Cu.
  • the anodizable aluminum alloy of the aluminum substrate is a cast alloy selected from the group consisting of G- / GK- / GF-AlMg3, GD-AlMg9, G- / GK-AlMg5, G- / GK-AlMg5 (Si), AlZn5Mg, G - / GK- / GF-AlMg3, G- / GK- / GF-AlMg3Si, G- / GK-AlMg5, G- / GK-AlMg5Si, G- / GK-A / Si5Mg and GD-AlMg9.
  • a cast alloy selected from the group consisting of G- / GK- / GF-AlMg3, GD-AlMg9, G- / GK-AlMg5, G- / GK-AlMg5 (Si), AlZn5Mg, G - / G
  • the application of the organic or inorganic lacquer layer, the so-called cover layer, is done on the dried, cold-compressed or not hot water-compressed or hot water partially compressed, anodic oxide layer.
  • the lacquer layer thus applied to the exposed surface of the anodic oxide layer is then usually subjected to a heat treatment for drying and / or curing of the lacquer.
  • a heat treatment is preferably carried out at temperatures of 140 ° C or higher.
  • the cover layer of an organic or inorganic lacquer system preferably has a layer thickness of 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m to 8 ⁇ m and in particular 2 ⁇ m to 7 ⁇ m.
  • the layer thickness of the Cover layer the thickness of the located on the exposed surface of the anodic oxide coating.
  • the layer thickness of the cover layer is defined by the difference in the total thickness of the corrosion resistant and wearable aluminum substrate and the thickness of the anodized aluminum substrate.
  • the cover layer thickness does not include the varnish that may be present in the pores, ie any varnish that reaches the pores is not taken into account for the determination of the cover layer thickness.
  • the layer thickness of the cover layer is measured by an eddy current method.
  • the cover layer may be, for example, a transparent, organic polymer layer which consists in particular of one- or two-component paints, such as epoxy, acrylic, polyester or PU paints.
  • the organic or inorganic paint system is preferably a sol-gel paint of a polysiloxane, which is baked at a temperature higher than 140 ° C in the anodic oxide layer
  • a sol-gel lacquer of a polysiloxane which is prepared by acid-catalyzed hydrolysis and condensation of a mixture of a solution A and an aqueous solution B is.
  • the solution A is a solution with a first and a second alkoxysilane and a solvent miscible therewith.
  • the first alkoxysilane is preferably a tetraethoxysilane (TEOS)
  • the second Alkoxysllan preferably has the empirical formula X n Si (OR) 4-n , wherein X n and R is an organic radical, in particular an alkyl describes.
  • 'n' is a natural number of 0 to 3, preferably 1 to 3.
  • the solution A expediently contains a miscible with this solvent, in particular a polar solvent such as alcohol or ethyl acetate.
  • Solution B is an aqueous colloidal silicic acid solution or acidified water, or an acidic, aqueous solution.
  • the pH of solution B is suitably lower 7.
  • the polysiloxane is produced by a condensation reaction between hydrolyzed and crosslinkable silanes, especially alkoxysilanes, and, if present, colloidal silica.
  • the condensation reaction between hydrolyzed alkoxysilanes with one another and hydrolyzed alkoxysilanes and, if present, colloidal silicic acid results in the formation of an inorganic network of polysiloxanes.
  • organic groups in particular alkyl groups or simple alkyl groups or methyl groups, are incorporated into the inorganic network via carbon bonds.
  • the organic groups, or the alkyl groups do not participate directly in the polymerization or crosslinking of the siloxanes, i. they do not serve to form an organic polymer system, but merely for functionalization.
  • the sol-gel lacquer is expediently applied in gel form to the anodic oxide layer and then subjected to a curing and drying process.
  • a condensation reaction begins in which, with the elimination of water, a siloxane bond (Si-O-Si) is built up from two Si-OH groups in each case.
  • Progressive polymerization results in a network of polysiloxanes to which alkoxy groups are attached.
  • the drying process consists of expelling the water and alcohols remaining in the sol-gel paint, which hardens the sol-gel paint and forms a corrosion-resistant protective layer.
  • sol-gel lacquer to the anodic oxide layer can be carried out, for example, by brushing, rolling (also coil coating), spraying or dip-coating.
  • the drying or curing process is preferably carried out by means of radiation, such as UV radiation, electron radiation, laser radiation, or by means Thermal radiation, such as IR radiation, or by convection heating or a combination of the aforementioned methods.
  • radiation such as UV radiation, electron radiation, laser radiation, or by means Thermal radiation, such as IR radiation, or by convection heating or a combination of the aforementioned methods.
  • the drying or curing process is conveniently carried out at temperatures between 150 ° C and 250 ° C and is in particular in the temperature range between 170 and 230 ° C.
  • the sol-gel lacquer is expediently exposed to the drying and hardening temperature during a period of 10 seconds to 30 minutes, in particular from 10 to 90 seconds.
  • the inventive method allows the production of a corrosion-resistant and wear-resistant aluminum substrate with a thick, wear-resistant wear layer of anodized aluminum oxide and a thin, organic or inorganic lacquer layer which can be dried and cured at temperatures of 150 ° C or higher without it being too decorative or functionally impairing layer cracks ('cracking' or 'crazing') in the anodic oxide layer and / or lacquer topcoat comes.
  • the relatively high temperatures for drying and curing or baking of the paint depending on the paint system used, for the crosslinking of the inorganic or organic coating necessary, or accelerate the drying, curing, or Baking process.
  • the corrosion-resistant and wear-resistant aluminum substrate produced by the method according to the invention is given a high protection against gangrene by the thick anodic oxide layer and a high resistance to chemicals and alkalis due to the thin cover layer of organic or inorganic lacquer.
  • the low layer thickness of the cover layer on the one hand enables low paint costs and serves - especially when using inorganic sol-gel layers - to prevent flaking of the cover layer, because inorganic sol-gel layers usually form very hard and brittle layers after the curing process.
  • the inventive method is particularly suitable for the production of sterilizable Medicinal Containem containing decorative, Verschl alonefumblelge, chemicals and especially warm alkali resistant surfaces.
  • the inventive method is also suitable for producing weather-resistant exterior facades, which require less cleaning and maintenance compared to known from the prior art facades.
  • the inventive method is further suitable for the production of aluminum parts with a wear-resistant, electrically insulating surface for cables or components or for applications in the bathroom, sanitary and kitchen area.
  • Table 1 Thickness of the anodic oxide layer 10 ⁇ m, 15 ⁇ m, 20 ⁇ m Degree of compaction of the anodic oxide layer 0%, 26%, 50%, 75% electrolyte temperature 18 ° C (hard), 23 ° C (soft) baking > 100 ° C In steps of 10 ° C or 25 ° C
  • the degree of compaction for a complete compaction is 100% and corresponds to a compaction treatment (treatment) in demineralized hot water at a temperature of 96 to 98 ° C for 3 minutes per ⁇ m layer thickness of the anodic oxide layer, i. for a 10 ⁇ m thick anodic oxide layer, the compression time is 30 minutes.
  • a degree of compaction of 75% corresponds to 75% of the compaction time (sealing time) of a complete compaction, i. for a 75% compaction of a 10 ⁇ m thick anodic oxide layer, a treatment in demineralized water of a temperature of 96 ° C to 98 ° C of 22.5 minutes is required. Accordingly, a degree of compaction of 50% or 25% is defined as a compression duration of 50% or 25% of a complete compaction.
  • AlMg sample plates in the dimensions 100 mm x 200 mm x 1 mm were used, which were previously degreased and matte-stained.
  • the anodic oxidation of the aluminum was carried out by the GSX method, ie DC in an alumina redissolving electrolyte containing or consisting of sulfuric and oxalic acid.
  • the electrolyte composition used per liter of electrolyte was 190 g of sulfuric acid and 5 g of oxalic acid.
  • the samples were coated after the anodic oxidation in the dipping process with a sol-gel coating layer of a thickness of 3 to 5 microns and then subjected to a first drying cycle (drying at 110 ° C).
  • the baking temperature relates to the drying or curing temperature of the sol-gel cover layer, the 'anod. Temp. ' the electrolyte temperature during anodic oxidation, the 'layer thickness', the thickness of the anodic oxide layer, i. the total thickness of the porous oxide layer and the barrier layer.
  • Tables 2 and 3 clearly show the influence of the layer thickness of the anodic oxide layer and the degree of sealing on the cracking.
  • the greatest influence on the crack formation is based on the layer thickness of the anodic oxide layer, followed by the Sealinggrad, with the largest change in Sealing between 0% (no Sealing) and 25% Sealinggrad. Sealing grades between 25% and 75% no longer show any major changes with regard to cracking.
  • baking temperatures of the sol-gel lacquer of up to 160 ° C with 20 ⁇ m thick anodic oxide layers and up to 190 ° C with 14 ⁇ m thick anodic oxide layers are possible. Little influence on the crack formation shows the electrolyte temperature, or the hardness of the anodic oxide layer.
  • the examples show that, with certain parameters (degree of sealing of the anodic oxide layer, thickness of the anodic oxide layer, electrolyte temperature), crosslinked and through-hardened sol-gel layers on relatively thick anodic oxide layers are possible without cracks.
  • a SEM analysis has also revealed that the cracks in the anodic oxide layers are transferred to the sol-gel layers, i. As soon as cracks develop in the anodic oxide layer, the sol-gel cover layer usually also releases at these sites.
  • each Sollschlchtdicke the anodic oxide layer were unsold, but dried in a dipping process with a sol-gel varnish provided.
  • Each three additional samples of each target layer thickness of the anodic oxide layer were aged for 3 min in demineralized hot water at a temperature of 96 ° C to 98 ° C, or partially Gesealt, dried and then also provided in the dipping process with a sol-gel lacquer layer.
  • the samples coated with the sol-gel varnish were heated to 110 ° C. at a heating rate of 1 ° C./min to dry the sol-gel varnish. After this treatment, the sol-gel coating is firm, but not yet completely cross-linked. Thereafter, the samples were cooled at a cooling rate of less than 1 ° C / min.
  • the samples which were only dried (no sealing) show the same cracking behavior as the samples, which were heated for 3 minutes in a helsssealing bath and then dried in air.
  • the cracking begins only at 220 ° C, with layer thicknesses of the anodic oxide layer of about 14 microns only at 190 ° C.
  • the second example confirms the finding already found in the first example that crack formation is primarily a function of the post-treatment temperature, the layer thickness of the anodic oxide layer and the degree of compaction of the anodic oxide layer.
  • the temperature limits at which Cracking or cracking occurs are relatively sharp. Within 10 ° C to 20 ° C, the transition from crack-free over 'little small cracks' to 'many strong and long cracks' is noticeable.
  • the Aufhelz- and cooling speeds play only a minor role.
  • AlMg sample plates in the dimensions 30 mm x 100 mm x 1 mm were used, which were previously degreased and matte-stained.
  • the anodic oxidation of the aluminum was done by the GSX method at 18 ° C, i. containing dc in an alumina redissolving electrolyte containing or consisting of sulfuric and oxalic acid.
  • the electrolyte composition used per liter of electrolyte was 190 g of sulfuric acid and 5 g of oxalic acid.
  • the resulting layer thickness of the anodic oxide layer is about 10 microns.
  • Some of the samples were rinsed with distilled water after GSX anodization and immersed for 10 minutes in a bath (100 g / l Alflseal 982 from the Alufinish) containing nickel fluoride and cold polarized a polar alcohol.
  • the bath temperature was 30 ° C.
  • the anodic oxide layers were partially densified with hot water at 98 ° C. for 3 minutes.
  • the samples were now exposed to different temperatures between 150 and 220 ° C. The samples were first heated quickly, ie at a heating rate of 5 to 10 ° C / min, to 100 ° C and then at a heating rate of 1 ° C / min to the respective final temperature (target temperature).
  • Another portion of the samples were GSX anodized, cold compacted and semi-densified by partial hydrosulfate treatment, but further coated with a sol-gel overlay of about 4 microns thick and then subjected to a first drying cycle (110 ° C desiccation).
  • the samples cooled to room temperature after the first drying treatment were then given first fast, i. E., The partially cured sol-gel lacquer. at a heating rate of 5 to 10 ° C / min, heated to 100 ° C and then at a heating rate of 1 ° C / min to the respective final temperature (target temperature). After reaching the target temperature, the samples were held at this temperature for 1-2 hours. Cooling to room temperature was at less than 1 ° C / min for several hours.
  • the observed cracking at the final temperatures (target temperatures) given in Table 7 in the left column is given in the third column of Table 7.
  • the samples were again exposed to different temperatures between 150 and 220 ° C.
  • the samples were first fast, i. at a heating rate of 5 to 10 ° C / min, heated to 100 ° C and then at a heating rate of 1 ° C / min to the respective final temperature (target temperature). After reaching the target temperature, the samples were held at this temperature for 1-2 hours. Cooling to room temperature was at less than 1 ° C / min for several hours.
  • the observed cracking at the final temperatures (target temperatures) given in Table 7 in the left column is given in the 4th column of Table 7.
  • Still another part of the samples were GSX anodized by the process described above, cold compacted and then further hot water condensing, the hot water densification being carried out at 98 ° C for 20 minutes, i. the anodic oxide layers were then completely compressed. Thereafter, the samples were coated with a sol-gel overcoat of about 4 ⁇ m thickness and subjected to a first drying cycle (drying at 110 ° C). The samples cooled to room temperature after the first drying treatment were then provided with the partially cured sol-gel varnish first rapidly, i. at a heating rate of 5 to 10 ° C / min, heated to 100 ° C and then at a heating rate of 1 ° C / min to the respective final temperature (target temperature).
  • the room temperature cooled samples were each visually evaluated for cracking visually in the stray light region against a black surface, and the aluminum substrate was rotated during observation and evaluated at various angles.
  • Table 7 Stoving temperature [° C] cold-compacted and hot water cold-compacted and hot water partial gas with sol-gel cold-compacted and hot-water-compacted cold-compacted and hot-water-compacted and sol-gel 220 1 1 3 3 210 1 1 3 3 190 1 1 3 3 170 1 1 2 2 150 1 1 1 1 1
  • Fig. 1 schematically shows an aluminum substrate 10 with a tell compacted anodic oxide layer 20 and a cover layer 30.
  • the anodic Oxide layer 20 has pores 25, in which the partial compaction is not visible.
  • a thin, non-porous barrier layer 15 Between aluminum substrate 10 and the porous anodic oxide layer 20 is a thin, non-porous barrier layer 15, which, however, is part of the anodic oxide layer 20 with the layer thickness D.
  • a sol-gel cover layer 30 On the anodic oxide layer 20 is a sol-gel cover layer 30, wherein the sol-gel and the pores 25 of the anodic oxide layer 20 at least partially fills.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats, welches einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 140°C oder höher aussetzbar ist ohne dass eine Rissbildung einsetzt. Das korrosionsbeständige und verschleissfähige Aluminiumsubstrat weist wenigstens teilwelse eine anodische Oxidschicht auf Aluminium und eine darauf aufgebrachte organische oder anorganische Lackschicht als äussere Deckschicht auf. Beim erfindungsgemässen Verfahren wird ein Aluminiumsubstrat aus einer anodisch oxidierbaren Aluminiumlegierung entfettet und gebeizt, danach elektrochemisch oxidiert und die frei liegende Oberfläche der anodischen Oxidschicht mit einer organischen oder anorganischen Lackschicht beaufschlagt. Die anodische Oxidation erfolgt in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten derart, dass eine anodische Oxidschicht einer Dicke von 10 bis 25 µm gebildet wird, wobei die anodische Oxidschicht vor der Lackbeschichtung entweder kaltverdichtet, Heisswasserteilverdichtet oder keinerlei Heisswasserverdichtung unterzogen wird.

Description

  • Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats, welches einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 140 °C oder höher aussetzbar ist ohne dass eine Rissbildung einsetzt, wobei das korrosionsbeständige und verschlelssfähige Aluminiumsubstrat wenigstens teilweise eine anodische Oxidschicht auf Aluminium und eine darauf aufgebrachte organische oder anorganische Lackschicht als äussere Deckschicht aufweist, wobei ein Aluminiumsubstrat aus einer anodisch oxidierbaren Aluminiumlegierung entfettet und gebeizt, danach elektrochemisch oxidiert und die frei liegende Oberfläche der anodischen Oxidschicht mit einer organischen oder anorganischen Lackschicht beaufschlagt wird.
  • Aluminiumsubstrate mit einer anodisch erzeugten Oxidschicht sind seit langem bekannt. Dabei werden die anodischen Oxidschichten durch elektrolytische Oxidation von Aluminium hergestellt.
  • Eine anodische Oxidation von Aluminiumsubstraten, d.h. eine elektrolytisch® Oxidation von Aluminiumsubstraten mit Gleichstrom, bei welcher das Substrat als Anode geschaltet ist, ergibt bei Verwendung von Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten typische Schichtdicken von 5 bis 25 µm. Dabei entsteht die anodische Oxidschicht durch Umwandlung der obersten Aluminiumschicht in ein Oxid oder Hydroxid.
  • Aluminiumsubstrate weisen üblicherweise eine natürliche, atmosphärische Oxidschicht mit Schichtdicken von wenigen Nanometern auf. Um eine gleichmässige Oberfläche zu erhalten, werden die Aluminiumsubstrate üblicherweise vorbehandeit, indem die Substrate entfettet und gebeizt werden. Das Beizen geschieht beispielsweise zuerst mit basischen, auf Natronlauge basierenden Laugen und anschliessend mit sauren Lösungen, typischerweise mit Salpetersäure oder Flusssäure. Die zur Anwendung gelangenden Beizmittel und die Beizbedingungen hängen von den Werkstoffeigenschaften der Aluminiumsubstrate ab. Durch das Beizen wird auch die dünne, natürliche Oxidschicht entfernt.
  • Auf die Vorbehandlung der Aluminiumsubstrat-Oberflächen durch Entfetten und Beizen erfolgt üblicherweise die Bildung einer elektrolytischen Aluminiumoxidschicht. Dazu wird beispielsweise eine mit Gleichstrom durchgeführte anodische Oxidation von Aluminium in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten verwendet.
  • Bei einer anodischen Oxidation von Aluminium In einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten wird als Elektrolyt eine saure Lösung verwendet. Dabei wird das Aluminiumsubstrat als Anode geschaltet und der saure Elektrolyt dient als Kathode. Als Elektrolyt wird beispielsweise eine mit Wasser verdünnte Lösung von Schwefelsäure oder eine Mischlösung von Schwefelsäure und Oxalsäure verwendet. Die Bildung der anodischen Oxidschicht in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten wird bestimmt durch die Wahl des Elektrolyten, dessen Konzentration und Temperatur, die Stromart (Gleich- oder Wechselstrom), die Stromdichte, die angewandte Spannung und die Dauer der anodischen Oxidation. Die Schichtdicke der anodischen Oxidschicht hängt dabei von der Dauer der anodischen Oxidation ab, d.h. die Dauer der anodischen Oxidation und die Schichtdicke stehen zumindest in einer ersten Phase der anodischen Oxidation nahezu in einem linearen Verhältnis. Zudem ist die anodische Oxidation in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten temperaturabhängig.
  • Anodische Oxidschichten, welche in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten hergestellt werden, sind bei deren Bildung porös. Diese Porosität ermöglicht erst das Wachstum der Oxidschicht während der anodischen Oxidation, denn für das Wachstum der Oxidschicht muss Elektrolyt an die Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid und Aluminium gelangen können. Die mit der anodischen Oxidation in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten hergestellte Oxidschicht wächst von der Substratoberfläche in das Aluminium hinein, d.h. die Grenzfläche von Aluminiumoxid und Aluminium liegt innerhalb des ursprünglichen Aluminiumsubstrats.
  • Die Porosität von In einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten hergestellten anodischen Oxidschichten auf Aluminium basiert auf dem Umstand, dass eine anfänglich gebildete Oxidschicht als elektrische Sperrschicht wirkt und daher isoliert. Dadurch steigt der elektrische Widerstand an der Anode (Substrat) und damit auch die für die Reaktion benötigte Spannung. Durch diese Spannungserhöhung werden die vom sauren Elektrolyten angegriffenen Stellen der Oxidschicht durchschlagen, die lokale Stromdichte steigt und führt zu einer lokalen Erwärmung, was wiederum zu einer erhöhten lokalen chemischen Auflösung der Oxidschicht führt, so dass entsprechende Vertiefungen in der Oxidschicht gebildet werden. Diese Kanäle ermöglichen dann für das weitere Anodisierverfahren einen entsprechenden Ladungsaustausch mit dem Elektrolyten, so dass die umliegende Oxidschicht weiter wachsen kann. Die resultierende anodische Oxidschicht weist in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten immer eine poröse Struktur auf.
  • Die porösen anodischen Oxidschichten können partiell oder vollflächig mit einem organischen oder anorganischen Farbstoff eingefärbt werden, oder es können andere funktionelle Substanzen in die poröse Struktur der Oxidschicht eingebracht werden. Dabei können die Farben oder funktionellen Substanzen beispielsweise vollflächig in einem Tauchverfahren oder gegebenenfalls In einem Bedruckungsprozess, beispielsweise in einem Siebdruckverfahren, selektiv aufgebracht werden.
  • Um den Korrosionswiderstand von Aluminiumsubstraten mit porösen Aluminiumoxidschichten zu verbessern, müssen die Poren verschlossen worden, was beispielsweise durch Beaufschlagung der Oberfläche mit Wachs, Emaillierlack, Isollerlack, Wasserglas oder durch Verdichten der Poren bewerkstelligt werden kann. Das Verdichten der Poren der porösen Aluminiumoxidschicht wird zweckmässigerweise in heissem, demineralisiertem Wasser bewerkstelligt. Dabei nimmt die Oxidschicht Wasser auf, was zu einer Volumenzunahme führt und wodurch sich insbesondere die Porenhälse verengen oder geschlossen werden. Zudem kommt es zu einer Reaktion zwischen dem Aluminiumoxid der anodischen Oxidschicht und Wasser, wobei Aluminiumoxid-Hydrat gebildet wird.
  • Beim Verdichten von Aluminiumoxidschichten wird zwischen Kalt- und Heisswasserverdichtung unterschieden. Beim Heisswasserverdichten beträgt die Badtemperatur üblicherweise zwischen 80 und 100°C. Beim Kaltverdichten beträgt die Badtemperatur typischerweise zwischen 25°C und 35°C.
  • Im Gegensatz zur Heisswasserverdichtung erfolgt beim Kaltverdichten keine Hydratation. Das Kaltvordichten einer anodischen Aluminiumoxidschicht geschieht üblicherweise in einem Bad, welches etwa 0.5% Nickelfluorid sowie einen polaren Alkohol, wie beispielsweise 5% Isoamylalkohol, enthält. Dabei läuft folgende chemische Reaktion ab:

             Al2O3 + 3 NiF2 + 3 H2O → 2 AlF3 + 3 Ni(OH)2

  • Bei einem derartigen Kaltverdichtungsprozess wird die Aluminiumoxidoberfläche mit den genannten Reaktionsprodukten bedeckt und dadurch in einen reakilonsunfähigen Zustand versetzt. Eine bevorzugte Badzusammensetzung für das Kaltverdichten besteht aus 1.2 g/l Ni; Verhältnis Ni : F beträgt 1.5 : 2.0 und der pH-Wert liegt zwischen 5.5 bis 6.0. Das Kaltverdichten einer Aluminiumoxidschicht geschieht dann bevorzugt bei einer Badtemperatur von 25°C bis 35°C während 5 bis 30 Minuten.
  • Aluminiumsubstrate mit 20 bis 25 µm dicken anodischen Aluminium-oxidschichten werden beispielsweise in der Bauindustrie, im Automobil- und Flugzeugbaubau oder für Haushaltgegenstände eingesetzt. Aluminiumsubstrate mit dünneren anodischen Aluminiumoxidschichten mit Schichtdicken von etwa 8 bis 20 µm werden häufig für Dekorationszwecke oder für Anwendungen, bei denen eine hohe Wärmeabstrahlung gefordert wird, verwendet.
  • Sterilisierbare Aluminiumbehälter, insbesondere für die Aufbewahrung medizinischer Geräte oder medizinischer Bestecke, werden bisher üblicherweise aus in Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten anodisch oxidiertem Aluminium hergestellt, wobei die In Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten hergestellte anodische Oxidschicht verdichtet wird. Um eine ausreichende kratz- und verschleissfeste Oberfläche zu erhalten, werden Schichtdicken der anodischen Oxidschicht von 15 bis 25 µm verwendet. Um eine ausreichende Korrosionsfestigkeit zu erhalten, werden die Oxidschichten in Heisswasser bei Temperaturen zwischen 80 und 100 °C verdichtet. Dabei neigen die anodischen Oxidschichten, insbesondere im trockenen Zustand bei Temperaturen über 100°C zu Mikro- oder Haarrissen, welche einen Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften (Sterilisiereigenschaften) haben können und zudem meistens dekorativ sehr störend sind. Ursache der Rissbildung ist insbesondere die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Aluminium (23 * 10-6 K-1) und Aluminiumoxid (5-7 * 10-6 K-1) der anodischen Oxidschicht. Mit zunehmender Schichtdicke der anodischen Oxidschicht nehmen die inneren Schichtspannungen stark zu, was üblicherweise zu Schichtrissen führt. Eine Verdichtung der Poren der anodischen Oxidschicht, d.h. ein Verschliessen der Poren durch Volumenvergrösserung der Oxidschicht, verhindert durch das fehlende Ausweichvolumen eine Relaxation der Schichtspannungen, was zu den besagten Schichtrissen führen kann.
  • Um die Korrosionsbeständigkeit sterilisierbarer Aluminiumbehälter zu verbessern, werden die verdichteten anodischen Oxidschichten der Aluminiumbehälter häufig mit organischen oder anorganischen Lacken beschichtet und danach wird der Lack getrocknet und gehärtet. Die Einbrenntemperaturen von beispielsweise anorganischen Sol-Gel-Schichten liegen üblicherweise bei über 140°C, um eine vollständige Vernetzung des Siliziumoxid-Netzwerkes zu gewährleisten.
  • Die Substrat- bzw. Elektrolyttemperatur während der anodischen Oxidation von Aluminium in Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten hat einen Einfluss auf die Härte der entstehenden anodischen Oxidschicht, wobei höhere Temperaturen zu weicheren Schichten führen. Dabei tragen weichere Schichten üblicherweise zu einer Rissbildungsminderung bei.
  • Aluminiumsubstrate oder Aluminiumbehälter mit einer unverdichteten, porösen anodischen Oxidschicht können korrosionsbeständig gemacht werden, indem auf die anodische Oxidschicht als Haftgrund eine üblicherweise organische Lackschicht aufgebracht wird. Dazu weisen die anodischen Oxidschichten meist eine geringe Schichtdicke von weniger als 5 µm auf, wobei die Lackschicht dann üblicherweise dicker als die Oxidschicht Ist. Die Lackschichten sind dabei oft pigmentiert, so dass allfällige Haar- oder Eloxalrisse von blossem Auge nicht sichtbar sind.
  • Die WO 2007/059883 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines witterungs- und korrosionsbeständigen Reflektors für elektromagnetische Strahlung. Der Reflektor besteht dabei aus einem Walzprodukt aus Aluminium mit einem Reinheitsgrad von grösser als 99.8%, welches entfettet, mit einer Vorbehandlungsschicht aus einer anodischen Oxidschicht einer Dicke von 300-500 nm versehen und mit einer äusseren Sol-Gel-Lackschicht von 3 µm aus Polysiloxanen beaufschlagt wird.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Bereitstellung eines korrosionsbeständigen, insbesondere warmalkalibeständigen, und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats oder Aluminiumbehälters, insbesondere für medizinische Anwendungen, wobei das Aluminiumsubstrat oder der Aluminiumbehälter auch hohen funktionellen und dekorativen Aspekten genügen muss.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst immer eine anodische Oxidation von Aluminium in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten. Dabei entstehen während der anodischen Oxidation immer auch poröse Aluminiumoxidschichten.
  • Bevorzugt wird die anodische Oxidation des Aluminiums in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten mit Gleichstrom durchgeführt. Dazu wird besonders bevorzugt ein Elektrolyt aus entweder Schwefelsäure (GS-Verfahren) oder aus einer Mischung von Schwefel- und Oxalsäure (GSX-Verfahren) verwendet. Eine typische Elektrolyt-Zusammensetzung für ein GSX-Verfahren besteht aus 180 bis 200 g Schwefelsäure und ca. 5 g Oxalsäure pro Liter Elektrolyt.
  • Als Elektrolyt wird bevorzugt eine mit Wasser verdünnte Lösung von Schwefelsäure oder eine verdünnte Mischlösung von Schwefelsäure und Oxalsäure verwendet.
  • Die anodische Oxidation während dem erfindungsgemässen Verfahren erfolgt In einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten derart, dass eine anodische Oxidschicht einer Schichtdicke von 8 bis 25 µm gebildet wird. Wesentlich ist nun, dass diese anodische Aluminiumoxidschicht vor der Lackbeschichtung entweder kaltverdichtet, Heisswasser-teilverdichtet oder keiner Heisswasser-verdichtung unterzogen wird.
  • Unter einer anodischen Oxidschicht oder einer anodischen Aluminiumoxidschicht wird in vorliegendem Text immer eine in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten gebildete poröse Aluminiumoxidschicht verstanden.
  • Unter einer teilverdichteten anodischen Oxidschicht wird in vorliegendem Text insbesondere eine in demineralisiertem Wasser bei einer Temperatur von 80 bis 98°C während 5 Sekunden bis 5 Minuten behandelte (gesealte) anodische Oxidschicht verstanden.
  • Das für das erfindungsgemässe Verfahren eingesetzte Aluminiumsubstrat besteht aus einer eloxierbaren Aluminiumlegierung und wird vor der Durchführung der anodischen Oxidation entfettet und gebeizt. Wesentlich beim erfindungsgemässen Verfahren ist nun, dass einerseits die anodische Oxidschicht in einem vorbestimmten Schichtdickenbereich liegt und andererseits, dass nach der elektrochemischen Oxidation des Aluminiumsubstrates, durch welche eine anodische Oxidschicht einer Dicke von 8 bis 25 µm gebildet wird, die anodische Oxidschicht entweder kaltverdichtet, mit Heisswasser teilverdichtet, d.h. In demineralisiertem Wasser bevorzugt bei einer Temperatur von 80 bis 98°C während 5 Sekunden bis 5 Minuten behandelt wird, oder keinerlei Heisswasserverdichtung unterzogen wird. Im letzten Fall bleibt die Aluminiumoxidschicht porös. Das Kaltverdichten geschieht zweckmässigerweise durch Eintauchen des mit der anodischen Oxidschicht versehenen Aluminiumsubstrats während 30 bis 60 s in einem Bad enthaltend Nickelfluorid sowie einen polaren Alkohol, wobei die Badtemperatur zwischen 25°C und 35°C beträgt.
  • Die porösen anodischen Oxidschichten können gegebenenfalls vor einer allfälligen Verdichtung bzw. Teilverdichtung und vor der Lackbeschichtung partiell oder vollflächig mit einem organischen oder anorganischen Farbstoff eingefärbt werden, oder es können funktionelle Substanzen in die poröse Struktur der Oxidschicht eingebracht werden. Dabei können die Farben oder funktionellen Substanzen beispielsweise vollflächig in einem Tauchverfahren oder gegebenenfalls in einem Bedruckungsprozess, beispielsweise in einem Siebdruckverfahren, selektiv aufgebracht werden.
  • Das Einfärben der porösen Oxidschicht geschieht bevorzugt durch elektrolytische oder adsorptive Färbung, oder eine Kombination dieser Verfahren. Ein partieller Farbauftrag geschieht bevorzugt durch ein selektives Bedrucken mit einem Digital- oder Siebdruckverfahren. Dabei ist die elektrolytische Färbung ein galvanisches Verfahren, bei dem Metalle, insbesondere Fe, Cu, NI, Sn, am Grund der Poren elektrolytisch abgeschieden werden. Bei einem absorptiven Färbeverfahren wird das Aluminiumsubstrat mit der noch nicht verdichteten anodischen Oxidschicht in ein wässriges Farbbad mit gelösten organischen Farbstoffen getaucht. Bei der adsorptiven Färbung lagern sich die Farben eher im oberen Teil der Poren ab. Speziell bevorzugt wird die Einfärbung durch absorptive Färbung oder durch selektive Bedruckung.
  • Ganz bevorzugt wird die anodische Oxidschicht In demineralisiertem Wasser in einem Temperaturbereich von 92°C bis 98°C während 1 bis 5 Minuten teilverdichtet oder gesealt.
  • Durch eine kurzzeltige Heisswasserbehandlung der anodischen Oxidschicht während deren Teilverdichtung entfällt ein separater Trocknungsvorgang, d.h. das eloxierte Aluminiumsubstrat trocknet bei einer Ausgangstemperatur (Substrattemperatur nach dem Teilverdichten) von 92°C bis 98°C in seiner Umgebungsluft meist von alleine, d.h. ohne den Einsatz von Trocknungsmitteln, wie Heissgas, Abblasen mit Trocknungsgasen oder Wärmezufuhr in einem Ofen oder durch Wärmestrahlung.
  • Bevorzugt wird die Kalt- oder Teilverdichtung der anodischen Oxidschicht direkt nach der anodischen Oxidation, bzw. nach einer allfälligen partiellen oder vollflächigen Einfärbung der porösen Oxidschicht oder Beaufschlagung der porösen Oxidschicht mit funktionellen Substanzen, bzw. nach der Spülung in demineralisiertem Wasser, und vor der Lackbeaufschlagung der anodischen Oxidschicht vorgenommen.
  • Eine Teilverdichtung der porösen, anodischen Oxidschicht wird ganz bevorzugt In demineralisiertem Wasser bei einer Temperatur zwischen 94°C und 97°C während 2 bis 4 Minuten durchgeführt.
  • Die erfindungsgemäss hergestellten, korrosionsbeständigen und verschieissfähigen Aluminiumsubstrate erfüllen funktionelle wie auch dekorative Zwecke, denn erstens sollen die Substratoberflächen optisch einwandfrei aussehen, d.h. eine gleichmässige Oberfläche ohne Risse zeigen, und zweitens soll durch die Vermeidung von Rissen sichergestellt werden, dass einerseits keine Korrosion im Bereich von Rissen in der anodischen Oxidschicht bzw. im darunter liegenden Aluminium stattfindet und zudem soll eine glatte Oberfläche gewährleistet werden, welche die Ansammlung von Verunreinigungen verhindert.
  • Die anodische Oxidschicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von 10 µm bis 20 µm auf.
  • Bevorzugt wird die anodische Oxidschicht durch Gleichstrom-Anodisation in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten hergestellt.
  • Das Aluminiumsubstrat besteht bevorzugt aus einer Knetlegierung oder die Aluminiumlegierung des Aluminiumsubstrats wird aus der Gruppe von Al99,5, Al99,7, Al99,8Al99,0, AlCu4MgSi, AlCu4Mg1, AlMn1Cu, AlMn1Mg1, AlMn1Mg0,5, AlMn1, AlMg1, AlMg5, AlMg2Mn0,8, AlMg2,5, AlMg4,5Mn0,7, AlMg4, AlMg2, AlMg3Mn, AlMg3, AlSiMg, AlMgSi, AlMg1SiCu, AlSi1MgMn, AlZn4,5Mg1 und AlZn5Mg3Cu ausgewählt.
  • Weiter bevorzugt ist die eloxierbare Aluminiumlegierung des Aluminiumsubstrats eine Gusslegierung, welche aus der Gruppe von G-/GK-/GF-AlMg3, GD-AlMg9, G-/GK-AlMg5, G-/GK-AlMg5(Si), AlZn5Mg, G-/GK-/GF-AlMg3, G-/GK-/GF-AlMg3Si, G-/GK-AlMg5, G-/GK-AlMg5Si, G-/GK-A/Si5Mg und GD-AlMg9 ausgewählt wird.
  • Das Aufbringen der organischen oder anorganischen Lackschicht, die sogenannte Deckschicht, geschieht auf die getrocknete, kaltverdichtete oder nicht Heisswasser-verdichtete oder Heisswasser-teilverdichtete, anodische Oxidschicht. Die derart auf die frei liegende Oberfläche der anodischen Oxidschicht aufgebrachte Lackschicht wird danach zum Trocknen und/oder Aushärten des Lacks üblicherweise einer Wärmebehandlung zugeführt. Eine solche Wämebehandlung geschieht bevorzugt bei Temperaturen von 140 °C oder höher.
  • Die Deckschicht aus einem organischen oder anorganischen Lacksystem weist bevorzugt eine Schichtdicke von 0.5 µm bis 10 µm, bevorzugt 1 µm bis 8 µm und insbesondere 2 µm bis 7 µm auf. Dabei betrifft die Schichtdicke der Deckschicht die Dicke des auf der frei liegenden Oberfläche der anodischen Oxidschicht befindlichen Lacks. Anders gesagt ist die Schichtdicke der Deckschicht durch die Differenz der Gesamtdicke des korrosionsbeständigen und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats und der Dicke des anodisierten Aluminiumsubstrats definiert. Insbesondere umfasst die Deckschichtdicke nicht den allfällig in den Poren befindlichen Lack, d.h. ein allfällig in die Poren gelangender Lack wird für die Bestimmung der Deckschichtdicke nicht berücksichtigt.
  • Bevorzugt wird die Schichtdicke der Deckschicht durch ein Wirbelstromverfahren gemessen.
  • Die Deckschicht kann beispielsweise eine transparente, organische Polymerschicht sein, welche insbesondere aus ein- oder zwei-Komponentenlacken, wie Epoxy-, Acryl-, Polyester- oder PUR-Lacken, besteht.
  • Das organische oder anorganische Lacksystem ist bevorzugt ein Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan, welcher bei einer Temperatur höher als 140°C in die anodische Oxidschicht eingebrannt wird
  • Als organisches oder anorganisches Lacksystem eignet sich insbesondere ein Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan, welches mittels säurekatalysierter Hydrolyse und Kondensation eines Gemischs aus einer Lösung A und einer wässrigen Lösung B hergestellt ist. Die Lösung A ist dabei eine Lösung mit einem ersten und einem zweiten Alkoxysilan und einem damit mischbaren Lösungsmittel. Das erste Alkoxysilan ist bevorzugt ein Tetraethoxysilan (TEOS) und das zweite Alkoxysllan weist bevorzugt die Summenformel XnSi(O-R)4-n auf, wobei Xn und R einen organischen Rest, insbesondere ein Alkyl, beschreibt. 'n' ist eine natürliche Zahl von 0 bis 3, vorzugsweise 1 bis 3.
  • Die Lösung A enthält zweckmässig ein mit dieser mischbares Lösungsmittel, insbesondere ein polares Lösungsmittel wie Alkohol oder Ethylacetat.
  • Die Lösung B ist eine wässrige kolloidale Kieselsäurelösung oder angesäuertes Wasser, bzw. eine saure, wässrige Lösung. Der pH-Wert der Lösung B liegt zweckmässig tiefer 7.
  • Das Polysiloxan wird durch eine Kondensreaktion zwischen hydrolisierten und vernetzbaren Silanen, insbesondere Alkoxysilanen, und, falls vorhanden, kolloidaler Kieselsäure erzeugt. Die Kondensreaktlon zwischen hydrolisierten Alkoxysilanen untereinander sowie hydrolisierten Alkoxysilanen und, falls vorhanden, kolloidaler Kieselsäure führt zur Ausbildung eines anorganischen Netzwerks von Polysiloxanen. Gleichzeitig werden organische Gruppen, insbesondere Alkyl-Gruppen bzw. einfache Alkyl-Gruppen oder Methyl-Gruppen über Kohlenstoffbindungen In das anorganische Netzwerk eingebaut. Die organischen Gruppen, bzw. die Alkyl-Gruppen, nehmen jedoch nicht direkt an der Polymerisation bzw. der Vernetzung der Siloxane teil, d.h. sie dienen nicht zur Ausbildung eines organischen Polymersystems, sondern lediglich zur Funktionalisierung.
  • Der Sol-Gel-Lack wird zweckmässigerweise in Gel-Form auf die anodische Oxidschicht aufgetragen und anschliessend einem Härtungs- und Trocknungsprozess unterzogen. Beim Härtungsprozess setzt eine Kondensationsreaktion ein, bei der unter Wasser-Abspaltung aus jeweils zwei Si-OH-Gruppen eine Siloxan-Bindung (Si-O-Si) aufgebaut wird. Durch fortschreitende Polymerisation entsteht dabei ein Netzwerk von Polysiloxanen, an welche Alkoxy-Gruppen angegliedert werden. Der Trocknungsprozess besteht darin, die im Sol-Gel-Lack verbleibenden Wasser und Alkohole auszutreiben, wodurch der Sol-Gel-Lack aushärtet und eine korrosionsbeständige Schutzschicht ausbildet.
  • Das Aufbringen des Sol-Gel-Lacks auf die anodische Oxidschicht kann beispielsweise durch Aufpinseln, Aufrollen (auch Coil-Coating), Spritzen oder Tauchziehbeschichten erfolgen.
  • Das Trocknungs- oder Härtungsverfahren geschieht bevorzugt mittels Strahlung, wie UV-Strahlung, Elektronenstrahlung, Laserstrahlung, oder mittels Wärmestrahlung, wie IR-Strahlung, oder mittels Konvektionserwärmung oder einer Kombination vorgenannter Verfahren.
  • Das Trocknungs- oder Härtungsverfahren geschieht zweckmässigerweise bei Temperaturen zwischen 150°C und 250°C und liegt insbesondere im Temperaturbereich zwischen 170 und 230°C. Dabei wird der Sol-Gel-Lack zweckmässigerweise während einer Zeitspanne von 10 s bis 30 Minuten, insbesondere von 10 bis 90 s der Trocknungs- und Härtetemperatur ausgesetzt.
  • Besonders bevorzugt wird die Dicke der anodischen Oxidschicht in Funktion der späteren Wärmebehandlung oder Lackeinbrenntemperatur gebildet, d.h. beispielsweise In Funktion der Trocknungs- oder Härtungstemperatur einer Deckschicht aus Sol-Gel-Lack, wobei die Dicke der anodischen Oxidschicht gemäss D = 10 ⁢ μm * 2 - T - 150 70 ± 2 ⁢ μm
    Figure imgb0001
    bestimmt wird, wobei die Temperatur (T) im Bereich zwischen 100°C und 200°C liegt.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt die Herstellung eines korrosionsbeständigen und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats mit einer dicken, tragenden Verschleissschutzschicht aus anodisch hergestelltem Aluminiumoxid und einer dünnen, organischen oder anorganischen Lackschicht, welche bei Temperaturen von 150°C oder höher getrocknet und ausgehärtet werden kann, ohne dass es zu dekorativ oder funktionell beeinträchtigenden Schichtrissen ('cracking' oder 'crazing') in der anodischen Oxidschicht und/oder Lack-Deckschicht kommt. Die relativ hohen Temperaturen zum Trocknen und Aushärten oder Einbrennen des Lacks sind, abhängig vom verwendeten Lacksystem, für das Vernetzen der anorganischen oder organischen Beschichtung notwendig, bzw. beschleunigen den Trocknungs-, Aushärte-, oder Einbrennvorgang.
  • Das mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte korrosionsbeständige und verschleissfähige Aluminiumsubstrat erhält durch die dicke anodische Oxidschicht einen hohen Verschielssschutz und durch die dünne Deckschicht aus organischem oder anorganischem Lack eine hohe Chemikalien- und Alkaliresistenz. Die geringe Schichtdicke der Deckschicht ermöglicht einerseits tiefe Lackkosten und dient - insbesondere bei Verwendung anorganischer Sol-Gel-Schichten - der Verhinderung eines Abblättern der Deckschicht, denn Insbesondere anorganische Sol-Gel-Schichten bilden nach dem Härtungsprozess üblicherweise sehr harte und spröde Schichten.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich Insbesondere zur Herstellung von sterilisierbaren Medizinalcontainem enthaltend dekorative, verschleissfählge, chemikalien- und insbesondere warmalkalibeständige Oberflächen.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich auch zur Herstellung witterungsbeständiger Aussenfassaden, welche gegenüber aus dem Stand der Technik bekannter Fassaden weniger Reinigungs- und Wartungsaufwand benötigen.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich weiter zur Herstellung von Aluminiumteilen mit einer verschleissfähigen, elektrisch isolierenden Oberfläche für Leitungen oder Bauteile oder für Anwendungen im Bad-, Sanitär- und Küchenbereich.
    • 1. Beispiel:
  • Um eine anodische Vorbeschichtung auf einem Aluminiumsubstrat aus AlMg1 zu finden, welche möglichst kratz- und verschleissfest ist und während des Einbrennens einer Sol-Gel-Deckschicht nicht zu Schichtrissen führt, wurden folgende Parameter untersucht:
    • Eloxalschichtdicke
    • Verdichtungsgrad
    • Einbrenntemperatur
    • Eloxal-Schichthärte
  • Es wurden Proben mit folgenden Parameterwerten untersucht: Tabelle 1:
    Dicke der anodischen Oxidschicht 10 µm, 15 µm, 20 µm
    Verdichtungsgrad der anodischen Oxidschicht 0%, 26%, 50%, 75%
    Elektrolyttemperatur 18°C (hart), 23°C (weich)
    Einbrenntemperatur > 100°C In Schritten von 10°C bzw. 25°C
  • Der Verdichtungsgrad für eine vollständige Verdichtung beträgt 100% und entspricht einer Verdichtungsbehandlung (Sealing) in demineralisiertem Heisswasser bei einer Temperatur von 96 bis 98°C während 3 Minuten pro µm Schichtdicke der anodischen Oxidschicht, d.h. für eine 10 µm dicke anodische Oxidschicht beträgt die Verdichtungszeit 30 Minuten. Ein Verdichtungsgrad von 75% entspricht 75% der Verdichtungszeit (Sealingdauer) einer vollständigen Verdichtung, d.h. für eine 75%-ige Verdichtung einer 10 µm dicken anodischen Oxidschicht wird eine Behandlung in demineralisiertem Wasser einer Temperatur von 96°C bis 98°C von 22.5 Minuten benötigt. Entsprechend ist ein Verdichtungsgrad von 50% bzw. 25% definiert als eine Verdichtungsdauer von 50% bzw. 25% einer vollständigen Verdichtung.
  • Es wurden AlMg-Probenbleche in den Dimensionen 100 mm x 200 mm x 1 mm verwendet, welche vorgängig entfettet und matt gebeizt wurden. Die anodische Oxidation des Aluminiums erfolgte mit dem GSX-Verfahren, d.h. mit Gleichstrom in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten enthaltend oder bestehend aus Schwefel- und Oxalsäure. Die verwendete Elektrolytzusammensetzung pro Liter Elektrolyt lag bei 190 g Schwefelsäure und 5 g Oxalsäure. Die Proben wurden nach der anodischen Oxidation im Tauchverfahren mit einer Sol-Gel-Deckschicht einer Dicke zwischen 3 bis 5 µm beschichtet und danach einem ersten Trocknungszyklus unterworfen (Trocknung bei 110°C). Die nach der ersten Trocknungsbehandlung auf Raumtemperatur abgekühlten, mit dem tellgehärteten Sol-Gel-Lack versehenen Proben wurden dann zuerst schnell, d.h. mit einer Aufheizrate von 5 bis 10°C/min, auf 100°C und danach mit einer Aufheizrate von 1°C/min auf die jeweilige Endtemperatur (Zieltemperatur) aufgeheizt. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurden die Proben zwischen 1-2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte mit weniger als 1°C/min über mehrere Stunden.
  • Der Einfluss der Lackeinbrenn- bzw. Lacktrocknungstemperatur auf die Rissbildung der anodischen Oxidschicht bzw. der Lackschicht bei un- bzw. anoder teilgesealten anodischen Oxidschichten kann den Tabellen 2 und 3 entnommen werden. Dabei betrifft die Einbrenn-Temperatur die Trocknungs- oder Aushärtetemperatur der Sol-Gel-Deckschicht, die 'Anod. Temp.' die Elektrolyttemperatur während der anodischen Oxidation, die 'Schichtdicke' die Dicke der anodischen Oxidschicht, d.h. die Gesamtdicke der porösen Oxidschicht und der Sperrschicht.
  • Die Wertzahlen 1, 2, 3 in den Tabellen 2 und 3 geben die festgestellte Rissbildung wieder und haben folgende Bedeutung:
    • 1 entspricht: keine optisch feststellbaren Risse
    • 2 entspricht: wenig Risse mit einer Längenausdehnung von weniger als 5 mm
    • 3 entspricht: viele starke Risse mit einer Längenausdehnung > 10 mm
    • Keine Wertzahl: keine Probe mit den entsprechenden Parameterwerten.
  • Die Beurteilung der Rissbildung erfolgte visuell im Streulichtbereich gegen eine schwarze Oberfläche, wobei das Aluminiumsubstrat während der Betrachtung gedreht und unter verschiedenen Winkeln beurteilt wird.
  • Diejenigen Proben, weiche eine Rissbeurteilung von 3 erhlelten, wurden nicht mehr weiter einer Temperaturbelastung unterzogen. Diejenigen Proben mit einer Rissbeurteilung von 1 oder 2 wurden mit der oben beschriebenen Aufheizprozedur auf ein um 10°C höheres Temperaturniveau aufgeheizt und getestet
  • Bei der Variante 15 µm Soll-Schichtdicke und 0% Sealinggrad sowie bei der Variante 10 µm Soll-Schichtdicke und 50% Sealinggrad schneiden die Proben mit den jeweils härteren anodischen Oxidschichten besser ab als die weicheren, bei 23°C anodisierten Oxidschichten. Der Grund hierzu dürfte in den effektiven Schichtdickenunterschieden liegen, denn die harten Proben sind nur 14 µm dick im Vergleich zur Probe mit einer weichen anodische Oxidschicht von fast 18 µm Dicke, bzw. nur 5.6 µm Dicke bei der harten anodische Oxidschicht im Vergleich zu 11.6 µm bei der weichen Schicht. Dabei zeigt sich, dass der Einfluss der Schichtdicke der anodischen Oxidschicht dominanter ist als der Einfluss der Elektrolyttemperatur während der anodischen Oxidation. Tabelle 2:
    Einbrenn-temperatur [°C] Anod. Temp. [°C]
    23 1 3 3 3 3
    200 18 1 3 3 3 3 3 3
    23 1 3 3 3 3
    190 18 1 2 3 1 3 3 3
    23 1 3 3 3 2
    180 18 1 2 3 1 3 3 3
    23 1 3 3 3 1
    170 18 1 1 2 1 3 3 3
    23 1 2 3 3 1
    160 18 1 1 2 1 3 3 3
    23 1 2 2 2 1
    150 18 1 1 1 1 3 3 3
    23 1 1 1 2 1
    140 18 1 1 1 1 2 3 3
    23 1 1 1 1 1
    125 18 1 1 1 1 1 3 3
    23 1 1 1 1 1
    110 18 1 1 1 1 1 1 1
    Sealinggrad 0% 25% 50% 75% 0% 25% 50% 75%
    Soll-Schichtdicke 10 µm 15 µm
    gemessene Schichtdicke 23 8.5 12.4 11.6 10.8 17.7
    18 10.7 5.6 9.3 13.9 16.3 17.1 14
    Tabelle 3:
    Einbrenn-temperatur [°C] Anod. Temp. [°C]
    23 3 3 3
    200 18 3 3 3 3
    23 3 3 3
    190 18 3 3 3 3
    23 3 3 3
    180 18 3 3 3 3
    23 3 3 3
    170 18 2 3 3 3
    23 3 3 3
    160 18 1 3 3 3
    23 3 3 3
    150 18 1 3 3 3
    23 3 3 3
    140 18 1 3 3 3
    23 3 3 3
    125 18 1 3 3 3
    23 3 3 3
    110 18 1 2 3 3
    Sealinggrad 0% 25% 50% 75%
    Soll-Schichtdicke 20 µm
    gemessene Schichtdicke 23 19.9 19.1 20
    18 20.2 20 19.9 19.1
  • Tabellen 2 und 3 zeigen deutlich den Einfluss der Schichtdicke der anodischen Oxidschicht und des Sealinggrades auf die Rissbildung. Der grösste Einfluss auf die Rissbildung geht von der Schichtdicke der anodischen Oxidschicht aus, gefolgt vom Sealinggrad, wobei die grösste Veränderung beim Sealing (Verdichten) zwischen 0% (kein Sealing) und 25% Sealinggrad liegt. Sealinggrade zwischen 25% und 75% zeigen bezüglich Rissbildung keine grossen Veränderungen mehr. Ohne Sealing sind Einbrenntemperaturen des Sol-Gel-Lacks von bis zu 160°C bei 20 µm dicken anodischen Oxidschichten und bis zu 190°C bei 14 µm dicken anodischen Oxidschichten möglich. Wenig Einfluss auf die Rissbildung zeigt die Elektrolyttemperatur, bzw. die Härte der anodischen Oxidschicht.
  • Die Beispiele zeigen, dass bei gewissen Parametern (Seallnggrad der anodischen Oxidschicht, Dicke der anodischen Oxidschicht, Elektrolyttemperatur) vernetzte und durchgehärtete Sol-Gel-Schichten auf relativ dicken anodischen Oxidschichten rissfrei möglich sind.
  • Eine REM-Analyse hat zudem ergeben, dass die Risse in den anodischen Oxidschichten auf die Sol-Gel-Schichten übertragen werden, d.h. sobald Risse in der anodischen Oxidschicht entstehen, relsst üblicherweise auch die Sol-Gel-Deckschicht an diesen Stellen.
    • 2. Beispiel:
  • Da für eine schnelle Trocknung der Proben wenigstens ein kurzes Ansealen in heissem, demineralisiertem Wasser sehr hilfreich ist (Trocknen der Aluminiumsubstrate ohne weiteren Haftwasser-Trocknungs-Prozessschritt), wurde eine weitere Testserie durchgeführt, bei der Proben mit anodischen Oxidschichten einem kurzen Ansealen bzw. Teilsealen bzw. Tellverdichten im Heisswasserbad ausgesetzt wurden. Es wird hiermit festgehalten, dass die Ausdrücke "Ansealen", "Teilsealen" und "Teilverdichten" in vorliegender Anmeldung dieselbe Bedeutung haben.
  • Es wurden je sechs Proben mit Soll-Schichtdicken der anodischen Oxidschicht von 10 µm, 15 µm und 20 µm durch anodische Oxidation bei einer Elektrolyttemperatur von 18°C hergesteilt. Die anodische Oxidation des Aluminiums erfolgte mit dem GSX-Verfahren, d.h. mit Gleichstrom in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten enthaltend oder bestehend aus Schwefel- und Oxalsäure. Die verwendete Elektrolytzusammensetzung pro Liter Elektrolyt lag bel 190 g Schwefelsäure und 5 g Oxalsäure. Die Proben waren AlMg-Probenbleche mit den Dimensionen 100 mm x 200 mm x 1 mm, welche vor der anodischen Oxidation entfettet und dekorativ (matt) gebeizt wurden. Jeweils drei Proben einer jeden Sollschlchtdicke der anodischen Oxidschicht wurden ungesealt, jedoch getrocknet in einem Tauchverfahren mit einem Sol-Gel-Lack versehen. Jeweils drei weitere Proben einer jeden Sollschichtdicke der anodischen Oxidschicht wurden während 3 min in demineralisiertem Heisswasser einer Temperatur von 96°C bis 98°C angesealt, bzw. teilgesealt, getrocknet und danach im Tauchverfahren ebenfalls mit einer Sol-Gel-Lackschicht versehen.
  • Die mit dem Sol-Gel-Lack beschichteten Proben wurden zum Trocknen des Sol-Gel-Lacks mit einer Aufheizrate von 1°C/min auf 110 °C aufgeheizt. Nach dieser Behandlung ist die Sol-Gel-Beschichtung fest, jedoch noch nicht vollständig vernetzt. Danach wurden die Proben mit einer Abkühi-geschwindigkeit von weniger als 1°C/min abgekühlt.
  • 6 Proben, nämlich X1, X4, X13, X16, X7 und X10 wurden bei Zieltemperaturen von 110°C bis 230°C In jeweils 10°C-Schritten nach folgender Prozedur getempert:
    • Schnelles Aufheizen (Aufheizrate: 5 bis 10°C/min) der Proben auf 50°C unterhalb der Zleltemperatur;
    • Danach weiteres Aufheizen der Proben mit einer Aufheizrate von 1°C/min bis Zieltemperatur;
    • Nach Erreichen der Zieltemperatur wurden die Proben ca. 1 Stunde auf der Zieltemperatur gehalten;
    • Danach Abkühlen der Proben mit einer Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 1°C/min auf Raumtemperatur.
  • Die auf Raumtemperatur abgekühlten Proben wurden hinsichtlich der Rissbildung visuell im Streulichtbareich gegen eine schwarze Oberfläche beurteilt, wobei das Aluminiumsubstrat während der Betrachtung gedreht und unter verschiedenen Winkeln beurteilt wird. Tabelle 4:
    Einbrenn-temperatur [°C]
    230 2 2 3 3 3 3
    220 1 1 3 3 3 3
    210 1 1 3 3 3 3
    200 1 1 2 2 3 3
    190 1 1 1 1 3 3
    180 1 1 1 1 3 3
    170 1 1 1 1 ' 2 3
    160 1 1 1 1 1 2
    150 1 1 1 1 1 1
    140 1 1 1 1 1 1
    125 1 1 1 1 1 1
    110 1 1 1 1 1 1
    Verdichtungsgrad 0% 3 min 0% 3 min 0% 3 min
    Soll-Schichtdicke 10 µm 15 µm 20 µm
    Proben-Nr. X1 X4 X13 X18 X7 X10
    gemessene Eloxal-Schichtdicke [µm] 11.6 11.1 14 13.9 20.4 21.5
  • Diejenigen Proben, welche eine Rissbeurtellung von 3 erhielten, wurden nicht mehr weiter einer Temperaturbelastung unterzogen. Diejenigen Proben mit einer Rissbeurteilung von 1 oder 2 wurden mit der oben beschriebenen Aufheizprozedur auf einen um 10°C höheren Zieltemperaturwert aufgeheizt und getestet.
  • Die Wertzahlen 1, 2, 3 in Tabelle 4 geben die festgestellte Rissbildung wieder und haben folgende Bedeutung:
    • 1 entspricht: keine optisch feststellbaren Risse
    • 2 entspricht: wenig Risse mit einer Längenausdehnung von weniger als 5mm
    • 3 entspricht: viele starke Risse mit einer Längenausdehnung > 10 mm
  • Die Proben, welche nur getrocknet wurden (kein Sealen), zeigen dabei das gleiche Rissbildungsverhalten wie die Proben, welche während 3 min im Helsssealingbad aufgeheizt und anschliessend an Luft getrocknet wurden. Bei den Proben mit einer Schichtdicke der anodischen Oxidschicht von ca. 11 µm beginnt die Rissbildung erst bei 220°C, bei Schichtdicken der anodischen Oxidschicht von ca. 14 µm erst bei 190°C.
  • Weitere Proben X2, X4, X14 und X17 wurden - wie oben beschrieben - bei 110°C getrocknet und vorgehärtet. Diese Proben wurden nach vorheriger Abkühlung auf Raumtemperatur direkt in einen auf 180°C vorgeheizten Ofen gegeben und während 20 min (min=Minuten) auf dieser Temperatur gehalten. Danach wurden die Proben aus dem Ofen genommen und an Luft abgekühlt.
  • Die in Tabelle 5 wiedergegebenen Rissbildungswerte für schnelles Aufheizen und Abkühlen der vorgetrockneten Proben zeigen, dass keine Risse beobachtet werden konnten. Der in Tabelle 5 wiedergegebene Risrbildungswert 1 sagt wiederum aus, dass visuell keine Risse festgestellt werden konnten. Tabelle 5:
    Einbrenntemperatur [°C]
    180 1 1 1 1
    110 1 1 1 1
    Verdichtungsgrad 0% 3 min 0% 3 min
    Soll-Schichtdicke 10 µm 15 µm
    Proben-Nr. X2 X5 X14 X17
    gem. Eloxal-Schichtdicke [µm] 11.6 11.1 14 13.9
  • Weitere Proben X3, X6, X15 und X18 wurden mit Sol-Gel-Lack einer Schichtdicke zwischen 3 und 5 µm tauchlackiert und nach einer Abdunstzeit von 10 min direkt in einen auf 180°C vorgeheizten Ofen gegeben. Die Proben wurden während 20 min auf dieser Temperatur belassen und anschliessend aus dem Ofen genommen und an Luft auf Zimmertemperatur abgekühlt. Bei diesem Versuch wird somit die Qualität der anodischen Oxidschicht- und der Sol-Gel-Schicht nach einem direkten Einbrennen eines Sol-Gel-Nassfilms geprüft. Auch bei den hier untersuchten Proben (siehe Tabelle 6) konnten keine Risse beobachtet werden. Deshalb ist der in Tabelle 6 aufgeführte Rissblldungswert jeweils mit 1 gekennzeichnet.
  • Das zweite Beispiel bestätigt die bereits im ersten Beispiel gefundene Erkenntnis, dass die Rissbildung in erster Linie eine Funktion der Nachbehandlungstemperatur, der Schichtdicke der anodischen Oxidschicht und dem Verdichtungsgrad der anodischen Oxidschicht ist. Dabei zeigt ein Ansealen der anodischen Oxidschicht während 3 min in 96°C heissem, demineralisiertem Wasser gegenüber einer bloss getrockneten Variante, d.h. ohne Sealing, keinen Unterschied. Die Temperatur-Grenzwerte, bei denen Rissbildung bzw. keine Rissbildung eintritt, sind relativ scharf. Innerhalb 10°C bis 20°C ist der Übergang von rissfrei über 'wenig kleine Risse' bis 'viele starke und lange Risse' feststellbar. Dabei spielen die Aufhelz- und Abkühlgeschwindigkeiten nur eine untergeordnete Rolle. Tabelle 6:
    Einbrenn-temperatur [°C]
    180 1 1 1 1
    Verdichtungsgrad 0% 3 min 0% 3 min
    Soll-Schichtdicke 10 µm 15 µm
    Proben-Nr. X3 X6 X15 X18
    gemessene Eloxal-Schichtdicke [µm] 11.6 11.1 14 13.9
    • 3. Beispiel:
  • Um den Einfluss eines Kaltverdichtungsprozesses auf anodische Oxidschichten zu prüfen, wurde eine dritte Testserie durchgeführt.
  • Es wurden AlMg-Probenbleche In den Dimensionen 30 mm x 100 mm x 1 mm verwendet, welche vorgängig entfettet und matt gebeizt wurden. Die anodische Oxidation des Aluminiums erfolgte mit dem GSX-Verfahren bei 18°C, d.h. mit Gleichstrom in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten enthaltend oder bestehend aus Schwefel- und Oxalsäure. Die verwendete Elektrolytzusammensetzung pro Liter Elektrolyt lag bei 190 g Schwefelsäure und 5 g Oxalsäure. Die resultierende Schichtdicke der anodischen Oxidschicht beträgt etwa 10 µm.
  • Ein Teil der Proben wurde nach der GSX-Anodisation mit destilliertem Wasser gespült und während 10 Minuten in einem Bad (100 g/l Alflseal 982 von der Firma Alufinish) enthaltend Nickelfluorid sowie einen polaren Alkohol kaltverdichtet. Die Badtemperatur betrug 30°C. Nach einer Spühlung in deionisiertem Wasser wurden die anodischen Oxidschichten bei 98°C während 3 Minuten Heisswasser-teilverdichtet. Die Proben wurden nun verschiedenen Temperaturen zwischen 150 und 220°C ausgesetzt. Dabei wurden die Proben zuerst schnell, d.h. mit einer Aufheizrate von 5 bis 10°C/min, auf 100°C und danach mit einer Aufheizrate von 1°C/min auf die jeweilige Endtemperatur (Zieltemperatur) aufgeheizt. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurden die Proben zwischen 1-2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte mit weniger als 1°C/min über mehrere Stunden. Die beobachtete Rissbildung bei den in Tabelle 7 In der linken Spalte angegebenen Endtemperaturen (Zieltemperaturen) ist in der zweiten Spalte von Tabelle 7 angegeben.
  • Ein anderer Teil der Proben wurde nach vorstehend beschriebenem Verfahren GSX-anodisiert, kaltverdichtet und Helsswasser-teilverdichtet, jedoch weiter mit einer Sol-Gel-Deckschicht einer Dicke von etwa 4 µm beschichtet und danach einem ersten Trocknungszyklus unterworfen (Trocknung bei 110°C). Die nach der ersten Trocknungsbehandlung auf Raumtemperatur abgekühlten, mit dem teilgehärteten Sol-Gel-Lack versehenen Proben wurden dann zuerst schnell, d.h. mit einer Aufheizrate von 5 bis 10°C/min, auf 100°C und danach mit einer Aufheizrate von 1°C/min auf die jeweilige Endtemperatur (Zieltemperatur) aufgeheizt. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurden die Proben zwischen 1-2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte mit weniger als 1°C/min über mehrere Stunden. Die beobachtete Rissbildung bei den In Tabelle 7 in der linken Spalte angegebenen Endtemperaturen (Zieltemperaturen) ist in der dritten Spalte von Tabelle 7 angegeben.
  • Ein weiterer Teil der Proben wurde nach vorstehend beschriebenem Verfahren GSX-anodisiert, kaltverdichtet und danach weiter Heisswasser-verdichtet, wobei die Heisswasserverdichtung bei 98°C während 20 Minuten durchgeführt wurde, d.h. die anodischen Oxidschichten waren danach komplett verdichtet.
  • Die Proben wurden nun wiederum verschiedenen Temperaturen zwischen 150 und 220°C ausgesetzt. Dabei wurden die Proben zuerst schnell, d.h. mit einer Aufheizrate von 5 bis 10°C/min, auf 100°C und danach mit einer Aufheizrate von 1°C/min auf die jeweilige Endtemperatur (Zieltemperatur) aufgeheizt. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurden die Proben zwischen 1-2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte mit weniger als 1°C/min über mehrere Stunden. Die beobachtete Rissbildung bei den in Tabelle 7 in der linken Spalte angegebenen Endtemperaturen (Zieltemperaturen) ist in der 4. Spalte von Tabelle 7 angegeben.
  • Ein noch weiterer Teil der Proben wurde nach vorstehend beschriebenem Verfahren GSX-anodislert, kaltverdichtet und danach weiter Heisswasserverdichtet, wobei die Heisswasserverdichtung bei 98°C während 20 Minuten durchgeführt wurde, d.h. die anodischen Oxidschichten waren danach komplett verdichtet. Danach wurden die Proben mit einer Sol-Gel-Deckschicht einer Dicke von etwa 4 µm beschichtet und einem ersten Trocknungszyklus unterworfen (Trocknung bei 110°C). Die nach der ersten Trocknungsbehandlung auf Raumtemperatur abgekühlten, mit dem teilgehärteten Sol-Gel-lack versehenen Proben wurden dann zuerst schnell, d.h. mit einer Aufheizrate von 5 bis 10°C/min, auf 100°C und danach mit einer Aufheizrate von 1°C/min auf die jeweilige Endtemperatur (Zieltemperatur) aufgeheizt. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurden die Proben zwischen 1-2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte mit weniger als 1°C/min über mehrere Stunden. Die beobaohtete Rissbildung bei den in Tabelle 7 in der linken Spalte angegebenen Endtemperaturen (Zieltemperaturen) ist in der 5. Spalte von Tabelle 7 angegeben.
  • Die auf Raumtemperatur abgekühlten Proben wurden jeweils hinsichtlich der Rissbildung visuell im Streulichtbereich gegen eine schwarze Oberfläche beurteilt, wobei das Aluminiumsubstrat während der Betrachtung gedreht und unter verschiedenen Winkeln beurteilt wurde.
  • Die Rlssbildungswerte in Tabelle 7 zeigen, dass zuerst kaltverdichtete und danach Heisswasser-teilverdichtete anodische Oxidschichten in etwa das gleiche Rissbildungsverhalten wie die unverdichteten bzw. nur Helsswasserteilverdichteten Proben zeigen. Zudem zeigt sich, dass eine zusätzliche Lackierung mit Sol-Gel-Lack keinen verstärkenden Einfluss auf die Rissbildung ausübt. Tabelle 7:
    Einbrenntemperatur [°C] kaltverdichtet und Heisswasser- kaltverdichtet und Heisswasserteilgasealt mit Sol-Gel kaltverdichtet und Heisswasser-verdichtet kaltverdichtet und Heisswasser-verdichtet und Sol-Gel
    220 1 1 3 3
    210 1 1 3 3
    190 1 1 3 3
    170 1 1 2 2
    150 1 1 1 1
  • Die Wertzahlen 1, 2, 3 in Tabelle 7 geben die festgestellte Rissbildung wieder und haben folgende Bedeutung:
    • 1 entspricht: keine optisch feststellbaren Risse
    • 2 entspricht: wenig Risse mit einer Längenausdehnung von weniger als 5mm
    • 3 entspricht: viele starke Risse mit einer Längenausdehnung > 10 mm
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Figur 1.
    • Fig. 1 : Schematischer Schichtaufbau eines Aluminiumsubstrats mit einer teilverdichteten anodischen Oxidschicht und einer Deckschicht;
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Aluminiumsubstrat 10 mit einer tellverdichteten anodischen Oxidschicht 20 und einer Deckschicht 30. Die anodische Oxidschicht 20 weist Poren 25 auf, bei welchen die Teilverdichtung nicht zu sehen ist. Zwischen Aluminiumsubstrat 10 und der porenhaltigen anodischen Oxidschicht 20 befindet sich eine dünne, porenfreie Sperrschicht 15, welche Jedoch Teil der anodischen Oxidschicht 20 mit der Schichtdicke D ist. Auf der anodischen Oxidschicht 20 befindet sich eine Sol-Gel-Deckschicht 30, wobei das Sol-Gel auch die Poren 25 der anodischen Oxidschicht 20 zumindest teilweise ausfüllt.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats, welches einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 140 °C oder höher aussetzbar ist ohne dass eine Rissbildung einsetzt, wobei das korrosionsbeständige und verschleissfähige Aluminiumsubstrat wenigstens teilweise eine anodische Oxidschicht auf Aluminium und eine darauf aufgebrachte organische oder anorganische Lackschicht als äussere Deckschicht aufweist, wobei ein Aluminiumsubstrat aus einer anodisch oxidierbaren Aluminiumlegierung entfettet und gebeizt, danach elektrochemisch oxidiert und die frei liegende Oberfläche der anodischen Oxidschicht mit einer organischen oder anorganischen Lackschicht beaufschlagt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Herstellung des korrosionsbeständigen und verschleissfähigen Aluminiumsubstrats die anodische Oxidation in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten derart erfolgt, dass eine anodische Oxidschicht einer Dicke von 8 µm bis 25 µm gebildet wird, und die anodische Oxidschicht vor der Lackbeschichtung entweder kaltverdichtet, Heisswasser-teilverdlchtet oder keinerlei Helsswasserverdichtung unterzogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltverdichten während 30 bis 60 s in einem Bad enthaltend Nickelfluorid sowie einen polaren Alkohol erfolgt, wobei die Badtemperatur zwischen 25°C und 35°C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heisswasser-Teilverdichten in demineralisiertem Wasser bei einer Temperatur von 80 bis 98°C während 5 Sekunden bis 5 Minuten durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Oxidschicht mit demineralisiertem Wasser mit einer Temperatur zwischen 92 und 98 °C während 1 bis 5 Minuten teilverdichtet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Oxidschicht mit demineralisiertem Wasser mit einer Temperatur zwischen 94 und 97 °C während 2 bis 4 Minuten durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eloxierbare Aluminiumlegierung eine Knetieglerung ist und aus der Gruppe von Al99,5, Al99,7, Al99,8Al99,0, AlCu4MgSi, AlCu4Mg1, AlMn1Cu, AlMn1Mg1, AlMn1Mg0,5, AlMn1, AlMg1, AlMg5, AlMg2Mn0,8, AlMg2,5, AlMg4,5Mn0,7, AlMg4, AlMg2, AlMg3Mn, AlMg3, AlSiMg, AlMgSi, AlMg1SiCu, AlSi1MgMn, AlZn4,5Mg1 und AlZn5Mg3Cu ausgewählt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eloxierbare Aluminiumlegierung eine Gusslegierung ist und aus der Gruppe von G-/GK-/GF-AlMg3, GD-AlMg9, G-/GK-AlMg5, G-/GK-AlMg5(Si), AlZn5Mg, G-/GK-/GF-AlMg3, G-/GK-/GF-AlMg3Si, G-/GK-AlMg5, G-/GK-AlMg5Si, G-/GK-AlSi5Mg und GD-AlMg9 ausgewählt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Oxidation des Aluminiumsubstrats mit Gleichstrom in einem Aluminiumoxid rücklösenden Elektrolyten durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Oxidschicht eine Schichtdicke von 10 bis 20 µm aufweist
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Oxidschicht vor einer allfälligen Verdichtung bzw. Teilverdichtung und vor der Lackbeschichtung partiell oder vollflächig mit einem organischen oder anorganischen Farbstoff eingefärbt wird, oder funktionelle Substanzen in die poröse Struktur der Oxidschicht eingebracht werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organische oder anorganische Lackschicht bei einer Temperatur von 140°C oder höher getrocknet und/oder ausgehärtet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus organischem oder anorganischem Lack eine Schichtdicke von 0.5 µm bis 10 µm, bevorzugt 1 µm bis 8 µm und insbesondere 2 µm bis 7 µm aufweist, wobei die Schichtdicke der Deckschicht die Dicke des auf der frei liegenden anodischen Oxidschicht befindlichen Lacks betrifft.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der organische oder anorganische Lack ein Sol-Gel-Lack aus einem Polysiloxan ist und bei einer Temperatur höher als 140 °C ausgehärtet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des anodisch oxidierten Aluminiumsubstrats mit Sol-Gel-Lack durch Eintauchen des anodisch oxidierten Aluminiumsubstrats in ein Sol-Gel-Bad, durch Aufrollen des Sol-Gel-Lacks oder durch Aufspritzen einer Sol-Gel-Lösung auf das anodisch oxidierte Aluminiumsubstrat vorgenommen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D) der anodischen Oxidschicht in Funktion der späteren Wärmebehandlung bzw. Lackeinbrenn- oder Lackhärtungstemperatur (T) gebildet wird, so dass die Dicke der anodischen Oxidschicht gemäss D = 10 ⁢ μm * 2 - T - 150 70 ± 2 ⁢ μm
    Figure imgb0002
    bestimmt wird, wobei die Temperatur (T) im Bereich zwischen 100 und 200°C liegt.
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