Oberstufenjahrgang 2011/13 - felix-meuer.de

1 Oberstufenjahrgang 2011/13 S e m i n a r a r b e i t im Fach Chemie Thema: Eloxieren und F rben von Aluminium Verfasser/in: Felix Meuer W-Seminar: Bring Farbe in dein Leben! Kursleiter: OStR Thomas R mmelt Abgabetermin: 6. November 2012 Leistung schriftliche Arbeit (Punkte): .. Leistung Pr sentation (Punkte): .. Gesamtleistung (doppelte Wertung nach GSO 61(7)): .. (Unterschrift des Kursleiters) Sprachliches und Naturwissenschaftlich technologisches Gymnasium Rottmayr Gymnasium Laufen Vielseitige Bildung f r eine erfolgreiche Zukunft Gliederung 1. Vorwort 2 Theorie Vorbereitung des Werkst cks Verfahren des Eloxierens F rben der Eloxalschicht Sealing 3 Praktische Arbeit Erzeugung einer Eloxalschicht F rben mit Tiefschwarz F rben mit Rot und Schwarz F rben mit Blau Dickenmessung Problemfall Kontaktierung Sicherheitsvorkehrungen und Umweltbilanz des Eloxalprozesses 4 Einsatz in nichtindustriellen Bereichen 5 Literaturverzeichnis 3 1 VORWORT Im Alltag sieht und nutzt man unbewusst sehr h ufig eloxierte und eingef rbte Gegenst nde aus Aluminium.

2 Als einige wenige Beispiele seien hier Kleinteile wie etwa Schrauben bis hin zu kompletten PKW - Karosserien genannt. Zus tzlich werden eloxierte Aluminiumwerkst cke auch in vielen Bereichen der Industrie aufgrund ihrer vielf ltigen Eigenschaften wie etwa H rte und Korrosionsbest ndigkeit gesch tzt. In dieser Seminararbeit werden daher zuerst die verschiedenen Schritte des Eloxalprozesses und deren Theorie dahinter vorgestellt. Dabei wird wie folgt vorgegangen: Zuerst wird die Vorbereitung der Werkst cksoberfl chen sowie die unmittelbare Behandlung vor dem Eloxalvorgang behandelt. Im Anschluss wird im n chsten Abschnitt der Prozess des Eloxierens im Schwefels urebad behandelt und daraufhin der F rbeprozess in den verschiedenen F rbeb dern.

3 Den Schluss des Theorieteils bildet der letzte Arbeitsschritt, das sogenannte Sealing oder Verdichten der Oberfl che. Nach der Abhandlung der Theorie werden verschiedene Versuche vorgestellt, in denen die Werkst cke mit verschiedenen Eloxalfarben eingef rbt werden und bei denen die aufgetretenen Probleme analysiert werden. Der letzte, sehr praxisbezogene Versuch behandelt die Messung der Dicken nderung der Aluminiumwerkst cke. Diese Dicken- nderung ist besonders f r Aluminium bearbeitende Firmen interessant, da hier bestimmt werden kann, ob bei genauen Ma vorgaben wie etwa Passungen nachbearbeitet werden muss. Zus tzlich wird auf verschiedene Problematiken wie etwa die Werkst ckskontaktierung und den Sicherheits- und Umweltaspekt eingegangen.

4 Am Ende dieser Arbeit werden die verschiedenen Versuche zusammengefasst analysiert und der Einsatz im nichtgewerblichen Bereich behandelt. 1) Electronic Thingks. Industrielle Praxis. 4 2 THEORIE Vorbereitung des Werkst cks Um die gew nschte Oberfl cheng te des Werkst cks nach dem Eloxier- und F rbeprozess zu gew hrleisten, muss bereits vor dem Anodisieren die Werkst ck- oberfl che gr ndlich gereinigt und vorbereitet werden. Um eine spezielle Optik der Bauteile zu erreichten, haben sich folgende Arbeitsmethoden weitgehend durchgesetzt: Schleifen: Gleichm ig rauhe Oberfl che B rsten: Rauhe Oberfl che mit Vorzugsrichtung Polieren: Sehr glatte Oberfl che Sandstrahlen: [Sehr] .. rauhe Oberfl che Beizen: Besonders geringes Anrauhen Mattieren: Leichtes Anrauhen Satinieren: Leichtes Anrauhen (Electronic Thingks.

5 Industrielle Praxis . )1) Um eine gleichm ige Oberfl che zu erhalten und die alte Oxidschicht zu entfernen beizt man meist zuerst basisch (mithilfe auf Natronlauge basierender Laugen) und im folgenden zweiten Beizvorgang sauer (beispielsweise mit Fluss- oder Salpeters ure). Dieser Prozess kann bei verschiedenen Legierungen unterschiedlich gut durchgef hrt werden, da mache Fremdmetallbeimischungen das Beizen beeinflussen. Aus diesem Grund gibt es f r verschiedene Legierungen unterschiedliche Beiz- mischungen, diese machen aber nur f r gr ere industrielle Anlagen Sinn, weil f r die Standardlegierungen oftmals ein Beizen nur mit Natronlauge und gegebenenfalls Salpeters ure notwendig ist. Salpeters ure wird dann ben tigt, wenn sich zum Beispiel nach dem Beizen mit Natronlauge eine dunkle Oberfl chenschicht aufgrund eines hohen Kupfergehalts der Aluminiumlegierung gebildet hat.

6 Bei einem kurzen Tauchvorgang in der Salpeters ure werden Fremdmetall- und Laugenreste von der Werkst ckoberfl che entfernt, m glich w re dies auch durch Flusss ure anstatt Salpeters ure. 2) Electronic Thingks. Aufbau Eloxierbad. 3) Robert S. Alwitt. Anodizing. 5 Bildung der Eloxalschicht Der wichtigste Prozess zur Bildung einer k nstlichen Oxidschicht auf der Oberfl che der Aluminiumwerkst cke ist das Eloxieren (Eloxal = Elektrolytische Oxidation von Aluminium). In der Grafik ist der grundlegende Aufbau eines Eloxierbades ersichtlich, einer Kombination aus einem Bad, gef llt mit einem Elektrolyt, und einer Gleichstromquelle. Abbildung 1: Aufbau Eloxierbad2) Das im Bad aufgeh ngte Werkst ck wird mit der Anode (positiver Pol) der Stromquelle verbunden, die Kathode (negativer Pol) wird mit einem Aluminum-, Titan oder Bleiblech, das sich innerhalb des Bades befindet, kontaktiert.

7 Nach Anlegen eines Gleichstromes laufen vor allem folgende Reaktionen ab3): - An der Kathode wird wie gewohnt bei einer normalen Elektrolyse Wasserstoff frei: 2 H3O++ 2 e- H2 + 2 H2O (Reduktion) - An der Anode: 2 Al 2 Al3+ + 6 e- - An der Oxidschicht/Elektrolyt-Oberfl che reagieren die nach au en gewanderten Aluminiumkationen dann weiter: 2Al3 + + 3H2O Al2O3 + 6H + - Zus tzliche Reaktion: An der Aluminium/Oxidschicht-Oberfl che reagieren die durch die Elektrolyse entstandenen Sauerstoffionen: 2 Al + 3 O2- Al2O3 + 6e- Zusammengefasst lautet die Gesamtreaktion: 2 Al + 3 H2O Al2O3 + 3 H2 4) Vgl. Wikipedia. Harteloxal. 6 An diesen Reaktionsgleichungen ist ersichtlich, dass die Schwefels ure nicht direkt zur Bildung einer Oxidschicht ben tigt wird, aber sie dient als Elektrolyt und setzt dadurch den elektrischen Widerstand des Bades weit herab.

8 Normalerweise werden beim GS-Verfahren (Gleichstrom - Schwefels ure) B der mit 15-20 %iger Schwefels ure verwendet, aber auch Oxals ure und Mischungen aus Schwefel- und Oxals ure sind m glich. F r diese Seminararbeit wurden 5 Liter 37,5 %ige Batteries ure 1:1 mit Wasser verd nnt, um eine Konzentration von 18,75 % zu erreichen. Als Stromdichte wird durchgehend empfohlen, 1,5 Ah pro 100 cm2 zu verwenden. Folglich wird eine Konstantstromquelle ben tigt, wobei sich die ben tigte Spannung durch die Stromst rke ergibt. Die Spannung ndert sich permanent durch den Aufbau der Oxidschicht, weil diese nicht leitend ist und sich der Widerstand der Werkst ck/Elektrolyt - Oberfl che vergr ert. Da die Stromst rke konstant gehalten werden soll, muss sich die Spannung erh hen.

9 Durch diesen Prozess lassen sich Schichtdicken der Oxidschicht von ca. 5 30 m erzielen. Eine weitere Variation des Aufbaus der Oxidschicht ist das sogenannte Harteloxieren, bei dem die Aluminiumwerkst cke mit einer wesentlich h heren Stromdichte und damit Spannung eloxiert werden. Da sich durch den h heren Stromfluss der Elektrolyt schneller erw rmt, muss besonders beim Harteloxieren das Bad gek hlt und umgew lzt werden. Nur bei Badtemperaturen von 0 bis 10 C funktioniert dieses Verfahren im erzielten Ma stab, wobei hier wesentlich h here Dicken der Oxidschicht erreicht werden (bis zu 200 m)4) und dadurch werden die damit behandelten Werkst cke wesentlich verschlei - und korrosionsbest ndiger. F rben der Eloxalschicht Die im Schwefels urebad gebildete Eloxalschicht hat eine porige Oberfl che aufgrund des folgenden Ablaufs: Zu Beginn bildet sich die nicht leitende Oxidschicht, dadurch steigt der Widerstand des bergangs Werkst ck/Elektrolyt.

10 Aus diesem Grund muss die f r die Reaktion ben tigte Spannung steigen, um einen konstanten Strom aufrecht zu erhalten. Wenn die Spannung entsprechend hoch gestiegen ist, wird die vom Elektrolyt angegriffene Oxidschicht durchschlagen. Deshalb steigt an diesen Stellen wegen der d nnen oder fehlenden Oxidschicht die Stromdichte an verschiedenen Stellen an, welche sich folglich dadurch erw rmen. Bei einer h heren Temperatur wird aber die Eloxalschicht leichter aufgel st, was zu einer Bildung von Vertiefungen f hrt. 5) Vgl. Wikipedia. Eloxal-Verfahren. 6) Electronic Thingks. Eloxalporen. 7 Diese sich darum befindende Oxidschicht w chst weiter, aber die abgel sten Stellen bleiben bestehen, da sie einen Ladungsaustausch mit dem Elektrolyten erm glichen und dadurch offen gehalten ) Diese so entstandene por se Struktur (kapillar hnliche Poren) hat die F higkeit, Fl ssigkeiten aufzusaugen, so Farbstoffe: Abbildung 2: Eloxalporen 6) Das F rben findet normalerweise in einem Tauchbad, in dem sich der gel ste Farbstoff befindet, statt.