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Anleitung: Eloxieren von Aluminium
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Version 1.1 vom 3. März 2005 Eloxieren von Aluminium? Ist das nicht sehr kompliziert und nur durch spezialisierte und deswegen teure Unternehmen möglich? Nein, eloxieren ist sogar recht einfach. Im Prinzip kann dies jeder zuhause durchführen. Diese Anleitung stellt Ihnen das nötige Hintergrundwissen zur Verfügung und zeigt Ihnen, wie leicht Sie Ihre Aluminiumstücke verschönern und härten können. Inhalt
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Was ist Eloxieren?
Eloxieren oder auch Anodisieren nennt man das elektrolytische Oxidieren
von Aluminium und seinen Legierungen. Dabei wird die Oberfläche in einem ersten Schritt in
einem elektrochemischen Prozess umgewandelt und bis zu einer gewissen Dicke porös. Nach
dem Eloxiervorgang werden diese Poren durch sogenanntes Verdichten geschlossen und die
chemische Zwischenverbindung in ihre Endform überführt. Taucht man das Bauteil vor dem
Verdichten in ein entsprechendes Farbbad, so lagern sich Farbpigmente in den Poren ein und
können dann mitversiegelt werden.
GrundlagenEigenschaften der SchichtBlankes Aluminium oxidiert an der Luft sehr schnell, überzieht sich dabei allerdings mit einer luftundurchlässigen farblosen Oxidschicht (Al2O3). Diese sehr dünne (typischerweise 0,5-1µm dicke) Schicht schützt das Metall vor weiterem Angriff des Luftsauerstoffs. Sie ist recht weich und unansehnlich und genügt wegen ihrer sehr geringen Stärke keinen höheren Ansprüchen. Allerdings kann man durch gezielten Aufbau dieser Schicht mit Hilfe eines wässrigen Elektrolyten folgende Eigenschaften herausbilden:
Chemische ReaktionIm Eloxierbad laufen im Wesentlichen folgende chemischen Reaktionen ab:
Es fallen zwei Dinge ins Auge:
Aufbau der EloxalschichtZuerst entsteht elektrolytisch im Schwefelsäurebad eine geschlossene Schicht, die bei weiterem Wachstum in feine kapillarähnliche Poren übergeht:
In diese Poren können sich nun Farbpigmente einlagern:
Zum Schluß werden die Poren durch Versiegeln (auch „Sealing“ genannt) verschlossen.
Die Farbe wird also nicht aufgetragen, sondern ist Bestandteil der Eloxalschicht und somit sehr gut gegen Abrieb und chemische Einflüsse geschützt. Das Verfahren in der industriellen PraxisIm Folgenden wird in groben Zügen der Ablauf industrieller Eloxierverfahren beschrieben, um einen Einblick zu geben, was alles möglich ist. Welche dieser Verfahrensschritte Sie als Laie zu Hause durchführen können, erklären wir Ihnen weiter unten. OberflächenbearbeitungZuerst muss die Oberfläche des Aluminiums gründlich gereinigt und eventuell für das spätere Aussehen vorbereitet werden. Je nach gewünschter Oberfläche werden mechanische und chemische Verfahren eingesetzt, zum Beispiel:
Durch spezielles Bürsten lässt sich mittlerweile eine Oberfläche erzeugen, die Edelstahl zum Verwechseln ähnlich sieht - mit dem Vorteil, dass Fingerabdrücke auf Eloxalschichten keine Spuren hinterlassen. Damit sind sie vorzüglich zur Herstellung pflegeleichter Gegenstände geeignet. ReinigungEine wesentliche Vorraussetzung für eine erfolgreiche Eloxierung ist ein absolut fett- und staubfreies Werkstück. Deswegen werden die Werkstücke vor dem Eloxalbad gründlich chemisch gereinigt. Dies geschieht meist in Bädern aus Natronlauge oder Soda. SpülenUm sämtliche Reste der Reinigungsmittel zu entfernen, werden die Werkstücke gründlich mit Wasser gespült. Anodisieren
Das am weitesten verbreitete und auch einfachste Verfahren zur Herstellung der
Eloxalschicht ist das sogenannte Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahren (GS-Verfahren).
Hierbei werden die Werkstücke als Anode (Pluspol) in ein wässriges Schwefelsäurebad
getaucht während die Kathode (Minuspol) z.B. durch Bleiplatten dargestellt wird. Bei ca.
12-18 Volt Gleichspannung und Stromdichten von 1,5 A/dm² erfolgt das Anodisieren
über 10-60 Minuten.
SpülenUm sämtliche Reste der Säure zu entfernen und das Farbstoffbad zu schützen, werden die Werkstücke nochmals gründlich mit Wasser gespült, eventuell wird gezielt neutralisiert. FarbbadIm Farbbad erfolgt dann die Einfärbung der gebildeten Eloxalschicht bei etwa 50 Grad Celsius. Je nach Konzentration, gewünschter Farbnuance und Legierung des Werkstücks verweilt es hier bis zu 10 Minuten. VersiegelnDirekt nach dem Farbbad verbringt man die Werkstücke in kochendes Wasser, wo die Eloxalschicht verdichtet wird. Eingeschlossene Farbpigmente werden so versiegelt und es bildet sich die gewünschte kratzfeste Oberfläche. AnmerkungenDas gesamte industrielle Verfahren unterliegt natürlich stetiger Kontrolle, etwa durch Bestimmung der Säure- oder Farbkonzentration, Messen der Schichtdicke und Sichtprüfungen. Zum Teil sind hier aufwändige Verfahren nötig, die den Rahmen des Heimanwenders sprengen würden. Mit etwas Sorgfalt können diese Nachteile aber größtenteils ausgeglichen werden, da der Heimanwender sich jedem Werkstück intensiv widmen kann. Selber eloxierenNun kommen wir zum praktischen Teil, wo wir Ihnen zeigen, wie Sie mit einfachen Mitteln Aluminium eloxieren und färben können. Die Ergebnisse können sich sehen lassen und sind bei etwas Sorgfalt so gut wie in der Industrie.
Was kann eloxiert werden?
Wie gut sich ein Werkstück eloxieren lässt, hängt hauptsächlich von der verwendeten
Legierung ab. Reines Aluminium eignet sich am besten, findet aber wegen seiner
Weichheit kaum als Werkstoff Verwendung. Die am häufigsten Legierung für Eloxal ist
AlMgSi0,5. Aluminium-Silizium-Legierungen mit hohem Siliziumanteil werden Ihrer sehr guten
Giessbarkeit häufig für Gussteile eingesetzt, bilden aber kaum eine brauchbare Eloxalschicht aus.
Profile können bereits eloxiert sein - bitte überprüfen Sie dieses vorher. Eine vorhandene Eloxalschicht muss vor dem erneuten Eloxieren entfernt werden! Auf jeden Fall sollten Sie bei jeder neuen Legierung einen Probedurchgang zum Beispiel mit einem Abfallstück durchführen!
Wichtig:
Was benötige ich dafür?Die notwendigen Chemikalien und Materialien sollten eigentlich überall preiswert erhältlich sein. Wenn Sie Probleme bei der Beschaffung haben: alle Chemikalien, die Sie zum Eloxieren benötigen, bekommen Sie in der Apotheke. Dort sind die Sachen natürlich etwas teurer. Im Folgenden finden Sie eine Aufstellung mit Mengenangaben für erste Versuche:
Die ArbeitsschritteEs folgt die Beschreibung der erforderlichen Arbeitsschritte, um selbst zum Erfolg zu gelangen. Wenn Sie sich an diese Anleitung halten, sollten Sie sehr schöne Werkstücke erhalten, die professioneller Fertigung in nichts nachstehen. Säubern und Vorbereiten der Oberfläche
Je nach gewünschter Oberfläche wird das Werkstück mechanisch vorbehandelt (zum Beispiel: Schleifen, Bürsten, Polieren). Bitte beachten Sie, dass die spätere Eloxalschicht keine Oberflächenfehler verzeiht - im Gegenteil: diese treten häufig noch deutlicher zu Tage. Seien Sie deswegen sorgfältig bei den Vorbereitungen - Sie ersparen sich dadurch den Ärger eines später ständig sichtbaren Kratzers oder sogar einer kompletten Wiederholung der gesamten Prozedur. Alle Verunreinigungen (auch Fingerabdrücke) auf der Oberfläche verschlechtern oder verhindern die Bildung der Eloxalschicht an dieser Stelle. Deswegen ist es wichtig, das Werkstück vorher auch chemisch gründlich zu reinigen. Dies kann zum Beispiel mit Natronlauge (die zusätzlich die Oberfläche leicht beizt) geschehen. Eine Möglichkeit wäre z.B. das Schwenken des Werkstücks an einem langen Kabelbinder in der Lauge. Nach der Reinigung dürfen Sie das Werkstück nicht mehr berühren! Tauchen Sie es nun in das Bad mit Leitungswasser, um die Reste des Reinigungsmittels durch ausgiebiges Spülen zu entfernen. Je nach Größe und Komplexität des Werkstücks ist es ausreichend, es unter reichlich fliessendes Wasser zu halten.
Bemerkung:
EloxierenDieses ist der wichtigste aber zugleich auch der unkritischte Arbeitsschritt. Die folgende Grafik zeigt den prinzipiellen Aufbau des Eloxierbades:
Der eigentliche Eloxiervorgang findet in 15-20%iger Schwefelsäure statt. Die genaue Konzentration ist nicht kritisch. Wer normale Batteriesäure (ca. 37% H2SO4) zur Verfügung hat, kann durch Mischung mit destilliertem Wasser im Verhältnis 1:1 das Eloxierbad ganz leicht herstellen. Hierbei und insbesondere beim Verdünnen von hochkonzentrierter Säure gilt:
Die Konzentration der Säure lässt sich später leicht zum Beispiel mit einem sogenannten Aräometer (Senkwaage) bestimmen. Dabei zeigt die Eintauchtiefe des Aräometers die Dichte der Säure an, über die auf deren Konzentration geschlossen werden kann. Alle zu eloxierenden Oberflächen des Werkstücks müssen in das Säurebad eintauchen, da nur die der Säure ausgesetzten Oberflächen die Eloxalschicht bilden können. Dies erreicht man am einfachsten durch Titandraht, der z.B. durch im Werkstück vorhandene Ösen gezogen wird oder eine dünne Aluminiumstange mit Haken oder Gewinde, die in ein Gewinde des Werkstücks geschraubt wird. Da über die Befestigung gleichzeitig der Strom fließt, sollte die Verbindung innig und die Kontaktstelle möglichst großflächig sein. Das widerspricht naturgemäß der Forderung nach möglichst wenig abgedeckter Oberfläche (da diese eben nicht eloxiert wird). Meist reicht es aber, den Draht mehrmals möglichst fest um das Werkstück zu wickeln. Dieser liegt dann an den Kanten auf, so daß man auf den großen Oberflächen keine Fehlstellen erhält. Wichtig ist übrigens, nur Aluminium gleicher Legierung oder säureresistente Leiter (z.B. Reintitan) für die Halterung zu verwenden (Stichwort: elektrochemische Spannungsreihe der Metalle). Unser Werkstück bildet die Anode - wir schließen also hier den Pluspol (meist rot gekennzeichnet) unserer Stromquelle an. Die Kathode bildet unser Aluminium/Bleiblech und wir verbinden dieses mit dem Minuspol (meist schwarz) unserer Stromquelle. Berechnung der Stromstärke und DauerDie Schichtdicke wird ausschließlich durch Variation der Eloxierdauer und der Stromstärke bestimmt, ist also von der geflossenen Ladungsmenge abhängig. Als groben Richtwert der einzustellenden Stromstärke empfehlen wir etwa 1,5 A pro 100 cm² Oberfläche bei einer Eloxierdauer von ca. 60 Minuten (= 3600 Sekunden) und einer Badtemperatur von +20°C. Zum besseren Verständnis folgt ein kleines Beispiel: Unser Werkstück sei ein Aluminiumwürfel mit 10cm Kantenlänge. Unsere Stromquelle liefere maximal 5 Ampere. Die Gesamtfläche des Würfels ergibt sich zu: 10cm * 10cm * 6 = 600 cm² Daraus folgt mit obigem Richtwert, dass die Stromquelle einen Strom von 600 cm² / 100 cm² * 1,5 A = 9 A für 60 Minuten liefern sollte. Da unsere Stromquelle nur 5 A liefern kann, erhöht sich die Eloxierdauer entsprechend: 9 A / 5 A * 3600s = 6480s was ganz grob zwei Stunden Baddauer entspricht. Die Devise hierbei lautet: Lieber etwas länger als zu kurz. Wir lassen unseren Würfel also für zwei Stunden bei 5 Ampere im Bad. Diese Werte sind natürlich nur ungefähre Anhaltspunkte, da das Ganze, wie oben bereits beschrieben, von der verwendeten Legierung abhängt. Wichtig ist jedenfalls, daß man auch wirklich alle Flächen, die mit der Säure in Berührung kommen, in die Rechnung mit einbezieht. Während des Wachstums der Eloxalschicht erhöht sich deren elektrischer Widerstand und der Stromfluss sinkt. Dieses kann man per Hand durch Erhöhung der Spannung ausgleichen oder man verwendet gleich ein stromgeregeltes Netzteil und stellt den gewünschten Strom vorher ein. Es bildet sich nach und nach eine ganz leicht gelblich gefärbte Oberfläche heraus und der Glanz verschwindet. An der Kathode bilden sich Blasen aus Wasserstoff. Dies ist normal und zeigt, dass die elektrochemische Reaktion abläuft. Um bei einer unbekannten Legierung die Dauer abschätzen zu können, sollten Sie zuerst einen Rest als Teststück einsetzen. Dieses hängen Sie z.B. im Abstand von zehn Minuten jeweils zwei Zentimeter tiefer in das Bad. So erstellen sie eine Testreihe, aus der Sie später leicht die optimale Zeit für die Baddauer ermitteln können (bei der Färbung ist dieselbe Prozedur nützlich, um Farbnuancen herstellen zu können).
SpülenVor dem Färben muss das Werkstück gründlich unter fliessendem Wasser gespült werden, bei kompliziert geformten Teilen sollte man die noch vorhandene Schwefelsäure zusätzlich vorher in einem Wasserbad mit gelöstem Natriumcarbonat (Na2CO3, „Soda“; gibt es in jedem Lebensmittelgeschäft bei den Backwaren) oder Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3, „Natron“; ebenfalls bei Backwaren) neutralisieren. FärbenDas abgespülte Werkstück taucht man nun in die etwa 50 Grad Celsius warme Färbelösung ein und schwenkt es in dieser leicht hin und her, um die Aufnahme der Farbpigmente zu beschleunigen. Denken Sie bitte auch hier daran: das Werkstück wegen möglicher Fingerabdrücke nicht an seinen eloxierten Oberflächen berühren! Die Konzentration des Färbebades ist abhängig vom Farbstoff und der gewünschten Farbsättigung. Je nach Farbintensität und Konzentration des Bades beträgt die Verweildauer 2-20 Minuten. Unsere Eloxalfarben werden mit einem ausführlichen Datenblatt geliefert, das alle benötigten Werte enthält. Bei der Bestimmung der Dauer für eine bestimmte Farbsättigung hilft auch wieder die weiter oben beschriebene Methode der Testreihe. Diesmal muss man natürlich ein gleichmäßig eloxiertes Werkstück zur Verfügung haben, das frisch aus dem Schwefelsäurebad kommt. Je länger die Werkstücke im Farbbad verweilen, desto intensiver wird die Färbung. So lassen sich sehr einfach hauchzarte Färbungen bis hin zum satten Farbton erzeugen. Bestimmte Farbstoffe lassen sich auch im Bad mischen oder in Bädern hintereinander anwenden. Durch die speziellen chemischen Eigenschaften lagern sich diese an unterschiedlichen Stellen der Eloxalporen an und ergeben so eine Mischfärbung (Wir sind im Moment dabei, für Sie eine Tabelle der möglichen Kombinationen anzulegen und zu testen. Dafür bitten wir Sie noch um ein wenig Geduld.). Man muß natürlich nicht färben. Wer den schlichten „Alulook“ mag, kann auch gleich zum Versiegeln übergehen. Das ergibt dann ein silbrig-mattes Aussehen, wie es üblicherweise Aluminiumprofile besitzen, die als Meterware in Baumärkten verkauft werden. Bis zu diesem Punkt ist es recht einfach möglich, bei schlechten Ergebnissen die ganze Prozedur abzubrechen und von vorne zu beginnen (d.h. säubern und beizen, eloxieren, etc.). Nach dem Versiegeln müßte man wieder mit Schmirgel und viel Kraft die harte Oberfläche abschleifen. Bei Werkstücken, die genau gearbeitet sind, ist das keine leichte Aufgabe.
Deswegen die Bitte:
VersiegelnDieses ist der wesentliche Vorgang, um die harte und strapazierfähige Eloxaloberfläche zu erzeugen - und dabei der einfachste. Das Werkstück wird einfach für ca. 60 Minuten in kochendes (nicht nur warmes) Wasser gehalten. Dadurch schließen sich die Poren der Oberfläche und die Zwischenverbindung wir in ihre Endform überführt, die für die extreme Härte der Schicht verantwortlich ist. Wir empfehlen hierfür ebenfalls destilliertes Wasser, da normales Leitungswasser zu Kalkablagerungen führen kann. Entsorgung der ChemikalienEs sollte einleuchten, dass man die benutzten Chemikalien nicht einfach in den Abfluss schütten darf. Es folgen Hinweise, um diese unschädlich zu machen:
SchlußwortWir hoffen, Ihnen einen preiswerten und einfachen Weg gezeigt zu haben, wie Sie Ihr Aluminium verschönern und haltbarer machen können. Viele Rückmeldungen und Verbesserungsvorschläge von Ihnen sind in diese Anleitung mit eingeflossen. Dafür unseren herzlichen Dank! Sollten Sie weitere Fragen haben, zögern Sie nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen. Alle Kontaktmöglichkeiten und weitere Informationen (Forum, Lexikon und FAQ) finden Sie hier auf unserer Internet-Präsenz.
Und nun wünschen wir Ihnen gutes Gelingen und viel Freude beim Eloxieren und an einem
hoffentlich professionellen Aussehen!
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