Aluminium - Oberfläche

Bei mechanischen und chemischen Oberflächenbearbeitungen wird die Makrogeometrie nur wenig verändert, sie dienen im allgemeinen dazu, einen bestimmten gleichmässigen Grad an gerichteter Reflexion einzustellen.

Mechanische Oberflächenbearbeitung

Schleifen und Polieren dienen zur Einebnung von Oberflächenrauhheiten. Schleifriefen kännen auch als gewollte Strukturierung verbleiben. Zu diesem Zweck wird auch Bürsten mit Metalldraht-oder Fiberbürsten (Satinieren) ausgeführt.

Chemische Oberflächenbearbeitung

Eine gleichmässige matte Oberflächenstruktur ist auch durch Beizen zu erzielen. Höchster Glanz auf Reinstaluminium und Legierungen auf Basis Reinstaluminium (Glänzwerkstoffe) ist durch chemisches oder elektrolytisches Glänzen zu erzielen. Durch Tiefätzen können erhabene oder vertiefte Schriftzüge, Linien, Flächen und Symbole durch örtliches chemisches Abtragen vom Werkstoff gebildet werden. Teile mit filigranen Formen können aus dünnen Blechen herausgeätzt (Konturätzen) werden. Die Herstellung von Formteilen mit grossen Vertiefungen parallel zur Blechoberfläche wird auch als chemisches Fräsen bezeichnet.

Chemische und anodische Oxidation

Bestimmend für die gute Beständigkeit von Aluminium ist die Oxidschicht, die sich bei Zutritt des Luftsauerstoffs auf der Oberfläche ausbildet. Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um diese etwa 0,01 my „dicke“ Oxidschicht dicker auszubilden und damit die Schutzwirkung zu verbessern.

Chemische Oxidation

Bei der chemischen Oxidation werden durch Tauchen, Spritzen oder Streichen unter Verwendung von präparierten Salzlösungen auf Basis Chromsäure oder Phosphorsäure Chromat-, Chromathydrat-oder Phosphatschichten von 2 bis 5 my Dicke ausgebildet. Diese Schichten weisen je nach Art des Verfahrens grüne, gelbe (Grün-oder Gelbchromatierung) oder graue (Phosphatierung) Farbtöne auf. Das Chromatieren ist eine stromlose, chemische Oberflächenbehandlung des Aluminiums mit chromhaltigen chemischen Lösungen. Vorbedingung ist, dass zuvor die natürliche, ungleichmässige Oxidschicht entfernt werden muss. Hierzu ist ein Entfetten und Beizen erforderlich. Chromatieren nach DIN 50939 ist das für Aluminium typische und vorzugsweise angewendete Verfahren. Durch chemische Oxidation bilden sich organische Schichten, sog. Konversionsschichten, die verfahrensabhängig aus Oxidhydraten oder Phosphaten des Aluminiums und des Chroms bestehen. Diese Schichten ergeben einen ausgezeichneten Haftgrund für organische Beschichtungen und bieten einen verbesserten Korrosionsschutz ohne zusätzliche Lackierung bei nur leichter Korrosionsbeanspruchung, z. B. in trockenen Innenräumen. Sie verbessern ausserdem die Einlauf-und Gleiteigenschaften beim Umformen, z.B. beim Tiefziehen.

Anodische Oxidation

Bei der anodischen Oxidation (elektrolytische Oxidation, Eloxieren) wächst die Oxidschicht bei Stromdurchgang in einem Elektrolyten auf ein Vielfaches der Dicke der natürlichen Oxidschicht an. Diese Schichten sind hart (korundähnlich) und können je nach Verfahren transparent, opak oder farbig sein. Die Färbung dieser Schicht kann als Eigenfärbung oder durch Tauchen in Farbbäder bzw. als elektrolytische Färbung mit Metallsalzen erfolgen.

Die anodische Oxidation ist ein elektrolytisches Verfahren, durch das eine Oxidschicht auf der Aluminiumoberfläche erzeugt wird. Diese Oxidschicht ist gegenüber der natürlich gebildeten Oxidschicht um über das Hundertfache verstärkt. In der Praxis finden unterschiedliche Verfahrensvarianten Anwendung. Die DIN 17611 enthält die technischen Lieferbedingungen für anodisiertes Halbzeug mit Schichtdicken von mindestens 10 my. Je nach Art des Anodisierverfahrens lassen sich dekorative oder technische funktionelle Oxidschichten herstellen. Die Schichten werden aus dem Grundwerkstoff gebildet und sind mit diesem strukturell verbunden. Anodisch erzeugte Oxidschichten unterscheiden sich hierin von allen metallischen; sie erhalten dauerhaft das ursprüngliche, metallische Oberflächenaussehen, das durch eine mechanische, chemische oder elektrolytische Oberflächenvorbehandlung erzielt wurde. Sie bieten aufgrund ihrer Struktur die Möglichkeit der Farbgebung, so dass die dekorative Wirkung von Aluminiumoberflächen durch farbige Oxidschichten erhöht werden kann. Die anodische Oxidation ist im nicht verdichteten Stand aufnahmefähig für verschiedene Stoffe und lässt sich einfärben, bedrucken und imprägnieren. Sie dient als Träger lichtempfindlicher Stoffe und als Haftgrund für Beschichtungen und Klebstoffe.
Aluminium-Oxidschichten sind hart, abriebfest und ermöglichen die mechanische Oberflächenbeanspruchung anodisierter Bauteile.

Die Standard-Verfahren, das GS-und GSX-Verfahren (Gleichstrom-Schwefelsäure, Gleichstrom-Schwefelsäure-Oxalsäure) ergeben auf Werkstoffen in Eloxalqualität eine farblose, transparente Oxidschicht, die eingefärbt werden kann. Farbige Oxidschichten lassen sich herstellen, indem nach dem GS-oder GSX-Verfahren erzeugte Oxidschichten durch Farbstoffe bzw. elektrolytisch gefärbt werden oder aber durch die direkte Erzeugung von Oxidschichten mit Eigenfärbung. Verfahrensvarianten sind die Tauchfärbung, elektrolytische Färbung, Farbanodisation sowie eine Kombination von elektrolytischer Färbung oder Farbanodisation mit nachträglich überlagerter Färbung.

Beim anodischen Glänzen wird die Einebnung der Oberfläche durch Gleichstrom in hochviskosen oder auch in alkalischen Bädern erreicht. Diese Art des Glänzens wird angewendet, wenn besonders hohe Anforderungen an den Glanz gestellt werden.

Die Hartanodisation stellt eine spezielle Verfahrensvariante der anodischen Oxidation dar. Es werden besonders harte und verschleissfeste Oxidschichten für technische Zwecke erzeugt. Die Schichtdicken liegen werkstoffabhängig in einem Bereich von 25 bis 150 my. An das Aussehen dieser zumeist grau bis braun gefärbten Oxidschichten werden keine Ansprüche gestellt.

Der metallische Charakter und das Aussehen von Aluminiumoberflächen werden durch die anodische Oxidation nicht verändert. Der Oberflächenvorbehandlung kommt daher eine entsprechende Rolle zu. Gezielte Oberflächeneffekte werden durch mechanische oder chemische Oberflächenbehandlungen erreicht.

Oberflächenunregelmässigkeiten wie Riefen, Kratzer und Scheuerstellen lassen sich durch eine mechanische Oberflächenbehandlung vor allem durch Schleifen weitgehend beseitigen.

Bei der chemischen Oberflächenbehandlung in Spezialbeizen werden satinierte oder mattierte Oberflächen erzielt. Dabei können z.B. Korrosionserscheinungen, die vor dem Anodisieren nicht oder nur schwer erkennbar waren, sichtbar werden. Die bestimmten Oberflächeneffekten zugeordneten Oberflächenvorbehandlungen sind nach DIN 17611 durch die Kurzzeichen E0 bis E6 gekennzeichnet:

Farblose Oxidschichten (Naturton)

Farblose Oxidschichten werden nach dem GS-oder GSX-Verfahren hergestellt. Das durch mechanische oder chemische Oberflächenvorbehandlung erzielte Oberflächenaussehen des Aluminiums bleibt infolge der Transparenz der Oxidschicht in dem natürlichen Metallcharakter voll erhalten. Der Grad der Transparenz richtet sich dabei nach der Oxidschichtdicke und der Werkstoffzusammensetzung. Geeignet für dekorative Ansprüche sind Reinaluminium und homogene, niedrig legierte AlMg-und AlMgSi-Werkstoffe in Eloxalqualität. Höhere Legierungsanteile bewirken, dass heterogene Bestandteile in die Oxidschicht eingebaut werden, wodurch eine Trübung und Färbung der Schicht eintritt.

Farbige Oxidschichten

Farbige Oxidschichten lassen sich herstellen, indem nach dem GS-oder GSX-Verfahren erzeugte Oxidschichten durch Farbstoffe bzw. elektrolytisch gefärbt werden oder aber durch die direkte Erzeugung von Oxidschichten mit Eigenfärbung. Diesbezügliche Verfahrensvarianten sind die Tauchfärbung, die elektrolytische Färbung, die Farbanodisation und eine Kombination von elektrolytischer Färbung oder Farbanodisation mit nachträglich überlagerter Tauchfärbung. Damit steht eine reichhaltige Farbpalette für die dekorative Anwendung von anodisiertem Aluminium zur Verfügung.

Elektrolytisches Färben

Beim elektrolytischen Färben werden die nach dem GS-oder GSX-Verfahren erzeugten Oxidschichten in einer zweiten Verfahrensstufe -Zweistufenverfahren -mittels Wechselstrom in einem metallsalzhaltigen Elektrolyten gefärbt. Dabei wird aus der Metallsalzlösung Metall am Porengrund der Oxidschicht abgeschieden. Die erreichte Farbintensität richtet sich nach der abgeschiedenen Metallmenge. Es können Metallsalze auf der Basis von Zinn (Sn), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), verwendet werden. Mit Sn-, Ni-und Co-Salzen erhält man Farbtöne zwischen Hellbronze bis Schwarz, mit Cu-Salzen Rottöne.

Kombiniertes Färben

Das kombinierte Färbeverfahren bietet die Möglichkeit, die Farbpalette anodisch erzeugter Oxidschichten entscheidend zu erweitern. Im Farbton Hell- bis Dunkelbronze elektrolytisch gefärbte GS oder farbanodisierte Oxidschichten werden in einer nachfolgenden Behandlungsstufe mit organischen bzw. anorganischen Farbstoffen absorptiv überfärbt. Der metallische Oberflächeneffekt bleibt auch beim Kombinationsverfahren erhalten.

Standard-Farbfächer, Farbgrenzmuster

Über das dekorative Aussehen und den Glanz sowie über den Farbton ist nach DIN 17611 mit dem Anodisierenden eine genaue Farbgrenzmustervereinbarung zu treffen. Für die elektrolytische Einfärbung (Zweistufenverfahren) und die Farbanodisation wird von der Europäischen Vereinigung der Anodiseure (EURAS) ein Standard-Farbfächer herausgegeben.

Die Farbbezeichnungen für die Tauchfärbung mit den Kurzbezeichnungen EV 1 bis EV 6 sind heute nicht mehr gebräuchlich.

Der EURAS-Farbfächer ist über den Eloxalverband e.V., Nürnberg, zu beziehen.

Mess- und Prüfverfahren

Die Prüfung der Qualität anodisch erzeugter und verdichteter Oxidschichten wird entsprechend den in DIN 17611 aufgeführten Mess-und Prüfverfahren vorgenommen.

Beschichtung auf Kunststoffbasis

Wie bei allen Metallen kann auch auf Aluminium ein Anstrich oder eine Kunststoffbeschichtung als Oberflächenschutz aufgebracht werden. Da die hierfür verwendeten Kunststoffe nicht wasserdampfdiffusionsdicht sind, müssen die Beschichtungen fest mit dem metallischen Untergrund verankert sein, damit unter der Beschichtung nicht durch Kondensation Wasser entstehen kann.

Anstrich

Ein dauerhafter Anstrich erfordert einwandfreie Haftgrundvorbereitung (Entfetten, Primer-und Grundieranstrich, meist Zinkchromat), bei industrieller Lackierung erfolgt meist eine chemische Oxidation (Chromatieren) als Haftgrundvorbereitung. Die Schutzwirkung und Beständigkeit eines Anstrichs ist bei ordnungsgemässer Ausführung abhängig von der Lackqualität (verwendete Kunststoffbasis) und von den Härtebedingungen (Luft-oder Ofentrocknung).

Beschichtung

Das Beschichten von Aluminium mit Lacken erfolgt unter dekorativen und korrosionstechnischen Aspekten. Kunststoffe bieten eine breite Farbpalette für die Oberflächengestaltung. Sie übernehmen gleichzeitig eine korrosionsschützende Funktion, da sie stärkeren chemischen Korrosionsbeanspruchungen widerstehen. Die an die Kunststoffbeschichtung gestellten Anforderungen bestimmen die Wahl des Beschichtungssystems. Gefordert wird eine gute Lackhaftung, um den Schutz von Aluminiumoberflächen zu gewährleisten. Eine Ausnahme bilden Abziehlacke, die die Aluminiumoberfläche nur vorübergehend schützen sollen. Diese müssen von der Oberfläche restlos wieder entfernt werden können. Farbstoffe, Pigmente und Weichmacher beeinflussen die Haftfestigkeit. Diese Einflüsse machen sich bei den Pigmenten vor allem im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit bemerkbar, bei den organischen Farbstoffen und Weichmachern besonders auf die Elastizität. Eine korrosionsverhindernde pigmentierte oder unpigmentierte Lackierung muss passivierend, isolierend und abdichtend sein. Nasslacke enthalten Lösungsmittel, die nach dem Lackauftrag abdunsten. Sehr hochwertige Beschichtungen erhält man durch reaktionshärtende Zwei-Komponenten-Nasslacke, die bereits bei Raumtemperatur aushärten. Durch eine forcierte Trocknung bei 80 bis 120 °C wird die Vernetzungsreaktion beschleunigt, ein für die industrielle Lackierung wesentlicher Vorteil.
Gut bewährt hat sich das Zwei-Komponeneten-Polyurethan-System (2K-PUR-System), das eine gute Chemikalien-und Witterungsbeständigkeit besitzt bei gleichzeitig günstigem Kreidungsverhalten. Reaktionshärtende 2K-Acrylatsysteme ergeben vergleichbar hochwertige Beschichtungen. Der Lackauftrag kann erfolgen durch Streichen, Spritzen, Giessen oder Walzen. Erfolgt der Lackauftrag durch Walzen oder Giessen kontinuierlich in einer Anlage, auf der das Aluminiumband vorher entfettet, gebeizt und chromatisiert bzw.phosphatiert und der Lack anschliessend in Öfen eingebrannt wird, spricht man von Bandbeschichtung (Coil Coating). Das Verfahren arbeitet sehr rationell mit der Beschichtung grosser Mengen von Aluminiumbändern. Mehrschichtlackierung sowie beidseitige Beschichtung ist möglich. In der Regel wird ein Zweischichtenaufbau, bestehend aus Grund-und Decklack, gewählt. Die Lacke werden im allgemeinen eingebrannt; weitere Schnellhärteverfahren, vor allem durch energiereiche Strahlung, lassen sich bei Bandbeschichtungsanlagen vorteilhaft einsetzen. Mit hochwertigen Lacken vorbeschichtetes Aluminiumband hat Anwendungsgebiete im Bauwesen, in der Wohnwagenindustrie und im Verkehrswesen.
Bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung (EPS) wird das Beschichtungspulver in der Sprühpistole elektrostatisch aufgeladen und mittels Druckluft gegen das zu beschichtende, elektrisch geerdete Teil gesprüht. Vorbeigesprühte Lackpartikel werden dem Pulverkreislauf wieder zugeführt. Durch Einbrennen bei Temperaturen von ca. 160 bis 220 °C schmilzt das Pulver, und es tritt eine Vernetzungsreaktion ein. Das EPS-Verfahren ist infolge der Einsparung von Lösungsmitteln umweltfreundlich, arbeitet durch die Pulverrückgewinnung mit hohem Wirkungsgrad und ergibt Beschichtungen mit guten chemischen und mechanischen Eigenschaften. Für die Aussenanwendung werden vorwiegend die kreidungsbeständigen PUR-und Polyester-Pulver gewählt, bei Innenanwendung Epoxid-Pulver und Epoxid-Polyester-Mischpulver mit guter Chemikalienbeständigkeit.

Reinigung und Pflege

Bauelemente aus Aluminium werden je nach Anforderung mit unbehandelter, anodisch eloxierter, kunststoffbeschichteter oder emaillierter Oberfläche eingesetzt.
Staub und Schmutz der umgebenden Atmosphäre können unabhängig vom Standort des Objekts das gute Aussehen der Aluminiumbauteile im Laufe der Zeit mehr oder weniger beeinträchtigen. Zur Aufrechterhaltung des dekorativen Aussehens ist daher eine dem Verschmutzungsgrad und der Oberflächenbehandlung angepasste Reinigung zu empfehlen.

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