[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hydratisieren von Metalloxidschichten aufweisenden
Metallteilen.
[0002] Liegt als Metallteil ein Aluminiumbauteil vor, so bildet sich unter atmosphärischen
Bedingungen an der Oberfläche spontan eine dünne, sogenannte natürliche Aluminiumoxidschicht,
die dem Aluminiumbauteil einen relativ guten Korrosionsschutz gibt. Durch eine anodische
(elektrolytische) Oxidation des Aluminiumbauteils lässt sich an der Oberfläche eine
poröse anodische Aluminiumoxidschicht bilden, die sehr hart und verschleißfest ist.
Aufgrund ihrer Porenstruktur weist die anodische Aluminiumoxidschicht eine sehr große
Oberfläche auf. Bei einem der Anodisation anschließenden Verdichtungsprozess wird
die Aluminiumoxidschicht hydratisiert. Dabei wird Wasser in Form von Kristallwasser
in die anfangs amorphe Aluminiumoxidschicht eingelagert. Das Volumen dieses Aluminiumoxidhydrats
ist größer als jenes des Aluminiumoxids, so dass die Poren der Aluminiumoxidschicht
aufgefüllt und verschlossen werden. Hierdurch ist eine gute Korrosionsbeständigkeit
erreicht. Anodisch oxidierte Aluminiumbauteile widerstehen aufgrund ihrer Aluminiumoxidschicht
vielen mechanischen und chemischen Beanspruchungen. Aufgrund des amphoteren Charakters
von Aluminium und Aluminiumoxid werden anodische Oxidschichten jedoch sowohl in alkalischen,
als auch in sauren Lösungen angegriffen. Derartige Lösungen werden zunehmend bei der
Reinigung von Aluminiumbauteilen eingesetzt. Um die anodischen Aluminiumoxidschichten
vor einem Korrosionsangriff bei der Reinigung zu schützen, wird die Oberfläche mit
hochtransparenten Beschichtungen abgedeckt. Besonders geeignet sind sogenannte SolGel-Lacke
auf der Basis von SiO
2. Solche Beschichtungssysteme werden nach dem Auftrag durch Tauchen, Spritzen, Walzen
oder Gießen in einem Ofen bei Temperaturen bis 300°C eingebrannt. Bei diesem Einbrennen
vernetzt sich das SiO
2, so dass die Schicht hierdurch ihre schützenden Eigenschaften entfalten kann.
[0003] Es hat sich gezeigt, dass bei der Temperaturbeanspruchung durch den Einbrennvorgang
Mikrorisse auftreten, die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungkoeffizienten
des Aluminiumkörpers und seiner Aluminiumoxidschicht entstehen. Durch die visuell
sichtbaren Mikrorisse wird das optische Erscheinungsbild des dekorativen Bauteils
gestört. Es hat sich gezeigt, dass hydratisierte, also verdichtete Aluminiumoxidschichten
bei thermischer Beanspruchung rissanfälliger als nicht hydratisierte, also nicht verdichtete
Aluminiumoxidschichten sind. Werden allerdings nicht verdichtete Aluminiumoxidschichten
eingesetzt, so können niedrigmolekulare Beschichtungssysteme vollständig in die poröse
Aluminiumoxidschicht eindringen. Dadurch werden die optischen Eigenschaften des Aluminiumbauteils
aber derart verändert, dass die dekorative Wirkung verloren geht. Außerdem lassen
sich nicht verdichtete, anodische Aluminiumbauteile aufgrund der porösen Oberflächenstruktur
und dem damit zusammenhängenden großen Absorptionsvermögen industriell nur schwierig
handhaben.
[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile
zu vermeiden.
[0005] Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren zum Hydratisieren von
Metalloxidschichten aufweisenden Metallteilen vorgesehen, bei dem das Hydratisieren
nur im Bereich einer gegenüber der Dicke der Metalloxidschicht dünneren, außen liegenden
Oberflächenschicht durch Abbruch des Hydratisier-Prozesses für den Erhalt einer nur
teilweisen hydratisierten Metalloxidschicht durchgeführt wird. Demnach wird ein derartiges
Metallteil, das eine Metalloxidschicht aufweist, die insbesondere durch Anodisieren
erzeugt sein kann, nicht "vollständig" hydratisiert, so dass sich die Poren der Oxidschicht
nicht vollständig auffüllen, sondern sie werden nur im Bereich der Oberfläche, also
in der genannten Oberflächenschicht verschlossen. Die Oberflächenschicht bildet nur
einen Teil der Dicke der gesamten Metalloxidschicht. Damit liegt also nur eine teilweise
erfolgte Verdichtung beziehungsweise Hydratisierung vor. Es hat sich gezeigt, dass
hierdurch die insbesondere bei thermischer Beanspruchung entstehende Rissanfälligkeit
beseitigt ist. Damit bleibt das optisch attraktive Erscheinungsbild, was insbesondere
bei Aluminiumteilen vorliegt, erhalten. Aufgrund des erfindungsgemäßen Vorgehens dringt
ein Beschichtungsmaterial nicht oder nur geringfügig in die anodische Aluminiumoxidschicht
ein, so dass sich das optische Erscheinungsbild dieser Beschichtung nicht oder nur
unwesentlich verändert, so dass auch die dekorativen Eigenschaften dieser Beschichtung
und damit des Bauteils nicht verloren gehen.
[0006] Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Metalloxidschicht durch Anodisieren
erzeugt wird. Hierunter ist insbesondere eine elektrolytische Behandlungsmethode zu
verstehen.
[0007] Das Metallteil kann aus Reinmetall bestehen oder aber aus einer Legierung. Insbesondere
ist vorgesehen, dass es sich bei dem Metallteil um ein Aluminiumteil oder Aluminiumlegierungsteil
mit einer die Metalloxidschicht bildenden Aluminiumoxidschicht beziehungsweise Aluminiumlegierungsoxidschicht
handelt.
[0008] Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das teilweise erfolgende
Hydratisieren durch Heißverdichten durchgeführt wird. Dieser Heißverdichtungsvorgang
erfolgt somit unter Temperaturbeaufschlagung und wird erfindungsgemäß nicht zu Ende
geführt, so dass nicht die gesamte Metalloxidschicht verdichtet ist, sondern nur eine
Oberflächenschicht der Metalloxidschicht.
[0009] Das teilweise erfolgende Hydratisieren kann bevorzugt mit heißem Wasser oder mit
heißem Dampf durchgeführt werden. Insbesondere wird ein heißes Wasserbad angewendet.
[0010] Das teilweise erfolgende Hydratisieren wird bevorzugt mit einer Temperatur kleiner
100°C, insbesondere mit einer Temperatur von 65°C bis 99°C, durchgeführt.
[0011] Wird das Hydratisieren in dem erwähnten Wasserbad vorgenommen, so weist das Wasserbad
eine Temperatur kleiner 100°C, insbesondere eine Temperatur von 65°C bis 99°C, auf.
[0012] Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das teilweise erfolgende
Hydratisieren bei einer Temperatur kleiner 100°C, insbesondere bei einer Temperatur
von 65°C bis 99°C, und einer Dauer von weniger als 3 Minuten Behandlungsdauerzeit
pro µm Schichtdicke der Metalloxidschicht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass
das teilweise erfolgende Hydratisieren sich über eine Behandlungszeitdauer von 0,5
bis 120 Minuten erstreckt. Diese Werte gelten insbesondere für Aluminiumbauteile.
[0013] Nach einer Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass dem für das teilweise
erfolgende Hydratisieren verwendeten Wasser, Dampf oder Wasserbad Zusätze zugegeben
werden. Bei den Zusätzen handelt es sich insbesondere um Polycarbonate, Polyhydroxiverbindungen,
Polyhydroxicarboxylate, Polyphosphonate und/oder Polycarbonsäuren.
[0014] Das teilweise hydratisierte Metallteil beziehungsweise seine teilweise hydratisierte
Metalloxidschicht wird bevorzugt mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Hierbei
handelt es sich insbesondere um eine transparente, insbesondere eine hochtransparente
Oberflächenbeschichtung. Bevorzugt kann eine keramische Oberflächenbeschichtung aufgebracht
werden. Diese keramische Oberflächenbeschichtung wird als dünnkeramische Beschichtung
ausgebildet, das heißt, sie weist eine Dicke von 0,2 bis 7 µ, insbesondere von 0,5
bis 5 µ auf. Die Oberflächenbeschichtung kann durch Spritzen, Walzen, Gießen oder
Tauchen, bevorzugt mit elektrostatischer Unterstützung, aufgebracht werden. Die Oberflächenbeschichtung
wird insbesondere durch Erwärmung ausgehärtet.
[0015] Als Oberflächenbeschichtung wird insbesondere Siliciumdioxid verwendet oder eine
Beschichtung, die Siliciumdioxid aufweist.
[0016] Ferner betrifft die Erfindung ein Metallteil mit einer hydratisierten Metalloxidschicht.
Die Metalloxidschicht ist nur im Bereich einer gegenüber ihrer Dicke dünneren, außen
liegenden Oberflächenschicht durch Abbruch des Hydratisier-Prozesses für den Erhalt
einer nur teilweisen hydratisierten Metalloxidschicht hydratisiert. Als Metallteil
liegt ein Aluminiumteil oder Aluminiumlegierungsteil vor. Dessen Aluminiumoxidschicht
beziehungsweise Aluminiumlegierungsoxidschicht ist bevorzugt eine anodisierte Aluminiumoxidschicht
beziehungsweise Aluminiumlegierungsoxidschicht. Auf der Oberfläche dieser Schicht
befindet sich bevorzugt eine keramische Beschichtung, insbesondere eine dünnkeramische
Beschichtung.
[0017] Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
und zwar zeigt:
- Figur 1
- eine schematische Schnittansicht durch ein mit anodisierter Aluminiumoxidschicht versehenes
Aluminiumteil und
- Figur 2
- das Aluminiumteil der Figur 1 mit teilweise hydratisierter Aluminiumoxidschicht und
auf die Oberfläche der Alumiumoxidschicht aufgebrachter dünnkeramischer Beschichtung.
[0018] Bei dem Verfahren zum Hydratisieren von Metalloxidschichten aufweisenden Metallteilen
wird nachstehend auf ein Aluminiumteil eingegangen, das eine Aluminiumoxidschicht
aufweist.
[0019] Der Prozessablauf beim Anodisieren, Hydratisieren und Beschichten, insbesondere einem
Beschichten mit einem SolGel-System, stellt sich wie folgt dar: Das Aluminiumteil
wird entfettet. Optional kann es vor dem Entfetten mechanisch poliert werden. Nach
dem Entfetten erfolgt eine Spülung. Wenn nach dem Entfetten optional eine Beizung
vorgesehen ist, so wird zunächst gespült, dann gebeizt und anschließend nochmals gespült.
Als nächstes erfolgt ein saures Dekapieren. An dieser Stelle kann auch vorgesehen
sein: Optional Spülen, optional chemisch oder elektrochemisch Glänzen, optional Spülen,
optional alkalisch Dekapieren, optional Spülen, optional sauer Dekapieren, wobei alle
oder einige dieser Vorgänge nacheinander oder nur einer dieser Vorgänge durchgeführt
werden/wird.
[0020] Anschließend wird das Aluminiumteil anodisiert, was insbesondere auf elektrolytischem
Wege erfolgt. Danach wird ein Spüldurchgang durchgeführt.
[0021] Nunmehr erfolgt das Hydratisieren nur im Bereich einer gegenüber der Dicke der Aluminiumoxidschicht
dünneren, außen liegenden Oberflächenschicht durch Abbruch des Hydratisier-Prozesses
für den Erhalt einer nur teilweise hydratisierten Aluminiumoxidschicht. Das Hydratisierverfahren
wird in einem heißen Wasserbad bei einer Temperatur von 65°C bis 99°C und einer Behandlungsdauer
von weniger als 3 Minuten pro µm der Aluminiumoxidschicht durchgeführt. Optional können
dem Wasserbad Zusätze wie Polycarbonate, Polyhydroxiverbindungen, Polyhydroxicarboxylate,
Polyphosphonate und/oder Polycarbonsäuren zugesetzt sein. Anschließend wird die Oberfläche
des nur teilweise hydratisierten Aluminiumteils mit einer keramischen Oberflächenbeschichtung
mit einer Dicke von 0,5 bis 5 µm versehen. Anschließend wird durch eine Wärmebehandlung,
insbesondere im Bereich von 150 bis 300°C, die Beschichtung vernetzt. Bei der Beschichtung
handelt es sich um ein SolGel-System oder um andere niedrigmolekulare Lacksysteme.
Die Oberflächenbeschichtung weist insbesondere Siliciumdioxid auf.
[0022] Es hat sich insbesondere gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Vorgehen die Rissbildung
beim Einbrennen der Beschichtung wirksam unterdrückt ist.
[0023] Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch das erwähnte Aluminiumteil 1, das eine Aluminiumoxidschicht
2 aufweist. Die Dicke der Aluminiumoxidschicht 2 ist mit D gekennzeichnet. Es ist
erkennbar, dass die Aluminiumoxidschicht 2 eine Vielzahl von an der Oberfläche 3 offenen
Poren 4 aufweist. Die Aluminiumoxidschicht 2 des Aluminiumteils 1 wurde durch Anodisieren,
also elektrolytische Behandlung, erzeugt.
[0024] Aus der Figur 2 ist erkennbar, dass das Aluminiumteil 1 der Figur 1 teilweise hydratisiert
ist. Die Behandlung erfolgte in einem heißen Wasserbad und wurde nicht zu Ende geführt,
sondern abgebrochen. Hierdurch haben sich die Poren 4 nicht ganz aufgefüllt und verschlossen,
sondern die Hydratisierung hat nur im Bereich einer Oberflächenschicht 5 der Aluminiumoxidschicht
2 derart stattgefunden, dass die Poren 4 nur im oberen Bereich aufgefüllt und verschlossen
sind, sich jedoch nach wie vor innerhalb der Aluminiumoxidschicht 2, nunmehr jedoch
mit einer verkürzten Länge, befinden. Die Aluminiumoxidschicht 2 setzt sich somit
aus einer Poren 4 aufweisenden Grundschicht 6 der Dicke X und der darüber liegenden,
äußeren, hydratisierten Oberflächenschicht 5 der Dicke Y zusammen. Es gilt: D = X+Y.
[0025] Nachfolgend wurde auf die Oberfläche 3 der teilweise hydratisierten Aluminiumoxidschicht
2 -gemäß Figur 2- eine Oberflächenbeschichtung 7 aufgebracht. Hierbei handelt es sich
um eine dünnkeramische Oberflächenbeschichtung, die -aufgrund der verschlossenen Poren
4- nicht oder nur geringfügig in die teilweise hydratisierte Aluminiumoxidschicht
2 eindringen kann. Durch Wärmebehandlung wurde die aufgebrachte keramische Oberflächenschicht
7 vernetzt. Die Oberflächenbeschichtung ist 5 bis 7 µm dick und weist SiO
2 auf.
[0026] Insbesondere ist vorgesehen, das erfindungsgemäße Verfahren bei Aluminiumteilen für
den Kraftfahrzeugbau einzusetzen. So ist es insbesondere möglich, beispielsweise Zierleisten
und dergleichen mittels der genannten Verfahrensschritte optisch sehr ansprechend
auszubilden. Das Verfahren kann ferner für Haushaltsgegenstände, beispielsweise Kuchenformen,
Kochtöpfen, Pfannen und dergleichen eingesetzt werden. Als Beschichtungsmaterial wird
ein SolGel-System eingesetzt.
1. Verfahren zum Hydratisieren von Metalloxidschichten aufweisenden Metallteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydratisieren nur im Bereich einer gegenüber der Dicke der Metalloxidschicht
dünneren, außenliegenden Oberflächenschicht durch Abbruch des Hydratisier-Prozesses
für den Erhalt einer nur teilweisen hydratisierten Metallloxidschicht durchgeführt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidschicht durch Anodisieren erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallteil bestehend aus Reinmetall oder bestehend aus einer Legierung verwendet
wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallteil ein Aluminiumteil oder Aluminiumlegierungsteil mit einer die Metalloxidschicht
bildenden Aluminiumoxidschicht beziehungsweise Aluminiumlegierungsoxidschicht verwendet
wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise erfolgende Hydratisieren durch Heißverdichten durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise erfolgende Hydratisieren mit heißem Wasser oder heißem Dampf durchgeführt
wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise erfolgende Hydratisieren in einem heißen Wasserbad durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise erfolgende Hydratisieren mit einer Temperatur < 100°C, insbesondere
mit einer Temperatur von 65 bis 99°C, durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise erfolgende Hydratisieren in einem Wasserbad mit einer Temperatur <
100°C, insbesondere mit einer Temperatur von 65 bis 99°C, durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise erfolgende Hydratisieren bei einer Temperatur < 100°C, insbesondere
bei einer Temperatur von 65 bis 99°C, und einer Dauer von weniger als drei Minuten
Behandlungszeitdauer pro µm Schichtdicke der Metalloxidschicht durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise erfolgende Hydratisieren sich über eine Behandlungszeitdauer von 0,5
bis 120 Minuten erstreckt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem für das teilweise erfolgende Hydratisieren verwendeten Wasser, Dampf oder Wasserbad
Zusätze zugegeben werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusätze Polycarbonate, Polyhydroxiverbindungen, Polyhydroxicarboxylate, Polyphosphonate
sowie Polycarbonsäuren verwendet werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise hydratisierte Metalloxidschicht mit einer Oberflächenbeschichtung versehen
wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine transparente, insbesondere eine hochtransparente Oberflächenbeschichtung verwendet
wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine keramische Oberflächenbeschichtung aufgebracht wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Oberflächenbeschichtung bis zu einer Dicke von 0,2 bis 7 µ, insbesondere
von 0,5 bis 5 µ zur Erzeugung einer dünnkeramischen Beschichtung aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung durch Spritzen, Walzen, Gießen oder Tauchen, bevorzugt
mit elektrostatischer Unterstützung, aufgetragen wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung durch Erwärmung ausgehärtet wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenbeschichtung verwendet wird, die Siliciumdioxid aufweist oder aus
Siliciumdioxid besteht.
21. Metallteil mit einer hydratisierten Metalloxidschicht, hergestellt insbesondere nach
dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidschicht nur im Bereich einer gegenüber ihrer Dicke dünneren, außenliegenden
Oberflächenschicht durch Abbruch des Hydratisier-Prozesses für den Erhalt einer nur
teilweise hydratisierten Metalloxidschicht hydratisiert ist.
22. Metallteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Aluminiumteil oder Aluminiumlegierungsteil mit einer Aluminiumoxidschicht
beziehungsweise Aluminiumlegierungsoxidschicht ist.
23. Metallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumoxidschicht beziehungsweise Aluminiumlegierungsoxidschicht eine anodisierte
Aluminiumoxidschicht beziehungsweise Aluminiumlegierungsoxidschicht ist.
24. Metallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Oberflächenschicht eine keramische Beschichtung befindet.