Modifizierung von Anodisierschichten durch chemische Nanotechnologie

321 ZBG

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit: 01.05.2009 - 30.04.2012
Partner: Frauenhofer IKTS Dresden 
Geldgeber: AiF
Bearbeiter: S.K. Weidmann
Arbeitsgruppe: Korrosion

Motivation und Projektziel

Zusätzlich zu einer guten Korrosionsbeständigkeit sollen Anodisierschichten, insbesondere im Bereich der Luftfahrtindustrie, häufig auch gute Adhäsionseigenschaften für die Strukturklebung aufweisen. Bisher werden diese Anforderungen durch Anodisieren in Chromsäure erfüllt, jedoch soll dieses Verfahren aufgrund der bekannten Risiken von Cr(VI) durch weniger schädliche Prozesse ersetzt werden. Ein weiteres Standardverfahren zur Vorbereitung von Aluminiumwerkstoffen für die Strukturklebung ist das Anodisieren in Phosphorsäure. Nur Chromsäureanodisierschichten weisen aber durch den Einbau von Cr(VI) und dessen Wirkung als Korrosionsinhibitor eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit im offenporösen Zustand auf. Es ist bekannt, dass sich die Korrosionsbeständigkeit von Anodisierschichten durch Versiegelung der Poren erhöhen lässt. Die gebräuchlichen Versiegelungsverfahren wie Heißwasser- oder Heißdampfversiegelung basieren jedoch auf einer Hydratation des Aluminiumoxids und sind für Phosphorsäureanodisierschichten nicht geeignet, da die in die Oxidschicht eingebauten Phosphationen als Hydratationsbarriere wirken. Zudem würden diese Verfahren zum Verschluss der offenporigen Schichten und folglich zum Verlust der guten Adhäsionseigenschaften führen. Ziel des Projektes war es, durch eine nanochemische Imprägnierung die Barriereschicht von Phosphorsäureanodisierschichten zu verstärken, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Zudem sollten die Poren nicht vollständig verschlossen werden, um die guten Adhäsionseigenschaften zu bewahren.

Vorgehensweise

Die Parameter der Phosporsäureanodisation sollten so angepasst werden, dass große Poren erzeugt werden, die eine nachfolgende Imprägnierung ohne Porenverschluss ermöglichen. Für die Imprägnierung wurden kommerzielle nanopartikuläre Dispersionen und mittels Sol-Gel-Technologie hergestellte partikuläre und polymere Sole eingesetzt. Als Beschichtungsmethode wurden Tauchbeschichtung, Tauchbeschichtung in Kombination mit Ultraschall und Elektrophoretische Abscheidung (EPD) verwendet.

Ergebnisse

Basierend auf der Variation der Anodisierparameter wurde ein Modifizierter Phosphorsäureanodisierprozess (MPAA-Prozess) entwickelt, mit dem auf verschiedenen Aluminiumwerkstoffen Oxidschichten mit Porendurchmessern von bis zu 100 nm hergestellt werden können. Dabei wurde mit Parametern gearbeitet, die ähnlich denen beim Chromsäureanodisieren und folglich in technischen Anlagen gut umsetzbar sind. Zur Imprägnierung wurden kommerzielle SiO2 Dispersionen sowie partikuläre und polymere SiO2 Sole eingesetzt. Die vielversprechendsten Ergebnisse, mit im Porengrund verfüllten, aber nahe der Oberfläche offenen Anodisierschichten, wurden mit kommerziell erhältlichen Dispersionen mittels Tauchbeschichtung erzielt. Diese Imprägnierung ist unabhängig von moderaten Temperatur- und Tauchzeitunterschieden. Durch Variation der Ziehgeschwindigkeit und des Feststoffgehaltes lässt sich die Höhe der Porenfüllung einstellen. In Abhängigkeit des pH-Wertes wird entweder nur der Porengrund deutlich mit Partikeln verfüllt oder zusätzlich im oberflächennahen Porenbereich Partikel fein verteilt an den Porenwänden abgeschieden, ohne dort das Volumen signifikant auszufüllen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen der Parameterstudien wurde ein Modell zur Beschreibung der Partikeleinlagerung erarbeitet. Die Schichteigenschaften wurden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Zug-Scher-Versuchen untersucht. Die Impedanzuntersuchungen zeigen, dass die Imprägnierung nicht zu einer direkten Verstärkung der Barriereschicht führt, aber ein Ausheilen der Barriereschicht bewirkt, wodurch ein positiver Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit zu erwarten ist. Bisher konnte mit den Zug-Scher-Versuchen nur eine Mindestzugscherfestigkeit bestimmt werden, da die Proben eine starke plastische Biegeverformung des Grundwerkstoffes (AA 1050) aufweisen, teilweise sogar im Grundwerkstoff versagen und folglich die Eigenschaften von Grundwerkstoff und Verklebung nicht trennbar sind. Die Mindestzugscherfestigkeit des neuen Schichtsystems ist mit den Eigenschaften der Chromsäureanodisierschichten vergleichbar und folglich sehr viel versprechend. Für eine genaue quantitative Bewertung wäre es erforderlich den Gesamtprozess auf höherfeste Legierungen zu übertragen und die Zug-Scher-Versuche zu wiederholen.

 

zurück
BMWi-Logo

Das IGF-Vorhaben Nr. 321 ZBG der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Kontakt
PD Dr.-Ing. Wolfram Fürbeth
Telefon: 069 / 75 64-398
E-Mail: fuerbeth

 

Publikationen
S.K. Weidmann, W. Fürbeth, O. Yezerska, U. Sydow, M. Schneider
in: J. Hirsch, B. Skrotzki, G. Gottstein, Aluminium alloys: their physical and mechanical properties, Vol. 2, Wiley-VCH, Weinheim (2008) 2119-2124

S.K. Weidmann, W. Fürbeth, O. Yezerska, U. Sydow, M. Schneider
In: Jahrbuch Oberflächentechnik. Bd.65, Leuze, Saulgau/Württ. (2009) 206-222

 

Schlussbericht (ca. 26 MB)

Aktuelle Kurse

Zuse-Mitgliedschaft

Jetzt Stifter werden