Herstellung funktioneller Schichten auf Aluminiumlegierungen durch Kombination von Hartandosieren und chemischem Vernickeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden funktionale Beschichtungen, bestehend aus anodisiertem Aluminium (amorphes Aluminiumoxid) und chemisch abgeschiedenem Ni/P hergestellt. Schichtverbunde, basierend auf anodisierten Aluminioxidschichten, sind mit großer Schichtdicke bis 60 µm reproduzierbar darstellbar. Wegen der hohen Löslichkeit der Oxidschicht während des chemischen Vernickelns können bevorzugt Schichten mit geringem Porenvolumen, wie sie beim Hartanodisieren entstehen, metallisiert werden. Da die Schichtverbunde eine gute elektrische Leitfähigkeit von der Oberfläche in das Substrat aufweisen, kann als möglicher Metallisierungsmechanismus das Auflösen der nur wenige Nanometer messenden Barriereschicht und der Start der autokatalytischen Vernickelung vom leitfähigen Grundmaterial aus, angenommen werden. Noch vorhandene leitfähige Ausscheidungen in der nicht leitfähigen Aluminiumoxid-Matrix begünstigen darüber hinaus die Abscheidung. Die Härte der Schichtverbunde wird im Wesentlichen von der Grundhärte der anodisierten Schicht bestimmt. So zeigen hartanodisierte Schichtverbunde die höchsten Härtewerte. Bezüglich der Korrosionsbeständigkeit besteht noch Entwicklungsbedarf. Insbesondere wärmebehandelte Schichtverbunde weisen keinen hinreichenden Korrosionsschutz, nachgewiesen durch neutrale Salzsprühnebelprüfung nach 24–240 h, auf. In Verschleißtests mit gleitender Beanspruch erweisen sich besonders Schichtverbunde basierend auf hartanodisierten Proben als beständig, während bei höherer Temperatur anodisierte Schichtverbunde deutlich geringere Beständigkeit aufweisen und mit dem etablierten Schichtsystem, der Direktvernickelung auf Aluminium vergleichbar sind. Die Verschleißbeständigkeit der hartanodisierten Schichtverbunde konnte durch das Einbringen von Dispersanten (Diamant, SiC, TiO2) in die Matrix nochmals signifikant verbessert werden. Im reversierenden Gleitverschleiß, der für viele harte, aber spröde Schichten eine kritische Verschleißform darstellt, konnten die Schichtverbunde überzeugen. Diese liegen auf etwa gleichem Niveau wie direktvernickeltes Aluminium. Hier zeigten bei 20 °C anodisierte Schichtverbunde vergleichbare Beständigkeit wie hartanodisierte Verbunde. Besonders positiv sind auch hier Dispersionsschichtverbunde zu erwähnen. Weiterhin konnte ein Legierungseinfluss auf die Verschleißbeständigkeit ermittelt werden. Während die Legierungen EN AW-1050 und EN AW-7075 sich durch eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit für gleitende Beanspruchung der Schichtverbunde, sowie nach dem Verdichten gegenüber anodisierter Proben auszeichnen, zeigen adäquate Schichten der Legierung EN AW-6068 eine kontinuierlich schlechtere Beständigkeit. Aufbauend auf den positiven Ergebnissen bzgl. Herstellung und Eigenschaftsspektrum der Schichtverbunde soll der Legierungseinfluss auf die Anodisierbarkeit als auch auf die Metallisierbarkeit vertieft betrachtet werden. Dies ist erforderlich, um einerseits den Schichtverbund hinsichtlich seiner makroskopischen Eigenschaften weiter zu verbessern, andererseits, um dem Anwender – der in Regel eine Vielzahl verschiedener Werkstoffe und Wärmebehandlungszustände beschichten muss – einen konkreten Leitfaden zum Prozess mit an die Hand zu geben. Dadurch wird die Überführbarkeit des Prozesses deutlich erleichtert. Hierzu kommen prinzipiell alle Leichtbauanwendungen auf der Basis von Aluminium in Betracht, die einer Verschleißbeanspruchung ohne korrosive Belastung unterliegen. Besonders die Unzulänglichkeiten hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit bedürfen noch weiterer Entwicklung. Ein erhebliches Verwertungspotenzial entsteht durch die Entwicklung dünner Schichtverbunde. Eine Reduzierung der Prozesszeiten durch High-Speed-Verfahren beim Anodisierens würde dem Anwender ein Verfahren eröffnet, das bei deutlich reduzierten Kosten, aber besserer Performance, etablierte Verfahren ablösen könnte. Durch die Substitution der Ni/P-Matrix gegen eine chemisch abgeschiedene, nicht allergene Weißbronze des Typs Cu/Sn/P sollte sich ein weiteres Anwendungsfeld hinsichtlich dekorativer oder lebensmittelspezifischer Applikationen ergeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Entwicklung und Charakterisierung der Kombinationsschicht Al2O3-Ni/P. In: Werkstoffe und Werkstofftechnische Anwendungen, Band 43, Hrsg.: B. Wielage, 14. Werkstofftechnisches Kolloquium und 9. Industriefachtagung Oberflächen- und Wärmebehandlungstechnik, Chemnitz, 01.-02.09.2011, S. 101–111, ISSN 1439-1597
Scharf, I.; Brendler, G.; Alisch, G.; Wendler, J.; Lampke, T.
