Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vermeidung wärmebedingter Rissbildung durch Optimierung des Strom-Spannungsregimes unter besonderer Berücksichtigung der Bauteilgeometrie und der Badbewegung

Ziel des Antrages ist es, rissfreie Hartanodisierschichten mit verbesserten Korrosions- und Verschleißschutzeigenschaften auf komplexen Bauteilen aus mittel- und hochfesten Aluminiumlegierungen herzustellen. Gleichzeitig soll der Energieeinsatz für die anodische Schichtbildung und die Badtemperierung gesenkt werden. Dazu wird das Strom-Spannungs-Regime gezielt moduliert (Pulsanodisieren), was sich schon im IGF-Vorhaben 17799BR/1 bewährt hat. Es ist jedoch zwingend notwendig, dass für die optimale Modulation von Strom bzw. Spannung, ein genaues Verständnis des Einflusses der bauteilbedingten, unterschiedlichen Strömungsverhältnisse auf die lokale Wärmeentwicklung in der Anodisierschicht und damit auf die Eigenschaften derselben vorhanden ist. Mit Hilfe eines unikalen Messaufbaus zur lokalen in-operando Temperaturmessung an der Phasengrenze Metall/Oxid/Elektrolyt wird dieses Verständnis der Wechselwirkung zwischen Anodisierparametern, Wärmeentwicklung und Schichtqualität erarbeitet. Die Mehrheit der Anodisierbetriebe sind KMU. Der besondere Nutzen für diese besteht, nach eigener Aussage (!), in einer deutlichen Qualitätsverbesserung und -sicherung hartanodisierter Produkte durch verbesserte Prozessführung. Das starke Interesse wird auch in der Zahl von Firmen im Projektbegleitenden Ausschuss (12) deutlich. Im Erfolgsfall können Absatzmärkte gesichert und neue Einsatzgebiete für hartanodisierte, mittel- und hochfeste Aluminiumlegierungen im Leichtbau (Greifer, reibbelastete bewegte Teile) erschlossen werden. Außerdem führt die erwartete Senkung des Energieverbrauchs sowohl bei der Bildung der Anodisierschicht als auch bei der Kühlung des Bades, zu einer Kostensenkung für die KMU. Gesamtgesellschaftlich ist dies auch ein Beitrag zur Ressourcenschonung und zum Umweltschutz.

Ergebniszusammenfassung:

Für das thermische Management während des Anodisierens spielt die Anströmung der Probe eine entscheidende Rolle. Die Anströmung und der daraus resultierende Wärmeübergang von der Probe zum Elektrolyten ist einer der wichtigsten Parameter für die Erwärmung und Abkühlung der Probe. Bei unbekannten Strömungsbedingungen ist es sinnvoll den Wert für freie Konvektion ca. 600 W/(K m2) für thermische Auslegung anzunehmen. Unterschiedliche Bauteilgeometrien lassen sich aus thermischer Sicht auf die Betrachtung der Materialdicke vereinfachen, diese ist maßgeblich für die thermische Zeitkonstante (Geschwindigkeit Erwärmung und Abkühlung). Für die meisten technischen Anwendungsfälle sind Pulszeiten im Bereich von 1,0 s - 1 s. Vor allem die Fe- und Cu-haltigen intermetallischen Phasen in den Legierungsausscheidungen weisen eine sehr hohe elektrochemische Aktivität auf. Es konnte gezeigt werden, dass sich an diesen intermetallischen Phasen trotz eines geringen Flächenanteils von 3% zeitweise nahezu 100% des Gesamtstroms realisiert. Durch den Einsatz von Pulsregimen beim Anodisieren ist es möglich den Stromanteil zwischen intermetallischen Phasen und dem Matrixmaterial zu balancieren. Die Ergebnisse ermöglichen eine systematische Beeinflussung der thermischen Prozesse die deutlich über die schon vorhandenen empirischen Erfahrungen der Unternehmen hinausgehen. Durch die Hebung der Potentiale für das Anodisieren bei höheren Temperaturen und der damit einhergehenden Energieeinsparung, entstehen für die Unternehmen Möglichkeiten der Kostenreduzierung. Die Ergebnisse ermöglichen einen weiteren Schritt in Richtung konstruktionsgerechtem Anodisieren als Ergänzung/Verbesserung zur anodisiergerechten Konstruktion. Aber auch die mögliche Verkürzung der Prozesszeit sollte sich positiv auf den Warendurchsatz auswirken. Des Weiteren können Fehler vermindert bzw. Ausfälle von ganzen Chargen durch Anodenbrände verhindert werden.