DE2459244A1

DE2459244A1 - Verfahren zur oberflaechenoxydation von aluminium und vorrichtung zum ausueben des verfahrens

Info

Publication number: DE2459244A1
Application number: DE19742459244
Authority: DE
Inventors: Dominique Thomas Franco Streel
Original assignee: Cockerill SA
Current assignee: Cockerill SA
Priority date: 1974-01-15
Filing date: 1974-12-14
Publication date: 1975-07-17
Also published as: SE7415961L; FR2257702B1; FR2257702A1; CA1043737A; IT1023321B; GB1428340A; BE822150A; US3957608A; LU69164A1; JPS50114387A; NL7415406A

Description

Cockerill-Ougree-Providence et Esperance-Longdoz en abrege HCockerill", SERAING/Belgien

"Verfahren zur Oberflächenoxydation von Aluminium und Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenoxydation von Aluminium, insbesondere einer ein Stahlblech überziehenden Alurniniumsehicht, und eine Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß Alumimium an freier Luft oxydiert, d.h., sich spontan mit einer Schicht aus Aluminiumoxyd überzieht, die sehr vorteilhafte Eigenschaften aufweist, da sie sehr widerstandfähig gegen Abrieb und Korrksion ist. Jedoch weisen diese Schichten aus Alumuniumoxyd, die sich unter natürlichen Gegebenheiten bilden, wenn das Aluminium der freien Luft ausgesetzt ist, nur eine sehr geringe Stärke auf, etwa in der Größenordnung von 0,1 Mikron, und oft sind diese Schichten auch noch unregelmäßig.

Um diese Unzulänglichkeiten auszuschalten wurde schon vorgesehen, künstlich eine Oberflächenoxydation des Aluminium hervorzurufen, nämlich durch anodische Oxydation.Obzwar dieses Verfahren erlaubt, auf dem Aluminium Aluminiumoxyd-Schichten auszubilden, deren Stärke sehr groß ist und die

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Größenordnung von 20 Mikron erreicht, so bes-itzt doch dieses Verfahren denNachteil, wenig wirtschaftlich zu sein; darüberhinaus sind Aluminiumoxyd-Schichten solcher Stärke schlecht defomierbar«

Bekannt ist auch ein anodisches, kontinuierlich arbeitendes Oxydationsverfahren, das auf feuchtem Wege arbeitet und einen Niederschlag von Aluminiumoxyd in der Größenordnung von 2 bis 5 Mikron Stärke erbringt, der ohne Beschädigungen verformbar ist, so daß es möglich wird, das Trägermaterial auch dann noch stark zu verformen, nachdem die Schicht aus Aluminiumoxyd darauf ausgebildet wurde.

Dieses Verfahren wird insbesondere auf kontinuierliche Bänder aus Aluminium angewandt, die abgespult werden, um ein Bad zu durchlaufen, und danach wieder aufgespult werden. So ist es möglich, Aluminiumbleche zu erzielen, die sehr widerstandsfähig gegen Korrosion und Abrieb sind und die ohne Schwierigkeiten bearbeitet werden können. Jedoch weisen diese Aluminiumbleche, die auf jene Art anodisiert wurden, einen bedeutenden Nachteil auf; aufgrunde ihrer Zusammensetzung weisen sie nämlich von Natur aus eine geringe mechanische Widerstandsfähigkeit auf, und damit nur eine geringe Steifheit, die häufig ungenügend ist.

Es ist auch schon bekannt, ein Stahlblech zu verwenden und dieses mit einer dünnen Schicht aus Aluminium zu überziehen, wozu ein beliebiges bekanntes Verfahren benutzt werden kann, wie z.B. das Zusammenwalzen von Bändern aus Stahl und aus Aluminium; bekannt ist dafür auch das Bewirken einer Aluminiumauflage z.B. durch Verdampfen in Vakuum oder durch beliebige andere geeignete Verfahren. Daraufhin wird die Aluminiumschicht der anodischen Oxydation unterzogen.

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Da es vorkommt, daß diese Schicht aus Aluminium ungleichmäßig und unvollständig ist, etwa gewisse Bereiche des Bleches wie Schnittkanten und poröse Stellen unbedeckt läßt, läßt sich die Anwendung des Verfahrens der anodischen Oxydation auf feuchtem Wege in einem Bad nicht ohne Schwierigkeiten realisieren. Denn die säurehaltigen Bäder, durch die das Blech hindurchlaufen muß, greifen das Eisen an, was allem Anlaß zur Bildung von Eisensulfat ist, das auf die Lösungen der Bäder wie ein "Gift" wirkt und deren Reaktionsfähigkeit sogar vollständig verhindern kann, wenn seine Konzentration hinreichend stark ist.

Es besteht deshalb die große Gefahr, die säurehaltigen Bäder zu verunreinigen. Da aber diese Bäder in großer Menge benutzt werden und kostspielige Lösungen enthalten, bestehen häufig Bedenken, die anodische Oxydation bei einem Tauchvorgang des Stahlbleches durchzuführen, das mit Aluminium beschichtet ist, obwohl dieses Verfahren den Vorteil aufweist, eine.Beschichtung mit verformbarem Aluminiumoxyd zu erzielen.

Es zeigt sich also, daß die bisher bekannten Verfahren zur anodischen Oxydation des Aluminium nicht befriedigen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Oxydationsverfahren für Aluminium zu schaffen, zumal wenn es auf einem Stahlblech aufgebracht ist, ohne kostspielige und besondere Lösungen zu benötigen, aber dennoch eine dünne Beschichtung aus Aluminiumoxyd hervorzurufen, die geeignet ist, ohne Beschädigung von außen auf das Blech einwirkenden Verformungskräften ausgesetzt werden zu können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das mit Aluminium beschichtete Stahlblech durch einen Reaktionsbe-

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-Zuhälter hindurchbewegt wird., in dem ein Vakuum von 10"

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bis IO Torr herrscht und in dem ein Restgas wie Argon einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, durch das positive Ionen gebildet und auf eine Aluminium-Scheibe geschleudert werden, um daraus Aluminiumatome herauszulösen, die ruach Bindung mit Sauerstoff, der sich ebenfalls im Reaktionsbehälter befindet, als Aluminiumoxyd in Form eines kontinuierlichen Belages auf der Oberfläche der Beschichtung niedergeschlagen werden.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung wird das beschichtete Blech in einem Abstand von der Scheibe und durch den Reaktionsbehälter geführt. Als Scheibe wird zweckmäßigerweise ein Block aus reinem Aluminium benutzt, sie kann aber auch durch die Aluminiumschicht auf dem Bi ch selbst dargestellt werden.

Nach einem weitergeführten Merkmal der Erfindung wird das Blech in einem geringen Abstand, vorzugsweise von etwa 100 mm,an der Scheibe vorübergeführt.

Eine Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens weist vorzugsweise einen Reaktionsbehälter, in dem sich die Oxydation vollzieht auf,der unmittelbar am Ausgang eines Behandlungsraumes angeordnet ist, in dem der Auftrag der Aluminiumschicht auf das Blech durch Verdampfen im Vakuum erfolgt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausüben es erfindungsgemäßen Verfahrens. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer solchen Vorrichtung, bei der der Reaktions-

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behälter für das Oxydieren unmittelbar hinter einem Behandlungsraum für Vakuum-Verdampfungsniederschlag angeordnet ist.

In der Zeichnung ist ein Behandlungsraum 1 dargestellt,

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in dem ein Vakuum von IO Torr herrscht, das durch eine Gruppe von Pumpen 2 geschaffen und aufrechterhalten wird. Dieser Behandlungsraum 1 besteht in als solcher bekannter Weise aus einem Raum für den Niederschlag von Aluminium, das aus einem beheizten Behälter 6 stammt und sich auf ein Blech j5 auflegt, das durch eine Schleuse in den Behandlungsraum 1 eintritt und durch eine Schleuse diesen wieder verläßt, wonach das Blech 3 unmittelbar in einen Reaktionsbehälter 7 eintritt,- der direkt im Anschluß an den Behandlungsraum 1 angeordnet ist. In dem

-1 -"5 Reaktionsbehälter? herrscht ein Vakuum von 10 bis 10 ^ Torr, hervorgerufen und aufrechterhalten durch eine Vakuumpumpe 8* In diesem Reaktionsbehälter 7 befindet sich ein reduzierendes Restgas, etwa des Argon, ferner Sauerstoff, unter einem Teildruck von etwa 10~ Torr. Das Blech 3 wird kontinuierlich durch den Reaktionsbehälter 7 hindurchbewegt und in · einem Abstand von vorzugsweise etwa 100 mm an einem Block aus purem Aluminium als Ionen-Prall-Scheibe vorbeibewegt, der von einen auf Equipotential gelegten metallischen Halteeinrichtung 10 getragen wird. Das Blech 3 wird mit einer Geschwindigkeit von" vorzugsweise etwa 15 m/sec. vorbewegt, und ist elektrisch ebenfalls auf Erdpotential gelegt.

In dem Reaktionsbehälter 7 wird ein elektrisches Feld hinreichender Intensität erzeugt, nämlich mittels Anoden 11, die an eine Hochspannungsquelle 12 angeschlossen sind. Aufgrund des Vorhandenseins dieses elektrischen Feldes werden die Atome des Restgases (des Argon) positiv ionisiert und mit großer Geschwindigkeit in Richtung auf die Prall-Scheibe

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beschleunigt, die im dargestellten Auäführungsbeispiel durch einen Block aus Aluminium gebildet ist, aus dem sie Aluminiumatome herausreißen, die in einen angeregten elektronischen Zustand versetzt werden, der sehr reaktionsfreudig ist. Diese Atome werden danach von der Scheibe 9 auf das Blech j5 geschleudert. Längs dieses Weges geraten die Atome mit dem Sauerstoff, der im Reaktionsbehälter 7 vorliegt, in Berührung und aufgrund ihres sehr reaktionsfreudigen Zustandes vereinigen sie sich mit jenem, so daß Aluminiumoxyd (AIpO-,) abgebildet wird, das sich als Belag auf der Aluminiumschicht niederschlägt. Daraufhin verläßt das Blech, dessen Aluminium-Überzug oxydiert ist, den Reaktionsbehälter 7 durch Schleusen I3.

t.

Das Verfahren nach der Erfindung ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, weil es keinerlei Bäder benötigt und einen Belag aus Aluminiumoxyd in der Stärke von etwa 0,5 Mikron hervorruft, der eine ganz hervorragende Dichte und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb aufweist.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Oxydieren der Oberfläche von aluminiumbeschichteten Blechen besteht darin, daß das Vakuum, das für das Aufbringen der Beschichtung aus Aluminium ohnehin notwendig ist, abermals verwendet werden kann, nämlich für die Oxydation, was dadurch besonders wirtschaftlich ist. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß das Aluminium, das auf diese Weise niedergeschlagen wird, vollkommen rein und sehr reaktionsfreudig ist. Das Blech, das den Reaktionsbehälter verläßt, weist eine anodisierte Aluminiumbeschichtung auf, die von hervorragender Qualität ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsge-

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mäßen Verfahrens zur Oxydation wird die Beschichtung des Aluminium auf dem Blech selbst als Prallscheibe benutzt, indem durch die Argonionen aus ihr die Aluminiumatome befreit werden, die danach durch den im Reaktionsbehälter befindlichen Sauerstoff oxydiert werden, ehe sie sich wieder als Aluminiumoxyd auf dem Blech niederschlagen.

Die Erfindung ist somit nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränkt,, sondern sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten Maßnahmen und Merkmale. · -

- Ansprüche -

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Claims

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erfahren zur Oberflächenoxydation von Aluminium, insbesondere einer ein Stahlblech überziehenden Alurainiumschicht, dadurch gekennzeichnetj daß das mit Aluminium beschichtete Stahl-Blech durch einen Reaktionsbehälter hin-

-1 -"5 durchbewegt wird, in dem ein Vkuum von 10 bis 10 Torr herrscht und in dem ein Restgas wie Argon einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, durch das postive Ionen gebildet und auf eine Aluminium-Scheibe geschleudert werden, um daraus Aluminiumatome herauszulösen, die nach Bindung mit Sauerstoff, der sich ebenfalls im Reaktionsbehälter befindet, als Aluminiumoxyd in Form eines kontinuierlichen Belages auf der Oberfläche der Beschichtung niedergeschlagen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Blech in einem Abstand von der Scheibe durch den Reaktionsbehälter hindurchbewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech in einem geringen Abstand von mindestens 50 mm an der Scheibe vorübergeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Scheibe ein Block aus reinem Aluminium im Reaktionsbehälter verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen des Restgases unmittelbar auf die Aluminiumschicht auf dem Blech als die Aluminium-Scheibe gelenkt werden.

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6. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da3 ein Behandlungsraum (l) für die Beschichtung von Blech (5) mit Aluminium durch Verdampfung irn Vakuum vorgesehen ist, an den unmittelbar ein Reaktions- ■ behälter (7) für die Oxydation des Aluminium angeschlossen ist.
7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktionsbehälter (7) in dichtem Abstand von der Bewegungsbahn des beschichteten Bleches (3) eine Aluminium-Scheibe (9) angeordnet ist, wobei sowohl die Scheibe (9) als auch das Blech (3) elektrisch auf Masse gelegt sind, und daß Hochspannungs-Anoden (11) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß das mit Aluminium beschichtete Blech (j5) selbst zugleich als Aluminium-Scheibe (9) eingesetzt ist.

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