EP0388362A1 - Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung Download PDFInfo
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- EP0388362A1 EP0388362A1 EP90810201A EP90810201A EP0388362A1 EP 0388362 A1 EP0388362 A1 EP 0388362A1 EP 90810201 A EP90810201 A EP 90810201A EP 90810201 A EP90810201 A EP 90810201A EP 0388362 A1 EP0388362 A1 EP 0388362A1
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- aluminium
- oxide layer
- anodic oxidation
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
Definitions
- the invention relates to a method for producing a structured surface on an object made of aluminum or an aluminum alloy.
- a structured coloring of an oxide layer produced by anodic oxidation by partial electrolytic coloring of the oxide layer in a metal salt electrolyte is known.
- the latter method is usually done without the use of electrical current.
- the market particularly the consumer goods market, has a need for decorative surfaces of aluminum or aluminum alloy articles.
- protection of the metallic surface against mechanical wear and tear is usually required.
- protection against chemical impairment, such as corrosion is often desired.
- EP-A-0 001 198 it is known in a method for the hot forming of aluminum sheets to provide the sheet surface with an oxide layer in order to prevent sticking to the mold wall before the forming.
- the inventors have set themselves the task of meeting the above-mentioned need and structuring the surface of an object made of aluminum or an aluminum alloy and at least at least partially protecting the metallic surface at least against mechanical stress.
- the object is achieved by a method which is distinguished by the wording of claim 1.
- Advantageous further developments of the method according to the invention are characterized by the features of claims 2 to 10.
- Oxide layers formed by anodic oxidation are generally hard and brittle. With an elongation of about 0.3 to 0.5%, the oxide layer applied to the intermediate product tears. The cracks are usually arranged parallel and at right angles to the direction of stretching.
- the finished article is formed by two-dimensional or three-dimensional deformation of the preliminary product, which has a structured surface due to a dense network of cracks in the oxide layer.
- the invention is based on the fact that, in the case of aluminum materials with high ductility, as is customary in hot forming, in particular in superplastic hot forming, the forming is localized at the crack locations of the oxide layer and the cracks are widened by up to one millimeter, depending on the degree of forming.
- the base material itself does not tear.
- the design of the structured surface pattern is influenced by the type of shaping which leads to the desired object.
- the fineness of the pattern is mainly determined by the thickness of the oxide layer.
- the oxide layer thickness is preferably between 1 and 20 ⁇ m, the structured surface pattern under certain oxidation conditions already being visible with an oxide layer thickness below 1 ⁇ m.
- the crack patterns are square to circular, while in areas with elongated rectangular patterns arise essentially in uniaxial deformation. This pattern gives the surface a specific character with a high decorative effect.
- the properties of the anodic oxide layer play an important role in the formation of the structured surface, in particular in the design of the crack nets. It was found that the thicker the oxide layer, the denser the crack network. For example, with a 20 ⁇ m thick oxide layer there were 40 to 50 cracks per cm of linear length on the surface, with a 5 ⁇ m oxide layer thickness 10 to 25 cracks, with a 2 ⁇ m oxide layer thickness 5 to 10 cracks. Furthermore, unsealed oxide layers showed a coarser crack network than sealed ones, e.g. gave a 5 ⁇ m thick sealed oxide layer 15 to 25 cracks per cm linear length on the surface; in contrast, a 5 ⁇ m unsealed oxide layer only 5 to 10 cracks.
- the crack patterns can be reinforced by varying the attack rate of the pickling in the crack zones and the areas still anodized.
- the entire surface can also advantageously be provided with a protective layer by means of a second anodic oxidation if a particularly resistant surface against wear is desired.
- This layer can at the same time by methods known per se, for example immersion treatment or electrocoloration be colored, which enhances the decorative aspect of the surface.
- the aluminum material used for the production of the objects must have good forming properties and be anodically oxidizable, the requirements for the quality of the oxide layer not being particularly high, since the interruptions in the oxide surface due to the crack pattern usually do not recognize a large-area inhomogeneous formation, in particular coloring leaves.
- the readily hot-formable - greater than 100% - superplastic AlMg alloys are particularly suitable.
- the choice of the preferred Al material is determined by the requirements placed on the shape of the object. Optimal results with regard to shaping are possible with superplastic AlMg4.5 alloys with degrees of deformation of up to 200%, and these alloys are therefore particularly excellent for carrying out the process according to the invention.
- inorganic or organic electrolytes or mixtures thereof in particular those which contain sulfuric acid, phosphoric acid, chromic acid, oxalic acid, sulfosalicylic acid, maleic acid individually or as a mixture, are used.
- it can also be expedient to block the anodic oxidation in one layer-forming electrolytes in particular an electrolyte containing boric acid or ammonium tartrate.
- a 1.2 mm thick sheet of the alloy type AlMg4.5 was given an oxide layer of 5 ⁇ m by anodic oxidation in a conventional sulfuric acid electrolyte using the direct current method. Then the sheet was heated to the superplastic forming temperature of 510 to 520 ° C typical for this type of alloy and in a forming press with a heated tool using compressed air at a pressure of 0.7 to 1.1 bar for 120 minutes to form a calotte Rectangular shape of 9.5 x 9.5 cm and a height of 5 cm. The degree of deformation at the bottom of the calotte is calculated from was almost 150%.
- the spherical cap formed showed crack patterns with an average of 10 cracks per cm of linear length on the surface.
- the pattern was strengthened by pickling the surface produced in this way in a pickling bath with 100 g / l sodium hydroxide at 50 ° C. for 2 minutes.
- Anodic oxidation was then carried out again with the formation of a 20 ⁇ m layer using the direct current method, and this layer was colored by dipping in an aqueous bath which contained the dye Sanodalblau G from Sandoz AG, CH-Basel. Thereafter, the surface was subjected to compaction treatment in boiling deionized water. Afterwards, the object had a textured surface, consisting of a matt dark blue crack network and shiny blue islands, with an appealing decorative effect.
- Example 2 The same material as in Example 1 was treated and reversed in a boric acid solution under the following conditions forms: H3BO3 : 100 g / l, temperature : 50 ° C, tension : 100 V; Voltage rise: 6 V / min, Duration of treatment : 20 min, Layer thickness : approx. 1300 A.
- the dome-shaped article was further treated as in Example 1 and had a structured surface of the same quality as Example 1.
- Example 2 The same conditions as in Example 1, with the exception of the electrolytic coloring in an electrolyte containing tin sulfate, led to a dome-shaped object with a structured surface consisting of a matt dark brown crack pattern with shiny light brown islands.
- Example 2 The same material as in Example 1 was treated and reshaped in an oxalic acid electrolyte under the following conditions: C2O4H2 : 50 g / l, temperature : 35 ° C, tension : 30 to 35 V, Duration of treatment : 20 min, Layer thickness : 5 ⁇ m.
- Example 2 The further treatment was carried out as in Example 1 and resulted in a structured surface of similar quality.
- Example 2 The same material as in Example 1 was treated and reshaped in a sulfuric acid electrolyte under the following conditions: H2SO4 : 200 g / l, temperature : 20 ° C, Pulse current : Rectangle 20 ms, 16 V positive; 10 ms, 16 V negative, Duration : 15 minutes, Layer thickness : 5 ⁇ m.
- Example 3 The further treatment was carried out as in Example 3 and resulted in a structured surface of the same quality.
- Example 1 The same material as in Example 1 was provided with an acid-resistant grid in a photographic manner, so that in the subsequent anodic oxidation, which was carried out in a manner analogous to that in Example 1, an oxide layer was only partially built up.
- the subsequent reshaping which was also carried out in the manner described in Example 1, the initially generated grid was formed in such a way that there was a greater crack-free deformation at the locations without an oxide layer and one as already in Example 1 at the anodized locations described lower deformation with the oxide layer cracks occurred.
- the further treatment of the article was carried out as already described in Example 1, which led to a mechanically resistant structured surface with a peculiar decorative effect.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
- Neben dem partiellen Auftragen einer Farbschicht auf einen Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist eine strukturierte Färbung einer durch anodische Oxidation hergestellten Oxidschicht durch partielle elektrolytische Einfärbung der Oxidschicht in einem Metallsalzelektrolyten bekannt. Letztgenannte Methode erfolgt üblicherweise ohne Anwendung von elektrischem Strom.
- Der Markt, insbesondere der Konsumgütermarkt, hat einen Bedarf für dekorative Oberflächen von Aluminium- oder Aluminiumlegierungsgegenständen. Gleichzeitig wird meist zusätzlich ein Schutz der metallischen Oberfläche gegen mechanische Beanspruchung durch Verschleiss gefordert. Darüber hinaus ist häufig auch ein Schutz gegen chemische Beeinträchtigung wie etwa Korrosion erwünscht.
- Aus der EP-A-0 001 198 ist bei einem Verfahren zur Warmumformung von Aluminiumblechen bekannt, die Blechoberfläche zwecks Verhinderung des Klebens an der Formwandung vor der Umformung mit einer Oxidschicht zu versehen.
- Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, dem oben erwähnten Bedürfnis Rechnung zu tragen und die Oberfläche eines aus Aluminium- oder einer Aluminiumlegierung hergestellten Gegenstandes zu strukturieren und zumindest gleichzeitig teilweise die metallische Oberfläche wenigstens gegen mechanische Beanspruchung zu schützen.
- Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, welches sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 1 auszeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 10 gekennzeichnet.
- Durch anodische Oxidation gebildete Oxidschichten sind im allgemeinen hart und spröde. Bei einer Dehnung von etwa 0,3 bis 0,5% reisst die auf das Vorprodukt aufgebrachte Oxidschicht. Die Risse sind meistens parallel und rechtwinklig zur Dehnungsrichtung angeordnet. Durch zweidimensionale oder dreidimensionale Verformung des Vorprodukts wird der fertige Gegenstand gebildet, welcher eine strukturierte Oberfläche durch ein dichtes Netz von Rissen in der Oxidschicht aufweist.
- Die Erfindung beruht darauf, dass bei Aluminiumwerkstoffen mit hohem Dehnvermögen, wie es bei einer Warmumformung, insbesondere bei einer superplastischen Warmumformung, üblich ist, an den Risstellen der Oxidschicht eine Lokalisierung der Umformung eintritt und die Risse je nach Umformungsgrad bis zu einem Millimeter verbreitert werden. Dabei reisst das Grundmaterial selbst nicht.
- Ausgehend vom Vorprodukt wird durch die Art der Formgebung, welche zum gewünschten Gegenstand führt, die Ausgestaltung des strukturierten Oberflächenmusters beeinflusst. Die Feinheit des Musters wird hingegen hauptsächlich durch die Dicke der Oxidschicht bestimmt.
- In der Praxis liegt die Oxidschichtdicke bevorzugt zwischen 1 und 20 µm, wobei das strukturierte Oberflächenmuster unter gewissen Oxidationsbedingungen bereits bei einer Oxidschichtdicke unter 1 µm sichtbar auftritt.
- Im Bereich der äquibiaxialen Umformung werden die Rissmuster quadratisch bis kreisförmig, während in Gebieten mit im wesentlichen uniaxialer Umformung langgezogene Rechteckmuster entstehen. Diese Musterung verleiht der Oberfläche einen spezifischen Charakter mit hoher dekorativer Wirkung.
- Die Eigenschaften der anodischen Oxidschicht spielt eine wichtige Rolle für die Bildung der strukturierten Oberfläche, insbesondere für die Ausgestaltung der Rissnetze. Es wurde gefunden, dass je dicker die Oxidschicht ist, desto dichter ist das Rissnetz. Beispielsweise ergaben sich bei einer 20 µm dicken Oxidschicht 40 bis 50 Risse pro cm linearer Länge auf der Oberfläche, bei einer 5 µm Oxidschichtdicke 10 bis 25 Risse, bei einer 2 µm Oxidschichtdicke 5 bis 10 Risse. Ferner zeigten ungesealte Oxidschichten ein gröberes Rissnetz als gesealte, z.B. ergab eine 5 µm dicke gesealte Oxidschicht 15 bis 25 Risse pro cm linearer Länge auf der Oberfläche; dagegen eine 5 µm ungesealte Oxidschicht nur 5 bis 10 Risse.
- Darüber hinaus wurde gefunden, dass weiche Schichten ein gröberes Rissnetz ausbilden als harte Schichten. So führten 5 µm Oxidschichten, hergestellt mit 3 A/dm², ungesealt, zu 10 Rissen pro cm linearer Länge auf der Oberfläche, wo hingegen bei 5 µm Oxidschichten, hergestellt mit 1 A/dm², ungesealt, sich nur zu 5 Rissen pro cm linearer Länge auf der Oberfläche bildeten.
- Durch Beizen derartig hergestellter Oberflächen in konventionellen natronlaugehaltigen Beizbädern können die Rissmuster durch unterschiedliche Angriffsgeschwindigkeit der Beize in den Risszonen und den noch anodisierten Bereichen verstärkt werden. Nach Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann darüber hinaus mit Vorteil die gesamte Oberfläche durch eine zweite anodische Oxidation mit einer Schutzschicht versehen werden, wenn eine besonders resistente Oberfläche gegen Verschleiss erwünscht ist. Diese Schicht kann gleichzeitig durch an sich bekannte Methoden, z.B. Tauchbehandlung oder Elektrokoloration, ein gefärbt werden, was den dekorativen Aspekt der Oberfläche verstärkt. Durch weitere partielle anodische Oxidation in der eingangs genannten Art ist es möglich, die Vielfalt der Oberflächenstrukturierung zu erweitern. Damit ist es möglich, Symbole, Schriftzüge etc. auf den Gegenständen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen sichtbar zu machen.
- Das für die Herstellung der Gegenstände verwendete Aluminiummaterial muss gute Umformeigenschaften aufweisen und anodisch oxidierbar sein, wobei die Anforderung an die Qualität der Oxidschicht nicht besonders hoch ist, da die Unterbrechungen in der Oxidoberfläche durch das Rissmuster meist eine grossflächige inhomogene Ausbildung, insbesondere Färbung, nicht erkennen lässt.
- Die gut warmumformbaren - grösser 100% - superplastischen AlMg-Legierungen sind erfindungsgemäss besonders geeignet. Die Wahl des bevorzugten Al-Werkstoffes wird durch die Anforderungen bestimmt, welche an die Formgebung des Gegenstands gestellt werden. Optimale Ergebnisse bezüglich Formgebung sind mit superplastischen AlMg4.5-Legierungen mit Umformgraden bis 200% möglich und zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sind daher diese Legierungen besonders ausgezeichnet.
- Vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich insbesondere überall dort, wo primär eine dekorative Oberfläche im Vordergrund des Interesses steht, z.B. im Bereich der Architektur.
- Zur Durchführung der anodischen Oxidation für das erfindungsgemässe Verfahren kommen anorganische oder organische Elektrolyte oder deren Mischungen, insbesondere solche, die Schwefelsäure, Phosphorsäure, Chromsäure, Oxalsäure, Sulfosalicylsäure, Maleinsäure einzeln oder gemischt enthalten, zur Anwendung. Erfindungsgemäss kann es auch zweckmässig sein, die anodische Oxidation in einem eine Sperr schicht bildenden Elektrolyten, insbesondere eine Borsäure oder Ammoniumtartrat enthaltenden Elektrolyten, durchzuführen.
- Ein 1,2 mm dickes Blech vom Legierungstyp AlMg4.5 erhielt eine Oxidschicht von 5 µm durch anodische Oxidation in einem konventionellen Schwefelsäureelektrolyten nach dem Gleichstromverfahren. Dann wurde das Blech auf die für diese Legierungsart typische superplastische Umformtemperatur von 510 bis 520°C aufgeheizt und in einer Umformpresse mit beheiztem Werkzeug mit Hilfe von Pressluft bei einem Druck von 0,7 bis 1,1 bar während 120 Min. zu einer Kalotte mit rechteckigem Grundriss von 9,5 x 9,5 cm und einer Höhe von 5 cm umgeformt. Der Umformgrad am Boden der Kalotte berechnet aus
- Die gebildete Kalotte zeigte Rissmuster mit im Mittel 10 Rissen pro cm linearer Länge auf der Oberfläche. Durch Beizen der derartig hergestellten Oberfläche in einem Beizbad mit 100 g/l Natriumhydroxid bei 50°C über 2 Min. wurde das Muster verstärkt ausgebildet. Anschliessend wurde unter Ausbildung einer 20 µm Schicht im Gleichstromverfahren erneut anodisch oxidiert und diese Schicht durch Tauchen in einem wässrigen Bad, das den Farbstoff Sanodalblau G der Firma Sandoz AG, CH-Basel, enthielt, gefärbt. Danach wurde eine Verdichtungsbehandlung der Oberfläche in kochendem entionisiertem Wasser durchgeführt. Danach wies der Gegenstand eine strukturierte Oberfläche, bestehend aus einem matt dunkelblauen Rissnetz und glänzend blauen Inseln, von ansprechend dekorativer Wirkung auf.
- In einer Borsäurelösung wurde unter folgenden Bedingungen das gleiche Material wie in Beispiel 1 behandelt und umge formt:
H₃BO₃ : 100 g/l, Temperatur : 50°C, Spannung : 100 V; Spannungsanstieg: 6 V/min, Behandlungsdauer : 20 min, Schichtdicke : ca. 1300 A. - Der kalottenförmige Gegenstand wurde wie in Beispiel 1 weiterbehandelt und wies eine strukturierte Oberfläche von gleicher Qualität wie Beispiel 1 auf.
- Gleiche Bedingungen wie in Beispiel 1 mit Ausnahme der elektrolytischen Einfärbung in einem zinnsulfathaltigen Elektrolyten führten zu einem kalottenförmigen Gegenstand mit einer aus einem matt dunkelbraunen Rissmuster mit glänzenden hellbraunen Inseln bestehenden strukturierten Oberfläche.
- In einem Oxalsäureelektrolyten wurde unter folgenden Bedingungen das gleiche Material wie in Beispiel 1 behandelt und umgeformt:
C₂O₄H₂ : 50 g/l, Temperatur : 35°C, Spannung : 30 bis 35 V, Behandlungsdauer : 20 min, Schichtdicke : 5 µm. - Die weitere Behandlung wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt und führte zu einer strukturierten Oberfläche ähnlicher Qualität.
- In einem Schwefelsäureelektrolyten wurde unter folgenden Bedingungen das gleiche Material wie in Beispiel 1 behandelt und umgeformt:
H₂SO₄ : 200 g/l, Temperatur : 20°C, Impulsstrom : Rechteck 20 ms, 16 V positiv; 10 ms, 16 V negativ, Dauer : 15 min, Schichtdicke : 5 µm. - Die weitere Behandlung wurde wie in Beispiel 3 durchgeführt und führte zu einer strukturierten Oberfläche von gleicher Qualität.
- Das gleiche Material wie in Beispiel 1 wurde auf fotografische Art mit einem säureresistenten Raster versehen, so dass bei der nachfolgenden anodischen Oxidation, welche in analoger Weise wie in Beispiel 1 erfolgte, nur partiell eine Oxidschicht aufgebaut wurde. Bei der nachfolgenden Umformung, die ebenfalls nach der in Beispiel 1 beschriebenen Weise durchgeführt wurde, bildete sich das anfänglich erzeugte Raster in der Weise aus, dass an den Stellen ohne Oxidschicht eine stärkere rissfreie Verformung, an den anodisch oxidierten Stellen eine wie bereits in Beispiel 1 beschriebene geringere Verformung mit den Oxidschichtrissen auftrat. Die weitere Behandlung des Gegenstandes erfolgte wie bereits in Beispiel 1 beschrieben, was zu einer mechanisch resistenten strukturierten Oberfläche von eigentümlicher dekorativer Wirkung führte.
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Vorprodukt des Gegenstandes anodisch oxidiert und anschliessend zum fertigen Gegenstand verformt wird.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH97189 | 1989-03-16 | ||
CH971/89 | 1989-03-16 |
Publications (2)
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EP0388362A1 true EP0388362A1 (de) | 1990-09-19 |
EP0388362B1 EP0388362B1 (de) | 1995-06-14 |
Family
ID=4199461
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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EP19900810201 Expired - Lifetime EP0388362B1 (de) | 1989-03-16 | 1990-03-14 | Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung |
Country Status (2)
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DE (1) | DE59009223D1 (de) |
Citations (2)
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---|---|---|---|---|
GB1169647A (en) * | 1966-09-05 | 1969-11-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | A Method for Forming Anodic Oxide Film on Aluminium or Aluminium Alloy |
EP0001198B1 (de) * | 1977-09-05 | 1980-08-20 | Scal Societe De Conditionnements En Aluminium | Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus Aluminium, Magnesium oder Legierungen auf Aluminium- oder Magnesiumbasis durch Warmverformung |
-
1990
- 1990-03-14 EP EP19900810201 patent/EP0388362B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1990-03-14 DE DE59009223T patent/DE59009223D1/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1169647A (en) * | 1966-09-05 | 1969-11-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | A Method for Forming Anodic Oxide Film on Aluminium or Aluminium Alloy |
EP0001198B1 (de) * | 1977-09-05 | 1980-08-20 | Scal Societe De Conditionnements En Aluminium | Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus Aluminium, Magnesium oder Legierungen auf Aluminium- oder Magnesiumbasis durch Warmverformung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE59009223D1 (de) | 1995-07-20 |
EP0388362B1 (de) | 1995-06-14 |
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