Der Leitfaden für Plasma-Elektrolytische Oxidation (PEO)

Die Geschichte der Metallurgie ist geprägt von der Suche nach der perfekten Legierung. Die Menschen haben immer nach dem billigsten, leichtesten und dennoch stärksten Metall gesucht.

Nun, so etwas gibt es nicht. Billige, leichte Metalle sind nicht stark. Starke, leichte Metalle sind nicht billig. Du verstehst das Wesentliche.

Das Verfahren des Eloxierens war ein Schritt nach vorn. Es verwandelt Leichtmetalle und macht sie korrosionsbeständig, d. h. fester. Allerdings hat es auch mit giftigen Emissionen und der kurzen Lebensdauer seiner Komponenten zu kämpfen.

Ende des 20. Jahrhunderts entdeckten die Ingenieure die plasmaelektrolytische Oxidationsbeschichtung. Natürlich gibt es noch Raum für Anpassungen. Dennoch erwarten die Wissenschaftler, dass dieses Verfahren die Art und Weise, wie die Menschheit mit Metallen umgeht, verändern wird.

Was ist die Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO)?

Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist ein Verfahren zur Erzeugung oxidkeramischer Schichten auf Metallen. Es wird auch als Mikrobogenoxidation (MAO) und elektrolytische Plasmaoxidation (EPO) bezeichnet.

Dieses Verfahren ahmt das Eloxieren nach. Auch hier wird das Metallstück in einer Elektrolytlösung gebadet. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei PEO ein höheres Potenzial und damit ein höheres elektrisches Feld erzeugt wird.

Infolgedessen kommt es in der Lösung zu Entladungen und Funken, die die Struktur des beschichteten Teils verändern. Die äußere Schicht des Metalls wird chemisch in sein Oxid umgewandelt, das von der Oberfläche aus nach innen und außen wächst.

Die Funktionen der Plasma-Elektrolytischen Oxidation

Die durch das plasmaelektrolytische Oxidationsverfahren erzeugten Beschichtungen verleihen den Metallen mehrere Eigenschaften.

Zunächst einmal werden sie dadurch widerstandsfähiger gegen Verschleiß, Hitze und Korrosion. Das bedeutet, dass schwächere - und billigere - Metalle stärker werden.

PEO-Oxid-Keramik-Schichten bieten auch chemische Stabilität. Die behandelten Metalle reagieren nicht mit der Umwelt. Daher behalten sie ihre nützlichen Eigenschaften unter normalen Umständen länger bei.

Und nicht zuletzt verbessern diese Metalle ihre elektrischen Isolationsfähigkeiten. Auf diese Weise können sie neuen und verschleißintensiven Zwecken dienen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PEO Metalle herstellt:

• Widerstandsfähiger gegen Verschleiß
• Widerstandsfähiger gegen Korrosion
• Widerstandsfähiger gegen Hitze
• Chemisch stabil
• Elektrisch isoliert

Entwicklung der Geschichte

Wie bereits erwähnt, ist der Vorläufer der plasmaelektrolytischen Oxidation das Eloxieren. Diese Art der elektrolytischen Passivierung wurde erstmals in den 1920er Jahren industriell eingesetzt. Sie hatte eine wichtige Anwendung in der Architektur.

In den 1960er Jahren wurde das Eloxieren jedoch größtenteils von der Pulverbeschichtung verdrängt. Dieses Verfahren war schneller, schadstoffärmer und die Schutzschichten, die es bot, waren dicker.

Das Wettrennen im Weltraum hat die Wissenschaftler wieder auf die Badoxidation aufmerksam gemacht. In den frühen 1970er Jahren entdeckten sowjetische Ingenieure PEO und begannen, damit zu experimentieren. Eineinhalb Jahrzehnte später befanden sich PEO-beschichtete Teile in der Raumstation Mir.

Doch der Prozess blieb weitgehend unvorhersehbar. Selbst zu Beginn des neuen Jahrhunderts schien die Realität nicht mit den Vorhersagen aus den Labors übereinzustimmen. Die Kluft zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen war zu groß, um einen Sieg zu verkünden.

In letzter Zeit haben jedoch einige Unternehmen wie Keronite und IBC dies getan. Sie behaupten, dieses unberechenbare und teure Verfahren verfeinert zu haben. Jetzt, sagen sie, ist etwas industriell Machbares entstanden.

Die Vorteile der plasma-elektrolytischen Oxidationsbeschichtung

Das plasmaelektrolytische Oxidationsverfahren bietet zahlreiche Vorteile gegenüber dem Eloxieren.

Die keramische Beschichtung, die sie liefert, erreicht den Kristallisationspunkt, was zu einem stärkeren Endprodukt führt.

Auch die Vorbehandlung des Materials ist wesentlich einfacher. Anders als beim Eloxieren müssen die meisten Bauteile nur leicht entfettet werden, um für PEO bereit zu sein.

Bei diesem Verfahren können die verwendeten Elektrolyte einige ihrer Eigenschaften in die Keramik einbringen. Das bedeutet, dass sie je nach Verwendungszweck des fertigen Werkstücks verändert werden können.

Außerdem ist es ein umweltfreundliches Verfahren. Das gesamte Verfahren ist sauber und frei von Schwermetallen.

Kurz gesagt, PEO ist besser als Eloxieren, weil:

• Es führt zu einem stärkeren Produkt aufgrund der Kristallisation
• Seine Vorbehandlung ist viel einfacher
• Die Keramik verfügt über Eigenschaften von Elektrolyten
• Es ist ein sauberer Prozess

Die Nachteile der plasmaelektrolytischen Oxidationsbeschichtung

Wie bei jedem neuen Verfahren gibt es auch bei der Mikro-Lichtbogen-Oxidationsbeschichtung noch Raum für Verbesserungen.

Im Vergleich zu traditionellen Verfahren wie dem Eloxieren ist es beispielsweise immer noch hochpreisig. Alles in allem belaufen sich die Kosten für die Beschichtung von 1㎡ Metall auf $2-$5.

Das Verfahren erfordert außerdem eine sehr hohe Temperatur und einen hohen Druck. Das wiederum wirkt sich auf die für den Betrieb der Geräte benötigte Energie aus. Außerdem verringert sich die Lebensdauer der Elektrolyte.

Alles in allem ist PEO möglicherweise noch nicht reif für eine breite industrielle Anwendung. Das ist der Grund:

Das Verfahren erfordert außerdem eine sehr hohe Temperatur und einen hohen Druck. Das wiederum wirkt sich auf die für den Betrieb der Geräte benötigte Energie aus. Außerdem verringert sich die Lebensdauer der Elektrolyte.

Alles in allem ist PEO möglicherweise noch nicht reif für eine breite industrielle Anwendung. Das ist der Grund:

• Erfordert hohe Temperatur und hohen Druck
• verbraucht sehr viel Strom
• Erfordert den kontinuierlichen Ersatz von Elektrolyten
• Es ist zu teuer

Welche Metalle können durch Micro-Arc oxidiert werden?

Die Mikro-Lichtbogen-Oxidation funktioniert speziell bei Ventilmetallen sowie bei den meisten ihrer Legierungen. Was sind Ventilmetalle? Es handelt sich um eine Gruppe, zu der Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Tantal, Niob, Hafnium und Kobalt gehören.

Ihr Hauptmerkmal ist, dass sie von Natur aus eine passivierende Oxidschicht bilden. PEO wandelt dieses Oxid in kristalline Formen um, die viel härter sind.

In der Praxis wird das Verfahren für Legierungen aus Aluminium, Magnesium und Titan verwendet. Die anderen aufgeführten Metalle sind wesentlich teurer.

Zusammenfassend kann man sagen, dass diese Metalle durch Mikrolichtbogen oxidiert werden können:

• Aluminium
• Magnesium
• Titan
• Zirkonium
• Tantal
• Niobium
• Hafnium
• Kobalt
• Die meisten ihrer Legierungen

Anwendung Produktbeispiele

Aufgrund der außergewöhnlichen Eigenschaften, die PEO Leichtmetallen verleiht, gibt es eine breite Palette von Anwendungen. Aufgrund seiner hohen Kosten ist sein Einsatz jedoch etwas eingeschränkt.

Luft- und RaumfahrtZu den Nutzern gehören Unternehmen aus den Bereichen Militär, Medizin und Technik.

Beispielsweise beschichten Luft- und Raumfahrtunternehmen ihre leichten Legierungen mit PEO, um sie stärker zu machen. Die US-Armee hat dies an Kolbenköpfen und Kraftstoffpumpen von Humvees ausprobiert. Diese Teile wurden dadurch hitzebeständiger und ihre Lebensdauer wurde verlängert. Auch in der Medizin wird die Mikrolichtbogenoxidation eingesetzt, um bessere Knochenersatzprothesen herzustellen. Technologieunternehmen beschichten ihre Handyschalen mit PEO.

PEO wurde unter anderem auf folgende Bereiche angewandt:

• Teile für die Luft- und Raumfahrt
• Teile für Militärfahrzeuge
• Knochenersatzprothetik
• Handyschalen

Wie beschichtet man ein Teil mit dem plasma-elektrolytischen Oxidationsverfahren?

Die plasmaelektrolytische Oxidationsmethode ist ein komplizierter Prozess. Es erfordert eine gründliche Vorbereitung und die folgenden Schritte.

Schritt 1. Entfetten

Damit das Verfahren funktioniert, müssen die Substrate - also die Metalle, die beschichtet werden sollen - in ihrer reinsten Form vorliegen. Flecken und Schmutz haben negative Auswirkungen auf das Ergebnis. Daher wird das Metall, auch wenn es sauber aussieht, einem Entfettungsverfahren unterzogen.

Beim Entfetten wird zunächst ein extrem feines Schleifpapier verwendet. Dadurch wird die Metallprobe auf Hochglanz poliert.

Anschließend wird das Teil mit Ultraschall in Aceton, Ethanol und destilliertem Wasser gereinigt. Wenn alle anhaftenden Partikel entfernt worden sind, ist das Metall bereit für die Behandlung.

Schritt 2. Mikro-Lichtbogen-Oxidation

Ein wichtiger Bestandteil der MAO-Behandlung ist die Elektrolysezelle. Diese wiederum besteht aus drei Komponenten: einem Elektrolyt und zwei Elektroden (Kathode und Anode).

Das umzuwandelnde Metall dient als Anode, und die Kathode ist in der Regel eine Edelstahlplatte.

Beide Teile werden in eine wässrige elektrolytische Lösung getaucht. Diese flüssige Umgebung kann je nach den für das entstehende Material erforderlichen Eigenschaften variieren. In einem von chinesischen und koreanischen Wissenschaftlern durchgeführten Experiment wurden beispielsweise Natriumcarbonat, Natriumphosphat und Acetatmonohydrat verwendet. Um die erforderlichen Entladungen zu erzeugen, verwendeten sie eine Impulsstromversorgung.

Die Spannung lag zwischen 200 und 500 V, die Pulsfrequenz betrug 900 Hz, das Tastverhältnis 3% und die Dauer 5 Minuten.

Schritt 3. Versiegeln

Nach der Mikrolichtbogenoxidation wird die Probe noch einmal mit destilliertem Wasser gewaschen. Dann lässt man sie bei Raumtemperatur trocknen.

Dieser letzte Teil des Prozesses ist notwendig, damit die Oxidschichten versiegelt werden können. Sie sind von der Oberfläche des Metalls nach innen und außen gewachsen. Die Adhäsion ist so stark, wie sie nur durch ein anderes Verfahren gewährleistet werden kann.

Erforderliche Ausrüstung bei der Plasma-Elektrolytischen-Oxidation

Die Anlagen für die plasmaelektrolytische Oxidation spielen bei diesem Prozess eine große Rolle. Die verwendeten Maschinen benötigen eine Feinabstimmung und die folgenden Komponenten.