Der Leitfaden zur plasm electrolytischen Oxidation (PEO)

Die Geschichte der Metallurgie war stets die Suche nach der perfekten Legierung. Menschen haben immer nach dem günstigsten, leichtesten und dennoch stärksten Metall gesucht.

Nun, so etwas gibt es nicht. Günstige, leichte Metalle sind nicht stark. Starke, leichte Metalle sind nicht günstig. Sie verstehen, worauf wir hinauswollen.

Das Eloxalverfahren war ein Fortschritt. Es verwandelt Leichtmetalle und macht sie korrosionsbeständig, also stärker. Allerdings bringt es auch giftige Emissionen und eine kurze Lebensdauer der Komponenten mit sich.

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

Was ist plasm electrolytische Oxidation (PEO)?

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

Dieses Verfahren ähnelt dem Eloxieren. Auch hier wird das Metallstück in eine Elektrolytlösung getaucht. Der Hauptunterschied besteht darin, dass PEO höhere Potenziale verwendet und dadurch ein stärkeres elektrisches Feld erzeugt.

Infolgedessen treten Entladungen und Funken in der Lösung auf, die die Struktur des beschichteten Werkstücks verändern. Die äußere Schicht des Metalls wird chemisch in ihr Oxid umgewandelt, das von der Oberfläche nach innen und außen wächst.

Die Funktionen der plasm electrolytischen Oxidation

Die durch das plasm electrolytische Oxidationsverfahren erzeugten Beschichtungen verleihen Metallen mehrere Eigenschaften.

Zunächst einmal werden sie widerstandsfähiger gegen Verschleiß, Hitze und Korrosion. Das bedeutet, dass schwächere (und günstigere) Metalle stärker werden.

PEO-Oxidkeramikschichten bieten zudem chemische Stabilität. Behandelte Metalle reagieren nicht mit der Umgebung. Somit behalten sie unter normalen Umständen länger ihre nützlichen Eigenschaften.

Nicht zuletzt verbessern diese Metalle ihre elektrischen Isoliereigenschaften. So können sie neue und verschleißintensive Zwecke erfüllen.

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

Entwicklungsgeschichte

Wie bereits erwähnt, ist der Vorläufer der plasm electrolytischen Oxidation das Eloxieren. Diese Art der elektrolytischen Passivierung wurde erstmals in den 1920er Jahren industriell eingesetzt. Eine bedeutende Anwendung fand sie in der Architektur.

In den 1960er Jahren wurde das Eloxieren jedoch größtenteils durch die Pulverbeschichtung verdrängt. Dieses Verfahren war schneller, weniger schadstoffhaltig und die gebotenen Schutzschichten waren dicker.

Was die wissenschaftliche Welt wieder zur badbasierten Oxidation zurückführte, war das Wettrennen im Weltraum. Anfang der 1970er Jahre entdeckten sowjetische Ingenieure PEO und begannen damit zu experimentieren. Eineinhalb Jahrzehnte später gab es PEO-beschichtete Teile in der Raumstation Mir.

Dennoch blieb das Verfahren weitgehend unvorhersehbar. Selbst als das neue Jahrhundert anbrach, schien die Realität nicht mit den im Labor gemachten Vorhersagen übereinzustimmen. Die Kluft zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen war zu groß, um einen Erfolg zu verkünden.

In jüngster Zeit ist dies jedoch einigen Unternehmen wie Keronite und IBC gelungen. Sie behaupten, dieses unvorhersehbare und teure Verfahren verfeinert zu haben. Jetzt, so sagen sie, sei es industriell machbar.

Die Vorteile der plasm electrolytischen Oxidationsbeschichtung

Das plasm electrolytische Oxidationsverfahren bietet zahlreiche Vorteile gegenüber dem Eloxieren.

Die keramische Beschichtung, die es erzeugt, erreicht den Punkt der Kristallisation, was ein stärkeres Endprodukt bedeutet.

Auch die Vorbehandlung des Materials ist viel einfacher. Anders als beim Eloxieren benötigen die meisten Bauteile nur eine geringfügige Entfettung, um für PEO bereit zu sein.

Bei diesem Verfahren können die verwendeten Elektrolyte einige ihrer Eigenschaften auf die Keramik übertragen. Das bedeutet, sie können je nach Verwendungszweck des resultierenden Werkstücks verändert werden.

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

Kurz gesagt, PEO ist besser als Eloxieren, weil:

• Es durch die Kristallisation zu einem stärkeren Produkt führt
• Die Vorbehandlung ist deutlich einfacher
• Die Keramik übernimmt Eigenschaften aus den Elektrolyten
• Es handelt sich um ein sauberes Verfahren

Die Nachteile der Plasma-Elektrolytischen Oxidation

Wie bei jedem neuen Verfahren gibt es auch bei Mikrolichtbogen-Oxidationsbeschichtungen Verbesserungspotenzial.

Im Vergleich zu traditionellen Verfahren wie dem Eloxieren ist es beispielsweise noch immer hochpreisig. Alles in allem liegen die Kosten für die Beschichtung von 1 m² Metall bei 2–5 US-Dollar.

Das Verfahren erfordert außerdem eine sehr hohe Temperatur und einen hohen Druck. Das wiederum beeinflusst die Energiemenge, die zum Betrieb der Anlage benötigt wird. Zudem verkürzt es die Lebensdauer der Elektrolyte.

Alles in allem ist PEO möglicherweise noch nicht für breite industrielle Anwendungen bereit. Das sind die Gründe:

Das Verfahren erfordert außerdem eine sehr hohe Temperatur und einen hohen Druck. Das wiederum beeinflusst die Energiemenge, die zum Betrieb der Anlage benötigt wird. Zudem verkürzt es die Lebensdauer der Elektrolyte.

Alles in allem ist PEO möglicherweise noch nicht für breite industrielle Anwendungen bereit. Das sind die Gründe:

• Erfordert hohe Temperatur und hohen Druck
• Verbraucht eine große Menge Energie
• Erfordert den kontinuierlichen Austausch der Elektrolyte
• Es ist zu teuer

Welche Metalle können durch Mikrolichtbogen oxidiert werden?

Die Mikrolichtbogen-Oxidation wirkt speziell auf Ventilmetalle sowie auf die meisten ihrer Legierungen. Was sind Ventilmetalle? Sie bilden eine Gruppe, zu der Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Tantal, Niob, Hafnium und Cobalt gehören.

Ihr Hauptmerkmal ist, dass sie auf natürliche Weise eine passivierende Oxidschicht bilden. PEO wandelt dieses Oxid in kristalline Formen um, die deutlich härter sind.

In der Praxis wird das Verfahren für Legierungen von Aluminium, Magnesium und Titan eingesetzt. Die anderen aufgeführten Metalle sind deutlich teurer.

Zusammenfassend lassen sich diese Metalle durch Mikrolichtbogen oxidieren:

• Aluminium
• Magnesium
• Titan
• Zirkonium
• Tantal
• Niob
• Hafnium
• Cobalt
• Die meisten ihrer Legierungen

Anwendungsbeispiele für Produkte

Aufgrund der außergewöhnlichen Eigenschaften, die PEO Leichtmetallen verleiht, gibt es ein breites Anwendungsspektrum. Wegen der hohen Kosten ist der Einsatz jedoch etwas eingeschränkt.

Luft- und Raumfahrt, Militär-, Medizin- und Technologieunternehmen gehören zu den Anwendern.

So beschichten Luft- und Raumfahrtunternehmen ihre Leichtmetalllegierungen mit PEO, um sie stärker zu machen. Die US-Armee testete es an Kolbenköpfen und Kraftstoffpumpen von Humvees. Diese Teile gewannen an Hitzebeständigkeit und Lebensdauer. Auch im medizinischen Bereich wird die Mikrolichtbogen-Oxidation eingesetzt, um bessere Knochenersatzprothesen herzustellen. Technologieunternehmen beschichten ihre Handygehäuse mit PEO.

PEO wurde unter anderem angewendet auf:

• Luft- und Raumfahrtteile
• Teile für Militärfahrzeuge
• Knochenersatzprothesen
• Handygehäuse

Wie beschichtet man ein Teil mit der Plasma-Elektrolytischen Oxidation?

Die Plasma-Elektrolytische Oxidation ist ein kompliziertes Verfahren. Es erfordert eine gründliche Vorbereitung und die folgenden Schritte.

Schritt 1. Entfetten

Damit das Verfahren funktioniert, müssen die Substrate – also die zu beschichtenden Metalle – in ihrer reinsten Form vorliegen. Verunreinigungen und Schmutz wirken sich negativ auf das Ergebnis aus. Obwohl das Metall sauber aussieht, wird es daher einem Entfettungsverfahren unterzogen.

Zunächst wird beim Entfetten extrem feines Schleifpapier verwendet. Dadurch wird das Metallstück auf Hochglanz poliert.

Anschließend wird das Teil in Aceton, Ethanol und destilliertem Wasser ultraschallgereinigt. Sobald alle anhaftenden Partikel entfernt sind, ist das Metall für die Behandlung bereit.

Schritt 2. Mikrolichtbogen-Oxidation

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

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

Beide Teile werden in eine wässrige Elektrolytlösung getaucht. Diese flüssige Umgebung kann je nach den erforderlichen Eigenschaften des resultierenden Materials variieren. Ein Experiment chinesischer und koreanischer Wissenschaftler verwendete beispielsweise Natriumcarbonat, Natriumphosphat und Natriumacetat-Trihydrat. Zur Erzeugung der notwendigen Entladungen nutzten sie eine Impulsstromversorgung.

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

Schritt 3. Versiegeln

Nach der Mikrolichtbogen-Oxidation wird die Probe erneut mit destilliertem Wasser gewaschen. Anschließend lässt man sie bei Raumtemperatur trocknen.

Dieser letzte Verfahrensschritt ist erforderlich, damit sich die Oxidschichten versiegeln. Sie sind von der Metalloberfläche nach innen und außen gewachsen. Die Haftung ist so stark wie nur möglich – auf eine Weise, die kein anderes Verfahren gewährleisten kann.

Erforderliche Ausrüstung für die plasm elektrolytische Oxidation

Die Ausrüstung für die plasm elektrolytische Oxidation spielt eine große Rolle im Verfahren. Die eingesetzten Maschinen müssen fein abgestimmt werden und die folgenden Komponenten umfassen.

1. Stromversorgung für die Mikrolichtbogenoxidation

Um die erforderlichen Temperatur- und Druckbedingungen zu erreichen, benötigen Sie zunächst eine leistungsfähige Stromversorgung.

Vergleichen wir zwei verschiedene Maschinen. Eine gehört dem Gordon Laboratory, einer Einrichtung der University of Cambridge. Sie hat ein Fassungsvermögen von 25 Litern und ihre Leistungsabgabe muss maximal 10 kW erreichen.

Warum? Erstens muss die Maschine mit einer Frequenz von 50 Hz arbeiten. Außerdem legt sie anodische Potenziale bis 600 V und kathodische Potenziale bis 200 V an. Diese Potenziale werden angepasst, um einen konstanten Strom von 1,5 kA pro Quadratmeter aufrechtzuerhalten.

Die zweite Maschine gehört dem Unternehmen Keronite. Sie bietet PEO-Beschichtungen auf industriellem Niveau. Dafür muss sie 300 kW Leistung für Fassungsvermögen von bis zu 3500 Litern bereitstellen.

Die Leistung wird in extrem kurzen Impulsen zugeführt. Dadurch erreichen sehr hohe Energiespitzen die Elektrolysezelle, was die Effizienz des Verfahrens maximiert.

2. Tank für die Mikrolichtbogenoxidation und unterstützende Einrichtungen

Wie bereits erwähnt, erfolgt die MAO-Beschichtung im Bad. Das bedeutet, dass das Substrat in einen Tank gelegt wird, wo es von einer wässrigen Elektrolytlösung bedeckt wird.

Die Lösungen variieren je nach den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung. Beim Anodisieren wurde üblicherweise stark schadstoffhaltige Schwefelsäure (H2SO4) verwendet. MAO hingegen nutzt Einweg- und saubere Lösungen, die meist proprietär sind.

Ein Kühlkreislaufsystem vervollständigt die Konstruktion des Tanks. Über Rohre, die mit der Lösung in Kontakt kommen, bietet es Möglichkeiten, die Temperatur des Verfahrens zu senken.

3. Kathodenmaterial

Elektrolysezellen benötigen eine Anode und eine Kathode. Die Substratproben dienen als Anoden. Ein inertes Material, üblicherweise Edelstahl, dient als Kathode.

Da Anoden und Kathoden nicht in Kontakt kommen dürfen, hängen die Proben während des gesamten Verfahrens an einem Halter.

FAQs

Fazit

Die plasm elektrolytische Oxidation ersetzt das Anodisieren als Methode Nummer eins zur industriellen Veredelung von Leichtmetallen. Nach jahrzehntelanger Forschung wurde das Verfahren so optimiert, dass günstige Metalle hitze- und korrosionsbeständiger werden.

PEO ist noch immer teuer und erfordert modernste Technologie. Unternehmen und Universitäten arbeiten jedoch daran, ihm breite Anwendung zu verschaffen.