08.01.2015

AHC Oberflächentechnik entwickelte ein neuartiges Verfahren zur selektiven Oxidation von Aluminiumoberflächen.

LASOX-COAT®: Neuartiges Verfahren zur selektiven Oxidation von Aluminiumoberflächen vor der Serienreife

28. May. 2014
Aus der Idee, ein Beschichtungsverfahren ohne den Einsatz von Chemie zu betreiben, entwickelte AHC Oberflächentechnik ein neuartiges Verfahren zur Oxidation von Aluminiumoberflächen. Hiermit können Bauteile partiell vor Verschleiß und auch Korrosion geschützt werden. Eine Pilotanlage befindet sich im französischen Werk Faulquemont. Nun steht das Verfahren vor der Serienreife.

Bei dem mit LASOX-COAT® bezeichneten Verfahren der AHC Oberflächentechnik handelt es sich um eine selektive Oxidation von Aluminiumoberflächen mittels Laser. In einer Sauerstoff-Atmosphäre wird auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks ein Laserstrahl gerichtet. Unter dem Einfluss des Lasers beginnen Legierungspartikel zu schmelzen und zu verdampfen. Das Sauerstoffplasma, welches aus ionisierten Atomen besteht, und ein Teil des geschmolzenen Aluminiums reagieren zu Aluminiumoxid (Korund, Al2O3), welches nun die behandelte Oberfläche bedeckt. Der Laserstrahl fährt Bahn für Bahn die Oberfläche des Bauteils ab, wie ein Bauer, der seinen Acker pflügt. Die Beschichtungsdauer ist daher proportional zur Beschichtungsfläche, oder anders ausgedrückt: Je kleiner die Fläche, desto schneller die Bearbeitung. Der Bahnabstand beeinflusst, wie man sich leicht vorstellen kann, den Deckungsgrad und die Rauigkeit der bearbeiteten Oberfläche. In Bahnrichtung kann man von einem Ra-Wert von 1 µm ausgehen. Quer zur Bahnrichtung ist die Rauigkeit schon mehr als doppelt so hoch. Die Beschichtungsdauer beträgt bei der Pilotanlage etwa 40 Sekunden für 1 cm2. Bei der serienmäßigen Beschichtung wird dieser Wert auf 3 Sekunden gesenkt. Eine weitere Erhöhung der Beschichtungs-geschwindigkeit ist durch den Einsatz mehrerer Laserstrahlen gleichzeitig möglich. Die Laserintensität liegt zwischen 5 x 105 und 5 x 106 W/cm2 und damit im Bereich des Laserfeinbeschichtens und des Laserschweißens. Die Wechselwirkungsdauer des Laserstrahls mit der Oberfläche des Aluminium-Werkstoffs beträgt etwa 0,005 s. Das liegt in etwa zwischen der Einwirkdauer des Laserschneidens und des Lasertiefschweißens (Abb. 1). Die LASOX-COAT®-Anlage ist eingehaust und nach der Norm EN 60825-1 der Laserklasse 4 zuzuordnen. Der große Vorteil gegenüber galvanischen Prozessen besteht im Verzicht auf Prozesschemikalien wie Elektrolytsäuren. Daher bereitet die Zulassung einer LASOX-COAT®-Anlage auch keine Probleme.

Die mit dem LASOX-COAT®-Verfahren erzeugte Korundschicht hat eine Dicke von etwa 6 bis 10 µm, während die Umschmelzzone etwa 100 µm stark ist. Die Härte des Aluminiumoxids beträgt ca. 2.000 HV. Dieser hohe Wert ist darauf zurückzuführen, dass sich prozessbedingt keine Mikroporen in der Aluminiumoxid-Schicht bilden. Die Härte der Umschmelzzone hängt von der verwendeten Legierung ab.

Bei Silizium-haltigen Legierungen (Si > 8 %) kann die Härte um 50 % gegenüber der Härte der ursprünglichen Legierung gesteigert werden. Auch Druckgusslegierungen werden durch die Oberflächenbehandlung härter. Sogar Aluminiumlegierungen mit Siliziumgehalten über 20% können mit LASOX-COAT® beschichtet werden, jedoch müssen die Siliziumausscheidungen in der Aluminium-Matrix fein verteilt sein. Auf korngefeinertem Gefüge sind in der Aluminiumoxid-Schicht Silizium-Ausscheidungen kaum mehr erkennbar. Es kommt zu einer Verzahnung des korngefeinerten Gefügebereiches mit der Korundschicht.

Siliziumkörner im Grundwerkstoff unterstützen das Wachstum einer zwar dicken, aber leicht raueren Schicht. Grundsätzlich werden bereits im Grundmaterial vorhandene Poren das Schichtwachstum negativ beeinflussen. Legierungsbedingt kann auch eine Abnahme der Festigkeit eintreten, wie das bei der Legierung 7075 (AlZnMgCu-Legierung) der Fall ist. Im Einzelfall ist zu klären, welche Eigenschaften der Oberfläche im Vordergrund stehen sollen und welche Legierung sich dann für das LASOX-COAT®-Verfahren eignet.

LASOX-COAT® ist am ehesten für den Verschleißschutz vorgesehen, kann aber ebenso zur Reduzierung von Korrosion auf einem Werkstück eingesetzt werden. Mit dem selektiven Beschichtungsverfahren lassen sich Beschriftungen, einzelne Linien oder komplexe Formen und auch Muster erzeugen. Zur Erhöhung des Verschleißschutzes muss nicht immer eine Fläche komplett beschichtet werden, auch ein “Schottenmuster” macht eine Fläche schon verschleißfester (Abb. 2). Flache Oberflächen werden bevorzugt, jedoch sind auch abgerundete Oberflächen beschichtbar. Ideal sind kleine Beschichtungsflächen bei einem großen Bauteil, weil dann die lokal erzeugte Wärme gut abfließen kann (Abb. 3).
 

Abbildung 2: Beispiele für Strukturen, die mit LASOX-COAT® erzeugt werden können.		Abbildung 3: Aluminiumbauteil mit Flächen, die mit dem neuen LASOX-COAT®-Verfahren beschichtet sind.

Ein typisches Anwendungsbeispiel für eine Beschichtung mit einer LASOX-COAT®-Schicht ist eine Teilfläche eines Bauteils, die immer wieder einer Verschleißbeanspruchung unterliegt. Das kann ein Gehäuserand sein, auf den eine Klappe beim Öffnen und Schließen schlägt, oder das Förderrad einer Pumpe, das partiell verschleißt. Laserkennzeichnungen und Laserbeschriftungen von Aluminium-Bauteilen zum Zwecke der Nachverfolgbarkeit und Dokumentation sind ebenso denkbar. Weitere Anwendungsbeispiele sind Pneumatikventile, Proportionalventile, Bremskolben oder Hydraulik- und Pneumatikschieber. Bei sehr großen Stückzahlen ist auch die Integration des LASOX-COAT®-Verfahrens in eine bestehende Fertigungslinie möglich.