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Das Schwarzeloxieren (auch Eloxal genannt) bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem ein Aluminiumbauteil eloxiert und mit entsprechenden Farbstoffen schwarz gefärbt wird. Dies sollten Sie bitte nicht mit dem Brünieren oder Schwärzen verwechseln, denn dieses Verfahren ist auf Teile aus Aluminium nicht anzuwenden. Eloxiertes Aluminium verfügt über eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, während schwarz eloxierte den zusätzlichen Vorteil haben, dass sie Licht absorbieren, und Wärme sehr effektiv abstrahlen können. In diesem Artikel erläutern wir Ihnen genauer, was das Schwarzeloxieren ist, wie es genau funktioniert, und welche Vor- und Nachteile es hat.
Was ist das Schwarzeloxieren
Das Schwarzeloxieren bezieht sich auf das elektrochemische Verfahren des Schwarzfärbens von Aluminium, in dem zuerst eine normale Eloxierungsreaktion eine teilweise durchlässige Aluminiumoxidschicht erzeugt. Diese wird dann im zweiten Schritt durch den Einsatz eines von drei möglichen Färbeverfahren eingefärbt: organische Farbstoffe, anorganische Farbstoffe oder das elektrolytische Färben mit Metallsalzen.
Metalle, die sich für das Schwarzeloxieren eignen sind Aluminium, Magnesium und Titan. Dabei ist jedoch Aluminium das am häufigsten schwarz eloxierte Material. Es ist zudem wichtig darauf hinzuweisen, dass nicht alle Arten bzw. Gütegrade von Aluminium schwarz eloxiert werden können. Dies ist nur bei Aluminium der Sorten 5, 6, und 7 möglich.
Wie funktioniert das Schwarzeloxieren?
Beim Schwarzeloxieren wird das Teil zuerst mit Hilfe eines normalen Eloxierungsverfahrens (entweder Typ II oder III) eloxiert. Für eine optimale Farbechtheit wird dabei eine minimale Oxidschichtdicke von 25 Mikron oder mehr empfohlen. Nach dem Eloxieren verfügt das Teil dann über eine teilweise durchlässige und poröse Oberflächenstruktur. Diese Poren werden dann dafür verwendet, die schwarzen Farbstoffe aufzunehmen.
Es gibt drei grundlegende Färbetechniken, die nachfolgend beschrieben werden:
- Organische Pigmente: Diese Farbstoffe werden in warmem Wasser aufgelöst und dann in ein Färbebad gegeben. Das zu färbende Teil wird dann ebenfalls in das Färbebad gelegt, wo der Farbstoff dann die Poren der Eloxidschicht füllt. In der Regel dauert es länger als bei helleren Teilen, um ein Teil schwarz zu färben. Es wird empfohlen, organsich gefärbte Teile nicht im Außenbereich einzusetzen.
- Anorganische Pigmente: Diese Pigmente sind nicht wasserlöslich. Anorganische Pigmente erzeugen zudem Beschichtungen mit exzellenter Lichtechtheit. Für das Schwarzeloxieren setzt man anorganische Kobaltsulfidsalze ein.
- Elektrolytisches Färben: Nach dem normalen Eloxieren werden die Teile in ein Elektrolysebad gelegt, das eine Lösung aus Schwermetallsalzen enthält. Die Eloxiedschicht dient dabei als Kathode, während ein Edelstahlstab als Elektrode in das säurehaltige Elektrolysebad eingeführt wird. Die gelösten Metallsalze lagern sich dann am Grund der Poren ab. Es werden Nickel-, Kobalt- und Zinnsalze eingesetzt, um verschiedene Farben zu erzeugen. Es handelt sich hierbei um ein proprietäres Verfahren in dem Teile mit einer außergewöhnlichen Farbechtheit produziert werden.
Nach dem Färben müssen die Poren der Eloxidschicht noch versiegelt werden, um zu verhindern, dass die Farbe herausgelöst wird. Die Versiegelung erfolgt in der Regel durch Hydratation der Beschichtung. Überall dort, wo sich eine Pore befindet, entsteht dann Al2O3H2O; dieses ist weniger abriebfest als die normale Aluminiumoxidoberfläche. Alternativ kann ein chemisches Versiegelungsverfahren eingesetzt werden, bei dem Nickelacetat oder -dichromat verwendet wird.
Die für das Schwarzeloxieren erforderliche Zeit hängt von der gewünschten Mächtigkeit der Eloxidschicht, der Färbemethode und dem auf das Färben folgende Versiegelungsverfahren ab. Im Allgemeinen braucht es ca. fünf Minuten um 2,5 Mikron zu eloxieren. Um also die minimale schwarzeloxierte Schichtdicke von 25 Mikron zu erreichen, ist also knapp eine Stunde notwendig. Der Färbeprozess dauert dann wiederum bis zu 20 Minuten. Diese Zeitrahmen hängen darüber hinaus auch noch von den gewählten Reinigungs- und Spülverfahren ab.
Anwendungsgebiete Des Schwarzeloxierens
Schwarzeloxiertes Aluminium hat alle Vorteile des normal eloxierten Aluminium, jedoch in Verbindung mit den zusätzlichen Vorteilen der schwarzen Farbe. Schwarzeloxiertes Aluminium wird also insbesondere dort eingesetzt, wo die schwarze Beschichtung von Vorteil ist. Hier sind einige Beispiele dafür:
- Satellitenbauteile nutzen die schwarze Beschichtung um
- effizient Wärme in den Weltraum ab- oder zurückzustrahlen
- Optische Geräte verlassen sich auf die Fähigkeit der schwarzen Beschichtung, jegliche Reflexion zu absorbieren
- Bauliche Verzierungen wirken durch die tiefe schwarze Farbe ästhetisch ansprechend, während sie zudem über exzellente Farbechtheit verfügen und die Oberflächenveredelung eine verbesserte Abriebfestigkeit bietet.
Eine eloxierte Beschichtung kann zwischen 10 und 20 Jahre lang halten, je nachdem wo und wie sie eingesetzt wird, wie dick die Beschichtung ist und in Anbetracht dessen, welche notwendigen Versiegelungen nach dem Eloxieren eingesetzt wurden. Wurden Metallsalze für das Färben verwendet, dann werden die Farben nicht ausbleichen. Organische Farbstoffe verblassen hingegen (insbesondere durch UV-Einstrahlung) mit der Zeit.
Vorteile Einer Schwarz Eloxierten Beschichtung
Die Vorteile des Schwarzeloxierens beinhalten eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Beschichtung stellt (noch stärker als die natürlich entstehende Oxidschicht) sicher, dass eloxierte Aluminiumteile nicht rosten werden. Rost wird dabei die zerstörerisch abblätternde Oxidschicht auf Eisenmetallen genannt. Bildet sich ein solches Oxid auf Aluminium, so haftet es jedoch fest an der Metalloberfläche und verhindert somit die weitere Oxidation des Grundmaterials.
Das Schwarzeloxieren verfügt jedoch über weitere spezifische Vorteile, die nachfolgend beschrieben werden:
- Wärmeabstrahlung: Aluminiumbauteile werden häufig schwarz eingefärbt, um ihren Emissionsgrad zu erhöhen; die Anwendungsgebiete dafür umfassen zum Beispiel Kühlkörper oder Satellitenbauteile.
- Kein Ausgasen: Schwarz eloxierte Teile gasen, wenn sie entsprechend nach dem Färben versiegelt wurden, nicht im Vakuum oder bei Unterdruck aus. Das Fehlen des Ausgasens hilft dabei empfindliche Ausrüstung, insbesondere im Weltall, zu schützen.
- Farbechtheit: Schwarz eloxierte Teile, insbesondere wenn für den Färbeprozess anorganische oder metallische Salze eingesetzt wurden, verfügen über eine exzellente Farbechtheit, was bedeutet, dass sie in der Regel ihre Farbe beibehalten, wenn sie UV-Strahlung (z.B. im Freien) ausgesetzt sind.
Grenzen des Schwarzeloxierens
Während das Schwarzeloxieren an sich eine robuste Oberflächenveredelung darstellt, die bemerkenswerte Vorteile bietet, so ist es dennoch wichtig, die inhärenten Einschränkungen zu beachten. Blickt man hinter die ansprechende schwarze Ästhetik und die Korrosionsbeständigkeit, so gibt es einige Einschränkungen der Anwendbarkeit.
- Oberflächenrisse Werden schwarz eloxierte Teile thermischen Zyklen ausgesetzt, so neigen sie zur Bildung von Oberflächenrissen in der Eloxidschicht. Diese Risse sind hauptsächlich auf das unterschiedliche wärmebedingte Ausdahnungsverhalten von Beschichtung und Substrat zurückzuführen.
- Begrenzte Materialauswahl: Nicht alle Aluminiumsorten können schwarz eloxiert werden. In der Regel sind die am häufigsten eloxierten Aluminiumsorten die 5, 6 und 7, wobei die 6 die am häufigsten eloxierte Sorte ist.
- Ausbleichen der Farben: Sollten organische Farbstoffe eingesetzt werden, verlieren schwarz eloxierte Teile ihre Farbe, da sie ungeeignet für den Einsatz unter UV-Strahlung sind.
Zusammenfassung
Zusammenfassend gesehen stellt sich das Schwarzeloxieren als vielseitiges und wichtiges Verfahren in der Fertigungslandschaft dar. Seine doppelten Vorteile und eine ansprechende schwarze Oberfläche machen es zu einer bevorzugten Wahl in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Robotik.
Xometry bietet eine breite Palette an Fertigungsmöglichkeiten und wertschöpfenden Diensten für all ihre Bedürfnisse in den Bereichen des Prototyping und der Produktion an.
