Was ist Mikrolichtbogenoxidation? Arbeits- und Prozessvariablen

„Mikrolichtbogenoxidation (MAO) ist ein Oberflächenbehandlungsverfahren, das durch eine keramikartige Oxidschicht auf der Oberfläche die Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Härte verbessert.“

Die gefertigten Teile benötigen eine Oberflächenfinish um das Aussehen zu verbessern und die darunter liegenden Materialien vor Betriebs- und Umwelteinflüssen zu schützen. Unter vielen Schutzbeschichtungs- und Behandlungsmethoden Mikrolichtbogenoxidation wird bei Nichteisenmetallen verwendet, um eine dünne Oxidschicht auf dem Trägermaterial zu bilden. Diese harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oxidschicht verbessert die Produktlebensdauer.

Das MAO-Beschichtungsverfahren basiert auf einem elektrochemischen Vorgang und einer Funkenbehandlung mit Hochspannungsstrom. Sie können die Mikrolichtbogenoxidation auf Aluminium, Zink, Magnesium, Titan, Kupfer usw. anwenden.

In diesem Artikel erklären wir, was Mikrolichtbogenoxidation ist. Der Prozess, die Vorteile und die Anwendungen.

 

Was ist Mikrolichtbogenoxidation?

Diese Metalloberflächenbehandlung wird auch genannt Plasmaelektrolytische Oxidation,  ein Verfahren zur Entwicklung von Oxidschichten aus Substratmaterial durch elektrochemische und Plasmabehandlung. Das Verfahren verwendet Hochspannung (bis zu 600 V), die einen Plasmabogen auf Werkstückelektroden erzeugt, der die gebildete Oxidschicht zu einer härteren Oberfläche verfeinert. Diese gehärtete Oxidschicht wächst in beide Richtungen: nach innen und nach außen. 

Mikrolichtbogenoxidationsoberfläche 

Die kristalline Oxidbeschichtung mit Mikrolichtbogenoxidation erhöht die Produktlebensdauer um das Zwei- bis Vierfache. Sie wirkt als Barriere gegen äußere Einflüsse, Feuchtigkeit, chemische Einflüsse, Temperaturschwankungen usw. Die MAO-Beschichtung ermöglicht außerdem die Imprägnierung mit verschiedenen Farbstoffen und Farben, um das Erscheinungsbild individuell anzupassen.

Verschiedene Industriezweige, darunter die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, das Militär und die Landwirtschaft, nutzen die Mikrolichtbogenoxidation, um ihre Leichtbauteile besonders korrosions- und verschleißfest zu machen und so die Produktlebensdauer und Zuverlässigkeit. Die Dicke dieser gehärteten Oxidschicht liegt im Mikrometerbereich, z. B. 20, 40 oder 60 µm und höher. Darüber hinaus kann die Oberflächenhärte im Bereich von 1500-2000 HV erreicht werden, wobei sie Oberflächenrauheit (Ra) von 20 µm oder weniger. 

Das Funktionsprinzip der Mikrolichtbogenoxidation

Die Funktionsweise der Mikrolichtbogenoxidation basiert auf elektrochemischen Reaktionen und einer Plasmalichtbogenbehandlung. Zunächst bildet die Elektrolyse eine Oxidschicht. Anschließend kristallisiert ein Hochspannungsplasmalichtbogen die Oxidschicht. Daher kann es mit Ausnahme der Hochspannungsplasmabehandlung mit den Anodisierungsprozessen verglichen werden. Es entwickelt das Metalloxid auf die gleiche Weise wie das Anodisieren und auch der Aufbau ist ähnlich.

Funktionsweise des Mikrolichtbogenoxidationsprozesses 

Das MAO-Setup:

• Energieversorgung: Hochspannungs-, Hochfrequenz-AC/DC-Stromquelle
• Elektrolyt:  Wässrige Elektrolytlösungen (oft auf Silikatbasis)
• Anode: Werkstück (Aluminium, Titan, Magnesiumlegierung usw.)
• Kathode: Gegenelektrode (normalerweise Edelstahl oder Graphit)
• Kontrollsystem: Computerüberwachung und -anpassung von Parametern, Spannung, Strom, Zeit usw. 
• Prozesstank: Hergestellt aus chemisch inerten und robusten Materialien wie beschichtetem Hartstahl oder Keramik.

Als nächstes sind die folgenden Schritte bei der Durchführung einer plasmaelektrolytischen Oxidation oder einer Metalllichtbogenoxidation aufgeführt:

Schritt 1: Metalloxidationsprozess

Im ersten Schritt werden die entfetteten und gründlich gereinigten Werkstücke in das elektrochemische Bad getaucht. Das Werkstück wird als Anode und die Sekundärelektrode als Kathode angeschlossen. Bei eingeschalteter Stromversorgung (ca. 200 V) findet die anodische Reaktion statt; 

Während des Oxidationsprozesses verliert Metall Elektronen und bildet Metallionen.

Nehmen wir das Beispiel Aluminium;

Anodische Oxidation von Aluminium: Al→Al3++3e-

Anschließend zersetzt sich die Elektrolytlösung und es entsteht Sauerstoff (O2). Das Aluminiummetallion reagiert mit freiem Sauerstoff und bildet eine Aluminiumoxidschicht;

2Al3++3O2−→Al2​O3​ 

Die Dicke der Oxidschicht hängt dabei von Faktoren wie angelegter Spannung, Stromstärke, Verarbeitungszeit, Elektrolyttyp und Materialart ab.

Schritt 2: Plasmaentladungsprozess

Mit zunehmender Spannung steigt die Temperatur und es entsteht eine Entladung an der Anode (Werkstück) bzw. eine hohe Temperatur. Der entladene Plasmabogen breitet sich auf der Werkstückoberfläche aus und kristallisiert die Oxidschicht. 

Dieser Hochdruck- und Temperaturprozess beseitigt Oberflächenunregelmäßigkeiten und Dickenrisse, die auf der eloxierten Schicht vorhanden sein können. Darüber hinaus kann die resultierende Härte je nach Variablen wie Spannung, Dicke der Oxidschicht usw. variieren. 

Schritt 3: Einarbeitung der Elektrolytelemente

In diesem Schritt können Sie die Beschichtungseigenschaften der Mikrolichtbogenoxidation anpassen. Dabei werden die Elektrolytelemente in die poröse Oberfläche des behandelten Werkstücks eingefüllt. Sie können benutzerdefinierte Farben und andere leistungssteigernde Zusätze einarbeiten. Diese Einarbeitung ist dauerhaft und verblasst nicht mit der Zeit.

 

Was sind die Vorteile der Mikrolichtbogenoxidation?

Die wichtigsten Vorteile der Mikrolichtbogenoxidation

• Umfassende Abdeckung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallbeschichtungen erzeugt die plasmaelektrolytische Oxidation eine gleichmäßige Beschichtung über Hinterschneidungen, Kanäle, Rillen, Ecken und Kanten hinweg. So erhalten Sie konsistente Schutzeigenschaften über das gesamte Bauteil hinweg. 

• Hohe Dehnungstoleranz

Die kristalline Mikrostruktur der plasmaelektrolytischen Oxidation sorgt für hohe Härte. Diese Struktur verhindert thermische Verformungen oder mechanische Belastungen und sorgt für Fleckentoleranz. Dadurch erhöht sich die Oberflächenverschleiß- und Rissbeständigkeit Ihrer Teile.

• Überlegene Korrosionsbeständigkeit 

Die chemisch inerte, keramikähnliche MAO-Beschichtungsoberfläche verbessert die Korrosionsbeständigkeit selbst in rauen Umgebungen erheblich. Darüber hinaus können Sie sie weiter anpassen, um dickere Oxidschichten zu erzeugen, je nach den Bedingungen, denen die Teile ausgesetzt sind. Daher kann sie auch eine geeignete Option zur Vorbehandlung für zusätzliche Schutzbeschichtungen sein.

• Dielektrische Eigenschaften

Die mikrolichtbogenoxidierte Oberfläche weist dielektrische Eigenschaften der Substratoberfläche auf, die durch Kontrolle der Oxidschichtdicke während des Prozesses erreicht werden können. Es kann eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von bis zu 79 kV/mm erreicht werden.

• Wärmebarriere 

Durch die Einbeziehung von Silikaten im Lichtbogenoxidationsprozess können mullitreiche Beschichtungen entstehen. Diese dienen als wirksame Wärmebarriere und eignen sich daher ideal für die Beschichtung von Metallkomponenten bei Hochtemperaturanwendungen.

 

Was sind die Prozessvariablen bei der Mikrolichtbogenoxidation?

Die endgültigen Eigenschaften der plasmaoxidierten Schicht hängen weitgehend von den Prozessvariablen ab, von der Spannung und Frequenz bis zum pH-Wert des Elektrolyten. Die Nutzung der Anpassung dieser Oberflächenbehandlungsmethoden ist direkt mit der Optimierung der Prozessvariablen verbunden.

Hier ist eine kurze Übersicht über die wichtigsten Prozessvariablen der Mikrolichtbogenoxidation:

Zusammensetzung des Elektrolyten

Welche Art von Elektrolytlösungen verwenden Sie? Wie hoch ist die Konzentration von Salzen, Säuren und anderen Zusätzen? Wie hoch ist die Temperatur des Elektrolyten? Wie hoch ist der pH-Wert des Elektrolyten? Alle diese Faktoren geben Aufschluss über die Zusammensetzung des Elektrolyten und beeinflussen direkt die endgültigen Eigenschaften der Mikrolichtbogenoxidationsschicht.

Spannungs- und Stromdichte

Die Versorgungsspannung und Stromdichte sind entscheidend für die Einleitung und Aufrechterhaltung der Plasmaentladungen, die die Oxidschicht bilden. Höhere Spannung und Stromdichte führen zu einem schnellen Wachstum der Beschichtungsdicke.

Pulsmodus und Frequenz

Erstens beeinflusst der Arbeitszyklus der Impulse die Mikrostruktur, Porosität und mechanischen Eigenschaften der Beschichtung. Zweitens bildet Hochfrequenzstrom eine gleichmäßige Schicht. Optimieren Sie daher Ihren Impulsmodus und Ihre Frequenz.

Prozess Zeit

Wie lange dauert der Behandlungsprozess? Bei längerer Dauer bilden sich dickere Beschichtungsschichten. Bei übermäßiger Dauer kann es jedoch zu hoher Porosität und Mikrorissen kommen.

Werkstückmaterial

Für verschiedene Metalle sind möglicherweise spezifische Anpassungen der Prozessvariablen erforderlich, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Beispielsweise beträgt die optimale Spannung für Aluminiumlegierungen 300 bis 500 V, während sie für Magnesiumlegierungen 500 bis 700 V beträgt.

 

Welche Materialien können mit MAO-Beschichtung veredelt werden?

 

Mikrolichtbogenoxidation auf der Aluminiumoberfläche 

Die MAO-Beschichtung ist mit verschiedenen Metallen und Legierungen kompatibel, wie etwa Aluminium, Magnesium, Titan usw. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Metalle und Legierungen mit einer kurzen Beschreibung aufgeführt.

Metalllegierungen	Infos	Schlüsseleigenschaften	Anwendungsbeispiel
Aluminiumlegierungen	6061, 7075, 2024	Leichtes Material mit thermischer und elektrischer Leitfähigkeit	Luft- und Raumfahrt- und Automobilteile, elektronische Gehäuse, Wärmetauscher usw.
Magnesiumlegierungen	AZ31B, AZ91D	Leicht und hochfest	Elektronikgehäuse, Elektrowerkzeuge, Sportgeräte
Titanlegierungen	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo	Hohe Festigkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität	Luft- und Raumfahrtkomponenten, Schiffsanwendungen, chemische Verarbeitungsgeräte usw.
Niob	C-103, Nb-1Zr	Hoher Schmelzpunkt, hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Supraleitung	Supraleiter, Raketendüsen, medizinische Implantate usw.
Kupferlegierungen	C11000 C17200	Ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit	Wärmetauscher, Sanitärkomponenten, Architekturelemente

 

Anwendungen der Mikrolichtbogenoxidation auf Magnesiumlegierungen

Sind Ihre Magnesiumprodukte ähnlich wie die unten aufgeführten Anwendungsbeispiele (nicht abschließend)? Wenn ja, ist die Mikrolichtbogenoxidation eine geeignete Option zur Oberflächenveredelung von Metallen.

Automobilindustrie

Mit MAO behandelte Oxidschichten sind haftfest und umweltbeständig. Daher werden hochbelastete und stark beanspruchte Motorbauteile häufig mit Metalllichtbogenoxidation beschichtet. Darüber hinaus können Sie Oberflächenstrukturen oder Wärmeleitfähigkeiten gezielt veredeln.

●Automobilmotorblöcke
●Getriebebaugruppen
● Zylinderkopfabdeckung
●Lenkradkomponenten
●Aufhängungsarme

Luft-und Raumfahrtindustrie

Die Dauerfestigkeit von Magnesiumbauteilen lässt sich durch MAO verbessern, was für die Luftfahrtindustrie unerlässlich ist. Darüber hinaus trägt die Beschichtung dazu bei, Materialermüdung in rauen Umgebungen zu vermeiden. Sie eignet sich sowohl für strukturelle als auch nichtstrukturelle Bauteile der Luft- und Raumfahrt.

●Flugzeuggetriebegehäuse
●Rotorblattkomponenten
●Strukturelle Stützen
●Satellitenpaneele
●Gehäuse für das Fahrwerk

Elektronik-Industrie

MAO kann elektronische Produkte vor extremer Feuchtigkeit oder Schadstoffbelastung schützen. Es verleiht diesen Geräten außerdem Kratzfestigkeit und Ästhetik. Es wird in Smartphones, Laptops und Tablets eingesetzt.

●Laptop-Gehäuse
●Smartphone-Rahmen
●Tablet-Gehäuse
●Kameragehäuse
●Gehäuse für tragbare Geräte

Medizintechnik

Die Beschichtungen unterstützen die Zellhaftung und -vermehrung für die Integration in das umliegende Gewebe, was für medizinische Implantate von Vorteil ist. Darüber hinaus macht das MAO-Verfahren medizinische Komponenten antimikrobiell.

●Zahnimplantate
●Knochenschrauben
● Orthopädische Implantate
●Temporäre Fixierungsvorrichtungen
●Chirurgische Instrumente

Sportindustrie

Die wiederholte Verwendung ist für Sportgeräte unerlässlich, da die bei MAO gebildete harte Oxidschicht eine hervorragende Abrieb- und Schlagfestigkeit für die gewünschte Haltbarkeit bietet. Darüber hinaus wirkt sich die Möglichkeit, eine individuelle Oberflächenstruktur zu erstellen, positiv auf die Ästhetik aus.

●Fahrradrahmen
●Tennisschlägerrahmen
●Golfschlägerköpfe
●Angelrollen
●Skibindungen

Andere Arten der Oberflächenveredelung

Die Mikrolichtbogenoxidation ist vergleichbar mit anderen beiden Arten der Oberflächenbearbeitung, Eloxieren und Metallisieren. In Bezug auf Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit ist MAO ihnen jedoch überlegen.

MAO-Beschichtung im Vergleich zu anderen Oberflächen 

• MAO: Dabei wird durch Hochspannung eine Plasmaentladung in einem Elektrolyten erzeugt, die auf Leichtmetallen wie Aluminium und Titan eine dicke und harte Oxidschicht bildet.
• Eloxieren: Es ist eine Elektrochemischer Prozess mit niedrigerer Spannung, der eine dünne Oxidschicht erzeugt. Die Schicht verbessert die Korrosionsbeständigkeit und ermöglicht verschiedene Farboptionen.
• Metallbeschichtung: Es bezieht sich auf die Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat durch galvanische oder stromlose Verfahren. Diese Veredelung bietet unterschiedliche Grade an Korrosionsbeständigkeit, Härte und ästhetischem Reiz.

 

Summieren

Die Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit von Metallteilen kann durch die plasmaelektrolytische Oxidation (oder Mikrolichtbogenoxidation) deutlich erhöht werden. Diese Veredelungstechnik deckt alle Bereiche der Bauteiloberfläche umfassend und gleichmäßig ab. Die kristalline Oxidschicht kann benutzerdefinierte Farben und andere eigenschaftsverbessernde Zusätze aufnehmen. Insgesamt ist sie ideal für die Veredelung von Teilen, die Hochleistungsanwendungen oder rauen Umgebungen ausgesetzt sind.

Bei Boda bieten wir umfassende Finishing-Dienstleistungen, einschließlich Mikrolichtbogenoxidation, Eloxieren, Metallbeschichten und Polieren. Unsere Endbearbeitungsanlage ist mit modernen Maschinen ausgestattet und unsere Ingenieure können individuelle Oberflächen nach Ihren Vorgaben herstellen.  

 

Häufig gestellte Fragen

Warum wird der Mikrolichtbogenoxidationsprozess auch plasmaelektrolytische Oxidation genannt?

Die Mikrolichtbogenoxidation (MAO) wird auch als plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) bezeichnet, da dabei eine Plasmaentladung in einer Elektrolytlösung erzeugt wird. Diese Entladung erzeugt hohe Energie und bildet eine Oxidschicht auf der Oberfläche des Materials.

Wie funktioniert der Mikrolichtbogenoxidationsprozess?

Sein Funktionsmechanismus basiert auf dem Prinzip der elektrochemischen Plasmaentladung. Eine Hochspannung an einem in einen Elektrolyten getauchten Metallsubstrat erzeugt Mikrobögen oder Plasmaentladungen. Anschließend oxidiert die Metalloberfläche und es entsteht eine harte und korrosionsbeständige Beschichtung.

Wann sollte eine MAO-Beschichtung verwendet werden?

Es eignet sich ideal zum Beschichten von Metallkomponenten, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen.

Kann ich die Micro-Arc Oxidized Coating-Beschichtung auf jedes beliebige Material auftragen?

Es wird hauptsächlich auf Leichtmetalle wie Aluminium, Titan und Magnesium angewendet. Aufgrund unterschiedlicher chemischer und physikalischer Eigenschaften sind sie für Eisenmetalle nicht geeignet.