BUCHHOLZ, Klaus (Thurmstrasse 34, Kreuzau, 52372, DE)
STEINHÄUSER, Siegfried (Neukirchner Strasse 23h, Chemnitz, 09116, DE)
WIELAGE, Bernhard (Bornsberg 38, Horn-Bad Meinberg, 32805, DE)
ALISCH, Gerd (Klopstockstrasse 11, Chemnitz, 09131, DE)
BUCHHOLZ, Klaus (Thurmstrasse 34, Kreuzau, 52372, DE)
STEINHÄUSER, Siegfried (Neukirchner Strasse 23h, Chemnitz, 09116, DE)
WIELAGE, Bernhard (Bornsberg 38, Horn-Bad Meinberg, 32805, DE)
Patentansprüche
1. Anodische Oxidschicht für elektrische Leiter, insbesondere Leiter aus Aluminium in der Form von Bändern oder Drähten, wobei zur Erzeugung der Oxidschicht
a) ein Elektrolyt verwendet wird, der sich in seiner Art und Zusammensetzung an der Referenz eines Schwefelsäure-Elektrolyten orientiert und ggf. in seiner Zusammensetzung variierbar ist, b) mindestens eine ausgewählte Stromart und -form und ggf. deren überlagerungen zur Anwendung gelangen und c) bei einer verdichtenden Nachbehandlung der Oberfläche der Oxidschicht ein Stoff eingebracht wird, der sich an der Referenz einer Nachverdichtung einer Aggregatform von Wasser orientiert,
dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Oxidschicht
d) eine Martenshärte [HM] von > 2300 aufweist, e) eine Erhöhung der Verschleissfestigkeit im Vergleich zu üblichen Kenngrössen, wie
• eine Verschleisstiefe von ca. 100 μm auf < 70 μm gemäss Schwingverschleisstest sowie
• eine Ritzenergiedichte [J/mm 2 ] von 0,03 auf > 0,05 bei Normalkräften von 2 N und von 0,45 auf > 0,5 bei Normalkräften von 50 N gemäss Ritzprüfversuch besitzt, f) eine Verbesserung der Duktilität (Rissempfindlichkeit, Rissbildungsneigung) im Vergleich von 0,24 auf 0,30 [Dehnung beim 1. Riss in %] gemäß Bedingungen der Mikrobiegeprüfung mit einer Maximalkraft von 50 N, einem Weg von max. 4800 μm, einem Probestück von 1 45 x b 10 x h 0,3 mm, einer Prüfgeschwindigkeit von 20 μm/s und einer Stützweite von 40 mm erhält, g) eine Korrosionsbeständigkeit durch eine Schichtdicke der Oxidschicht ab 5 μm aufweist und/oder h) bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm und einer thermischen Beanspruchung von ca. 2 h mit 250° C einer Durchschlagsspannungssicherheit von mehr als 300 V aussetzbar ist.
2. Anodische Oxidschicht für elektrische Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Verschleissfestigkeit der Oxidschicht gemäss Ritzprüfversuch eine Ritzenergiedichte [J/mm 2 ] von < 0,6 bei 50 N besitzt.
3. Anodische Oxidschicht für elektrische Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verbesserte Duktilität ab einer Größe von > 0,31 liegt.
4. Verfahren zur Erzeugung einer anodischen Oxidschicht für elektrische Leiter nach Anspruch 1 , aufweisend
a) ein Bad mit einem Elektrolyten, der sich in seiner Art und Zusammensetzung an der Referenz eines Schwefelsäure-Elektrolyten orientiert und ggf. in seiner Zusammensetzung variierbar ist, b) die Einspeisung mindestens einer ausgewählten Stromart und -form und ggf. deren überlagerungen, c) die Einbringung einer Farbe und Färben mit anschließendem Spülen der Oxidschicht, d) eine verdichtende Nachbehandlung der Oberfläche der Oxidschicht mit einem einzubringenden Stoff wie heißem Wasser und e) die Einhaltung einer vorgegebenen Behandlungstemperatur,
gekennzeichnet durch
f) die Verwendung eines Elektrolyten, aufweisend die Bestandteile 15 ... 30 Vol. % Schwefelsäure mit einem Zusatz von 5 ... 30 g Oxalsäure /1 Schwefelsäure, g) die Einleitung eines Wechselstroms in Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, oder Trapezform oder einer Kombination aus diesen und mit einer Frequenz bis zu 700 Hz, h) die Verwendung einer Farbe als Stoff vor der verdichtenden Nachbehandlung.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt einen Anteil von 20 Vol. % Schwefelsäure aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt einen Anteil von 15 g Oxalsäure /1 Schwefelsäure aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine Anreicherung des Elektrolyten mit AI-Partikeln in einer Konzentration im Bereich von ca. 3,5 g Al ... ca. 13 g Al/1 Elektrolyt, wobei die Konzentration in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit des Leiters im Bad variierbar ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Wechselstrom in der Kombinationsform Trapez - Sinus verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Wechselstrom in der Kombinationsform Sinus, Rechteck, Trapez verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Wechselstrom in wechselnden Pulsformen und/oder Pulsfolgen verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeleitete Wechselstrom eine Spannung von < 50 V aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, gekennzeichnet durch eine Anodisierungszeit von < 120 s, die in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit des Leiters im Bad und/oder der Stromstärke und/oder dem Behandlungsintervall variierbar ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, gekennzeichnet durch die Schritte
- Erzeugung der erforderlichen Schichtdicke , welche in etwa proportional zur erforderlichen Durchschlagsspannungsfestigkeit des anodisierten Leiters realisierbar ist,
- Einbringung der jeweiligen Eloxalfarbe in das Bad und Farbehandlung wie durch Tauchen,
- Spülen,
- verdichtende Behandlung mit heißem Wasser oder Wasserdampf zum Verschließen der Poren auf der gefärbten Oberfläche der Oxidschicht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung der Farbe Rot.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung der Farbe Grün.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Farben aktuelle, wie so genannte GTL-Oxalanfarben oder Clariantfarben sind.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 16, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Software für die Steuerung/Regelung der Stromquellen zur Generierung von Spannungen mit beliebiger Frequenz und Form.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 17, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Bades für eine Tauchfärbung
19. Elektrischer Leiter mit anodischer Oxidschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und verfahrensgemäß behandelt nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß dieser bei seiner Verwendung wie zu Spulen, Wicklungen oder dgl. a) eine Oxidschicht entsprechend einer Durchschlagsspannungssicherheit von 30 bis 60 V/Schichtdicke nm besitzt, b) eine Martenshärte [HM] von > 2300 aufweist, c) eine Erhöhung der Verschleissfestigkeit im Vergleich zu üblichen Kenngrössen wie
• eine Verschleisstiefe von ca. 100 μm auf < 70 μm gemäss Schwingverschleisstest sowie
• eine Ritzenergiedichte [J/tnra 2 ] von 0,03 auf > 0,05 bei Normalkräften von 2 N und von 0,45 auf > 0,5 bei Normalkräften von 50 N gemäss Ritzprüfversuch besitzt, d) eine Verbesserung der Duktilität (Rissempfindlichkeit, Rissbildungsneigung) im Vergleich von 0,24 auf 0,30 [Dehnung beim 1. Riss in %] gemäß Bedingungen der Mikrobiegeprüfung mit einer Maximalkraft von 50 N, einem Weg von max. 4800 μm, einem Probestück von 1 45 x b 10 x h 0,3 mm, einer Prüfgeschwindigkeit von 20 μm/s und einer Stützweite von 40 mm erhält und e) eine Korrosionsbeständigkeit durch eine Schichtdicke der Oxidschicht ab 5 μm aufweist.
20. Elektrischer Leiter mit anodischer Oxidschicht nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß dieser bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm und einer thermischen Beanspruchung von ca. 2 h mit 250° C eine Durchschlagsspannungssicherheit von mehr als 300 V besitzt.
21. Elektrischer Leiter mit anodischer Oxidschicht nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß dieser bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm einen Isolationswiderstand von > 200 k ω aufweist.
22. Elektrischer Leiter mit anodischer Oxidschicht nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Oxidschicht eine Porosität von 3 bis 8 Poren / nm 2 aufweist. |
Titel
Anodische Oxidschicht für elektrische Leiter, insbesondere Leiter aus Aluminium, Verfahren zur Erzeugung einer anodischen Oxidschicht und elektrischer Leiter mit anodischer Oxidschicht
Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine anodische Oxidschicht für elektrische Leiter, insbesondere Leiter aus Aluminium, z.B. in der Form von Bändern oder Drähten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer anodischen Oxidschicht. Schließlich betrifft die Erfindung einen danach anodisierten elektrischen Leiter. Die Erfindung ist für eine Ausbildung des elektrischen Leiters als elektrische Wicklung oder Spule z. B. in einem Trafo anwendbar.
Stand der Technik
Gemäß der US 4,605,480 ist eine Vorrichtung für das kontinuierliche Anodisieren von Aluminiumbändern bekannt, mit der Bänder einseitig mit Gleichstrom in verschiedenen Elektrolyten, z.B. Schwefel-, Oxal- und Phosphorsäure anodisiert werden. Das zu anodisierende Band wird dabei horizontal durch das Bad geführt. Die Oxidschicht entsteht auf der Bandseite, die sich der Kathode gegenüber befindet. Als Elektrolyt kann zum Beispiel 20%ige Schwefelsäure bei einer Temperatur bis 40°C, einer anodischen Stromdichte bis 10A/dm 2 und einer Spannung von 30 V verwendet werden.
Nach der US 5,693,208 wurde ein Prozess bekannt, in dem das Aluminiumband kontinuierlich durch das Bad geleitet wird, wobei der Anodisierprozess aus zwei Teilstufen besteht, in denen mit unterschiedlichen Spannungen gearbeitet wird. In der ersten Stufe wird eine feinpo-
rige Schicht erzeugt, während das Ergebnis nach der zweiten Stufe eine grobporige Schicht entsprechender Dicke ist.
In einem anderen Prozess entsprechend der EP 318 403 wird das Aluminiumband kontinuierlich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durch das Bad geleitet. Der Elektrolyt basiert auf anorganischen Säuren und enthält funktionale Karboxyl- und/oder Hydroxylgruppen sowie Metallsalze, wie z.B. dreiwertiges Chromsalz. Die auf diese Weise erzeugten Oxidschichten finden ihre Verwendung als Haftgrund für organische Schichten und für die Herstellung von Verpackungen.
Weiterhin offenbart die DE 100 65 649 Al eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrochemischen Metallisieren, ätzen, Oxidieren und Reduzieren von elektrisch leitfähigen und flexiblen Bändern in Durchlaufanlagen. In einem elektrolytischen Bad befinden sich Elektrodenwalzen, die auf der Mantelfläche mit einer ionendurchlässigen und elektrisch isolierenden Schicht versehen sind. Das zu behandelnde Gut wird während des Durchlaufes um die Elektrodenwalzen durch die Anlage geleitet. An das Behandlungsgut und an die Elektrodenwalze (Gegenelektrode) wird die Badspannung zur elektrolytischen Behandlung angelegt.
Darüber hinaus beschreibt die US 6,261,437 ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Ano- disieren von Aluminiumdrähten für Hochspannungseinrichtungen und elektrische Anlagen. Ein Abschnitt bestimmter Länge des Metallstromleiters wird um den Halter umgewickelt, so dass alle Wicklungen voneinander auf einem kammförmigen Gerät separiert werden. Der Wicklungshalter mit dem aufgewickelten Draht wird in den Elektrolyt eingetaucht. Der Draht wird an den Pluspol der Stromquelle angeschlossen und anodisch oxidiert. Die auf diese Weise erzeugte Oxidschicht weist eine ausreichende Haftfestigkeit und gute Isoliereigenschaften auf.
Mit einem Betriebselektrolyten gemäß der DE 101 04 714 C für einen Aluminium-Elektrolyt- Kondensator, der Ethylenglykol, p-Nitrobensoessäure, Ammoniumhypophosphit, Ammoni- umpentaborat, Polyethylenglykol, MMA 1 ORA und Ammonium-Methylbenzoat umfasst, soll durch die Zugabe von Methylbenzoessäure, die durch ihre Methylsubstitution sterisch die
Folgereaktion der Säurengruppe mit Ethylenglikol blockiert, ein Betriebselektrolyt mit verbesserter Langzeitstabilität der elektrischen Leitfähigkeit hergestellt werden.
Die in diesem Elektrolyt verwendeten Säuren fungieren als die Isolationsfähigkeit verbessernde Substanzen. Diese könnten als Zusatz für Nachbehandlungslösungen verwendet werden.
Nach einem anderen in der US 4,715,936 beschriebenen Prozess für das Anodisieren von Aluminium für elektrolytische Aluminiumkondensatoren ist ein für anodische Oxidation des Aluminiums geeigneter Elektrolyt, bestehend aus einer Lösungen von Aminosäuren mit einem pH- Wert von 5,5 bis 8,5 dargestellt. Dieser Elektrolyt wird bei der Anodisierung von Aluminiumfolien verwendet, um eine isolierende Barriereschicht zu erzeugen.
Anschließend an die zuvor skizzierte Nachbehandlung lehrt die DE 196 80 596C ein Verfahren zur Nachbehandlung der durch anodische oder plasmachemische anodische Oxidation auf Werkstücken aus Aluminium, Magnesium, Titanium erzeugten mikroporäsen Oxidschichten. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass Kieselsäure in Form eines Lyosols, in dem die kolloidal verteilten SiO 2 -Teilchen wenigstens in einer Dimension kleiner sind als der Durchmesser der Poren oder Kapillaren der mikroporösen Deckschicht. Dabei werden die Teilchen unter wechselnden Druckbedingungen in die Poren oder Kapillaren eingebracht.
Schließlich hieran anknüpfend ist nach der DE 41 24 730 ein Verfahren zur Einlagerung von Fluorpolymeren in mikroporöse, durch anodische Oxidation hergestellte Oberflächen von Gegenständen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen in der Weise bekannt, dass die Fluorpolymeren als Lösung oder Suspension mit einer Teilchengröße von 1 bis 50 nm auf die durch anodische Oxidation erzeugte mikroporöse Oxidschicht aufgetragen werden und die Fluorpolymeren ganz oder teilweise in Gegenwart der zu beschichtenden Leichtmetallgegenstände polymerisieren und durch Erwärmen verschmolzen oder gesintert werden. Die Oberfläche der Oxidschicht soll mit Fluorpolymeren durch Polymerisation von Fluormonomeren oder Weiterpolymerisation von Fluoroligomeren überzogen und mit diesen Fluorpolymeren in den Mikroporen verbunden sein.
Im Hinblick auf die durch die Erfindung zu lösende Problematik zeigte die Auswertung dieser Patentliteratur sowie weiterer einschlägiger Fachliteratur, dass sich die Fachwelt zum großen Teil schon mit dem Einfluss der Abscheidungsbedingungen (Elektrolyt, Temperatur, Stromdichte, Stromart, Spannung) auf die Schichtdicke, den Schichtaufbau und die Schichteigenschaften (vorzugsweise die Härte) befasst hat.
Während der Einfluss der Schichtdicke auf die Durchschlagsspannung weitgehend bekannt ist, liegen jedoch keine gesicherten Erkenntnisse zur Abhängigkeit dieser Eigenschaftskenngröße von den Abscheidungsbedingungen und vom Schichtaufbau vor.
Desgleichen gibt der Stand der Technik nur wenige Hinweise zum Zusammenhang zwischen Abscheidungsbedingungen, Schichtaufbau und Verformungsverhalten (Duktilität) der Schicht.
Obwohl auf die Möglichkeit einer Erhöhung der Durchschlagsspannung durch eine Nachverdichtung (Warmwasser, Dampf) sporadisch hingewiesen wird, fehlen diesbezügliche gesicherte Ergebnisse.
Ebenso liefert der Stand der Technik keine Hinweise zur Wirkung einer Nachbehandlung mit Kunststoffen (z.B. PTFE) auf die Durchschlagsspannung und die Duktilität der Schicht.
Wege zur gleichzeitigen Abscheidung mehrerer Komponenten (Co-Abscheidung von Teilchen) im Zusammenhang mit dem Anodisieren wurden bisher auch nicht aufgezeigt.
Es wurden zwar Zusätze zum Elektrolyten für sich aufgezeigt, jedoch ist deren Wirkung auf bestimmte Eigenschaften (Durchschlagspannung, Duktilität) nicht grundlegend und im Zusammenhang dargestellt.
Das betrifft auch vereinzelt offenbarte gestufte Behandlungsverfahren, denen keine systematischen Untersuchungen zu Grunde liegen.
Somit erschließt sich noch ein breites Feld von zu lösenden Problemen.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, auf der Grundlage von Untersuchungen eine anodische Oxidschicht für elektrische Leiter, insbesondere Leiter aus Aluminium, ein Verfahren zur Erzeugung einer anodischen Oxidschicht und elektrischer Leiter mit anodischer Oxidschicht sowie dessen Ausbildung zu entwickeln, mit denen sowohl auf die Durchschlagspannung als auch auf die Duktilität positiv eingewirkt werden kann. Dies unter Beachtung folgender Kriterien:
1. Bei der Elektrolytzusammensetzung soll der häufig angewendete Schwefelsäure- Elektrolyt die Referenz darstellen. Hiervon ausgehend sind die Elektrolytart und -Zusammensetzung zu variieren.
2. Es soll der Einfluss der Temperatur anhand ausgewählter Elektrolyten berücksichtigt werden.
3. Es sind vorrangig Wechselstrom und Pulsstrom sowie überlagerungen der einzelnen Stromarten zu berücksichtigen, dabei soll Gleichstrom in Kombination mit unterschiedlichen Wechselströmen, wie in Sinus-, Rechteck-, Trapez- oder Dreieckform anwendbar sein.
4. Als Nachbehandlung soll eine Nachverdichtung erfolgen. Ausgehend hiervon sind die Nachbehandlungen mit für dieses Verfahren neuen, nachträglich eingebrachten Stoffen zu verbessern.
5. Zur Lösung der Aufgabenstellung sind im Ergebnis die
- Durchschlagspannung und
- Duktilität z. B. an Hand modifizierter Dornbiegeversuche
Des anodisierten elektrischen Leiters in Kenngrößen messbar anzugeben.
Erfindungsgemäß kennzeichnet sich gemäß Anspruch 1 die anodische Oxidschicht für elektrische Leiter, insbesondere Leiter aus Aluminium in der Form von Bändern oder Drähten, wobei zur Erzeugung der Oxidschicht
a) ein Elektrolyt verwendet wird, der sich in seiner Art und Zusammensetzung an der Referenz eines Schwefelsäure-Elektrolyten orientiert und ggf. in seiner Zusammensetzung variierbar ist, b) mindestens eine ausgewählte Stromart und -form und ggf. deren überlagerungen zur Anwendung gelangen und c) bei einer verdichtenden Nachbehandlung der Oberfläche der Oxidschicht ein Stoff eingebracht wird, der sich an der Referenz einer Nachverdichtung einer Aggregatform von Wasser orientiert,
dadurch, dass die erzeugte Oxidschicht
d) eine Martenshärte [HM] von > 2300 aufweist, e) eine Erhöhung der Verschleissfestigkeit im Vergleich zu üblichen Kenngrössen, wie eine Verschleisstiefe von ca. 100 μm auf < 70 μm gemäss Schwingverschleisstest sowie eine Ritzenergiedichte [J/mm 2 ] von 0,03 auf > 0,05 bei Normalkräften von 2 N und von 0,45 auf > 0,5 bei Normalkräften von 50 N gemäss Ritzprüfversuch besitzt, f) eine Verbesserung der Duktilität (Rissempfindlichkeit, Rissbildungsneigung) im Vergleich von 0,24 auf 0,30 [Dehnung beim 1. Riss, wobei als Maß für die Duktilität die Bruchelongation in % gilt] gemäß Bedingungen der Mikrobiegeprüfung mit einer Maximalkraft von 50 N, einem Weg von max.
4800 μm, einem Probestück von 1 45 x b 10 x h 0,3 mm, einer
Prüfgeschwindigkeit von 20 μm/s und einer Stützweite von 40 mm erhält, g) eine Korrosionsbeständigkeit durch eine Schichtdicke der Oxidschicht ab 5 μm aufweist und h) bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm und einer thermischen Beanspruchung von ca. 2 h mit 250° C eine Durchschlagsspannungssicherheit von mehr als
300 V aussetzbar ist.
Weitere Merkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 3 beschrieben, wonach die erhöhte Verschleißfestigkeit der Oxidschicht gemäss Ritzprüfversuch eine Ritzenergiedichte [J/mm 2 ] von < 0,6 bei 50 N besitzt und/oder die verbesserte Duktilität ab einer Größe von > 0,31 liegt.
Das Verfahren zur Erzeugung dieser anodischen Oxidschicht für elektrische Leiter weist auf
a) ein Bad mit einem Elektrolyten, der sich in seiner Art und Zusammensetzung an der Referenz eines Schwefelsäure-Elektrolyten orientiert und ggf. in seiner Zusammensetzung variierbar ist, b) die Einspeisung mindestens einer ausgewählten Stromart und -form und ggf. deren überlagerungen, c) Einbringung einer Farbe und Färben mit anschließendem Spülen der Oxidschicht d) eine verdichtende Nachbehandlung der Oberfläche der Oxidschicht mit einem einzubringenden Stoff wie heißem Wasser und e) die Einhaltung einer vorgegebenen Behandlungstemperatur.
Erfindungsgemäß sind demnach
f) die Verwendung eines Elektrolyten, aufweisend die Bestandteile 15 ... 30 Vol. % Schwefelsäure mit einem Zusatz von 5 ... 30 g Oxalsäure /1 Schwefelsäure,
g) die Einleitung eines Wechselstroms in Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, oder Trapezform oder einer Kombination aus diesen und mit einer Frequenz bis zu 700 Hz, h) die Verwendung einer Farbe als Stoff vor der verdichtenden Nachbehandlung und i) die Einhaltung einer Temperatur von 25 ... 50° C j) vorgesehen.
Dabei soll der Elektrolyt vorteilhaft einen Anteil von 20 Vol. % Schwefelsäure, von 15 g Oxalsäure /1 Schwefelsäure und eine Anreicherung mit AI-Partikeln in einer Konzentration im Bereich von ca. 3,5 g Al ... ca. 13 g Al/1 Elektrolyt, wobei die Konzentration in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit des Leiters im Bad variierbar ist, aufweisen.
Der eingeleitete Wechselstrom kann in wechselnden Pulsformen und/oder Pulsfolgen verwendet werden, wodurch sich die Durchschlagsspannungsfestigkeit und Duktilität der Schicht verbessert.
Der eingeleitete Wechselstrom weist dabei eine Spannung von kleiner 50 V auf.
Die Anodisierungszeit beträgt < 120 s und ist in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit des Leiters im Bad und/oder der Stromstärke und/oder dem Behandlungsintervall variierbar.
Die Nachbehandlung mit der jeweiligen Eloxalfarbe beinhaltet die Schritte
Farbehandlung wie durch Tauchen,
Behandlung mit heißem Wasser oder Wasserdampf, wodurch sich die Poren auf der gefärbten Oberfläche der Oxidschicht verschließen.
Vorrangig erfolgt die Verwendung der Farbe Rot, wobei auch die Verwendung der Farbe Grün möglich ist.
Die zur Nachverdichtung verwendeten Farben sind aktuelle, wie so genannte GTL- Oxalanfarben oder Clariantfarben.
Der elektrische Leiter mit anodischer Oxidschicht weist bei seiner Verwendung wie zu Spulen, Wicklungen oder dgl. erfindungsgemäß
a) eine Oxidschicht entsprechend einer Durchschlagsspannungssicherheit von 10 bis 60 V/Schichtdicke μm, b) eine Martenshärte [HM] von > 2300, c) eine Erhöhung der Verschleissfestigkeit im Vergleich zu üblichen Kenngrössen wie o eine Verschleißtiefe von ca. 100 μm auf < 70 μm gemäss
Schwingverschleisstest sowie o eine Ritzenergiedichte [J/mm 2 ] von 0,03 auf > 0,05 bei Normalkräften von 2
N und von 0,45 auf > 0,5 bei Normalkräften von 50 N gemäss Ritzprüfversuch, d) eine Verbesserung der Duktilität (Rissempfindlichkeit, Rissbildungsneigung) im Vergleich von 0,24 auf 0,30 [Dehnung beim 1. Riss in % wie oben] gemäß Bedingungen der Mikrobiegeprüfting mit einer Maximalkraft von 50 N, einem Weg von max. 4800 μm, einem Probestück von 1 45 x b 10 x h 0,3 mm, einer Prüfgeschwindigkeit von 20 μm/s und einer Stützweite von 40 mm und e) eine Korrosionsbeständigkeit durch eine Schichtdicke der Oxidschicht ab 5 μm
auf.
Dieser elektrische Leiter besitzt bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm und einer thermischen Beanspruchung von ca. 2 h mit 250° C eine Durchschlagsspannungssicherheit von mehr als 300 V.
Bei einer Oxidschichtdicke von z. B. ca. 6 μm wird ein Isolationswiderstand von z. B. > 200 k ω erreicht.
Die Oxidschicht weist dabei eine Porosität von 3 bis 8 Poren / nm auf.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Die erzeugte anodische Oxidschicht für elektrische Leiter, insbesondere Leiter aus Aluminium in der Form von Bändern oder Drähten, wobei zur Erzeugung der Oxidschicht
a) ein Elektrolyt verwendet wird, der sich in seiner Art und Zusammensetzung an der Referenz eines Schwefelsäure-Elektrolyten orientiert und ggf. in seiner Zusammensetzung variierbar ist, b) mindestens eine ausgewählte Stromart und -form und ggf. deren überlagerungen zur Anwendung gelangen und c) bei einer verdichtenden Nachbehandlung der Oberfläche der Oxidschicht ein Stoff eingebracht wird, der sich an der Referenz einer Nachverdichtung einer Aggregatform von Wasser orientiert,
besitzt im Ergebnis der verfahrensgemäßen Behandlung nach der Erfindung
d) eine Martenshärte [HM] von > 2300, e) eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit im Vergleich zu üblichen Kenngrößen wie
• eine Verschleißtiefe von ca. 100 μm auf < 70 μm gemäß Schwingverschleißtest sowie
• eine Ritzenergiedichte [J/mm ] von 0,03 auf > 0,05 bei Normalkräften von 2 N und von 0,45 auf > 0,5 bei Normalkräften von 50 N gemäß Ritzprüfversuch, f) eine Verbesserung der Duktilität (Rissempfindlichkeit, Rissbildungsneigung) im Vergleich von 0,24 auf 0,30 [Dehnung beim 1. Riss in %] gemäß Bedingungen der Mikrobiegeprüfung mit einer Maximalkraft von 50 N, einem Weg von max. 4800 μm, einem
Probestück von 1 45 x b 10 x h 0,3 mm, einer Prüfgeschwindigkeit von
20 μm/s und einer Stützweite von 40 mm, g) eine Korrosionsbeständigkeit durch eine Schichtdicke der Oxidschicht ab 5 μm und ist h) bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm und einer thermischen
Beanspruchung von ca. 2 h mit 250° C einer
Durchschlagsspannungssicherheit von mehr als 300 V aussetzbar.
Die erhöhte Verschleißfestigkeit der Oxidschicht gemäß Ritzprüfversuch kann dabei eine Ritzenergiedichte [J/mm 2 ] von < 0,6 bei 50 N aufweisen, und die verbesserte Duktilität ab einer Größe von > 0,31 liegen.
Das Verfahren zur Erzeugung dieser andischen Oxidschicht für elektrische Leiter weist auf
a) ein Bad mit einem Elektrolyten, der sich in seiner Art und Zusammensetzung an der Referenz eines Schwefelsäure-Elektrolyten orientiert und ggf. in seiner Zusammensetzung variierbar ist, b) die Einspeisung mindestens einer ausgewählten Stromart und -form und ggf. deren überlagerungen, c) die Einbringung einer Farbe und Färben mit anschließendem Spülen der Oxidschicht d) eine verdichtende Nachbehandlung der Oberfläche der Oxidschicht mit einem einzubringenden Stoff wie heißem Wasser und e) die Einhaltung einer vorgegebenen Behandlungstemperatur.
Erfindungsgemäß erfolgt die Behandlung durch
f) die Verwendung eines Elektrolyten, aufweisend die Bestandteile 15 ... 30 Vol. % Schwefelsäure mit einem Zusatz von 5 ... 30 g Oxalsäure /1 Schwefelsäure,
g) die Einleitung eines Wechselstroms in Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, oder Trapezform oder einer Kombination aus diesen und mit einer Frequenz bis zu 700 Hz, h) die Verwendung einer Farbe als Stoff vor der verdichtenden Nachbehandlung und i) die Einhaltung einer Temperatur von 25 ... 50° C.
Dabei soll der Elektrolyt vorteilhaft einen Anteil von 20 Vol. % Schwefelsäure aufweisen.
Vorzugsweise kann der Elektrolyt einen Anteil von 15 g Oxalsäure /1 Schwefelsäure besitzen.
Vorteilhaft ist es, den Elektrolyten mit AI-Partikeln in einer Konzentration im Bereich von ca. 3,5 g Al ... ca. 13 g Al/1 Elektrolyt anzureichen, wobei die Konzentration in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit des Leiters im Bad variierbar ist.
Der eingeleitete Wechselstrom kann in der Kombinationsform Trapez - Sinus verwendet werden. Auch ist dieser in der Kombinationsform Sinus, Rechteck, Trapez wählbar. Denkbar sind darüber hinaus für spezielle Behandlungen wechselnde Pulsformen und/oder Pulsfolgen des Stromes, um die Durchschlagsspannungsfestigkeit und Duktilität der Schicht zu verbessern.
Vorteilhafterweise weist der eingeleitete Wechselstrom eine Spannung von < 50 V auf.
Die Anodisierungszeit beträgt < 120 s, sie in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit des Leiters im Bad und/oder der Stromstärke und/oder dem Behandlungsintervall bis zu dieser Grenze variierbar.
Das Verfahren umfaßt grundsätzlich die Schritte
- Erzeugung der erforderlichen Schichtdicke in etwa proportional zur erforderlichen Durchschlagsspannungsfestigkeit des anodisierten Leiters,
- Einbringung der jeweiligen Eloxalfarbe in das Bad und Farbehandlung wie durch Tauchen,
- Spülen,
- verdichtende Behandlung mit heißem Wasser oder Wasserdampf zum Verschließen der Poren auf der gefärbten Oberfläche der Oxidschicht.
Als Eloxalfarbe wird die Farbe Rot oder Grün verwendet.
Die verwendeten Farben können aktuelle, wie so genannte GTL-Oxalanfarben oder
Clariantfarben sein.
Das Verfahren wird durch eine Software betrieben, um die Steuerung/Regelung der
Stromquellen zur Generierung von Spannungen mit beliebiger Frequenz und Form zu gewährleisten.
Die Verwendung eines Bades für eine Tauchfärbung ist dem Verfahren zweckdienlich.
Ein nach diesem Verfahren behandelter elektrischer Leiter besitzt eine Oxidschicht entsprechend einer Durchschlagsspannungssicherheit von 30 bis 60 V/Schichtdicke, eine Martenshärte [HM] von > 2300, eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit im Vergleich zu üblichen Kenngrößen, wie
• eine Verschleißtiefe von ca. 100 μm auf < 70 μm gemäß Schwingverschleißtest sowie
• eine Ritzenergiedichte [J/mm 2 ] von 0,03 auf > 0,05 bei Normalkräften von 2 N und von 0,45 auf > 0,5 bei Normalkräften von 50 N gemäß Ritzprüfversuch, eine Verbesserung der Duktilität (Rissempfindlichkeit, Rissbildungsneigung) im Vergleich von 0,24 auf 0,30 [Dehnung beim 1. Riss in %] gemäß Bedingungen der Mikrobiegeprüfung mit einer Maximalkraft von 50 N, einem Weg von max. 4800 μm, einem Probestück von 1 45 x b 10 x h 0,3 mm, einer Prüfgeschwindigkeit von 20 μm/s und einer Stützweite von 40 mm erhält und eine Korrosionsbeständigkeit durch eine Schichtdicke der Oxidschicht ab 5 μm .
Dieser Leiter ist zu Spulen, Wicklungen oder dgl., die diese Eigenschaften erfordern, verarbeitbar.
Derartige elektrische Leiter können mit einer anodischen Oxidschicht hergestellt werden, die bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm und einer thermischen Beanspruchung von ca. 2 h mit 250° C eine Durchschlagsspannungssicherheit von mehr als 300 V aufweisen.
Bei einer Oxidschichtdicke von ca. 6 μm kann ein Isolationswiderstand von >200k ω erreicht werden, wobei die Oxidschicht eine Porosität von 3 bis 8 Poren / nm 2 aufweist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Eine derartiger elektrische Leiter mit anodischer Oxidschicht wird z. B. zur Verwendung in Transformatoren auf einen entfernbaren Träger zu einer Spule oder Wicklung als metallischer Wicklungsleiter mit Metalloxidschicht zu einer Anordnung von elektrisch in Reihe geschalteten Verbindungen mehrerer Spulen und Segmente einer Gesamtwicklung mit Anzapfungen ausgebildet, wobei die in der Gesamtwicklung am Eingang und am Ausgang liegenden Spulen mit zusätzlichen Lagen von isolierendem Material ergänzt sein können.
Hierbei sind punktuelle Zusatzisolationen an den Anzapfungen am Anfang/Ende der Spule oder der Gesamtwicklung und zwischen den Spulen als axiale Durchschlagsicherung von Spule zu Spule und in der Gesamtwicklung eine zusätzliche Isolation vorgesehen.
Die zusätzlichen Lagen können aus einer den Wärmeklassen entsprechenden Folie bestehen.
Die punktuellen Zusatzisolationen können ebenfalls aus einer den Wärmeklassen entsprechenden Folie bestehen, wobei an den Anzapfungen Anschlüsse aus einem nicht anodiserten AI-Leiter vorgesehen sein können.
Bei derartigen Anwendungen ist die Herstellung einer Oxidschicht für den Leiter mit hoher Durchschlagsspannungssicherheit eine wesentliche Voraussetzung.