Beschichten und Färben von Aluminium durch Eloxieren (Anodisieren)

[aliquis]

Hat niemand eine Idee, wo das Problem liegen könnte?

[mgritsch]

Derzeit nur eingeschränktes Service, sorry
Vorausgesetzt korrekt gemessen dann: Spannung nahe 0 klingt eindeutig nach Kurzschluss oder anderweitig zusammengebroche Spannungsversorgung. Anders ist das nicht erklärbar, Elektrolyte haben viel zu viel Widerstand (siehe in meinem Beispiel - 10-15V für 0,5A das sind 20-30 Ohm auf den großen Querschnitt, das ist schon etwas.)
Ob dein Aufbau etwas hat oder das Gerät defekt kann man per Ferndiagnose aus den Worten nicht wirklich beurteilen… auch sonst, wenn tauschen des Kabels plötzlich etwas tut - noch ein Hinweis auf ein wie auch immer geartetes elektrisches Problem. Vielleicht ist auch dein Werkstück zu groß und die Fauer zu lange für das Netzteil das dann den Strom nicht mehr halten kann und aufgibt? Eingestellter Wert muss auch nicht gleich tatsächlicher Wert sein, eine unabhängige Messung mit dem Multimeter schadet nicht. Dass sich das Gerät von Überlastung erholen kann und sich in anderem Setting brav benimmt ist da kein Widerspruch.

[aliquis]

Danke für die Rückmeldung. Das gibt mir nochmal ein paar Gedankenanstösse.

Seltsam war, dass es im ersten Durchgang funktionierte und danach nicht mehr.

Mein Multimeter funktioniert nicht, wenn ein noch anderer Verbraucher (hier das Eloxierbad) mit im Stromkreis ist. Ich kann damit nur die Leistung einer Stromquelle überprüfen, also z. B. die des Netzteils (was schon mal eine sinnvolle Maßnahme wäre) oder z. B. die von chemischen Zellen produzierte Spannung.

An der Größe des Werkstücks oder an der Dauer der Netzteilnutzung liegt es vermutlich eher nicht: ich nutze eigentlich jedes Mal die gleiche Sorte und Größe beim Alu-Blech und das Netzteil hat sonst schon ganze Tage lang beim Eloxieren klaglos mitgemacht.

Vll. muss ich noch eingehender auf mögliche, aber bislang unentdeckte Kurzschlusspunkte achten.

Ich spiele auch mit dem Gedanken, Kathodenblech und Art des Kontaktstücks auszutauschen.

Neuralgischer Punkt ist immer der Übergang von der Klemme zum Werkstück, wenn dieses ganz untertauchen/vollflächig eloxiert werden soll.
Mit der bisherigen Lösung eines Verbindungsblechs aus Alu bin ich irgendwie nicht zufrieden. Krokodilklemmen korrodieren bereits im Aerosol und Titandraht löst sich anodisch auf, gelöste Fremd-Metall-Ionen stören die Eloxierung. Eigentlich bräuchte man eine mit Platin überzogene Halterung, in der man das zu eloxierende Blech an den Kanten einspannt und somit für ausreichend elektrischen Kontakt sorgt, ohne die Flächen selbst zu verdecken. Aber solch ein Spezialanfertigungs-Luxus kommt für mich und meine Zwecke leider nicht in Frage.

Ich glaube, ich schaue mir mal das Tutorial auf der Homepage von tifoo genau an (kaufen würde ich dort nicht, die erscheinen mir hoffnungslos überteuert...). Prinzipiell müssten die ja mit den gleichen Problemen zu kämpfen - und dafür hoffentlich auch eine praktikable Lösung gefunden haben.
Edit: Hier das Tutorial: www.youtube.com/watch?v=4lEu-iDfewg&t=2s
Mir gefällt die Idee, mit rechteckigen Behältern und etwas größeren Ansätzen zu arbeiten. Das reduziert auch die Gefahr von Kurzschluss-Kontakten, weil einfach mehr Platz ist als in einem kleinen runden Becherglas.
Ich verwende übrigens das gleiche Netzteil wie im Video. Dort war die Rede davon, dass es Kurzschluss-geschützt ist.
Auch Graphit statt Kupfer als Kathode zu verwenden, wäre mal eine Idee zur Abwandlung.
Das Problem des Tauchkontakts ist aber auch dort nicht besser gelöst: bei mir war der spillige Titandraht im Nu durchkorrodiert. Auch ist die Kontaktfläche zum Werkstück damit nicht besonders groß. Im Video gab es deswegen ja auch den Hinweis: bloß nicht dran ruckeln...
Einen möglichen Fehler habe ich bei mir aber entdeckt: ich habe bislang vll. einerseits zu kurz, dafür andererseits mit zu hoher Stromstärke eloxiert. Die Frage ist ja aber: warum sollte das nun plötzlich nicht mehr funktionieren, nachdem es so viele Male zuvor gut funktioniert hat?...

2. Edit: Das Multimeter bestätigt weitestgehend die angezeigten Werte des Netzgeräts. Einzig die Stromstärke ist wohl ca. 10 % höher als am Netzteil angezeigt. Welches der beiden Geräte hier ungenau ist, entzieht sich meiner Kenntnis.
Ich tendiere dazu, mir 'nen Kunststoffbehälter (gibt's günstig im Baumarkt), eine Kupferstange, zwei Graphit-Plattenelektroden (ibäh oder Amazone) als Kathode und ein paar Meter eines dickeren Titandrahts (sauteuer, egal von wo...) zuzulegen.
Ich habe an sich Spass am Eloxieren gefunden. Die Anschaffung könnte sich also lohnen. Wäre jedenfalls schade, wenn's nicht mehr funktionierte...

Was meint denn unser Elektro-Spezialist (immi07) zu der Problematik?

[mgritsch]

Seltsam war, dass es im ersten Durchgang funktionierte und danach nicht mehr.

noch ein Indiz im Sinne der elektronischen Überlastung...

Mein Multimeter funktioniert nicht, wenn ein noch anderer Verbraucher (hier das Eloxierbad) mit im Stromkreis ist.

das kann ich mir nicht vorstellen. Ein Multimeter mit seinem hohen Eingangswiderstand zeigt immer richtig an wie viel Spannung anliegt. (Zumindest sofern der "Verbraucher" über den man den Spannungsabfall messen möchte nicht einen ähnlich hohen Widerstand hat, was bei einer Elektrolysezelle nicht der Fall ist). Wenn du meinst es zeigt etwas falsches an weil die Spannung niedriger ist als erwartet - ja, Spannungsquellen können einbrechen Das Multimeter hat im Zweifelsfall recht. Der Innenwiderstand einer Batterie und die Elektrochemie dahinter zB limitieren wie viel Strom sie abgeben kann, wenn man sich dem Wert nähert dann bricht die Spannung ein. Auch die Stabilisierungs-Elektronik von Netzteilen hat ihre Grenzen.

Ich kann damit nur die Leistung einer Stromquelle überprüfen, also z. B. die des Netzteils (was schon mal eine sinnvolle Maßnahme wäre) oder z. B. die von chemischen Zellen produzierte Spannung.

Die Leistung wäre P = U x I, dazu bräuchtest du 2 Multimeter oder ein Messgerät das tatsächlich beides erfasst (gibt''s zb für die Steckdose).
Die von einer chemischen Zelle produzierte Spannung misst du mit dem Multimeter "im Leerlauf", also ohne Verbraucher, im Gleichgewicht. (der Verbrauch des Geräts ist bei ~10 MOhm relativ vernachlässigbar). Sobald du einen Verbraucher anhängst (schonend: zB eine LED; saftig: ein Glühbirnchen) wir die Spannung mehr oder weniger einbrechen.

Neuralgischer Punkt ist immer der Übergang von der Klemme zum Werkstück,

Aufhängen an Alu-Draht oder Haken? alles andere bringt eine unnötige neue elektrochemische Zelle ein und macht ggfs sogar dein Werkstück unversehens zur "Opferanode".

[aliquis]

Denkst Du, mein Netzgerät ist hinüber? Oder war es nur ein vorübergehender Aussetzer?

Multimeter-Messung: ich hatte es falsch herum beschrieben: Die Stromversorgung des Verbrauchers setzt bei Anschluss des Multimeters aus - aber nur bei Spannungsmessung, bei Stromstärkemessung ist alles schick (logisch: wo Stromstärke vorhanden, da fliesst auch was).

Ja, mit dem Titan ist mir auch nicht wohl - nicht nur wegen des Preises.
Ich werde mir also wohl einen etwas dickeren Alu-Draht zulegen. Das doofe bei Alu als Verbindungskontakt ist halt, dass es selbst eloxiert wird und sich der leitende Kontakt damit selbst verringert - von der Notwendigkeit das Stück nach jedem Durchgang (wenn, dann eloxiere ich ja gleich mehr) ebenfalls zu de-eloxieren und öfter auszutauschen, ganz zu schweigen.
Aber was hilf's? Eine platinbeschichtete Klemmschiene wird's bei mir nicht geben. Mich würde mal interessieren, wie die Apparaturen im industriellen Maßstab wohl aussehen.
Die Idee mit der Kunststoffbox und den Graphitplatten werde ich aber mal ausprobieren - meine Kupferkathode sieht eh nicht mehr toll aus.
Auch wie gut es mit gesättigter Oxalsäure-Lösung statt mit 14,9 %iger Schwefelsäure klappt, wird noch getestet - sobald ich meine Apparatur wieder zum Laufen gebracht habe.

[mgritsch]

Multimeter-Messung: ich hatte es falsch herum beschrieben: Die Stromversorgung des Verbrauchers setzt bei Anschluss des Multimeters aus - aber nur bei Spannungsmessung, bei Stromstärkemessung ist alles schick (logisch: wo Stromstärke vorhanden, da fliesst auch was).

Spannungsmessung: du machst das falsch.
Spannung misst man immer parallel zum Verbraucher! In Serie macht das keinen Sinn. Na besser so als umgekehrt, hättest du versucht Strom parallel zu messen hättest du einen Kurzschluss gerissen.

Ja, mit dem Titan […] Eine platinbeschichtete Klemmschiene …

Welchen Teil von „Opferanode“ hast du nicht verstanden?
Fyi - bereits eine kleine Menge Cu katalysiert die rasche Auflösung von Al in der Säure. Warum wohl? Kann es sein dass du versehentlich etwas Cu aus Zuleitung oder Kroko aufgelöst hast, wodurch sich auch sofort die rasche freiwillige Auflösung des Werkstücks in der Säure erklärt? Könnte Pt oder Ti das gleiche auslösen? Man kann nicht einfach alles wie ein Patentrezept übertragen und meinen „edel hilft immer“.

Das doofe bei Alu als Verbindungskontakt ist halt, dass es selbst eloxiert wird und sich der leitende Kontakt damit selbst verringert

Warum sollte das passieren? Wo Strom direkt zwischen 2 Leitern fließen kann wird er nicht den mühsamen Umweg durch den Elektrolyt nehmen. Kein Strom durch Elektrolyt - ergo keine….?

[aliquis]

Besser so?

Parallel- statt Reihenschaltung macht irgendwie auch Sinn.
Aber einem dummen Menschen wie mir muss das trotzdem gesagt werden: Null Ahnung von Elektronik, für jede Kleininstallation muss ein Elektriker ins Haus kommen (in meinem Fall definitiv besser so!), Chemie-Leistungskurs an der Oberstufe, aber Physik schon nach der 10. Klasse abgewählt... Muss ich von meinem Elend noch mehr erzählen?

Beim Hinweis auf die Auswirkung von edleren Metallen ist mir nicht nur buchstäblich ein Licht aufgegangen, sondern gleich ein ganzer Christbaum:
Kupfer ist vermutlich genug in Lösung gegangen, um den Prozess zu stören, denn die Cu⁺-Patina disproportioniert wunderbar in Schwefelsäure. Also ist Kupferblech insgesamt eher eine ungeeignete Kathode für die wiederholte Verwendung?
Jedenfalls sind Graphitplatten und dicker Aludraht jetzt bestellt, eine alte 1-Liter-Tupperdose zur Zweckentfremdung ausgemustert. Der Aludraht bildet doch in direktem Leitungskontakt mit dem Werkstück eine elektrochemische Einheit, sprich beides ist Anode und wird daher beides im eingetauchten Bereich anodisiert/eloxiert, oder? Woher sollen die Elektronen aus dem Aluminium wissen, ob sie noch zum Draht oder schon zum Werkstück gehört haben?
Ich überlege gerade, ob ich sicherheitshalber auch die ebenfalls bereits als Queraufleger bestellte Kupferstange durch eine Alustange oder eine lange Graphitelektrode ersetzen sollte. Die Krokodilklemmen sind aus Edelstahl, Kupfer ist da nicht drin. Trotzdem kann es nicht schaden, wenn sich die dann nicht mehr direkt über dem Werkstück im Bereich der aufsteigenden Aeorosole befinden...

Ich frage nur noch mal zur Sicherheit: mein Netzgerät ist also vermutlich nicht defekt, sondern hatte nur einen Aussetzer angesichts der gegenläufigen Prozesse in der Zelle?

[mgritsch]

Besser so?

wie du selbst siehst - ja

Nur ein Detail: wenn ich das am Bild richtig sehe hast du das Voltmeter direkt beim Netzteil mit angesteckt. Für so einen trivialen Stromkreis ist das egal, aber du willst im Zweifelsfall immer DIREKT am Verbraucher messen wie viel Spannung darüber abfällt. Würdest du 2 gleiche Glühbirnen in Serie schalten, dann würdest du am Netzteil immer noch 3,8 V messen. An jeder einzelnen Glühbirne wären es aber nur noch 1,9 V da sich die Spannung im Verhältnis der Widerstände aufteilt. Auch Zuleitungen haben Widerstand, je nach Widerstand des Verbrauchers kann sogar das einen Unterschied machen.

Physik schon nach der 10. Klasse abgewählt...

Physik und Mathe sind die wichtigsten Hilfswissenschaften für den Chemiker. Ohne die ist es in etwa so als würde man Koch sein und nichts riechen und schmecken...

Kupfer ist vermutlich genug in Lösung gegangen, um den Prozess zu stören, denn die Cu⁺-Patina disproportioniert wunderbar in Schwefelsäure. Also ist Kupferblech insgesamt eher eine ungeeignete Kathode für die wiederholte Verwendung?

ich hatte kein Problem damit, Grundsätzlich würde sich eine kleine Menge Cu auch rasch wieder an der Kathode abscheiden und fertig. Ein Problem gibt es erst wenn es eine Chance hat, sich auf dem Al niederzuschlagen, dann hast du verloren und wirst es evtl nicht mehr los. Vielleicht war es auch nicht Cu in Lösung sondern der unmittelbare Kontakt/Lokalelement Werkstück/Elektrolyt/Klemme.

Jedenfalls sind Graphitplatten und dicker Aludraht jetzt bestellt, eine alte 1-Liter-Tupperdose zur Zweckentfremdung ausgemustert.

wenn es so "in die Serie" gehen soll dann überlege doch mal ob du es mit Wechselstrom versuchen möchtest, dann sind sowohl Anode als auch Kathode Werkstücke. Hinweis darauf gibt es im Artikel. Ein kleiner Stelltrafo und fertig...

Der Aludraht bildet doch in direktem Leitungskontakt mit dem Werkstück eine elektrochemische Einheit, sprich beides ist Anode und wird daher beides im eingetauchten Bereich anodisiert/eloxiert, oder? Woher sollen die Elektronen aus dem Aluminium wissen, ob sie noch zum Draht oder schon zum Werkstück gehört haben?

natürlich wird der Draht auch eloxiert und muss vor erneuter Verwendung wieder blank geätzt werden. Aber die Kontaktstelle als solche wird blank bleiben da dort kein Stromfluss zum Elektrolyt erfolgt sondern nur Metall-Metall. Zu viel rumwackeln sollte man halt nicht.

Ich frage nur noch mal zur Sicherheit: mein Netzgerät ist also vermutlich nicht defekt, sondern hatte nur einen Aussetzer angesichts der gegenläufigen Prozesse in der Zelle?

Nach letzten Informationen sieht es nicht so aus. Das Problem ist doch eher das Setup/der User und nicht die Hardware...

[aliquis]

Physik und Mathe sind die wichtigsten Hilfswissenschaften für den Chemiker. Ohne die ist es in etwa so als würde man Koch sein und nichts riechen und schmecken...

Ja, das weiß ich nur zu gut. Ist ja auch nicht so, dass ich in den beiden Fächern nur eine taube Nuss gewesen wäre.
Aber Ende Klasse 10 stand ich auf Note 1 in Chemie und Bio, Physik war weniger gut... Da war die Entscheidung, von welcher der drei Naturwissenschaften ich mich - mit Blick auf eine möglichst gute Abiturnote - verabschiede, halt leicht zu treffen.
In Mathe hatte ich Klasse 8/9 mit Beginn der Algebra mal einen echten Knick, als der Groschen aber endlich gefallen war (pfennigweise und mit Fallschirm...), ging's eigentlich wieder einigermaßen. Ende Jahrgang 13 habe ich es bei Statistik und Stochastik sogar wieder auf eine glatte 2 geschafft (ich habe nie verstanden, wie man damit Probleme haben kann - das ist so einfach wie das große Einmaleins). Ich war nicht richtig schlecht, aber auch nie ein richtiger Überflieger. Um Mathe im Chemie-Studium bestehen zu können, bräuchte es aber sehr gute Kenntnisse auf Leistungskursniveau, hieß es damals - das war mir dann doch Abschreckung genug. Und selbst wenn ich es geschafft hätte: von den Naturwissenschaftsabsolventen meines Jahrgangs hatten Anfang der 2000er Jahre die meisten wahlweise für die Arbeitslosigkeit oder die Emigration studiert (wobei ich mir letzteres heute wieder mehr denn je vorstellen könnte...). Alternativ eine Ausbildung zum Chemielaboranten war mir damals nicht attraktiv genug. Manchmal ärgere ich mich heute, dass ich es nicht gemacht habe. Möglicherweise es hätte dann noch die Möglichkeit gegeben, mit einem Dualstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen Fachrichtung Chemie und Verfahrenstechnik aufzusatteln. Solche Leute wurden eigentlich immer gesucht.
Heute arbeite ich in einem passabel bezahlten kaufmännischen Lehr-Beruf, für den ich ein Studium noch nicht einmal gebraucht hätte und in dem ich daher eigentlich das bin, was man als überqualifiziert bezeichnet. Ohne Mathe geht's aber auch hier nicht. Die Zahlen müssen halt stimmen...
Das Problem ist das Wissen, das man nicht mehr benötigt: es geht verloren - use it or lose it. Ich merke es gerade bei meinen Sohn: beim Oberstufen-Lernstoff Mathe bin ich ihm leider keine grosse Hilfe mehr. Und auch mein Uni-Wissen liegt fast in seiner ganzen Breite nun schon seit einem knappen Vierteljahrhundert brach...
Mit Elektrotechnik hatte ich es aber tatsächlich nie besonders - obwohl sie zu Vorschulzeiten noch mein Traumberuf war. So ändern sich die Prioritäten...

Grundsätzlich würde sich eine kleine Menge Cu auch rasch wieder an der Kathode abscheiden und fertig.

Wie passt das mit dieser Aussage zusammen:

bereits eine kleine Menge Cu katalysiert die rasche Auflösung von Al in der Säure.

An sich hattest Du mich damit bereits überzeugt. Ich tippe daher immer noch sehr auf die patinierte Kupferkathode als ein Verursacher der Probleme.

wenn es so "in die Serie" gehen soll dann überlege doch mal ob du es mit Wechselstrom versuchen möchtest, dann sind sowohl Anode als auch Kathode Werkstücke. Hinweis darauf gibt es im Artikel. Ein kleiner Stelltrafo und fertig...

Ja, auch eine Idee für eine Variante, die man noch testen könnte.
Zunächst möchte ich aber ausprobieren, ob das optimierte Setting im Gleichstrombetrieb bereits Abhilfe bringt.

Zu viel rumwackeln sollte man halt nicht.

Wie gesagt: der Kontaktdraht ist der neuralgische Punkt. Vll. klappt es ja mit einer kräftigeren Ausführung besser. Etwas Bewegung wird sich allerdings kaum vermeiden lassen: mangels Abzug muss ich im Freien arbeiten und mehr oder weniger Wind hat's hier eigentlich fast immer... Da meine Frau letztes Jahr auf eine Terrassenüberdachung gedrängt hat, habe ich jetzt zumindest eine etwas geschützte Ecke...
Zuletzt habe ich es auch mal mit dem oben ebenfalls empfohlenen zusammengekniffenen und fest eingesteckten Blechstreifen als Alternative beim Tauchkontakt versucht, gefühlt fingen die Probleme (oft nicht ausreichende Eloxierung) damit jedoch erst richtig an...

Das Problem ist doch eher das Setup/der User und nicht die Hardware...

Mal schauen, was die geplante Optimierung bringt. Wenn Kupfer ein Problem war, sollte das Graphit hier bereits für eine Verbesserung sorgen. Jetzt heißt's erstmal drei Wochen warten, bis die Lieferung aus China da ist...
Der größere Behälter sollte wiederum das Risiko von ungewollten Kontakten/Kurzschlüssen mindern - auch wenn es mich gleich einen ganzen Liter Flüssig-pH-Minus auf einmal kostet.
Am User lässt sich hingegen nur noch wenig optimieren - da ist bereits Hopfen und Malz verloren...

[aliquis]

Ich habe heute die neue Eloxierapparatur in Betrieb genommen:

Und was soll ich sagen: Welten, was den Unterschied in Bearbeitungskomfort und Ergebnisqualität betrifft!
Jedes Stück ein Erfolg, keine scheckigen Färbungen mehr, weniger Materialauflösung (lediglich der Aludraht muss nach ein paar Durchgängen ersetzt werden), somit keine Ausschussproduktion mehr, kein Herumgefriemle mit improvisierten Verbindungsblechen und viel zu engen Bechergläsern.
Das Hauptproblem scheint aber tatsächlich die Kupferkathode gewesen zu sein. Graphitplatten sind wirklich die Optimallösung - kann ich nur empfehlen!

Eine grössere Apparatur erzeugt allerdings auch mehr Widerstand, ich musste von Anfang an auf über 1 A hochregeln, darunter brach mir der Stromfluss zusammen.
Dieser oszillierte dann übrigens erstaunlicherweise zwischen 0,5 und 1,5 A, was man beim Ablesen, aber auch am zu- und abnehmenden Zischen (Wasserstoffentwicklung) deutlich vernehmen konnte. Wie erklärt sich das?

Eine gesättigte Oxalsäurelösung funktioniert übrigens auch, jedoch braucht man dann einen noch stärkeren Stromfluss und längere Eloxierdauern, aber die Eloxalschicht wird trotzdem nicht so dick. Verdünnte Schwefelsäure (Flüssig-pH-Minus aus dem Baumarkt) bleibt hier das Eloxierbad der Wahl.

Edit:
Nach Wechsel des Aludrahtes wurde nur noch der Draht eloxiert, aber nicht mehr das Werkstück. Daher bin ich dann zur vorherigen Steckblechmethode zurückgekehrt. Damit blieben die Komplettausfälle aus, aber die scheckigen Ergebnisse kehrten teilweise zurück. Die Stromstärkenoszillation endete damit ebenfalls. Der Tauchkontakt ist und bleibt eine wackelige Angelegenheit!
Übrigens: Indigotinlösung scheint stundenlanges Kochen nicht zu mögen. Der Farbstoff wurde kaum noch von der Eloxalschicht aufgenommen. Daraufhin frisch angesetzt und es klappte wieder.
Es gibt offensichtliche viele Dinge, die beim DIY-Eloxieren suboptimal ablaufen können.