Механизм и технология анодирования ан.окс. структура и свойства оксида алюминия в покрытии

Характеристики анодирования

Анодирование представляет собой процедуру образования на поверхности различных металлов оксидной пленки путем анодного окисления. Наращивание оксидной пленки осуществляется в проводящей среде. На поверхности металла такая пленка держится достаточно хорошо.

Наращивание оксидной пленки может осуществлять и благодаря методу повышения температурного режима. Однако при этом она получается низкой по прочности и не держится длительное время. Благодаря электрохимическому способу образования оксидной пленки она получается оптимальной толщины и отлично держится на поверхности материала.

Анодированию можно подвергать разные виды металлов. Основным требованием является то, что они должны иметь возможность образовывать только один оксид. Он должен обладать максимальным уровнем устойчивости. Если металл обладает способностью образовывать сразу несколько оксидов, это может привести к тому, что пленка просто начнет трескаться и не появится защитного эффекта. Именно по этой причине только на редких промышленных объектах встречаются случаи анодирования железа или меди.

Кроме того оксидная пленка на поверхности металлов должна обладать пористой структурой. Это необходимо для того, чтобы электролиты лучше в нее проникали. В результате получается, что лишь небольшая часть всех имеющихся на земле металлов способны удовлетворять данным параметрам. К ним относятся алюминий, тантал, титан. В промышленной и бытовой сфере чаще всего встречается обработка при помощи анодирования алюминиевого материала.

Износостойкость поверхности деталей после анодирования

Для оценки износостойкости покрытий используется понятие удельного сопротивления к истиранию, которое характеризуется соотношением износостойкости покрытия к его толщине. Износостойкость напрямую зависит от твердости покрытия и его толщины. Наружный слой покрытия имеет меньшую твердость и износостойкость, что характерно не только для анодных покрытий. При использовании растворяющих электролитов (сернокислого электролита) удельное сопротивление анодной пленки к истиранию увеличивается при повышении напряжения в процессе анодирования. Твердые анодные покрытия имеют в 2-3 раза более высокое удельное сопротивление к истиранию по сравнению с обычными пленками. Существуют различные методы определения износостойкости покрытий, например, регламентирован метод испытания износостойкости поверхности металла при воздействии воздушной струи с абразивом в контролируемом режиме.

Влияние режима анодирования на износостойкость анодных покрытий.

Процесс анодирования алюминия

Насыщенные растворы готовят отдельно друг от друга следующим образом: в теплой воде растворяют соду и соль при интенсивном перемешивании, после насыщения растворов (соль и сода перестают растворяться и выпадают в виде осадка) им дают отстоятся в течение 10-15 минут и отфильтровывают в гальваническую емкость. Соотношение компонентов: на 9 частей раствора соды 1 часть раствора соли.

Качество оксидной пленки во многом зависит от степени правильно выполненной подготовки детали к нанесению покрытия (см. «Подготовка изделий к нанесению гальванических покрытий»). Деталь очищают от загрязнений, обрабатывают поверхность мелкой шкуркой и обезжиривают. В качестве раствора для обезжиривания подойдет ацетон.

В качестве гальванической ванны в данном случае лучше использовать емкость достаточного объема из алюминия. К емкости подключаем отрицательную клемму источника тока – она будет выполнять роль катода. Анодом является сама обрабатываемая деталь (положительная клемма источника тока). Если нет подходящей алюминиевой емкости можно использовать стеклянную емкость. В этом случае потребуются алюминиевые пластины или полосы, которые должны располагаться по периметру емкости, желательно дно емкости также покрыть алюминием. Погруженная в гальваническую ванну деталь не должна соприкасаться с катодами, необходимо выдержать расстояние не менее 15 мм.

В качестве источника постоянного тока можно использовать обычный выпрямитель или аккумулятор. Для регулировки силы тока подключаем резистор.

Далее необходимо рассчитать площадь поверхности обрабатываемых деталей (см. «Расчет площади поверхности сложных деталей», «Пример расчета площади поверхности сложной детали»). Ток анодирования задаем в пределах 10-20 мА на квадратный сантиметр площади поверхности детали.

Процесс анодирования продолжается полтора часа. Поверхность алюминиевой детали покрывается ровной серо-голубой пленкой. По окончании процесса извлекаем деталь из емкости, промываем под струей воды, затем очищаем поверхность детали раствором марганцовки с помощью ватного тампона, снова промываем и сушим.

Как происходит процесс анодирования?

Вся процедура состоит из трех этапов работы: подготовки металла, его химической обработки и закреплении покрытия на поверхности. Предлагаем подробнее рассмотреть каждую из указанных фаз на примере обработки такого материала как алюминий:

1. Подготовительный этап. Профиль из металла очищается механическим путем, после чего шлифуется и обезжиривается. Сделать это необходимо для того, чтоб покрытие крепко зафиксировалось на основе. Далее в действие вступает применение щелочей. Деталь помещают в раствор на некоторое время для травления, после чего перекладывают в кислотную жидкость, где алюминий осветляется. Завершающей стадией анодной подготовки является полная промывка деталей от остатков щелочи и кислоты.
2. Химическая реакция. Заготовленное изделие кладут в электролит. Он представляет собой раствор из кислоты, к которому подключено воздействие тока. Анодируемый материал чаще всего обрабатывают с помощью серной кислоты, а для достижения расцветки применяют щавелевый ее аналог. Успешный результат достигается при правильных показателях температуры и плотности тока. Твердое анодирование предполагает использование низких температур, если же цель – получить мягкую и пористую пленку – показатели повышают.
3. Этап фиксирования покрытия. Полученные алюминиевые детали с образовавшейся на них пленкой имеют пористый вид, поэтому их необходимо упрочнить. Для этого применяется несколько методов: окунание изделия в горячую воду, обработка паром или холодным раствором.

Стоит отметить, что таким анодированием покрывают металлы на промышленных предприятиях. Особо прочный тип покрытия реально получить при твердом типе процедуры. Данный материал применяется в автопроизводстве, строении самолетов и строительстве.

Это интересно: Виды гидроизоляционной обработки фундамента (видео)

Снятие анодных покрытий

Удалить некачественное анодное покрытие можно только со всей поверхности изделия, частичное восстановление пленки в большинстве случаев невозможно. Покрытие, как правило снимают в растворах, содержащих едкие щелочи. Процесс проходит под строгим контролем основных режимов, т. к. такие растворы обладают высокой степенью воздействия на основной металл. Классическим и менее всего воздействующим на поверхность алюминия признают раствор, содержащий 35 мл/л фосфорной кислоты и 20 г/мл хромовой кислоты. Обработка проходит в течение 1-10 мин, в зависимости от толщины пленки при температуре 95-100С. для снятия твердых анодных покрытий используют указанный раствор с повышенной два раза концентрацией, при этом поверхность алюминиевых сплавов, содержащих медь может окрашиваться в серый или черный цвет.

Повторная обработка изделий после удаления анодной пленки возможна после оценки состояния поверхности изделия, если чистота поверхности достаточна для нанесения покрытия и полирование не требуется, можно приступать к процессу незамедлительно.

Следует отметить, что при обработке деталей для которых необходимо точное соблюдение первоначальных размеров потребуется повторное анодирование с нанесением пленки большей толщины, чем была первоначально. Это связано с тем, что при снятии и повторном нанесении покрытия потери могут составлять от половина до двух третей первоначальной толщины пленки.

Для чего анодируют алюминий и как его применяют

Главная цель анодирования деталей, изготовленных из алюминия — повышение срока эксплуатации в условиях воздействия различных агрессивных сред.

Учитывая, что чистый алюминий обладает высоким сродством к кислороду, его коррозионная стойкость выше, чем у многих других лёгких металлов конструкционного назначения. Естественное окисление алюминия происходит при первом контакте с воздухом. Процесс же анодной обработки ещё больше увеличивает стремление обеих химических элементов создавать окислы, вступая в реакцию между собой.

Незаменимы алюминиевые конструкции при создании:

• рекламных конструкций для культурно-спортивных мероприятий, выставок и шоу.
• информационных стендов для массовых акций, митингов, собраний.

Прекрасная светоотражающая способность анодированного алюминия сделала его незаменимым материалом при изготовлении дорожных знаков. Благодаря интерференции информация, нанесённая на знак при анодировании прекрасно видна автомобилистам в ночное время суток.

Рамы любительских велосипедов также изготавливаются из анодированных сплавов алюминия. На специальную одежду, которой пользуются велосипедисты в тёмное время суток, наносится тончайшая плёнка оксида алюминия. Благодаря этому силуэт легко разглядеть в темноте на почтительном расстоянии. С той же целью анодированный металл применяется при изготовлении отражающего слоя в прожекторных установках.

Отличные свойства анодированного алюминия позволяют использовать его для изготовления самого широкого круга номенклатуры деталей и узлов, применяемых в самых разных областях. Можно смело сказать: если принято решение изготовить что-то из обработанного таким способом металла, прочность и лёгкость конструкции не будет вызывать никаких сомнений!

Рейтинг: /5 —
голосов

Достоинства и недостатки гальваники. Сравнение с горячим методом.

Как мы уже знаем, металл на поверхность можно наносить разными способами. Например, самый распространенный — горячий метод. Это когда изделие погружают в огромный бассейн расплавленного металла. Сравним его с гальваникой.

Достоинства гальваники:

1)Можно максимально точно задавать толщину покрытия (точность до 1 мкм). В то время как у горячего метода толщина 200-400 мкм

Это особенно важно для высокоточных изделий. Будет неприятно, если из-за толстого покрытия Ваше изделие не пройдет в сборку по допускам

2)Множество покрытий. Гальванически можно нанести более 40 различных металлов, горячим методом не более 10.

3)Настройка процесса. В гальванике можно корректировать расвтор для получения покрытия с разными свойствами (например, блестящее или матовое хромирование).

4)Равномерность покрытия. Часто в изделиях с большим количеством внутренних полостей горячим методом невозможно достичь равномерную прокрываемость полостей, иногда полости остаются без покрытия вообще. В гальванике все равномерно.

Недостатки гальваники:

1)Низкая производительность. Относительно горячего метода, которым можно покрывать сотни тонн изделий в сутки. Гальванику дольше настраивают.

2)Высокая цена. Исходя из низкой производительности. Гальваника всегда дороже горячего метода, просто потому что требования к покрытию выше.

3)Требования к техническому заданию. Если Вы хотите качественное нанесение покрытия – максимально подробно опишите требования. Если не знать, что ты хочешь – получишь точно не то.

4)Редко подходит для особо-крупных изделий. Если у изделия большая площадь – на покрытие потребуется огромное количество тока. Мало предприятий в России имеют такие производственные мощности.

Анодирование различных типов металла

Анодирование металла может выполняться для разных типов материалов:

Технология анодирования

• алюминия. Проводится довольно часто, для чего деталь опускают в кислую среду, и к ней подводится положительный источник тока;
• титана. Часто используется в промышленности, но требует специальной обработки для повышения износостойкости и антикоррозийных качеств;
• сталь. Используется щелочная или кислая среда, которая придает металлу отличные показатели прочности;
• меди. Выполняется помещением деталей в кислую среду, через которую пропускается электрический ток.

Анодирование металлов

Прочность, эластичность и твердость анодных пленок

Наибольшее влияние на свойства анодного покрытия оказывает режим работы ванн анодирования (режим процесса). Рассмотрим, как изменяются свойства покрытий в зависимости от основных характеристик процесса:

1. Повышение температуры раствора и кислотности электролита (быстрое увеличение скорости растворения металла в процессе) – увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности покрытия, снижение защитной способности.
2. Повышение плотности тока (уменьшение скорости растворения металла при перемешивании раствора) – механические свойства покрытия зависят от температурного режима и степени перемешивания, защитная способность покрытий увеличивается.
3. Увеличение продолжительности процесса (увеличение скорости растворения металла в процессе) – незначительное увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности, повышение защитных свойств.
4. Использование переменного тока (скорость растворения металла не меняется) — увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности, снижение защитных свойств анодного покрытия.

Прочность анодированного алюминия

Прочность и пластичность анодных пленок не отличается от характеристик основного металла, что нельзя сказать об усталостной прочности – при получении твердого анодного покрытия сопротивление усталости может быть снижено до 50%. Для нивелирования данного эффекта изделия обрабатывают в 5%-ном кипящем растворе бихромата калия в течение 10-15 минут, при этом основные характеристики анодной пленки не изменяются.

Эластичность и твердость

Как показано выше, твердость и эластичность анодного покрытия в значительной степени зависит от режима работы ванны анодирования. Характеристики эластичности и твердости не измеряются непосредственно, покрытие считаются гибкими (при условии, если поверхность изделия не имела дефектов в виде волосяных трещин), однако изделия нельзя непрерывно деформировать без повреждения пленки. При использовании переменного тока анодные пленки получаются более эластичными, соответственно снижается прочность покрытий. Использование хромовой кислоты также увеличивает степень эластичности пленки. В числовом выражении эластичность можно выразить в степени максимального удлинения металла до образования волосяных трещин (микротрещин), даже при использовании наиболее благоприятного режима процесса и хромового электролита данная величина составит не более 0,3%. На острых углах возможно растрескивание пленки, что оказывает существенное влияние на защитные свойства пленки, в частности на коррозионную защиту. Твердость по шкале Маха анодной пленки составляет 7-9, что значительно ниже, покрытия хромом, полученного гальваническим методом.

Оптические свойства анодных пленок

Для того, чтобы дать оценку оптическим свойствам анодных покрытий сравним их со свойствами различных гальванических покрытий и полированной нержавеющей стали. Регламентируют три характеристики отражающей способности – полная, зеркальная (измеряются в % отражения падающего света) и диффузная.

Полная отражающая способность анодной пленки на алюминии после полирования достигает 90%, что ниже только данного значения у посеребренной латуни (98%), но выше чем у хромированной латуни (65%) и полированной нержавеющей стали (60%). С увеличением толщины анодной пленки полная отражающая способность снижается, поэтому в производстве регламентируют толщину пленки, с учетом необходимой защитной способности.

Производство зеркальных покрытий —  это отдельное направление и там на отражающую способность влияет прежде всего чистота сплава – получение максимальной отражающей способности (99,9%) возможно при использовании сплавов наивысшей чистоты (99,9% Al), покрытия толщиной до 2 мкм и зеркальной полировки. При этом диффузная отражающая способность имеет минимальные значения.

Если в результате обработки планируется получить матовую поверхность (пленку с диффузной отражающей способностью), в качестве электролита используют раствор фосфорной и серной кислот для яркого травления.

Блестящие анодированные покрытия на алюминии получили широкое распространение при изготовлении автомобильных деталей. Поверхность анодированного алюминиевого сплава, после глянцевания по своим декоративным качествам схожа с поверхностью деталей после гальванического хромирования. Например, алюминиевые автомобильные диски с помощью анодирования могут быть не только окрашены в различные цвета, но и приобрести внешний вид хромированных, что наряду с повышением функциональных качеств обеспечивает исключительные декоративные свойства.

Применение анодирования

Применение анодирования — это тема отдельной статьи, в любой отрасли где в той или иной мере используются изделия из алюминия или его сплавов и требуется изменение каких-либо качеств металла анодирование является оптимальным и зачатую единственным решением.

Приведем перечень основных областей применения анодирования:

1. Тонкие окисные пленки используются в качестве основы для нанесения органических и неорганических покрытий (краски или лака).
2. Цветное анодирование. Применение различных окрашивающих электролитов позволяет получить широкую гамму оттенков и цветов поверхности алюминиевого изделия. В качестве добавок используются соли никеля, кобальта или олова. Получаемые оттенки от светло-бронзового до черного.
3. Повышение износостойкости. Оксидные покрытия на алюминии значительно тверже основного металла. Твердое анодирование широко применяется для деталей, работающих на истирание при небольшой нагрузке, а также для повышения коррозионной стойкости изделий.
4. Электрическая изоляция. Оксидная пленка по сравнению с органическими изоляционными материалами обладает не только высокими изоляционными свойствами, но и обладает значительно большей теплостойкостью.
5. Получение уплотненной поверхности с высокими антифрикционными свойствами. (смазочное покрытие).

Применяемые устройства и оборудование

В промышленных масштабах для анодирования стали применяют раствор серной кислоты, который обеспечивает высокую скорость процесса и наибольшую глубину проникновения. Современные установки представляют собой полностью автоматические линии с минимальным количеством персонала, роль которого сводится к контролю над рабочим процессом.

Все оборудование можно разделить на три вида:

1. Основное. К нему относят ванну и катод. Емкость должна быть изготовлена из инертного материала, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами – в этом случае электролит не будет слишком быстро нагреваться и прослужит намного дольше. Материал катода зависит от типа обрабатываемого металла. Например, для анодирования алюминия используют свинцовый лист, размер которого должен быть вдвое больше габаритов заготовки.
2. Обслуживающее. Сюда относят узлы, которые отвечают за обеспечение работоспособности установки: приводные механизмы и устройства для передачи тока.
3. Вспомогательное. Речь идет об оборудовании, на котором осуществляются работы по подготовке заготовок к анодированию. Сюда же относят механизмы для перемещения деталей и их складирования.

В процессе выбора подходящей установки необходимо принимать во внимание следующие особенности:

Наиболее трудоемкими операциями являются погружение и выгрузка заготовки

Обращайте внимание на надежность и энергопотребление данных узлов.
Производительность зависит от мощности энергетической установки. Как показывает практика, оптимальная мощность выпрямителя – 2,5 кВт

Наличие бесступенчатой регулировки уровня напряжения будет дополнительным преимуществом, облегчающим процесс анодирования стали.

1. По кольцам емкости должны быть уставлены контактные площадки из гибкого материала. Лучше всего с этой задачей справятся элементы из меди.

Особенности анодированных

Данная процедура широко применяется в промышленных масштабах, кроме того, осуществить самостоятельное оксидирование стали, алюминия или меди можно и в домашних условиях. Последний вариант будет отличаться от профессионального процесса, однако он удобен для обработки небольших деталей.

Изделия, которые на своей поверхности имеют образовавшуюся после анодирования пленку, обладают следующими характеристиками:

• повышенная устойчивость к коррозии;
• увеличивается прочность таких материалов как сталь и алюминий;
• изделие становится нетоксичным;
• отсутствие возможности проведения тока;
• подготовленная поверхность подходит под дальнейшую обработку с помощью гальванического покрытия.

Процедура анодирования металла применяется для производства посуды – обработанные таким методом изделия не пригорают на плите и безопасны для приготовления пищи. Материалы с оксидной пленкой используют при изготовлении некоторых инструментов, строительных материалов, светотехнических приборов, предметов домашнего обихода. Кроме того, обработке подвергаются изделия из серебра.

Обработанные анодированием поверхности инструментов и приспособлений не растрескиваются при эксплуатации, сохраняя первозданный вид на долгий срок. Кроме того, плоскость становится более крепкой, что позволяет ей выдерживать повышенные нагрузки и механическое воздействие.

Общие сведения об анодном оксидировании (анодировании) алюминия.

Поверхность алюминия и его сплавов ввиду склонности к пассивации постоянно покрыта естественной окисной пленкой. Толщина пленки зависит от температуры окружающей среды и составляет обычно 2-5 нм. Коррозионную и механическую прочность алюминия можно увеличить в десятки и сотни раз, подвергая его электрохимическому оксидированию (анодированию).

Анодирование — это процесс получения из алюминия защитной оксидной пленки. Производится электрохимическим методом в водных растворах. Плотность такого покрытия составляет 2,9-3,8 г/см3, в зависимости от режима получения.

Назначение покрытия — защита изделий от коррозии, увеличение износостойкости, придание декоративного внешнего вида (при наполнении красителями)

Анодно-оксидные покрытия разделяют на следующие группы:

• защитные (9-40 мкм) — предъявляются требования только по коррозионной стойкости;
• защитно-декоративные (9-40 мкм) — важна не только коррозионная стойкость, но и внешний вид (сюда же можно отнести цветные и окрашенные покрытия);
• твердые (обычно >90 мкм) — в первую очередь нужна повышенная микротвердость поверхности. Могут также выполнять функцию электроизооляционных);
• электроизоляционные (40-90 мкм) — оценивается величина пробивного напряжения;
• тонкослойные (до 9-15 мкм) — используются, как правило, под окраску, либо для сохранения глянца поверхности после покрытия;
• эматаль.
• покрытия с комбинированными свойствами.

Рисунок 1 — Анодирование металла. Примеры.

Ан.окс.тв — это твердое анодирование алюминия, которое отличается от стандартного покрытия Ан.Окс высокой толщиной и особенностями процесса нанесения. В ряде случаев у твердого покрытия толщина достигает сотен микрометров, тогда как в обычном покрытии она измеряется десятками. Высокая толщина и твердоть Ан.Окс.тв обеспечивает непревзойденную износостойкость поверхности алюминия.

В качестве электролитов применяются:

• Малоагрессивные фосфорная, лимонная, борная кислота;
• Агрессивные серная, сульфосалициловая кислота, хромовый ангидрид.

Анодирование металла всегда идет при повышенном напряжении, чаще всего от 12 до 120 В. Иногда напряжение может достигать огромных для гальваники значений — до 600В.

Выделяющиеся на аноде продукты реакции могут:

• полностью растворяться (покрытие не образуется);
• создавать на поверхности металла прочно сцепленное тончайшее (десятки нанометров) компактное электроизоляционное оксидное покрытие;
• частично растворяться в электролите и образовывать пористое оксидное покрытие толщиной в десятки и сотни микрометров.

После нанесения пористое покрытие может оставаться «как есть», уплотняться в воде, либо наполняться. В первом случае покрытие прекрасно подходит под нанесение лакокрасочных материалов и оклеивание. Во втором покрытие сохраняет серебристый цвет и становится более коррозионно-стойким. В третьем случае покрытию можно придать цвет без нанесения лакокрасочных материалов. Подробнее об этом написано в разделе 6.