Анодирование алюминия в серной кислоте

Анодирование алюминия в сернокислом электролите.

Стандартный потенциал алюминия -1,67 В, но вследствие его склонности к пассивации он приобретает меньший отрицательный потенциал (-0,5 В). Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов зависит от количества примесей или специально введенных в них добавок, а также от качества и вида окисного покрытия.

Процесс получения эмаль-покрытий находит все более широкое применение для защиты от коррозии, защитно-декоративной отделки или придания алюминию и его сплавам специальных свойств (электроизоляция, светопогло-щение и др.).

Анодирование в сернокислом электролите. Детали, изготовленные из Д16, AMг1, ABT-1 и других сплавов методом штамповки или точения, а также методом литья из сплавов АЛ9, АЛ11, АЛ22, АЛ32 с целью повышения коррозионной стойкости и улучшения товарного вида, анодируют в растворах серной кислоты. Подготовка деталей под анодирование в основном ведется по технологии, применяемой в гальванотехнике при покрытии изделий из алюминия и его сплавов.

Сернокислый электролит анодирования содержит 170-250 г/л H 2 SO 4 (1,8-1,82). Режим анодирования: температура электролита 13-26°С; i а = 0,5- – 1,5 А/дм 2 ; напряжение 10 – 25 В; S а :S к изменяется от 1:1 до 1:5; катод – из свинца; S a = 0,5 ÷ 1,0 дм 2 /л, время анодирования 30 – 50 мин. В процессе анодирования по мере роста окисного покрытия плотность тока самопроизвольно падает. После соответствующей промывки в холодной, а затем в горячей воде, детали загружают в ванну с целью гидратирования окисла и замыкания пор в результате увеличения объема окисла. Раствор состоит из К 2 Cr 2 O 7 (100 г/л) и Na 2 CO 3 (18 г/л). Температура раствора 90 – 95°С, рН = 6 ÷ 7, продолжительность наполнения до 10 мин. Далее детали промывают в сборнике для улавливания хромпика в горячей воде и сушат в специальных камерах, обогреваемых калорифером или теплоэлектронагревателями с принудительной циркуляцией горячего воздуха. Окисное покрытие можно гидратировать в горячей воде без добавок наполнителя.

С увеличением концентрации серной кислоты пленка растет медленнее, так как более концентрированный раствор быстрее растворяет растущую пленку. Такие пленки отличаются большей пористостью и лучше заполняются хроматом или красителем.

После включения тока за 1-2 мин напряжение достигает предельного значения, причем с увеличением силы тока напряжение увеличивается незначительно. Это указывает на то, что при более высоких значениях i а получаются пленки с меньшим сопротивлением вследствие нагревания электролита, находящегося в порах. Поэтому в процессе анодирования необходимо постоянное охлаждение электролита. Оптимальную плотность тока надо выбирать с учетом температуры (рис. 132).

Рис. 132. Зависимость между напряжением и плотностью тока при сернокислом анодировании чистого алюминия

При повышении температуры электролита от 20 до 50°С толщина оксидной пленки уменьшается более чем в 10 раз.

Примеси хлоридов в электролите приводят к местным разрушениям пленки в результате концентрации тока и разъеданию металла в этих местах. Определенное влияние оказывает состав окисляемого металла (сплава). Дюралюминий и чистый алюминий анодируются легче, чем кремнистые сплавы. На силумине образуется более тонкая и менее пористая пленка, чем на чистом алюминии. Цвет пленки на силуминах темно-серый. Она не может быть окрашена в светлые тона. С увеличением содержания меди и кремния в сплавах получаются более тонкие и плотные пленки. В процессе анодирования концентрация серной кислоты в электролите естественно уменьшается, и ее добавляют согласно результатам химического анализа.

Окисные покрытия образованы в результате окисления основного металла и в отличие от металлических или Лакокрасочных покрытий обладают надежным сцеплением.

Твердость анодизационных покрытий на алюминии и его сплавах зависит от химического состава основного металла (сплава), а также от способа их нанесения. Наибольшую твердость имеют покрытия, получаемые на чистом алюминии в сернокислом электролите. Твердость окисных твердых покрытий близка к твердости естественного кварца и топаза (наждачная бумага не оставляет на них следов). Так, твердость окисного электроизоляционного покрытия, полученного из сернокислого электролита при 2,5 А/дм 2 , составляет 770 кгс/мм 2 (при 14°С), а при 30°С и переменном токе 185-225 кгс/мм 2 .

Анодирование алюминия в домашних условиях

Сущностью процесса анодирования является наращивание оксидного покрытия, которое на алюминии и его сплавах выполняет защитную функцию от воздействий среды. Другое название – анодное оксидирование. Кроме того, оксидирование применяют для повышения эстетичности внешнего вида изделий.

Устраняются поверхностные дефекты– небольшие царапины, мелкие сколы. Можно имитировать покрытие драгоценными металлами или повысить адгезивные свойства. Покрытие можно наносить не только на производстве, но и дома.

Анодирование алюминия в домашних условиях пользуется большой популярностью у домашних умельцев. В изделиях, подвергнутых анодному оксидированию, повышается стойкость защитного покрытия.

Общие сведения о технологии анодирования

Технология анодирования алюминия схожа с гальванической обработкой. Оседание ионов оксидов раствора на заготовке происходит в жидком электролите при высоких или низких температурах. Использование нагретого раствора возможно в промышленных установках, где есть возможность тщательного контроля и регулирования напряжения и силы тока в автоматическом режиме.

В домашних условиях обычно пользуются холодным методом. Данный способ достаточно прост, не требует постоянного контроля, а оборудование и расходные материалы — доступны. Для приготовления раствора можно использовать электролит, применяемый в свинцовых автомобильных аккумуляторах. Он продается в каждом автомагазине.

Высокая прочность защитной оксидной пленки зависит от ее толщины, которая в домашних условиях получается при обработке в холодном растворе. Наращивание производится ступенчатым регулированием рабочего тока.

Оксидирование алюминия в черный цвет относится к цветному анодированию. Черный цвет получают в два этапа. Вначале наносится бесцветная пленка электролитическим способом, а затем заготовку помещают солевой раствор кислот. В зависимости от кислоты цвет может быть от бледной латуни до насыщенного черного. Черный алюминий широко используется в строительстве и отделке.

Подготовительный процесс

Для получения гладкой поверхности на стадии подготовки необходимо заготовку отполировать. С помощью войлочного или другого полировального круга устраняются царапины, затягиваются большие поры. Отсутствие микронеровностей снижает вероятность появления прогаров. Анодная пленка не способна скрыть внешние дефекты.

Перед анодированием алюминия необходимо определиться с размерами обрабатываемых деталей. Получаемый слой имеет толщину 50 микрон, поэтому на обработанную резьбу невозможно будет накрутить гайку. Если же детали соединяются с помощью посадки, то не стоит забывать, что после анодирования детали шлифовке не подлежат.

Проведение анодирования в домашних условиях

Для проведения процесса необходимы емкости. Емкости для анодирования должны соответствовать размерам деталей, быть чуть больше. В связи с чем обычно пользуются несколькими ваннами. Материал емкостей – алюминий. Но если изделия небольшого размера, то подойдут пластиковые контейнеры. Только на дно и вдоль стенок необходимо уложить алюминиевые листы. Это необходимо, чтобы создать ток равномерной плотности по всему объему.

Электролит нуждается в изоляции от внешнего воздействия тепла. При нагревании его придется менять. Для исключения нагрева емкости снаружи покрываются слоем теплоизоляции. Ее можно обклеить пенопластом до 50 мм толщиной или, поместив в короб, заполнить свободное пространство монтажной пеной.

Раствор серной кислоты получают путем разбавления электролита для автомобильных аккумуляторов дистиллированной водой в пропорциях один к одному. Купив канистру емкостью 5 литров, раствора можно получить 10 литров.

Смешивание, когда в кислоту добавляется вода, сопровождается обильным тепловыделением, и она буквально вскипает разбрызгиваясь. Поэтому в целях безопасности серную кислоту вливают в емкость с водой.

Перед началом анодирования алюминия его подвергают химической подготовке. Химическая подготовка – процесс обезжиривания. В промышленных условиях обработку проводят едким натром или калием. Но в домашних условиях лучше пользоваться хозяйственным мылом. Зубной щеткой и мыльным раствором с поверхности хорошо удаляются загрязнения. После чего сначала заготовки промываются теплой водой, а затем — холодной.

Альтернативой хозяйственному мылу служит стиральный порошок. Растворив его в закрытом пластиковом контейнере и поместив туда обрабатываемые детали, необходимо интенсивно встряхнуть. Затем детали промываются и просушиваются потоком горячего воздуха. Активный кислород, содержащийся в стиральном порошке, защищает обезжиренные изделия, даже если их взять голыми руками.

Подготовка электролита

Растворы кислот считаются небезопасными реактивами, поэтому для проведения анодирования алюминия в домашних условиях прибегают к другому типу раствора. Для его приготовления используют соль и соду, которые всегда есть под рукой.

Для приготовления электролита берут две пластмассовые емкости. В них наводят солевой и содовый составы, соблюдая пропорцию: на порцию соли или соды 9 порций дистиллированной воды.

Анодирование в домашних условиях

После растворения компонентов раствор выдерживается с целью оседания не растворившихся частиц на дно. При переливании в емкость для анодирования его необходимо процедить.

Способы анодирования алюминия

Разработано несколько способов обработки алюминиевых сплавов, но широкое применение нашел химический способ в среде электролита. Для получения раствора используют кислоты:

• серную;
• хромовую;
• щавелевую;
• сульфосалициловую.

Для придания дополнительных свойств в раствор добавляют соли или органические кислоты. В домашних условиях в основном используют серную кислоту, но при обработке деталей сложной конфигурации предпочтительнее использовать хромовую кислоту.

Процесс происходит при температурах от 0°С до 50°С. При низких температурах на поверхности алюминия образуется твердое покрытие. При повышении температуры процесс протекает значительно быстрее, но покрытие обладает высокой мягкостью и пористостью.

Технология твердого анодирования алюминия

Кроме химического метода в некоторых случаях используются следующие методы анодирования алюминия:

• микродуговое;
• цветное:
  1. адсорбцией;
  2. опусканием в электролит;
  3. опусканием в красящий раствор;
  4. гальваникой;

• интерферентное;
• интегральное.

Теплое анодирование

Способ теплого анодирования используется для получения основы под покраску. Покрытие пористое, но за счет этого обладает высокой адгезией. Нанесенная сверху эпоксидная краска надежно защитит алюминий от внешних воздействий.

Недостатком считается низкая механическая прочность и коррозионная стойкость покрытия. Оно разрушается при контакте с морской водой и активными металлами. Данный способ можно произвести в домашних условиях.

Процесс протекает при комнатной температуре или выше (не более 50°С). После обезжиривания заготовки устанавливаются на подвесе, который удерживает их в растворе электролита.

Анодирование продолжается до тех пор, пока на поверхности не появится покрытие молочного цвета. После снятия напряжения заготовки промываются в холодной воде. Затем детали подлежат окрашиванию. Красят их путем помещения в емкость с горячим красителем. После чего полученный результат закрепляют на протяжении 1 часа.

Методы цветного анодировния алюминия

Холодная технология

Для проведения анодирования алюминия необходимы:

• источник питания 12 В (АКБ, стабилизатор);
• алюминиевые провода;
• реостат;
• амперметр;
• емкости для растворов.

Холодная технология отличается тем, что рост анодированного покрытия со стороны металла протекает с большей скоростью, чем его растворение с внешней стороны.

Вначале проводятся подготовительные работы, описанные выше. Затем детали необходимо закрепить. Не следует забывать, что под крепежным элементом пленка не образуется. А подвешенные заготовки при опускании в емкость не должны касаться стенок и дна.

К деталям от источника питания подключается анод, соответственно к емкости катод. Плотность тока подбирается в пределах 1,6-4 А/дм2. Рекомендуемые значения 2-2,2 А/дм2. При малых значениях процесс будет протекать медленнее, а при больших может возникнуть пробой цепи и покрытие начнет разрушаться.

Не рекомендуется, чтобы температура электролита поднималась выше 5°С. При анодировании электролит нагревается не равномерно. В центре он теплее, чем в углах емкости, поэтому необходимо постоянное перемешивание.

Продолжительность анодирования при холодном способе составляет около получаса для небольших элементов. Для крупных деталей продолжительность может составлять 60-90 минут. На окончание процесса указывает измененный цвет на поверхности алюминиевого изделия. После отсоединения проводов деталь промывается.

Закрепление результата

Качество анодирования алюминия зависит от завершающего этапа – закрепления покрытия. Для этого после нанесения покрытия и промывки детали помещают на четверть часа в раствор марганца. После выемки необходимо детали промыть под горячей и холодной водой для удаления из пор остатков раствора.

Перед окрашиванием необходимо закупорить микроскопические поры на пленке. Для чего изделия кипятят в дистиллированной воде в течение 30-40 минут.

2.3 Анодирование алюминия

Анодное оксидирование алюминия – процесс получения на алюминии оксидной пленки химически или электрохимически из растворов кислот и щелочей. В качестве электролита при электрохимическом анодировании применяются: серная, фосфорная, щавелевая, сульфосалициловая кислота и хромовый ангидрид. Анодирование в основном идет при повышенном напряжении, в зависимости от электролита от 24 до 120 В.

При прохождении тока через электролит в зависимости от его состава образующиеся продукты реакции на алюминиевом аноде могут полностью растворяться, образовывать на поверхности металла прочно сцепленное компактное и электроизоляционное оксидное покрытие толщиной 1,4 нм/ В или частично растворяться в электролите и образовывать пористое оксидное покрытие толщиной в десятки и сотни мкм.

Существуют две теории образования и роста анодно-оксидных покрытий: струткурно-геометрическая и коллоидно-электрохимическая.

С позиции первой теории при наложении на алюминиевый электрод анодного напряжения (т.е подключение его к (+) ) сначала формируется компактная оксидная пленка, наружная часть которой в электролитах, растворяющих оксид, начинает растворяться в дефектных местах и переходить в пористое покрытие. Дальнейший рост анодно-оксидного покрытия происходит на дне образовавшихся пор за счет превращения все более глубоких слоев металла в оксид. Покрытие состоит из гексагональных ячеек. Прилегающий к металлу барьерный слой толщиной 1-1,1 нм, состоит из беспористых ячеек. Ячейки пористого слоя имеют в середине одну пору. Диаметр пор и их число зависят от природы электролита и режима анодирования. Под действием электролита оксид, образующий стенки ячеек, гидратируется. При этом происходит адсорбция воды, анионов электролита и продуктов анодной реакции.

С позиции второй теории образование анодно-оксидных покрытий начинается с возникновения мельчайших частиц оксида, происходящего в результате встречи потока ионов. Адсорбция анионов и воды обуславливает отрицательный заряд частиц. С увеличением числа частиц они превращаются в полиионы – палочкообразные мицеллы, которые образуют скелет ориентированного геля оксида алюминия. В него внедряются анионы электролита. Под действием отрицательного заряда мицеллы подходят к поверхности и сращиваются с металлом. Наряду с процессами образования мицеллярных слоев с участием анионов протекают сопряженные процессы растворения образующегося оксида.

Состав и свойства анодно-оксидных покрытий

Тонкие и беспористые анодно-оксидные покрытия представляют собой в основном безводный оксид алюминия, который в чистом виде располагается у границы с металлом. В тонкие беспористые покрытия внедряются от 0,6 до 20% борного ангидрида (электролиты с борной кислотой), значительное количество других ионов.

На границе раздела оксид-электролит находят небольшую часть гидратированного оксида алюминия Al₂O₃*H₂O (бемит).

Пористые анодно-оксидные покрытия состоят в основном из аморфного оксида алюминия и частично включают гамма-Al₂O₃ . Содержание воды в покрытиях, полученных в сульфатных и оксалатных электролитах, достигает 15%. В зависимости от условий формирования вода в оксидном покрытии может находиться в составе бемита или байерита (Al₂O₃*3H₂O). Покрытия содержат значительное количество анионов электролитов.

Цветные покрытия (получение напрямую из электролита)

Анодно-оксидные покрытия, полученные, например, в оксалатном электролите, имеют обычно желтоватый оттенок. Если в этом электролите алюминий и его сплавы анодируются вначале переменным, а затем постоянным током, покрытия получаются окрашенными в цвет от светло-соломенного до золотистого и бронзового.

Окрашивание анодных покрытий (получение пористого покрытия и окраска в отдельном растворе)

Прозрачные и полупрозрачные защитно-декоративные покрытия алюминия и его сплавов окрашивают в водных прямых кислотных органических красителей.

Содержание красителей в растворах колеблется от 0,1-0,5 г/л для светлых тонов до 5 для интенсивного и 10-15 для черного цвета. Температура растворов 50-70, время окрашивания от 300 до 1800 с.

Окраска покрытий, полученных в различных электролитах, различается из-за различия свойств пористости и естественного цвета покрытия.

Для получения необходимых цветов окраски используют смеси анилиновых красителей.

Некачественная окраска удаляется в растворе перманганата калия и азотной кислоты.

Кроме органических красителей применяются и неорганические.

Ограниченную цветовую гамму, но более светостойкую окраску анодно-оксидных покрытий получают реакцией двойного обмена в растворах неорганических солей

Растворы для анодирования.

Окисные пленки, полученные из сернокислого электролита, обладают высокой адсорбционной способностью и стойкостью против коррозии. Важным достоинством этого электролита является то, что в нем можно анодировать почти все алюминиевые сплавы. Не рекомендуется применять анодирование в серной кислоте только для деталей, имеющих узкие щели, зазоры, клепаные или сварные соединения во избежание коррозии металлов, от следов электролита.

Анодирование производится и электролите состава г/л:

серная кислота H₂SO₄ – 170-200

температура 15-25 °С.

Анодную плотность тока выбирают с учетом состава обрабатываемого сплава, Алюминий и плакированный металл анодируют при плотности тока 1-2 А/дм 2 и напряжении 10-15 В; дюралюминий и силумин – при плотности тока 0,5-1 А/дм 2 и напряжении 12-20 В. Продолжительность анодирования 30-50 мин. В качестве катода используют свинец; отношение площади катодов к плошали анодов 1:1 или 2:1.

При повышении температуры электролита и плотности тока продолжительность анодирования может быть сокращена, но качество пленки при этом ухудшается. Поэтому при длительной работе ванн электролит следует охлаждать водяными рубашками или свинцовыми и титановыми змеевиками.

Детали загружают в ванну на подвесках, изготовленных из алюминия. От качества электрического контакта между подвесками и деталями зависит качество получаемой пленки. В случае неплотного контакта происходит местный разогрев металла, из-за чего может произойти разрыхление пленки и растравливание детали. Для обеспечения надежного контакта изготовляют специальные приспособления с пружинными или винтовыми зажимами, детали закрепляют туго натянутой алюминиевой проволокой. Анодную пленку с приспособлений, используемых неоднократно, перед каждой новой загрузкой следует удалять в растворе щелочи.

Дефект	Причина дефекта	Способ устранения
Отсутствие пленки на отдельных местах	Плохой контакт детали с подвеской	Улучшить контакт
Прожог металла	Неплотный контакт детали с подвеской	Улучшить контакт
	Соприкосновение деталей друг с другом	Увеличить расстояние между деталями
	Короткое замыкание между деталью и катодом	Устранить короткое замыкание
Хрупкость пленки	Температура электролита ниже 15 °С	Повысить температуру электролита
Растравливание анодной пленки	Температура электролита выше 25 °С	Охладить электролит
	Большая продолжительность анодирования	Уменьшить время анодирования
	Большая концентрация кислоты	Откорректировать электролит
Темные пятна и полосы, рыхлая пленка	Содержание алюминия в электролите более 30 г/л	Удалить окислы алюминия декантацией

После окончания процесса анодирования детали тщательно промывают в проточной воде до полного удаления следов электролита и подвергают дополнительной обработке: уплотнению для повышения коррозионной стойкости анодной пленки или окрашиванию для улучшения декоративной отделки. Эти процессы возможны благодаря высокой (до 30% объема) пористости анодной пленки и ее способности поглощать водные растворы.

Уплотнение анодных пленок проводится обработкой их горячей водой или растворами хроматов. В обоих случаях окись алюминия гидролизуется, увеличиваясь в объеме, и заполняет поры. Обработку в горячей воде ведут при температуре 95-100 °С в течение 20-30 мин. Хроматную обработку ведут в растворе, содержащем 80-100 г/л бихромата натрия или калия при температуре 80-90 °С в течение 10-15 мин. Анодная пленка приобретает при этом лимонно-желтый цвет.

Удаление дефектной анодной пленки без нарушения размеров детали производят в растворе, содержащем хромовый ангидрид CrO₃17-20 г/л и фосфорную кислоту H₃PO₄ 35 г/л. Температура 90-100 °С. Применяется также раствор едкого натра с концентрацией 100 r/л. Температура раствора 70-90 С.

При анодировании в щавелевокислом электролите получаются пленки, обладающие хорошими электроизоляционными свойствами. Они непрозрачны, окрашены в декоративные золотистые тона. В этом электролите можно обрабатывать литейные сплавы алюминия, содержащие до 5% меди или 4% кремния. Анодирование ведется на постоянном или переменной токе.

Анодирование постоянным током производят в электролите состава г/л:

Режим работы: температура электролита 15-25 °С, анодная плотность тока 1-2 А/дм 2 , напряжение на ванне 40-60 В (к концу электролиза достигает 60-70В).

Для получения твердых пленок с хорошими электроизоляционными свойствами их толщина должна быть не менее 25-40 мкм.

Вредными примесями, ухудшающими качество анодирования, являются хлор и алюминии. Их допустимая концентрация в электролите составляет соответственно 0,04 г/л и 30 г/л.

Хромовокислые электролиты анодирования рекомендуются для получения защитных анодных пленок на деталях сложной конфигурации, имеющих клепаные и сварные соединения. Анодные пленки, получаемые из этого электролита, бесцветны, отличаются повышенной коррозионной стойкостью (применяются без дополнительной обработки), малой пористостью, высокой пластичностью и эластичностью, но характеризуются меньшей твердостью и износостойкостью по сравнению с оксидными пленками из сернокислых и щавелевокислых электролитов.

Электролит содержит г/л:

хромовый ангидрид CrO₃ 90-100 г/л

Плотность тока до 2 А/дм 2 . Температура электролита 35-40 °С. Продолжительность процесса анодирования 50-60 мин. Напряжение на ванне составляет 40-50 В, затем постепенно повышается до 100 В.

Скорость формирования оксидной пленки значительно зависит от температуры электролита, которую нужно поддерживать с точностью ±2 °С. Анодная пленка в зависимости от марки сплава имеет цвет от серого до коричневого с толщиной 3-4 мкм.

В процессе анодирования в электролите накапливается алюминий, уменьшается концентрация свободной хромовой кислоты за счет ее связывания алюминием и катодного восстановления шестивалентных ионов хрома до трехвалентных.

Так как работоспособность электролита определяется содержанием свободной хромовой кислоты, то требуется периодическое корректирование электролита добавлением хромового ангидрида, концентрацию которого можно доводить до 250 г/л.

При анодировании в хромовокислом электролите используют катоды из нержавеющей стали Х18Н9Т или алюминия марки А0. Для уменьшения скорости побочного процесса катодного восстановления шестивалентных ионов хрома отношение поверхности катода к поверхности обрабатываемых деталей не должно превышать 5:1.

Вредной примесью при анодировании являются сульфат-ноны, они замедляют процесс анодирования и ухудшают качество получаемых пленок. При составлении электролита сульфат-ноны удаляют введением углекислого бария.

Анодирование алюминия

Обычно под анодированием алюминия подразумевают так называемое сернокислое анодирование – по химическому составу анодного раствора (электролита).

Сернокислое анодирование алюминия

К основными параметрами сернокислого анодирования алюминия и алюминиевых сплавов относятся:

• концентрация серной кислоты в анодном электролите;
• температура анодного раствора – раствора серной кислоты;
• плотность тока, поступающего через электролит на поверхность алюминиевого профиля.

Как влияют эти параметры на:

• рост толщины анодного покрытия,
• размеры пор,
• внешний вид анодированной поверхности?

Как влияет на качество анодирования химический состав алюминия и алюминиевых сплавов?

Как устроено анодное покрытие

Барьерный слой

Любое анодно-окисное покрытие (далее – анодное покрытие) состоит из двух слоев – относительно толстого пористого слоя и тонкого плотного слоя, который называют барьерным (рисунок 1). Толщина этого барьерного слоя зависит от состава электролита и технологических параметров. При анодировании барьерный слой образуется первым, и его толщина прямо зависит от величины напряжения анодирования.

Рисунок 1

Пористый слой

После того как барьерный слой сформирован, на его наружной стороне, если электролит обладает достаточной растворяющей способностью, начинает формироваться пористая кристаллическая структура. Механизм роста пор до сих пор является предметом дискуссий, однако, по мнению большинства ученых ее образование происходит за счет следующей причинно-следственной цепочки: локальное растворение барьерного слоя – повышение величины тока – увеличение температуры – повышение скорости растворения. Это взаимодействие влияний и приводит к образованию пор.

Окрашивание анодированного алюминия

Для получения цветного анодного покрытия применяют в основном два метода (рисунок 2):

• адсорбцию – пропитку пористого слоя красителями;
• электролитическое окрашивание – электрохимическое осаждение в поры различных металлов (олова, меди, марганца и др.).

Намного реже применяют так называемое интегральное окрашивание, которое обеспечивается специальным легированием алюминиевых сплавов. Окрашивание происходит за счет выпадения частиц в объеме пористого слоя, а не в порах.

Кроме того, в ограниченных объемах применяют так называемое интерференционное окрашивание: вариант электролитического окрашивания, который требует дополнительной ванны для расширения пор вблизи их дна.

Рисунок 2 – Методы цветного анодирования алюминия

Почему шестигранник?

В ходе своего роста анодные ячейки, включающие сами поры и окружающий ее оксид алюминия, образуют шестигранную структуру, которая, по-видимому, обеспечивает выполнение какого-то принципа минимальности энергии. Шестигранная форма анодных ячеек не зависит от типа электролита. Это явно указывает на то, что эта форма имеет чисто энергетическое происхождение.

Технология анодирования алюминия

Стандартное анодирование

Сернокислое анодирование алюминия и алюминиевых сплавов является наиболее распространенным. Иногда его называют стандартным.

• Концентрация серной кислоты в электролите составляет от 10 до 20 % по объему в зависимости от требований к покрытиям.
• Плотность тока составляет обычно от 1 до 2 А/дм 2 при напряжении от 12 до 20 вольт, температуре от 18 до 25 °С и длительности анодировании до 60 минут.

Скорость роста пор

На большинстве алюминиевых сплавов этот электролит дает бесцветное прозрачное анодное покрытие. При сернокислом анодировании скорость роста пор является постоянной при постоянной плотности тока. При плотности тока 1,3 А/дм 2 эта скорость составляет величину 0,4 мкм/мин. Поскольку толщина барьерного слоя остается постоянной, то это значит, что с такой же скоростью растворяется и дно поры.

Размеры анодной ячейки

Размеры анодных ячеек прямо зависят от параметров анодирования (таблица 1). С увеличением напряжения размеры анодной ячейки увеличиваются, а количество пор соответственно уменьшается. Соотношение между размером ячеек и напряжением приблизительно линейное, то есть чем больше напряжение, тем больше размеры ячейки.

Толщина анодного покрытия

Рост анодного покрытия

Толщина анодного покрытия увеличивается с увеличением длительности анодирования. Однако степень роста толщины зависит от нескольких факторов, таких как тип электролита, плотность тока, длительность обработки и т.д. Вначале происходит быстрое и постоянное увеличение фактической толщины, а затем начинается уменьшение скорости роста толщины, пока не наступит стадия, при которой толщина остается приблизительно постоянной, не смотря на продолжающуюся подачу электрического тока. Это связано с тем, что в ходе анодирования происходит как непрерывный рост толщины покрытия, так и его растворение под воздействием электролита (раствора серной кислоты).

Закон Фарадея

Фактическая толщина вычисляется как теоретическая толщина покрытия минус растворенная толщина оксида алюминия (рисунок 3). Теоретическая толщина является пропорциональной времени анодирования при постоянной плотности тока и определяется законом Фарадея, который говорит, что количество образовавшегося оксида пропорционально электрическому заряду, который прошел через анод.

Влияние химического состава алюминиевого сплава

Примеси

В принципе чистый алюминий анодируется лучше, чем его сплавы. Внешний вид анодного покрытия и его свойства (износостойкость, коррозионная стойкость и т.п.) зависят как от типа алюминиевого сплава, так и его так сказать металлургической биографии. Размер, форма и распределение интерметаллидных частиц также влияют на качество анодирования алюминиевого сплава. Химический состав алюминиевого сплава является весьма важным в некоторых изделиях, которые требуют блестящего анодирования, для получения которых необходимо, чтобы уровень нерастворимых частиц был как можно ниже.

Анодное покрытие на алюминии Al 99,99 будет чистым и прозрачным, а при уровне содержания железа 0,08 % оно уже не такое чистое и становится все более «облачным» с увеличением толщины покрытия. При уровне нерастворимых частиц как у алюминия 1050 (алюминий марки АД0) покрытие становиться совершенно «облачным» по сравнению с более чистым металлом. Из всех алюминиевых сплавов на сплавах серий 5ххх и 6ххх получаются самые лучшие декоративные и защитные покрытия. Некоторые сплавы серии 7ххх также дают чистые покрытия с хорошими функциональными свойствами. Цветные покрытия алюминиевых сплавов серии 2ххх обычно получаются низкого качества.

Интерметаллические частицы

Поведение интерметаллидных частиц при анодировании зависит от типа частиц и анодного раствора. Некоторые интерметаллидные соединения окисляются или растворяются быстрее, чем алюминий (например, частицы β-Al-Mg), что приводит к образованию пористой структуры. Другие интерметаллидные частицы, такие как частицы кремния, являются практически нерастворимыми при анодировании и поэтому выпадают в виде включений по толщине анодного покрытия. Промежуточными между двумя этими крайними случаями являются соединения (FeAl₃, α-Al-Fe-Si и т.д.), которые частично растворяются, а частично остаются в покрытии, что отрицательно влияет на качество покрытия, особенно цветного.

Влияние температуры анодирования

Влияние повышения температуры электролита пропорционально увеличению скорости растворения анодного покрытия, что в результате дает более тонкое, более пористое и более мягкое покрытие (рисунок 4).

Для получения так называемых твердых анодных покрытий применяют низкую температуру (от 0 до 10 °С) в комбинации с высокой плотностью тока (от 2 до 3,6 А/дм 2 ) и очень активным перемешиванием электролита. В декоративном и защитном анодировании алюминия и алюминиевых сплавов обычно применяется температура электролита от 15 до 25 ºС. Если температура поднимается выше, то максимально возможная толщина анодного слоя снижается до более низких величин из-за более высокой растворяющей способности электролита.

Влияние плотности тока анодирования

Интервал плотности тока стандартного сернокислого анодирования алюминия составляет от 1 до 2 А/дм 2 , в специальных случаях – 3 А/дм 2 . При плотности тока ниже этого интервала, получается мягкое, пористое и тонкое покрытие. С увеличением плотности тока покрытие формируется быстрее при относительно меньшем растворении его электролитом и соответственно с более твердым и менее пористым покрытием. При очень высокой плотности тока появляется тенденция к так называемым «прижогам» – возникновению чрезмерно высокого тока в локальных областях с их перегревом (рисунок 5).

Когда от анодного покрытия требуется хорошее и четкое отражение света, то применяют специальные условия анодирования с низкой плотностью тока около 1 А/дм 2 .

Влияние концентрации серной кислоты

Влияние увеличения концентрации серной кислоты на характеристики анодного покрытия на алюминиевых сплавах аналогичны влиянию повышения температуры, хотя влияние температуры является более сильным, чем влияние концентрации. Увеличение концентрации ограничивает максимальную толщину покрытия из-за более высокой растворяющей способности более концентрированного раствора (рисунок 6).

Рисунок 6