анодируемый алюминий что такое
Анодированный алюминий: что это и где применяется
Анодированный алюминий: что это и где применяется
Алюминий — это металл, который легко окисляется на воздухе. Процесс окисления создает на поверхности алюминиевого изделия оксидную пленку. Она оберегает металл от дальнейшего окисления, но не способна полноценно защитить алюминий от коррозии в силу своих небольших размеров. На основе этих свойств металла был разработан метод защиты алюминиевых деталей — анодирование. Методика предусматривает создание более прочного слоя пленки, чем при натуральном процессе, что положительно сказывается на свойствах товара.
Важным является то, что не любой сплав алюминия можно подвергнуть анодированию. Серия сплава может повлиять на конечные свойства продукта, поэтому к процессу подходят с особой внимательностью. Некоторые сплавы не подходят под данный процесс, так как образуют ненадежный слой или непривлекательный цвет. Лучше всего для создания надежного оксидного слоя подходят марки 5-7.
Материалы, защищенные от коррозии методом анодирования, приобретают ряд преимуществ:
Такие качества делают анодирование вариантом выбора для продления срока службы металлических профилей, что отразилось на вариативности технологии изготовления.
Как происходит анодирование алюминия?
Анодирование является химическим процессом, который требует последовательной работы. За основу взят принцип электрохимической диссоциации, где в качестве анода выступает непосредственно деталь, а в качестве катода — пластины свинца или химически чистый алюминий. Процесс происходит в гальванической ванне с участием серной кислоты, на которую подается электрический ток.
Концентрация кислоты достигает 20%, сила постоянного тока составляет 1-2 ампер на квадратный дециметр, переменного — до 3 ампер, а температура раствора составляет 20-22 градуса по Цельсию. Подвески, которые удерживают алюминий, должны быть выполнены из того же материала, что и изделие анода. Так как это не всегда возможно, то допускается использование алюминиевых и дюралевых сплавов. Катоды помещаются по бокам ванны, на расстоянии, в котором можно разместить достаточный объем электролитов. Площадь анодов должна соответствовать площади катодов.
Отметим, что места крепления подвесок могут не в полной мере подвергаться анодированию, поэтому стоит учитывать тот факт для чего будет использоваться изделие. После электролитной ванны металл обмывают проточной водой и обрабатывают 5% раствором аммиака. Это выполняют для нейтрализации поверхности изделия, после чего снова промывают проточной водой.
В целях улучшения качеств материала выполняют дополнительную обработку бихроматом натрия при температуре 95 градусов по Цельсию на протяжении получаса. Профиль при этом принимает характерный зеленовато-желтый цвет.
Процесс анодирования протекает довольно интенсивно, часто с появлением вспышек на поверхности изделия. Металл мгновенно расплавляется и окисляется, что позволяет электролиту под воздействием тока прочно припечатываться к основанию. Этот процесс определяет структуру поверхности алюминия, она становится ребристая, местами будто надколотая.
В анодировании помимо серной кислоты в качестве электролитов могут выступать и другие кислоты, которые могут придать алюминию уникальные характеристики:
Отметим, что при использовании кислот стоит регулярно вентилировать помещение, так как их пары могут быть опасны для здоровья человека.
Методика выполнения анодирования может отличаться не только используемыми электролитами, но и самим подходом к ее выполнению.
В производстве применяют три вида этой технологии:
Альтернативным методом является никель-фторидный метод. Он дает металлу еще больше антикоррозийных свойств, хотя при этом делает алюминий более мягким. Происходит процесс путем холодной сварки, которая подразумевает включение фторидного никеля в сплав к анодированному алюминию. Изначально поверхность изделия обладает порами, которые в процессе методики закрываются ионами фтора, вызывая сдвиг кислотно-щелочного баланса. Они в свою очередь притягивают ионы никеля, которые осаждаются в порах и тем самым образуют надежный за герметизированный слой пленки.
В процессе создания оксидной пленки используется значительное количество ядовитых веществ. Пары кислот, образованные во время электрохимической диссоциации несут наибольшую угрозу для персонала. Поэтому отметим, что анодировать металл необходимо в защитной одежде с использованием респираторов, а также не забывать вентилировать помещение. Теплая и холодная методика выполнима в домашних условиях, с соблюдением всех норм безопасности.
Проводить мероприятия лучше на открытом воздухе с использованием масок и перчаток. В случае попадания кислоты на кожу, обработайте место раствором соды, а в случае попадания на слизистые глаз и ротовой полости стоит немедленно обратиться к медицинским специалистам. Отдельно выделим, что в процессе применяется ток высокого напряжения, поэтому стоит обезопасить себя и окружающих изоляционными конструкциями.
Где используется анодированный алюминий
Анодированный алюминий известен человечеству более пятидесяти лет, что отражается на сферах применения металлопроката из него.
Анодированная поверхность обладает адгезивными свойствами, позволяя использовать её как основу для краски. Является первым промышленным применением таких изделий. Например, начиная с середины двадцатого века анодированные профили применяются в военно-воздушной отрасли Великобритании, где на основе электролитных свойств алюминия выполнялись фюзеляжи самолетов. На сегодня без анодирования не обходится окраска кораблей, автомобилей, поездов. Такие покрытия имеют долгий срок службы, а также справляются с воздействиями соленой воды, механических и термических сил.
Применяют его и в качестве элементов отделки окон, дверей, фасадов, перегородок и перил. Такие изделия находят свое место в гражданском авиастроении, где требуются детали с антикоррозийными свойствами без дополнительного окрашивания. Являются неотъемлемой частью морской отрасли, где условия воздействия коррозии приведены к максимуму. Из анодированных профилей выполняют корпуса кораблей, которые расположены ниже ватерлинии, а также бортовые краны, лопасти суден и якори. Говоря о военной отрасли, отметим использование таких материалов в бронемобилях.
Анодированные детали могут обладать различными цветовыми характеристиками в зависимости от применяемой технологии. Эта особенность позволяет применять алюминий в дизайнерских целях, для обустройства фасадов и элементов наружной отделки. Также можно встретить отполированные реечные полки, имитирующие цвет золота, меди или серебра.
Раньше алюминиевые изделия, которые не подвергались анодированной обработке, часто вызывали жалобы у рабочих на то, что после работы с ними остаются серые следы на пальцах. Такая проблема встречалась в текстильных цехах еще с середины двадцатого века. Это связывали с тем, что вязальные спицы имели большие поры, которые забиваются пылью и грязью. С использованием анодированного металла проблема была устранена, ведь изделие получило заполнение пор.
Прожекторы также покрываются алюминиевым слоем для отражения лучей света. Заводское изделие обладает необходимыми свойствами, которые предотвращают рассеивание луча, но постепенное воздействие коррозии изменяет этот показатель, что снижает эффективность прожектора. Использование анодированных листов помогает избежать преждевременной утраты полезного действия. Также такие материалы легче подвергаются чистке, что упрощает эксплуатацию изделия.
Что касается сферы тепловых отражателей, то анодированный металл отлично подходит для нагревательных рефракторов. Такие устройства увеличивают свою эффективность за счет отражающих свойств алюминия. Помимо систем нагрева, анодный алюминий встречается и в охлаждающих кулерах. Такие устройства можно встретить в видеокартах, которые обрабатываются черным цветом, чтобы избежать чрезмерного выделения тепла и как следствие перегрева системы.
В конце двадцатого века в автомобилестроении начали переходить от пластиковых поршней цилиндров двигателей в сторону более прочных материалов. Одним из таких стал анодный алюминий, который лучше справляется с нагревом, возникающим в результате трения, а также менее требователен к маслу, ведь подвержен гидротермической гидратации.
Срок службы двигателей стал больше, так как алюминиевые цилиндры и поршни отличались высокой износостойкостью. Наличие зазубрин на поверхности цилиндра не всегда приводило к капитальному ремонту двигателя, так как запас прочности поршня оставался неизменным. Твердое анодное покрытие и сейчас используется в конструировании подвески, а также в несущих элементах кузова — лонжеронах.
Оксидное покрытие обладает способностью изолировать ток, но так как пленка может быть нанесена неравномерно, то существует опасность пробоя тока. Из-за этого анодированный алюминий редко применяют в целях изоляции, но часто используют как элемент трансформатора, чтобы облегчить его вес.
Алюминий — легкий металл, обладающий высокой прочностью, что помогает создавать из него билборды. Отражающая способность позволяет применять изделие для установки дорожных знаков, а также ограничительных элементов дороги.
Анодированный алюминий также применяют для обустройства жилых сооружений, так как способен выдерживать большие нагрузки. Изделия из такого материала также применяются для украшения тканей, могут быть элементами холста картин или рамами для них.
В бытовой технике алюминий может выступать как декоративным элементом, так и функциональным — например, в микроволновых печах и холодильниках для поддержания постоянной температуры во время работы. Ещё одно применение анодированного алюминия — создание светоотражающих полос на защитных жилетах сотрудников полиции и дорожных служб.
Анодирование алюминия — технологический процесс, который придает металлу уникальные свойства. Алюминий становится прочным, стойким к действию окружающей среды, и может быть востребованным, в том числе и для создания различного декора. Методика является простой — её можно повторить в бытовых условиях при условии строгого соблюдения всех норм безопасности. Такая продукция востребована более половины столетия и служит примером того, как знание химических процессов позволяет улучшать жизнь человека, а также открыть новые возможности.
Механизм и технология анодирования Ан.окс. Структура и свойства оксида алюминия в покрытии.
Содержание:
1. 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).
6-40мкм (для Ан.окс.тв толщина выше)
Микротвердость (зависит от марки сплава алюминия)
Удельное электрическое сопротивление при 18 о C
Допустимая рабочая температура
100 о C (возможно увеличение при наполнении красителями)
Анодно-оксидные покрытия разделяют на следующие группы:
В качестве электролитов применяются:
Выделяющиеся на аноде продукты реакции могут:
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.
2. Состав и структура оксида алюминия в покрытии после покрытия.
Аноднооксдные покрытия на алюминии могут быть тонкими беспористыми и толстыми пористыми.
При получении тонких покрытий в слабых малоагрессивных электролитах, на поверхности металла образуется оксид по реакции:
Иллюстрация реакции приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема образования тонкой оксидной плёнки в малоагрессивных электролитах.
Структура толстого пористого аноднооксидного покрытия подтверждается результатами электрохимической импедансной спектроскопии (рисунок 4).
На графиках модуля Боде прослеживается следующие области:
Эквивалентная электрическая схема пористого аноднооксидного покрытия с уплотнением в воде приведена на рисунке 5.
Что касается состава анодно-оксидных покрытий, то тонкие беспористые пленки представляют собой в основном безводный оксид алюминия, который в чистом виде располагается у границы с металлом. В покрытия такого типа внедряется от 0,6 до 20% борного ангидрида (электролиты с борной кислотой), а также значительное количество других ионов. На границе раздела оксид-электролит находят небольшую часть гидратированного оксида Al2O3*H2O (бемит).
Толстые пористые анодно-оксидные покрытия состоят в основном из аморфного оксида алюминия и, частично, γ-Al2O3. В ходе гидратации оксида, за счет поступления электролита по порам к их дну, может происходить как физическая адсорбция воды, так и образование фазы бемита Al2O3*H2O или байерита Al2O3*3H2O. Общее содержание воды в покрытиях, полученных из сульфатных электролитов, достигает 15%, барьерный слой при этом может содержать воды до 2%. Гидратация стенок усиливается от дна к устью. Большинство исследователей склоняется к мнению, что вода в покрытии химически не связана, за исключением поверхностных слоев, где она входит в состав бемита.
Примеси металлов, содержащиеся в сплавах алюминия, в большинстве своем остаются в оксидной пленке (железо, медь, кремний, магний, кальций). Цинк и титан присутствуют в виде следов с содержанием 0,1%.
В цветных оксидных пленках обнаруживаются включения углерода, серы и их оксидные соединения, которые и придают окраску.
Большая часть ионов не удаляется из покрытия ни длительной промывкой водой при высокой температуре, ни использованием других растворителей. Такая высокая прочность связи ионов с веществом анодной пленки при отсутствии простых стехиометрических соотношений между внедрившимся ионом и оксидом алюминия свидетельствует о внедрении ионов в элементарные образования пленки. По-видимому, часть анионов удерживается капиллярными силами в порах покрытия, другая часть химически связана со стенками пористого слоя.
Как видно из рисунков 4 и 5 после анодирования на поверхности алюминия исчезают микронеровности, вызванные механической обработкой. При этом формируется плотная пористая оксидная пленка.
Если разделить пористый и барьерные слои, то можно увидеть седующую картину (рисунок 8):
3. Теории образования пленок оксида алюминия при анодировании.
Существуют две теории образования и роста анодно-оксидных покрытий: структурно-геометрическая и коллоидно-электрохимическая.
3.1 Структурно-геометрическая теория (ячейки Келлера).
С позиции этой теории при наложении на алюминиевый электрод анодного напряжения (т.е подключение его к «плюсу») сначала формируется компактная оксидная пленка (барьерный слой толщиной 1-1,1 нм/В), имеющая гексоганальную ячеистую структуру, причем растущее покрытие будет повторять ее.
Наружная часть ячеек в агрессивных электролитах, растворяющих оксид, начинает разрушаться в дефектных местах и превращаться в пористое покрытие. Разрушение барьерного слоя, приводящее к образованию поры, протекает, по мнению одних исследователей, в центре ячейки, по мнению других – в местах стыка ячеек.
Рост анодно-оксидного слоя происходит на дне образовавшихся пор за счет превращения все более глубоких слоев металла в оксид. В дальнейшем под действием электролита оксид, образующий стенки ячеек, гидратируется. При этом происходит адсорбция воды, анионов электролита и продуктов анодной реакции.
3.2 Коллоидно-электрохимическая теория Богоявленского.
Наличие в составе оксидного слоя анионов электролита заставило ученых связать рост и особенности его строения с коллоидной структурой.
Адсорбция анионов и воды, осуществляемая по межмицеллярным порам, обуславливает отрицательный заряд монон и мицелл, заставляя их плотно прижиматься к аноду и сращиваться с металлом, препятствуя слиянию мицелл в беспористый слой. Поры при таком рассмотрении представляют собой естественное межмицеллярное пространство.
Наряду с процессами образования мицеллярных слоев с участием анионов протекают сопряженные процессы растворения образующегося оксида.
Интересно отметить, что размеры ячеек Келлера близки размерам мицелл геля Al(OH)3. Толкование механизма роста анодной пленки с позиций коллоидной химии позволяет объяснить внедрение в ее структуру анионов и катионов электролита и отдельных составляющих оксидируемого сплава. При этом сопряжение процессов образования оксида и его растворения в электролите также учитывается коллоидной теорией.
3.3 Современные исследования структуры покрытия.
Теперь следует заметить, что структура анодированного алюминия, на самом деле, может быть весьма далека от идеальной, описанной в теории. В частности теория говорит о правильных гексагональных ячейках, в центре которых находится одна пора. На самом деле, получить такую структуру можно только специальными методами, например, многостадийным анодированием в определенных режима. Примеры таких «правильных» покрытий приведены на рисунке 11. Более глубокое описание наноструктурированного аноднооксидного покрытия выходит за рамки этой статьи.
Чаще же можно наблюдать более «грязные» варианты. Примеры их были показаны в начале статьи.
Кроме этого, теории не предполагают возможности ветвления пор, что наблюдается в действительности.
4. Особенности роста оксида алюминия при анодировании.
Формирование оксидного слоя протекает на дне пор, где препятствием для прохождения электрического тока служит только тонкий барьерный слой, толщина которого практически не меняется в процессе обработки. С этой точки зрения можно наращивать толщину оксидного слоя без существенного увеличения напряжения на ванне. Образующиеся поры имеют форму конуса, расширяющегося к внешней стороне покрытия, поскольку эта часть дольше подвергается агрессивному воздействию электролита.
Необходимо отметить, что формирование пористой структуры является необходимым условием роста оксидного слоя. Оксид алюминия является плохим проводником электричества, а поры, хотя и заполнены электролитом, имеют весьма малый диаметр, поэтому сопротивление анода во много раз выше сопротивления на катоде и сопротивления электролита. Изменение потенциалов самих электродов вследствие поляризации незначительно по сравнению с прикладываемым напряжением, поэтому изменение напряжения во времени при постоянной плотности тока определяется изменением омического сопротивления анода.
Если проводить процесс при постоянной плотности тока, т.е. при постоянной скорости формирования оксида, то рост пленки будет тормозиться возрастающим сопротивлением электролита в порах. Для дальнейшего роста требуется либо увеличение прилагаемого напряжения, либо растравливание пор. На практике преобладает второй фактор. Этому способствует значительное выделение теплоты в процессе анодного окисления, причем основная часть тепла выделяется в барьерном слое на дне пор. Считается, что при анодном оксидировании в 15% серной кислоте при 21°С и плотности тока 1,29 А/дм 2 условия, создающиеся у основания пор, соответствуют 53% раствору серной кислоты при температуре, близкой к кипению (около 128 °С). Температура анода при этом повышается на 10-20° в зависимости от условий проведения процесса. Поэтому рост оксидной пленки при постоянной плотности тока сопровождается непрерывным увеличением скорости растворения оксида. Предельная толщина пленки достигается тогда, когда скорость ее образования под действием электрического тока станет равна скорости химического растворения электролитом. Чрезмерный перегрев электролита у основания пор и местное повышение его агрессивности может привести к растравливанию оксидного слоя и получению некачественных покрытий с повышенной пористостью и слабой адгезии к металлу.
Скорость растворения оксидной пленки в серной кислоте увеличивается с ростом температуры, при этом энергия активации растворения анодной пленки оценивается в 17 ккал/моль, что указывает на контроль скорости кинетическими стадиями химического процесса растворения. Скорость химического растворения оксида алюминия сравнительно велика, особенно в агрессивных растворах серной кислоты.
Усиленное растворение оксида стимулируют повышение концентрации агрессивной кислоты, температуры и продолжительности процесса:
Растворение оксида выражается не только в стравливании поверхностного слоя формирующегося покрытия, но и в увеличении его пористости. Присутствие в алюминиевых сплавах меди и магния также несколько увеличивает скорость растворения оксида в серной кислоте.
Таким образом, соотношение скоростей формирования оксида и его химического растворения предопределяет и толщину и структуру получаемых анодно-окисных покрытий на алюминии.
Ввиду того, что образующийся оксидный слой имеет высокое сопротивление, электрический ток в процессе оксидирования автоматически перераспределяется на те участки, где сопротивление меньше. Тем самым создаются условия для получения равномерного по толщине оксидного слоя на деталях сложной конфигурации. Поэтому рассеивающая способность электролитов для анодного оксидирования алюминия и его сплавов весьма высока. Однако следует учитывать, что при недостаточном отводе тепла от формирующегося покрытия возникает возможность локального растравливания отдельных участков покрытия, которая не будет компенсирована увеличением на этих участках плотности тока. Это приведет к локальным дефектам покрытия, вплоть до полного его отсутствия. Постепенно неудовлетворительные условия для формирования покрытия могут охватить и всю деталь.
Из-за частичного растворения металла основы при анодном оксидировании выход по току всегда меньше 100%. Он уменьшается с ростом температуры и продолжительности электролиза. Например, при оксидировании сплава Д16 в серной кислоте при температуре 7°С выход по току практически не зависит от времени и составляет 85%, но если процесс вести при 20°С, то выход по току падает с 50-60% в течение первых 20 мин до 15-30% при оксидировании в течение 90 мин. Расход электричества на газовыделение невелик и при умеренных плотностях тока (до 1-2 А/дм 2 ) не превышает нескольких процентов, но может возрастать при увеличении плотности тока и количества легирующих элементов в обрабатываемом сплаве.
5. Свойства оксидных покрытий на анодированном алюминии.
5.1 Коррозионная стойкость и пористость.
Аноднооксидное покрытие на поверхности алюминия и его сплавов благотворно сказывается на его коррозионной стойкости во многих средах, где оксид более стоек, чем основной металл. Оно успешно защищают алюминий от атмосферной коррозии, в нейтральных и слабокислых растворах неорганических солей:
На рисунке 12 показаны коррозионные кривые для чистого алюминия и алюминия с аноднооксидными покрытиями.
Для чистого алюминия коррозионное сопротивление составляет 0,5953 кОм, ток коррозии 130,86 мА. После анодирования коррозионное сопротивление возрастает до 24,216 кОм, а ток коррозии падает до 7,494 мА.
По данным коррозионных кривых можно заметить, что потенциал коррозии смещается в отрицательную область в ряду SSA, IC, BD, EC, чистый Al. В этом же ряду снижается и коррозионная стойкость алюминия.
Скорость атмосферной коррозии чистого алюминия составляет 0,4284 мм/год. После анодирования скорость коррозии снижается до 0,0817 мм/год.
Микроизображения поверхности анодированного алюминия с различными видами уплотнения и наполнения до и после коррозии приведены на рисунке 13.
Исходя из практики минимальная толщина оксидных покрытий, обеспечивающих защиту изделий, выбирается согласно условиям эксплуатации:
Наилучшая коррозионная стойкость отмечена для покрытий, полученных на чистом алюминии.
Добавление к алюминию меди, кремния, железа, магния, марганца улучшают механические свойства сплава, но ухудшают защитную способность получаемых оксидных покрытий. Кремний и интерметаллид Al6Mg окисляются гораздо медленнее, чем алюминий, и остаются в виде вкраплений в покрытии. Напротив, интерметаллиды Al3Mg2, Al2Cu, CuAl2, CrAl7, Co2Al9, Co2Al5,Co4Al13, Al7CuFe, Al6CuNi легко разрушаются и увеличивают пористость покрытия. Так, коррозионная стойкость покрытий толщиной 2,5-10 мкм, полученных на сплаве АД1 в 6-7 раз выше, чем покрытий на сплавах 1915 и АД31, и в 2-3 раза выше, чем покрытий на сплаве АМг2АП. Увеличение толщины покрытий до 15 мкм сглаживает эти различия.
Коррозионная стойкость оксидных покрытий повышается при увеличении толщины барьерного слоя, на долю которого приходится примерно 1/3 оказываемого сопротивления коррозии. Вместе с тем наращивание толщины пористой части покрытия благотворно сказывается на их коррозионной стойкости только в случае сравнительно тонких покрытий, тогда как дальнейшее увеличение толщины сопровождается увеличением диаметра пор и снижением защитных свойств.
Пористость покрытий, полученных при различных условиях, приведена в таблице ниже: