Анодное оксидирование алюминия и его сплавов

Анодное оксидирование алюминия и его сплавов для получения качественных гальванических покрытий Текст научной статьи по специальности « Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Девяткина Татьяна Игоревна, Спасская Маргарита Михайловна, Москвичев Александр Николаевич, Рогожин Вячеслав Вячеславович, Михаленко Михаил Григорьевич

Показана возможность применения метода анодирования алюминия и его сплавов с целью последующего нанесения гальванопокрытий с высокой адгезией, взамен известной цинкатной обработки с дополнительным отжигом. Определен оптимальный режим анодирования. Рассчитаны параметры анодной пленки (толщина, пористость, шероховатость). Показана устойчивость анодной пленки к растворению в электролитах меднения и никелирования.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Девяткина Татьяна Игоревна, Спасская Маргарита Михайловна, Москвичев Александр Николаевич, Рогожин Вячеслав Вячеславович, Михаленко Михаил Григорьевич

ANODIC OXIDATION OF ALUMINUM AND ITS ALLOYS TO PRODUCE QUALITY ELECTROPLATED COATINGS

The article shows a possibility to apply the anodic oxidation of aluminum and its alloys to produce electroplated coatings with high adhesion, instead of the well-known zincate treatment with additional annealing. An optimum anodic oxidation regime is determined and anodic film parameters (thickness, porosity, roughness) are calculated. The stability of the films against dissolution in copper and nickel plating electrolytes is demonstrated.

Текст научной работы на тему «Анодное оксидирование алюминия и его сплавов для получения качественных гальванических покрытий»

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, №4 (1), с. 109-114

АНОДНОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

© 2013 г. Т.И. Девяткина, М.М. Спасская, А.Н. Москвичев,2 В.В. Рогожин,1

1 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

2 Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Птртупкла в редакцкю 17.10.2012

Показана возможность применения метода анодирования алюминия и его сплавов с целью последующего нанесения гальванопокрытий с высокой адгезией, взамен известной цинкатной обработки с дополнительным отжигом. Определен оптимальный режим анодирования. Рассчитаны параметры анодной пленки (толщина, пористость, шероховатость). Показана устойчивость анодной пленки к растворению в электролитах меднения и никелирования.

Ключевые рлтва: анодное оксидирование, алюминий и его сплавы, цинкатная обработка, плотность тока, время анодирования, характеристики анодной пленки (толщина, пористость).

В ряде отраслей промышленности требуется проводить нанесение гальванических покрытий на изделия из алюминия и его сплавов. Этот процесс связан с рядом проблем, обусловленных отрицательным значением потенциала таких основ, что приводит к контактному выделению металлов, имеющих более положительное значение потенциала и, соответственно, к низкому значению адгезии покрытия с основой.

Для повышения адгезии покрытий на алюминиевых деталях предлагается специальная подготовка поверхности, к которой можно отнести цинкатную обработку и процесс анодирования. В настоящее время на действующих производствах в основном применяется цинкат-ная обработка, которая требует соблюдения точных концентраций компонентов электролитов, временного режима и сопровождается обязательной термообработкой после нанесения гальванопокрытий. Часто цинкатная обработка не дает возможности получать покрытия, прочно сцепленные с основой, и после отжига в вакуумных печах выявляется достаточно высокий процент брака, сопровождающийся отслоением покрытий от основы деталей.

Разнообразие свойств пленок, получаемых при анодном окислении алюминия, обусловливает широкие возможности использования их при решении различных задач, связанных с обработкой поверхности данного металла. Анодные оксидные пленки находят применение для защиты металла от коррозии и истирания, для декоративной отделки, как грунт для нанесения лакокрасочных покрытий, для электрической и тепловой изоляции, для нанесения гальванических покрытий. Этот процесс позволяет полу-

чить подслой, состоящий из оксида алюминия необходимой толщины (не менее 3 мкм), с достаточно развитой системой пор для последующего нанесения гальванопокрытия [1].

При выборе электролита и режимов работы необходимо учитывать зависимость толщины пленки от анодной плотности тока и времени анодирования. Характер изменения толщины оксидной пленки в процессе анодирования связан с уменьшением скорости роста пленки оксида (1) вследствие увеличения скоростей ее растворения (2) и выделения кислорода (3):

2А1 + 3^0^ АЬ03 + 6Н+ + 6е- (1)

АЬ03 + 3Н2$0^ АЬ№)3 + 3Н20 (2)

2Н2О – 4е- ^ 4Н+ + О2 (3)

Качественные гальванические покрытия получают при осаждении их на анодную пленку, сформированную в растворе ортофосфорной кислоты концентрацией 350-670 г/дм3 при температуре 18—30оС и плотности тока 1-2 А/дм2, в течение 5—15 минут [2]. Существенным недостатком процесса анодирования в орто-фосфорной кислоте является его большая чувствительность к малейшим изменениям в составе обрабатываемых сплавов, что ограничивает области его применения. Более универсальным является электролит, содержащий смесь 15 об.% H2SO4 и 15 об.% Н3Р04 [3]. Такой электролит позволяет проводить анодирование практически всех алюминиевых сплавов.

Нами для получения анодных оксидных пленок на алюминиевых сплавах марок АД31, АМг2 были использованы 30% раствор орто-фосфорной кислоты и электролит, содержащий смесь 15 об.% Н3Р04 и 15 об.% H2SO4.

Рис. 1. Зависимость напряжения на ванне от времени анодирования: 1 – ортофосфорная кислота, / = 35— 40°С; 2 — смесь кислот, t = 18—21°С; 3 — смесь кислот, t = 35—40°С; 4 — ортофосфорная кислота, t = 18—21°С

Рис. 2. Изменение толщины оксидной пленки в зависимости от времени и вида электролита. Условия анодной обработки: 1 — 15% Н^04 + 15% Н3РО4, t = 18—21°С; 2 — 15% Н^04 + 15% Н3РО4, t = 35— 40°С; 3 — 30% Н3РО4, t = 35—40°С. Анодная плотность тока 2 А/дм2

Было выявлено, что при комнатной температуре (20°С) анодирование в ортофосфорной кислоте происходит при достаточно высоких напряжениях на ванне (50—60 В) (рис. 1). В этом электролите растущая оксидная пленка легче растворяется, чем в серной кислоте, что приводит к снижению ее толщины и увеличению пористости. В то же время первоначальный беспо-ристый барьерный слой оксида толще, чем в пленке, полученной в растворе серной кислоты, вследствие чего процесс анодного оксидирования протекает при более высоком напряжении [2], что требует использования специального оборудования. Применение же электролита, содержащего в своем составе смесь серной и ортофосфорной кислот, позволяет в значительной мере снизить напряжение до 16—20 В, т.е. в 3—4 раза.

Существенное влияние на процесс анодирования оказывает рабочая температура электролита. При комнатной температуре в начальный момент времени напряжение резко возрастает, что связано с образованием на поверхности металла плотного барьерного слоя. Далее с течением времени происходит снижение напряжения из-за увеличения скорости растворения слоя и его пористости за счет выделения джоулевого тепла.

Если вести анодирование при температуре 35—40оС, наблюдается значительное снижение напряжения на ванне (до 6—9 В) по сравнению с процессом анодирования при комнатной температуре, что значительно снижает энергозатраты. Однако снижение напряжения в растворе орто-фосфорной кислоты наблюдается в значительно меньшей степени. В этом случае оно остается высоким и составляет 15—20 В.

Критерием качественного сцепления гальванопокрытия с алюминиевой основой является толщина оксидной пленки. Согласно [1], она должна составлять не менее 3 мкм.

Как показали исследования, в растворах 30% Н3Р04 и смеси, содержащей 15 об.% Н3Р04 и 15 об.% Н^04 при повышенных температурах (35—40оС) толщина оксида не превышает 0.2—1.0 мкм, что не может обеспечить качественной адгезии покрытия с основой. Такая малая толщина пленки обусловлена, по нашему мнению, усилением травящего действия на нее кислот. Как видно из рис. 2, значительная толщина пленки наблюдается только в случае анодирования при комнатной температуре в растворе, содержащем 15 об.% Н3Р04 и 15 об.% Н^04. В двух других случаях наблюдается незначительное изменение толщины, что, по нашему мнению, объясняется значительным превышением скорости травления пленки над скоростью ее образования.

Читайте также:
Абсорбционный холодильник своими руками

Толщину пленки оценивали и капельным методом [4]. Было выявлено, что максимальная толщина оксидной пленки (максимальное время позеленения в растворе бихромата калия) наблюдается в случае анодного оксидирования в смеси кислот при комнатной температуре.

Скорость электрохимического образования оксидной пленки должна возрастать пропорционально плотности тока, при этом скорость химического растворения должна оставаться неизменной. Поэтому увеличение плотности тока должно было бы повышать скорость роста пленки и снижать ее пористость. В действительности наблюдается более сложная зависи-

Рис. 3. Зависимость толщины оксидной пленки от Рис. 4. Зависимость выхода по току для оксидной пленки

времени анодирования при различных плотностях (Вток) от времени анодирования при различных

тока в электролите, содержащем смесь кислот при плотностях тока в электролите, содержащем смесь кислот

комнатной температуре: 1 — 2, 2 — 3, 3 — 1, 4 — 0.5 при комнатной температуре: 1 — 1, 2 — 0.5, 3 — 2, 4 — 3

Результаты расчета параметров оксидных пленок___________________________________

Электролит и режим анодирования Средний размер зерна, мкм Средний размер пор, мкм Средний размер блока, мкм Пористость, %

30% Н3РО4 jа = 2 А/дм2, t = 40оС, 15 мин 19.1 6.2 60-75 32.57

15% Н2804+15% Н3РО4, = 2 А/дм2, t = 20оС, 5 мин 6.21 2.67 85-95 7.3

15% Н2804+15% Н3РО4, jа = 2 А/дм2, t = 40оС, 5 мин 3.68 2.91 80-82 10.25

Исходное состояние (естественная пленка) 6.9 1.9 80-90 1.4

мость, т.к. увеличение плотности тока вызывает повышение температуры в зоне роста пленки вследствие выделения джоулева тепла.

В результате проведенных исследований было выявлено, что при малых плотностях тока (до 1 А/дм2) толщина пленки слишком мала (до 1-1.5 мкм) и не может обеспечить качественного сцепления гальванопокрытия с основой (рис. 3).

Одновременно при выборе оптимального токового режима анодирования необходимо учитывать также величину выхода по току для образования оксида (Вток) (рис. 4). Показано, что наибольшее значение Вток наблюдается в первые 5-7 минут анодирования при всех плотностях тока.

На основании этого были определены оптимальные режимы анодирования алюминиевых сплавов. Процесс рекомендуется проводить при анодной плотности тока 2 А/дм2 и времени анодирования 5-7 минут.

Немаловажное значение для обеспечения адгезии гальванопокрытия имеют структура и пористость полученной оксидной пленки.

Микроструктура пленок (рис. 5) определялась с применением лабораторного микроскопа TESCAN Vega II при увеличении в 2000 раз. По полученным данным и в соответствии с мето-

дикой, описанной в работе [5], была рассчитана пористость оксидных пленок (табл. 1).

Структура пленок (естественная и полученные после анодной обработки в различных электролитах) представляет сферические контуры зерен с ярко выраженными границами. Зерна сформированы в блоки, средний размер которых составляет 80-90 мкм при среднем размере зерна 6.9 мкм (рис. 5). На поверхности исходного материала имеется слабо выраженная пористость, которая составляет 1.4 ± 0.5%. Поры (черные пятна) расположены на поверхности зерен, при полном их отсутствии на границах блоков.

При анодной обработке в смеси кислот при 40оС наблюдается уменьшение размеров зерен и увеличение пористости пленки, связанных с травящим действием на нее серной кислоты. Максимальная пористость наблюдается при анодировании при повышенной температуре в растворе ортофосфорной кислоты. В случае же анодирования в смеси кислот при комнатной температуре пленка обладает незначительной пористостью и получается более плотной.

Рис. 5. Фотографии микроструктуры оксидных пленок: а — чистый алюминий; условия анодной обработки: б — 15% ^04 + 15% Н3РО4, г = 20°С; в — 15% Н^04 + 15% Н3РО4, г = 35—40°С; г — 30% Н3РО4, г = 35—40°С

Определение класса чистоты поверхности анодированных алюминиевых сплавов

№ Электролит анодирования Режимы обработки Яа, мкм Класс чистоты поверхности

1 15% Н^04+15% Н3РО4 7а = 2 А/дм2, г = 35—40оС, т = 5 мин 4.03 5

2 15% Н^04+15% Н3РО4 7а = 2 А/дм2, г = 18—20оС, т = 5 мин 2.11 6

3 30% Н3РО4 7а = 2 А/дм2, г = 35—40оС, т = 15 мин 2.08 6

На рис. 6 представлены фотографии оксидных пленок, полученных при анодировании в течение 6 минут при различных плотностях тока и комнатной температуре в электролите, содержащем смесь кислот. Для этого варианта пористость дополнительно оценивали методом декорирования в разбавленном электролите меднения при плотности тока 0.3 А/дм2 в течении 1 минуты [4]. Выявлено, что наибольшей пористостью обладает пленка, полученная при низких плотностях тока (0.5 А/дм2) (рис. 6а). По нашему мнению, это связано с более низкой скоростью образования оксидной пленки по уравнению (1) по сравнению со скоростью ее

растворения по уравнению (2). Толщина оксидной пленки (менее 1 мкм), полученной при данной плотности тока, не обеспечивает прочного сцепления гальванопокрытия с основой детали. С увеличением плотности тока пористость несколько снижается и при плотности тока 3 А/дм2 она минимальна (рис. 6г). Существенной разницы между пористостью пленок, полученных при 1 и 2 А/дм2, не наблюдается.

В работе [1] было показано, что прочность сцепления осадка с основой определяется также микрошероховатостью пленки и устойчивостью ее в электролите. Для исследования микрошероховатости пленок были сняты профилограм-

Рис. 6. Пористость оксидных пленок, полученных в течение 6 минут при различных плотностях тока в электролите, содержащем смесь кислот при комнатной температуре, определенная методом декорирования: а – 0.5, б – 1, в – 2, г – 3 А/дм2

Рис. 7. Изменение поляризации алюминиевого катода с анодными пленками в сернокислом электролите меднения. Условия анодной обработки: 1 – 15% Н^04 + 15% Н3РО4, t = 20°С; 2 – 15% Н^04 + 15% Н3РО4, t = 35-40°С; 3 – 30% Н3РО4, t = 35-40°С

мы на профилографе типа 252, по которым определили величину Ra и класс чистоты поверхности (табл. 2).

Из представленных результатов видно, что при анодировании в растворе ортофосфорной кислоты и в электролите, содержащем смесь кислот (при комнатной температуре), поверхность образцов получилась более гладкая ^а = = 2.08-2.11 мкм), чем при анодировании в смеси кислот при температуре 35-40оС ^а = 4.03 мкм). По нашему мнению, это может объясняться большим травящим действием серной кислоты при повышенных температурах. Такая «взрыхленная» поверхность образца может стать причи-

ной ухудшения функциональных свойств любого покрытия (например его электропроводности) вследствие высокой шероховатости.

Другим фактором, определяющим прочность сцепления покрытия с основой, является устойчивость оксидной пленки к растворению в электролитах нанесения гальванопокрытий (например меднения). Устойчивость пленок в электролитах меднения определялась методом снятия кривых «поляризация-время» (рис. 7). Вид кривых указывает на то, что анодная пленка, полученная в электролите, содержащем смесь кислот (при комнатной температуре), является более устойчивой, о чем говорит наименьшее

смещение в отрицательном направлении потенциала анодированного образца. Наиболее значительное изменение поляризации наблюдается на образце, предварительно анодированном в ортофосфорной кислоте. Это свидетельствует об изменении состава пленки вследствие контактного обмена.

Осажденные на анодированный алюминий медные и никелевые гальванопокрытия подвергались исследованию на адгезию методами отжига и сеток [4]. На всех 15 образцах при нанесении сетки царапин и при отжиге в вакуумной печи при температуре 2000С отслоения покрытий не наблюдалось. При этом качество покрытия оставалось высоким. Таким образом, предлагаемый электролит, состоящий из смеси кислот (серной и ортофосфорной) и подобранный режим работы (температура, анодная плотность тока и время) позволяют получить оксидную пленку необходимой толщины для нанесения качественных гальванопокрытий, прочно сцеп-

Читайте также:
Бурим дыры под столбы своими руками

ленных с алюминиевой основой, без дополнительной термообработки.

1. Худяков В.Л. Опыт применения анодных окис-ных пленок при хромировании алюминия // В кн.: Анодная защита металлов: Докл. 1-й межвуз. конф. / Под ред. А.Ф. Богоявленского. М.: Машиностроение, 1964. С. 292-309.

2. Лайнер В.И. Гальванические покрытия легких сплавов. М.: Металлургиздат, 1959. 138 с.

3. Ажогин Ф.Ф., Беленький М.А. и др. Гальванотехника. Справ. изд. М.: Металлургия, 1987. 736 с.

4. ГОСТ 9.302-88. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля // В кн.: Защита от коррозии. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. М.: Изд-во стандартов, 1990. 467 с.

5. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М: Изд-во «Металлургия», 1976. 270 с.

ANODIC OXIDATION OF ALUMINUM AND ITS ALLOYS TO PRODUCE QUALITY ELECTROPLATED COATINGS

T.I. Devyatkina, M.M. Spasskaya, A.N. Moskvichev, V. V. Rogozhin, M.G. Mikhalenko

The article shows a possibility to apply the anodic oxidation of aluminum and its alloys to produce electroplated coatings with high adhesion, instead of the well-known zincate treatment with additional annealing. An optimum anodic oxidation regime is determined and anodic film parameters (thickness, porosity, roughness) are calculated. The stability of the films against dissolution in copper and nickel plating electrolytes is demonstrated.

Keywords: anodic oxidation, aluminum and its alloys, zincate treatment, current density, anodization time, anodic film parameters (thickness, porosity).

Анодирование алюминия

Термины и понятия

Сначала о терминологии

Для краткости будем применять вместо «гостовских» эквивалентных наименований « анодное окисление» и « анодное оксидирование» более короткий, но с тем же смыслом, термин « анодирование», а вместо «гостовского» « анодно-окисное покрытие» – более простое и популярное « анодное покрытие».

Что такое анодирование

Анодирование – это метод повышения коррозионной стойкости металлического изделия путем формирования слоя оксида на его поверхности. Изделие, которое обрабатывается, является в этом электролитическом процессе анодом. Анодирование повышает стойкость поверхности изделия к коррозии и износу, а также обеспечивает более высокую адгезию для красок и клеящих веществ, чем просто «голый» алюминий.

Анодные покрытия могут также применяться как декоративные покрытия или в виде пористого покрытия, которое может впитывать различные красители, или в виде прозрачных покрытий, которые дают интерференционные эффекты при отражении света. Такие интерференционные покрытия применяют, например, на велосипедах или одежде велосипедистов, чтобы их можно было хорошо видеть ночью.

Как происходит анодирование

Процесс создания этого защитного оксидного покрытия происходит электролитически. Металлическое изделие, на котором нужно получить анодное покрытие (обычно алюминий) погружают в ванну с электролитическим раствором. В этой же ванне установлены катоды, обычно вдоль бортов ванны. Когда электрический ток проходит через раствор кислоты на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Это приводит к тому, что на аноде – алюминиевом изделии – начинает расти оксидная пленка.

В зависимости от назначения анодного покрытия и применяемого процесса анодирования можно получать анодное покрытие с различными характеристиками. Анодное покрытие, которое может вырастать на алюминиевом изделии, способно иметь толщину в 100 раз больше, чем оксидное покрытие, которое образуется на алюминии естественным путем.

Поскольку металлическое изделие является «анодом» в этом электролитическом процессе, то весь этот процесс называют «анодированием».

Анодирование металлов

Хотя на различных металлах, включая титан, гафний, цинк и магний, также могут формироваться анодное покрытие, обычно под анодированием подразумевают анодирование алюминия и его сплавов.

Зачем анодировать алюминий?

Популярность алюминия во многом связана с его хорошей естественной коррозионной стойкостью. Она достигается из-за высокого химического сродства алюминия к кислороду, то есть их большого взаимного стремления вступать друг с другом в реакцию с образованием оксида алюминия. Эта очень тонкая оксидная пленка мгновенно покрывает любую свежую поверхность алюминия сразу после ее контакта с воздухом. Однако в некоторых случаях необходимо иметь более высокую степень защиты (коррозионной или химической), модифицировать внешний вид поверхности (цвет, текстуру и т.п.) или создать заданные физические свойства поверхности (повышенная твердость, износостойкость или адгезия). В таких случаях прибегают к анодированию алюминия и алюминиевых сплавов.

Рисунок 1 – Схема процесса анодирования

Виды анодирования

Организация QUALANOD подразделяет анодирование алюминия на четыре основных типа с различными требованиями к их характеристикам и свойствам:

  • архитектурное (строительное) анодирование
  • декоративное анодирование
  • промышленное анодирование
  • твердое анодирование.

Анодные покрытия подразделяется на классы по их толщине:

  • минимально допустимая средняя толщина и
  • минимально допустимая локальная толщина.

Например, класс АА20 означает, что средняя толщина покрытия должна быть не менее 20 микрометров. Минимальная локальная толщина покрытия обычно должна быть не менее 80 % от минимальной средней толщины. Для класса АА20 это составляет 16 мкм.

Архитектурное анодирование

Это анодирование для производства архитектурной отделки изделий, которые постоянно находятся в наружных условиях и в стационарном состоянии. Самыми важными характеристиками анодированного изделия считается внешний вид и длительный срок службы.

Для анодированного алюминия степень защиты от точечной (питтинговой) коррозии алюминия возрастает с увеличением толщины анодного покрытия. Следовательно, срок службы архитектурного или строительного элементы в значительной степени от толщины анодного покрытия. Однако для получения более толстого анодного покрытия требуется значительно большие затраты электрической энергии. Поэтому так называемое «переанодирование» не рекомендуется.

Архитектурное анодирование имеет следующие классы:

  • АА10
  • АА15
  • АА20
  • АА25

Выбор толщины анодного покрытия для наружных алюминиевых конструкций зависит от агрессивности атмосферы и обычно устанавливается в национальных нормах. Кроме того, применение некоторых красящих составов требует класса толщины 20 мкм или выше. Это нужно для достижения хорошего заполнения пор красителем и повышенной стойкости окрашенного покрытия к солнечному свету.

Декоративное

Этот тип анодирования алюминия предназначен для производства декоративной отделки изделий. Главным критерием качества является однородный или эстетически привлекательный внешний вид.

Декоративное анодирование имеет следующие стандартные классы толщины:

  • АА03
  • АА05
  • АА10
  • АА15

Промышленное и твердое

Промышленное анодирование алюминия применяют для производства функциональной отделки поверхности изделий, когда внешний вид является второстепенной характеристикой. Целью твердого анодирования является получение покрытие с высокой износостойкостью или высокой микротвердостью.

Очень часто, например, в автомобилестроении или медицинском оборудовании, внешний вид изделия не имеет значения, но наиболее важной характеристикой является стойкость к износу и/или способность подвергаться эффективной чистке и иметь высокие гигиенические требования. В таких случаях именно эти свойства анодированного алюминия являются главными.

Если главным свойством является высокая износостойкость, применяют особый вид анодирования – твердое анодирование. Оно производится при пониженных, часто отрицательных, температурах электролита

Толщина промышленного и твердого анодного покрытия обычно составляет от 15 до 150 мкм. Резьбы и шлицы могут иметь покрытие до 25 мкм. Для получения высокой электрической изоляции часто требуется толщина анодного покрытия от 15 до 80 мкм. Покрытия толщиной 150 мкм применяют для ремонта деталей.

Читайте также:
Грунтозацепы для культиватора своими руками

Технология

Электрохимия

Анодирование алюминия относится к электрохимическим процессам формирования стабильных оксидных покрытий (пленок) на поверхности металлов. Анодирование алюминия и алюминиевых сплавов может происходить с участием разнообразных электролитов с применением источников прямого или переменного тока или их комбинаций. При этом алюминиевое изделие (далее для определенности – профиль) всегда является анодом, то есть его подключают к положительному полюсу источника тока, а другой подходящий металл или сплав – катодом и его подключают к отрицательному полюсу (рисунок 1).

Анодные покрытия различают по типам электролитов, которые применяют при их получении. Покрытия бывают пористыми, например, в фосфорном и сернокислом электролитах, а также так называемыми «барьерными» – совсем без пор. Барьерные анодные покрытия обладают высоким электрическим сопротивлением и их применяют, например, при изготовлении электрических конденсаторов.

Сернокислое анодирование

Обычным, наиболее популярным и широко применяемым для алюминиевых профилей в строительных конструкциях является сернокислое анодирование алюминия. Этот вид анодирования отличается высокой технологичностью и позволяет получать покрытия в широком интервале толщин. Сернокислое анодное покрытие применяют как без дополнительного окрашивания – его называют бесцветным, так и с последующим окрашиванием по одному из нескольких известных способов – его называют цветным анодированием. Заключительной операцией обычно всегда является операция наполнения (или уплотнения) пор.

Анодирование или окраска алюминия

Сернокислое анодное покрытие образуется в результате «реакции» алюминия с ионами раствора серной кислоты. Оно занимает больший объем, чем исходный алюминий и поэтому в результате анодирования происходит увеличение толщины изделия. При сернокислом анодировании это увеличение составляет приблизительно одну треть от общей толщины покрытия. В этом заключается коренное отличие анодного покрытия от, например, порошкового (рисунок 2):

  • анодное покрытие формируется из поверхностного слоя алюминия,
  • порошковое покрытие – на поверхности алюминия.

Рисунок 2 – Изменение толщины изделия при анодировании и
порошковом окрашивании

Способы анодирования алюминия

Конкретный способ анодирования зависит от вида изделия. Например, небольшие изделия или детали, могут анодировать «насыпью» в барабанах или корзинах. Профили длиной до 7 м, иногда до 10 м, анодируют на специальных навесках. Эти навески обычно представляют собой несколько токопроводящих стержней, рамок или каркасов, к которым прочно и достаточно жестко крепятся профили (см. рисунок 1). Прочное крепление профилей необходимо как для того, чтобы они, не свалились с навесок и прошли все циклы «окунания» и «полоскания» в ваннах, в том числе при интенсивном перемешивании растворов и промывочных вод (барботировании)/ Кроме того, что еще важнее, прочное крепление изделий к навескам должно обеспечивать постоянный и надежный электрический контакт профилей с положительным полюсом источника тока непосредственно в процессе анодирования.

Подготовка поверхности алюминия

Типичная линия анодирования алюминиевых профилей показана на рисунке 3.

На линию анодирования алюминиевые профили подают или прямо после прессования, или после предварительной механической подготовки поверхности (обработки стальными щетками, обработки дробью, полирования, шлифования и т.п.).

  • Первой операцией процесса анодирования является навешивание профилей на навески. Навеска с алюминиевыми профилями обычно сначала проходит щелочное обезжиривание, а затем щелочное травление для удаления с поверхности профилей различных загрязнений: масел, твердых частиц и оксидной пленки.
  • После щелочного травления проводят обработку навески в ванне осветления (desmutting), чаще всего – сернокислой (80-100 г/л), для удаления с поверхности темных продуктов щелочного травления.
  • Обработка в ваннах с рабочими растворами сопровождается тщательной промывкой изделий в воде, последняя промывка перед анодированием – в деминерализованной. После этого изделие, в принципе, готово к анодированию.


Рисунок 3 – Типичная линия ванн для анодирования алюминиевых профилей [1]

Матовое анодирование

При особых требованиях к анодированной поверхности проводят дополнительную обработку поверхности профилей: матовое травление, а также химическое или электрохимическое осветление. Матовое травление обычно проводят в щелочных ваннах специального химического состава. При этом поверхностный слой алюминия заданной толщины удаляется вместе с различными поверхностными дефектами, а поверхность становится матовой (рисунок 4).


Рисунок 4- Матовая и блестящая поверхность анодированного алюминия [3]

Матовая поверхность максимально рассеивает свет и делает «невидимыми» оставшиеся дефекты поверхности. Если готовая продукция должна иметь блестящую или зеркальную поверхность, то перед анодированием изделия подвергают химическому или электрохимическому осветлению. При этой процедуре с поверхности изделия удаляется алюминий и образуется очень гладкая поверхность с очень большой отражательной способностью.

Наполнение анодного покрытия

После анодирования профили или отправляют дальше по линии на окрашивание, или сразу направляют на наполнение пор, если это бесцветное анодирование. Операцию наполнения (или уплотнения) после бесцветного анодирования или цветного анодирования проводят затем, чтобы «закрыть», «закупорить» поры анодного покрытия. Эта операция является очень важной для обеспечения длительного сохранения внешнего вида анодированного изделия. После операции наполнения изделия при необходимости подвергают сушке, снимают с навесок и отправляют на приемку и упаковку.

Рисунок 5 – Гидротермическое наполнение анодного покрытия [2]

Контроль качества

Контроль толщины анодного покрытия

Обычно для приемо-сдаточного контроля качества анодированных алюминиевых профилей достаточно контроля внешнего вида, толщины анодного покрытия и качества наполнения. Толщина покрытия является одним из самых важных параметров и есть много методов ее измерения. Обычно толщину покрытия измеряют прибором, работающим на принципе вихревых токов. В спорных случаях применяют металлографические исследования поперечного сечения изделия.

Контроль наполнения анодного покрытия

Метод капли

Для быстрого контроля качества наполнения часто применяют один из вариантов так называемого «метода капли». В качестве контрольного или арбитражного испытания применяют методы потери массы образцов изделий.

Сущность неразрушающего «метода капли» заключается в оценке степени поглощения красителей анодированной поверхностью после того, как она была обработана соответствующим химическим реагентом. Различные варианты метода капли с предварительной кислотной обработкой поверхности устанавливают стандарты ISO 2143:2010 (он же – EN ISO 2143:2010 и он же – бывший EN 12373-4) и ГОСТ 9.302-88.

Метод капли по ISO 2143:2010

Стандарт Qualonod [1] считает приемлемым степени (рейтинга) интенсивности пятна не ниже 2 (рисунок 6). Если рейтинг составляет 2, то стандарт требует выполнить испытания на потерю массы или выполнить повторное наполнение.


Рисунок 6 – Критерии качества наполнения по методу капли согласно ISO 2143:2010

Метод капли по ГОСТ 9.031-74

Вариант метода капли без предварительной кислотной обработки c двумя вариантами материала капли – красителя или масла – дает ГОСТ 9.031-74.

Метод потери массы

Испытание на потерю массы основано на установленном факте, что не наполненное или недостаточно наполненное анодное покрытие быстро растворяется в кислотной среде, тогда как хорошо наполненное покрытие выдерживает длительное погружение без заметного воздействия на него. Варианты метода изложены в стандартах ISO 3210:2010 (он же – EN ISO 3210:2010 и он же – бывший EN 12373-7), а также ГОСТ 9.302-88 и ГОСТ 9.031-74.

  1. Стандарт Qualanod (01.01.2018)
  2. TALAT 5203.
  3. Tom Hauge, Hydro Aluminium, IHAA Symposium, 2014, New York.

Анодное оксидирование алюминия и его сплавов

Определяющими реакциями при анодном оксидировании алюминия и его сплавов в серной кислоте являются электрохимическое формирование оксида в барьерном слое и химическое растворение оксида при воздействии электролита.

Читайте также:
Гидропескоструйный аппарат своими руками

Формирование барьерного слоя наблюдается до сравнительно небольших толщин, после чего рост пленки практически прекращается. На практике невыгодно достигать предельных ее толщин, так как при этом скорость роста пленки замедляется, ухудшаются ее механические свойства, возрастают потери тока. Рост плотности тока возможен лишь в ограниченных пределах, выше которых отмечается перегрев анода и, как следствие, снижение толщины пленки. Наиболее действенным фактором для повышения предельных толщин является снижение температуры процесса, так как анодирование сопровождается значительным выделением тепла. Вблизи барьерного слоя температура поднимается выше 120 °С, а концентрация H2SO4 становится более 50%.

Для получения толстых пленок анодирование проводят при охлаждении электролита (0-5 °С) и иногда деталей. Перемешивание электролита несколько улучшает условия электролиза, но не решает проблему получения пленок повышенной толщины. Концентрация серной кислоты влияет в меньшей степени на растворимость оксида алюминия по сравнению с температурой. Для анодного оксидирования алюминия и его сплавов наиболее распространены растворы серной кислоты. Электролиты выбирают в зависимости от назначения покрытий. Серную кислоту используют для получения пленок, предназначенных для последующей окраски в органических красителях.

Электролит, состоящий из хромового технического ангидрида и серной кислоты и электролит из щавелевой кислоты и двухводной сульфосалициловой кислоты применяют для нанесения оксидных пленок на детали для сборки в узлах различных машин и изделий. В электролитах, состоящем из щавелевой и борной кислоты, и на основе ортофосфорной кислоты получают износостойкие оксидные пленки с повышенной твердостью. В электролите состоящего из хромового ангидрида, щавелевой и борной кислоты и электролите состоящего из хромового ангидрида, лимонной кислоты и щавелевокислого калия-титана оксидируют алюминиевые сплавы с различным содержанием меди.

В растворе ортофосфорной кислоты оксидируют литейные сплавы алюминия перед нанесением металлических покрытий. Широко применяют растворы для получения пленок, обладающих электроизоляционными свойствами. Наиболее распространенными среди них являются электролиты на основе борной кислоты, содержащей борной кислоты 90-150 г/л, буры до 2,5 г/л; рН электролита 5,5. Режим электролиза: напряжение оксидирования 230-250 В; температура электролита 70-95 °С; время оксидирования 25-35 мин; толщина оксидной пленки 0,2-0,3 мкм.

Для формирования антикоррозионных пленок используют хромовокислые и сернокислые растворы при наложении постоянного или переменного тока. Применение переменного тока в сернокислом электролите позволяет существенно увеличить производительность электролитов. Анодирование производится в растворе 12-16%-ной H2SO4 при температуре 12-20 °С, плотности тока на аноде Da = 3 ? 4,5 А/дм2, напряжении 18-28 В. Оксидные пленки, полученные при использовании переменного тока на деталях из алюминиевых сплавов и содержащих медь, имеют зеленоватый оттенок из-за осаждения меди.

Для получения покрытий с повышенной износостойкостью применяют способ по которому скорость оксидирования выше в 4-10 раз по сравнению со стандартным режимом. Состав электролита – 16%-ный раствор H2SO4, температура процесса 12-18 °С, начальная плотность тока 7-10 А/дм2. Для отвода теплоты электролит интенсивно перемешивается сжатым воздухом. Напряжение на электролите 22-30 В. После задания электрических параметров электролиза процесс протекает без регулирования режима с падающей мощностью. Этим способом получают качественные пленки толщиной до 50 мкм на деформируемых и литейных алюминиевых сплавах.

Анодные оксидные пленки, обладающие повышенной твердостью, формируются в электролитах на основе серной и щавелевой кислот. Для получения твердых пленок большой толщины интенсивно охлаждают электролит и оксидируемые детали. Ускорение твердого анодирования достигается наложением переменного тока на постоянный. Успешно используют электролиты, содержащие серную и щавелевую кислоты. Так, в растворе, содержащем 12% H2SO4 и 1% (СООН)2, получают на литейных сплавах алюминия, содержащих 3% Сu и 7% Si, твердый оксид при Da = 4 А/дм2, напряжении 10-60 В, температуре 10 °С со скоростью наращивания 5 мкм/мин. Благодаря применению переменного тока сохраняется качество предварительной подготовки перед оксидированием. Предварительная подготовка алюминия и его сплавов перед анодированием состоит в обработке резанием, химическом или электрохимическом полировании деталей.

Декоративными и антикоррозионными свойствами обладают пленки, полученные эматалированием. Для этого применяют электролиты на основе кислот, растворяющих оксид, с добавками солей титана и циркония, а также полиспиртов в качестве пластификаторов. Эматалевые пленки получают в электролитах, содержащих % (маc. доля): двойной щавелевокислой соли калия и титана 5; лимонной кислоты 1,5; ортофосфорной кислоты 0,6; глюкозы 2. Режим: Da = 5 А/дм2, напряжение 110 В, температура 25 °С, ток переменный. Свойства анодных оксидных пленок определяются их пористостью, твердостью, износостойкостью, тепловыми, а также электроизоляционными и коррозионными характеристиками.

Пористость оксидных пленок определяется объемом пустот, имеющихся в пленке, отнесенным к объему всей пленки. Общая пористость включает микропористость, обусловленную механизмом формирования пленки, и макропористость – трещины и механические разрушения. Она зависит от природы сплава, режима электролиза и состава электролита и колеблется для различных сплавов от 10 до 40%. Так, для толстых оксидных пленок, полученных на сплавах алюминия, содержащих медь, в серной кислоте, пористость чистого алюминия составляет 10%, сплава Д16 – 26%, бинарного сплава – 32%. Присутствие в сплаве Si, Mn и Mg незначительно сказывается на пористости, оставляя ее в пределах 10-15%.

Твердость оксидных пленок зависит от концентрации электролита, температуры и плотности тока. С повышением концентрации и температуры электролита она снижается. Использование переменного тока и снижение его плотности уменьшает твердость анодного оксида. Оценка твердости для пленок толщиной более 5 мкм осуществляется методом измерения микротвердости. Для тонких пленок с меньшей точностью применяют метод царапания стекломером. Микротвердость анодных оксидных пленок меняется от 1,5?104 МПа на чистом алюминии до (2,5 ? 3,0) 103 МПа на технических сплавах.

Износостойкость оксидных пленок (способность оказывать сопротивление истиранию) зависит от свойств пленок и условий их изнашивания – трение скольжения или воздействие твердых частиц. Полирование оксидированной поверхности снижает износ и коэффициент трения пленок. Маслоемкость оксида существенно уменьшает износ и в некоторых случаях доводит его до нуля. Теплоизоляционные свойства оксидированных алюминиевых сплавов выше по сравнению с неоксидированным металлом. Так, теплопроводность оксида алюминия равна 0,004-0,012 Дж/(см·с·°С), что в 200-500 раз ниже, чем у чистого алюминия. Коэффициент теплового излучения анодированной поверхности в 10 раз выше по сравнению с чистым металлом. Толстые пленки на алюминиевых сплавах обладают повышенной стойкостью против воздействия высоких температур. Поэтому оксидирование используют при изготовлении изложниц для разливки алюминиевых и магниевых сплавов. При длительном многократном воздействии высоких температур на оксидированной поверхности образуются микротрещины, обусловленные различием в значениях коэффициента линейного расширения анодной пленки (8 · 10 -6 ?С-1) и алюминия (22,9 · 10 -6 ?С-1).

Электроизоляционные свойства оксидных пленок на алюминии обусловлены высоким удельным электрическим сопротивлением оксида алюминия. Эта величина при 20 °С составляет, Ом-см: 5 · 10 12 для стекла; 3 · 10 14 для фарфора; 2 · 10 15 для эбонита; 9 · 10 15 для слюды; 4 · 10 15 для анодной оксидной пленки (толщина 5 мкм) на алюминии. Электрическое сопротивление пленки зависит от состава алюминиевого сплава, режима оксидирования, последующей обработки оксидных пленок, наполнения, условий эксплуатации. Для анодных оксидных пленок характерны высокие адгезия, жаростойкость, теплопроводность, механическая прочность и химическая стойкость.

Коррозионные свойства оксидных пленок определяются их стойкостью к химическому воздействию окружающей среды без нарушения сплошности пленок. Коррозионная стойкость оксидированных алюминиевых изделий резко уменьшается в щелочных средах и средах с присутствием галогенсодержащих ионов. В растворах, содержащих ионы металлов, контактно выделяющихся на алюминии (медь, серебро, ртуть), коррозионная стойкость оксидированных алюминиевых изделий снижается. Увеличение пористости и растрескивание также снижают коррозионную стойкость оксидированных алюминиевых изделий в результате ухудшения изолированности металла от коррозионной среды. С ростом толщины пленок и снижением шероховатости их коррозионная стойкость возрастает, а после достижения определенной толщины пленки – замедляется из-за увеличения пористости.

Читайте также:
Горелка газовая ручная для пайки своими руками

Анодирование алюминия. Технология и реактивы анодирования

В статье приведены основные принципы процесса анодирования алюминия, теоретические основы процесса. Рассмотрены основные растворы, использующиеся для анодного оксидирования, приведены характеристики анодной пленки в зависимости от используемых реактивов и параметров технологического процесса. Рассмотрены составы для получения цветных анодных пленок.

Содержание:

Принципы процесса анодирования

Процесс электрохимического оксидирования алюминия и его сплавов в растворах серной, хромовой, щавелевой кислот и их смесей получил название анодирование алюминия. Несмотря на кажущуюся простоту процесс анодирования имеет множество вариантов, которые оказывают непосредственное влияние на характеристики и качество оксидной пленки. На внешний вид и структуру покрытия влияет и состав алюминиевого сплава, а корректировка электролита позволяет в широких пределах менять свойства покрытия. Качество и наличие примесей в составе электролита также может иметь решающее значение.

Анодирование значительно отличается от процессов нанесения гальванического покрытия на металлы (электрохимического осаждения) при которых защитный или декоративный слой металла наносится на поверхность металлического изделия, так как является процессом преобразования основного металла, в результате которого меняется внешний вид и характеристики поверхности.

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).

Выбор электролита анодирования

Как указывалось выше, на свойства оксидной пленки, полученной методом анодирования оказывает влияние множество факторов – тип алюминиевого сплава, способ предварительной обработки поверхности детали , режим анодирования и тип финишных операций. Определяющее значение имеет и состав электролита. В основном используются кислотные электролиты (щелочные могут быть применены в отдельных случаях при специальных видах анодирования). Основной кислотой является серная, на ее основе готовится подавляющее большинство электролитов анодирования. Для получения специальных видов покрытий используются другие кислоты.

Анодирование в сернокислом электролите

Анодирование в серной кислоте позволяет получить полупрозрачные, бесцветные покрытия толщиной около 35 мк. Если процессу анодирования предшествует процесс глянцевания поверхности деталей, покрытия получают высокие декоративные качества (блестящее анодирование). В серной кислоте получают также пластичные анодные пленки, которые не разрушаются при формовке изделий.

Концентрация серной кислоты и температура электролита

Концентрация серной кислоты для анодирования в промышленных условиях принимается в диапазоне 8-35% (по массе). В концентрированном растворе анодная пленка получается мягкой и пористой, эластичность пленки высокая. Классической является концентрация 15% (по массе). Температуру в процессе анодирования задают в пределах от 18 0 С до 25 0 С. В большинстве случаев принимается температура в 20 0 С. С применением серной кислоты получают также твердые анодные пленки, в этом случае процесс анодирования проводится при низких значениях температур (от -5 до +5 0 С).

Контроль температуры в процессе анодирования является обязательным, от температуры зависит плотность тока и скорость растворения пленки, что в свою очередь оказывает прямое влияние на качество и характеристики покрытия. Для того, чтобы избежать локального перегрева раствора электролита используют специальные перемешивающие устройства.

Напряжение и плотность тока

При анодировании в серной кислоте используется стандартный выпрямитель с выходным напряжением до 24 вольта. При стандартном режиме сила тока составляет 16 вольт при плотности тока 1,5 а/дм 2 . Для получения коррозионностойких пленок большой толщины напряжение силу тока поднимают до 18 вольт, а при обработке сплавов алюминия с кремнием до 22 вольт. В отдельных случаях, например, при анодировании рулонного материала или проволоки используется переменный ток. Использование пониженной плотности тока позволяет получать тонкие, прозрачные окисные пленки, превосходящие по прозрачности пленки аналогичной толщины, полученные при стандартных значениях плотности тока.

Длительность процесса

Продолжительность процесса анодирования зависит от требуемых значений толщины пленки, а также используемой плотности тока. Для чистого алюминия это соотношение можно предложить в виде:

Толщина пленки, мк. = (Плотность тока, а/дм 2 Х Время, мин.)/3

Соотношение является приблизительным, т. к. на продолжительность процесса может зависеть от типа сплава и режима обработки.

Рабочий процесс

Технологический процесс анодирования отличается от процессов нанесения гальванических покрытий прежде всего тем, что рассеивающая способность электролитов анодирования значительно выше, чем у электролитов, использующихся при процессах хромирования, меднения, цинкования или никелирования металла. Эффективная рассеивающая способность при активном перемешивании позволяет получать равномерные по толщине пленки на всей поверхности изделий, включая внутренние поверхности отверстий и пазов.

В остальном технологический процесс анодирования аналогичен процессам электрохимического нанесения покрытий – изделия погружают в предварительно нагретый электролит на подвесах или зажимах, детали не соприкасаются друг с другом, расстояние до катода должно быть не менее 15 см. (для габаритных изделий значения выше). Затем включается перемешивание раствора и подается ток. В обычных условиях площадь катода должна быть равна площади анода, сечение катода должно быть достаточным для обеспечения требуемой плотности тока.

По окончании процесса прекращают подачу тока и незамедлительно извлекают изделия из гальванической ванны. Изделия промывают в проточной воде и сушат.

Анодирование в хромовой кислоте

Хромовая кислота используется, если требуется провести анодирование ответственных алюминиевых деталей и узлов с тонкими стенками или с высокой точностью обработки. Растворение алюминия в хромовой кислоте ниже, чем в серной, снижение усталостной прочности металла ниже – пленка получается тонкой, непрозрачного серого цвета. Максимальная толщина окисной пленки достигает 10 мк., стандартная толщина от 2,5 до 5 мк.

Концентрация хромового ангидрида CrO3 принимается в пределах от 2 до 15% (по массе). Температуру режима в большинстве случаев задают в пределах 25-40 0 С, активное перемешивание раствора электролита не требуется. При анодировании в 10% растворе хромовой кислоты температуру процесса поднимают до 54 0 С при напряжении 30 вольт для обеспечения плотности тока равной 1,2 а/дм 2 . Для сплавов, содержащих в своем составе медь или цинк напряжение задается в пределах 15-20 вольт при той же плотности тока. При анодировании в электролите низкой концентрации 3-5% (по массе) применяется специальный режим подачи напряжения и процесс проходит циклами. Данный режим используется для обнаружения дефектов поверхности изделия или при формировании подслоя под покраску.

Читайте также:
Габионы своими руками пошаговая инструкция

Анодирование в щавелевой кислоте

В растворе щавелевой кислоты получают пленки желтого оттенка, обладающие высокой износостойкостью. Этот метод один из первых открытых способов получения цветного покрытия. Износостойкость покрытия при истирании в два раза выше, чем при анодировании в серной кислоте. В процессе анодирования в щавелевой кислоте наряду с постоянным током с напряжением 30-60 вольт, используют режимы с переменным током. Для получения равномерного желтого или бронзового оттенка раствор интенсивно перемешивают. В остальном данный процесс не отличается от анодирования в серной кислоте. В качестве катодов могут быть использованы различные металлы – железо, свинец, нержавеющая сталь.

Другие растворы анодирования

В некоторых случаях используются электролиты, в которых оксидная пленка алюминия не растворяется – так называемые электролиты барьерного типа. С использованием растворов анодирования содержащих борную кислоту, виннокислый аммоний, борат аммония получают покрытия на деталях, использующихся в электроприборах (электролитических конденсаторах). Например, при обработке в растворе с боратом аммония получают пленки, имеющие пробивное напряжение 550 вольт. Также, данные виды электролитов используются при анодировании алюминия, осажденного в вакууме.

Алюминиевые детали, обработка которых подразумевает нанесение гальванического покрытия после анодирования обрабатывают в растворе, содержащем 25-30% фосфорной кислоты. Получаемые пленки имеют толщину до 6 мк., что связано с высокой растворимостью алюминия в фосфорной кислоте. Процесс проводят при цеховой температуре, плотности тока 10-20 а/мм 2 и напряжении 30-60 вольт в течение 10-15 минут.

Твердые пленки золотистого, коричневого или черного цветов получают при использовании раствора, содержащего 40-100 г/л сульфосалициловой кислоты и 30-60 г/л серной кислоты при температуре 30 0 С, плотности тока 2,5-3,5 а/дм 2 и напряжении до 80 вольт.

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 95-100 0 С. 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.

Оксидирование сплавов алюминия

Химическое оксидирование алюминия и его сплавов

Оксидные покрытия на алюминии и его сплавах получают в слабощелочных, оксидно-фосфатных, оксидно-хроматных и фосфатно-хроматных растворах. Последние три группы в настоящее время получили наибольшее применение. В зависимости от состава обрабатываемого сплава и примененного раствора формируются пленки, отличающиеся антикоррозионными свойствами и окраской. Наилучшей защитной способностью характеризуются покрытия, полученные в растворах на основе хромовой кислоты и фторидов, менее стойки пленки, сформированные в растворах, содержащих фосфорную, хромовую кислоты. В первом случае покрытия содержат соединения шести валентного хрома и окрашены в золотисто-желтый цвет, во втором – включают соединения трехвалентного хрома и имеют зеленоватый оттенок.

В табл. 4 приведены составы слабощелочных и кислых хроматных растворов.

В растворе 1 в начале его эксплуатации оксидирование ведут при температуре 80 °С, а в дальнейшем повышают температуру до 100 °С и увеличивают продолжительность обработки до 10-20 мин. Нарушение оптимального состава раствора и режима работы приводит к значительному ухудшению качества оксидного покрытия. Чрезмерно большая концентрация щелочи или высокая температура раствора являются причиной формирования рыхлой пленки. Большое увеличение продолжительности оксидирования может вызвать травление металла. При малой концентрации щелочи или низкой температуре формируются тонкие пленки, окрашенные в цвета побежалости.

При отсутствии необходимого для приготовления раствора хромовокислого натрия Na2Cr04 его можно получить в результате реакции хромового ангидрида или би-хромата натрия со щелочью.

Цвет пленок, получаемых при химическом оксидировании, в значительной мере зависит от их толщины и состава обрабатываемого сплава. Тонкие пленки имеют слабожелтую с зеленоватым оттенком окраску, более толстые приобретают беловатый оттенок. Легирующие добавки к сплаву способствуют формированию более темных пленок.

Не рекомендуется применять для приготовления оксидировочных растворов жесткую воду, так как содержащиеся в ней соли кальция могут включаться в состав пленки, что приводит к появлению белых пятен.

В растворе 2 оксидирование ведут при температуре 15-30 °С, но по мере выработки его повышают температуру до 80-90 °С, а продолжительность обработки увеличивают до 15-20 мин.

После оксидирования изделия быстро промывают сначала в проточной водопроводной, а затем в теплой воде и сушат в термостате или сжатым воздухом. Температуру промывочной воды и сжатого воздуха поддерживают в пределах 50-60 °С. При более высокой температуре ухудшается качество пленок и может произойти их разрушение.

Для повышения защитной способности оксидных покрытий непосредственно после промывки проводят операцию наполнения пленки, погружая изделия при комнатной температуре в раствор, содержащий 18-20 г/л СrOз.

В растворе 3 формируются оксидно-фосфатные пленки. Соотношение в нем концентрации хроматов СrО3 и фторидов F – должно быть в пределах 0,2-0,4. По мере выработки раствора следует увеличить продолжительность обработки в нем изделий до 30 мин. Превышение оптимальных температуры раствора и продолжительности оксидирования может привести к появлению матовых белых пятен на пленке.

Оксидно-фосфатные покрытия на алюминии и сплавах АМц, АМг имеют светло-зеленую окраску. Непосредственно после получения они весьма чувствительны к воздействию водяного пара, который вызывает появление белых пятен. Поэтому после оксидирования и промывки в воде перед тем, как поместить изделия в сушильный шкаф с их поверхности сухим сжатым воздухом удаляют следы влаги. При этом нельзя допускать сильного напора струи воздуха, так как невысохшая пленка механически непрочна и может разрушиться. Сушку ведут при 50-60 °С.

При концентрации компонентов раствора ниже рекомендуемой формируются тонкие пленки.

Недоброкачественные оксидно-фосфатные пленки удаляют обработкой изделий в течение 5-10 мин при 90-95 °С в растворе, содержащем 150-180 г/л хромового ангидрида.

Раствор 4 используют для получения так называемых токопроводных оксидных пленок. Они характеризуются малым электросопротивлением и поэтому пригодны для защиты от коррозии изделий, не допускающих применения электроизоляционных покрытий. Получаемые пленки имеют светло-желтую, радужную окраску. Изменение интенсивности окраски, образование рыхлого слоя является признаком, что раствор выработался и его нужно заменить свежеприготовленным.

Читайте также:
Виброножницы по металлу

Обработанные в растворе 4 изделия промывают проточной водопроводной, а затем теплой водой, сушат сначала теплым воздухом и вслед за тем в сушильном шкафу при температуре 50-60 °С в течение 3-4 ч или при комнатной температуре в течение 24 ч. Используемый для сушки оксидированных изделий воздух во всех случаях должен быть предварительно очищен от влаги и загрязнений.

Недоброкачественные покрытия, полученные в растворе 4, можно удалить с поверхности изделий, погрузив их на 1-2 мин в азотную кислоту, разбавленную водой в соотношении 1:1.

В автомобильной и некоторых других отраслях промышленности для защиты от коррозии алюминиевых сплавов применяют химическое пассивирование. В табл. 5 приведены составы соответствующих растворов. Для обработки кремнистых сплавов предпочтительнее использовать раствор 2, сплавов алюминий – медь и алюминий – медь – кремний – раствор 1. На некоторых предприятиях указанные растворы используют для защиты от коррозии изделий из силумина, вместо анодирования их в хромовокислом электролите, что представляет существенные технико-экономические преимущества. Пассивирование ведут в течение 3-5 мин при температуре 20-25 °С.

Растворы приготавливают на деминерализованной воде, 1 и 3 при комнатной температуре, раствор 2 при температуре 65-70 °С. Кислотность растворов корректируют добавлением азотной или плавиковой кислот. Для корректирования по другим компонентам используют концентрат рабочего раствора, в котором содержание каждой соли и кислоты в 50-80 раз выше, чем в обычном растворе. Истощение рабочего раствора проявляется в формировании слабо окрашенной пленки. Ежедневно следует определять окислительную способность раствора, на которую влияет, главным образом, хромовый ангидрид и, в меньшей степени, железосинеродистый калий. При обработке изделий в ванне выпадает осадок гидроокиси алюминия, который следует периодически удалять декантацией раствора.

После обработки в пассивирующих растворах изделия промывают в теплой, предпочтительно деминерализованной воде и сушат на воздухе.

Для проверки защитных свойств пленки можно пользоваться капельной пробой. Применяемый для этого раствор содержит 40 мл 0,5 М раствора сернокислой меди, 20 мл 10 %-ного раствора хлористого натрия, 0,8 мл 0,1 М раствора соляной кислоты (проба по Акимову). Капля наносится на чистую поверхность пассивированного изделия. В результате реакции раствора с пленкой происходит ее разрушение, что проявляется в изменении цвета капли от голубого до коричневого – на алюминии контактно выделяется медь. Пленка считается удовлетворительного качества, если коричневое пятно не появилось в течение 20 с.

Наиболее часто встречающиеся неполадки в работе пассивирующих растворов – появление белых пятен на пленке, формирование рыхлой пленки. В первом случае наиболее вероятной причиной является применение для приготовления раствора и промывки изделий жесткой воды или недостаточное обезжиривание изделий, во втором случае – слишком высокое значение рН пассивирующего раствора. Удаление недоброкачественных пленок ведут в 40-50 %-ной азотной кислоте. Следует учесть, что повторное пассивирование изделий после снятия с их поверхности пленки бывает затруднено.

При эксплуатации растворов следует избегать попадания в них меди, цинка, олова. Для загрузки изделий в ванну используют приспособления из титана или алюминия.

Электрохимическое оксидирование алюминия и его сплавов в сернокислом электролите

Сернокислый электролит благодаря своей экономичности, возможности обработки в нем различных сплавов алюминия и получения оксидных покрытий, обладающих хорошими эксплуатационными свойствами, наиболее широко применяется в промышленности. Содержание в нем серной кислоты обычно составляет 170-200 г/л. Повышение концентрации кислоты по сравнению с оптимальной приводит к снижению скорости формирования оксидной пленки вследствие более активного ее растворения, увеличению пористости, уменьшению твердости.

Режим электролиза выбирают с учетом состава обрабатываемого сплава. Алюминий и плакированный металл анодируют при плотности тока 1-2 А/дм 2 и напряжении на ванне 10-15 В, дюралюминий и силумин – при 0,5-1,0 А/дм 2 и 12-20 В. Температура электролита во всех случаях должна рыть 15-22 °С. Превышение ее приводит к снижению твердости покрытия, уменьшению его предельной толщины, возрастанию пористости. При оксидировании с последующим наполнением пленки хроматами продолжительность электролиза составляет 30-40 мин, в случае адсорбционного окрашивания пленки органическими красителями – 50-60 мин. Для деталей, изготовленных по второму классу точности, продолжительность оксидирования уменьшают до 20-30 мин. Анодирование изделий сложной конфигурации или имеющих отверстия малого диаметра проводят при анодной плотности тока 0,5 А/дм 2 и продолжительности электролиза 40-50 мин.

Бесцветные, прозрачные защитно-декоративные оксидные покрытия в сернокислом электролите могут быть получены на сплавах, в которых содержание легирующих компонентов не превышает (%): железа 0,5, меди 2, магния 7, цинка 7, кремния 3, марганца 0,8, хрома 0,3, титана 0,3.

При одинаковых условиях электролиза на алюминии формируются оксидные покрытия большей толщины, чем на его сплавах. Наиболее медленно происходит формирование пленки на сплавах алюминия с кремнием. Учитывая это обстоятельство, при оксидировании в ванну одновременно следует загружать изделия, изготовленные из одного и того же материала. Если одновременной обработке подвергать изделия из различных алюминиевых сплавов, то из-за неравномерного распределения тока между ними и различных условий формирования пленки не всегда удается получить на всей партии изделий оксидный слой требуемых толщины и свойств.

В качестве катода в сернокислом электролите используют свинец или высоколегированную сталь марки 12Х18Н9Т.

Оксидирование в сернокислом электролите можно вести с применением как постоянного, так и переменного тока промышленной частоты. В последнем случае более полно используется объем электролита, увеличивается одновременная загрузка изделий в ванну, повышается предельно допустимая плотность тока. Концентрацию серной кислоты можно уменьшить до 130-150 г/л. Оксидирование алюминия ведут при плотности тока 1,5-2 А/дм 2 , алюминиевых сплавов при 1,2-2,0 А/дм 2 . Напряжение на ванне 25-28 В. Продолжительность электролиза 30-60 мин. При использовании трехфазного переменного тока плотность тока на крайних электродных штангах ванны на 20-25 % ниже, чем на средней штанге.

Обработка переменным током алюминиевых сплавов, содержащих медь, приводит к накоплению ее в электролите. Присутствие меди в количестве 0,02 г/л вызывает появление на оксидной пленке темных полос, пятен. Для предотвращения этого в электролит вводят 2-3 г/л хромового ангидрида. Восстановление ионов шестивалентного хрома при электролизе происходит быстрее, чем осаждение меди на обрабатываемые изделия, и поэтому оксидная пленка не растравливается. В присутствии ионов хрома допустимое содержание в электролите примеси меди повышается до 0,3-0,4 г/л. Вместо хромового ангидрида в раствор может быть введено 6-8 г/л азотной кислоты, что также предотвращает появление темных полос и пятен.

Контроль электролита оксидирования проводят на содержание в нем кислоты и примесей.

Предельно допустимое содержание в сернокислом электролите примесей составляет (г/л): алюминия 30, магния 5, железа 3, хлора (в пересчете на NaCl) 0,1, окислов азота 0,2. При содержании алюминия или железа выше указанного количества на оксидной пленке появляются темные полосы, пятна. Накопление хлора и окислов азота приводят к растравливанию покрытия.

Корректирование сернокислого электролита проводят периодическим добавлением серной кислоты. Медь осаждают на свинцовый катод при плотности тока 0,1-0,2 А/дм 2 . Для удаления примеси алюминия используют катионообменную смолу КУ2-8. Процесс освобождения электролита от указанных примесей несколько сложен, требует много времени и практически мало применяется. Низкая стоимость сернокислого раствора позволяет при значительном ухудшении работы проводить его полную замену.

Читайте также:
Габионы в ландшафтном дизайне своими руками

Так как процесс оксидирования идет при высоком потенциале и часть тока затрачивается на разряд ионов кислорода, а при оксидировании переменным током – и водорода, электролиз сопровождается сильным выделением газов и паров раствора. Для уменьшения этого в электролит добавляют 0,5-3 г/л препарата ОП-7 или ОП-10 или 0,01-0,1 мл/л кремнийорганической жидкости ПМС-200, играющей роль пеногасителя. Добавка этих компонентов позволяет упростить операции подготовки изделий перед оксидированием.

Как было показано выше, формирование оксидного покрытия в отличие от процессов нанесения металлических покрытий происходит путем роста пленки в глубину на границе металл – пленка. Оксидный слой не наносится на металл извне, а как бы вырастает из него. Вследствие этого наличие загрязнений на поверхности металла перед оксидированием не будет служить препятствием для получения оксидного покрытия и прочного сцепления его с основой. Если в сернокислый электролит добавить 3-5 г/л ОП-10 или 0,01-0,1 мл/л ПМС-200, которые будут способствовать удалению загрязнения с поверхности металла, можно проводить оксидирование без предварительного тщательного химического обезжиривания, травления и осветления сплава. Таким путем можно заметно уменьшить продолжительность производственного цикла получения оксидных покрытий. Однако следует учитывать, что внешний вид оксидированного изделия будет зависеть от исходного состояния поверхности, которое после механической обработки или в состоянии поставки не всегда бывает достаточно удовлетворительным. Поэтому указанный вариант технологического процесса оксидирования можно применять лишь для грубообработанных изделий, когда не требуется декоративный вид их поверхности.

Для повышения защитной способности оксидных покрытий, формируемых в сернокислом электролите, к нему добавляют 10-30 г/л щавелевой кислоты. Напряжение на ванне в этом случае может достигать 30-40 В. Для улучшения указанного свойства покрытия предложен смешанный серно-щавелевокислый электролит с добавками нитратов и органических соединений следующего состава (г/л): 180-250 серной кислоты, 10-20 щавелевой кислоты, 1,5-2,5 азотнокислого магния, 1,5-2,5 азотнокислого марганца, 0,2-1 уротропина, Присутствие в растворе нитратов предотвращает образование темных полос и пятен при обработке алюминиевых сплавов. Электролиз ведут при температуре 15- 30 °С, анодной плотности тока 1-2,5 А/дм 2 , напряжении 15-20 В. Повышение защитной способности оксидных покрытий достигается в результате добавки к сернокислому электролиту 10-15 г/л калия-натрия-виннокислого.

В литературе имеются рекомендации об использовании для оксидирования алюминиевых сплавов сравнительно концентрированных растворов серной кислоты при большой начальной плотности тока и малой продолжительности электролиза. Для деформируемых сплавов применяют электролит, содержащий 475-500 г/л серной кислоты при температуре 20-22 °С, плотности тока 10 А/дм 2 , напряжении 13-15 В и продолжительности обработки 7-10 мин. Для анодирования литейных сплавов, к серной кислоте добавляют 0,5-1,0 г/л фторбората аммония и ведут электролиз при том же режиме, но уменьшая продолжительность его до 5-7 мин. Данных о промышленном использовании этой рекомендации пока не имеется.

В табл. 6 приведены характеристики неполадок, встречающихся при оксидировании алюминия и его сплавов в сернокислом электролите постоянным и переменным током, их причины и способы устранения.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Анодное оксидирование алюминия и его сплавов

Оксидирование алюминия и его сплавов.

Оксидирование алюминия является весьма эффективным методом защиты алюминия от коррозии в агрессивных средах с целью придания его поверхности новых, весьма ценных свойств. По технологии получения защитных пленок оксидирование может быть электрохимическим (анодным) и химическим, а следовательно, и сами свойства оксидных пленок будут существенно разниться и иметь свое назначение. Так, анодное оксидирование позволяет создать оксидные пленки с высокой твердостью и износостойкостью, с отличными электроизоляционными свойствами и с красивой, декоративной внешностью, в то время как химическое оксидирование в основном применяется для получения хорошего грунта под окраску. Анодное оксидирование, в свою очередь, может производиться с применением постоянного или переменного электрического тока, а по составу электролитов и режиму оксидирования в настоящее время имеются сотни вариантов и число их непрерывно растет.

По составу электролитов и их назначению следует выделить ряд технологических процессов:

Оксидирование в сернокислотных электролитах с целью получения декоративных и твердых оксидных пленок.

Оксидирование в щавелевокислых электролитах для получения электроизоляционного слоя.

Оксидирование в ортофосфорной кислоте для последующего гальванического покрытия медью, никелем и другими металлами.

Оксидирование в хромовой кислоте с целью получения эматалевых пленок.

Оксидирование в электролитах из органических соединений для различного назначения.

Подготовка поверхности к оксидированию.

Для деталей, не имеющих точных размеров, подготовка сводится к обезжириванию и травлению в растворе каустической соды с концентрацией ее 80—120 г/л при температуре 335—345К и выдержкой не менее 2—3 мин. При травлении алюминиевых сплавов на поверхности деталей остается черный налет легирующих компонентов — меди, железа и других примесей. Осветление деталей с удалением всех примесей производят в 10—15%-ном растворе азотной кислоты. Травление силумина выявляет примесь кремния, которая не удаляется в азотной кислоте, но растворяется во фтористоводородной кислоте. Для этого применяют один из растворов, указанных в таблице.

Составы и режимы растворов для осветления силуминов

Подвески для оксидирования изготовляют из дюраля с жестким пружинящим контактом.

Оксидирование в растворах серной кислоты.

Этот способ оксидирования является самым распространенным и проводится путем анодной обработки подготовленных и смонтированных деталей в 15—20%-ном растворе серной кислоты при комнатной температуре и анодной плотности тока 1 —2 А/дм2. В качестве катодов применяют рольный свинец. Выдержка зависит от назначения оксидной пленки. При защитно-декоративном оксидировании выдержка составляет 15—20 мин, что обеспечивает получение оксидной пленки толщиной 4-5 мкм. Большое значение для процесса имеет температура электролита, повышение которой отрицательно сказывается на качестве
оксидной пленки, вплоть до ее растравливания и сползания. Поэтому при длительной работе ванн, а также в летний период электролит необходимо охлаждать. Для этой цели используют водяные рубашки и змеевики, а также фреоновые холодильные установки.

Способность алюминия выпрямлять переменный ток позволяет использовать так называемый “вентильный” эффект для оксидирования алюминия переменным током. Процесс характеризуется применением как однофазного, так и трехфазного тока и отсутствием вспомогательных электродов, так как роль электродов, завешенных на штанги ванны, выполняют оксидируемые детали. Для оксидирования применяют 15%-ный раствор серной кислоты и силовой переменный ток промышленной частоты (50 Гц). Остальные условия режима оксидирования не имеют существенных отличий по сравнению с оксидированием постоянным током.
Оксидная пленка, полученная из сернокислотного электролита и предназначенная для защитно-декоративной отделки, имеет снежно-белый цвет, плотность 3,85 г/см3, толщину 4—5 мкм и является надежной защитой от коррозии. Оксидная пленка не отслаивается от металла, имеет химический состав и твердость корунда и хорошую износостойкость. Жаростойкость оксидной пленки доходит до 2270 К. Оксидная пленка имеет микропористую структуру со средней степенью пористости около 30%.

Пропитывание пор хромпиком или лакокрасочными покрытиями увеличивает коррозионную стойкость оксидной пленки. Заполнение пор анилиновыми и другими красителями широко применяется для получения красивой декоративной внешности изделий, а пропитывание пленки светочувствительными солями используется для фотохимического изготовления различных шкал и табличек. Оксидная пленка обладает высокими электроизоляционными свойствами.

Читайте также:
Выжигатель по дереву своими руками из паяльника

Наиболее простым и надежным способом пассивирования является выдержка деталей в растворе хромпика с концентрацией его около 100 г/л при температуре 353 — 363 К в течение 10 мин. Оксидная пленка при этом приобретает лимонно-желтый цвет.
При цветной отделке поверхности применяется также окраска анилиновыми красителями и заполнение пор расплавленным парафином. Для окраски красителями изделия погружают в 1%-ный раствор выбранного анилинового красителя для шерсти при температуре 345—355 К с выдержкой 2—3 мин.

Процесс глубокого анодного оксидирования в серной кислоте

Применяется для повышения износостойкости в условиях трения, эррозионной стойкости, для создания жесткости тонких листовых конструкций, для теплоизоляционной защиты. Глубокое оксидирование шестерен повышает их износостойкость в 5—10 раз.

Для оксидирования применяют 20%-ный раствор серной кислоты, рабочую температуру от 263 до 267 К и анодную плотность тока 2,5 А/дм2 при начальном напряжении 20—25 В и конечном до 40 В. Рекомендуется непрерывное перемешивание электролита. Оксидная пленка имеет глубину 20—30 мкм.

Для повышения жесткости тонкостенных трубчатых деталей до жесткости латуни применяется тот же электролит и режим оксидирования с повышением плотности тока до 5 А/дм2 и выдержкой 30 мин. Глубина оксидной пленки достигает 60 мкм, а микротвердость 3,4 МПа. Участки, не подлежащие оксидированию, предварительно изолируют лаком ХВЛ-21, окрашенным добавкой метилрота. На сплавах глубокая оксидная пленка имеет черный цвет и структуру с высокой пористостью. При глубоком анодном оксидировании шероховатость поверхности деталей снижается до 2-го класса. Для охлаждения рабочего электролита до 263 К применяют обычные холодильные фреоновые установки.

Оксидирование в щавелевокислых электролитах.

Для алюминия и деформируемых сплавов марок АМг, АМц, АД31 и других широко применяется защитно-декоративное и электроизоляционное оксидирование в растворе щавелевой кислоты. Для оксидных пленок, полученных из щавелевокислых электролитов, характерны малая пористость, естественная окраска в желтые тона и хорошо слышное хрустение оксидной пленки при сгибании тонкостенных деталей. Отслаивания пленки или ухудшения физико-химических свойств ее при этом не происходит.
Процесс оксидирования ведут в растворе щавелевой кислоты с концентрацией 40—60 г/л при комнатной температуре, анодной плотности тока 2,5—3,5 А/дм2 и выдержке 2—3,5 ч. Напряжение постоянного или переменного тока при этом постепенно возрастает от 20—30 до 120 В.

Для получения пленки с пробивным напряжением 500 В процесс ведут в 4%-ном растворе щавелевой кислоты при комнатной температуре. Первоначальное напряжение постоянного тока составляет 30—40 В, После включения тока постепенно, в течение 15 мин, доводят анодную плотность тока до 3 А/дм2. Затем включают систему перемешивания электролита и выдерживают детали в ванне 1,5—2,5 ч, постепенно поднимая напряжение до 100—110 В. Ванны при этом должны быть защищены предохранительными сетками от касания к шинам. Затем детали промывают и сушат при температуре 425 К.

Оксидирование в растворах ортофосфорной кислоты.

Оксидирование сплавов алюминия в ортофосфорной кислоте имеет ограниченное применение и используется главным образом для последующего никелирования или меднения. Для этой цели применяют раствор 350—650 г/л ортофосфорной кислоты при следующем режиме оксидирования: рабочая температура 290—320 К, анодная плотность тока 1—3 А/дм2; выдержка 5—10 мин.

Для правильного ведения процесса необходимо повышенное напряжение от 10 до 15 В и перемешивание сжатым воздухом. Полученная оксидная пленка имеет глубину 3 мкм, весьма пориста, плохо окрашивается, но легко растворима в никелевом и кислом медном электролитах при осаждении этих металлов, что и определяет ее назначение.

Оксидирование в хромовых электролитах.

Оксидные пленки, получаемые из хромовых электролитов, бесцветны, стекловидны, имеют толщину в пределах 2—5 мкм, практически не изменяют размеров деталей, сохраняют блеск полированного алюминия и имеют малую пористость. Вследствие своей твердости, плотности и эластичности применяются для деталей, имеющих точные размеры.
При введении в электролит борной кислоты оксидная пленка приобретает красивый серо-голубой цвет и сходство с эмалированной поверхностью, вследствие чего процесс получил наименование эматалирования.

Состав электролита, г/л
Хромовый ангидрид – 30—35
Борная кислота – 1—2
Рабочая температура, К – 315—320
Выдержка, мин – 55—60
Плотность тока, А/дм2 – 0,5—1

Напряжение при этом процессе в течение первых 30 мин повышают от 0 до 40 В и в последующие 30 мин доводят его до 80 В.

Электролит с более сложным составом, г/л:

Хромовый ангидрид – 6—8
Борная кислота – 8—10
Калий-титан щавелевокислый – 40—45
Щавелевая кислота – 1—2
Лимонная кислота – 1—2
Процесс ведут при 325—335 К и анодной плотности тока до 3 А/дм2 с постепенным повышением напряжения от 0 до 120 В с выдержкой 30—40 мин.

Оксидирование в электролитах из органических соединений.

Электролит с составом, г/л:

Щавелевая кислота – 30
Сульфосалициловая кислота – 100 ,
Серная кислота – 3
Процесс ведут при температуре 285-305 К и анодной плотности тока 2-3 А/дм2.
Продолжительность процесса 40-120 мин.

Скорость образования оксидных пленок доходит до 1 мкм/мин. Необходимо механическое перемешивание электролита. Напряжение тока возрастает во время роста толщины оксидной пленки с 25—30 до 50—80 В. На силумине марки АЛ-2 пленка имеет темно-серый цвет, на сплавах АМГ — золотисто-коричневый и на дюралях типа Д1—зелено-голубой. Пленки обладают высокой эластичностью, хорошей коррозионной стойкостью и надежными электроизоляционными свойствами.

Для удаления забракованной оксидной пленки, полученной из указанных электролитов, без потери размеров рекомендуется следующий состав раствора:

Ортофосфорная кислота (плотностью 1,5 г/см3) — 35 мл/л;
Хромовый ангидрид — 20 г/л.

Процесс ведут при температуре 365—370 К с выдержкой 10—20 мин.

Химическое оксидирование алюминия.

В тех случаях, когда оксидирование производят в целях защиты от коррозии или в качестве грунта под окраску, целесообразно применять химическое оксидирование, более дешевое и не требующее электрооборудования. Так, из числа нескольких составов для защитно-декоративного оксидирования рекомендуется следующий состав, г/л:

Ортофосфорная кислота – 40—50
Кислый фтористый калий – 3—5
Хромовый ангидрид – 5—7
Процесс ведут при температуре 290—300 К с выдержкой в 5—7 мин.

Этот раствор пригоден для оксидирования алюминия и всех его сплавов. Полученная защитная пленка имеет оксидно-фосфатный состав, толщину около 3 мкм, красивый салатно-зеленый цвет и обладает электроизоляционными свойствами, но не пориста и не окрашивается красителями. Корректировка раствора проводится главным образом фторидами. Способ весьма прост в эксплуатации, не требует квалификации исполнителей и в 2—3 раза экономичней электролитических.

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.

Читайте также:
Геометрия сверла по металлу

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.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: