L'anodizzazione dell'alluminio prevede il posizionamento dei pezzi in alluminio o in lega di alluminio in un elettrolita idoneo, con l'alluminio che funge da anodo e un altro materiale metallico che funge da catodo. Applicando una corrente elettrica, sulla superficie dell'alluminio si forma una pellicola di ossido.
Selezionando diverse tipologie e concentrazioni di elettroliti e controllando le condizioni di processo durante l'ossidazione, è possibile ottenere film di ossido anodizzato con proprietà e spessori variabili, da decine a centinaia di micrometri. Questi film presentano una resistenza alla corrosione, all'usura e qualità decorative significativamente migliorate rispetto ai film di ossido chimico.
L'elettrolita utilizzato per l'anodizzazione dell'alluminio e delle sue leghe è una soluzione acida con moderata capacità di dissoluzione. Durante il processo di anodizzazione, si verificano due reazioni simultanee. Da un lato, il pezzo in alluminio, che funge da anodo, reagisce con gli atomi di ossigeno generati dall'idrolisi dell'acqua per formare una pellicola di ossido (Al₂O₃ ) attraverso una reazione elettrochimica, come mostrato di seguito:
H 2 O – 2e – → [O] + 2H +
2Al + 3[O] → Al 2 O 3
D'altra parte, l'elettrolita dissolve continuamente il film di Al₂O₃ appena formatosi , con la reazione:
Al2O3 + 6H + → 2Al3 + + 3H2O
La crescita del film di ossido è un processo dinamico di continua formazione e dissoluzione. Un film di ossido più spesso si ottiene solo quando la velocità di formazione supera la velocità di dissoluzione. La superficie del film di ossido anodizzato su alluminio e sue leghe è caratterizzata da una struttura porosa a nido d'ape con una composizione a due strati. Lo strato interno, adiacente al substrato, è un film denso di Al₂O₃ con uno spessore di 0.01–0.05 μm, comunemente denominato strato barriera, che presenta un'elevata durezza. Lo strato esterno è un film di ossido poroso composto da Al₂O₃ con acqua di cristallizzazione, che è meno duro ma possiede eccellenti proprietà di adsorbimento.
Proprietà delle pellicole anodizzate in alluminio
I micropori in un film di ossido anodizzato poroso sono disposti regolarmente, perpendicolarmente alla superficie metallica, formando una struttura tubolare. Ad esempio, in un film di ossido anodizzato con acido solforico con uno spessore di 10 μm, il diametro dei pori è tipicamente inferiore a 20 nm, il che significa che la lunghezza dei pori è oltre 500 volte il suo diametro. Questi pori assomigliano a tubi allungati e dritti. La densità dei pori può raggiungere fino a 76 miliardi di pori per centimetro quadrato: il numero di pori su un'area delle dimensioni di un'unghia del pollice è circa dieci volte la popolazione mondiale.
La struttura porosa e la morfologia delle pellicole di ossido anodizzato vengono solitamente osservate direttamente mediante microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione, che rivela le caratteristiche della pellicola da diverse angolazioni.
Processo di anodizzazione dell'alluminio
Il processo tipico di anodizzazione dell'alluminio e delle leghe di alluminio comprende le seguenti fasi:
Livellamento superficiale → Sgocciolamento → Sgrassaggio chimico → Risciacquo → Neutralizzazione → Risciacquo → Incisione alcalina → Risciacquo → Anodizzazione → Risciacquo → Tintura o colorazione elettrolitica → Risciacquo → Sigillatura → Lucidatura meccanica → Ispezione
Si tratta di una procedura standard, ma alcuni passaggi specifici possono essere modificati o omessi in base alle esigenze e al metodo di anodizzazione utilizzato.
Tabella: Parametri chiave per l'anodizzazione con acido solforico
| step | Processo | Composizione della soluzione | I parametri di processo |
| 1 | sgrassante | 2% Na3PO4 1% Na2CO3 NaOH 0.5% | Temperatura: 45–60°C Tempo: 3–5 minuti |
| 2 | Risciacquo con acqua calda | Acqua di rubinetto | Temperatura: 40–60°C Tempo: Fino a quando non è pulito |
| 3 | Acquaforte alcalina | 40–50 g/L di NaOH | Temperatura: Temperatura ambiente Tempo: 1–5 minuti |
| 4 | Risciacquo con acqua fredda | Acqua di rubinetto | Temperatura: Temperatura ambiente Tempo: Fino a quando non è pulito |
| 5 | Neutralizzazione | 10–30% HNO3 | Temperatura: Temperatura ambiente Tempo: 3–8 minuti |
| 6 | Sigillatura | Acqua pura | Temperatura: ≥ 90°C Tempo: > 20 min pH: 4-6 |
Tabella: Specifiche di post-trattamento per l'ossidazione chimica
| Processo | Composizione della soluzione (g/L) | I parametri di processo | Commento |
| Trattamento di riempimento | Dicromato di potassio: 30–50 | 90-95 ° C 5 – 10 min | Per l'ossidazione acida |
| Trattamento di passivazione | Cromato di potassio: 20 | Temperatura ambiente 5-15 s | Per l'ossidazione alcalina |
Sigillatura per pellicole anodizzate in alluminio
A causa della struttura porosa e delle elevate proprietà di adsorbimento dei film di ossido anodizzato, la superficie è soggetta a contaminazione, in particolare da parte di agenti corrosivi che possono penetrare nei pori e causarne la corrosione. Pertanto, dopo la formazione del film di ossido anodizzato, colorato o meno, è necessario un trattamento di sigillatura per chiudere i pori, migliorando la resistenza alla corrosione, l'isolamento e la resistenza all'usura, riducendo al contempo l'adsorbimento di impurità o oli. I metodi di sigillatura più comuni includono la sigillatura ad acqua calda, la sigillatura a vapore, la sigillatura a bicromato, la sigillatura a idrolisi e la sigillatura a riempimento.
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(1) Sigillatura ad acqua calda
La sigillatura ad acqua calda prevede il trattamento di una pellicola di ossido anodizzato appena formata in acqua bollente o quasi bollente per una durata specifica. Questo disattiva la pellicola, impedendo un ulteriore assorbimento di colorante e stabilizzando qualsiasi colore applicato. Il principio si basa sull'idratazione dell'Al₂O₃ amorfo.
Al2O3 + nH2O → Al2O3 · nH2O
Qui, n è tipicamente 1 o 3. Quando Al₂O₃ si idrata per formare il monoidrato (Al₂O₃ · H₂O ) , il suo volume aumenta di circa il 33%. Per il triidrato (Al₂O₃ · 3H₂O ) , il volume raddoppia quasi. Questa idratazione provoca la chiusura dei pori man mano che il volume di Al₂O₃ sulla superficie e sulle pareti dei pori si espande.
Processo di sigillatura ad acqua calda
- Temperatura dell'acqua: 90–110°C
- Valore del pH: 6–7.5
- Tempo: 15–30 minuti
L'acqua utilizzata deve essere distillata o deionizzata, poiché l'acqua del rubinetto può ridurre la trasparenza e la lucentezza della pellicola di ossido.
(2) Sigillatura a vapore ad alta temperatura
La sigillatura a vapore ad alta temperatura sfrutta lo stesso principio di idratazione della sigillatura ad acqua calda, provocando la chiusura del film poroso per espansione di volume. I suoi vantaggi includono:
- Sigillatura più rapida ed efficiente rispetto alla sigillatura ad acqua calda.
- Minore dipendenza dalla qualità dell'acqua e dal pH.
- Ridotta la formazione di cenere bianca, un problema comune nella sigillatura dell'acqua calda.
- Minore rischio di lisciviazione o sbiadimento del colorante, il che lo rende adatto per pellicole di ossido anodizzato colorato.
La chiave per la sigillatura a vapore risiede nella progettazione delle apparecchiature e nella tenuta all'aria per garantire la temperatura e l'umidità richieste. La temperatura deve superare i 100 °C, tipicamente 115-120 °C, con una pressione del vapore controllata a 0.7-1 atm (1 atm = 10⁵ Pa). È necessario evitare la condensa sulla superficie. In base alla cinetica chimica, un aumento di temperatura di 10 °C può aumentare la velocità di reazione di circa il 30%. Tuttavia, un riscaldamento rapido (idealmente entro 5 minuti) e un buon isolamento sono fondamentali, e richiedono apparecchiature sofisticate. L'elevato costo di costruzione e gestione dei sistemi di sigillatura a vapore ne limita l'uso diffuso.
(3) Sigillatura bicromata
La sigillatura con dicromato viene eseguita in una soluzione di dicromato di potassio fortemente ossidante ad elevate temperature. La reazione tra l'Al₂O₃ presente sulle pareti dei pori e il dicromato di potassio (K₂Cr₂O₇ ) è la seguente :
2Al2O3 + 3K2Cr2O7 + 5H2O → 2AlOHCrO4 + 2AlOHCr2 O7 + 6KOH
Il cromato basico di alluminio, il dicromato basico di alluminio e l'allumina idrata risultanti sigillano collettivamente i micropori. I dettagli del processo sono i seguenti:
| Soluzione sigillante | Dicromato di potassio | 50–70 g/l |
| I parametri di processo | La temperatura | 90-95 ° C |
| Ora | 15 – 25 min | |
| valore del ph | 6-7 |
La pellicola di ossido trattata appare gialla e offre un'eccellente resistenza alla corrosione, rendendola adatta all'anodizzazione protettiva ma non alle pellicole decorative colorate.
(4) Sigillatura per idrolisi
La sigillatura per idrolisi è ampiamente utilizzata in Cina, in particolare per la sigillatura di film di ossido colorati, poiché supera molti degli inconvenienti della sigillatura ad acqua calda. Il processo prevede l'adsorbimento di sali di cobalto o nichel facilmente idrolizzati nei pori del film di ossido, dove subiscono idrolisi per formare precipitati di idrossido che sigillano i pori:
Ni2 + 2H2O → Ni(OH) 2 ↓ + 2H +
Co2 + 2H2O → Co(OH) 2 ↓ + 2H +
Gli idrossidi di nichel e cobalto risultanti, quasi incolori e trasparenti, sigillano i pori senza alterare il colore originale della pellicola, rendendo questo metodo ideale per le pellicole colorate.
(5) Riempimento Sigillatura
Oltre ai metodi sopra descritti, i film di ossido anodizzato possono essere sigillati con materiali organici come vernice trasparente, paraffina fusa, resine o oli essiccanti. Ad esempio, l'olio siliconico può migliorare l'isolamento nei film di ossido anodizzato duro, il grasso siliconico può creare superfici prive di polvere e acidi grassi o grassi ad alta temperatura possono essere utilizzati per i riflettori a infrarossi per prevenire perdite di assorbimento nell'intervallo di lunghezza d'onda 4-6 μm. Sono stati sviluppati vari agenti sigillanti organici per applicazioni specifiche.
