Você já se perguntou por que a carcaça de alumínio do smartphone que você tem em mãos apresenta uma textura tão fosca e delicada, com boa resistência a arranhões? A resposta está em um dos métodos de acabamento de superfície mais utilizados: a anodização. Este artigo abordará o que é, seus tipos e processos.
O que é anodização?
A anodização é um processo universal. acabamento de superfície Método para peças de alumínio. Este processo envolve colocar um produto de alumínio ou liga de alumínio como ânodo em uma solução eletrolítica, onde uma reação eletroquímica forma uma camada de óxido de alumínio em sua superfície. O filme anódico resultante pode ter de dezenas a centenas de micrômetros de espessura e apresenta propriedades mecânicas, resistência à corrosão, resistência ao desgaste e resistência às intempéries. Além disso, o filme possui uma forte capacidade de adsorção, o que permite processos adicionais, como a coloração eletrolítica. Ajustando o tempo de coloração, é possível produzir uma ampla gama de tonalidades, de claras a escuras, resultando em um acabamento bonito e decorativo.
Características da anodização
Porosidade: A película anódica possui uma estrutura porosa, semelhante a um favo de mel. A porosidade é determinada pelo tipo de eletrólito e pelas condições específicas de anodização. Essa estrutura porosa confere à película uma excelente capacidade de absorver diversos materiais orgânicos, resinas, ceras, substâncias inorgânicas, corantes e tintas. Ela pode servir como uma camada base resistente para revestimentos ou ser tingida em diversas cores para realçar o apelo decorativo do metal.
Resistência ao Desgaste: Sistemas A película de óxido de alumínio é dura, o que melhora a resistência ao desgaste da superfície do metal. Quando a película absorve lubrificantes, sua resistência ao desgaste é ainda maior.
Resistência à corrosão: A película de óxido de alumínio é muito estável na atmosfera, proporcionando excelente resistência à corrosão. O nível de resistência depende da espessura, composição e porosidade da película, da composição do material base e da integridade de sua estrutura. Para melhorar ainda mais sua resistência à corrosão, a película anódica é normalmente selada ou pintada após o tratamento.
Isolamento elétrico: A película anódica possui alta resistência de isolamento e tensão de ruptura, tornando-a adequada para uso como camada dielétrica em capacitores eletrolíticos ou como camada isolante em produtos elétricos.
Isolamento térmico: A película de óxido de alumínio é um isolante térmico eficaz com estabilidade até 1500 °C. Isso permite evitar que o alumínio derreta em peças que operam sob altas temperaturas momentâneas.
Adesão: A ligação entre a película anódica e o metal base é forte. É muito difícil separá-los por meios mecânicos. Mesmo que a película se quebre devido à flexão do metal base, ela manterá sua excelente ligação.
Mecanismo de anodização
Anodização de alumínio Utiliza-se uma solução ácida com capacidade de dissolução moderada. O chumbo serve como cátodo e atua apenas como condutor. Durante o processo de anodização, ocorrem as seguintes reações:
No ânodo:
No cátodo:
Simultaneamente, o ácido dissolve quimicamente o alumínio e a película de óxido recém-formada. A reação é a seguinte:
A formação e a dissolução da película de óxido ocorrem simultaneamente. Inicialmente, a taxa de formação da película é maior que a taxa de dissolução, fazendo com que sua espessura aumente continuamente. Com o aumento da espessura, a resistência elétrica também aumenta, o que retarda o crescimento da película. Eventualmente, a taxa de crescimento se iguala à taxa de dissolução e a espessura da película se estabiliza.
O processo de formação pode ser melhor compreendido examinando-se a curva de tensão-tempo do processo de anodização.
A curva completa de tensão-tempo para anodização pode ser dividida em três estágios principais:
Estágio A: Formação de uma camada não porosa. Este é o ab segmento da curva. Nos primeiros segundos ou dezenas de segundos após a aplicação da corrente, a tensão sobe abruptamente de zero até um valor máximo, conhecido como tensão crítica. Isso indica que uma película fina, contínua e não porosa se formou na superfície do ânodo. A presença dessa película impede o espessamento adicional da camada. A espessura dessa camada não porosa é diretamente proporcional à tensão de formação e inversamente proporcional à taxa de dissolução da película no eletrólito.
Fase B: Formação da camada porosa. Esta é a bc segmento. Após atingir seu valor máximo, a tensão começa a cair cerca de 10% a 15% do seu valor de pico. Isso significa que a película não porosa começou a se dissolver e uma camada porosa está se formando.
Estágio C: Espessamento da camada porosa. Isto é o cd Após cerca de 20 segundos de anodização, a voltagem entra em uma fase estável de ascensão lenta. Isso indica que, à medida que a camada não porosa é continuamente dissolvida para formar a camada porosa, uma nova camada não porosa cresce simultaneamente. Em outras palavras, a camada porosa está continuamente se tornando mais espessa. O processo de formação e dissolução do filme ocorre no fundo de cada célula de poro. Quando as taxas de formação e dissolução do filme atingem um equilíbrio dinâmico, a espessura do filme anódico não aumentará mais, mesmo que o tempo de anodização seja prolongado. Nesse ponto, o processo de anodização deve ser interrompido.
Tipos e processos de anodização
Existem muitos métodos para anodizar alumínio e suas ligas. Aqui, vamos nos concentrar nos mais comuns: anodização com ácido sulfúrico, ácido crômico e ácido oxálico. Outros métodos incluem anodização dura e anodização de porcelana.
Anodização com ácido sulfúrico
Este processo utiliza corrente contínua ou alternada em um eletrólito diluído de ácido sulfúrico. Produz uma película de óxido incolor e transparente com espessura entre 5 e 20 μm e boas propriedades de adsorção. O processo é simples, a solução é estável e a operação é fácil.
| Composição da Solução | Método da Corrente Contínua (Fórmula 1) | Método da Corrente Contínua (Fórmula 2) | Método de corrente alternada |
| Ácido Sulfúrico (g/L) | 150-200 | 160 170 ~ | 100 150 ~ |
| Íons de alumínio | <20 | <15 | <25 |
| Temperatura (° C) | 15 25 ~ | 0-3 | 15 25 ~ |
| Densidade de corrente anódica (A/) | 0.8 1.5 ~ | 0.4 0.6 ~ | 2 4 ~ |
| Voltagem (V) | 18 25 ~ | 16 20 ~ | 18 30 ~ |
| Tempo de anodização (min) | 20 40 ~ | 60 | 20 40 ~ |
Concentração de ácido sulfúrico: Uma alta concentração de ácido sulfúrico aumenta a taxa de dissolução química do filme, resultando em um filme fino, macio e poroso com forte adsorção e boas propriedades de tingimento. A redução da concentração leva a uma taxa de crescimento do filme mais rápida, menor porosidade, maior dureza e melhor resistência ao desgaste e refletividade.
Temperatura: A temperatura do eletrólito influencia a qualidade da película de óxido. Entre 10 °C e 20 °C, a película é porosa, altamente adsorvente e elástica, tornando-a adequada para tingimento, mas sua dureza e resistência ao desgaste são menores. Se a temperatura ultrapassar 26 °C, a película torna-se frouxa e macia. Abaixo de 10 °C, a película é mais espessa e dura, com melhor resistência ao desgaste, mas sua porosidade é menor. Portanto, é crucial controlar a temperatura do eletrólito durante a produção.
Densidade atual: Aumentar a densidade de corrente acelera o crescimento do filme, reduz o tempo de anodização e diminui a dissolução química, resultando em um filme mais duro e resistente ao desgaste. No entanto, se a densidade de corrente for muito alta, o efeito Joule pode aumentar a dissolução do filme, o que pode retardar seu crescimento. Se a densidade de corrente for muito baixa, o tempo de anodização será muito longo e o filme resultante será poroso e terá menor dureza.
Tempo: O tempo de anodização é determinado pela concentração do eletrólito, temperatura, densidade de corrente e espessura desejada do filme. Sob as mesmas condições, à medida que o tempo aumenta, o filme de óxido engrossa e sua porosidade aumenta. No entanto, após atingir uma certa espessura, a taxa de crescimento diminui e eventualmente cessa.
Agitação: A agitação promove a convecção da solução, garantindo uma temperatura uniforme e prevenindo o superaquecimento localizado que poderia degradar a qualidade da película de óxido. A agitação é feita com compressores de ar ou bombas de água.
Composição da liga: A composição da liga de alumínio afeta a qualidade, a espessura e a cor do filme. Geralmente, outros elementos na liga de alumínio podem diminuir a qualidade do filme. Para ligas Al-Mg com mais de 5% de magnésio e estrutura não uniforme, é necessário um tratamento térmico adequado para homogeneizar a liga; caso contrário, a transparência do filme será afetada. Em ligas Al-Mg-Si, à medida que o teor de silício aumenta, a cor do filme muda de incolor e transparente para cinza, roxo e, eventualmente, preto, dificultando a obtenção de uma cor uniforme. Em ligas Al-Cu-Mg-Mn, o cobre diminui a dureza do filme, aumenta a porosidade e resulta em um filme mais frouxo e de menor qualidade. Sob as mesmas condições de anodização, o alumínio puro produz o filme mais espesso, mais duro e mais resistente à corrosão.
Anodização com ácido crômico
A película de óxido produzida pela anodização com ácido crômico tem de 2 a 5 μm de espessura. Possui baixa porosidade e é macia, com baixa resistência ao desgaste. Como há muito pouca dissolução de alumínio, as peças mantêm sua precisão e rugosidade superficial originais após a formação da película. Portanto, esse processo é adequado para peças de precisão.
| Composição da Solução | Formula 1 | Formula 2 | Formula 3 |
| Anidrido crômico (g/L) | 50 60 ~ | 30 40 ~ | 95 100 ~ |
| Temperatura (° C) | 33 37 ~ | 38 42 ~ | 35 39 ~ |
| Densidade de corrente anódica (A/) | 1.5 2.5 ~ | 0.2 0.6 ~ | 0.3 2.5 ~ |
| Voltagem (V) | 0 40 ~ | 0 40 ~ | 0 40 ~ |
| Tempo de anodização (min) | 60 | 60 | 35 |
| Material do ânodo | Placa de chumbo ou grafite | Placa de chumbo ou grafite | Placa de chumbo ou grafite |
Concentração de anidrido crômico: Tanto um teor elevado quanto um teor baixo de anidrido crômico reduzem a capacidade de anodização, embora uma concentração alta seja aceitável. Eletrólitos com pouco anidrido crômico são instáveis, o que pode levar a uma queda na qualidade do filme.
Impurezas: Íons cloreto, íons sulfato e íons de cromo trivalente são impurezas prejudiciais no eletrólito de anodização com ácido crômico. Os íons cloreto podem causar corrosão da peça; um aumento nos íons sulfato fará com que a película de óxido passe de transparente para opaca e reduzirá a vida útil do banho; e muitos íons de cromo trivalente resultarão em uma película escura e opaca.
Tensão: Durante os primeiros 15 minutos do processo de anodização, a tensão deve ser aumentada gradualmente de 0V para 40V, em incrementos de no máximo 5V, para manter a corrente dentro da faixa especificada. Assim que a tensão do banho atingir 40V, ela deve ser mantida durante o restante do processo de anodização.
Anodização com ácido oxálico
O ácido oxálico é um ácido fraco com efeitos corrosivos mínimos sobre o alumínio e suas ligas. Portanto, a anodização com ácido oxálico produz um filme mais duro e espesso (até 60 μm) com boa resistência à corrosão e excelente isolamento elétrico. Dependendo dos elementos da liga e de seu teor, o filme pode apresentar uma variedade de cores vibrantes. O eletrólito de ácido oxálico é muito sensível a íons cloreto. Se a concentração destes exceder 0.04 g/L, podem surgir pontos de corrosão no filme. A concentração de íons de alumínio trivalente também não deve exceder 3 g/L.
| Composição da solução (g/L) | Formula 1 | Formula 2 | Formula 3 |
| Ácido oxálico | 27 33 ~ | 50-100 | 50 |
| Temperatura (° C) | 15 21 ~ | 35 | 35 |
| Densidade de corrente anódica (A/) | 1 2 ~ | 2-3 | 1-2 |
| Voltagem (V) | 110 120 ~ | 40 60 ~ | 30 35 ~ |
| Tempo de anodização (min) | 120 | 30 60 ~ | 30 60 ~ |
| Fonte de energia | DC | AC | DC |
Coloração e Selagem
Após a anodização, o alumínio e suas ligas apresentam uma película de óxido porosa em sua superfície. Através da aplicação de tratamentos de coloração e selagem, as peças podem adquirir uma variedade de cores, além de melhorar a resistência à corrosão e a durabilidade da película.
Coloração com pigmentos inorgânicos
O mecanismo de coloração com pigmentos inorgânicos é a adsorção física, onde as moléculas de pigmento inorgânico são adsorvidas e preenchem os poros do filme. Este método produz cores menos vibrantes e apresenta uma ligação mais fraca com o substrato, mas oferece melhor resistência à luz. Os corantes utilizados neste método são aplicados em um processo de duas etapas. O metal anodizado é imerso alternadamente em duas soluções diferentes até que a reação entre os dois sais dentro do filme de óxido produza pigmento suficiente para atingir a tonalidade desejada.
| Cor | Composição | Concentração em massa (g/L) | Temperatura (° C) | Tempo (min) | Sal colorido formado |
| Vermelho | Acetato de cobalto | 50 100 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | Ferricianeto de potássio |
| Ferricianeto de potássio | 10 50 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | Ferricianeto de potássio | |
| Azul | Ferrocianeto de Potássio | 10 50 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | Azul da Prússia |
| cloreto férrico | 10 100 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | Azul da Prússia | |
| Amarelo | Cromato de potássio | 50 100 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | Cromato de chumbo |
| Cromato de potássio Acetato de chumbo | 100 200 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | Cromato de chumbo | |
| Preto | Acetato de cobalto | 50 100 ~ | 5 10 ~ | Óxidos de cobalto | |
| Permanganato de potássio | 12 25 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | Óxidos de cobalto |
Coloração com corante orgânico
O mecanismo de coloração com corantes orgânicos é mais complexo e envolve tanto adsorção física quanto reações químicas. A ligação química entre o óxido de alumínio e as moléculas do corante pode ocorrer de diversas maneiras: ligações covalentes entre o óxido e os grupos sulfônicos do corante, ligações de hidrogênio entre o óxido e os grupos fenólicos do corante, ou a formação de um complexo entre o óxido e as moléculas do corante. A coloração com corantes orgânicos produz cores vibrantes e oferece uma ampla gama de tonalidades, mas apresenta baixa resistência à luz. Recomenda-se o uso de água destilada ou deionizada para o preparo da solução de corante, pois a água da torneira contém íons de cálcio e magnésio que podem formar complexos com as moléculas do corante, tornando a solução ineficaz.
| Cor | Nome da tintura | Concentração em massa (g/L) | Temperatura (° C) | Tempo (min) | valor do PH |
| Vermelho | Rodamina B (R) | 5 10 ~ | 60 70 ~ | 10 20 ~ | / |
| Magenta Ácido (GR) | 6 8 ~ | Temperatura ambiente. | 2 15 ~ | 4.5 5.5 ~ | |
| Vermelho reativo | 2 5 ~ | 70 80 ~ | / | / | |
| Vermelho de Alizarina S (GLW) | 3 5 ~ | Temperatura ambiente. | 5 10 ~ | 5 6 ~ | |
| Azul | Direto Rápido Azul | 3 5 ~ | 15 30 ~ | 15 20 ~ | 4.5 5.5 ~ |
| Azul reativo | 5 | Temperatura ambiente. | 1 5 ~ | 4.5 5.5 ~ | |
| Azul ácido | 2 5 ~ | 60 70 ~ | 2 15 ~ | 4.5 5.5 ~ | |
| Amarelo dourado | Rodamina S (S) | 0.3 | 70 80 ~ | 1 3 ~ | 5 6 ~ |
| Rodamina B (R) | 0.5 | / | / | / | |
| Amarelo Reativo | 0.5 | 70 80 ~ | 5 15 ~ | / | |
| Amarelo de Alizarina (GLW) | 2.5 | Temperatura ambiente. | 2 5 ~ | 5 5.5 ~ | |
| Preto | Preto Ácido (ATT) | 10 | Temperatura ambiente. | 3 10 ~ | 4.5 5.5 ~ |
| Elemento Ácido | 10 12 ~ | 60 70 ~ | 10 15 ~ | ||
| Verde Naftol Preto | 5 10 ~ | 60 70 ~ | 15 30 ~ | 5 5.5 ~ |
Coloração Eletrolítica
Nesse processo, o alumínio ou liga anodizada é imerso em uma solução eletrolítica contendo sais metálicos e submetido à eletrólise. Uma reação eletroquímica reduz os íons de metal pesado que penetraram nos poros da película de óxido a átomos metálicos, os quais se depositam no fundo dos poros sobre a camada não porosa, conferindo cor à película. A película de óxido colorida produzida por esse método apresenta boa resistência ao desgaste, à luz, ao calor e à corrosão, além de estabilidade de cor duradoura. É utilizada em perfis de alumínio para fins arquitetônicos. Quanto maior a voltagem e o tempo de coloração eletrolítica, mais intensa será a cor.
| Cor | Nome da tintura | Concentração em massa (g/L) | Temperatura (° C) | Tensão AC (V) | Tempo (min) |
| Vermelho | Nitrato de prata | 0.4-10 | Temperatura ambiente. | 8 20 ~ | 0.5 1.5 ~ |
| Ácido Sulfúrico | 5 30 ~ | Temperatura ambiente. | 8 20 ~ | 0.5 1.5 ~ | |
| Bronze →Marrom →Preto | Sulfatos de níquel | 25 | 20 | 7 15 ~ | 2 15 ~ |
| Ácido bórico | 25 | 20 | 7 15 ~ | 2 15 ~ | |
| Sulfato de amônia | 15 | 20 | 7 15 ~ | 2 15 ~ | |
| O sulfato de magnésio | 20 | 20 | 7 15 ~ | 2 15 ~ | |
| Bronze →Marrom →Preto | Sulfato de estanho(II) | 20 | 15 25 ~ | 13 20 ~ | 5 20 ~ |
| Ácido Sulfúrico | 10 | 15 25 ~ | 13 20 ~ | 5 20 ~ | |
| Ácido bórico | 10 | 15 25 ~ | 13 20 ~ | 5 20 ~ | |
| Roxa → Castanho avermelhado | Sulfatos de cobre | 35 | 20 | 10 | 5 20 ~ |
| O sulfato de magnésio | 20 | 20 | 10 | 5 20 ~ | |
| Ácido Sulfúrico | 5 | 20 | 10 | 5 20 ~ | |
| Preto | Sulfatos de cobre | 25 | 20 | 17 | 13 |
| O sulfato de magnésio | 15 | 20 | 17 | 13 | |
| Ácido Sulfúrico | 25 | 20 | 17 | 13 |
Tratamento de selagem
Após a anodização, seja ela colorida ou não, o alumínio deve ser selado imediatamente. O objetivo da selagem é fixar o corante nos poros para evitar que ele se desprenda, além de melhorar a resistência ao desgaste, a resistência à luz, a resistência à corrosão e o isolamento da película. Os métodos de selagem incluem selagem com água quente, selagem a vapor, selagem com dicromato, selagem por hidrólise e selagem por preenchimento.
Selagem com água quente
O princípio da selagem com água quente baseia-se na hidratação de materiais amorfos:
Aqui, n Pode ser 1 ou 3. A hidratação forma boehmita ( ) e, quando forma hidrargilita ( ). A formação de hidrargilita aumenta seu volume em quase 100%. Como resultado da hidratação na superfície e nas paredes dos poros da película de óxido, os poros são selados devido à expansão de volume. O processo de selagem com água quente envolve uma temperatura de 90°C a 100°C, um pH de 6 a 7.5 e uma duração de 15 a 30 minutos. A água utilizada para a selagem deve ser destilada ou deionizada, e não água da torneira, pois a água da torneira pode reduzir a transparência e a cor da película de óxido. O princípio da selagem a vapor é o mesmo da selagem com água quente, mas os resultados são muito melhores, embora o custo seja maior.
Vedação com dicromato
Este método é realizado em uma solução quente de dicromato de potássio, que é um forte agente oxidante. Quando a peça de alumínio anodizado é submersa na solução, o óxido de alumínio presente na película e nas paredes dos poros reage com o dicromato de potássio, da seguinte forma:
Os precipitados resultantes de hidróxido de cromato de alumínio e hidróxido de dicromato de alumínio, juntamente com a boehmita e a hidrargilita formadas pela reação das moléculas de água quente com o óxido de alumínio, selam os poros da película. A película de óxido selada é amarela e possui boa resistência à corrosão. Este método é adequado para selar ligas de alumínio anodizadas destinadas à proteção, mas não é adequado para selar películas decorativas coloridas.
| Dicromato de Potássio | 50-70 g / L |
| Temperatura: | 90°C~95°C |
| Tempo | 15 ～ 25 min |
| valor do PH | 6-7 |
Selagem por hidrólise
Quando uma solução muito diluída de sal de níquel ou cobalto é adsorvida pela película de óxido, ocorre uma reação de hidrólise:
O hidróxido de níquel ou cobalto resultante precipita nos poros da película de óxido, selando-os. Como as pequenas quantidades de hidróxido de níquel e cobalto são praticamente incolores, esse método é adequado para selar películas de óxido coloridas.
| Composição da solução (g/L) | Formula 1 | Formula 2 | Formula 3 |
| Sulfatos de níquel | 4 6 ~ | 3-5 | / |
| Sulfatos de cobalto | 0.5 ~0.8 | / | / |
| Acetato de cobalto | / | / | 1 2 ~ |
| Acetato de sódio | 4 6 ~ | 3 5 ~ | 3 4 ~ |
| Ácido bórico | 4 5 ~ | 3 4 ~ | 5 6 ~ |
| valor do PH | 4 6 ~ | 5 6 ~ | 4.5 5.5 ~ |
| Temperatura (° C) | 80 85 ~ | 70 80 ~ | 80 90 ~ |
| Tempo de selagem (min) | 10 20 ~ | 10 15 ~ | 10 25 ~ |
Vedação de enchimento
Além dos métodos mencionados acima, as películas de óxido anódico também podem ser seladas usando substâncias orgânicas como verniz transparente, parafina derretida, diversas resinas e óleos secantes.
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