Анодирование алюминия: все, что вам нужно знать

Анодирование алюминия заключается в помещении заготовок из алюминия или его сплавов в подходящий электролит, где алюминий служит анодом, а другой металл — катодом. Под действием электрического тока на поверхности алюминия образуется оксидная пленка. 

Подбирая различные типы и концентрации электролитов, а также контролируя условия процесса окисления, можно получать анодированные оксидные плёнки с различными свойствами и толщиной от десятков до сотен микрометров. Эти плёнки обладают значительно более высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью и декоративными свойствами по сравнению с химическими оксидными плёнками.

Электролит, используемый для анодирования алюминия и его сплавов, представляет собой кислый раствор с умеренной растворяющей способностью. В процессе анодирования одновременно протекают две реакции. С одной стороны, алюминиевая заготовка, выступающая в роли анода, реагирует с атомами кислорода, образующимися при гидролизе воды, образуя оксидную пленку (Al₂O₃) посредством электрохимической реакции, как показано ниже:

H₂О – 2е ^– → [О] + 2Н⁺

2Al + 3[O] → Al₂O₃

С другой стороны, электролит непрерывно растворяет вновь образующийся Al₂O₃ фильм, с реакцией:

Al₂O₃ + 6H⁺ → 2Ал³⁺ + 3H₂O

Рост оксидной пленки – это динамический процесс непрерывного образования и растворения. Более толстая оксидная пленка достигается только при превышении скорости образования над скоростью растворения. Поверхность анодированной оксидной пленки на алюминии и его сплавах характеризуется пористой, сотообразной структурой с двухслойным составом. Внутренний слой, прилегающий к подложке, представляет собой плотный слой Al.₂O₃ Пленка толщиной 0.01–0.05 мкм, обычно называемая барьерным слоем, обладает высокой твёрдостью. Внешний слой представляет собой пористую оксидную плёнку, состоящую из Al.₂O₃ с кристаллической водой, которая менее жесткая, но обладает отличными адсорбционными свойствами.

Свойства пленок анодированного алюминия

Микропоры в пористой анодированной оксидной плёнке расположены регулярно, перпендикулярно поверхности металла, образуя трубчатую структуру. Например, в анодированной серной кислотой оксидной плёнке толщиной 10 мкм диаметр пор обычно составляет менее 20 нм, что означает, что длина пор более чем в 500 раз превышает их диаметр. Эти поры напоминают вытянутые прямые трубки. Плотность пор может достигать 76 миллиардов пор на квадратный сантиметр — количество пор на площади размером с ноготь большого пальца примерно в десять раз превышает численность населения Земли.

Пористую структуру и морфологию анодированных оксидных пленок обычно наблюдают непосредственно с помощью сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения, которая позволяет увидеть характеристики пленки с разных ракурсов.

Алюминиевый анодирующий процесс

Типичный процесс анодирования алюминий и алюминиевые сплавы включает следующие шаги:

Выравнивание поверхности → Выравнивание → Химическое обезжиривание → Ополаскивание → Нейтрализация → Ополаскивание → Щелочное травление → Ополаскивание → Анодирование → Ополаскивание → Окрашивание или электролитическое окрашивание → Ополаскивание → Герметизация → Механическая полировка → Инспекция

Это стандартный процесс, но отдельные этапы могут быть скорректированы или исключены в зависимости от требований и специфики проекта. метод анодирования используемый.

Таблица: Основные параметры анодирования серной кислотой

Рабочий стол: Спецификации последующей обработки для химического окисления

Герметизация для алюминиевых анодированных пленок

Из-за пористой структуры и сильных адсорбционных свойств анодированных оксидных пленок поверхность подвержена загрязнению, особенно агрессивными средами, которые могут проникнуть в поры и вызвать коррозию. Поэтому после формирования анодированной оксидной пленки, независимо от того, окрашена она или нет, необходима герметизация для закрытия пор, что повышает коррозионную стойкость, изоляционные свойства и износостойкость, а также снижает адсорбцию загрязнений и масел. Распространенные методы герметизации включают герметизацию горячей водой, герметизацию паром, герметизацию дихроматом, герметизацию гидролизом и герметизацию заполнением.

(1) Герметизация горячей водой

Герметизация горячей водой подразумевает обработку свежеобразованной анодированной оксидной плёнки в кипящей или близкой к кипящей воде в течение определённого времени. Это дезактивирует плёнку, предотвращая дальнейшую адсорбцию красителя и стабилизируя нанесённый цвет. Принцип основан на гидратации аморфного алюминия.₂O₃

Al₂O₃+ нГн₂О → Ал₂O₃ · НГ₂O

Здесь, n обычно 1 или 3. Когда Al₂O₃ гидраты с образованием моногидрата (Al₂O₃ · H₂O), его объем увеличивается примерно на 33%. Для тригидрата (Al₂O₃ · 3Н₂O), объем почти удваивается. Эта гидратация приводит к закрытию пор, поскольку объем Al₂O₃ на поверхности и стенки пор расширяются.

Процесс герметизации горячей водой

• Температура воды: 90–110°C
• Значение pH: 6–7.5
• Время: 15–30 мин.

Используемая вода должна быть дистиллированной или деионизированной, так как водопроводная вода может снизить прозрачность и блеск оксидной пленки.

(2) Высокотемпературная герметизация паром

Высокотемпературная герметизация паром работает по тому же принципу гидратации, что и герметизация горячей водой, вызывая закрытие пористой пленки за счёт расширения объёма. Преимущества герметизации включают:

1. Более быстрая герметизация и более высокая эффективность по сравнению с герметизацией горячей водой.
2. Меньшая зависимость от качества воды и pH.
3. Уменьшено образование белого пепла — распространенной проблемы при герметизации горячей водой.
4. Меньший риск вымывания или выцветания красителя, что делает его пригодным для окрашенных анодированных оксидных пленок.

Ключ к успеху в пароуплотнении лежит в конструкции оборудования и обеспечении герметичности для обеспечения необходимой температуры и влажности. Температура должна превышать 100 °C, обычно 115–120 °C, при этом давление пара должно поддерживаться на уровне 0.7–1 атм (1 атм = 10⁵ Па). Необходимо избегать конденсации на поверхности. Согласно химической кинетике, повышение температуры на 10 °C может увеличить скорость реакции примерно на 30%. Однако быстрый нагрев (в идеале в течение 5 минут) и хорошая изоляция имеют решающее значение, требуя сложного оборудования. Высокая стоимость строительства и эксплуатации систем пароуплотнения ограничивает их широкое применение.

(3) Дихроматная герметизация

Дихроматная герметизация производится в сильно окисляющем растворе дихромата калия при повышенных температурах. Реакция между Al₂O₃ на стенках пор и дихромат калия (К₂Cr₂O₇) как следует:

2Al₂O₃ + 3К₂Cr₂O₇ + 5H₂O → 2AlOHCrO₄ + 2AlOHCr₂O₇ + 6КОН

Полученные основной хромат алюминия, основной дихромат алюминия и гидратированный оксид алюминия совместно запечатывают микропоры. Процесс протекает следующим образом:

Обработанная оксидная пленка имеет желтый цвет и обеспечивает отличную коррозионную стойкость, что делает ее пригодной для защитного анодирования, но не для декоративных окрашенных пленок.

(4) Гидролизная герметизация

Гидролизная герметизация широко применяется в Китае, особенно для герметизации окрашенных оксидных плёнок, поскольку она позволяет избежать многих недостатков герметизации горячей водой. Процесс включает адсорбцию легко гидролизуемых солей кобальта или никеля в поры оксидной плёнки, где они подвергаются гидролизу с образованием осадков гидроксидов, которые герметизируют поры:

Ni₂ + 2H2O → Ni(OH)₂↓ + 2Ч⁺

Co₂ + 2H₂O → Co(OH)₂↓ + 2Ч⁺

Получающиеся в результате гидроксиды никеля и кобальта, практически бесцветные и прозрачные, запечатывают поры, не влияя на исходный цвет пленки, что делает этот метод идеальным для окрашенных пленок.

(5) Заполнение и герметизация

Помимо вышеперечисленных методов, анодированные оксидные плёнки можно герметизировать органическими материалами, такими как прозрачный лак, расплавленный парафин, смолы или высыхающие масла. Например, силиконовое масло может улучшить изоляцию твёрдых анодированных оксидных плёнок, силиконовая смазка может создавать поверхности, не подверженные образованию пыли, а жирные кислоты или высокотемпературные смазки могут использоваться в инфракрасных отражателях для предотвращения потерь на поглощение в диапазоне длин волн 4–6 мкм. Для специальных применений разработаны различные органические герметики.