Что такое анодированный алюминий: разбираем суть

Общие сведения о технологии

Процесс анодирования состоит из нескольких технологических этапов, среди которых механическая и химическая подготовка, непосредственно создание покрытия и при необходимости – коррекция и доработка изделия. Первичная механическая обработка выполняется с целью ликвидации царапин, рисок, вмятин и других дефектов на поверхности, которые не позволят качественно выполнить операцию. В частности, цветное анодирование алюминия требует обеспечения максимальной гладкости поверхностей заготовки, что позволит ей придать естественный блеск с отливом. Обработка производится путем шлифования и полировки, но от крупных абразивов стоит отказаться. Оптимальным вариантом станут фетровые и войлочные круги. Уже на этом этапе можно предусмотреть элементы химической подготовки – например, в качестве полировочных паст задействуется венская известь или та же окись алюминия. Иногда производится и химическая электрополировка на специальном оборудовании.

Что касается прямой химической подготовки, то она выполняется посредством операций обезжиривания, травления и осветления. Уже в процессе анодирования может производиться окрашивание или уплотнение. Опять же, в бытовой сфере данный метод обработки чаще используется для декоративного изменения цвета. Анодирование алюминия позволяет наделять заготовку светло-серым, черным, красным, синим и другими оттенками. Отдельную категорию палитры занимают имитирующие цвета – например, с эффектом старения или «под бронзу».

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.

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.

Результат анодирования алюминия

Черное анодирование алюминия

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.

Гаражные рецепты

Есть несколько гаражных рецептов, которые помогут приготовить средства против окислов.

Кипячение соды

Очистить новые следы окисла поможет обыкновенная кипяченная водичка. Жидкость необходимо заранее закипятить в небольшой кастрюльке. Потом кипяток переливают в тазик, в котором будут отмачиваться все детали, нуждающиеся в очистке. Продолжительность отмачивания длится около 3-4 часов. Затем все изделия промывают и вытирают от остатков водички. Если окислы не исчезли, придется воспользоваться другими, более эффективными средствами.

Плотную окисленную пленку можно устранить при помощи специальной аптечной буры. Чтобы восстановить алюминиевое изделие, выполняют следующие действия:

• в стаканчик с водой добавляют 10-15 грамм буры;
• размешивают в смеси 3-4 капельки нашатырного спирта;
• обрабатывают металлические покрытие приготовленной жидкостью;
• через сорок минут остатки состава смывают с поверхности.

Едкий натр

Снять слой въевшихся загрязнений можно едким натром. К достоинствам этой процедуры относят то, что ее легко провести в домашних условиях. Средство в количестве 150-200 грамм добавляют в 7-8 литров водички и тщательно перемешивают. Необходимо использовать подогретую водичку, температура которой составляет 60-80 градусов. Приготовленным натровым раствором следует помыть деталь.

Кока-кола

Этот газированный напиток обладает отличными очистительными свойствами, которые помогают восстановить загрязненное алюминиевое покрытие. Несколько литров Колы переливают в кастрюлю. Затем в нее кладут изделие и вымачивают его около часа. За это время потемнение должно полностью исчезнуть.

Твердое анодирование алюминия: достоинства и недостатки

Анодирование алюминия в домашних условиях можно производить двумя способами: твердым (холодным) и теплым. Последний, ввиду своей сложности, в домашних условиях практически не применяется, зато твердое анодирование получило широкое распространение среди умельцев. Это процесс обладает своими достоинствами и недостатками. К первым относятся такие как, получение толстого защитного слоя, который обладает хорошими прочностными характеристиками, а также образование высокопрочной антикоррозионной пленки на поверхности металла.

Среди недостатков отмечают один: неспособность удерживать на своей поверхности равномерный слой красителя на органической основе. Краситель ложится неравномерно и не является стойким. Однако при этом, в процессе твердого анодирования заготовка сама окрашивается в естественные цвета от зеленоватого, через желтовато-бурый до насыщенно серого.

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.

Устройства, оборудование, реактивы

В промышленных масштабах анодирование делается в растворах серной кислоты разной концентрации. Они обеспечивают как большую скорость процесса, так и заданную глубину оксидной плёнки. Применение автоматики позволило полностью автоматизировать этот достаточно вредный для здоровья процесс.

Оборудование для анодирования бывает трех типов:

1. Базовое, или основное. Тут всё просто: ванна с электролитом из инертного, не вступающего в реакцию, материала, притом обладающего свойствами теплоизолятора для предотвращения перегрева электролита. И катод, материал которого находится в прямой зависимости от того материала, который нужно анодировать.
2. Обслуживающее оборудование. К нему относятся агрегаты, обеспечивающие работоспособность установки для оксидирования. Это узлы подачи напряжения, предохранительные и приводные механизмы.
3. Вспомогательное. Это оборудование для работ по обработке и подготовке изделий к анодированию. В него входят и средства доставки деталей к ваннам. И средства упаковки и перемещения к местам, где готовые изделия складируются.

Самыми трудными, экологически опасными операциями при обработке металлов анодированием являются процессы загрузки и выгрузки деталей в ванны

Поэтому на качество работы приводных механизмов для этого всегда обращается особое внимание

Исторически сложилось так, что все производственные процессы связаны с потреблением переменного тока – который совершенно не годится для процессов анодирования. Для того, чтобы ток был постоянным (то есть текущий в проводниках только в одном направлении, применяют выпрямители с достаточным запасом мощности. Оптимальная мощность для промышленных выпрямителей, связанных с процессами оксидирования – 2,5 киловатта. А для обеспечения получения анодированной плёнки разных цветов и оттенков для таких выпрямителей монтируют бесступенчатую систему подачи мощности.

Процесс анодирования

Технология анодирования различных видов металлов является несложной. Главное только иметь под рукой все необходимое для ее осуществления.

Она осуществляется в несколько этапов:

Подготовка металлов к образованию оксидной пленки.

На данном этапе проводятся подготовительные работы для анодирования. Они заключаются в том, чтобы тщательным образом очистить и отмыть поверхность металла. Сначала удаляются все загрязнения и налеты. Затем при помощи воды или специальных растворов проводится промывка материала. После этой процедуры его необходимо высушить.

Подготовка раствора

На данном этапе осуществляется подготовка раствора с кислой или любой другой средой и подключают к положительному плюсу источника тока.

Покрытие поверхности металлов или их сплавов оксидной пленкой.

На данном этапе осуществляется погружения металла или изделии я из него в приготовленный раствор.

Техника безопасности

Как уже отмечалось, особые требования безопасности следует соблюдать в операциях с электролитом. Желательно работать в перчатках и защитных очках. Рабочая воздушная среда при этом тоже будет представлять опасность, поэтому организовывать процесс следует в помещении с активной приточно-вытяжной системой вентиляции. Все емкости с взрывоопасными и горючими смесями должны быть удалены от ванны и электротехнического оборудования, обеспечивающего процесс анодирования алюминия. В домашних условиях также имеет смысл проводить операцию с наличием ручных средств огнетушения

Отдельное внимание уделяется и последующей чистке оборудования. Емкость и вспомогательную оснастку следует промыть в специальных растворах, а остатки электролита утилизировать

Прочность, эластичность и твердость анодных пленок

Наибольшее влияние на свойства анодного покрытия оказывает режим работы ванн анодирования (режим процесса). Рассмотрим, как изменяются свойства покрытий в зависимости от основных характеристик процесса:

1. Повышение температуры раствора и кислотности электролита (быстрое увеличение скорости растворения металла в процессе) – увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности покрытия, снижение защитной способности.
2. Повышение плотности тока (уменьшение скорости растворения металла при перемешивании раствора) – механические свойства покрытия зависят от температурного режима и степени перемешивания, защитная способность покрытий увеличивается.
3. Увеличение продолжительности процесса (увеличение скорости растворения металла в процессе) – незначительное увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности, повышение защитных свойств.
4. Использование переменного тока (скорость растворения металла не меняется) — увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности, снижение защитных свойств анодного покрытия.

Прочность анодированного алюминия

Прочность и пластичность анодных пленок не отличается от характеристик основного металла, что нельзя сказать об усталостной прочности – при получении твердого анодного покрытия сопротивление усталости может быть снижено до 50%. Для нивелирования данного эффекта изделия обрабатывают в 5%-ном кипящем растворе бихромата калия в течение 10-15 минут, при этом основные характеристики анодной пленки не изменяются.

Эластичность и твердость

Как показано выше, твердость и эластичность анодного покрытия в значительной степени зависит от режима работы ванны анодирования. Характеристики эластичности и твердости не измеряются непосредственно, покрытие считаются гибкими (при условии, если поверхность изделия не имела дефектов в виде волосяных трещин), однако изделия нельзя непрерывно деформировать без повреждения пленки. При использовании переменного тока анодные пленки получаются более эластичными, соответственно снижается прочность покрытий. Использование хромовой кислоты также увеличивает степень эластичности пленки. В числовом выражении эластичность можно выразить в степени максимального удлинения металла до образования волосяных трещин (микротрещин), даже при использовании наиболее благоприятного режима процесса и хромового электролита данная величина составит не более 0,3%. На острых углах возможно растрескивание пленки, что оказывает существенное влияние на защитные свойства пленки, в частности на коррозионную защиту. Твердость по шкале Маха анодной пленки составляет 7-9, что значительно ниже, покрытия хромом, полученного гальваническим методом.

Литература

• Шрейдер А. В. Оксидирование алюминия и его сплавов. — М.: Металлургиздат, 1960. — 198 с.
• Голубев А. И. Анодное окисление алюминиевых сплавов. — М.: Изд-во АН СССР, 1961. — 221 с.
• Юнг Л. Анодные оксидные пленки. — Л.: Энергия, 1967. — 232 с.
• Томашов Н. Д., Тюкина М. Н., Заливалов Ф. П. Толстослойное анодирование алюминия и его сплавов. — М.: Машиностроение, 1968. — 156 с.
• Беленький М. А., Иванов А. Ф. Электрооосаждение металлических покрытий, справочник. — М.: Металлургия, 1985.
• Хенли В. Ф. Анодное оксидирование алюминия и его сплавов. — М.: Металлургия, 1986. — 152 с.
• Аверьянов Е. Е. Справочник по анодированию. — Москва: Машиностроение, 1988. — 224 с. — ISBN 5-217-00273-5.
• Гордиенко П. С., Руднев В. С. Электрохимическое формирование покрытий на алюминии и его сплавах при потенциалах искрения и пробоя. — Владивосток: Дальнаука, 1999. — 233 с. — ISBN -0.
• Артур В. Браке. Технологии Анодирования Алюминия. — М.: Interall, 2000.
• Лыньков Л. М., Мухуров Н. И. Микроструктуры на основе анодной алюмооксидной технологии. — Минск: Бестпринт, 2002. — 216 с. — ISBN 985-6633-50-8.
• Мухуров Н. И. Алюмооксидные микро-наноструктуры для микроэлектромехнических систем. — Минск: Бестпринт, 2004. — 166 с. — ISBN 985-6633-50-8.
• Позняк А. А. Модифицированный анодный оксид алюминия и композитные материалы на его основе. — Минск: Издательский центр БГУ, 2007. — 251 с. — ISBN 978-985-476-561-7.
• Аверьянов Е. Е. Плазменное анодирование в радиоэлектронике. — М.: Радио и связь, 1983. — 79 с.

Процесс анодирования алюминия

Насыщенные растворы готовят отдельно друг от друга следующим образом: в теплой воде растворяют соду и соль при интенсивном перемешивании, после насыщения растворов (соль и сода перестают растворяться и выпадают в виде осадка) им дают отстоятся в течение 10-15 минут и отфильтровывают в гальваническую емкость. Соотношение компонентов: на 9 частей раствора соды 1 часть раствора соли.

Качество оксидной пленки во многом зависит от степени правильно выполненной подготовки детали к нанесению покрытия (см. «Подготовка изделий к нанесению гальванических покрытий»). Деталь очищают от загрязнений, обрабатывают поверхность мелкой шкуркой и обезжиривают. В качестве раствора для обезжиривания подойдет ацетон.

В качестве гальванической ванны в данном случае лучше использовать емкость достаточного объема из алюминия. К емкости подключаем отрицательную клемму источника тока – она будет выполнять роль катода. Анодом является сама обрабатываемая деталь (положительная клемма источника тока). Если нет подходящей алюминиевой емкости можно использовать стеклянную емкость. В этом случае потребуются алюминиевые пластины или полосы, которые должны располагаться по периметру емкости, желательно дно емкости также покрыть алюминием. Погруженная в гальваническую ванну деталь не должна соприкасаться с катодами, необходимо выдержать расстояние не менее 15 мм.

В качестве источника постоянного тока можно использовать обычный выпрямитель или аккумулятор. Для регулировки силы тока подключаем резистор.

Далее необходимо рассчитать площадь поверхности обрабатываемых деталей (см. «Расчет площади поверхности сложных деталей», «Пример расчета площади поверхности сложной детали»). Ток анодирования задаем в пределах 10-20 мА на квадратный сантиметр площади поверхности детали.

Процесс анодирования продолжается полтора часа. Поверхность алюминиевой детали покрывается ровной серо-голубой пленкой. По окончании процесса извлекаем деталь из емкости, промываем под струей воды, затем очищаем поверхность детали раствором марганцовки с помощью ватного тампона, снова промываем и сушим.

Характеристики анодирования

Анодирование представляет собой процедуру образования на поверхности различных металлов оксидной пленки путем анодного окисления. Наращивание оксидной пленки осуществляется в проводящей среде. На поверхности металла такая пленка держится достаточно хорошо.

Наращивание оксидной пленки может осуществлять и благодаря методу повышения температурного режима. Однако при этом она получается низкой по прочности и не держится длительное время. Благодаря электрохимическому способу образования оксидной пленки она получается оптимальной толщины и отлично держится на поверхности материала.

Анодированию можно подвергать разные виды металлов. Основным требованием является то, что они должны иметь возможность образовывать только один оксид. Он должен обладать максимальным уровнем устойчивости. Если металл обладает способностью образовывать сразу несколько оксидов, это может привести к тому, что пленка просто начнет трескаться и не появится защитного эффекта. Именно по этой причине только на редких промышленных объектах встречаются случаи анодирования железа или меди.

Кроме того оксидная пленка на поверхности металлов должна обладать пористой структурой. Это необходимо для того, чтобы электролиты лучше в нее проникали. В результате получается, что лишь небольшая часть всех имеющихся на земле металлов способны удовлетворять данным параметрам. К ним относятся алюминий, тантал, титан. В промышленной и бытовой сфере чаще всего встречается обработка при помощи анодирования алюминиевого материала.

Подготовка емкости для анодирования

Анодирование производится в емкости с электролитом, подготовкой которой следует заняться в отдельном порядке. Для больших конструкций или деталей нужно использовать ванну, причем тоже изготовленную из алюминия. Небольшие по размеру заготовки обрабатываются в контейнерах, горшках или тазах, которые могут быть выполнены из пластиков. Иногда неподходящие по характеристикам емкости дополнительно покрываются листами данного металла. Оптимально, если дно и стены будут герметично покрыты алюминиевым слоем. Это позволит равномерно распределить ток с охватом всех сторон заготовки. Далее емкость следует теплоизолировать уже с наружных сторон. Дело в том, что анодирование алюминия в домашних условиях не позволяет точно регулировать тепловой режим корпуса емкости и его содержимого. Поэтому следует заранее выполнить утепление конструкции с помощью пенопласта толщиной 2-3 см. Если планируется регулярно применять анодирование, то можно подготовить специальную ванну с фиксацией на профильном герметичном каркасе и заливкой монтажной пеной.

На заключительном этапе подготовки емкости изготавливается свинцовый катод, который будет подключен к ванной. В этой части надо учитывать, что площадь электротехнического элемента должна вдвое превышать целевую площадь анодирования алюминия. Своими руками катод можно выполнить из листового свинца, снятого с защитной оболочки толстого кабеля. Также в этом элементе должны быть предусмотрены небольшие отверстия, которые позволят выпускать газ в процессе обработки.

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

Теплостойкость

Теплостойкость анодных покрытий характеризуется температурой плавления оксида алюминия, которая составляет 2050С, что значительно превосходит температуру плавления чистого алюминия или его сплавов. При повышении температуры оксидные пленки не отслаиваются, но при повышении температуры до 100С возможно растрескивание покрытия, что связано с тем, что коэффициент теплового расширения оксидной пленки около 20% от коэффициента расширения основного металла. Растрескивание оксидной пленки оказывает негативное влияние на коррозионно-защитные свойства покрытий и в некоторой степени ухудшает декоративные качества. Растрескивание покрытий, полученных при использовании хромового электролита значительно ниже, чем покрытий, полученных в серной кислоте. При повышении температуры до 400С начинается процесс дегидратации уплотненных покрытий.

Такие характеристики как тепловое излучение и отражательная способность также находятся в прямой зависимости от характеристик оксидного слоя. Способность излучать тепло для чистого алюминия незначительная, возрастает по мере увеличения толщины оксидного слоя, и при 400С алюминий с толстым оксидным слоем способен излучать тепло с интенсивностью более 70% от излучения абсолютно черного тела, а при рабочей температуре водных и паровых реакторов данная характеристика приближается к 100%. Для увеличения способности алюминиевого изделия отражать тепло толщина оксидной пленки должна быть минимальной и в тоже время в достаточной степени обеспечивать защиту поверхности детали от потускнения. При толщине 0,85 мкм оксидная пленка практически не задерживает ИК излучение и полированная поверхность основного металла отражает до 95% излучения. Очевидно, что отражательная способность в значительной степени зависит от чистоты поверхности материала до анодирования – полированная поверхность с высоким классом чистоты будет отражать тепло эффективнее.

Ржавеет ли аллюминий: причины

Если сплавы железа ржавеют относительно быстро, то при нормальных условиях алюминий практически не разрушается. На его поверхности появляется защитная пленка из оксида алюминия. Она имеет тонкий слой примерно 5−10 мм, но обладает высокой прочностью. Этот слой не позволяет влаге, воздуху разрушать структуру металла.

Как только нарушается целостность оксидной пленки, металл корродирует. Причинами повреждения защитного слоя может являться взаимодействие с кислотами, растворителями и щелочами, механическое воздействие (например, силы трения).

В промышленных районах и в городской среде оксидная пленка нарушается за счет продуктов распада топлива, взаимодействия с серой и с окислами углерода.

Интенсивно растворяют пассирующий слой такие элементы, как фтор, хлор, натрий, и соединения брома. Строительные растворы с добавлением цемента также приводят к быстрой порче металла. Морская вода также вызывает интенсивное разрушение чистого алюминия, поэтому на практике используют сплав с медью и марганцем, получивший название дюралюминия.

Гальванические пары способны вызывать электрохимическую коррозию. В местах соединений двух разнородных металлов ржавчина выступает наиболее заметно. При этом коррозии подвергается только один металл, а второй выступает в роли источника. Поэтому не рекомендуют использовать алюминиевые кузова при контакте с железом.

Что такое анодированный алюминий

На сегодняшний день алюминий остается очень важным и востребованным материалом для изготовления всевозможных деталей, подделок и прочее. Можно перечислить массу его преимуществ, например, небольшой вес, достаточная прочность, не подвергается коррозии, его легко обрабатывать для дальнейшего использования. Но при всем этом, многих не привлекает его внешний вид. Если вы хоть раз пробовали красить алюминий, то ваши попытки могли заканчиваться безуспешно, ведь краска держится на алюминии очень плохо. Если его использовать без краски, то очень скоро он покроется темными пятнами. Чтобы все это не допустить, была разработана технология анодирования алюминия. Предлагаем вам рассмотреть вопрос о том, что такое анодированный алюминий, какие существуют его разновидности, в каких сферах используется анодированный алюминий и можно ли анодировать этот материал своими руками.