Процесс анодирования позволяет сформировать блестящий, стабильный и прочный оксидный слой на некоторых металлах, что сводит к минимуму износ и коррозионное повреждение нижележащей металлической основы. Толстый слой анодного оксида также служит эффективной основой для нанесения дополнительного слоя цветного покрытия для дальнейшего улучшения защиты поверхности, блеска и эстетики подложки.
Здесь мы рассмотрим анодирование, как оно работает и почему это предпочтительный процесс отделки металла для алюминия, титана и подобных металлов и сплавов.
Процесс анодирования
Анодирование включает в себя электрохимический процесс , который повышает способность металлических поверхностей поглощать кислород за счет погружения поверхности в раствор кислоты и подключения источника напряжения к металлическому объекту, подлежащему анодированию.
Таким образом, анодное окисление металлов, таких как алюминий, цинк, кадмий, магний и титан и их сплавы, позволяет создать твердый слой соответствующего оксида металла (например, оксида алюминия , оксида магния, оксида титана и т. д.). Эти стабильные оксиды прочно прилипают к металлической подложке без тенденции к отслаиванию или отслаиванию, которая наблюдается в случае поверхностей из черных металлов, которые ржавеют во время окисления. (Ознакомительную информацию об анодировании и других методах см. в статье « 5 наиболее распространенных типов металлических покрытий, о которых должен знать каждый». )
Классификации анодирования
Существует несколько классификаций анодирования:
Жесткое анодирование
Процесс жесткого анодирования позволяет сформировать оксидную пленку большей толщины, которая обычно составляет от двадцати микрометров до ста (или более) микрометров. Более высокая толщина оксидной пленки достигается за счет увеличения напряжения постоянного тока и концентрации кислоты при сохранении в ванне более низких температур.
Твердое анодирование создает превосходный слой , устойчивый к коррозии , который является твердым и устойчивым к истиранию . Например, алюминий, анодированный в растворе серной кислоты при температуре 5°С, образует толстый слой твёрдого анодного оксида тускло-серого цвета, тогда как при температуре ванны 20°С раствор серной кислоты создает мягкую и тонкую анодную пленку.
Анодирование серной кислотой
Процесс анодирования серной кислотой позволяет формировать на металлической подложке анодные оксидные пленки точно контролируемой толщины. Желаемый цвет достигается за счет дополнительной обработки цвета. Точная толщина достигается за счет выбора напряжения, температуры ванны и состава кислотного раствора. Для анодирования алюминия обычно используется раствор серной кислоты.
Анодирование хромовой кислотой
Анодирование хромовой кислотой является основным выбором, если существует требование, чтобы общая усталостная прочность изделия не уменьшалась в результате этого процесса. Толщина слоя анодирования составляет от одного до 10 микрометров. Этот метод не является предпочтительным, если важна однородность цвета внешней поверхности, поскольку очень тонкая оксидная пленка не может быть основой для равномерного окрашивания.
Алюминиевые сплавы, которые используются в самолетах из-за их высокой прочности, часто анодируются хромовой кислотой. Однако этот процесс не является экологически чистым, поскольку он содержит хром (VI), использование которого ограничено правилами из-за его токсичности .
Белое анодирование
Процесс белого анодирования был изучен на предмет его пригодности для применения в космосе, поскольку он создает оксидную пленку с низким значением поглощения солнечной энергии. При этом типе анодирования раствор состоит из молибдата натрия, глицерина, молочной и серной кислот. Оптимальная толщина пленки и оптическая однородность цвета достигаются путем изучения влияния альтернативных составов растворов ванн, напряжения постоянного тока, плотности тока , температуры ванны и продолжительности анодирования.
Анодирование кремния
Когда сплав содержит кремний, полученный слой более устойчив к износу и коррозии, хотя и имеет характерный серый и непрозрачный цвет. Этот вид анодирования используется не для декора, а для деталей, которые не будут видны.
Анодирование титана
Титананодирование проводят в ванне с разбавленной серной кислотой при приложении постоянного напряжения фиксированной величины. Для оптимизации процесса анодирования титана было изучено влияние переменных процесса, таких как продолжительность процесса, состав кислотного раствора, температура ванны и плотность тока, на толщину и цветовые свойства анодной оксидной пленки .
Ортопедическое анодирование титанового сплава
Анодирование — это один из методов формирования наноструктурной анодной оксидной пленки на поверхности титановых сплавов, используемых для биомедицинских имплантатов. В этом процессе возможна точная регулировка толщины оксидного слоя и других характеристик, таких как топография пор, составляющих слой.
Ортопедические имплантаты на основе титанового сплава имеют цветовую маркировку посредством анодирования в растворе серной кислоты. Одно исследование показало , что если имплантат с цветовой кодировкой снова анодировать в растворе плавиковой кислоты , имплантат потенциально будет способствовать увеличению роста кости у пациента.
Анодированная стандартная цветовая маркировка имплантатов и устройств, используемых в стоматологии, ортопедии и других целях, облегчает быстрое распознавание, точную и быструю сборку компонентов и упрощает медицинские процедуры.Это преимущество применимо и к сборке компонентов из анодированных (с цветовой маркировкой) титановых сплавов, используемых также в аэрокосмической отрасли.
Анодирование магния
Анодирование магния проводится в богатом щелочью электролите . Рецептура ванны гарантирует, что пленка, образующаяся на поверхности, имеет высокую коррозионную стойкость, стойкость к соленой воде, износостойкость и эстетичный внешний вид.
На образование анодной оксидной пленки магния напрямую влияет напряжение. Анодирование магния при низком приложенном напряжении не позволяет получить оксидную пленку с адекватной защитой от коррозии, поэтому необходимы более высокие напряжения постоянного тока. Новые процессы анодирования используют энергию искрового разряда для создания износостойкой керамической оксидной пленки на магниевых подложках.
Химия анодирования
В процессе анодирования между металлической заготовкой (например, алюминием) и металлическим катодом (часто в качестве катода используется цинк) подается напряжение постоянного тока. Частицы воды раствора кислоты разрушаются вблизи анода, образуя кислород, который собирается на аноде. Богатый кислород реагирует с алюминием с образованием оксида алюминия (Al2O3 ).
На подложке быстро формируется тонкий слой оксида алюминия, а более толстый оксидный слой пористой структуры формируется медленнее. На поверхности алюминия уже может присутствовать тонкий слой анодного оксида, но этот тонкий слой подвержен повреждениям и не может обеспечить сильную стойкость к коррозии и истиранию.
Анодирование увеличивает толщину и другие характеристики анодной оксидной пленки в соответствии с требованиями. Эти параметры анодно-оксидной пленки можно адаптировать к конкретным условиям эксплуатации (например, в химической промышленности или вблизи прибрежных зон). Если пористость оксидной пленки неприемлема, можно создать непористую пленку путем анодирования в некислотной нейтральной ванне.
Предварительная обработка
Предварительная обработка перед анодированием включает тщательную очистку и травление . Поскольку заготовки могут быть получены в загрязненном состоянии, требуется их тщательная очистка. Травление можно производить в растворе гидроксида натрия . На правильно протравленных поверхностях не появляются поверхностные дефекты, такие как царапины после анодирования.
Постобработка: окраска и герметизация
В случае магния анодирование часто используется в качестве подготовки к последующему процессу окраски или окраски. Часто для окраски анодированных поверхностей используются красители, а для повышения износостойкости и снижения трения применяется покрытие из политетрафторэтилена (ПТФЭ) . Окраска используется для облегчения уверенной идентификации, а также для улучшения эстетики.
Последующий процесс герметизации закупоривает поры, тем самым способствуя стабильности анодной оксидной пленки, поэтому она может противостоять износу, а также коррозии, связанной с брызгами соленой воды и глубокой океанской средой.
Однако в случае анодирования титана отдельного процесса окраски не существует, поскольку окончательная обработка цвета достигается путем непосредственной точной настройки параметров процесса анодирования.
При анодировании алюминия заготовку очищают и травят перед помещением в раствор кислоты в ванну для анодирования. Он подключается как анод , а отрицательная клемма подключается к катодным пластинам (или стержням).в электрической цепи. Протекание тока в цепи заставляет алюминиевую подложку вступать в реакцию с кислородом, выделяемым из воды, с образованием оксида алюминия, который прочно прилипает к подложке. Поры анодного оксида алюминия образуются глубоко в поверхности, создавая прочную барьерную пленку, защищающую поверхность от агрессивных сред. Пока на клеммах цепи подается напряжение, кислород продолжает проникать и окислять алюминий, создавая тем самым более толстую и прочную барьерную пленку. После достижения проектной толщины пленки питание отключается.
Если необходима окраска, краситель готовят в отдельной посуде, и анодированную заготовку помещают в емкость после промывки водой. После окраски анодированную и окрашенную заготовку помещают в горячую воду для герметизации. Процесс запечатывания придает металлический блеск и долговечность эстетичного цвета. При травлении поверхности лучи света, падающие на окрашенную поверхность, отражаются частично неокрашенными порами и частично окрашенными порами, сохраняя таким образом стойкий металлический блеск используемой краски. Вот почему анодированный алюминий так популярен в декоративных целях.
Видное использование анодированных металлов
Анодированный титан используется в медицинских приборах и аэрокосмической промышленности. Преимущество анодирования этого металла заключается в том, что оно не изменяет механические свойства основного металла. Анодирование облегчает идентификацию деталей и компонентов во время сборки и последующего использования.
Анодированный алюминий подходит для применения вблизи морской среды, для оконных рам и фасадов больших зданий и коммерческих комплексов. В декоративных и эстетических целях оксидная пленка должна быть прозрачной, а не сероватого цвета. Температура ванны должна контролироваться везде, где требуется декоративная отделка.
Анодированные металлы также используются для:
- Эстетические орнаменты, произведения искусства, архитектурные конструкции и детали
- Компоненты автомобилей и самолетов
- Элитная мебель, спортивное оборудование
- Кухонная техника, компоненты машин для производства продуктов питания
- Компоненты, используемые в строительстве зданий
Анодирующее оборудование
Мощность постоянного тока, необходимая для процесса анодирования, подается через выпрямители . Несколько лет назад мотор-генераторные установки (MG) использовались для преобразования переменного тока в постоянный. Необходимое напряжение может варьироваться от 24 до 70 В постоянного тока. Современное энергетическое оборудование способно подавать импульсный ток, необходимый для получения анодной пленки с более высокой коррозионной стойкостью. Один производитель утверждает , что импульсный ток (с микропроцессорным управлением) увеличивает производительность за счет более высоких плотностей тока, сохраняя при этом температуру поверхности более низкой, тем самым снижая нагрузку на холодильное оборудование.
Для оборудования контроля температуры требуется система охлаждения, поскольку процесс анодирования производит тепловую энергию ( экзотермическая электрохимическая реакция ), которая должна быть поглощена, не вызывая повышения температуры ванны.
Электролит перемешивается системой продувки воздухом, чтобы вся ванна имела однородную температуру. Экстракционное оборудование, установленное в резервуаре для анодирования, удаляет туман водорода и кислоты, постоянно образующийся возле катода.
В качестве катода можно использовать емкости для анодирования, если они футерованы свинцом. Чаще всего отдельные катоды располагаются по всей длине резервуара, поскольку контроль соотношения площади анода к площади катода имеет решающее значение при некоторых типах анодирования. Для сернокислотной ванны алюминиевый катод имеет преимущества перед свинцовым электродом. Для этого применения обычно предпочтительны резервуары, изготовленные из стали и облицованные неопреновым каучуком или кислотостойкими полимерами .
Определения и методы анодирования
Хотя процедура химического анодирования одинакова для всех применений, механические процессы различаются в зависимости от физических типов и формы используемых металлов:
Периодическое анодирование предполагает погружение частей стеллажей в ряд резервуаров для обработки. К объектам, подвергаемым серийному анодированию, относятся профили, листы или изогнутые металлические детали, отливки, кухонная посуда, косметические футляры, корпуса фонарей и механически обработанные алюминиевые детали, и это лишь некоторые из них.
Непрерывное анодирование рулонов включает в себя непрерывную размотку предварительно прокатанных рулонов и пропускание их через последовательность резервуаров анодирования, травления и очистки перед перемоткой для отправки и изготовления. Эта технология используется для изготовления осветительных приборов, отражателей, жалюзи, дистанционных рамок для стеклопакетов и сплошных кровельных систем из крупногабаритных листов, фольги и изделий менее сложной формы.
Заключение
Анодирование — это процесс отделки металла, при котором металлическую заготовку соединяют в качестве анода и погружают в электролит химического (кислотного) раствора с целью образования на ее поверхности анодной оксидной пленки. Эта пленка стабильна, устойчива к истиранию и коррозии, а также служит основой для любой дальнейшей окраски, необходимой для идентификации или в эстетических целях.
На параметры оксидной пленки влияют такие переменные процесса, как приложенное постоянное напряжение, продолжительность процесса, химический состав электролита и температура ванны. В то время как компоненты из анодированного титана используются для ортопедических имплантатов, детали как из анодированного алюминия, так и из титана используются в критически важных областях аэрокосмической промышленности. Кроме того, анодированные металлы используются во многих промышленных и архитектурных целях, поскольку они элегантны, долговечны и устойчивы к атмосферным воздействиям.
Перевод статьи: