Анодирование алюминия: технология, сферы применения

Что собой представляет анодирование алюминия

Алюминий – серебристо-белый металл, который под действием кислорода быстро покрывается сероватой пленкой окислов. Однако такое оксидное покрытие из-за тонкости и низкой прочности не может обеспечить изделиям из этого материала достаточную защиту от воздействия внешних факторов.

В связи с этим была разработана технология анодирования, посредством которой на поверхности металла формируется защитное покрытие из оксида алюминия AL2O3. Эта пленка из окислов существенно прочнее и плотнее той, что образуется естественным путем. В природе это соединение встречается в виде корунда – минерала, тверже которого только алмаз.

Для создания защитной пленки алюминиевые изделия подвергают воздействию постоянного электрического тока в кислом электролитном растворе. Этот технологический процесс также называют анодным окислением (оксидированием). Наименование в данном случае обусловлено тем, что обрабатываемый металл в ходе реакции служит анодом. Разберем, для чего нужно анодирование алюминия. Получаемое покрытие призвано решать такие задачи, как:

1. Защита поверхности деталей от воздействия механических повреждающих факторов, износа и истирания. Срок службы покрытия достигает 20 лет.
2. Обеспечение высокого уровня коррозионной стойкости.
3. Выравнивание поверхности с заполнением объема незначительных дефектов – мелких царапин и вмятин. Этот процесс называют декоративным анодированием алюминия.

Впервые технология была опробована в Англии, когда начался выпуск легких и прочных комплектующих для нужд авиационной промышленности. В дальнейшем анодирование сплавов алюминия для самолетостроения было стандартизовано, появился металл с оксидированным покрытием с номенклатурной маркировкой DEF STAN 03-24/3.

В составе покрытия две составляющих:

• органическая;
• анодно-хромовая.

Сферы применения анодированного алюминия

С помощью этой технологии удалось качественно улучшить эксплуатационные характеристики алюминия.

Анодирование:

• Обеспечивает коррозионную стойкость конструкций, применяемых в строительстве.

С 1960-х годов алюминий получил широкое распространение при сооружении строительных конструкций. Довольно быстро на смену окраске пришло анодное оксидирование. Принятая толщина анодирования алюминия отличается для различных стран и климатических поясов – от 0,015 до 0,025 мм.

• Придает поверхностям отражающие свойства.

Для алюминиевых деталей, применяемых в прожекторах, элементах осветительных систем и в различных рефлекторах, необходимо создавать блестящие участки. Эту задачу решают, формируя анодированную пленку толщиной от 0,001 до 0,002 мм, которая также обеспечивает защиту от влаги и температурных воздействий.

• Повышает износостойкость изделий и уменьшает трение.

Гладкая и прочная поверхность, которую получают после анодирования, существенно снижает износ деталей в процессе эксплуатации. Детали и узлы различных механизмов, выполненные из алюминиевых сплавов, защищают оксидированным покрытием толщиной до 0,06 мм.

• Придает поверхностям деталей диэлектрические свойства.

Такие изоляторы используют в различных трансформаторах и отдельных типах электролитических конденсаторов.

1. Обеспечивает прочность, износостойкость и долговечность строительных профилей, деталей для машиностроения, авиации и судостроения.
2. Придает необходимые характеристики элементам различных нагревателей и охладителей.
3. Скрывает мелкие дефекты поверхностей изделий, улучшая их декоративные свойства.
4. Делает разнообразным дизайн изделий.

С помощью анодного оксидирования получают покрытия разных цветов и оттенков, в том числе бронзового, золотого и серебряного.

• Помогает поддерживать чистоту.

К примеру, лестница из необработанного алюминия пачкает руки. Вследствие этого производители анодируют такие изделия, в том числе различные рукояти, перила, инструмент и многие другие предметы.

Технология химического анодирования алюминия

На современном производстве для создания защитных покрытий на поверхности алюминиевых изделий чаще всего используют метод сернокислого анодирования.

Суть технологии:

1. Сначала поверхность металла очищают от жиров и загрязнений. Затем в ванну с электролитом (в этом качестве выступает раствор серной кислоты H2SO4) погружают свинцовый катод и обрабатываемое изделие. Плотность жидкости составляет от 1 200 до 1 300 г/л; плотность электрического тока – от 10 до 50 мА/см²; напряжение – от 50 до 100 В; температура раствора от +20 °С до +30 °С (в дальнейшем при покраске она не должна превышать +20 °С).
2. Изделие промывают в растворе каустической соды.
3. На поверхности алюминиевой детали остается супертонкий оксидный слой.

Анодированный слой покрывает поверхность алюминиевого сплава неравномерно и с низкой скоростью. Для нанесения достаточно толстого покрытия плотность тока должна достигать 1,5-1,6 А/дм². Меньшие показатели ведут к формированию почти бесцветной пленки. Большая катодная плотность (отношение размеров катода к площади поверхности изделия) приводит к прогарам и растравливанию, что затрудняет работу с массивными деталями.

Большое значение в ходе анодирования имеет надежность фиксации зажима и обеспечение хорошего электрического контакта изделия с источником тока.

В качестве электролита может использоваться не только раствор серной кислоты. Возможно применение:

• щавелевой кислоты;
• органических соединений и смесей;
• ортофосфорной кислоты;
• триоксида хрома.

Выбор того или иного электролитного раствора не связан с изменениями в технологическом процессе. Состав рабочей жидкости подбирают так, чтобы он способствовал формированию покрытия с оптимальными для последующего окрашивания характеристиками.

Процесс теплого анодирования алюминия

Теплое анодирование алюминия происходит при температуре +15…+20 °С. Некоторые недостатки этого метода обработки:

• Относительно невысокая степень защиты от коррозии. Подобная обработка не гарантирует того, что при контакте с химически агрессивной средой либо металлом анодированный слой выдержит воздействие кислорода.
• Слабая защита от механических повреждений.

Технологический процесс теплого анодирования включает такие этапы, как:

1. Обезжиривание поверхности.
2. Фиксация детали.
3. Оксидирование до формирования светло-молочной пленки.
4. Промывание под струей холодной воды.
5. Горячее окрашивание краской на основе анилина.
6. Выдержка в течение получаса.

Эта технология дает возможность получить необычайно красивую поверхность. Обработанные подобным образом детали не предназначены для эксплуатации в экстремальных условиях. Благодаря высокой адгезивности полученная пленка представляет собой оптимальную основу для нанесения долговечного лакокрасочного покрытия.

Холодное анодирование алюминия

Эта технология предусматривает оксидирование поверхности алюминиевых деталей при температуре от -10 °С до +10 °С и позволяет получить значительно более качественное защитное покрытие, чем при теплом анодировании.

Обработанный металл отличается:

• высокой прочностью;
• малой скоростью растворения слоя;
• большой толщиной защитного слоя.

Технология холодного анодирования включает:

• обезжиривание поверхности изделия;
• закрепление детали на подвеске;
• анодирование с формированием плотного покрытия;
• промывание водой;
• закрепление анодированной пленки с помощью пара или горячей дистиллированной воды.

Покрытия, полученные с помощью холодного анодного окисления, отличают хорошие декоративные качества и высочайшая стойкость к износу. Однако имеется и недостаток: краска для анодирования такого алюминия может быть исключительно неорганической.

Окрашивание анодированного алюминия

Из-за высокой пористости анодированный слой легко поглощает влагу, различные растворы и органику. Плюсом большого количества пор является их позитивная роль в формировании достаточно толстого покрытия. Но эта особенность ухудшает эксплуатационные характеристики изделий. По этой причине оксидные пленки требуют дополнительной обработки, позволяющей с помощью гидратированного оксида алюминия или различных ЛКМ и пропиток закупорить имеющиеся мельчайшие пустоты.

Для окрашивания прозрачных и полупрозрачных оксидированных покрытий применяют растворенные в воде кислотные органические красители. Отличия в окраске анодированных слоев, полученных с применением разных электролитных растворов, обусловлены различной структурой, пористостью и их естественными оттенками.

Чтобы получить нужные цвета, обычно используют смесь анилиновых красок. Также часто в ход идут неорганические соединения. Однако реакция двойного обмена в растворах неорганических солей дает ограниченную цветовую гамму вкупе с высокой светостойкостью.

Для уплотнения покрывающего слоя могут применяться как раствор бихромата натрия, так и его сочетания с карбонатом или гидроксидом натрия. Время обработки в растворе натрия двухромовокислого – от 5 до 10 минут. Этого мало для полноценного утолщения, но достаточно для поглощения большого количества хроматов, окрашивающих оксидированный слой в желтый цвет. Интенсивность окраски зависит от толщины анодирования алюминия.

Период обработки бихроматом без других компонентов должен быть равен времени анодирования алюминия. Такая процедура иногда не дает требуемую степень уплотнения, но обеспечивает хорошую гидратацию.

Окрашивание покрытий не всегда происходит посредством органических или неорганических красок. При обработке алюминия некоторыми видами электролитных растворов возможно цветное анодирование. Можно получить различные оттенки (светло-соломенный, золотистый или бронзовый) при оксидировании сначала с помощью переменного, а затем посредством постоянного тока.

Также окрашивание можно осуществлять посредством электрохимической обработки в растворах солей олова или никеля.

С помощью анодирования можно добиться значительного улучшения эксплуатационных характеристик изделий из алюминиевых сплавов. При такой обработке формируется плотная оксидная пленка, которой можно придавать различные свойства, меняя способ получения покрытия. В промышленности чаще всего прибегают к твердому анодированию с образованием прочного слоя, устойчивого к механическим повреждениям.

При теплом анодировании образуется пористое покрытие небольшой прочности, которое может служить отличной основой для последующей окраски. Холодный способ дает возможность получить толстый оксидный слой, устойчивый к коррозии.