Анодируйте это:великолепие анодирования

Процесс анодирования позволяет сформировать блестящий, стабильный и прочный оксидный слой на некоторых металлах, что сводит к минимуму износ и коррозионное повреждение нижележащей металлической подложки. Толстый слой анодного оксида также служит эффективной основой для нанесения дополнительного цветного слоя 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 путем погружения поверхности в раствор кислоты и подключения источника напряжения к металлическому объекту, подлежащему анодированию.

Демонстрация анодирования
Источник:Джаспер Нэнси.

Таким образом, анодное окисление металлов, таких как алюминий, цинк, кадмий, магний и титан, и их сплавов позволяет создать твердый слой соответствующего металлического оксида (например, оксида алюминия, оксида магния, оксида титана и т. д.). Эти стабильные оксиды прочно прилипают к металлической подложке без склонности к отслаиванию или отслаиванию, что наблюдается в случае железных поверхностей, которые ржавеют во время окисления. (Для ознакомления с анодированием и другими методами прочтите «5 наиболее распространенных типов металлических покрытий, о которых должен знать каждый».)

Классификации анодирования

Существует несколько классификаций анодирования:

Твердое анодирование

Процесс твердого анодирования позволяет формировать 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 ванны при более низких температурах.

Твердое анодирование создает превосходный коррозионно-стойкий слой, который является твердым и устойчивым к истиранию. Например, алюминий, анодированный в растворе серной кислоты при температуре 5°С (41°F), образует толстый слой твердого анодного оксида тускло-серого цвета, тогда как при температуре ванны 20°С (68°F) ) раствор серной кислоты создает мягкую и тонкую анодную пленку.

Сернокислотное анодирование

Процесс сернокислотного анодирования позволяет формировать точно контролируемую толщину анодных оксидных пленок на металлической подложке. Желаемый цвет достигается за счет дополнительной обработки цветом. Точная толщина достигается за счет выбора напряжения, температуры ванны и состава раствора кислоты. Для анодирования алюминия обычно используется раствор серной кислоты.

Анодирование хромовой кислотой

Анодирование хромовой кислотой является основным выбором, если есть требование, чтобы общая усталостная прочность продукта не снижалась из-за процесса. Толщина слоя анодирования составляет от одного до 10 микрометров. Этот метод не является предпочтительным, если важна постоянство 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 анодируют хромовой кислотой. Однако этот процесс не является экологически безопасным, 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 солнечного поглощения. В 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, постоянного напряжения, плотности тока, температуры ванны и продолжительности анодирования.

Анодирование кремния

Когда сплав содержит кремний, образующийся слой более устойчив к износу и коррозии, хотя и имеет характерный серый и непрозрачный цвет. Этот тип анодирования используется не для украшения, а для деталей, которые не будут видны.

Анодирование титана

Анодирование титана проводят в ванне с разбавленной серной кислотой при приложении фиксированного значения постоянного напряжения. Для оптимизации процесса анодирования титана было изучено влияние переменных процесса, таких как продолжительность процесса, состав раствора кислоты, температура ванны и плотность тока, на толщину пленки анодного оксида и цветовые свойства. (Связанное чтение:5 вещей, которые нужно знать и понимать о коррозии титана.)

Анодирование ортопедического титанового сплава

Анодирование является одним из методов формирования наноструктурной пленки анодного оксида на поверхности титановых сплавов, используемых для биомедицинских имплантатов. В этом процессе возможна точная настройка 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 маркировкой снова анодировать в растворе плавиковой кислоты, имплантат потенциально может способствовать усилению роста костей у пациента.

Анодированная стандартная цветовая маркировка имплантатов и устройств, используемых в стоматологии, ортопедии и других областях, способствует быстрому распознаванию, точной и быстрой сборке компонентов и упрощает медицинские процедуры. Это преимущество применимо к сборке компонентов из анодированного титанового сплава (с цветовой маркировкой), которые также используются в аэрокосмической отрасли.

Анодирование магния

Анодирование магнием проводят в электролите с высоким содержанием щелочи. Состав ванны гарантирует, что образующаяся на поверхности пленка обладает высокой коррозионной стойкостью, устойчивостью к соленой воде, износостойкостью и эстетичным внешним видом.

На формирование пленки анодного оксида 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. В новых процессах анодирования используется энергия искрового разряда для получения износостойкой керамической оксидной пленки на подложках из магния. (Керамические покрытия обсуждаются в статье «Пять основных областей применения керамических покрытий».)

Химия анодирования

В процессе анодирования между металлической заготовкой (например, алюминием) и металлическим катодом (часто в качестве катода используется цинк) прикладывается постоянное напряжение. Частицы воды кислотного раствора разрушаются вблизи анода, образуя кислород, который собирается на аноде. Богатый кислород реагирует с алюминием с образованием оксида алюминия (Al₂ О₃ ).

2Al + 3H₂ O в Al₂ О₃ + 6H ⁺ + 6е ^-

На подложке быстро образуется тонкий слой оксида алюминия, медленнее – более толстый оксидный слой пористой структуры. На поверхности алюминия уже может присутствовать тонкий слой анодного оксида, но этот тонкий слой подвержен повреждениям и не может обеспечить высокую устойчивость к коррозии и истиранию.

Анодирование увеличивает толщину и другие характеристики анодной оксидной пленки в соответствии с требованиями. Эти параметры анодной оксидной пленки могут быть адаптированы к конкретным условиям эксплуатации (например, в химической промышленности или вблизи прибрежных районов). Всякий раз, когда пористость оксидной пленки неприемлема, непористая пленка может быть создана путем анодирования в некислотно-нейтральной ванне.

Обработка перед обработкой

Предварительная обработка перед анодированием включает тщательную очистку и травление. Поскольку заготовки могут быть получены в грязном состоянии, требуется надлежащая очистка. Травление можно проводить в растворе гидроксида натрия. На правильно протравленных поверхностях после анодирования не будут видны дефекты поверхности, такие как царапины.

Окрашивание и запечатывание после обработки

В случае с магнием анодирование часто используется в качестве подготовки к последующему окрашиванию или окрашиванию. Часто для окраски анодированных поверхностей используют красители, а покрытие из политетрафторэтилена (ПТФЭ) применяют для повышения износостойкости и снижения трения. Окрашивание используется для облегчения надежной идентификации, а также для улучшения внешнего вида.

Последующий процесс герметизации закупоривает поры, тем самым способствуя стабильности пленки анодного оксида, чтобы она могла противостоять износу, а также коррозии, связанной с разбрызгиванием соленой воды и глубоководной средой океана.

Однако в случае анодирования титана нет отдельного процесса окрашивания, так как окончательное окрашивание достигается за счет точной настройки параметров процесса анодирования.

Для анодирования алюминия заготовку очищают и травят перед тем, как поместить в раствор кислоты в ванне для анодирования. Он подключается как анод, а отрицательный вывод подключается к катодным пластинам (или стержням) в электрической цепи. Протекание тока в цепи заставляет алюминиевую подложку реагировать с кислородом, выделяющимся 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 к клеммам цепи приложено напряжение, кислород продолжает проникать в алюминий и окислять его, создавая более толстую и прочную барьерную пленку. После достижения заданной толщины пленки питание отключается.

При необходимости окрашивания краситель готовят в отдельном сосуде, и анодированную заготовку помещают в сосуд после промывки водой. После окрашивания анодированную и окрашенную заготовку помещают в горячую воду для герметизации. Процесс герметизации придает металлический блеск и долговечность эстетической окраски. При травлении поверхности лучи света, падающие на окрашенную поверхность, частично отражаются неокрашенными порами и частично окрашенными порами, сохраняя стойкий металлический блеск используемой окраски. Вот почему анодированный алюминий так популярен в декоративных целях.

Выдающееся использование анодированных металлов

Анодированный титан используется в медицинских устройствах и аэрокосмической технике. 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 в морской среде, для оконных рам и фасадов больших зданий и коммерческих комплексов. Оксидная пленка для декоративно-эстетических целей должна быть прозрачной, а не сероватой. Температура ванны должна контролироваться везде, где требуется декоративная отделка.

Анодированные металлы также используются для:

• Эстетические украшения, произведения искусства, архитектурные конструкции и детали
• Комплектующие для автомобилей и самолетов
• Роскошная мебель, спортивный инвентарь
• Кухонная техника, компоненты машин для производства пищевых продуктов.
• Компоненты, используемые в строительстве

Оборудование для анодирования

Энергия постоянного тока, необходимая для процесса анодирования, подается через выпрямители. Много лет назад мотор-генераторные установки (МГ) использовались для преобразования мощности переменного тока в постоянный. Необходимое напряжение может варьироваться от 24 до 70 вольт постоянного тока. Современное энергетическое оборудование способно подавать импульсный ток, необходимый для получения анодной пленки с повышенной коррозионной стойкостью. Один производитель утверждает, что импульсный ток (с микропроцессорным управлением) увеличивает производительность при более высокой плотности тока, сохраняя при этом более низкую температуру поверхности, тем самым снижая нагрузку на требования к охлаждению.

Для оборудования контроля температуры требуется система охлаждения, поскольку в процессе анодирования выделяется тепловая энергия (экзотермическая электрохимическая реакция), которую необходимо поглощать, не вызывая повышения температуры ванны.

Электролит перемешивается системой продувки воздухом, так что вся ванна имеет одинаковую температуру. Вытяжное оборудование, установленное на ванне для анодирования, удаляет водород и кислотный туман, которые постоянно образуются вблизи катода.

Резервуары для анодирования можно использовать в качестве катода, если они футерованы свинцом. Чаще всего отдельные катоды располагаются по всей длине резервуара, потому что контроль отношения площади анода к площади катода имеет решающее значение в некоторых типах анодирования. Для ванны с серной кислотой алюминиевый катод имеет преимущества перед свинцовым электродом. Резервуары, изготовленные из стали и облицованные неопреновым каучуком или кислотостойкими полимерами, обычно предпочтительны для этого применения.

Определения и методы анодирования

Хотя процедура химического анодирования одинакова для всех применений, механические процессы различаются в зависимости от физических типов и форм используемых металлов:

Пакетное анодирование включает в себя погружение деталей стеллажей в серию резервуаров для обработки. Объекты, подвергаемые серийному анодированию, включают в себя экструзии, листы или изогнутые металлические детали, отливки, посуду, косметички, корпуса фонариков и обработанные алюминиевые детали, и это лишь некоторые из них.

Непрерывное анодирование рулонов включает в себя непрерывную размотку предварительно прокатанных рулонов и их прохождение через последовательность ванн для анодирования, травления и очистки перед перемоткой их для отправки и изготовления. Эта технология используется для изготовления осветительных приборов, отражателей, жалюзи, дистанционных стержней для стеклопакетов и сплошных кровельных систем из крупногабаритных листов, фольги и изделий менее сложной формы.

Заключение

Анодирование – это процесс отделки металла, при котором металлическая заготовка подключается в качестве анода и погружается в электролит химического (кислотного) раствора с целью образования на ее поверхности анодно-оксидной пленки. Эта пленка стабильна, устойчива к истиранию и коррозии, а также служит основой для любого дальнейшего окрашивания, необходимого для идентификации или в эстетических целях.

На параметры оксидной пленки влияют переменные процесса, такие как приложенное напряжение постоянного тока, продолжительность процесса, химический состав электролита и температура ванны. В то время как компоненты из анодированного титана используются для ортопедических имплантатов, детали из анодированного алюминия и титана используются в критически важных аэрокосмических приложениях. Кроме того, анодированные металлы используются во многих промышленных и архитектурных целях, поскольку они элегантны, долговечны и устойчивы к атмосферным воздействиям.