Анодное оксидирование (отделка конструкций)

Анодирование (анодное оксидирование) – электрохимическое создание жесткой пленки на поверхности материалов (как правило, алюминиевых сплавов, но применяется и для магниевых или титановых сплавов, металлов на основе цинка, магния, ниобия, и тантала).

Пленка обеспечивает защиту от окружающей среды и декорирует поверхность, создавая ровный мягкий цвет. Повышается смазка и адгезия (сцепление с другими материалами) поверхности металла. Анодирующий слой выступает электрическим изолятором, противостоящим электрохимической коррозии.

Прочность детали за счет анодирования не повышается.

От чего защищает

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металла под воздействием внешней среды. Она уменьшает прочность металлических конструкций, может привести к поломкам отдельных деталей и, конечно, ухудшает внешний вид.

На воздухе поверхность чистого алюминия (как и любого металла) довольно быстро окисляется кислородом из воздуха, покрывается тонкой пленкой оксида алюминия. Эта пленка частично защищает поверхность от дальнейшего воздействия внешней среды, но она тонкая и не слишком непрочная. В то же время эта пленка – темно-серая и мутная, она лишает алюминий его естественного блеска, создает ощущение «грязи».

Алюминий слабо реагирует с чистой пресной водой или чистым воздухом, особенно с учетом оксидной пленки на его поверхности. Однако, в условиях города воздух и осадки далеки от чистых: они содержат многочисленные газовые примеси (особенно вблизи больших промышленных предприятий или автомагистралей), жидкие и твердые частицы (особенно медь, железо), соли и щелочи.

Щелочи (а также соли ртути, меди и ионы хлора) содержащиеся в воздухе особенно опасны для алюминия: они растворяют тонкий защитный слой и вступают с ним в реакцию: металл растворяется с выделением водорода.

Кислоты (особенно с высокими окислительными свойствами типа серной, соляной, азотной, уксусной) разрушают алюминий, образуя его соли.

Металлы (железо, медь) образуют с алюминием гальванические пары. Кроме того, они увеличивают электропроводность электролита на поверхности металла (влаги и продуктов коррозии, впитывающих ее). Возникающая электрохимическая коррозия разрушает поверхность алюминия.

Идея технологии кратко

Защитное покрытие создается за счет окисления поверхности алюминия кислородом, возникающим из воды при протекании тока (получаемый оксид алюминия слабо реагирует с прочими химическими элементами и соединениями).

Образующийся слой оксида алюминия частично разъедается кислотой: образуются многочисленные поры, через которые раствор воды и кислоты проникает еще глубже в материал. Создается толстый защитный пористый слой.

Затем поры заполняются красителем и/или герметизируются - защитная оболочка «запечатывается».

История технологии

Анодирование было впервые использовано в промышленном масштабе в 1923 для защиты дюралюминиевых деталей гидросамолета от коррозии (с хромовой кислотой). Этот процесс был тогда назван «процессом Бенгоу-Стюарта» («Bengough-Stuart process»).

Его модификация, с применением серной кислоты была запатентована в 1927г. Говером и О’Брайном. Она быстро стала наиболее часто применяющейся и остается таковой в наши дни.

Анодированный алюминиевый профиль достиг пика популярности в 1960-1970х годах, с тех пор постепенно вытесняется более дешевыми способами защитных покрытий: пластмассами и порошковыми покрытиями.

Технический процесс

Основные операции по обработке:

1. Предварительная механическая обработка

   Шлифование щетками из нержавеющей стали (эффект «начеса» или равномерных длинных царапин-бороздок) или обработка дробью (более ровное покрытие) для устранения дефектов прессования или проката профилей (полос, царапин, рисок, выбоин).

   Если покрытие выполняет только защитную функцию (деталь не будет видна), то предварительная обработка может отсутствовать.

2. Обезжиривание и очистка

   Устраняются масла, жиры и загрязнения, иногда стравливаются в кислотной ванне потертости и очаги начальной коррозии (металл «осветляется»)

3. Анодирование

   Электрохимическая обработка током в кислотном растворе

4. Окрашивание

   Заполнение образовавшихся пор поверхностной корки красителями

5. Герметизация (уплотнение)

   Запечатывание пор поверхности после окрашивания

Электрохимическая обработка

Для создания анодированного покрытия деталь опускают в кислотный электролит – раствор воды и кислоты (чаще всего в серную кислоту H₂SO₄, хромовую кислоту Н₂СrO₄, иногда – в щавелевую кислоту) и подключают к плюсу источника постоянного тока. Обрабатываемая деталь является «анодом» (источником положительного заряда), откуда и произошло название процесса.

Минус источника (отрицательный катод из свинца или легированной стали) опускается в раствор.

Из-за протекающего тока вблизи поверхности детали вода разделяется на водород и кислород. Отрицательно заряженный кислород притягивается к положительному заряду на алюминии и окисляет поверхность алюминия, образовывая на ней оксидную пленку Al₂O₃.

Кислота из раствора разъедает эту жесткую корку, создавая глубокие в ней микропоры (диаметром 10-100нм). Через эти поры ток продолжает попадать на поверхность металла и процесс продолжается.

Чем дольше длится процесс, тем толще получающаяся оксидная пористая пленка. Толщина пленки может составлять от 0,5мкм и менее (для декоративных целей) и до 150мкм (для архитектурных зданий), чаще всего 15-20 мкм.

Концентрация электролита, степень кислотности, температура раствора, сила тока тщательно контролируются для равномерного создания качественного защитного слоя. Для анодирования алюминия и его сплавов чаще всего используется электролит, содержащий 180—200 г/л серной кислоты, плотность тока 10-20 мА/см² при напряжении 7-15 В постоянного тока, время анодирования 30-60 минут при температуре 16-23°C. Жесткие толстые пленки, как правило, получают с использованием более разбавленных растворов при более низких температурах с высокими напряжениями и током.

После завершения процесса поры заполняются цветными красителями, создавая глубокий слой ровного окраса детали, или бесцветными нейтральными подавителями коррозии. Если нет необходимости в высоком сцеплении поверхности, поры после окрашивания закрываются (запечатываются, уплотняются), чтобы не допустить коррозии через них и удержать красители. Долгое погружение в кипящую дистиллированную воду или пар – самый простой процесс герметизации, но не слишком эффективный и снижает устойчивость к истиранию на 20% (так как оксид алюминия частично гидратируется, соединяясь с водой). Холодная обработка, когда поры закрываются пропиткой герметиком (тефлоном, ацетатом никеля, ацетатом кобальта, бихроматами натрия или калия) в ванной при комнатной температуре, более распространена из-за экономии электроэнергии (но такие покрытия не подходят для склеивания).

Такое покрытие из-за большой толщины износостойкое и дает защиту алюминия даже при износе со временем поверхности и при образовании не слишком глубоких царапин.

Цвета покрытия

Цвета анодированных покрытий, создаваемых раствором красителей (как правило анилиновых) могут быть самыми разнообразными.

Цвет также может являться неотъемлемой частью оксидной пленки: в таком случае в раствор серной кислоты при анодировании добавляются органические кислоты (также использующиеся при окраски ткани, щавелевая, малеиновая, сульфосалициловая и другие органические кислоты), используется импульсный ток.

Кроме того, в поры оксидной корки могут электролитически осаждаться металлы (чаще всего – соединения олова), создавая более светоустойчивые цвета (от бледного шампанского до бронзового или черного).

К сожалению, не существует единого стандарта обозначения вида отделок, получаемых анодированием. Но некоторые наиболее распространенные цвета закодированы по шкалам EURAS (The European Anodizers Association, стандарт SSA-46) и AAMA (American Architectural Manufacturers Association, стандарт AAMA 611).

Наиболее распространенные цвета анодирования:

бесцветное

Естественный матово-серебрянный цвет чистого алюминия.

Коды EURAS: C00 (бесцветный), EV1 (натуральный)

Коды AAMA: AC-1 (бесцветный коммерческий), AC-2 (бесцветный класса II), AC-3 (бесцветный класса I)





жемчуг

Коды EURAS: C21 (жемчуг)





золото

Коды EURAS: C22 (светлое золото), C23 (темное золото), EV3 (золото)





бронза / коньяк

Коды EURAS: C31 (бронзовый бледный), C32 (бронзовый бледный), C33 (бронзовый средний), C34 (бронзовый темный), EV4 (бронзовый средний), EV5 (бронзовый темный)

Коды AAMA: AB-3 (бронза светлая), AB-4 (бронза средне-светлая), AB-5 (бронза средне-темная), AB-6 (бронза темная), AB-7 (бронза темная стандартная)





черный

Коды EURAS: C35 (черный), EV6 (черный)

Коды AAMA: AB-8 (черный)





шампань

Коды EURAS: EV2 (серебрянный новый), C32 (бронзовый бледный)

Коды AAMA: AB-1 (шампань светлый), AB-2 (шампань)

• 

  серебро

  Коды EURAS: C36 (серый светлый), C37 (серый средний), C38 (серый темный)

Коды C* относятся к электролитическому способу окрашивания, EV* - к окрашиванию погружением в краситель.

За счет того, что поверхность покрытия - неровная (поры, заполненные красителем), большая часть света на ней рассеивается во все стороны раавномерно: цвет получается матовым и ровным. Одновремененно за счет того, что часть поверхности - металл (в котором и образованы поры), поверхность хорошо отражает свет и содает яркую блестящую отражающую поверхность. Кроме того, оттенок и яркость отделки в результате сильно зависят от освещения и, соответственно, меняются при взгляде под разными углами.

Особенности

Анодирование (как и покраска или напыление) несущественно увеличивает размеры детали, так как создаваемый при нем оксид алюминия занимает больше места, металл. Это может быть важно для обработки резьбовых соединений или мелких деталей.

В зависимости от обрабатываемого сплава и толщины анодирования, анодирование может оказать негативное влияние на сопротивление усталости металла (хотя в целом повышает усталостную долговечность из-за предотвращения коррозии). Так анодированные детали становятся более уязвимы к растрескиванию из-за термических стрессов – перепадов температур.

Анодные пленки, как правило, гораздо жестче и прочнее, образованные большинством видов краски и нанесения металлических покрытий (хромирование, цинкование и т.д), но и более хрупкие.