Анодирование металла

Особенности холодного анодирования

Методика выполняется при низких температурных показателях. Холодное анодирование было разработано по целому ряду причин: высокая прочность, твердость и качество, а также быстрота растворения и достаточная толщина покрытия. Как правило, домашние мастера предпочитают именно эту технологию.

Слой, расположенный со стороны металлической поверхности, увеличивается, а с наружной стороны практически полностью растворяется. При этом технология нуждается в хорошем охлаждении элементов, лишь в этом случае можно добиться высококачественного результата. Покрытие в итоге получится очень износоустойчивым и твердым. К примеру, подводным ружьям, поверхность которых была подвержена холодному анодированию, будет уже не страшна морская вода.

Единственный недостаток — невозможность применения натуральных красителей. Тут все зависит от веществ, входящих в состав обрабатываемого материала. Расцветка при обработке может изменяться от темной до зеленоватой.

Сначала деталь обезжиривается и фиксируется в специальном подвешивающем устройстве. Затем металлический сплав анодируют до тех пор, пока не появится плотный слой. После этого его промывают холодной или горячей водой. На финальном этапе слой укрепляют посредством проваривания в чистой воде.

Как работает анодирование

Чтобы понять, что это — анодированный алюминий, нужно чуть подробнее остановиться на том, как образуется защитная пленка. Большинство металлов защищают либо протекторами, либо изоляторами из сплавов и соединений, более стойких к кислороду и влаге. Анодированный защитный слой представляет собой обычный окисленный алюминий Al2O3, но не в виде мягкой аморфной микропленки, которая всегда присутствует на его поверхности, а как кристаллическая структура, по свойствам напоминающая корунд или шпинель.

Анодированная пленка отличается следующими характеристиками:

  • Микрокристаллическая структура;
  • Наличие огромного количества пор в поверхностном слое анодированной пленки и сверхплотная и прочная структура в основании;
  • Невероятно прочное сцепление окисленного слоя с металлом.

К сведению! При точном соблюдении технологического процесса четкой границы между металлом и анодированной пленкой не существует. Сложная сетка из микрокристалликов плавно переходит в металл без четко очерченной границы.

Что это означает? Это значит, что пленка из анодированного алюминия не отслоится от основы при любых нагрузках и через 40 лет, тогда как никелевое или лакокрасочное покрытие со временем медленно отслаивается от алюминиевой матрицы.

В зависимости от выбранных условий получения анодированной поверхности технология позволяет получить несколько вариантов защитного слоя.

Сверхтонкая окисленная пленка упорядоченной структуры при толщине в 10-25 мкм на поверхности алюминиевого зеркала даже не просматривается невооруженным глазом. Тем не менее, тончайший анодированный слой на алюминиевом зеркале дает возможность предохранять металл от окисления и одновременно пропускать до 95% светового потока.

Анодирование алюминия и его виды

Помимо вышеперечисленных способов анодирования, применяются и другие виды: твердое, микродуговое и цветное.

В процессе твердого анодного окисления используют смесь нескольких электролитов, например, кислот. Данный процесс часто применяется для изготовления микропленок в промышленности, например, в машиностроении, изготовлении приборов и т.д, где высокая прочность изделия является необходимым требованием.

При микродуговом оксидировании происходит не только окисление поверхности металла, но и ряд других электрических процессов, за счет чего покрытия получаются очень качественные и с высокой способностью к адгезии.

Задача цветного анодирования очень проста – изменить цвет детали. Для этого применяют разнообразные методы:

  • Метод адсорбции, во время которого деталь погружается в ванную с электролитом.
  • Интегральное окрашивание. Во время этого процесса используется смесь электролита и органических солей.
  • Интерференционное окрашивание. В этом методе создается специальный светоотражающий слой, что приводит к большему разнообразию цветовой гаммы.
  • Электролитическое окрашивание (черное анодирование). Состоит из двух этапов – получения пленки, а затем ее погружение в кислый солевой раствор. Окраска полученного изделия в этом методе варьируется от черного до бронзового, поэтому такой вид окрашивания используется в различных областях строительства.

Где применяют анодированный металл

Технология улучшила первоначальные свойства металла. Анодированный алюминий применяется в самых разных областях техники и позволяет достичь разных целей, например:

  • Защита от коррозии архитектурных конструкций. Алюминиевые конструкции приобрели популярность в 60-х годах прошлого века, и вскоре анодирование вытеснило жидкую покраску. Стандарт толщины слоя в разных странах составляет 15-25 мкм, в зависимости от условий окружающей среды.
  • Использование отражающих свойств. Блестящая поверхность нашла применение в разных областях техники, от тепловых отражателей (в нагревательных рефлекторах), до отражателей прожекторов и световых элементов. Слой толщиной 1-2 мкм с легкостью переносит повышенную влажность и температуру.

Отражающие свойства востребованы в производстве прожекторовИсточник cepolina.com

Листы алюминия под матовое серебро, бронзу, золотоИсточник aeroexpo.online

Поддержание чистоты. Стремянка из незащищенного алюминия будет пачкать руки. Поэтому производители обычно стремятся защитить анодным покрытием такие изделия, как рукоятки, перила, вязальные спицы.

Анодирование разных металлов

Нержавеющая сталь

Самый трудный для анодирования объект из-за своей химической инертности. Чтобы получить на ней оксидированную поверхность, нержавейку предварительно подвергают процедуре никелирования. Хотя сейчас ведется активная разработка специальных диффузионных паст, на которых оксид будет образовываться без никелевой «подушки».

Медь

Оксидированию поддаётся плохо, а там, где это требуется, применяют дорогие соли в качестве присадок к электролитам или используют не экологичные фосфатные или оксалатные растворы. На практике этот процесс применяют крайне редко.

Титан

Металлические изделия из титана проходят обязательную процедуру оксидирования, из-за того, что нанесение оксидной плёнки на 15-28% увеличивает износостойкость верхнего слоя изделий из титана. А также дополнительно придаёт изделиям декоративность, кардинально меняя цвет. Титан очень нетребователен к составу кислот для электролитических реакций – подойдёт практически любая.

Серебро

Для создания оксидной плёнки на серебре, применяют серную печень – сплав порошкообразной серы с поташом при сильном нагревании без присутствия воды. Впрочем, такой метод нанесения оксидных плёнок применяют и для бронзы, где получаемая плёнка называется искусственной патиной. На серебре обработка таким реактивом способна дать синий и фиолетовый цвета. Но без изменения свойств серебра как металла.

Анодирование алюминия

Оксидирование этого металл даёт самые широкие возможности с широчайшей сферой применения. Есть много способов образования на поверхности этого металла оксидов, более половины из них связаны с получением цветных ярко окрашенных, поверхностей.

Способы анодирования алюминия

Теплое анодирование

Эта технология считается сравнительно простой. Ее можно повторить своими руками. Процесс проводится при комнатной температуре. С помощью простых манипуляций можно получить красивое цветное покрытие при помощи органических красителей. Если приложить определенные усилия, то можно получить несколько цветов на одной и той же детали.

Технология имеет преимущества, но присутствуют и недостатки. Так, анодированный алюминий, обработанный таким образом, не имеет действительно высокой защиты от коррозии. В морской воде, а также в местах контакта с агрессивными металлами возникает коррозия. Обработка металла таким способом также не дает мощной механической защиты – поверхность легко царапается обыкновенной иголкой. Если технология нарушена, то покрытие и вовсе стирается рукой.

Теплое анодирование проводится очень просто. Первым делом обезжиривают детали и закрепляют их в подвесе. Выполняют анодирование до молочного оттенка, промывают деталь холодной водой. Окрашивают в горячем растворе красителя и закрепляют окрашенную поверхность в течение часа.

Холодная технология

Этот способ выполняется при низких температурах – от -10° до +10°. Метод изобрели по нескольким причинам: высокое качество, прочность, твердость анодного слоя, а также низкая скорость растворения поверхности и большая толщина слоя. Обычно в домашних условиях анодирование алюминиевых сплавов проводят именно таким образом.

Слой со стороны металла растет, а с внешней стороны – растворяется. Скорость равна тому же показателю при теплом анодировании. Однако, холодная технология может продемонстрировать низкие скорости растворения внешней пленки. Из-за этого и формируется толстый слой. При теплом методе внешний слой растворяется так же быстро, как растет внутренний – получить твердую пленку значительно сложней.

Единственный минус процедуры – невозможность использования органических красителей. Окраска – это естественный процесс, а цвет зависит от состава материала, который обрабатывается. Оттенки в процессе меняются – от зеленого до темного, нередко такая технология дает черный цвет.

Вначале деталь обезжиривают и закрепляют в специальном подвесе. Затем металл анодируют до получения плотного слоя. Далее – промывают в горячей или холодной воде. В конце закрепляют слой с помощью проварки в дистиллированной воде.

Технология твердого анодирования

Твердое анодирование алюминия также позволяет получить твердую и прочную пленку. Технология эта широко применяется в промышленности. Особенность этого способа в том, что в процессе задействован не один, а несколько электролитов. Так, используется не только серная кислота, но и борная, винная, уксусная или щавелевая. Плотность тока медленно растет и за счет изменения структуры на поверхности растет пленка повышенной прочности.

Снятие анодных покрытий

Удалить некачественное анодное покрытие можно только со всей поверхности изделия, частичное восстановление пленки в большинстве случаев невозможно. Покрытие, как правило снимают в растворах, содержащих едкие щелочи. Процесс проходит под строгим контролем основных режимов, т. к. такие растворы обладают высокой степенью воздействия на основной металл. Классическим и менее всего воздействующим на поверхность алюминия признают раствор, содержащий 35 мл/л фосфорной кислоты и 20 г/мл хромовой кислоты. Обработка проходит в течение 1-10 мин, в зависимости от толщины пленки при температуре 95-100С. для снятия твердых анодных покрытий используют указанный раствор с повышенной два раза концентрацией, при этом поверхность алюминиевых сплавов, содержащих медь может окрашиваться в серый или черный цвет.

Повторная обработка изделий после удаления анодной пленки возможна после оценки состояния поверхности изделия, если чистота поверхности достаточна для нанесения покрытия и полирование не требуется, можно приступать к процессу незамедлительно.

Следует отметить, что при обработке деталей для которых необходимо точное соблюдение первоначальных размеров потребуется повторное анодирование с нанесением пленки большей толщины, чем была первоначально. Это связано с тем, что при снятии и повторном нанесении покрытия потери могут составлять от половина до двух третей первоначальной толщины пленки.

  • Гальванические покрытия по своему назначению подразделяются на функциональные и декоративные. Функциональные покрытия служат для защиты…

  • Алюминий и сплавы на его основе широко используются в производстве автомобильных и мотоциклетных автозапчастей в том числе автомобильных дисков. В…

  • В прошлой статье были рассмотрены основные характеристики анодирования алюминия, принципы процесса и основные электролиты анодирования, получение…

  • Анодирование (электрохимическое оксидирование) алюминия и его сплавов с использованием современного оборудования и технологий. Черное, зеленое,…

Анодирование в домашних условиях

Самостоятельное анодирование практически всегда осуществляется по холодной методике. Такой же технологии придерживается и большинство компаний, предоставляющих подобные услуги. Холодной методика называется из-за того, что в процессе создания пленки нет нужды в высоких температурах: рабочий диапазон температур колеблется между -10 и +10 градусов по Цельсию.

Достоинства холодного анодирования:

Поверхностный слой получается достаточно толстым благодаря тому, что скорость роста и растворения оксидной пленки с ее наружной и внутренней стороны различаются.
Пленка выходит очень прочной.
Обработанный металл отличается высокой стойкостью к коррозии.

Единственный недостаток методики состоит в сложности дальнейшей окраски металла материалами, основанными на органике. Однако металл, вне зависимости от его характеристик, в любом случае получает окраску естественным образом. Цвет может различаться от оливкового, до черного или сероватого.

Для проведения работ понадобится следующее:

  • ванны (алюминиевые емкости для анодирования, а также пара стеклянных или пластиковых – для изготовления растворов);
  • алюминиевые соединительные провода;
  • источник напряжения на 12 Вольт;
  • реостат;
  • амперметр.

Приготовление раствора

Как уже говорилось выше, основной электролит для анодирования – серная кислота. Однако вне пределов производственного помещения использование такого электролита опасно. Поэтому в домашних условиях обычно используют соду.

Приготовление раствора:

Приготавливаем 2 раствора – содовый и соляной. Компоненты засыпаем в емкости с дистиллированной теплой водой в пропорции 1 к 9.
Хорошо перемешиваем раствор и даем ему настояться.
Сливаем раствор в другую емкость таким образом, чтобы туда не попал содовый осадок. От чистоты раствора в значительной степени зависит результат анодирования.

Анодирование

Прежде всего, нужно подготовить деталь. Задача подготовительного процесса — очистить, отшлифовать и обезжирить поверхность перед анодированием. Если на изделии не убрать видимые дефекты, полученная пленка не сможет их скрыть, так как ее толщина не превышает 1/20 миллиметра. Прямо перед анодированием смешиваем оба раствора в одной посуде.

Емкость для анодирования должна быть достаточно объемной, чтобы в нее можно было полностью погрузить деталь. Кроме того, деталь должна быть зафиксирована так, чтобы не касаться дна посуды. Для этого можно использовать стойку или любой другой вариант – на личное усмотрение. Также нужно вдумчиво подойти к вопросу крепления детали, так как после анодирования в местах фиксации останутся следы.

Ток подается, по крайней мере, 30 минут. На необходимость завершать анодирование указывает изменение цвета детали. Когда деталь готова, напряжение отключаем, а металл извлекаем из ванночки.

После изъятия тщательно промываем заготовку. Чтобы результат был качественным, на 15 минут кладем металла в марганцевый раствор. Затем вновь промываем деталь сначала в теплой, а затем в холодной воде. Далее высушиваем металл. Если технология не нарушена, изделие приобретет светло-серую тональность. На качественно проделанную работу указывают равномерный цвет поверхности, отсутствие потеков и пятен.

Завершающая стадия анодирования – закрепление пленки. Необходимо закрыть микроскопические поры, имеющиеся в пленочном покрытии. Для этого кладем металл в емкость с дистиллированной водой и кипятим в течение получаса.

По желанию можно также покрасить или отлакировать металлическую поверхность. Лакокрасочный слой наносится методом погружения.

Итак, анодирование алюминия может осуществляться разными способами. Однако лишь холодная обработка металла содовым и соляным растворами доступны в домашних условиях. Также стоит заметить, что при соблюдении технологических требований вне зависимости от вида раствора отсутствует существенная разница в качестве полученных поверхностей.

Холодное анодирование

Технология холодного нанесения анодного слоя предусматривает обработку алюминия при температуре от -10 до +10 °C. Качество металла, обработанного таким образом, несравненно выше, чем при тёплом анодировании.

Алюминий получает отличные физические характеристики:

  • высокую прочность.
  • малую скорость растворения слоя.
  • большую толщину плёнки.

При холодном анодировании нужно обязательно осуществить следующие процедуры:

  • обезжиривание обрабатываемой поверхности.
  • помещение детали на подвеску.
  • анодирование до получения плотного оттенка.
  • промывка в воде с любой температурой.
  • закрепление анодного слоя на пару или в горячей дистиллированной воде.

Отличительной особенностью процесса является большое время принудительного охлаждения. После этого слой анодированного алюминия становится абсолютно невосприимчивым к воздействию агрессивных сред. Только титан спустя несколько десятков лет способен незначительно снизить физические характеристики полученного холодным способом анодированного алюминия.

Покрытие характеризуется исключительной красотой и износостойкостью. У технологии есть только один минус: при повторной окраске можно пользоваться только неорганическими соединениями.

Анодирование до изменения цвета

Весь процесс анодирования в домашних условиях можно подразделить на несколько этапов. Но прежде хотелось бы остановиться на процессе промышленного холодного анодирования, который протекает с использованием раствора серной кислоты. В результате данного процесса происходит активное газовыделение, причем летучие газы обладают взрывоопасностью. Именно поэтому не рекомендуют в домашних условиях проводить подобный процесс.

Технология домашнего анодирования более безопасная. Поговорим об основных ее этапах подробнее.

  1. Готовим необходимые растворы Для твердого анодирования готовится два вида раствора в разных емкостях: один солевой, второй – содовый, основой для которых служит питьевая дистиллированная вода средней температуры (40-50 градусов). Содового раствора нужно будет в девять раз больше, чем солевого, а потому емкость под него выбирается соответствующая.В теплую воду при постоянном помешивании добавляется соль (в другую сода). Готовятся насыщенные растворы, т.е. соль и сода добавляются до тех пор, пока не начнет выпадать осадок. После этого растворы необходимо процедить несколько раз. Помните, что от качества растворов (их прозрачности и чистоты) зависит качество анодирования.Перед самим процессом твердого анодирования растворы смешиваются в соотношении 1 часть солевого и 9 частей содового.
  2. Готовим к анодированию заготовку.Ну здесь все просто. Необходимо заготовку тщательно отшлифовать и обезжирить.
  3. Анодируем.Итак, приступаем к анодированию. Детали необходимо разместить в ванночке так, чтобы они были полностью погружены в раствор, а также не касались дна или стенок ванночки.Затем подается электрический ток: на ванночку «минус», на заготовку «плюс». Под воздействием напряжения в ванночке заготовки находятся до тех пор, пока не изменят свой цвет. Затем ток отключается, заготовки вынимаются и тщательно промываются в проточной воде. После деталь помещают в раствор марганца, где происходит окончательное удаление следов соляно-содового раствора с поверхности детали. Затем снова промываем.Вы не видите пятен и разводов на заготовке? Значит все прошло успешно.
  4. Закрепляем поверхностный слой. В результате анодирования образовалась пленка с большим количеством пор, которые нужно закрыть. Осуществляется это путем обычного кипячения в дист.воде в течение получаса.
  5. Лакируем или окрашиваем. Для этого анодированную заготовку помещаем в емкость с лаком или краской анилиновой (10%). Все, деталь готова.

Как видите, процесс анодирования в домашних условиях несложен и доступен каждому.

Сущностью процесса анодирования является наращивание оксидного покрытия, которое на алюминии и его сплавах выполняет защитную функцию от воздействий среды. Другое название – анодное оксидирование. Кроме того, оксидирование применяют для повышения эстетичности внешнего вида изделий.

Анодирование алюминия в домашних условиях пользуется большой популярностью у домашних умельцев. В изделиях, подвергнутых анодному оксидированию, повышается стойкость защитного покрытия.

Теории образования пленок оксида алюминия при анодировании.

Существуют две теории образования и роста анодно-оксидных покрытий: структурно-геометрическая и коллоидно-электрохимическая.

3.1 Структурно-геометрическая теория (ячейки Келлера).

С позиции этой теории при наложении на алюминиевый электрод анодного напряжения (т.е подключение его к «плюсу») сначала формируется компактная оксидная пленка (барьерный слой толщиной 1-1,1 нм/В), имеющая гексоганальную ячеистую структуру, причем растущее покрытие будет повторять ее.

Наружная часть ячеек в агрессивных электролитах, растворяющих оксид, начинает разрушаться в дефектных местах и превращаться в пористое покрытие. Разрушение барьерного слоя, приводящее к образованию поры, протекает, по мнению одних исследователей, в центре ячейки, по мнению других – в местах стыка ячеек.

Таким образом, под влиянием локальных воздействий ионов электролита в барьерном слое зарождаются поры, число которых обратно пропорционально напряжению. Диаметр пор и их число зависят от природы электролита и режима процесса. В поре толщина барьерного слоя уменьшается, и, как следствие, увеличивается напряженность электрического поля, при этом возрастает плотность ионного тока вместе со скоростью оксидирования. Но, поскольку растет и температура в поровом канале, способствующая вытравливанию поры, наступает динамическое равновесие, и толщина барьерного слоя остается практически неизменной. Размер ячеек увеличивается с ростом формирующего напряжения. Пример ячейки Келлера приведен на рисунке 9. Форма поры у разных авторов разнится — от круглой до «звездочки».

Рисунок 9 — Ячейка Келлера.

Рост анодно-оксидного слоя происходит на дне образовавшихся пор за счет превращения все более глубоких слоев металла в оксид. В дальнейшем под действием электролита оксид, образующий стенки ячеек, гидратируется. При этом происходит адсорбция воды, анионов электролита и продуктов анодной реакции.

3.2 Коллоидно-электрохимическая теория Богоявленского.

Наличие в составе оксидного слоя анионов электролита заставило ученых связать рост и особенности его строения с коллоидной структурой.

С позиции теории Богоявленского (рисунок 10) образование анодно-оксидных пленок начинается с возникновения мононов — мельчайших частиц оксида с адсорбированными анионами электролита. Зарождение мононов происходит в результате встречи потоков ионов. Мононы — зародыши будущих мицелл.

С увеличением числа мононов они превращаются в полиионы — волокнистые палочкообразные мицеллы коллоидной степени дисперсности, которые образуют скелет ориентированного геля оксида алюминия. В него внедряются анионы электролита, теряя частично при этом свою гидратную оболочку.

Адсорбция анионов и воды, осуществляемая по межмицеллярным порам, обуславливает отрицательный заряд монон и мицелл, заставляя их плотно прижиматься к аноду и сращиваться с металлом, препятствуя слиянию мицелл в беспористый слой. Поры при таком рассмотрении представляют собой естественное межмицеллярное пространство.

Наряду с процессами образования мицеллярных слоев с участием анионов протекают сопряженные процессы растворения образующегося оксида.

Рисунок 10 — Иллюстрация теории Богоявленского.

Интересно отметить, что размеры ячеек Келлера близки размерам мицелл геля Al(OH)3. Толкование механизма роста анодной пленки с позиций коллоидной химии позволяет объяснить внедрение в ее структуру анионов и катионов электролита и отдельных составляющих оксидируемого сплава. При этом сопряжение процессов образования оксида и его растворения в электролите также учитывается коллоидной теорией.

3.3 Современные исследования структуры покрытия.

Теперь следует заметить, что структура анодированного алюминия, на самом деле, может быть весьма далека от идеальной, описанной в теории. В частности теория говорит о правильных гексагональных ячейках, в центре которых находится одна пора. На самом деле, получить такую структуру можно только специальными методами, например, многостадийным анодированием в определенных режима. Примеры таких «правильных» покрытий приведены на рисунке 11. Более глубокое описание наноструктурированного аноднооксидного покрытия выходит за рамки этой статьи.

 

Рисунок 11 — Примеры идеальных и близких к идеалу ячеек пористого слоя в аноднооксидном покрытии на алюминии.

Чаще же можно наблюдать более «грязные» варианты. Примеры их были показаны в начале статьи.

Кроме этого, теории не предполагают возможности ветвления пор, что наблюдается в действительности.

Закрепление детали

Перед началом процесса анодирования деталь должна быть прочно зафиксирована на подвесных приспособлениях для более плотного электрического контакта. В качестве подвесных устройств рекомендуется использовать алюминиевые конструкции или сплавы на основе титана с дюралем. Само крепление может производиться с помощью винтовых или пружинных зажимных механизмов. Для дополнительной страховки нередко применяют и алюминиевую тугую проволоку. Участки конструкции, которые не будут участвовать в контакте, необходимо изолировать. Это можно сделать или посредством ленты из полиэтилена, или с помощью кислотостойкого лака

Второй метод требует дополнительной осторожности, поскольку цветное анодирование алюминия в домашних условиях предусматривает максимальное исключение факторов стороннего влияния на поверхности заготовки. То есть обработка лаком должна быть произведена заблаговременно с полным просыханием поверхности

Также следует учитывать, что неплотный контакт подвесной системы с целевым материалом может вызвать перегрев последнего. Данный эффект, в свою очередь, приведет к разрушению оксидного покрытия и снижению прочности нанесенной пленки.