Пошаговое руководство по анодированию алюминия своими руками
Поскольку вы читаете этот текст, можно с уверенностью предположить, что вы — мастер, изготовитель, энтузиаст или владелец малого бизнеса и…
Алюминий — второй по распространённости металл в мире. Инженеры предпочитают алюминий за его малый вес, устойчивость к коррозии и приемлемую стоимость.
Однако необработанный алюминий обладает низкой износостойкостью. При воздействии окружающей среды на его поверхности естественным образом формируется тонкий слой оксида алюминия, который обеспечивает характерную защиту от коррозии. Но эта естественная оксидная пленка может разрушаться при взаимодействии с другими элементами окружающей среды.
Решением для улучшения защиты является анодирование. Эта процедура имеет и другие преимущества, о которых мы расскажем далее. Но начнём с основ.
Анодирование — это электрохимический процесс формирования оксидного слоя на поверхности детали или изделия из алюминия. Это защищает изделие от износа и одновременно улучшает его внешний вид. В этом процессе покрываемый продукт выступает в роли анода в электролитической ячейке, отсюда и название.
В промышленности анодирование впервые появилось в 1923 году.
Вскоре появились различные варианты этого процесса для различных материалов с использованием разных электролитов. Именно в это время Гоуэн и О’Брайен применили серную кислоту для анодирования алюминия.
Процесс, разработанный почти столетие назад, до сих пор остаётся самым распространённым и эффективным методом.
Цель процесса — увеличить толщину оксида алюминия на поверхности изделия.
Слой оксида алюминия чрезвычайно твёрдый. По шкале Мооса его твёрдость составляет 9, он уступает только алмазу. Благодаря этому его часто используют как абразив в наждачной бумаге. Осаждение такого слоя на изделие гарантирует его высокую износостойкость.
Толщина слоя зависит от назначения анодирования. Для декоративных целей достаточно тонкого слоя. Более толстый слой не только улучшает внешний вид, но и надёжно защищает поверхность.
Толстый слой оксида алюминия также делает металл более восприимчивым к окрашиванию, так как при анодировании на поверхности образуются поры. В эти поры вводят пигменты, которые проникают на всю глубину слоя. Благодаря этому краска становится очень стойкой и не стирается.
Анодирование также может служить отличной грунтовкой для последующей окраски, если не интегрировать краску в сам оксидный слой.
Анодирование алюминия улучшает его изоляционные свойства, так как оксид алюминия не проводит электричество.
Анодирование осуществляется на принципе электролитической ячейки. Для этого в анодировочную ванну заливается подходящий электролит. В этой ванне изделие подвешивается так, чтобы максимальная площадь его поверхности была открыта для контакта с электролитом.
Затем в ванну помещаются пластины из подходящих материалов (обычно из свинца или алюминия). Следующий шаг — замыкание электрической цепи между катодом и анодом с помощью источника питания.
Алюминиевое изделие подключается к положительному полюсу, а пластины — к отрицательному полюсу батареи. После замыкания цепи по ней проходит электрический ток.
Сила и продолжительность тока определяют конечные характеристики, такие как толщина оксидного слоя на анодированном алюминии.
В большинстве современных установок для анодирования по-прежнему используется оригинальная ванна с серной кислотой. Однако появились новые методы, значительно улучшающие как внешний вид, так и функциональные характеристики готового изделия.
Современный процесс анодирования алюминия достаточно технологичен. Обычно он включает следующие этапы.
Перед анодированием поверхность алюминиевого изделия необходимо очистить. Для удаления жира и загрязнений используют кислотные или щелочные моющие средства.
Этот этап устраняет любые поверхностные дефекты. Его цель — обеспечить ровную и гладкую поверхность с выраженным внешним видом. Для этого применяют два основных процесса — полирование и травление.
Полирование или блестящая обработка удаляет остатки тяжёлых металлов после очистки. Применяется концентрированная смесь азотной и фосфорной кислот, чтобы химически выровнять поверхность и подготовить её к анодированию.
Травление удаляет тонкий слой алюминия с поверхности изделия, придавая матаовый финиш (подробнее о степенях блеска). Для удаления дефектов используется горячий раствор гидроксида натрия.
После предварительной обработки изделие готово к анодированию. Как уже отмечалось, основным электролитом служит серная кислота. В отдельных случаях могут использоваться органические кислоты, борат, тартрат, фосфорная или хромовая кислота.
Существует несколько методов окрашивания анодированного алюминия. Разные цвета требуют разных технологий. Рассмотрим два самых популярных способа окрашивания.
Один из таких методов — электроокрашивание. Он применяется для получения тёмных оттенков. При электроокрашивании анодированное изделие погружается в электролит с неорганическими металлическими солями.
Анодированное изделие становится одним электродом, графит (или алюминий) — другим. Оксиды или гидроксиды осаждаются в порах, придавая плёнке цвета: чёрный, коричневый, синий, желтовато-серый, бронзовый и др.
Второй популярный метод — окрашивание красителями. Поры, образующиеся при анодировании, хорошо впитывают красители или пигменты.
Краска проникает по всей толщине оксидного слоя. Поскольку толщина слоя может достигать 50 микрон, такой способ отличается высокой стойкостью — царапины и интенсивное использование не влияют на цвет. Кроме того, возможна широкая цветовая гамма.
Запечатывание — завершающий этап анодирования. Оно предотвращает проникновение воды и повышает коррозионную стойкость изделия. Существует три метода: горячий, холодный или комбинированный.
Запечатывание снижает риск появления пятен, царапин, выцветания и растрескивания поверхности.
В зависимости от толщины слоя гидроксида алюминия различают два типа анодирования.
Декоративное анодирование, как следует из названия, в первую очередь обеспечивает привлекательный внешний вид, а защитные свойства рассматриваются как дополнительный плюс.
Для декоративного анодирования толщина слоя должна быть от 5 до 25 мкм. Для достижения наилучшего результата окрашивания рекомендуется толщина от 15 до 25 мкм. Стандарт ISO 7599:2018 определяет методы декоративного анодирования алюминия и его сплавов.
Для случаев, когда требуется максимальная защита алюминиевых сплавов (например, для морских применений или при контакте с агрессивными средами), рекомендуется твёрдое анодирование.
Толщина оксидного слоя должна составлять от 25 до 50 мкм. ISO 10074:2017 устанавливает требования к твёрдому анодному покрытию.
Анодирование придаёт алюминиевой поверхности превосходный внешний вид. Как известно, поверхность состоит из пор с пигментом и неокрашенных участков, где происходит реакция с кислородом, предотвращая дальнейшее окисление. Свет, падая на оба этих участка одновременно, вызывает интерференцию отражения, в результате чего металл приобретает привлекательный металлический блеск.
Поверхность изделия практически не имеет дефектов, так как равномерно реагирует с электролитом, обеспечивая гладкую отделку.
Порошковое окрашивание — это вид поверхностной обработки, наиболее часто применяемый для стали, но подходящий и для алюминия. Для этого на поверхность алюминия наносится полиэфирный порошок с целью декоративной и антикоррозионной защиты. Производители могут выбрать между этими двумя методами при обработке алюминия.
Анодирование превосходит традиционное порошковое покрытие по ряду параметров:
Помимо алюминия, анодированию поддаются и другие металлы, а также некоторые пластики.
К металлам, которые анодируются с разными целями, относятся магний, титан, цирконий, ниобий, цинк, гафний и тантал.
Аналогично можно анодировать и электропроводящие пластики. Все анодированные изделия приобретают улучшенные характеристики поверхности, привлекательный внешний вид и служат дольше необработанных аналогов.
При анодировании алюминия в кислотном растворе его поверхность теряет ионы алюминия. Это вызывает эрозию поверхности, и чтобы компенсировать её, поверхность реагирует с отрицательно заряжёнными ионами кислорода из электролита.
В то время как места начальной эрозии продолжают разрушаться, остальная часть поверхности формирует оксидный слой, который служит барьером для дальнейшей эрозии. Этот слой называют барьерным. Он значительно тоньше пористого слоя, образующегося при анодировании.
Полностью анодировать всю поверхность изделия невозможно. Для процесса требуется электрический контакт, и в месте подключения токоподвода покрытие не формируется.
Чтобы минимизировать этот недостаток, соединение делают в некритичных местах детали — чаще всего на скрытой поверхности.
Для твёрдого анодирования требуется более высокое напряжение и ток. В этом случае соединение осуществляется через резьбовое отверстие для обеспечения хорошего электрического контакта.
