Archiwa tagu: aluminium

Anodowanie aluminium – teoretyczne podstawy

Chociaż aluminium z 8% udziałem jest najczęściej spotykanym metalicznym składnikiem skorupy ziemskiej (żelazo stanowi 5%), to w porównaniu z żelazem jest jeszcze bardzo młodym metalem. Ma to związek z tym, że aluminium nie występuje, tak jak żelazo albo miedź jako ruda metaliczna lecz tylko w swojej utlenionej formie rudy jako boksyt. Duże ilości energii potrzebne do uzyskania pierwotnego aluminium spowodowały lokalizację hut aluminium przy elektrowniach na zbiornikach wodnych, było to podyktowane względami ekonomicznymi.

Wspaniałe właściwości aluminium jak i jego stopów, takie jak:

  • mała gęstość właściwa,
  • odporność korozyjna,
  • znakomita przewodność cieplna i elektryczna,
  • znakomite odbicie światła,
  • wysoka trwałość,
  • dobra obróbka plastyczna,
  • nieograniczona recyrkulacja bez utraty jakości,
  • liczne możliwości obróbki powierzchni, sprzyjają szerokiemu zastosowaniu tego materiału i wyznaczają szeroki zakres zastosowania aluminium.

Aluminium umożliwiło rozwój pewnych dziedzin techniki przykładem tego jest przemysł lotniczy ze swoimi wysokimi wymaganiami dotyczącymi konstrukcji lekkich i wytrzymałych maszyn; ale także przemysł elektryczny i elektroniczny, albo poligraficzny gdzie offsetowe płyty drukarskie są wytwarzane wyłącznie z aluminium. Właśnie z powodu specyficznych właściwości, aluminium zastąpiło w międzyczasie wiele tradycyjnych materiałów i zajmuje trwałe miejsce w wielu dziedzinach zastosowania. Pozytywne właściwości aluminium doprowadziły w ostatnich latach do rocznego wzrostu jego wykorzystania aż do 7%. Aluminium jako materiał był i jest w porównaniu ze stalą droższy, jest więc wykorzystywany przede wszystkim tam, gdzie znaczenie mają jego specyficzne właściwości. Ostatnio w budownictwie specyficzne cechy aluminium doprowadziły do jego szerokiego zastosowania.
Tutaj są zwłaszcza cenione takie właściwości jak:

  • mały ciężar właściwy,
  • wysoka odporność korozyjna.

Do tak szerokiego rozpowszechnienia przyczyniło się znacznie odkrycie technicznych możliwości celowego, określonego wzmocnienia naturalnej warstwy tlenku aluminium dzięki utlenianiu anodowemu i uzyskiwaniu specyficznych efektów dekoracyjnych.

Aluminium może łączyć się z tlenem. W suchym środowisku tworzy się cienka, przeźroczysta warstwa tlenku, która odnawia się sama po mechanicznym uszkodzeniu. W wilgotnym środowisku i pod działaniem wpływów atmosferycznych tworzy się po upływie czasu gruba utleniona warstwa ochronna, w następstwie osadzania się brudu zmienia kolor z jasnego do ciemnoszarego. Ta naturalna warstwa tlenku aluminium chroni metal przed dalszym działaniem korozji nadając jej wysoką odporność. Ochronne działanie przed korozją zniknie, kiedy warstwa tlenku zostanie zaatakowana kwaśnymi albo alkalicznymi substancjami chemicznymi i rozpuści się. Dobre właściwości antykorozyjne aluminium ograniczone są do zakresu pH pomiędzy 5-8.

Działanie ochronne warstwy tlenku da się znacznie polepszyć wytwarzając sztucznie w procesie anodowania (eloksalowanie) bardzo odporne warstwy tlenku o grubości nie mniejszej niż 20 mikrometrów do 100 mikrometrów na powierzchni aluminium. Te anodowo wytworzone warstwy tlenku są wytworzone z materiału właściwego aluminium, są twarde i nie do starcia. Są przeważnie przeźroczyste, mogą być także nieprzeźroczyste. Proces anodowego utleniania umożliwia celowe wytwarzanie warstw tlenku, które pozwalają nie tylko na trwałą konserwację wyglądu powierzchni aluminium w jej różnorodnych kształtach, lecz także przez dodatkowe nadawanie barwy i poprawę trwałości wyglądu powierzchni aluminium.
Proces anodowego utleniania polega na tym, że obrabiana część z aluminium jest podłączona w odpowiednim elektrolicie, przeważnie na bazie kwasu siarkowego, do dodatniego bieguna źródła prądu stałego i w związku z tym staje się anodą. Biegun ujemny stanowi katoda wykonana z reguły, także z aluminium. Pod działaniem podłączonego napięcia stałego zawierające tlen aniony ujemnie naładowane wędrują do anody i oddają tam tlen. Tlen reaguje z aluminium i tworzy się tlenek glinu. Powstaje bardzo cienka, nieporowata, elektrycznie izolowana, utleniona warstwa barierowa. Elektryczny opór warstwy wzrasta wraz z powiększającą się grubością powłoki, co może doprowadzić do zmniejszenia przepływu prądu. Zjawisko to nie zachodzi w elektrolitach zawierający kwas siarkowy. Warstwa tlenku jest rozpuszczana przez elektrolit i następuje przekształcenie warstwy barierowej w delikatną, porowatą warstwę kryjącą. W związku z tym, iż powstaje stan równowagi między tworzeniem się i przekształcaniem warstwy barierowej, warstwa kryjąca może dalej rosnąć przy stałej grubości warstwy barierowej. Transport anionów następuje przez pory warstwy kryjącej. Ta rośnie proporcjonalnie do przepływu prądu, podlega jednocześnie chemicznemu wtórnemu rozpuszczaniu przez elektrolit.

W zależności od składu kąpieli do anodowania stosuje się różne parametry procesu, i tak na przykład:

  • w kąpieli opartej na kwasie siarkowym o stężeniu 180-190 g/l , temperatura procesu powinna zawierać się w granicach 18-21°C, napięcie 18-22V, gęstość prądu 1-2A/dm²
  • w kąpieli opartej na mieszaninie kwasu siarkowego o stężeniu 150-180 g/l i kwasu szczawiowego o stężeniu 50-100 g/l , temperatura procesu powinna wynosić 20-25°C, napięcie 18-25V, gęstość prądu 1-2A/dm²

Przedstawione typy kąpieli są standardowe, a parametry pracy mogą być każdorazowo korygowane poza opisane zakresy.

Innym typem procesu anodowania jest anodowanie twarde, które pozwala na wytworzenie grubych i twardych powłok odpornych na ścieranie. Ich twardość dochodzi do 6000 MPa, a grubości dochodzą do 150 mikrometrów. Warunki w jakich prowadzi się proces znacznie odbiegają od standardowych. Jednym ze sposobów uzyskania tego rodzaju powłok jest prowadzenie procesu w roztworze kwasu siarkowego o stężeniu 165 g/l , w temperaturze 0°C, przy gęstości prądu 2-2,5/Adm² i napięciu początkowym 25-30V, które później podwyższa się do 40-60V. Podwyższanie napięcia ma na celu przełamanie oporu jaki stawia coraz grubsza warstwa tworzącego się tlenku aluminium. Należy też pamiętać o tym, że w procesie anodowania, a anodowania twardego zwłaszcza wydziela się duża ilość ciepła, którą trzeba niezwłocznie odprowadzać, aby nie zagrzać kąpieli anodującej. Ciepło wydziela się na powierzchni przedmiotów poddawanych obróbce, dlatego też należy stosować silne mieszanie kąpieli w celu wyrównania temperatury w wannie, a do procesu chłodzenia kąpieli używać wymienników ciepła.

Poniżej przedstawiamy standardową technologię procesu anodowania:

  • odtłuszczanie,
  • trawienie w roztworze wodorotlenku sodowego,
  • płukanie kaskadowe,
  • rozjaśnianie (odtlenianie) bez kwasu azotowego,
  • anodowanie,
  • płukanie kaskadowe,
  • płukanie w wodzie demi,
  • uszczelnianie zimne,
  • płukanie kaskadowe,
  • płukanie w wodzie demi,
  • uszczelnianie gorące,
  • suszenie.