Come funziona l'anodizzazione dell'alluminio? Proprietà e formazione del film

Proprietà e impieghi dei film di ossido anodico

L'anodizzazione è un processo in cui un metallo funge da anodo in un elettrolita adeguato e una corrente applicata forma un film di ossido sulla sua superficie. A seconda dei diversi tipi e concentrazioni di elettrolita e delle diverse condizioni di processo, si ottengono film con proprietà diverse e spessori che variano da decine a centinaia di micrometri. A titolo di confronto, il film di ossido naturale sull'alluminio ha uno spessore compreso tra 0,010 e 0,015 μm.

Struttura porosa

Il film anodico presenta una struttura porosa a nido d’ape. La porosità dipende dall’elettrolita e dalle condizioni di processo. I pori adsorbono sostanze organiche, resine, cera di paraffina, sostanze inorganiche, coloranti e vernici. Il film può quindi fungere da base per rivestimenti o placcature e può essere colorato per migliorarne l’aspetto. È necessaria una sigillatura per aumentare la resistenza alla corrosione.

Resistenza all'usura

L'elevata durezza del film migliora la resistenza all'usura superficiale. Il lubrificante adsorbito può migliorare ulteriormente le prestazioni in termini di resistenza all'usura.

Resistenza alla corrosione

Il film è stabile in atmosfera e garantisce una buona resistenza alla corrosione. Le prestazioni dipendono dallo spessore del film, dalla composizione, dalla porosità, dalla composizione del substrato e dall’integrità strutturale. I film anodizzati vengono solitamente sigillati o verniciati per migliorare la resistenza alla corrosione.

Isolamento elettrico

Un film anodico presenta un'elevata resistenza di isolamento e una tensione di rottura elevata e può fungere da dielettrico in un condensatore elettrolitico o da strato isolante su prodotti elettrici.

Isolamento termico

Il film è un buon isolante termico e rimane stabile fino a 1500 °C. Sui componenti esposti per brevi periodi ad alte temperature, può contribuire a impedire la fusione dell'alluminio. La conducibilità termica è generalmente compresa tra 0,419 e 1,26 W/(m·K).

Adesione

Poiché la pellicola si forma direttamente sul substrato, aderisce con estrema forza ed è difficile da rimuovere meccanicamente. Anche quando un pezzo di lamiera ossidata viene piegato fino a rompersi, la pellicola rimane attaccata. La sua adesione è quindi molto più forte di quella di un rivestimento depositato.

Trasparenza

I film di ossido anodico sono altamente trasparenti e la trasparenza aumenta con la purezza dell'alluminio. Sia la purezza del materiale che la composizione della lega influiscono sulla trasparenza.

Proprietà funzionali

È possibile depositare particelle funzionali nei pori per creare materiali dotati di proprietà elettromagnetiche, catalitiche, di rilevamento, di separazione e di altro tipo.

Meccanismo di formazione dei film di ossido anodico

L'alluminio e le leghe di alluminio vengono generalmente anodizzati in soluzioni acide con moderato potere dissolvente. Il piombo può fungere da catodo e svolge principalmente la funzione di conduttore di corrente. All'anodo si verificano le seguenti reazioni:

H₂O → [O] + 2H⁺ + 2e⁻

2Al + 3[O] → Al₂O₃

Al catodo si verifica la seguente reazione:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑

L'elettrolita acido dissolve inoltre chimicamente sia il substrato di alluminio che il film di ossido:

2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3 ore₂↑

Al₂O₃ + 6 ore⁺ → 2Al³⁺ + 3 ore₂O

La formazione e la dissoluzione del film avvengono contemporaneamente. Nelle prime fasi dell’anodizzazione, la formazione è più rapida della dissoluzione, quindi lo spessore del film aumenta. Man mano che il film si ispessisce, la sua resistenza elettrica aumenta, la corrente diminuisce e la formazione rallenta. Quando la formazione e la dissoluzione raggiungono l’equilibrio dinamico, lo spessore si stabilizza.

La curva tensione-tempo illustra inoltre la sequenza di crescita del film.

1. Fase a: formazione dello strato barriera. Nella sezione AB, la tensione aumenta bruscamente da zero fino a un valore massimo, denominato tensione critica, nei primi secondi o nelle prime decine di secondi. Sull'anodo si forma una pellicola continua, sottile e non porosa che impedisce un ulteriore ispessimento. Lo spessore dello strato barriera è proporzionale alla tensione di formazione e inversamente proporzionale alla velocità di dissoluzione nell'elettrolita. Lo spessore varia da 0,01 a 0,1 μm.
2. Fase b: formazione dello strato poroso. Nella sezione BC, i punti più sottili si dissolvono per primi formando delle cavità. L’elettrolita raggiunge l’alluminio fresco attraverso queste cavità e la reazione elettrochimica prosegue. La resistenza diminuisce e la tensione scende da 10% a 15% del valore massimo, indicando che il film barriera si sta dissolvendo e che si sta formando uno strato poroso.
3. Fase c: ispessimento dello strato poroso. Nella sezione CD, dopo circa 20 secondi la tensione entra in una fase stabile, caratterizzata da un lento aumento. Man mano che lo strato barriera si dissolve progressivamente trasformandosi in uno strato poroso, si forma un nuovo strato barriera. La formazione e la dissoluzione dello strato proseguono sul fondo di ciascuna cella. Quando le rispettive velocità raggiungono l’equilibrio dinamico, prolungare il tempo di anodizzazione non aumenta più lo spessore e il processo deve essere interrotto.