Hoe werkt het anodiseren van aluminium? Eigenschappen en filmvorming

Eigenschappen en toepassingen van anodische oxidefilms

Anodiseren is een proces waarbij een metaal als anode fungeert in een geschikte elektrolyt en waarbij door het aanleggen van een stroom een oxidefilm op het oppervlak wordt gevormd. Verschillende soorten en concentraties elektrolyt en verschillende procesomstandigheden leiden tot lagen met verschillende eigenschappen en diktes, variërend van tientallen tot honderden micrometer. Ter vergelijking: de natuurlijke oxidelaag op aluminium is 0,010 tot 0,015 μm dik.

Poreuze structuur

Een anodische film heeft een poreuze honingraatstructuur. De porositeit hangt af van de elektrolyt en de procesomstandigheden. De poriën adsorberen organische stoffen, harsen, paraffinewas, anorganische stoffen, kleurstoffen en verf. De film kan daarom dienen als basis voor coatings of galvaniseringen en kan worden gekleurd om het uiterlijk te verbeteren. Afdichting is vereist om de corrosiebestendigheid te verhogen.

Slijtvastheid

De hoge hardheid van de film zorgt voor een betere slijtvastheid van het oppervlak. Geadsorbeerd smeermiddel kan de slijtvastheid nog verder verbeteren.

Corrosiebestendigheid

De laag is stabiel in de atmosfeer en biedt een goede corrosiebestendigheid. De prestaties zijn afhankelijk van de laagdikte, de samenstelling, de porositeit, de samenstelling van het substraat en de structurele integriteit. Geanodiseerde lagen worden doorgaans verzegeld of geverfd om de corrosiebestendigheid te verbeteren.

Elektrische isolatie

Een anodische film heeft een hoge isolatieweerstand en doorslagspanning en kan dienen als diëlektricum in een elektrolytische condensator of als isolatielaag op elektrische producten.

Warmte-isolatie

De folie is een goede warmte-isolator en blijft stabiel tot 1500 °C. Bij onderdelen die kortstondig aan hoge temperaturen worden blootgesteld, kan de folie helpen voorkomen dat het aluminium smelt. De warmtegeleidingscoëfficiënt ligt doorgaans tussen 0,419 en 1,26 W/(m·K).

Hechting

Omdat de film rechtstreeks op het substraat groeit, hecht deze zeer sterk en is hij moeilijk mechanisch te verwijderen. Zelfs wanneer een geoxideerd plaatwerkonderdeel zo ver wordt gebogen dat het breekt, blijft de film vastzitten. De hechting ervan is daarom veel sterker dan die van een aangebrachte coating.

Transparantie

Anodische oxidefilms zijn zeer transparant, en de transparantie neemt toe naarmate het aluminium zuiverder is. Zowel de zuiverheid van het materiaal als de legeringssamenstelling zijn van invloed op de transparantie.

Functionele eigenschappen

Functionele deeltjes kunnen in de poriën worden afgezet om materialen te creëren met elektromagnetische, katalytische, sensorische, scheidings- en andere functies.

Vormingsmechanisme van anodische oxidefilms

Aluminium en aluminiumlegeringen worden doorgaans geanodiseerd in zure oplossingen met een matig oplossend vermogen. Lood kan als kathode dienen en geleidt voornamelijk stroom. Aan de anode vinden de volgende reacties plaats:

H₂O → [O] + 2H⁺ + 2e⁻

2Al + 3[O] → Al₂O₃

Aan de kathode vindt de volgende reactie plaats:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑

De zure elektrolyt lost ook het aluminium substraat en de oxidefilm chemisch op:

2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3 uur₂↑

Al₂O₃ + 6 uur⁺ → 2Al³⁺ + 3 uur₂O

De vorming en het oplossen van de laag vinden gelijktijdig plaats. In het begin van het anodiseren verloopt de vorming sneller dan het oplossen, waardoor de laagdikte toeneemt. Naarmate de laag dikker wordt, stijgt de elektrische weerstand, neemt de stroom af en vertraagt de vorming. Wanneer de vorming en het oplossen een dynamisch evenwicht bereiken, stabiliseert de laagdikte zich.

De spannings-tijdcurve geeft ook inzicht in het verloop van de filmgroei.

1. Fase a: vorming van de barrièrelaag. In sectie AB stijgt de spanning in de eerste paar seconden tot tientallen seconden sterk van nul naar een maximum, de zogenaamde kritische spanning. Op de anode vormt zich een continue, dunne, niet-poreuze film die verdere verdikking verhindert. De dikte van de barrièrelaag is evenredig met de vormingsspanning en omgekeerd evenredig met de oplossingssnelheid in de elektrolyt. De dikte bedraagt 0,01 tot 0,1 μm.
2. Fase b: vorming van een poreuze laag. In sectie BC lossen de dunste plekken als eerste op, waardoor holtes ontstaan. Via deze holtes dringt elektrolyt door tot het verse aluminium en zet de elektrochemische reactie zich voort. De weerstand neemt af en de spanning daalt van 10% tot 15% van de maximale waarde, wat erop wijst dat de barrièrefilm oplost en er een poreuze laag ontstaat.
3. Fase c: verdikking van de poreuze laag. In sectie CD bereikt de spanning na ongeveer 20 seconden een stabiele, langzaam stijgende fase. Terwijl de barrièrelaag zich voortdurend oplost tot een poreuze laag, groeit er een nieuwe barrièrelaag. De vorming en het oplossen van de film gaan door op de bodem van elke cel. Wanneer de snelheden van deze processen een dynamisch evenwicht bereiken, leidt het verlengen van de anodiseertijd niet langer tot een toename van de dikte en moet het proces worden gestopt.