Jakie są główne procesy anodowania aluminium?

Gdy anoda aluminiowa ulega utlenianiu w roztworze kwasowym pod wpływem prądu zewnętrznego, jednocześnie zachodzi proces tworzenia się warstwy tlenku i jej rozpuszczania. Warstwa tlenku anodowego utrzymuje się tylko wtedy, gdy tempo jej tworzenia przewyższa tempo jej rozpuszczania. Do typowych metod należą anodowanie w kwasie siarkowym, chromowym i szczawiowym. Inne metody to anodowanie twarde oraz anodowanie porcelanowe.

Anodowanie w kwasie siarkowym

W procesie anodowania w kwasie siarkowym stosuje się prąd stały lub przemienny w elektrolicie zawierającym od 10% do 20% H₂SO₄ według masy. W wyniku tego procesu powstaje bezbarwna, przezroczysta warstwa o wysokiej zdolności adsorpcyjnej, o grubości od 5 do 20 μm. Proces ten jest prosty, roztwór jest stabilny, a obsługa wygodna.

Wpływ stężenia kwasu siarkowego

Wysokie stężenie kwasu siarkowego przyspiesza proces rozpuszczania chemicznego i powoduje powstanie cienkiej, miękkiej, bardzo porowatej warstwy o silnej zdolności adsorpcyjnej i dobrej zdolności do barwienia. Niższe stężenie zwiększa tempo tworzenia się warstwy i powoduje uzyskanie mniejszej porowatości, większej twardości, dobrej odporności na zużycie oraz dobrego współczynnika odbicia.

Wpływ temperatury

Temperatura elektrolitu ma duży wpływ na jakość powłoki. W zakresie temperatur od 10 do 20°C powłoka jest porowata, adsorpcyjna, elastyczna i nadaje się do barwienia, ale charakteryzuje się mniejszą twardością i odpornością na zużycie. Powyżej 26°C staje się luźna i miękka. Poniżej 10°C staje się grubsza, twardsza i bardziej odporna na zużycie, ale mniej porowata. Dlatego też temperatura musi być ściśle kontrolowana.

Wpływ gęstości prądu

Zwiększenie gęstości prądu przyspiesza wzrost, skraca czas utleniania, ogranicza rozpuszczanie chemiczne oraz pozwala uzyskać twardszą i bardziej odporną na zużycie powłokę. Nadmierna gęstość prądu powoduje zwiększenie rozpuszczania w wyniku efektu Joule’a i może spowolnić tempo wzrostu. Bardzo niska gęstość prądu wymaga długiego czasu trwania procesu i skutkuje powstaniem luźnej, bardziej miękkiej powłoki.

Wpływ mieszania

Mieszanie sprzyja konwekcji i równomiernemu rozkładowi temperatury, zapobiegając pogorszeniu jakości powłoki spowodowanemu miejscowym nagrzewaniem się metalu. Do mieszania stosuje się układy sprężonego powietrza oraz pompy.

Wpływ składu stopu

Skład stopu ma duży wpływ na jakość, grubość i barwę powłoki. Pozostałe pierwiastki zazwyczaj obniżają jakość. Jeśli stop Al-Mg zawiera więcej niż 5% magnezu w masie i ma niejednorodną strukturę, konieczne jest zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej homogenizującej w celu zachowania przezroczystości. Wraz ze wzrostem zawartości krzemu w stopach Al-Mg-Si barwa powłoki zmienia się od bezbarwnej i przezroczystej, przez szarą i fioletową, aż do czarnej, co utrudnia uzyskanie jednolitego koloru. Miedź zwiększa porowatość i luźność struktury oraz obniża jakość stopów Al-Cu-Mg-Mn. W identycznych warunkach czyste aluminium pozwala uzyskać najgrubszą i najtwardszą warstwę o najlepszej odporności na korozję.

Wpływ czasu utleniania

Czas potrzebny do wytworzenia warstwy zależy od stężenia elektrolitu, temperatury, gęstości prądu oraz docelowej grubości. W tych samych warunkach zwiększanie grubości powoduje wzrost porowatości, zdolności do barwienia oraz odporności na korozję, jednak tempo wzrostu ostatecznie spowalnia i ustaje. Wytworzenie warstwy o określonej grubości i twardości zajmuje od 30 do 40 minut; warstwa dekoracyjna o większej porowatości, przeznaczona do barwienia, wymaga od 60 do 100 minut.

Wpływ prądu przemiennego

W przypadku anodowania prądem przemiennym każdy element jest anodowany tylko przez połowę każdego cyklu, dlatego stężenie kwasu siarkowego powinno być niższe, a gęstość prądu może być wyższa. Warstwa charakteryzuje się wysoką przezroczystością i porowatością, ale ma mniejszą twardość i odporność na zużycie. Elementy można umieścić na obu elektrodach, jeśli ich powierzchnie są równe. Uzyskanie takiej samej grubości powłoki jak w przypadku anodowania prądem stałym wymaga dwukrotnie dłuższego czasu utleniania.

Anodowanie kwasem chromowym

Warstwy kwasu chromowego są znacznie cieńsze niż warstwy kwasu siarkowego lub szczawiowego – mają grubość od 2 do 5 μm. Charakteryzują się niską porowatością, są miękkie i elastyczne, a ich odporność na korozję i zużycie jest niższa niż w przypadku warstw kwasu siarkowego. Ponieważ rozpuszcza się niewiele aluminium, elementy zachowują swoją pierwotną dokładność i chropowatość powierzchni, dzięki czemu proces ten nadaje się do elementów precyzyjnych. Warstwa dobrze przylega do farby i jest szeroko stosowana jako podkład pod farbę oraz na elementach łączonych z gumą.

Stężenie bezwodnika chromowego

Zdolność utleniająca maleje, gdy zawartość bezwodnika chromowego jest zbyt wysoka lub zbyt niska, choć dopuszczalny jest niewielki nadmiar w granicach dozwolonego zakresu. Elektrolit zawierający zbyt mało bezwodnika chromowego jest niestabilny i obniża jakość powłoki.

Wpływ zanieczyszczeń

Jony chlorkowe, siarczanowe i trójwartościowego chromu są szkodliwymi zanieczyszczeniami. Chlorki powodują korozję elementów. Wzrost stężenia siarczanów powoduje, że powłoka staje się nieprzezroczysta, a także skraca żywotność roztworu. Nadmiar trójwartościowego chromu sprawia, że powłoka staje się ciemna i matowa.

Wpływ napięcia

W ciągu pierwszych 15 minut napięcie zwiększa się stopniowo od 0 do 40 V, w krokach nie większych niż 5 V, aby utrzymać prąd w określonym zakresie. Po osiągnięciu napięcia 40 V utrzymuje się je do zakończenia procesu utleniania. Napięcie musi rosnąć stopniowo podczas anodowania, aby utrzymać określoną gęstość prądu i uzyskać wymaganą grubość warstwy.

Anodowanie kwasem szczawiowym

Kwas szczawiowy jest słabym kwasem i tylko w niewielkim stopniu oddziałuje na aluminium. Anodowanie kwasem szczawiowym pozwala zatem uzyskać stosunkowo twardą, grubą warstwę o grubości do 60 μm, charakteryzującą się dobrą odpornością na korozję i izolacją elektryczną. Koszty są wysokie, ponieważ elektrolit charakteryzuje się większą rezystancją niż elektrolity na bazie kwasu siarkowego lub chromowego, zużywa więcej energii elektrycznej i łatwo się nagrzewa, co wymaga skutecznego chłodzenia. Zmiana warunków procesowych pozwala bezpośrednio uzyskać powłoki dekoracyjne w różnych kolorach bez konieczności późniejszego barwienia, z wyjątkiem aluminium zawierającego miedź.

Elektrolit na bazie kwasu szczawiowego jest bardzo wrażliwy na jony chlorkowe. Przy stężeniu powyżej 0,04 g/l na warstwie pojawiają się plamy korozyjne. Stężenie trójwartościowych jonów glinu nie może przekraczać 3 g/l.