Jak przebiega proces anodowania aluminium? Właściwości i tworzenie się warstwy ochronnej

Właściwości i zastosowania warstw tlenku anodowego

Anodowanie to proces, w którym metal pełni rolę anody w odpowiednim elektrolicie, a przyłożony prąd powoduje utworzenie warstwy tlenku na jego powierzchni. Różne rodzaje i stężenia elektrolitów oraz różne warunki procesowe pozwalają uzyskać warstwy o różnych właściwościach i grubościach wynoszących od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów. Dla porównania, naturalna warstwa tlenku na aluminium ma grubość od 0,010 do 0,015 μm.

Struktura porowata

Warstwa anodowa ma porowatą strukturę plastra miodu. Porowatość zależy od elektrolitu i warunków procesu. Pory adsorbują substancje organiczne, żywice, wosk parafinowy, substancje nieorganiczne, barwniki i farby. Warstwa ta może zatem służyć jako podłoże do nakładania powłok lub galwanizacji oraz może być barwiona w celu poprawy wyglądu. Aby zwiększyć odporność na korozję, konieczne jest uszczelnienie.

Odporność na zużycie

Wysoka twardość powłoki zwiększa odporność powierzchni na zużycie. Adsorbowany środek smarny może dodatkowo poprawić odporność na zużycie.

Odporność na korozję

Warstwa ta jest stabilna w warunkach atmosferycznych i zapewnia dobrą odporność na korozję. Jej właściwości zależą od grubości warstwy, składu, porowatości, składu podłoża oraz integralności strukturalnej. Warstwy anodowane są zazwyczaj uszczelniane lub malowane w celu zwiększenia odporności na korozję.

Izolacja elektryczna

Warstwa anodowa charakteryzuje się wysoką rezystancją izolacyjną i napięciem przebicia i może pełnić rolę dielektryka w kondensatorze elektrolitycznym lub warstwy izolacyjnej w wyrobach elektrycznych.

Izolacja termiczna

Folia ta stanowi dobry izolator termiczny i zachowuje stabilność w temperaturach do 1500°C. W przypadku elementów narażonych na krótkotrwałe działanie wysokich temperatur może zapobiegać topnieniu aluminium. Przewodność cieplna wynosi zazwyczaj od 0,419 do 1,26 W/(m·K).

Przyczepność

Ponieważ folia tworzy się bezpośrednio na podłożu, przylega do niego bardzo mocno i trudno ją usunąć mechanicznie. Nawet gdy utleniony element blaszany zostanie wygięty aż do pęknięcia, folia pozostaje na swoim miejscu. Jej przyczepność jest zatem znacznie większa niż w przypadku powłoki naniesionej metodą osadzania.

Przejrzystość

Warstwy tlenku anodowego charakteryzują się wysoką przezroczystością, która wzrasta wraz z czystością aluminium. Na przezroczystość wpływają zarówno czystość materiału, jak i skład stopu.

Właściwości użytkowe

Cząstki funkcjonalne można osadzać w porach w celu uzyskania materiałów o właściwościach elektromagnetycznych, katalitycznych, czujnikowych, separacyjnych i innych.

Mechanizm powstawania anodowych warstw tlenkowych

Aluminium i stopy aluminium są zazwyczaj anodowane w roztworach kwasowych o umiarkowanej zdolności rozpuszczania. Ołów może pełnić rolę katody i służy głównie do przewodzenia prądu. Na anodzie zachodzą następujące reakcje:

H₂O → [O] + 2H⁺ + 2e⁻

2Al + 3[O] → Al₂O₃

Na katodzie zachodzi następująca reakcja:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑

Kwaśny elektrolit powoduje również chemiczne rozpuszczenie podłoża aluminiowego i warstwy tlenku:

2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3 godziny₂↑

Al₂O₃ + 6 godzin⁺ → 2Al³⁺ + 3 godziny₂O

Wzrost warstwy i jej rozpuszczanie zachodzą jednocześnie. Na początku procesu anodowania wzrost przebiega szybciej niż rozpuszczanie, więc grubość warstwy wzrasta. W miarę pogrubiania się warstwy jej opór elektryczny rośnie, natężenie prądu maleje, a tempo wzrostu spowalnia. Gdy wzrost i rozpuszczanie osiągną równowagę dynamiczną, grubość warstwy ustabilizuje się.

Krzywa napięcie-czas wyjaśnia również przebieg procesu wzrostu warstwy.

1. Etap a: tworzenie warstwy barierowej. W odcinku AB napięcie gwałtownie wzrasta od zera do wartości maksymalnej, zwanej napięciem krytycznym, w ciągu pierwszych kilku sekund do kilkudziesięciu sekund. Na anodzie tworzy się ciągła, cienka, nieporowata warstwa, która zapobiega dalszemu pogrubianiu się. Grubość warstwy barierowej jest proporcjonalna do napięcia tworzenia i odwrotnie proporcjonalna do szybkości rozpuszczania w elektrolicie. Grubość wynosi od 0,01 do 0,1 μm.
2. Etap b: tworzenie się warstwy porowatej. W sekcji BC najcieńsze miejsca ulegają najpierw rozpuszczeniu, tworząc wnęki. Elektrolit dociera przez te wnęki do świeżego aluminium, a reakcja elektrochemiczna toczy się dalej. Rezystancja maleje, a napięcie spada do wartości wynoszącej od 10% do 15% wartości maksymalnej, co wskazuje, że warstwa barierowa ulega rozpuszczeniu i tworzy się warstwa porowata.
3. Etap c: zagęszczenie warstwy porowatej. W sekcji CD po około 20 sekundach napięcie osiąga stabilny, powoli rosnący poziom. W miarę jak warstwa barierowa stopniowo rozpuszcza się, tworząc warstwę porowatą, powstaje nowa warstwa barierowa. Tworzenie się i rozpuszczanie warstwy przebiega na dnie każdej komory. Gdy tempo tych procesów osiągnie równowagę dynamiczną, wydłużanie czasu anodowania nie powoduje już wzrostu grubości warstwy i należy przerwać proces.