Anodowa obróbka aluminium polega na wytworzeniu cienkiej porowatej warstwy tlenku na powierzchni aluminium.

Zastosowanie anodowych powłok tlenkowych to:

-Ochrona podłoża przed korozją i zużyciem mechanicznym;

-Dekoracyjne wykończenie powierzchni;

-Podwarstwa pod powłoki lakiernicze, metalowe lub środki smarne

-Warstwy nieporowate odporne na przebicie elektryczne np. do produkcji kondensatorów elektrolitycznych.

Anodować możemy zarówno aluminium jak i jego stopy jednak należy pamiętać o tym, że dodatki stopowe pogarszają wygląd anodowanego przedmiotu, a czasem całkiem uniemożliwiają przeprowadzenie procesu.

Anodowanie aluminium możemy podzielić na kilka rodzajów:

1. Anodowanie typu I;

• Typ I;

• Typ IB;

• Typ IC;

2. Anodowanie typu II;

3. Anodowanie typu III;

• Klasa 1 - niebarwione;

• Klasa 2 - barwione;

4. Anodowanie mikroplazmatyczne;

Anodowanie typu I to wytworzenie warstwy tlenku przede wszystkim przy użyciu jako elektrolitu kwasu chromowego. Jest ono zalecane, gdy anodowany przedmiot stwarza ryzyko uwięzienia resztek elektrolitu z uwagi na swą skomplikowaną strukturę, natomiast pozostałości kwasu chromowego są stosunkowo mało agresywne. W tym przypadku powłoka tlenkowa wrasta w 50% ponad element i w 50% w niego. Jest cienka i ciemna, lecz twardsza od powłoki tej samej grubości powstałej podczas anodowania II typu. Typ I to konwencjonalne anodowanie w kwasie chromowym, typ IB to anodowanie w kwasie chromowym przy użyciu obniżonego napięcia, zaś typ IC to anodowanie w innych kwasach np. kwasie bornym (metoda Boeinga).

Anodowanie typu II to proces przebiegający z użyciem kwasu siarkowego jako elektrolitu. Jest ono najbardziej rozpowszechnione. Powstająca powłoka jest gruba i odporna na ścieranie, na 33% wyrasta ponad, zaś na 67% wrasta w element. Jest jasna i porowata, dzięki czemu łatwo można ją barwić.

Podczas anodowania typu III również używamy kwasu siarkowego, jednak jego stężenie jest wyższe niż w przypadku typu II. Również wyższa jest gęstość prądu, a temperatura całego procesu jest niższa. Powstająca powłoka w 50% wyrasta a w 50% wrasta w głąb orginalnej powierzchni. Jest ono zwane również anodowaniem twardym gdyż powstający element ma odporność hartowanej stali węglowej. W ten sposób zabezpieczamy zawory, tłoki,przekładnie, wyposażenie wojskowe.

Anodowanie mikroplazmatyczne jest nowością i polega na cyklicznym wytwarzaniu powłoki tlenkowej przy użyciu wysokiego napięcia i słabej zasady jako elektrolitu. Powłoka wytwarza się bardzo szybko, izolując anodowany przedmiot. Następnie wytworzona powłoka jest przebijana przez wyładowanie i ponownie dochodzi do wytworzenia warstwy tlenku. Ten cykl szybko się powtarza, ustając po wytworzeniu bardzo grubej powłoki tlenkowej zdolnej trwale izolować element. Proces jest gwałtowny i trudny w kontroli, jednak pozwala wytworzyć niezwykle grubą i twardą warstwę tlenku.

Należy pamiętać, że gęstość prądu i temperatura procesu określają porowatość powłoki tlenkowej. Im wyższa temperatura tym większa porowatość. Im większa gęstość prądu - tym mniejsza wielkość porów. Im większa porowatość tym lepsza wchłanialność barwnika, ale trudniejsze uszczelnienie porów, czyli łatwiejsze wypłukiwanie barwnika w kąpieli uszczelniającej. Do pewnego stopnia można sobie z tym poradzić - uszczelniając wstępnie nie w zanurzeniu, ale w parach uszczelniacza.

Im mniejsza porowatość tym trudniejsze barwienie, ale twardsza powłoka. Rozkład katod ma również znaczenie. Najprościej stwierdzić, że katody powinny być rozmieszczone równomiernie w stosunku do przedmiotu anodowanego. Zbyt bliskie umieszczenie fragmentu przedmiotu w stosunku do katody spowoduje inny przebieg reakcji na tym fragmencie, a co za tym idzie przebarwienia i nierówną powłokę tlenku.

Na proces anodowania składa się kilka ważnych etapów:

1. Obróbka wstępna;

2. Odtłuszczanie;

3. Trawienie;

4. Rozjaśnianie;

5. Anodowanie;

6. Barwienie;

7. Uszczelnianie;

8. Suszenie.

Mechaniczna obróbka wstępna stanowi ważny element procesu anodowania, ponieważ wszystkie niedoskonałość po anodowaniu zostaną jeszcze podkreślone. Obróbkę tą prowadzi się za pomocą prostych urządzeń takich jak pilniki, szlifierki czy papier ścierny. Jednak stosuje się również bębny, kielichy i komory wibracyjne, które wypełnia się kulkami stalowymi o coraz mniejszej średnicy.

W celu osiągnięcia dobrych wyników anodowania trzeba starannie przeprowadzić odtłuszczanie. Jeśli przedmiot będzie miejscami zatłuszczony, nie zostanie zwilżony przez elektrolit i nie wytworzy się w tych miejscach warstwa tlenku. Wstępne oczyszczanie prowadzimy w acetonie, powoduje to usunięcie np. wszelkiego rodzaju smarów. Dalszy etap odtłuszczania prowadzimy w roztworze wodorotlenku sodu w temperaturze 40 ^oC. W zależności od składu anodowanego stopu modyfikuje się składy kąpieli do odtłuszczania.

Kolejny etap to tzw. trawienie. Ma to na celu usunięcie tlenków oraz części aluminium z powierzchni. W wyniku tego procesu powierzchnia przedmiotu matowieje, co da również ładną matową powierzchnię po anodowaniu. Tu stosujemy roztwór wodorotlenku sodu. Trawienie nie powoduje natomiast usunięcia składników stopowych aluminium. Skutkuje to pociemnieniem powierzchni i pojawieniem się plam, które to defekty usuwa się poprzez rozjaśnianie.

Rozjaśnianie zwane jest również dotrawianiem. Prowadzi się je w kąpieli z kwasu azotowego (V). Jeśli nie usunie się plam powstałych w wyniku trawienia nie będzie można odpowiednio zabarwić powierzchni.

Sam proces anodowania prowadzi się w roztworze 15% kwasu siarkowego (VI). Anodowana blaszka jest umieszczana w równomiernej odległości od dwóch katod. Roztwór cały czas jest mieszany oraz utrzymywany w temperaturze 20 ^oC. Elektrolizę prowadzi się przy prądzie o natężeniu 0.75 A przez 30 minut.

Reakcje elektrodowe procesu anodowania:

2Al⁰ + 3H₂O Al₂O₃ + 6H⁺ + 6e /∙1

2H⁺ + 2e H₂ /∙3

2Al⁰ + 3H₂O Al₂O₃ + 3H₂

Jednym z ostatnich etapów jest barwienie. W wykonanym ćwiczeniu wykorzystaliśmy wariant barwienia aluminium chromianem (VI) ołowiu (II) przy użyciu dwóch roztworów. Pierwszym z nich był 2% roztwór octanu ołowiu (CH₃COO)₂Pb, do którego zanurzona została anoda na 20 minut w temperaturze 35^οC. Następnie anodę przenieśliśmy na 10 minut do drugiego roztworu, którym był 2,5% chromian (VI) sodu Na₂CrO₄ utrzymując dalej taka samą temperaturę jak w przypadku pierwszego roztworu. W wyniku tak przeprowadzonego barwienia aluminium zabarwiło się na kolor żółty.

Powłoka po anodowaniu jest zwykle silnie porowata i chłonie zarówno barwnik, jak i wszelkie zanieczyszczenia. Aby zamknąć pory stosuje się zabieg uszczelniania powodujący uwodnienie bezpostaciowego tlenku glinu. Powstające w reakcji produkty mają większą objętość od substratu i pęczniejąc zaciskają kapilary. Po prawidłowym przeprowadzeniu procesu powłoka przestaje być chłonna.

Dokładne wysuszenie jest ważne. Zapobiega powstawaniu zacieków, plam, smug i obszarów bardziej podatnych na korozję. Stosowane są różne rodzaje suszenia:

1. Atmosferyczne - tu ważne jest, aby przedmiot został nagrzany przy ostatnim płukaniu;

2. Strumieniem powietrza - zimnym lub ogrzanym;

3. Absorpcyjne - poprzez wycieranie przedmiotu np. w trocinach - najczęściej z drzewa topolowego lub klonowego;

4. W podczerwieni - przy użyciu promienników;

5. W kąpielach odwadniających - absorbujących wodę i szybko parujących.

WYTWARZANIE BARWNYCH POWŁOK TLENKOWYCH

Specyficzna struktura porowata powłok tlenkowych otrzymywanych w procesie anodowania w roztworach kwasu siarkowego wykorzystywana jest w następnych operacjach barwienia chemicznego. Do tego celu stosuje się często barwniki organiczne, z których większość ulega łatwej adsorpcji na rozwiniętej powierzchni tlenku glinu. Proces barwienia prowadzi się zwykle w rozcieńczonym roztworze barwnika w podwyższonej temperaturze przy zachowaniu właściwego zakresu pH roztworu. Producenci barwników podają zalecane warunki barwienia. Gama możliwych do otrzymania kolorów jest bardzo szeroka, natomiast wadą procesu jest zwykle mała odporność uzyskanego zabarwienia powierzchni na światło, szczególnie przy bezpośrednim działaniu światła słonecznego. Dlatego tylko nieliczne barwniki organiczne dopuszczane są do barwienia aluminiowych elementów architektonicznych.

Znacznie trwalsze zabarwienie powierzchni można uzyskać przy barwieniu chemicznym powłok tlenkowych w roztworach soli nieorganicznych. Atrakcyjny i trwały kolor złoty można uzyskać prowadząc barwienie w roztworze szczawianu żelazowo - amonowego. Odcienie brązu otrzymuje się stosując metodę dwukąpielową z wykorzystaniem roztworów octanu kobaltu i nadmanganianu potasu. Tworzący się osad barwnego pigmentu nieorganicznego wypełnia pory nadając powierzchni trwały kolor.

Najszerzej obecnie rozwija się technologia elektrolitycznego barwienia powłok tlenkowych. Poanodowane i wypłukane detale aluminiowe przenosi się do roztworu łatwo redukowalnego metalu (np. miedzi, niklu, cyny) i poddaje polaryzacji z zastosowaniem prądu zmiennego. W cyklach katodowych następuje elektroredukcja jonów metalu i wewnątrz porów od strony podłoża osadza się metal w formie igiełek prostopadłych do powierzchni aluminium. Taki dwufazowy układ kompozytowy Al₂O₃ - metal silnie absorbuje światło, co objawia się powstaniem trwałego zabarwienia powierzchni na kolor szary, brązowy, czarny, złoty lub czerwony, zależnie od rodzaju metalu i czasu operacji. Stosując dwuetapowy proces anodowania można uzyskać dodatkowe efekty barwne, tzw. barwy interferencyjne.

Proces elektrolitycznego barwienia powłok tlenkowych jest obecnie bardzo często stosowany do ochronno-dekoracyjnego wykańczania elementów aluminiowych stosowanych w budownictwie i transporcie.

Barwne powłoki tlenkowe można uzyskać także w procesie jednoetapowym - w samej operacji anodowego utleniania - jeżeli zastosuje się specjalny roztwór elektrolitu. Na przykład, przez anodowe utlenianie w roztworze kwasu szczawiowego otrzymuje się powłoki tlenkowe zabarwione na kolor jasno żółty, natomiast z roztworów kwasu sulfosalicylowego na estetyczny kolor brązowy. Są to przykłady tzw. anodowania samobarwnego. Także niektóre dodatki stopowe znajdujące się w materiale podłoża wbudowując się w procesie anodowania w powłokę tlenkową mogą powodować jej zabarwienia np. na kolor szary.

Barwienie aluminium

Najlepsze efekty uzyskuje się stosując anodowy proces elektrochemiczny w kąpielach chromianowych, z których otrzymuje się warstwy barwy żółtej, złotej, pomarańczowej.

Bezbarwne cienkie warstwy tlenku aluminium mogą być barwione na wiele kolorów, których nie można uzyskać metodą chemiczną, metodą zanurzeniową w kąpielach barwiących na bazie barwników organicznych.

Powłoki barwy szarej i czarnej uzyskać można metodą zanurzeniową bezprądową w kąpieli o składzie:

Węglan sodowy, Na2CO3	50 g/l
Chromian sodowy, Na2CrO3	15 g/l
Temperatura	90-100°C
Czas	3-15 min.

Powłoki barwy niebieskiej można nakładać z kąpieli o składzie:

Chlorek żelaza, FeCl2	450 g/l
Żelazocyjanek potasu, K4Fe(CN)6	450 g/l
Temperatura	70°C
Czas	15-20 min.

5

---