Способы анодирования алюминия в промышленности и быту

Специальные пленки из анодированного алюминия

Помимо высоких декоративных качеств, пленки из анодированного алюминия обладают целым рядом очень полезных свойств. Например, высокая твердость и износостойкость. Микрокристаллическая структура из корунда практически не боится любого абразива. Песчаная и цементная пыль, и даже карбиды и силициды металлов не в состоянии существенно повредить защиту из корунда.

Поэтому детали с анодированным покрытием невозможно зачистить наждачной бумагой или полировочной или шлифовальной пастой. Толстый слой кристаллической Al2O3 на поверхности трущихся деталей увеличивает ресурс любого механизма в два-три раза. Защиту из окисленного алюминия используют при высокотемпературной окраске дисков колес, элементов подвески карьерных машин и магистральной техники.

Применение покрытия из анодированного алюминия:

  • Не деградирует под влиянием морозов, жары, ультрафиолета или химически активных веществ, выдерживает прямой контакт с кислотами, щелочами, органическими растворителями;
  • Не пылит и не изнашивается при многократной мойке, чистке, под истирающей нагрузкой;
  • Нет нитевидной и газовой формы коррозии, если слой анодированного алюминия изготовлен с соблюдением технологии, то срок службы покрытия может легко достичь 60-80 лет.

Второе интересное качество пленки из анодированного алюминия – низкая теплопроводность. Из обработанного металла изготавливают литейные формы для отливки из медных сплавов, при том, что температура алюминия ниже, чем у меди, на несколько сот градусов. Тонкое, всего в пару миллиметров окисленное покрытие надежно защищает алюминиевую форму от перегретой жидкой меди.

Радиаторы отопления, трубопроводная арматура, котлы, печи, камины, изготовленные из стали и чугуна, по современным стандартам защищаются пленками из анодированного алюминия. Даже при нагреве стенок, колосников, силовой арматуры до 500-600оС сталь и чугун не обгорают и не коррозируют до ржавых дыр. Срок службы стальной печи вырос с 10 до 40 лет службы.

Анодирование в домашних условиях — способы и технология

У многих красивое и непонятное слово «анодирование» ассоциируется со сложным физико-химическими технологиями, лабораторными условиями и прочей научной атрибутикой.

Мало кто знает, что этот полезный и несложный процесс можно провести при помощи подручных средств: сделать анодирование титана и других металлов реально даже в домашних условиях.

Но что это такое, и зачем это нужно для металла?

Название анодирования носит процесс, протекающий при использовании электролита и электрического тока различной величины и позволяющий получить на изделии прочную оксидную пенку, которая повышает прочность стали и обеспечивает защиту от коррозии. Прочностные и механические характеристики меняются в зависимости от состава металла, плотности и вида электролита, величины анодного и катодного воздействия, рассчитываемых по специальным уравнениям.

Собственно защитное покрытие не наносится, а образуется из самого железа в процессе электрохимической реакции. Технология, используемая в домашних условиях, схематично выглядит так:

Схема процесса анодирования в домашних условиях

  1. В диэлектрическую (не проводящую ток) емкость заливается электролит.
  2. Берется блок питания, способный обеспечить необходимое напряжение постоянного тока на выходе (это может быть аккумулятор или несколько батареек, соединенных в электронные цепи).
  3. К обрабатываемому предмету подключается зажим «+», и предмет погружается в емкость с раствором.
  4. Зажим «–» крепится на пластинку из свинца или нержавеющей стали и тоже опускается в жидкость.
  5. Подключается электрический ток нужной величины, согласно электрохимическому уравнению.

    Благодаря ему на поверхности изделия начинает выделяться кислород, способствующий образованию прочной защитной пленки.

Анодное оксидирование (анодирование) различных металлов, проведенное в домашних условиях, конечно, сильно уступает тому, что проводится с применением промышленного оборудования.

Но, все же, оно способно обеспечить изделию ряд преимуществ:

  1. Повысить устойчивость к коррозии — благодаря тому, что оксидная пленка препятствует проникновению влаги к металлической основе, обеспечивая надежную защиту. Применение такого процесса на быстро ржавеющих предметах обихода или дисках и деталях бытовой техники способно значительно продлить срок их службы.
  2. Увеличить прочность металла и стали: оксидированное покрытие намного устойчивее к механическим и химическим повреждениям.
  3. Обработанная таким образом посуда нетоксична, устойчива к длительному нагреву, пища на ней не пригорает.
  4. Металлические изделия после анодированной обработки приобретают диэлектрические свойства (совсем или почти не проводят ток).
  5. Возможность провести гальваническое напыление другого металла (хромовое, титановое). Выполненное своими руками, оно способно значительно увеличить прочностно-механические характеристики или повысить декоративные качества (напыление под золото).

Кроме того, процесс дает возможность декорирования. Можно сделать цветное анодное оксидирование.

Такой результат можно получить, изменяя уравнения силы подаваемого тока и плотности электролита (это возможно, когда проводится анодирование титана и других твердых материалов) или с использованием краски (чаще для алюминия и других мягких металлов, но этот процесс применяется и на твердых основах). Окрашенные таким образом предметы имеют более ровный и глубокий цвет.

Промышленный метод дает более высокую прочность покрытия, возможность провести глубокое анодирование с одновременным нанесением катодной электрохимической пенки, дающей дополнительную защиту от коррозии. Но, даже проведенная в домашних условиях анодно-катодная обработка поможет сделать диски или другие детали движущихся механизмов более прочными, износостойкими.

Анодирование алюминия и его виды

Помимо вышеперечисленных способов анодирования, применяются и другие виды: твердое, микродуговое и цветное.

В процессе твердого анодного окисления используют смесь нескольких электролитов, например, кислот. Данный процесс часто применяется для изготовления микропленок в промышленности, например, в машиностроении, изготовлении приборов и т.д, где высокая прочность изделия является необходимым требованием.

При микродуговом оксидировании происходит не только окисление поверхности металла, но и ряд других электрических процессов, за счет чего покрытия получаются очень качественные и с высокой способностью к адгезии.

Задача цветного анодирования очень проста – изменить цвет детали. Для этого применяют разнообразные методы:

  • Метод адсорбции, во время которого деталь погружается в ванную с электролитом.
  • Интегральное окрашивание. Во время этого процесса используется смесь электролита и органических солей.
  • Интерференционное окрашивание. В этом методе создается специальный светоотражающий слой, что приводит к большему разнообразию цветовой гаммы.
  • Электролитическое окрашивание (черное анодирование). Состоит из двух этапов – получения пленки, а затем ее погружение в кислый солевой раствор. Окраска полученного изделия в этом методе варьируется от черного до бронзового, поэтому такой вид окрашивания используется в различных областях строительства.

Особенности анодированных

Данная процедура широко применяется в промышленных масштабах, кроме того, осуществить самостоятельное оксидирование стали, алюминия или меди можно и в домашних условиях. Последний вариант будет отличаться от профессионального процесса, однако он удобен для обработки небольших деталей.

Изделия, которые на своей поверхности имеют образовавшуюся после анодирования пленку, обладают следующими характеристиками:

  • повышенная устойчивость к коррозии;
  • увеличивается прочность таких материалов как сталь и алюминий;
  • изделие становится нетоксичным;
  • отсутствие возможности проведения тока;
  • подготовленная поверхность подходит под дальнейшую обработку с помощью гальванического покрытия.

Процедура анодирования металла применяется для производства посуды – обработанные таким методом изделия не пригорают на плите и безопасны для приготовления пищи. Материалы с оксидной пленкой используют при изготовлении некоторых инструментов, строительных материалов, светотехнических приборов, предметов домашнего обихода. Кроме того, обработке подвергаются изделия из серебра.

Обработанные анодированием поверхности инструментов и приспособлений не растрескиваются при эксплуатации, сохраняя первозданный вид на долгий срок. Кроме того, плоскость становится более крепкой, что позволяет ей выдерживать повышенные нагрузки и механическое воздействие.

Как почернить алюминий в домашних условиях — Металлы, оборудование, инструкции

Сущностью процесса анодирования является наращивание оксидного покрытия, которое на алюминии и его сплавах выполняет защитную функцию от воздействий среды. Другое название – анодное оксидирование. Кроме того, оксидирование применяют для повышения эстетичности внешнего вида изделий.

Устраняются поверхностные дефекты– небольшие царапины, мелкие сколы. Можно имитировать покрытие драгоценными металлами или повысить адгезивные свойства. Покрытие можно наносить не только на производстве, но и дома.

Анодирование алюминия в домашних условиях пользуется большой популярностью у домашних умельцев. В изделиях, подвергнутых анодному оксидированию, повышается стойкость защитного покрытия.

Анодирование алюминия

Общие сведения о технологии анодирования

Технология анодирования алюминия схожа с гальванической обработкой. Оседание ионов оксидов раствора на заготовке происходит в жидком электролите при высоких или низких температурах. Использование нагретого раствора возможно в промышленных установках, где есть возможность тщательного контроля и регулирования напряжения и силы тока в автоматическом режиме.

В домашних условиях обычно пользуются холодным методом. Данный способ достаточно прост, не требует постоянного контроля, а оборудование и расходные материалы — доступны. Для приготовления раствора можно использовать электролит, применяемый в свинцовых автомобильных аккумуляторах. Он продается в каждом автомагазине.

Высокая прочность защитной оксидной пленки зависит от ее толщины, которая в домашних условиях получается при обработке в холодном растворе. Наращивание производится ступенчатым регулированием рабочего тока.

Результат анодирования алюминияЧерное анодирование алюминия

Оксидирование алюминия в черный цвет относится к цветному анодированию. Черный цвет получают в два этапа.

Черный алюминий широко используется в строительстве и отделке.

Подготовка электролита

Растворы кислот считаются небезопасными реактивами, поэтому для проведения анодирования алюминия в домашних условиях прибегают к другому типу раствора. Для его приготовления используют соль и соду, которые всегда есть под рукой.

Для приготовления электролита берут две пластмассовые емкости. В них наводят солевой и содовый составы, соблюдая пропорцию: на порцию соли или соды 9 порций дистиллированной воды.

Анодирование в домашних условиях

После растворения компонентов раствор выдерживается с целью оседания не растворившихся частиц на дно. При переливании в емкость для анодирования его необходимо процедить.

Способы анодирования алюминия

Разработано несколько способов обработки алюминиевых сплавов, но широкое применение нашел химический способ в среде электролита. Для получения раствора используют кислоты:

  • серную;
  • хромовую;
  • щавелевую;
  • сульфосалициловую.

Для придания дополнительных свойств в раствор добавляют соли или органические кислоты. В домашних условиях в основном используют серную кислоту, но при обработке деталей сложной конфигурации предпочтительнее использовать хромовую кислоту.

Процесс происходит при температурах от 0°С до 50°С. При низких температурах на поверхности алюминия образуется твердое покрытие. При повышении температуры процесс протекает значительно быстрее, но покрытие обладает высокой мягкостью и пористостью.

Технология твердого анодирования алюминия

Кроме химического метода в некоторых случаях используются следующие методы анодирования алюминия:

  • микродуговое;
  • цветное:
    1. адсорбцией;
    2. опусканием в электролит;
    3. опусканием в красящий раствор;
    4. гальваникой;
  • интерферентное;
  • интегральное.

Теплое анодирование

Способ теплого анодирования используется для получения основы под покраску. Покрытие пористое, но за счет этого обладает высокой адгезией. Нанесенная сверху эпоксидная краска надежно защитит алюминий от внешних воздействий.

Недостатком считается низкая механическая прочность и коррозионная стойкость покрытия. Оно разрушается при контакте с морской водой и активными металлами. Данный способ можно произвести в домашних условиях.

Процесс протекает при комнатной температуре или выше (не более 50°С). После обезжиривания заготовки устанавливаются на подвесе, который удерживает их в растворе электролита.

Анодирование продолжается до тех пор, пока на поверхности не появится покрытие молочного цвета. После снятия напряжения заготовки промываются в холодной воде. Затем детали подлежат окрашиванию. Красят их путем помещения в емкость с горячим красителем. После чего полученный результат закрепляют на протяжении 1 часа.

Механизм химического оксидирования стали с промасливанием

Оксидирование стали производится термическим, химическим и электрохимическим методом. Химическое оксидирование стали сегодня можно разделить на два способа: холодное, горячее.

Горячее химическое оксидирование стали делается в щелочных и не щелочных составах.

Безщелочное химическое оксидирование стали производится при более низких температурах и за меньшее время.

Щелочное химическое оксидирование производится в смеси щелочи с окислителями. В результате оксидирования на стали образуется пленка магнитной окиси железа Fe3O4. Во втором случае используется раствор, состоящий из фосфорной кислоты и окислителей – азотнокислые соединения кальция или бария. Такое оксидное покрытие состоит уже из фосфатов и оксида железа.

Главной реакцией процесса химического оксидирования стали является взаимодействие стали со щелочью и окислителями. Растворяясь в горячем концентрированном щелочном растворе, железо дает соединение Na2FeO2. Под воздействием окислителей в растворе образуется соединение трехвалентного железа Na2Fe2O4. Образующаяся при химическом оксидировании на поверхности металла оксидная пленка образуется по реакции:

Формирование пленки начинается с появления на поверхности оксидируемого металла кристаллических зародышей. По мере того как оксид покрывает металл, изолируя его от взаимодействия с раствором, уменьшается скорость растворения железа и формирования оксидной пленки. Скорость роста оксидного слоя и его толщина зависят от соотношения скоростей образования центров кристаллизации и роста отдельных кристаллов. При большой скорости образования зародышей кристаллов их количество на поверхности металла быстро растет, и кристаллы смыкаются, образуя тонкую сплошную пленку. Если скорость формирования зародышей при химическом оксидировании относительно невелика, то до того, как они соединятся, создаются благоприятные условия для их роста и получения оксидной пленки большой толщины.

При химическом оксидировании стали процесс образования оксидной пленки определяется условиями оксидирования. При большой концентрации в растворе окислителя возрастает скорость образования зародышей оксида и, следовательно, уменьшается толщина формирующейся оксидной пленки. При уменьшении концентрации окислителя в растворе химического оксидирования стали способствует росту толщины оксидной пленки, но в сильно концентрированных растворах на поверхности стали может выделяться рыхлый осадок гидроксида железа и защитные свойства оксидного покрытия уменьшаются.

Скорость растворения стали в растворе химического оксидирования зависит от химического состава стали и ее микроструктуры. Высокоуглеродистые стали оксидируются быстрее, чем малоуглеродистые. Поэтому при оксидировании малоуглеродистой стали применяются растворы с увеличенным содержанием щелочи. Состав стали оказывает влияние и на цвет оксидной пленки: на малоуглеродистых сталях она получается глубоко черного цвета, в то время как на высокоуглеродистых – черного с серым отливом.

Применяемые устройства и оборудование

В промышленных масштабах для анодирования стали применяют раствор серной кислоты, который обеспечивает высокую скорость процесса и наибольшую глубину проникновения. Современные установки представляют собой полностью автоматические линии с минимальным количеством персонала, роль которого сводится к контролю над рабочим процессом.

Все оборудование можно разделить на три вида:

  1. Основное. К нему относят ванну и катод. Емкость должна быть изготовлена из инертного материала, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами – в этом случае электролит не будет слишком быстро нагреваться и прослужит намного дольше. Материал катода зависит от типа обрабатываемого металла. Например, для анодирования алюминия используют свинцовый лист, размер которого должен быть вдвое больше габаритов заготовки.
  2. Обслуживающее. Сюда относят узлы, которые отвечают за обеспечение работоспособности установки: приводные механизмы и устройства для передачи тока.
  3. Вспомогательное. Речь идет об оборудовании, на котором осуществляются работы по подготовке заготовок к анодированию. Сюда же относят механизмы для перемещения деталей и их складирования.

В процессе выбора подходящей установки необходимо принимать во внимание следующие особенности:

Наиболее трудоемкими операциями являются погружение и выгрузка заготовки

Обращайте внимание на надежность и энергопотребление данных узлов.
Производительность зависит от мощности энергетической установки. Как показывает практика, оптимальная мощность выпрямителя – 2,5 кВт

Наличие бесступенчатой регулировки уровня напряжения будет дополнительным преимуществом, облегчающим процесс анодирования стали.

  1. По кольцам емкости должны быть уставлены контактные площадки из гибкого материала. Лучше всего с этой задачей справятся элементы из меди.

Подготовительный процесс

Для получения гладкой поверхности на стадии подготовки необходимо заготовку отполировать. С помощью войлочного или другого полировального круга устраняются царапины, затягиваются большие поры. Отсутствие микронеровностей снижает вероятность появления прогаров. Анодная пленка не способна скрыть внешние дефекты.

Перед анодированием алюминия необходимо определиться с размерами обрабатываемых деталей. Получаемый слой имеет толщину 50 микрон, поэтому на обработанную резьбу невозможно будет накрутить гайку. Если же детали соединяются с помощью посадки, то не стоит забывать, что после анодирования детали шлифовке не подлежат.

Проведение анодирования в домашних условиях

Для проведения процесса необходимы емкости. Емкости для анодирования должны соответствовать размерам деталей, быть чуть больше. В связи с чем обычно пользуются несколькими ваннами. Материал емкостей – алюминий. Но если изделия небольшого размера, то подойдут пластиковые контейнеры. Только на дно и вдоль стенок необходимо уложить алюминиевые листы. Это необходимо, чтобы создать ток равномерной плотности по всему объему.

Электролит нуждается в изоляции от внешнего воздействия тепла. При нагревании его придется менять. Для исключения нагрева емкости снаружи покрываются слоем теплоизоляции. Ее можно обклеить пенопластом до 50 мм толщиной или, поместив в короб, заполнить свободное пространство монтажной пеной.

Смешивание, когда в кислоту добавляется вода, сопровождается обильным тепловыделением, и она буквально вскипает разбрызгиваясь. Поэтому в целях безопасности серную кислоту вливают в емкость с водой.

Перед началом анодирования алюминия его подвергают химической подготовке. Химическая подготовка – процесс обезжиривания. В промышленных условиях обработку проводят едким натром или калием. Но в домашних условиях лучше пользоваться хозяйственным мылом. Зубной щеткой и мыльным раствором с поверхности хорошо удаляются загрязнения. После чего сначала заготовки промываются теплой водой, а затем — холодной.

Альтернативой хозяйственному мылу служит стиральный порошок. Растворив его в закрытом пластиковом контейнере и поместив туда обрабатываемые детали, необходимо интенсивно встряхнуть. Затем детали промываются и просушиваются потоком горячего воздуха. Активный кислород, содержащийся в стиральном порошке, защищает обезжиренные изделия, даже если их взять голыми руками.

Подготовка электролита

В домашних условиях, как уже говорилось, в силу ограничения доступности химических материалов приходится использовать упрощенные методы организации процесса. Главным образом компромисс приходится на этап подготовки электролита. Чаще всего домашние умельцы применяют для таких целей раствор серной кислоты, разбавленной в дистиллированной воде. Можно ограничиться и водой из крана, но цветное анодирование алюминия в этом случае может получиться некачественным – в частности, с явными признаками неравномерности покрытия. Только дистиллированная жидкость позволит обеспечить распределение оптимальной плотности токов по всей поверхности детали.

Серную же кислоту можно приобрести в автомагазинах. Она продается открыто для заправки аккумуляторных блоков электролитической смесью. Приобретать следует составы для свинцовых батарей, которые реализуются в разбавленном состоянии с плотностью порядка 1,27 грамма на 1 м3. Смешивать такую кислоту с дистиллированной водой нужно в соотношении 1:1. То есть при подготовке электролита с заполнением 10-литровой ванны потребуется канистра серной кислоты объемом 5 л и столько же чистой воды. И уже на этапе разбавления двух компонентов стоит учитывать технику безопасности, с которой выполняется анодирование алюминия. В домашних условиях без специальной защиты можно получить ожоги в процессе смешивания воды и серной кислоты. Резкое добавление жидкости в агрессивную среду спровоцирует кипение с выбросом брызг

Поэтому важно организовать добавление воды в кислоту таким образом, чтобы вода лилась медленно и тонкой струйкой

Материалы для анодирования

Сегодня для анодирования используются различные металлические материалы.

В настоящее время выделяются такие виды анодирования в зависимости от используемых материалов, как:

Анодирование алюминия

Данный процесс сегодня встречается чаще всего. Он заключается в покрытии оксидной пленкой алюминиевого материала. Алюминий в процессе опускается в кислую среду, и к нему проводится положительный плюс источника тока. В результате на материале появляется тонкая оксидная пленка.

Анодирование титана

Всем известно, что титан относится к категории металлов, которые нашли широкое применение в промышленности, но они обладают низким уровнем износостойкости. Для придания ему прочности и устойчивости к разным условиям окружающей среды применяется процедура анодирования. При этом вся анодная обработка металла осуществляется в кислой среде при температуре от 40 до 50 градусов Цельсия.

Анодирование стали

Анодирование стали является сложным процессом. Для этого используется либо щелочная среда, либо кислая. В результате образуется оксидная пленка, которая придает высокий уровень прочности.

Анодирование меди

Медь является достаточно гибким видом металла. Для придания ей прочности используются различные методы. Одним из них является анодирование. Благодаря помещению медного материала в кислую среду, на поверхности образуется плотная пленка оксида, которая придает материалу большое количество полезных характеристик.

Таблица. Таблица совместимости металлов и сплавов

Материал Алюминий Бронза Дюраль Латунь Медь Никель Олово Оловянно-свинцовый сплав (припой ПОС) Сталь нелегиро-ванная (углеро-дистая) / чугун Хром Цинк
Алюминий Совм Не совм Совм Не совм Не совм Не совм Не совм Не совм Совм Не совм Совм
Бронза Не совм Совм Не совм Совм Совм Совм Пайка Пайка Не совм Совм Не совм
Дюралюминий Совм Не совм Совм Не совм Не совм Не совм Не совм Не совм Совм Не совм Совм
Латунь Не совм Совм Не совм Совм Совм Совм Пайка Пайка Не совм Совм Не совм
Медь Не совм Совм Не совм Совм Совм Совм Пайка Пайка Не совм Совм Не совм
Никель Не совм Совм Не совм Совм Совм Совм Пайка Пайка Совм нет данных Совм
Олово Не совм Пайка Не совм Пайка Пайка II Совм Совм Совм нет данных Совм
Оловянно-свинцовый сплав

(припой ПОС)

Не совм Пайка Не совм Пайка Пайка Пайка Совм Совм Совм нет данных Совм
Сталь нелегированная (углеродистая)/ чугун Совм Не совм Совм Не совм Не совм Совм Совм Совм Совм Совм Совм
Хром Не совм Совм Не совм Совм Совм нет данных нет данных нет данных Совм Совм Совм
Цинк Совм Не совм Совм Не совм Не совм Совм Совм Совм Совм Совм Совм

Заключение

Применение тонких пленок кристаллической Al2O3 позволяет получить покрытия с совершенно новыми свойствами. Речь идет о том, что большинство металлических деталей и конструкций, и даже отдельные виды пластика можно обеспечить практически «вечными» покрытиями. Даже если вследствие удара или скола пленка будет повреждена, ее вполне можно восстановить с помощью простейшей процедуры. Пока что окисленный металл обходится дороже краски, поэтому используется, как декоративный материал и способ защитить металлическую поверхность в экстремальных условиях эксплуатации.