Свойства анодированного алюминия

Свойства анодированного алюминия

В прошлой статье были рассмотрены основные характеристики анодирования алюминия, принципы процесса и основные электролиты анодирования, получение цветных (декоративных) и функциональных оксидных пленок. Рассмотрим свойства анодированного алюминия: механические (эластичность и твердость, износостойкость), оптические, тепловые, электрические и химические свойства.

Содержание:

  1. Толщина анодно-оксидных покрытий.
  2. Плотность покрытий.
  3. Прочность, эластичность и твердость анодных пленок.
  4. Износостойкость поверхности деталей после анодирования.
  5. Оптические свойства анодных пленок.
  6. Теплостойкость.
  7. Электрические свойства – пробивное напряжение анодных покрытий.
  8. Химические свойства – коррозионная стойкость анодных покрытий.

Толщина анодно-оксидных покрытий

Все анодно-окисные пленки на алюминии имеют тонкий и твердый барьерный слой, примыкающий к основному металлу. Адгезионные свойства пленки не рассматриваются, т. к. окисные пленки на алюминии образуются из основного металла. При использовании нерастворяющих электролитов, содержащих борную кислоту, виннокислый аммоний, борат аммония (так называемых электролитов барьерного типа) образуется только этот барьерный слой, который имеет толщину в нанометрах, которая ориентировочно равна напряжению при анодировании с коэффициентом 1,4. Если используются электролиты, растворяющие алюминий, то толщина пленки значительно больше и может достигать 0,38 мм. При использовании обычного режима оксидирования в серной кислоте толщина покрытий максимально 25 мкм, обычный режим и хромовый электролит позволяют получать пленки до 5 мкм.

Цветное анодирование алюминия

Плотность покрытий

Применение нерастворяющих электролитов анодирования позволяет получать барьерный слой с высокой плотностью, который достигает значений в 3,2 г/см3. Растворяющие электролиты дают пленки меньшей плотности – от 2,9 до 3,0 г/см3. Повышение температуры процесса анодирования и повышение концентрации растворов электролитов снижают плотность оксидных пленок на алюминии, что объясняется повышенным размером пор пленки. Минимальная, регламентируемая плотность покрытия составляет примерно 1,5 г/см3.

Прочность, эластичность и твердость анодных пленок

Наибольшее влияние на свойства анодного покрытия оказывает режим работы ванн анодирования (режим процесса). Рассмотрим, как изменяются свойства покрытий в зависимости от основных характеристик процесса:

  1. Повышение температуры раствора и кислотности электролита (быстрое увеличение скорости растворения металла в процессе) – увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности покрытия, снижение защитной способности.
  2. Повышение плотности тока (уменьшение скорости растворения металла при перемешивании раствора) – механические свойства покрытия зависят от температурного режима и степени перемешивания, защитная способность покрытий увеличивается.
  3. Увеличение продолжительности процесса (увеличение скорости растворения металла в процессе) – незначительное увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности, повышение защитных свойств.
  4. Использование переменного тока (скорость растворения металла не меняется) - увеличение мягкости, эластичности и поглощающей способности, снижение защитных свойств анодного покрытия.

Прочность анодированного алюминия

Прочность и пластичность анодных пленок не отличается от характеристик основного металла, что нельзя сказать об усталостной прочности – при получении твердого анодного покрытия сопротивление усталости может быть снижено до 50%. Для нивелирования данного эффекта изделия обрабатывают в 5%-ном кипящем растворе бихромата калия в течение 10-15 минут, при этом основные характеристики анодной пленки не изменяются.

Эластичность и твердость

Как показано выше, твердость и эластичность анодного покрытия в значительной степени зависит от режима работы ванны анодирования. Характеристики эластичности и твердости не измеряются непосредственно, покрытие считаются гибкими (при условии, если поверхность изделия не имела дефектов в виде волосяных трещин), однако изделия нельзя непрерывно деформировать без повреждения пленки. При использовании переменного тока анодные пленки получаются более эластичными, соответственно снижается прочность покрытий. Использование хромовой кислоты также увеличивает степень эластичности пленки. В числовом выражении эластичность можно выразить в степени максимального удлинения металла до образования волосяных трещин (микротрещин), даже при использовании наиболее благоприятного режима процесса и хромового электролита данная величина составит не более 0,3%. На острых углах возможно растрескивание пленки, что оказывает существенное влияние на защитные свойства пленки, в частности на коррозионную защиту. Твердость по шкале Маха анодной пленки составляет 7-9, что значительно ниже, покрытия хромом, полученного гальваническим методом.

Износостойкость поверхности деталей после анодирования

Для оценки износостойкости покрытий используется понятие удельного сопротивления к истиранию, которое характеризуется соотношением износостойкости покрытия к его толщине. Износостойкость напрямую зависит от твердости покрытия и его толщины. Наружный слой покрытия имеет меньшую твердость и износостойкость, что характерно не только для анодных покрытий. При использовании растворяющих электролитов (сернокислого электролита) удельное сопротивление анодной пленки к истиранию увеличивается при повышении напряжения в процессе анодирования. Твердые анодные покрытия имеют в 2-3 раза более высокое удельное сопротивление к истиранию по сравнению с обычными пленками. Существуют различные методы определения износостойкости покрытий, например, регламентирован метод испытания износостойкости поверхности металла при воздействии воздушной струи с абразивом в контролируемом режиме.

Влияние режима анодирования на износостойкость анодных покрытий.

Режим анодирования

Средняя износостойкость, г.

Толщина покрытия, мкм

Удельное сопротивление к истиранию, г/мкм

Хромовая кислота

166

5

33

Серная кислота (3,3 н.); 20 мин; 210С; 1,5 а/дм2

388

10

39

Серная кислота (7,5 н.); 20 мин; 210С; 1,5 а/дм2

200

10

20

Серная кислота (3,3 н.); 20 мин; 15,50С; 1,5 а/дм2

563

10

56

 

Оптические свойства анодных пленок

Для того, чтобы дать оценку оптическим свойствам анодных покрытий сравним их со свойствами различных гальванических покрытий и полированной нержавеющей стали. Регламентируют три характеристики отражающей способности – полная, зеркальная (измеряются в % отражения падающего света) и диффузная.

Полная отражающая способность анодной пленки на алюминии после полирования достигает 90%, что ниже только данного значения у посеребренной латуни (98%), но выше чем у хромированной латуни (65%) и полированной нержавеющей стали (60%). С увеличением толщины анодной пленки полная отражающая способность снижается, поэтому в производстве регламентируют толщину пленки, с учетом необходимой защитной способности.

Производство зеркальных покрытий -  это отдельное направление и там на отражающую способность влияет прежде всего чистота сплава – получение максимальной отражающей способности (99,9%) возможно при использовании сплавов наивысшей чистоты (99,9% Al), покрытия толщиной до 2 мкм и зеркальной полировки. При этом диффузная отражающая способность имеет минимальные значения.

Если в результате обработки планируется получить матовую поверхность (пленку с диффузной отражающей способностью), в качестве электролита используют раствор фосфорной и серной кислот для яркого травления.

Блестящие анодированные покрытия на алюминии получили широкое распространение при изготовлении автомобильных деталей. Поверхность анодированного алюминиевого сплава, после глянцевания по своим декоративным качествам схожа с поверхностью деталей после гальванического хромирования. Например, алюминиевые автомобильные диски с помощью анодирования могут быть не только окрашены в различные цвета, но и приобрести внешний вид хромированных, что наряду с повышением функциональных качеств обеспечивает исключительные декоративные свойства.

Анодирование алюминиевых автомобильных дисков

Теплостойкость

Теплостойкость анодных покрытий характеризуется температурой плавления оксида алюминия, которая составляет 20500С, что значительно превосходит температуру плавления чистого алюминия или его сплавов. При повышении температуры оксидные пленки не отслаиваются, но при повышении температуры до 1000С возможно растрескивание покрытия, что связано с тем, что коэффициент теплового расширения оксидной пленки около 20% от коэффициента расширения основного металла. Растрескивание оксидной пленки оказывает негативное влияние на коррозионно-защитные свойства покрытий и в некоторой степени ухудшает декоративные качества. Растрескивание покрытий, полученных при использовании хромового электролита значительно ниже, чем покрытий, полученных в серной кислоте. При повышении температуры до 4000С начинается процесс дегидратации уплотненных покрытий.

Такие характеристики как тепловое излучение и отражательная способность также находятся в прямой зависимости от характеристик оксидного слоя. Способность излучать тепло для чистого алюминия незначительная, возрастает по мере увеличения толщины оксидного слоя, и при 4000С алюминий с толстым оксидным слоем способен излучать тепло с интенсивностью более 70% от излучения абсолютно черного тела, а при рабочей температуре водных и паровых реакторов данная характеристика приближается к 100%. Для увеличения способности алюминиевого изделия отражать тепло толщина оксидной пленки должна быть минимальной и в тоже время в достаточной степени обеспечивать защиту поверхности детали от потускнения. При толщине 0,85 мкм оксидная пленка практически не задерживает ИК излучение и полированная поверхность основного металла отражает до 95% излучения. Очевидно, что отражательная способность в значительной степени зависит от чистоты поверхности материала до анодирования – полированная поверхность с высоким классом чистоты будет отражать тепло эффективнее.

Электрические свойства – пробивное напряжение анодных покрытий

Пробивное напряжение анодных покрытий зависит от характеристик основного металла – сорта алюминия, чистоты поверхности, наличия легирующих компонентов. Также оказывает влияние толщина и текстура оксидного слоя. На покрытиях большой толщины с дополнительным покрытием лаком возможно получение пробивного напряжения более 2 тыс. вольт. На практике, в большинстве случаях такие высокие значения не требуются. Для покрытий, получаемых методом непрерывного анодирования (проволоки, полос) при толщине всего 5-8 мкм достигается пробивное напряжение между витками или совмещенными пластинами в 250 вольт, причем эта значение не изменяется при нагреве до 5000С. Растрескивание оксидного слоя при изгибе или повышении температуры не оказывает значительного влияния на характеристику пробивного напряжения (в сухих условиях эксплуатации).

Химические свойства – коррозионная стойкость анодных покрытий

Коррозионная стойкость является важнейшей функциональной характеристикой любого покрытия -  нанесенного гальваническим, химическим или другими способами. Для изделий из анодированного алюминия десятилетний срок службы без потери декоративных качеств обычная практика и является гарантийным. При регулярном обслуживании алюминиевых конструкций, очистки их от атмосферных отложений срок службы может быть увеличен в два три раза.  Основные характеристики анодного покрытия, влияющие на коррозионную стойкость это его толщина и эффективность уплотнения. Нормативные документы регламентируют толщину покрытий в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации. ГОСТ 9.031-74 регламентирует толщину следующим образом: 9-15 мкм для бытовой эксплуатации, 21 мкм эксплуатация в промышленной среде, 25 мкм эксплуатация в агрессивных условиях.

Неточное соблюдение основных параметров процесса анодирования алюминия может в значительной степени снизить коррозионную стойкость. Например, неэффективный отвод тепла от поверхности изделия (при недостаточным перемешиванием электролита) в процессе анодирования приводит к образованию мягкого наружного слоя, что по мнению специалистов может оказать влияние на защитные свойства.

Возможно Вас заинтересуют статьи:

 

 

 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить