Анодное оксидирование металлов

Реферат
  • Анодное оксидирование (анодирование, анодное окисление) — процесс создания оксидной плёнки на поверхности некоторых металлов и сплавов путём их анодной поляризации в проводящей среде. Пленка защищает изделие от коррозии, обладает электроизоляционными свойствами, служит хорошим основанием для лакокрасочных покрытий, используется в декоративных целях. За счет образования анодного оксида изменяются поверхностные свойства материала: твердость, электрическое сопротивление, термостойкость, износостойкость, каталитическая активность и др. Анодное оксидирование относится к анодным методам электрохимической обработки металлов. Технология анодирования широко используется для алюминия, титана, тантала, ниобия, кремния, германия, арсенида галлия. Применяют ее в самолёто-, ракето- и приборостроении, радиоэлектронике и др.
  • анодирование межэлектродный алюминий оксидирование
  • Рис. 3

    Наиболее распространенный электролит при анодировании алюминия — водный раствор серной кислоты. Катод выполняют из свинца, графита или коррозионно-стойкой стали. В отличие от других электролитических процессов анод не растворяется, а кислород почти не выделяется, большая часть кислорода соединяется с алюминием и образует слой пористого оксидного алюминия. Водород выделяется на катоде. Масса образованного оксида алюминия прямо пропорциональна плотности тока и времени его прохождения, т.е. количеству потребленного электрического тока. Образование анодного покрытия зависит от химического состава анодирующего электролита и выбранного режима электролиза.

    На основе данных электронной микроскопии установлено, что анодные оксиды состоят из двух слоев: прилежащего к металлу сплошного тонкого слоя, называемого барьерным, и внешнего пористого слоя значительной толщины (100 мкм и более).

    На этой основе были созданы так называемые физико-геометрические представления (рис. 3) об идеальной модели пористой анодной пленки. Согласно высказанным предположениям, рост анодной пленки сводится к росту барьерного слоя и для алюминия может быть представлен как следствие взаимной диффузии ионов А1 3+ и О2- под пленкой образуется новый слой А12 03 . Образовавшаяся пленка взаимодействует с электролитом и частично растворяется.

    При этом считается, что на металле вначале образуется беспористый барьерный оксидный слой. Его началом служат линзообразные микроячейки, срастающиеся в процессе окисления металла в сплошной слой оксида. Анодный оксид представляет собой плотно упакованные ячейки, которые направлены перпендикулярно к поверхности металла и параллельны друг другу. Поры возникают в центре ячеек в виде цилиндрических каналов. Их основанием служит беспористый барьерный слой. Рост анодного оксида происходит под барьерным слоем за счет удлинения поры ячейки от подтравливающего действия электролита. Полусферическая форма дна растущей ячейки при этом сохраняется. Оксидированный алюминий и его сплавы окрашивают в растворах органических красителей или неорганических солей с целью получения поверхности разнообразной цветной гаммы и дополнительного повышения коррозионной стойкости.

    11 стр., 5368 слов

    Технологические основы производства цветных металлов: меди, алюминия, ...

    ... в цветных металлах удовлетворялась преимущественно путём импорта. За годы индустриализации у нас в стране не только увеличено производство меди, ... олово для повышения сопротивления коррозии в морской воде, алюминий и никель для повышения механических свойств. Диаграмма состояния ... в отражательных или электрических печах. Восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Сульфиды меди и железа ...

    Анодные оксидные пленки на алюминии и его сплавах, как отмечалось весьма пористы. При окрашивании пористость несколько уменьшается. Однако длительность процесса окрашивания невелика и полного сужения или их герметизации не происходит. Кроме того, светостойкость окрашенных пористых пленок низка и требуется дополнительная защита, для чего после нанесения пленки и ее окрашивания производят операцию уплотнения пленки. При уплотнении изменяется структура пленки и поры закрываются. Повышаются защитные свойства пленки, ее светостойкость, т.к. адсорбированный при окрашивании пленки краситель предохраняется от атмосферного воздействия кислорода воздуха и влаги. Уплотнения производят в кипящей воде, пропиткой маслами, воском, парафином и т.д.

    3. Оборудование и приспособления

    При больших производственных программах целесообразно применение кареточных линий с жестким циклом или автооператорных линий с программным управлением.

    При единичном производстве ванны хромовокислого анодирования могут быть изготовлены из коррозионно-стойкой стали. Для остальных электролитов рекомендуется винипластовое или свинцовое внутреннее покрытие. Ванны могут быть также выполнены из керамики или кислотостойкого бетона. Стенки ванны не следует использовать в качестве катодов, так как они могут или разрушаться, или на них могут восстанавливаться металлы. Кроме того, получение равномерных покрытий на деталях заданной конфигурации, как правило, требует подбора формы катода. При хромовокислом анодировании часто применяют катоды из коррозионно-стойкой стали; при анодировании в сернокислом электролите катоды обычно выполняют из свинца; при анодировании в щавелевокислом электролите катоды делают из стали, свинца или угля. Ванны для эматалирования в хромово-борных электролитах также целесообразно выполнять из коррозионно-стойкой листовой стали. Во всех случаях при изготовлении ванн и катодов целесообразно применение не обычной листовой, а коррозионно-стойкой стали, например, 12Х18Н9Т. Толстослойное анодирование обычно выполняют при температурах электролита ниже 0 °С с применением внутреннего охлаждения детали и энергичного перемешивания электролита. Для снижения температуры электролита иногда применяют замкнутую систему с баком-охладителем, куда электролит перекачивают кислотостойким насосом.

    При формировании оксидов толщиной свыше 150 мм обязательно применение внутреннего охлаждения детали, так как обычными методами не обеспечивается эффективное охлаждение электролита в основании пор пленки. При получении оксидов умеренной толщины (50—70 мкм) достаточно охлаждения ванны проточной холодной водой.

    6 стр., 2709 слов

    Электрофизические методы обработки материалов

    ... поверхностью высокого класса, удаление деформированного слоя, снятие заусенцев. В настоящее время для решения вышеперечисленных технологических задач нашли широкое применение электрофизические методы обработки, ... металлов удаляется с поверхности либо гидравлическим потоком электролита, ... ванну ... стали и чугуна. В качестве жидкости используются керосин или трансформаторное масло. При электроискровом методе ...

    В процессе анодирования выделяются газы, которые захватывают частицы электролита, вредные для организма человека.

    В целях уменьшения воздействия вредных испарений ванны должны быть снабжены бортовыми отсосами, присоединенными к вентилятору необходимой мощности.

    Во избежание местных перегревов электролит в ванне должен перемешиваться. Для ванн небольшого размера это можно осуществлять механической мешалкой. Лучшие результаты дает перемешивание электролита сжатым воздухом, для чего на дне ванны укладывают перфорированные трубки из винипласта, подключенные к компрессору.

    Токоподводящие штанги должны быть рассчитаны на максимальный рабочий ток. Их выполняют из меди или коррозионно-стойкой стали и крепят на изоляторах из фарфора или текстолита. Детали закрепляют на подвесных приспособлениях, изготовляемых обычно из алюминия или титана. Приспособления должны обладать достаточной прочностью и упругостью контактов; они должны быть сконструированы так, чтобы предотвратить утечку тока через нерабочие поверхности. Контакты приспособлений следует систематически очищать механическим или химическим методом. С этой точки зрения значительны преимущества приспособлений из титана, которые при сернокислотном анодировании не нуждаются в зачистке. Использование приспособлений, не обеспечивающих допустимую силу тока в зоне контакта, приводит к неисправимому браку «прижогам» — местным выплавлениям металла в местах повышенной плотности тока.

    Для массового покрытия мелких деталей применяют алюминиевые стаканы с большим количеством отверстий. Детали засыпают в стакан иногда вместе с алюминиевой стружкой для лучшего электрического контакта.

    Участки деталей и приспособлений, не подлежащие покрытию, изолируют полимерными и лакокрасочными материалами. Так, например, лаки перхлорвиниловые ХВЛ-21, ХСА и эмали ХСЭ-23. ХСЭ-26 пригодны для изоляции практически во всех средах. Для изоляции деталей простой конфигурации применяют пленочные материалы: поливинилхлорид, фторопласт, некоторые сорта резин и др. Одним из необходимых условий при выборе защитных покрытий является простота его нанесения и съема.

    Последовательность технологических операций подготовки поверхности под анодирование определяется исходным состоянием поверхности, требуемой шероховатостью поверхности, имеющимся оборудованием и материалами.

    Все подготовительные операции делят на четыре группы:

    1) предварительная обработка (грубая очистка, грубое травление, обдувка кварцевой крошкой и дробью);

    • основная обработка (галтовка, кварцевание, гидропескоструйная обработка, шлифование, травление);
    • окончательная обработка (полирование механическое, химическое, электрохимическое);
    • очистка (обезжиривание химическое, электрохимическое;
    • ультразвуковая очистка;
    • удаление пассивной пленки).

    Предварительная обработка.

    Обычно операциям предварительной обработки подвергают детали, изготовленные методом литья, когда необходимо удалить остатки формовочной смеси, литейной корки, грубых поверхностных дефектов.

    Операции предварительной обработки обеспечивают параметр шероховатости поверхности R z ? 80 мкм.

    6 стр., 2855 слов

    ОБРАБОТКА ШПОНОЧНЫХ КАНАВОК И ШЛИЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

    ... рабочего хода протяжки в в м/мин; i — число проходов. 2. Обработка шлицевых поверхностей В шлицевых соединениях сопряженные детали центрируются тремя способами: 1) центрированием втулки (или зубчатого колеса) по наружномудиаметру ...

    Основная обработка

    На стадии основной обработки деталь приобретает размеры, близкие к заданным. Часто для деталей со сравнительно гладкой поверхностью обработка начинается с этих операций.

    Гидропескоструйную и дробеструйную обработку выполняют воздействием на поверхность струи песка или дроби. Диаметр зерен песка обычно составляет 0,1—0,3 мм, давление сжатого воздуха 0,1 — 0,5 МПа. В последнее время пескоструйная обработка практически полностью заменена гидропескоструйной.

    Небольшие заусенцы и травильный шлам удаляют с поверхности изделий кварцеванием щетками из стальной или латунной проволоки диаметром от 0,05 до 0,5 мм на станках или вручную. Линейная скорость рабочей части щетки обычно не превышает 1000 м/мин. Иногда кварцевание проводят с применением смачивающей жидкости (воды, содовых или мыльных растворов).

    При галтовке обрабатываемые детали загружают во вращающийся барабан или колокол. Вместе с деталями загружают полирующие элементы (стальные шарики или цилиндрики, речной песок, фарфоровый бой и т. д.).

    Детали обрабатываются в результате взаимного трения о полирующие элементы. При сухой галтовке в качестве полирующих материалов применяют древесные опилки несмолистых пород деревьев. Мокрую галтовку часто проводят с применением обессоленной воды, в которую добавлено 3—5 г/л хозяйственного мыла. Ее также можно совмещать с процессами травления и обезжиривания. Для этого применяют обычные травильные и обезжиривающие сильно разбавленные растворы.

    Разновидностью галтовки является виброгалтовка. Особенностью этого метода является то, что детали, абразив и наполнитель загружаются в барабан, которому сообщают колебания переменной частоты и амплитуды.

    Виброгалтовку следует применять для обработки мелких легкодеформируемых деталей, а также когда требуется обеспечить высокостабильную точность съема металла.

    Шлифование — абразивная обработка, при которой инструмент совершает только вращательное движение, которое является главным движением резания, а заготовка — любое движение.

    Для обработки мягких и вязких материалов (пластмасс, цветных металлов и других) применяют сферокорунд. В процессе шлифования его сферические зерна разрушаются, образуя острые режущие кромки, что обеспечивает высокопроизводительную обработку при малом выделении теплоты.

    Для охлаждения деталей, уменьшения трения и удаления продуктов шлифования применяют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) — эмульсии и масла.

    Для шлифования часто используют эластичные круги из войлока, фетра, сукна, кожи и других материалов Окончательное шлифование выполняют на засаленных кругах. Для этого круг с мелким абразивным зерном покрывают тонким слоем парафина, сала или специальными пастами.

    Декоративное и подготовительное травление, как правило, также входит в состав операций основной подготовки. В процессе травления поверхность приобретает серебристый цвет; с нее удаляются некоторые мелкие дефекты. На этом этапе изменение размеров детали составляет несколько микрометров.

    Окончательная обработка

    На операциях окончательной обработки изделие приобретает необходимый декоративный вид, а его поверхность зеркальный блеск. Эти операции включают в себя полирование механическое, химическое, электрохимическое и хонингование.

    Полирование и хонингование осуществляют для изменения толщины и микрогеометрии толстослойного анодного покрытия, для доводки его размеров и придания ему зеркального блеска.

    3 стр., 1243 слов

    Электрический ток в металлах

    ... металл; b - сверхпроводник Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в ...

    Механическое полирование металлических поверхностей (в том случае, когда не предъявляются жесткие требования к качеству поверхности) обычно выполняют полировальными кругами, которые изготовляют из сукна, войлока, фетра, ткани, дерева, кожи, синтетических материалов или плотной бумаги.

    При полировании сплавов алюминия необходимо следить, чтобы поверхность металла не перегревалась. При местных перегревах возможно окисление металла или внедрение компонентов пасты в поверхностный слой. Для снижения температуры нагрева деталей из алюминия снижают давление на круг, окружную скорость круга или полируют, используя взвесь:250—300г оксида алюминия и 15—25 г технического мыла на 1 л воды. Окружная скорость круга для полирования алюминия обычно не превышает 25 м/с.

    Хонингование с применением СОЖ применяют для обработки деталей сложной конфигурации. Для этого смесь воды или пара и оксида алюминия подают под давлением несколько атмосфер на обрабатываемую поверхность.

    Электрохимическое полирование позволяет получать изделия с высоким качеством обработки поверхности; при этом удаляется поверхностный слой,

    содержащий инородные включения и скрытые дефекты. Для электрохимического полирования характерна меньшая трудоемкость, чем для механического полирования. Этот вид обработки ведется в гальванических ваннах и легко поддается автоматизации. Съем металла при электрохимическом полировании незначителен и составляет несколько микрометров.

    При обработке алюминиевых сплавов решающее значение дли чистоты обработки и отражающей способности имеют химический состав и структура металла. Особенно большое влияние на качество поверхности оказывают нерастворимые при полировании примеси кремния. Для получения высокого качества поверхности при электрохимическом полировании требуется тщательная предварительная подготовка, так как царапины и другие дефекты при этом методе обработки не уничтожаются.

    В качестве катода для электрохимического полирования алюминия применяют пластины из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9Т или алюминия; для обработки стали — из свинца или коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9Т; для обработки меди и ее сплавов — из свинца или меди.

    Химическое полирование ведут без применения источников тока. Этот метод пригоден для полирования деталей сложной конфигурации и больших размеров; производительность процесса высокая.

    Обезжиривание и очистка деталей.

    Химическое обезжиривание.

    Задачей химического обезжиривания является удаление с поверхности деталей жиров органического и минерального происхождения. Органические жиры остаются на детали после применения полировальных паст с олеином, стеарином или от соприкосновения с руками человека. Минеральные масла остаются от консервирующих смазочных материалов или попадают на металл в процессе механической обработки. В процессе химического обезжиривания удаляются также мелкие твердые загрязнения, удерживаемые на поверхности жировой пленкой. Пленки минеральных жиров обычно удаляются в органических растворителях; жировые загрязнения животного и растительного происхождения — в щелочных растворах.

    15 стр., 7053 слов

    Алюминий и его сплавы. Особенности получения отливок

    ... и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту. С остальными кислотами алюминий ... применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров). Бор ...

    Электрохимическое обезжиривание.

    Более эффективным, чем химическое обезжиривание, является электрохимическое обезжиривание. Оно заключается в том, что очищаемые детали выполняют функцию одного из электродов гальванической ванны; функцию второго электрода обычно выполняют листы из коррозионно-стойкой стали. Процесс интенсифицируется в результате того, что на электроде выделяются пузырьки водорода (при катодном обезжиривании) или кислорода (при анодном обезжиривании), которые способствуют разрушению жировой пленки.

    Электрохимическое обезжиривание часто проводят после предварительного химического обезжиривания. Эффективность электрохимического обезжиривания деталей сложной конфигурации обычно невысока (из-за перераспределения плотности тока).

    Ультразвуковая очистка.

    Воздействие ультразвуковыми механическими колебаниями вызывает интенсификацию физико-химических процессов в жидких средах. Экономический эффект от применения этого метода заключается в том, что для очистки могут быть применены растворы с меньшей концентрацией и температурой при резком увеличении скорости процесса. Особенно эффективно применение ультразвуковой очистки для массовой обработки деталей малых размеров и сложной конфигурации.

    Формирование оксидной пленки происходит при анодной обработке металла в горячем щелочном растворе. Электролит отличается низкой стоимостью и стабильностью при эксплуатации. Хотя электрохимический способ оксидирования более трудоемок, учитывая высокое качество получаемых при такой обработке оксидных пленок и возможность оксидирования различных медных сплавов, его следует шире использовать в промышленности.

    Анодное оксидирование меди и ее сплавов ведут в электролите, содержащем 150-200 г/л NaOH при 80-100 °С, анодной плотности тока 0,8-2,0 А/дм 2 и продолжительности процесса 10-30 мин. На окончание процесса оксидирования указывает появление пузырьков газа у обрабатываемых деталей или резкое повышение напряжения на ванне.

    Рассматривая влияние условий электролиза на качество получаемых пленок, можно отметить следующее. С повышением плотности тока возрастает число возникающих на поверхности металла кристаллических зародышей окиси меди. При этом создаются условия для повышения скорости формирования пленки, но толщина ее будет небольшой, так как смыкание кристаллических зародышей окисла происходит быстрее, чем увеличение их толщины. Для получения плотной пленки возможно большей толщины целесообразно начинать процесс при меньшей плотности тока — 0,1-0,5 А/дм 2 и через небольшое время повышать ее до 0,8-1,5 А/дм2 . Напряжение источника тока 6 В.

    [Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/oksidirovanie-metallov/

    При повышении температуры электролита расширяется диапазон плотностей тока, при которых получаются оксидные пленки черного цвета, но увеличивается скорость растворения металла. Понижение температуры ниже 55 °С приводит к формированию слегка рыхлых пленок с зеленоватой окраской.

    С понижением концентрации щелочи в растворе уменьшается толщина формирующейся пленки, сужается область плотностей тока, при которых получаются доброкачественные покрытия, ухудшается рассеивающая способность ванны. Превышение оптимальной концентрации щелочи сопровождается получением рыхлого оксидного слоя, снижением прочности сцепления его с металлом. Указанные обстоятельства свидетельствуют о необходимости соблюдать оптимальные условия электрохимического оксидирования, которые указаны выше. Свежеприготовленный электролит прорабатывают с медными анодами до появления светло-голубой окраски раствора. Контроль и корректирование его сводятся к определению щелочности и периодическому добавлению NaOH.

    5 стр., 2468 слов

    Алюминий и его применение

    ... воздушной среде он быстро покрывается окисной пленкой, которая защищает его от коррозии. Алюминий химически стоек против азотной и органических кислот, но разрушается щелочами, а также ... многих окислительных средах. Причиной такого поведения является наличие непрерывной окисной плёнки на поверхности алюминия, которая немедленно образуется вновь на зачищенных участках при воздействии кислорода, ...

    Если в щелочном электролите не удается достигнуть интенсивно черной окраски оксидной пленки, то целесообразно добавить в него 0,1-0,3 % молибденовокислого аммония или молибденовокислого натрия; фосфористую бронзу лучше оксидировать в электролите, содержащем (г/л): 400NaOH, 50К 2 Сг2 07 , 10(NH2 )2 MoO4 , температура электролита 80-100 °С, анодная плотность тока 2-4 А/дм .

    При анодном оксидировании детали загружают в ванну на медных подвесных приспособлениях, которые должны обеспечить надежный электрический контакт с деталями и анодной штангой. В качестве катодов можно использовать сталь или никель. Соотношение поверхностей катода и анода 5:1 -10:1, расстояние между электродами 80-100 мм. Выгрузку оксидированных деталей из ванны проводят под током. Если на поверхности деталей остался рыхлый налет, его удаляют влажной волосяной щеткой. После тщательной промывки детали сушат при 90-100 °С. Для повышения защитной способности оксидной пленки ее пропитывают минеральным маслом или покрывают бесцветным лаком.

    Для анодного оксидирования кадмия применяют раствор, содержащий 25 г/л гидроксида калия и 50 г/л карбоната натрия. Обработку ведут в течение 2-3 мин при комнатной температуре и плотности тока 5-7 А/дм 2 . Получаемые таким способом оксидные покрытия имеют белую окраску.

    Оксидные пленки на цинке и кадмии не могут служить надежной защитой изделий от коррозии. Для повышения защитной способности рекомендуется покрывать их бесцветным лаком или пропитывать минеральным маслом, содержащим добавку ингибитора коррозии, например индустриальным маслом с добавкой ингибитора АКОР-1.

    Титан и его сплавы отличаются низкой износостойкостью, что затрудняет их применение для деталей, работающих в условиях фрикционного износа. В резьбовых соединениях наблюдается задирание и наволакивание металла. Титан недостаточно устойчив в некоторых химических средах (растворы серной, соляной, фосфорной кислот).

    Для устранения этих недостатков рекомендуется применять оксидные покрытия. Тонкие оксидные пленки улучшают фрикционные свойства, повышают химическую стойкость металла, изменяют окраску его поверхности. Пленки повышенной толщины обладают хорошей адсорбционной способностью.

    Оксидирование проводится анодной обработкой деталей в растворах серной, щавелевой, фосфорной, хромовой кислот или их смесей, иногда с добавками других компонентов. Оксидные пленки черного цвета, повышающие стойкость титана в 40 %-ной H 2 SO4 , могут быть получены анодной обработкой его в 18 %-ном растворе H2 SO4 по следующему режиму: температура электролита 80 °С, плотность тока 0,5 А/дм2 , продолжительность обработки до 8 ч. Толщина получаемых при этом пленок около 2,5 мкм. Оксидные пленки толщиной около 1 мкм получаются при электролизе в течение 2 ч при 100 °С и плотности тока 1 А/дм .

    7 стр., 3246 слов

    Алюминий и основные его соединения

    ... алюминия – соединение амфотерное, т.е. обладающее одновременно основными и кислотными свойствами. Поэтому оксид, а также его гидроксиды растворяются как в кислотах, так и в щелочах. При растворении гидроксида алюминия в кислотах ... 2NaOH + 2H 2 O = 2NaAlO2 + 3H2 ↑. 4. Лишённый оксидной плёнки алюминий легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением водорода: 2Al + 6HCl (разб.) = 2AlCl3 + 3H2 ...

    Фрикционные свойства титановых деталей улучшаются, если на их поверхность нанесены оксидные пленки толщиной 0,2-0,3 мкм. Такие покрытия формируются в 5 %-ном растворе щавелевой кислоты. Электролиз ведут при 18-25 °С в течение 60 мин. Анодную плотность тока в начале процесса устанавливают I — 1,5 А/дм 2 и поддерживают постоянной в течение 5-10 мин, напряжение на ванне за это время повышается до 100-120 В. В дальнейшем плотность тока понижается до 0,2-0,3 А/дм2 . При эксплуатации в отсутствии смазки лучшие результаты показывают оксидные пленки, полученные при указанных условиях, за исключением температуры, которая должна быть понижена до 6-8 °С. Использование коллоидно-графитовой смазки еще больше повышает износостойкость оксидированной поверхности.

    Для получения оксидных пленок толщиной 20-40 мкм предложен электролит, содержащий (г/л) 350-400 H 2 SO4 и 60-65 HCl. Анодную обработку ведут при 40-50 °С; плотность тока ступенчато повышают через каждые 2-3 мин на 0,5 А/дм2 до напряжения пробоя, после которого устанавливается плотность тока 2-4 А/дм2 , при которой продолжают электролиз до получения пленки требуемой толщины.

    Цвет оксидных пленок зависит от состава титанового сплава и условий его анодирования. При обработке сплава ВТ-5 в 15 %-ном растворе H 2 SO4 с повышением температуры и напряжения на ванне окраска формируемых пленок изменяется от светло-коричневой до фиолетовой. Увеличение продолжительности электролиза также сказывается на окраске пленок. Меньшая зависимость окраски оксидных пленок от температуры электролита была выявлена для процесса оксидирования титана в растворе, содержащем (г/л) 140 СrОз и 4 Н33 Цвет пленки в данном случае изменялся с продолжительностью электролиза при постоянном напряжении или с величиной приложенного напряжения. Так, при обработке титана ВТ1-0 в течение 15 мин и повышении напряжения от 5 до 50 В цвет пленки сначала был бледно-коричневый, затем синевато-фиолетовый и потом золотисто-желтый. При постоянном напряжении 50 В и увеличении продолжительности электролиза от 1 до 15 мин цвет пленки изменялся от светло-голубого до золотисто-желтого.

    Оксидирование в хромово-борном электролите указанного состава ведут при 95-100 °С, напряжении 50-60 В в течение 2 ч. На титане ВТ-1 формируются оксидные пленки темно-коричневого цвета, на сплаве ОТ4-1 — черного цвета.

    Для получения на титане и его сплавах равномерно окрашенной пленки, отличающейся стойкостью против коррозии, предложено вести анодирование в разбавленном растворе гидроксида натрия при анодной плотности тока не выше 2,5 А/дм .

    Электрохимическое оксидирование резьбовых деталей из титановых сплавов можно проводить в импульсном режиме 2 , когда постоянный ток подается на ванну импульсами, чередующимися с перерывами тока. В зависимости от соотношения продолжительности периодов подачи и перерыва тока изменяются толщина и свойства формирующихся пленок. Для обработки сплавов ВТЗ-1, ВТ20, ВТ5-Л применяется электролит, содержащий 200-210 мл/л серной кислоты (плотность 1,84) и 10-20 мл/л фосфорной кислоты (плотность 1,7) при анодной плотности тока в импульсе 5-10 А/дм2 , длительности импульса 0,2 с, длительности перерыва тока 0,8 с, частоте 60 импульсов в секунду.

    7 стр., 3184 слов

    Алюминий и его свойства

    ... на смесь водой, алюминий также вспыхивает и сгорает белым пламенем. Алюминий легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах с образованием солей. Концентрированная азотная кислота, окисляя поверхность алюминия, способствует утолщению и упрочнению оксидной пленки ... в Англии алюминий – это aluminium, а в США – aluminum. Основные свойства алюминия По цвету чистый алюминий напоминает серебро, ...

    8. Анодное оксидирование алюминия и его сплавов

    Определяющими реакциями при анодном оксидировании алюминия и его сплавов в серной кислоте являются электрохимическое формирование оксида в барьерном слое и химическое растворение оксида при воздействии электролита.

    Формирование барьерного слоя наблюдается до сравнительно небольших толщин, после чего рост пленки практически прекращается. На практике невыгодно достигать предельных ее толщин, так как при этом скорость роста пленки замедляется, ухудшаются ее механические свойства, возрастают потери тока. Рост плотности тока возможен лишь в ограниченных пределах, выше которых отмечается перегрев анода и, как следствие, снижение толщины пленки. Наиболее действенным фактором для повышения предельных толщин является снижение температуры процесса, так как анодирование сопровождается значительным выделением тепла. Вблизи барьерного слоя температура поднимается выше 120 °С, а концентрация H 2 SO4 становится более 50%.

    Для получения толстых пленок анодирование проводят при охлаждении электролита (0-5 °С) и иногда деталей. Перемешивание электролита несколько улучшает условия электролиза, но не решает проблему получения пленок повышенной толщины. Концентрация серной кислоты влияет в меньшей степени на растворимость оксида алюминия по сравнению с температурой. Для анодного оксидирования алюминия и его сплавов наиболее распространены растворы серной кислоты. Электролиты выбирают в зависимости от назначения покрытий. Серную кислоту используют для получения пленок, предназначенных для последующей окраски в органических красителях.

    Электролит, состоящий из хромового технического ангидрида и серной кислоты и электролит из щавелевой кислоты и двухводной сульфосалициловой кислоты применяют для нанесения оксидных пленок на детали для сборки в узлах различных машин и изделий. В электролитах, состоящем из щавелевой и борной кислоты, и на основе ортофосфорной кислоты получают износостойкие оксидные пленки с повышенной твердостью. В электролите состоящего из хромового ангидрида, щавелевой и борной кислоты и электролите состоящего из хромового ангидрида, лимонной кислоты и щавелевокислого калия-титана оксидируют алюминиевые сплавы с различным содержанием меди.

    В растворе ортофосфорной кислоты оксидируют литейные сплавы алюминия перед нанесением металлических покрытий. Широко применяют растворы для получения пленок, обладающих электроизоляционными свойствами. Наиболее распространенными среди них являются электролиты на основе борной кислоты, содержащей борной кислоты 90-150 г/л, буры до 2,5 г/л; рН электролита 5,5. Режим электролиза: напряжение оксидирования 230-250 В; температура электролита 70-95 °С; время оксидирования 25-35 мин; толщина оксидной пленки 0,2-0,3 мкм.

    Для формирования антикоррозионных пленок используют хромовокислые и сернокислые растворы при наложении постоянного или переменного тока. Применение переменного тока в сернокислом электролите позволяет существенно увеличить производительность электролитов. Анодирование производится в растворе 12-16%-ной H 2 SO4 при температуре 12-20 °С, плотности тока на аноде Da = 3 ч 4,5 А/дм2, напряжении 18-28 В. Оксидные пленки, полученные при использовании переменного тока на деталях из алюминиевых сплавов и содержащих медь, имеют зеленоватый оттенок из-за осаждения меди.

    Для получения покрытий с повышенной износостойкостью применяют способ по которому скорость оксидирования выше в 4-10 раз по сравнению со стандартным режимом. Состав электролита — 16%-ный раствор H 2 SO4 , температура процесса 12-18 °С, начальная плотность тока 7-10 А/дм2. Для отвода теплоты электролит интенсивно перемешивается сжатым воздухом. Напряжение на электролите 22-30 В. После задания электрических параметров электролиза процесс протекает без регулирования режима с падающей мощностью. Этим способом получают качественные пленки толщиной до 50 мкм на деформируемых и литейных алюминиевых сплавах.

    Анодные оксидные пленки, обладающие повышенной твердостью, формируются в электролитах на основе серной и щавелевой кислот. Для получения твердых пленок большой толщины интенсивно охлаждают электролит и оксидируемые детали. Ускорение твердого анодирования достигается наложением переменного тока на постоянный. Успешно используют электролиты, содержащие серную и щавелевую кислоты. Так, в растворе, содержащем 12% H 2 SO4 и 1% (СООН)2 , получают на литейных сплавах алюминия, содержащих 3% Сu и 7% Si, твердый оксид при Da = 4 А/дм2, напряжении 10-60 В, температуре 10 °С со скоростью наращивания 5 мкм/мин. Благодаря применению переменного тока сохраняется качество предварительной подготовки перед оксидированием. Предварительная подготовка алюминия и его сплавов перед анодированием состоит в обработке резанием, химическом или электрохимическом полировании деталей.

    Декоративными и антикоррозионными свойствами обладают пленки, полученные эматалированием. Для этого применяют электролиты на основе кислот, растворяющих оксид, с добавками солей титана и циркония, а также полиспиртов в качестве пластификаторов. Эматалевые пленки получают в электролитах, содержащих % (маc. доля): двойной щавелевокислой соли калия и титана 5; лимонной кислоты 1,5; ортофосфорной кислоты 0,6; глюкозы 2. Режим: D a = 5 А/дм2, напряжение 110 В, температура 25 °С, ток переменный. Свойства анодных оксидных пленок определяются их пористостью, твердостью, износостойкостью, тепловыми, а также электроизоляционными и коррозионными характеристиками.

    Пористость оксидных пленок определяется объемом пустот, имеющихся в пленке, отнесенным к объему всей пленки. Общая пористость включает микропористость, обусловленную механизмом формирования пленки, и макропористость — трещины и механические разрушения. Она зависит от природы сплава, режима электролиза и состава электролита и колеблется для различных сплавов от 10 до 40%. Так, для толстых оксидных пленок, полученных на сплавах алюминия, содержащих медь, в серной кислоте, пористость чистого алюминия составляет 10%, сплава Д16 — 26%, бинарного сплава — 32%. Присутствие в сплаве Si, Mn и Mg незначительно сказывается на пористости, оставляя ее в пределах 10-15%.

    Твердость оксидных пленок зависит от концентрации электролита, температуры и плотности тока. С повышением концентрации и температуры электролита она снижается. Использование переменного тока и снижение его плотности уменьшает твердость анодного оксида. Оценка твердости для пленок толщиной более 5 мкм осуществляется методом измерения микротвердости. Для тонких пленок с меньшей точностью применяют метод царапания стекломером. Микротвердость анодных оксидных пленок меняется от 1,5Ч104 МПа на чистом алюминии до (2,5 ч 3,0) 103 МПа на технических сплавах.

    Износостойкость оксидных пленок (способность оказывать сопротивление истиранию) зависит от свойств пленок и условий их изнашивания — трение скольжения или воздействие твердых частиц. Полирование оксидированной поверхности снижает износ и коэффициент трения пленок. Маслоемкость оксида существенно уменьшает износ и в некоторых случаях доводит его до нуля. Теплоизоляционные свойства оксидированных алюминиевых сплавов выше по сравнению с неоксидированным металлом. Так, теплопроводность оксида алюминия равна 0,004-0,012 Дж/(см·с·°С), что в 200-500 раз ниже, чем у чистого алюминия. Коэффициент теплового излучения анодированной поверхности в 10 раз выше по сравнению с чистым металлом. Толстые пленки на алюминиевых сплавах обладают повышенной стойкостью против воздействия высоких температур. Поэтому оксидирование используют при изготовлении изложниц для разливки алюминиевых и магниевых сплавов. При длительном многократном воздействии высоких температур на оксидированной поверхности образуются микротрещины, обусловленные различием в значениях коэффициента линейного расширения анодной пленки (8

    • 10 -6 єС-1) и алюминия (22,9
    • 10-6 єС-1).

    Электроизоляционные свойства оксидных пленок на алюминии обусловлены высоким удельным электрическим сопротивлением оксида алюминия. Эта величина при 20 °С составляет, Ом-см: 5

    • 10 12 для стекла; 3
    • 1014 для фарфора; 2
    • 1015 для эбонита; 9
    • 1015 для слюды; 4

    — 1015 для анодной оксидной пленки (толщина 5 мкм) на алюминии. Электрическое сопротивление пленки зависит от состава алюминиевого сплава, режима оксидирования, последующей обработки оксидных пленок, наполнения, условий эксплуатации. Для анодных оксидных пленок характерны высокие адгезия, жаростойкость, теплопроводность, механическая прочность и химическая стойкость.

    Коррозионные свойства оксидных пленок определяются их стойкостью к химическому воздействию окружающей среды без нарушения сплошности пленок. Коррозионная стойкость оксидированных алюминиевых изделий резко уменьшается в щелочных средах и средах с присутствием галогенсодержащих ионов. В растворах, содержащих ионы металлов, контактно выделяющихся на алюминии (медь, серебро, ртуть), коррозионная стойкость оксидированных алюминиевых изделий снижается. Увеличение пористости и растрескивание также снижают коррозионную стойкость оксидированных алюминиевых изделий в результате ухудшения изолированности металла от коррозионной среды. С ростом толщины пленок и снижением шероховатости их коррозионная стойкость возрастает, а после достижения определенной толщины пленки — замедляется из-за увеличения пористости.

    9. Применение анодированного алюминия

    Анодированный подслой для органических покрытий.

    Разработка метода анодирования в хромовой кислоте (Бенгоу—Стюарт) положила начало первому крупномасштабному применению анодированного алюминия. Этот метод, регламентированный с тех пор в технических условиях DEF151, стал использоваться для получения стандартного покрытия алюминиевых деталей самолетов. Органическое покрытие в сочетании с анодно-оксидным обеспечивает максимальную долговечность краски.

    Сернокислотные покрытия с уплотнением в растворе бихромата и использованием краски соответствующей марки обеспечивают надежную эксплуатацию даже в среде морской воды.

    Представляется также важным использование очень тонких покрытий в качестве основы для последующего нанесения краски и лака на непрерывную полосу.

    Коррозионностойкие покрытия.

    Последующие эксперименты показали, что покрытия без нанесения краски, полученные методом анодирования в хромовой кислоте и уплотненные ланолином, обладают высокой стойкостью к коррозии в солевом тумане. Поэтому некоторые детали самолетов, эффективность эксплуатации которых снижается вследствие наличия дополнительного слоя, стали анодировать без окраски.

    К 1929 г. были разработаны методы получения твердых покрытий большой толщины с использованием серной кислоты и уплотнения ланолином, маслом и др. Министерство авиации Великобритании утвердило производство таких покрытий в 1936 г.

    Получение покрытий с использованием серной кислоты получило широкое распространение при обработке алюминия, применяемого в промышленных условиях и водных средах. Следует отметить, что этот метод, разработанный еще до Второй мировой войны, применяется и в настоящее время.

    Характерно, что сейчас анодированный алюминий применяют в строительстве при наружном и внутреннем оформлении зданий. Широкое использование анодированного алюминия в этой области тормозилось трудностями физического уплотнения и стало возможным после разработки методов уплотнения с помощью пара и горячей воды.

    Оформление окон, внутренних дверей, карнизов для занавесок, различных перегородок, рам с двойными стеклами, навесов, решеток, вывесок и витрин магазинов может служить примером использования анодированного алюминия.

    Коррозионная стойкость анодированного алюминия позволила применять его не только в области самолетостроения и строительства. Анодирование является надежным средством защиты многих видов продукции оборонной промышленности, рассчитанной на длительное хранение, а также деталей и конструкций, применяемых в тропических условиях и водных средах. В качестве примеров такой продукции могут служить корпуса снарядов, броня танков, комплектующие детали ракетных двигателей и др.

    Цветное анодирование.

    Промышленные возможности анодных покрытий, несмотря на открытие в 1923 г. их способности поглощать красители, смогли реализоваться только в 1929 г. после разработки метода с использованием серной кислоты. Был подобран самый широкий ассортимент красителей и «цветной алюминий» стал серьезным конкурентом других металлов и пластмасс. В некоторых случаях анодирование с окрашиванием оказалось непригодным вследствие неудовлетворительной светостойкости большинства имеющихся в наличии красителей. Однако в целом цветное анодирование прочно утвердилось в промышленности и спрос на него продолжает постоянно расти. Вначале цветное анодирование применялось при производстве пепельниц, декоративной посуды из металла, такой как вазы для фруктов, чайных столиков на колесах и для декоративной облицовки стен внутри зданий. В качестве примеров крупномасштабного применения цветного анодирования можно привести металлическую отделку лифтов и опалубок колонн в банковских учреждениях и магазинах.

    Производство конструкций с применением методов, обеспечивающих получение самых разнообразных цветов поверхности, стало предметом внимания отраслей, занимающихся этикетированием и маркировкой, которые и в настоящее время предлагают этот вид услуг.

    Помимо использования окрашивания в декоративных целях оно также применялось как средство, обеспечивающее идентификацию комплектующих деталей или различных сплавов. Так заклепки и заклепочная проволока подвергались процессу анодирования и окрашивания с целью правильного выбора соответствующего сплава. Окрашивались и катушки в текстильной промышленности для идентификации нити.

    С появлением сложных красителей металлов класса «Неолан» и разработкой усовершенствованного черного красителя «Нигрозин Д» в 1937 г. перешли к решению проблем, связанных с неудовлетворительной светостойкостью органических красителей. Такие, например, красители как «синий Сольвей БС» и «ультрасиний Сольвей», предложенные фирмой «ISI Dyestuffs Ltd » по производству красителей, нашли широкое применение при оформлении витрин магазинов.

    Пигментные красители стали применяться в начале 30-х годов, однако в настоящее время используется только бронзовый краситель, изготовленный на базе кобальта и марганцевокислой соли. В некоторых странах этот краситель используется для наружной отделки металла.

    В 1939 г. в Германии был получен краситель желто-золотистого цвета на основе аммонийжелезо (III) оксалата. После войны этот краситель стали использовать при оформлении многих уникальных зданий, он явился экономичным средством оформления витрин магазинов, вытеснив применение золотой фольги.

    Интегральная окраска в бронзовые тона появилась в 1959 г. Около 10 % анодированного алюминия, используемого в строительстве, применяется при окрашивании этим методом. Характерная для таких пленок твердость позволила улучшить эксплуатационные свойства некоторых видов продукции, например, дверных ручек, пластинок, защищающих дверную обивку от загрязнения пальцами, дощечек с фамилией на дверях, отделки витрин магазинов и входов в здания.

    С помощью различных окрашивающих под током электролитов можно получить самые разнообразные оттенки. Такая работа выполняется в растворах с применением солей никеля, кобальта или олова, обеспечивающих широкую гамму оттенков — от светло-бронзового до черного, обладающих великолепной светостойкостью.

    Использование анодирования с целью предотвращения загрязнения.

    При применении неанодированных алюминиевых сплавов для балюстрад и перил одежда или перчатки окрашивались в сероватый цвет при соприкосновении с металлом. С помощью анодирования эта проблема была полностью снята. Метод анодирования стал использоваться для любой отделки в автобусах и пассажирских вагонах. Позднее некоторая продукция, изготовленная из алюминиевых сплавов, была заменена нержавеющей сталью. Алюминиевые вязальные спицы получили широкое распространение благодаря анодированию (пальцы вязальщицы и шерсть остаются чистыми).

    Осветительная аппаратура.

    Процессы химического или электролитического глянцевания алюминия получили развитие только в 1934 г. Однако в целях защиты поверхности прожекторов использовался метод анодирования с применением серной кислоты. Приемлемость первоначальной потери общей отражательной способности компенсировалась постоянством ее величины в условиях эксплуатации, тогда как обычный алюминий корродировал, а его эксплуатационные свойства ухудшались. Очистка анодированной поверхности в отличие от обычной поверхности алюминия, разрушенного коррозией, не вызывает особых трудностей.

    После разработки методов электроглянцевания типа «Бритал» и «Альзак» анодированный алюминий высокой чистоты стал играть весьма существенную роль. Появление химической подсветки облегчило производство отражательных покрытий на металле более низкого качества, используемого для уличных световых отражателей, осветительных потолочных решеток и такой специализированной продукции, как осветительные приборы в театрах, отражатели для лампочек в самолетах, осветительных дорожек на взлетных полосах аэродромов и рудничных ламп. Во время Второй мировой войны яркие анодированные плоские пластины использовались в качестве ударопрочных зеркальных отражателей в танках. Многие отражатели прожекторов имели анологичные покрытия.

    Тепловое отражение и излучение.

    В течение длительного времени анодирование применяется при производстве бытовых рефлекторов, изготовленных из алюминия. Их хорошо очищающаяся поверхность выдерживает влажность ванных комнат и является эффективным отражателем теплового излучения при условии, что толщина анодного покрытия составляет ~1 мкм.

    В последние годы теплопоглощательная способность покрытий большой толщины используется при производстве поглотителей тепла для электронного оборудования. Для повышения теплопоглощательной способности покрытия зачастую окрашиваются,в черный цвет. В дополнение к отражателям естественного цвета стали использоваться покрытия, окрашенные в бледные тона, в частности с применением красителей, содержащих медь. Это положительно сказывается на внешнем виде изделия.

    Отражатели для инфракрасных печей также изготовлялись из блестящего анодированного алюминия, отражательная способность которого уступает только золоту.

    Износостойкость и смазка.

    Гидратационному уплотнению предшествовало физическое с применением масел, парафина и др. Это привело к применению покрытий, смазанных маслами, прежде всего в технике. Смазочными маслами уплотнялись, в основном, анодированные алюминиевые поршни, предназначенные для бензиновых и дизельных двигателей. В качестве уплотнителей стали также применять графитовые суспензии. Уплотненное покрытие обеспечивало по мнению специалистов повышение эксплуатационных свойств двигателя и снижение износа канавок для поршневого кольца. Такие покрытия, получаемые путем твердого анодирования, по-прежнему применяются на некоторых дизельных двигателях и воздушных компрессорах.