Che cosa rende l'anodizzazione dell'alluminio un fattore di svolta nella produzione? Questo processo non solo migliora la durata e l'aspetto dell'alluminio, ma aumenta anche la resistenza alla corrosione e all'usura. Da oggetti di uso quotidiano come gli utensili da cucina ad attrezzature militari specializzate, l'anodizzazione trasforma l'alluminio in un materiale versatile e ad alte prestazioni. Questo articolo esplora le varie tecniche di anodizzazione, i recenti progressi e le applicazioni pratiche, aiutandovi a capire come l'anodizzazione possa migliorare significativamente la qualità e la funzionalità dei prodotti in alluminio. Immergetevi per scoprire la scienza e i vantaggi dell'anodizzazione dell'alluminio!
L'elettrolisi viene utilizzata per formare un sottile film di ossido sulla superficie di parti in metallo o in lega, utilizzando le parti come anodi.
La pellicola di ossido metallico modifica lo stato e le proprietà della superficie, come la colorazione della superficie, una migliore resistenza alla corrosione, una maggiore resistenza all'usura e durezza e la protezione della superficie metallica.
Ad esempio, nell'anodizzazione dell'alluminio, l'alluminio e le sue leghe sono posti in elettroliti corrispondenti (come acido solforico, acido cromico, acido ossalico, ecc.) come anodi, e l'elettrolisi viene eseguita in condizioni specifiche e con corrente esterna applicata.
L'alluminio o la sua lega all'anodo si ossida, formando un sottile strato di ossido di alluminio sulla superficie, con uno spessore di 5-20 micron. I film di anodizzazione dura possono raggiungere uno spessore di 60-200 micron.
Dopo l'anodizzazione, la durezza e la resistenza all'usura dell'alluminio o della sua lega sono migliorate, raggiungendo i 250-500 kg/millimetro quadrato. La pellicola di anodizzazione dura ha anche una buona resistenza al calore, con un punto di fusione fino a 2
Nelle applicazioni pratiche, l'anodizzazione di leghe di alluminio è abbastanza comune e può essere utilizzato nella vita quotidiana, in quanto questo processo crea uno strato protettivo duro sulla superficie delle parti in alluminio, rendendolo adatto alla produzione di utensili da cucina e altri oggetti domestici.
Tuttavia, l'anodizzazione di alluminio fuso ha risultati scarsi, con superfici non uniformi e solo una colorazione nera. L'anodizzazione dei profili in lega di alluminio è relativamente migliore.
Negli ultimi anni, la tecnologia di colorazione dell'alluminio in Cina si è sviluppata rapidamente e molte fabbriche hanno adottato nuove tecnologie di processo e accumulato una ricca esperienza nella produzione reale.
Esistono molti metodi maturi e in via di sviluppo per l'anodizzazione dell'alluminio e delle sue leghe, tra i quali è possibile scegliere i processi più adatti in base alle esigenze di produzione.
Prima di scegliere un processo di ossidazione, è importante conoscere il materiale in alluminio o in lega di alluminio, poiché la qualità del materiale e la sua composizione influiscono direttamente sulla qualità del prodotto in alluminio anodizzato.
Ad esempio, se sulla superficie dell'alluminio sono presenti difetti come bolle, graffi, scrostature, rugosità ecc. Anche la composizione della lega influisce direttamente sull'aspetto della superficie anodizzata.
Ad esempio, le leghe di alluminio contenenti manganese 1-2% diventano di colore blu-marrone dopo l'ossidazione, e l'aumento del contenuto di manganese porta alla trasformazione del colore da blu-marrone a marrone scuro.
Le leghe di alluminio contenenti 0,6-1,5% di silicio diventano grigie dopo l'ossidazione, mentre quelle contenenti 3-6% di silicio diventano bianco-grigie. Le leghe contenenti zinco appaiono lattiginose, mentre quelle contenenti cromo presentano colori non uniformi che vanno dal giallo oro al grigio e le leghe contenenti nichel appaiono giallo chiaro.
In generale, solo le leghe di alluminio contenenti più di 5% magnesio e titanio può ottenere un aspetto trasparente e brillante dopo l'ossidazione.
Dopo aver selezionato i materiali adatti in alluminio e in lega di alluminio, è necessario scegliere il processo di anodizzazione appropriato.
Attualmente, l'ossidazione dell'acido solforico, l'ossidazione dell'acido ossalico e l'ossidazione dell'acido cromico sono ampiamente utilizzati in Cina e sono stati accuratamente documentati in manuali e libri. Questo articolo presenta brevemente alcuni nuovi processi attualmente in fase di sviluppo in Cina e metodi stranieri.
L'utilizzo di una miscela di acido ossalico-metanoico si basa sull'idea che l'acido metanoico è un forte agente ossidante e può accelerare la dissoluzione dello strato interno (strato barriera e strato bloccante) del film di ossido, con conseguente formazione di uno strato esterno poroso.
Questo tipo di soluzione può aumentare la conduttività (cioè la densità di corrente), consentendo la rapida formazione del film di ossido. Rispetto all'ossidazione con acido ossalico puro, questa soluzione può aumentare la produttività di 37,5% e ridurre il consumo di energia (3,32 kWh per metro quadrato per l'ossidazione con acido ossalico rispetto ai 2 kWh per metro quadrato di questo processo), risparmiando 40% di elettricità.
La formulazione del processo è la seguente: acido ossalico 4-5%, acido metanoico 0,55%, corrente alternata trifase 44 V, densità di corrente 2-2,5 A/d㎡, temperatura 30±2℃.
Questo metodo è stato ufficialmente incluso nello standard nazionale giapponese nel 1976 ed è stato adottato da Kita-sei Nissho Co. Le sue caratteristiche sono una rapida formazione del film, una maggiore durezza, resistenza all'usura e alla corrosione del film rispetto all'ossidazione convenzionale con acido solforico.
La pellicola è di colore bianco-argento ed è adatta alla stampa e alla colorazione dei prodotti. Dopo la visita in Giappone dell'industria cinese dei prodotti in alluminio, nel 1979 è stato raccomandato l'uso di questo metodo.
La formulazione del processo consigliata è: H2SO4 10-20%, COOHCOOH-2H2O 1-2%, tensione 10-20 V, densità di corrente 1-3 A/d㎡, temperatura 15-30℃, tempo 30 minuti.
L'ossidazione ceramica utilizza principalmente acido cromico, acido borico e ossalato di potassio e titanio come elettroliti e subisce un trattamento elettrolitico ad alta tensione e temperatura.
La pellicola è come uno smalto sulla ceramica, con un'elevata resistenza alla corrosione, una buona resistenza all'usura e può essere colorata con coloranti organici o inorganici, conferendole una lucentezza e un colore speciali. Viene utilizzato principalmente nelle pentole in alluminio, negli accendini e nelle penne d'oro ed è molto popolare tra i consumatori.
L'ossidazione militare a colori è utilizzata principalmente per la decorazione di prodotti militari in alluminio, per cui richiede speciali effetti protettivi. Il film di ossido è di colore verde militare, non lucido, resistente all'usura, durevole e con buone proprietà protettive.
Il processo prevede prima l'ossidazione con acido ossalico per generare uno strato di pellicola giallo oro, poi il trattamento di ossidazione anodica con una soluzione di 20 g/l di permanganato di potassio e 1 g/l di H2SO4. La Shenyang Aluminum Products Factory ha utilizzato questo processo per produrre bottiglie d'acqua e pentole militari.
Lo strato di ossido anodico già colorato ma non chiuso viene bagnato con acido cromico o acido ossalico in modo che il CrO3 si diffonda.
La superficie del prodotto tinto sbiadisce quando viene bagnata da CrO3, e l'acido ossalico o cromico viene lavato via con acqua in qualsiasi parte secondo necessità, in genere interrompendo la reazione con l'immagine.
Quindi, si applica il secondo colorante o si ripete il processo di pulitura, risciacquo e tintura con CrO3 per produrre motivi come fiori e nuvole, a seconda delle necessità.
Attualmente, questo metodo è ampiamente utilizzato in prodotti come tazze d'oro, tazze per l'acqua, scatole per il tè e accendini.
Dopo che il prodotto è stato ossidato e tinto con il primo colore, viene asciugato e poi immerso in acqua con del grasso in superficie.
Quando viene sollevato o immerso, il grasso e l'acqua scendono naturalmente, causando macchie irregolari a forma di striscia sulla pellicola. Quando si applica il secondo colorante, la pellicola ossidata non può essere macchiata nel punto in cui è macchiata di grasso, mentre la parte senza grasso viene tinta con il secondo tono, formando un motivo irregolare simile al marmo.
Questo metodo è riportato nell'articolo del compagno Zhou Shouyu della fabbrica di coltelli Yangjiang, di proprietà dello Stato del Guangdong (Electroplating and Coating, 1982, numero 2).
Dopo lucidatura meccanica e sgrassatura, i prodotti in alluminio vengono rivestiti con agenti mascheranti o materiali fotosensibili e asciugati, quindi sottoposti a incisione chimica (incisori al fluoro o ai sali di ferro) per formare motivi concavo-convessi.
Dopo la lucidatura elettrochimica e l'ossidazione anodica, si presenta un disegno superficiale con un forte senso del corpo principale, che può essere paragonato all'aspetto dell'acciaio inossidabile. Attualmente viene utilizzato in prodotti come penne d'oro, scatole da tè e paraventi.
In genere, l'ossidazione con H2SO4 richiede un dispositivo di raffreddamento, con conseguente elevato consumo energetico. L'aggiunta di acido alfa-idrossipropionico e glicerolo può sopprimere la dissoluzione del film di ossido, rendendo possibile l'ossidazione a temperatura ambiente.
Rispetto alla normale ossidazione con acido solforico, lo spessore del film può essere aumentato di due volte. La formulazione del processo consigliata è:
| H2SO4 | 150～160g/l |
| CH3CH(OH)COOH | 18ml/l |
| CH2OHCHOHCH2OH | 12ml/l |
| Densità di corrente | 0,8-12 A/d㎡ |
| Tensione | 12-18V |
| Temperatura | 18-22℃ |
La resistenza alla corrosione dello strato di film è simile a quella del film di ossido anodico di acido solforico. Il film di ossido conduttivo ha una minore resistenza di contatto e può condurre elettricità, mentre il film di H2SO4 Il film di ossido anodico non è in grado di condurre l'elettricità a causa della sua elevata resistenza al contatto.
La resistenza alla corrosione della pellicola di ossido conduttivo è molto più forte di quella dell'alluminio ramato, argentato o stagnato.
Lo svantaggio è che la saldatura a stagno non può essere eseguita sullo strato di pellicola, ma solo saldatura a punti può essere utilizzato. La formulazione di processo consigliata è: CrO3 4g/l, K4Fe(CN)6-3H2O 0,5g/l, NaF 1g/l, temperatura 20-40℃, tempo 20-60 secondi.
Quando si sceglie l'alluminio per l'ossidazione anodica, occorre tenere presente quanto segue:
(1) La superficie dell'alluminio selezionato non deve presentare gravi graffi, difetti strutturali o inclusioni. Questi influiscono sull'aspetto e sulla resistenza alla corrosione dello strato di ossido.
(2) Alcune leghe di alluminio devono essere trattate termicamente secondo specifiche ragionevoli. La dimensione dei grani ha un certo impatto sulla struttura e sulle proprietà del film di ossido. I grani grossi reagiscono in modo disomogeneo durante l'ossidazione, dando spesso luogo a un aspetto a buccia d'arancia. Pertanto, è generalmente auspicabile che l'alluminio abbia una struttura a grana fine.
Negli ultimi anni, i paesi stranieri si sono sviluppati rapidamente nel settore dell'alluminio. trattamento della superficie. I vecchi processi, un tempo ad alta intensità di lavoro, energia e risorse, sono stati riformati e nuovi processi e tecnologie sono stati ampiamente applicati nella produzione industriale.
Il processo di ossidazione anodica ad alta velocità modifica principalmente la composizione della soluzione elettrolitica e ne riduce l'impedenza, consentendo così densità di corrente più elevate per l'ossidazione anodica ad alta velocità.
La velocità di formazione del film del vecchio processo utilizzando una densità di corrente di 1A/d㎡ era di 0,2~0,25μ/min, mentre la velocità di formazione del film di questo nuovo processo utilizzando la soluzione modificata può essere aumentata a 0,4~0,5μ/min anche con una densità di corrente di 1A/dm2 densità di corrente, riducendo notevolmente i tempi di lavorazione e migliorando l'efficienza produttiva.
Il metodo Tomita ha tempi di lavorazione molto più brevi rispetto al vecchio processo e la sua efficienza produttiva può essere aumentata di oltre 33%. Questo metodo è adatto non solo per i normali film di ossido anodico, ma anche per i film di ossido duro.
Se si vuole produrre una pellicola dura, si utilizza un metodo per ridurre la temperatura della soluzione. La velocità di formazione del film è generalmente uguale a quella indicata nella tabella precedente. La relazione tra la durezza del film e la temperatura della soluzione è la seguente:
Il processo di produzione di una pellicola di rubino sulla superficie dell'alluminio è un procedimento innovativo. Il colore della pellicola può essere paragonabile a quello dei rubini artificiali, il che la rende ideale per scopi decorativi. Inoltre, presenta una buona resistenza alla corrosione e all'usura.
Diverso tipi di metallo Gli ossidi presenti nella soluzione possono essere utilizzati per produrre una varietà di aspetti. Il processo prevede una prima anodizzazione con acido solforico 15% utilizzando una densità di corrente di 1A/dm2 per 80 minuti.
Poi, il pezzo viene immerso in una soluzione (NH4)2CrO4 soluzione a diverse concentrazioni per 30 minuti a 40℃, a seconda dell'intensità di colore desiderata, per consentire agli ioni metallici di entrare nei pori del film di ossido anodico.
Successivamente, il pezzo viene immerso in una soluzione di bisolfato di sodio (1 grammo di peso molecolare) e di bisolfato di ammonio (1,5 grammi di peso molecolare) a 170℃ con una densità di corrente di 1A/dm2. Il film risultante è di colore rosso porpora con un riflesso fluorescente, mentre il Fe2(CrO4)3 o Na2CrO4 producono pellicole blu con fluorescenza viola intenso.
L'elettrocolorazione Asada è un processo in cui, dopo l'anodizzazione, i cationi metallici (sali di nichel, sali di rame, sali di cobalto, ecc.) vengono elettrolizzati sul fondo dei fori della pellicola di ossido per produrre colore. Questo processo si è sviluppato rapidamente negli ultimi anni, soprattutto perché consente di ottenere i colori bronzo e nero, molto diffusi nell'industria delle costruzioni.
I colori prodotti sono stabili e resistenti alle condizioni climatiche avverse. Questo processo consente di risparmiare energia rispetto ai metodi di colorazione naturali.
Quasi tutte le opere architettoniche del Giappone profili in alluminio sono colorati con questo metodo.
Il metodo di colorazione naturale completa la colorazione in una sola elettrolisi.
Esistono diversi tipi di soluzioni utilizzate, tra cui l'acido salicilico e l'acido solforico, l'acido solfonico e l'acido titanio, l'acido solfonico e l'acido maleico.
Poiché nel metodo di colorazione naturale vengono utilizzati prevalentemente acidi organici, la pellicola di ossido è relativamente densa e presenta un'eccellente resistenza alla luce, all'usura e alla corrosione.
Tuttavia, lo svantaggio di questo metodo è che per ottenere colori eccellenti, la composizione del materiale in lega di alluminio deve essere strettamente controllata.
1. Anodizzazione all'acido solforico.
L'anodizzazione all'acido solforico presenta le seguenti caratteristiche:
(1) Basso costo della soluzione, composizione semplice, facilità di funzionamento e manutenzione.
In genere, è sufficiente diluire l'acido solforico a una certa concentrazione, senza aggiungere altri agenti chimici. Si consiglia di utilizzare acido solforico chimicamente puro o acido solforico industriale con meno impurità, per cui il costo è particolarmente basso.
(2) Elevata trasparenza del film di ossido.
Il film anodizzato all'acido solforico di alluminio puro è incolore e trasparente. Per le leghe di alluminio, all'aumentare degli elementi di lega Si, Fe, Cu e Mn, la trasparenza diminuisce. Rispetto ad altri elettroliti, il colore della pellicola anodizzata con acido solforico è il più chiaro.
(3) Elevate prestazioni di colorazione.
La pellicola di ossido di acido solforico è trasparente e lo strato poroso ha un forte assorbimento ed è facile da tingere e colorare. Il colore è brillante e non sbiadisce, con un forte effetto decorativo.
(4) Le condizioni operative per l'anodizzazione con acido solforico sono:
| H2SO4(volume) | 10%~30% |
| Temperatura ℃ | 18~22 |
| Al/g.L-1 | ≤20 |
| Densità di corrente/A.dm-2 | 0.6~3 |
| Tempo/min | 10~60 |
2. Anodizzazione con acido ossalico e acido cromico.
L'anodizzazione con acido ossalico è ampiamente utilizzata in Giappone e le caratteristiche del film di ossido sono simili a quelle dell'anodizzazione con acido solforico, con una porosità inferiore a quella dell'anodizzazione con acido solforico, elevata resistenza alla corrosione e durezza. Il costo della soluzione di acido ossalico e la tensione di esercizio sono superiori a quelli dell'acido solforico e il colore del film di ossido di alcune leghe può essere più scuro. Sia l'anodizzazione con acido ossalico che quella con acido solforico richiedono un buon sistema di raffreddamento.
Le condizioni operative per l'anodizzazione con acido ossalico sono:
| Acido ossalico (frazione di volume) | 2%~10% |
| Temperatura / ℃ | 15~35 |
| Densità di corrente / A.dm-2 | 0.5~3 |
| Tensione/V | 40~60 |
Le pellicole anodizzate all'acido cromico sono particolarmente resistenti alla corrosione e vengono utilizzate principalmente nell'industria aerospaziale. L'adesione delle pellicole di ossido di acido cromico alla vernice è forte e le rende adatte come base per la vernice. Il film anodizzato all'acido cromico, di colore grigio opaco, non viene generalmente utilizzato per scopi decorativi.
Le condizioni operative per l'anodizzazione all'acido cromico sono:
| CrO3/g.L-1 | 30~100 |
| Temperatura/℃ | 40~70 |
| Densità di corrente/A.dm-2 | 0.1~3 |
| Tensione/V | 0~100 |
| Tempo/min | 35~60 |
3. Anodizzazione dura.
Alla fine della Seconda Guerra Mondiale, per aumentare la durezza e lo spessore del film anodizzato, la temperatura della vasca di anodizzazione con acido solforico è stata abbassata a 0℃ e la densità di corrente è stata aumentata a 2,7~4,0A/dm2, ottenendo un "film di ossido duro" di 25~50μm. Un film anodizzato duro può essere ottenuto a 5~15℃ utilizzando acido ossalico con una piccola quantità di acido solforico. Alcuni brevetti utilizzano una concentrazione ottimizzata di acido solforico, acidi organici o altri additivi come l'acido benzenico esacarbossilico per l'anodizzazione dura.
In Scozia, Campbell ha inventato l'uso di un'alimentazione sovrapposta AC-DC, un flusso ad alta velocità di elettrolita, 0℃, e una densità di corrente di 25~35A/dm2 per ottenere un film anodizzato duro di 100μm.
Oggi la corrente a impulsi viene utilizzata per l'anodizzazione dura, soprattutto per le leghe di alluminio ad alto tenore di rame, generalmente difficili da anodizzare. L'uso della corrente a impulsi può evitare la "bruciatura". Esistono anche molti alimentatori utilizzati per l'anodizzazione dura, come AC-DC, varie frequenze di correnti a impulsi monofase o trifase, correnti inverse, ecc.
Nell'anodizzazione dura tradizionale in corrente continua, la densità di corrente non può generalmente superare i 4,0A/dm2. Per l'alimentazione a impulsi con raddrizzatore monofase, il valore di picco dell'impulso di corrente può essere molto elevato, ma il mantenimento dell'uniformità dello spessore del film di ossido è un problema importante.
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