Proces voor het anodiseren van aluminium: Kenmerken, methoden en nieuwste ontwikkelingen

Elektrolyse wordt gebruikt om een dunne oxidelaag te vormen op het oppervlak van metalen of gelegeerde onderdelen door de onderdelen als anodes te gebruiken.

De metaaloxidefilm verandert de toestand en eigenschappen van het oppervlak, zoals de kleuring van het oppervlak, verbeterde corrosiebestendigheid, verhoogde slijtvastheid en hardheid en bescherming van het metaaloppervlak.

Bij het anodiseren van aluminium worden aluminium en aluminiumlegeringen bijvoorbeeld in overeenkomstige elektrolyten (zoals zwavelzuur, chroomzuur, oxaalzuur, enz.) als anoden geplaatst en wordt elektrolyse uitgevoerd onder specifieke omstandigheden en met externe stroom.

Het aluminium of de legering aan de anode oxideert, waardoor er een dunne laag aluminiumoxide op het oppervlak ontstaat met een dikte van 5-20 micron. Harde anodiseerlagen kunnen 60-200 micron dik worden.

Na het anodiseren zijn de hardheid en slijtvastheid van het aluminium of de legering verbeterd tot 250-500 kg/vierkante millimeter. De harde anodiseerhuid heeft ook een goede hittebestendigheid, met een smeltpunt van wel 2

In praktische toepassingen kan anodiseren van aluminiumlegeringen Dit proces creëert namelijk een harde beschermlaag op het oppervlak van aluminium onderdelen, waardoor het geschikt is voor de productie van keukengerei en andere huishoudelijke artikelen.

Anodiseren van gegoten aluminium heeft slechte resultaten, met ongelijkmatige oppervlakken en alleen zwarte kleuring. Anodiseren van profielen van aluminiumlegeringen is relatief beter.

In de afgelopen jaren heeft de Chinese technologie voor het kleuren van aluminiumoxidatie zich snel ontwikkeld en veel fabrieken hebben nieuwe procestechnologieën toegepast en rijke ervaring opgedaan met daadwerkelijke productie.

Er zijn veel volwassen en in ontwikkeling zijnde methoden voor het anodiseren van aluminium en aluminiumlegeringen, waaruit geschikte processen kunnen worden gekozen op basis van de productiebehoeften.

Voordat je een oxidatieproces kiest, is het belangrijk om het materiaal van het aluminium of de aluminiumlegering te begrijpen, omdat de kwaliteit van het materiaal en de samenstelling ervan een directe invloed hebben op de kwaliteit van het geanodiseerde aluminium product.

Als er bijvoorbeeld gebreken zoals bellen, krassen, afschilfering, ruwheid, enz. op het oppervlak van het aluminium zitten, zullen deze na het anodiseren nog steeds zichtbaar zijn. De samenstelling van de legering heeft ook een directe invloed op het uiterlijk van het geanodiseerde oppervlak.

Aluminiumlegeringen met 1-2% mangaan worden bijvoorbeeld bruinblauw na oxidatie en een hoger mangaangehalte leidt tot een transformatie van bruinblauw naar donkerbruin.

Aluminiumlegeringen met 0,6-1,5% silicium worden grijs na oxidatie, terwijl legeringen met 3-6% silicium witgrijs worden. Zinkhoudende legeringen zien er melkachtig uit, terwijl chroomhoudende legeringen ongelijkmatige kleuren vertonen, variërend van goudgeel tot grijs, en nikkelhoudende legeringen lichtgeel lijken.

In het algemeen geldt dat alleen aluminiumlegeringen met meer dan 5% magnesium en titanium kan na oxidatie een transparant en helder uiterlijk krijgen.

Na het kiezen van geschikte materialen voor aluminium en aluminiumlegeringen, is het noodzakelijk om het juiste anodiseerproces te kiezen.

Momenteel worden zwavelzuuroxidatie, oxaalzuuroxidatie en chroomzuuroxidatie veel gebruikt in China en ze zijn grondig gedocumenteerd in handboeken en boeken. Dit artikel introduceert kort enkele nieuwe processen die momenteel in China worden ontwikkeld en buitenlandse methoden.

1. Nieuwe processen ontwikkeld in China:

(1) Snelle AC-oxidatie in een mengsel van oxaalzuur en methaanzuur.

Het gebruik van een oxaalzuur-methaanzuurmengsel is gebaseerd op het idee dat methaanzuur een sterk oxidatiemiddel is en het oplossen van de binnenlaag (barrièrelaag en blokkeerlaag) van de oxidelaag kan versnellen, wat resulteert in de vorming van een poreuze buitenlaag.

Dit type oplossing kan de geleidbaarheid verhogen (d.w.z. de stroomdichtheid verhogen), waardoor de oxidelaag zich snel kan vormen. Vergeleken met zuivere oxaalzuuroxidatie kan deze oplossing de productiviteit met 37,5% verhogen en het stroomverbruik verlagen (3,32 kWh per vierkante meter voor oxaalzuuroxidatie vergeleken met 2 kWh per vierkante meter voor dit proces), waardoor 40% elektriciteit wordt bespaard.

De procesformulering is als volgt: oxaalzuur 4-5%, methaanzuur 0,55%, driefase wisselstroom 44 V, stroomdichtheid 2-2,5 A/d㎡, temperatuur 30±2℃.

(2) Gemengde zure oxidatie.

Deze methode werd in 1976 officieel opgenomen in de Japanse nationale standaard en toegepast door Kita-sei Nissho Co. De kenmerken zijn snelle filmvorming, hogere hardheid, slijtvastheid en corrosiebestendigheid van de film in vergelijking met conventionele zwavelzuuroxidatie.

De film is zilverwit en geschikt voor het bedrukken en kleuren van producten. Nadat de aluminiumproductenindustrie van China Japan had bezocht, werd deze methode in 1979 aanbevolen voor gebruik.

De aanbevolen procesformulering is: H2SO4 10-20%, COOHCOOH-2H2O 1-2%, spanning 10-20 V, stroomdichtheid 1-3 A/d㎡, temperatuur 15-30℃, tijd 30 minuten.

(3) Keramische oxidatie.

Keramische oxidatie maakt voornamelijk gebruik van chroomzuur, boorzuur en kaliumtitaanoxalaat als elektrolyten en ondergaat een elektrolytische behandeling bij hoge spanning en temperatuur.

De film is als glazuur op keramiek, met een hoge corrosiebestendigheid, goede slijtvastheid en kan worden gekleurd met organische of anorganische kleurstoffen, waardoor het een speciale glans en kleur krijgt. Het wordt voornamelijk gebruikt in aluminium kookgerei, aanstekers en gouden pennen en is erg populair bij consumenten.

(4) Militaire kleuroxidatie.

Militaire kleuroxidatie wordt voornamelijk gebruikt voor decoratie op militaire aluminium producten en vereist daarom speciale beschermende effecten. De oxidelaag is legergroen, niet-glanzend, slijtvast, duurzaam en heeft goede beschermende eigenschappen.

Het proces bestaat uit het eerst oxideren met oxaalzuur om een goudgele filmlaag te genereren en deze vervolgens te onderwerpen aan een anodische oxidatiebehandeling met een oplossing van 20g/l kaliumpermanganaat en 1g/l H2SO4. Shenyang Aluminum Products Factory heeft dit proces gebruikt om militaire waterflessen en kookgerei te produceren.

(5) Veelkleurige oxidatie.

De al geverfde maar niet gesloten anodiseeroxidelaag wordt bevochtigd met chroomzuur of oxaalzuur zodat CrO3 zich verspreidt.

Het oppervlak van het geverfde product vervaagt wanneer het wordt bevochtigd door CrO3, en het oxaalzuur of chroomzuur wordt naar behoefte weggespoeld met water, waardoor de reactie met het beeld meestal stopt.

Daarna wordt de tweede kleurstof aangebracht of wordt het CrO3 veeg-, spoel- en verfproces herhaald om naar behoefte patronen als bloemen en wolken te maken.

Momenteel wordt deze methode veel gebruikt in producten zoals gouden kopjes, waterbekers, theedozen en aanstekers.

(6) Marmerpatroon verfproces.

Nadat het product is geoxideerd en geverfd met de eerste kleur, wordt het gedroogd en vervolgens ondergedompeld in water met vet op het oppervlak.

Wanneer de film wordt opgetild of ondergedompeld, stromen het vet en water op natuurlijke wijze naar beneden, waardoor onregelmatige streepvormige vlekken op de film ontstaan. Wanneer de tweede kleurstof wordt aangebracht, kan de geoxideerde film niet worden gekleurd waar hij met vet is bevlekt, terwijl het deel zonder vet met de tweede toon wordt geverfd, waardoor een marmerachtig onregelmatig patroon ontstaat.

Deze methode is te vinden in het artikel van kameraad Zhou Shouyu van de Yangjiang Knife Factory, een staatsbedrijf in Guangdong (Electroplating and Coating, 1982, Issue 2).

(7) Chemische etsoxidatie.

Na mechanisch polijsten en ontvetten, worden aluminium producten gecoat met maskeermiddelen of lichtgevoelige materialen en gedroogd, waarna ze chemisch geëtst worden (fluoride of ijzerzout etsen) om concaaf-convexe patronen te vormen.

Na elektrochemisch polijsten en anodische oxidatie wordt het oppervlaktepatroon met een sterk gevoel van het hoofdlichaam gepresenteerd, dat vergelijkbaar is met het uiterlijk van roestvrij staal. Het wordt momenteel gebruikt in producten zoals gouden pennen, theedozen en schermen.

(8) Snelle anodische oxidatie bij kamertemperatuur.

Gewoonlijk is voor H2SO4-oxidatie een koelapparaat nodig, wat resulteert in een hoog energieverbruik. Door alfahydroxypropionzuur en glycerol toe te voegen kan het oplossen van de oxidelaag onderdrukt worden, waardoor de oxidatie bij kamertemperatuur kan worden uitgevoerd.

Vergeleken met gewone zwavelzuuroxidatie kan de laagdikte twee keer worden vergroot. De aanbevolen procesformulering is:

(9) Chemische oxidatiemethode (ook bekend als geleidende oxidelaag).

De corrosieweerstand van de filmlaag is vergelijkbaar met die van zwavelzuur anodische oxidelaag. De geleidende oxidelaag heeft een lagere contactweerstand en kan elektriciteit geleiden, terwijl de H₂SO₄ anodiseerhuid kan geen elektriciteit geleiden door de hoge contactweerstand.

De corrosieweerstand van de geleidende oxidelaag is veel sterker dan die van verkoperd, verzilverd of vertind aluminium.

Het nadeel is dat er geen tinsoldering kan worden uitgevoerd op de filmlaag, alleen puntlassen kan worden gebruikt. De aanbevolen procesformulering is: CrO₃ 4g/l, K₄Fe(CN)6-3H₂O 0,5g/l, NaF 1g/l, temperatuur 20-40℃, tijd 20-60 seconden.

Als je aluminium selecteert voor anodische oxidatie, moet je ook rekening houden met het volgende:

(1) Het oppervlak van het geselecteerde aluminium mag geen ernstige krassen, structurele defecten of insluitingen vertonen. Deze beïnvloeden het uiterlijk en de corrosiebestendigheid van de oxidelaag.

(2) Sommige aluminiumlegeringen moeten een warmtebehandeling ondergaan volgens redelijke specificaties. De grootte van de korrels heeft een bepaalde invloed op de structuur en de eigenschappen van de oxidelaag. Grove korrels reageren ongelijkmatig tijdens oxidatie, wat vaak resulteert in een sinaasappelhuidachtig uiterlijk. Daarom is het over het algemeen gewenst dat het aluminium een fijne korrelstructuur heeft.

2. Kennismaking met nieuwe oppervlaktebehandelingsprocessen in het buitenland

In de afgelopen jaren hebben buitenlandse landen zich snel ontwikkeld in aluminium oppervlaktebehandeling. Oude processen die vroeger arbeids-, energie- en grondstoffenintensief waren, zijn hervormd en nieuwe processen en technologieën zijn op grote schaal toegepast in de industriële productie.

(1) Snelle anodische oxidatiemethode.

Het snelle anodische oxidatieproces verandert voornamelijk de samenstelling van de elektrolytoplossing en verlaagt de impedantie van de elektrolytoplossing, waardoor hogere stroomdichtheden voor snelle anodische oxidatie mogelijk worden.

De filmvormingssnelheid van het oude proces met een 1A/d㎡ stroomdichtheid was 0,2~0,25μ/min, terwijl de filmvormingssnelheid van dit nieuwe proces met de gewijzigde oplossing kan worden verhoogd tot 0,4~0,5μ/min, zelfs met een 1A/dm² stroomdichtheid, waardoor de verwerkingstijd sterk wordt verkort en de productie-efficiëntie wordt verbeterd.

(2) Tomita-methode (oxidatie met hoge snelheid).

De Tomita-methode heeft een veel kortere verwerkingstijd dan het oude proces en de productie-efficiëntie kan met meer dan 33% worden verhoogd. Deze methode is niet alleen geschikt voor gewone anodische oxidelagen, maar ook voor harde oxidelagen.

Als een harde film moet worden geproduceerd, wordt een methode gebruikt om de temperatuur van de oplossing te verlagen. De filmvormingssnelheid is over het algemeen gelijk aan die in de bovenstaande tabel. De relatie tussen de filmhardheid en de oplossingstemperatuur is als volgt:

• 10℃ - hardheid 500H
• 20℃ - hardheid 400H
• 30℃ - hardheid 300H

(3) Robijnrode film.

Het produceren van een robijnfilm op het oppervlak van aluminium is een nieuw proces. De kleur van de film kan vergelijkbaar zijn met die van kunstmatige robijnen, waardoor het ideaal is voor decoratieve doeleinden. Het heeft ook een goede corrosiebestendigheid en slijtvastheid.

Verschillende soorten metaal oxiden in de oplossing kunnen worden gebruikt om verschillende verschijningsvormen te produceren. Het proces omvat eerst anodiseren met 15% zwavelzuur met een stroomdichtheid van 1A/dm² gedurende 80 minuten.

Vervolgens wordt het werkstuk ondergedompeld in een (NH₄)₂CrO^₄ oplossing in verschillende concentraties gedurende 30 minuten bij 40℃, afhankelijk van de gewenste kleurintensiteit, om de metaalionen de poriën van de anodiseeroxidefilm binnen te laten dringen.

Daarna wordt het werkstuk ondergedompeld in een natriumbisulfaat (1 gram moleculair gewicht) en ammoniumbisulfaat (1,5 gram moleculair gewicht) oplossing bij 170℃ met een stroomdichtheid van 1A/dm.². De resulterende film heeft een paarsrode kleur met een fluorescerende glans, terwijl Fe₂(CrO₄)₃ of Na₂CrO₄ oplossingen produceren blauwe films met dieppaarse fluorescentie.

(4) Asada elektrokleuring.

Asada electrocoloring is een proces waarbij, na het anodiseren, metaalkationen (nikkelzouten, koperzouten, kobaltzouten, enz.) worden geëlektrolyseerd in de bodem van de pinholes van de oxidelaag om kleur te produceren. Dit proces heeft zich de laatste jaren snel ontwikkeld, vooral omdat het bronzen en zwarte kleuren kan verkrijgen, die populair zijn in de bouwindustrie.

De geproduceerde kleuren zijn stabiel en bestand tegen barre weersomstandigheden. Dit proces kan energie besparen in vergelijking met natuurlijke kleurmethoden.

Bijna alle architecturale aluminiumprofielen worden gekleurd met deze methode.

(5) Natuurlijke kleurmethode.

De natuurlijke kleurmethode voltooit de kleuring in één elektrolyse.

Er worden verschillende soorten oplossingen gebruikt, waaronder salicylzuur en zwavelzuur, sulfonzuur en titaanzuur, en sulfonzuur en maleïnezuur.

Omdat organische zuren meestal worden gebruikt in de natuurlijke kleurmethode, is de oxidelaag relatief dicht en heeft deze een uitstekende lichtbestendigheid, slijtvastheid en corrosiebestendigheid.

Het nadeel van deze methode is echter dat om uitstekende kleuren te verkrijgen, de samenstelling van het materiaal van de aluminiumlegering strikt moet worden gecontroleerd.

1. Zwavelzuur anodiseren.

Zwavelzuur anodiseren heeft de volgende eigenschappen:

(1) Lage kosten van de oplossing, eenvoudige samenstelling, gemakkelijke bediening en onderhoud.

Over het algemeen is alleen het verdunnen van zwavelzuur tot een bepaalde concentratie nodig, zonder toevoeging van andere chemische middelen. Chemisch zuiver zwavelzuur of industrieel zwavelzuur met minder onzuiverheden wordt aanbevolen voor gebruik, zodat de kosten bijzonder laag zijn.

(2) Hoge transparantie van de oxidelaag.

De zwavelzuur anodiseerhuid van zuiver aluminium is kleurloos en transparant. Bij aluminiumlegeringen zal de transparantie afnemen naarmate de legeringselementen Si, Fe, Cu en Mn toenemen. Vergeleken met andere elektrolyten is de kleur van de zwavelzuur anodiseerhuid het lichtst.

(3) Hoge kleurprestaties.

De zwavelzuuroxidefilm is transparant en de poreuze laag heeft een sterke adsorptie en is gemakkelijk te verven en te kleuren. De kleur is helder en vervaagt niet snel, met een sterk decoratief effect.

(4) De bedrijfsomstandigheden voor zwavelzuur anodiseren zijn:

2. Oxaalzuur en chroomzuur anodiseren.

Oxaalzuuranodisatie wordt veel gebruikt in Japan, en de kenmerken van de oxidelaag zijn vergelijkbaar met zwavelzuuranodisatie, met een lagere porositeit dan zwavelzuuranodisatie, hoge corrosiebestendigheid en hardheid. De kosten van de oxaalzuuroplossing en de bedrijfsspanning zijn hoger dan die van zwavelzuur en de kleur van de oxidelaag van sommige legeringen kan donkerder zijn. Zowel oxaalzuur als zwavelzuur anodisatie vereisen een goed koelsysteem.

De werkomstandigheden voor oxaalzuur anodiseren zijn:

Chroomzuur anodiseerhuid is bijzonder corrosiebestendig en wordt vooral gebruikt in de ruimtevaartindustrie. De hechting van chroomzuuranodiseerhuid en verf is sterk, waardoor het geschikt is als basis voor verf. De grijs ondoorzichtige chroomzuur anodiseerhuid wordt over het algemeen niet gebruikt voor decoratieve doeleinden.

De werkomstandigheden voor chroomzuuranodiseren zijn:

3. Hard anodiseren.

In de late Tweede Wereldoorlog, om de hardheid en dikte van de anodiseerhuid te vergroten, werd de temperatuur van de zwavelzuur anodiseer tank verlaagd tot 0℃, en de stroomdichtheid werd verhoogd tot 2,7~4,0A/dm2, waardoor een "harde oxidelaag" van 25~50μm werd verkregen. Een harde anodiseerhuid kan worden verkregen bij 5~15℃ met behulp van oxaalzuur met een kleine hoeveelheid zwavelzuur. Sommige patenten gebruiken geoptimaliseerde zwavelzuurconcentraties, organische zuren of andere additieven zoals benzeenhexacarbonzuur voor hard anodiseren.

In Schotland vond Campbell het gebruik uit van een AC-DC gesuperponeerde voeding, een snelle stroom van elektrolyt, 0℃ en een stroomdichtheid van 25~35A/dm2 om een harde anodiseerhuid van 100μm te verkrijgen.

Tegenwoordig wordt pulsstroom gebruikt voor hard anodiseren, vooral voor aluminiumlegeringen met een hoog kopergehalte, die over het algemeen moeilijk hard te anodiseren zijn. Het gebruik van pulsstroom kan "verbranden" voorkomen. Er worden ook veel voedingen gebruikt voor hard anodiseren, zoals AC-DC, verschillende frequenties van eenfase of driefasen pulsstromen, omgekeerde stromen, enz.

Bij traditioneel DC hard anodiseren kan de stroomdichtheid over het algemeen niet groter zijn dan 4,0A/dm2. Bij een eenfasige gelijkrichter pulsvoeding kan de piekwaarde van de stroompuls zeer groot zijn, maar het handhaven van de uniformiteit van de oxidelaagdikte is een belangrijk punt.