Все мы не раз видели и пользовались изделиями из алюминия, почему-то покрытого разноцветными, так называемыми «анодированными покрытиями».
Изучим, что это такое, как это делается и зачем это надо!
Вообще говоря, простая житейская логика подсказывает, что нанесение дополнительных покрытий на алюминий, на первый взгляд, вроде бы «лишено смысла»: он и так покрыт, вроде как, оксидной плёнкой, благодаря чему и сохраняет матовый металлический вид даже после многолетнего нахождения под землёй. Поэтому далеко не редкость, когда разнообразные алюминиевые предметы бывают добыты практически в первозданном состоянии во время раскопок различными копателями.
Но давайте рассмотрим с самого начала…
Как уже было сказано выше, алюминий как металл в присутствии атмосферного воздуха с очень большой скоростью окисляется и покрывается оксидной плёнкой, толщина которой обычно составляет порядка
мкм.Покрытие алюминия оксидной плёнкой весьма экзотермический процесс, то есть идёт с очень большим выделением тепла — к примеру, если взять условную единицу каменного угля, то она сгорает с выделением «всего лишь» примерно 394 кДж/моль теплоты, тогда как та же самая единица алюминия окислится уже с выделением аж 1670 кДж/моль теплоты!
Обычно в промышленном производстве для большинства изделий, которые представляют собой относительно габаритные объекты, это окисление не представляет собой проблемы, так как алюминий, кроме всего прочего, является достаточно теплопроводным металлом, и, условно говоря, покрытие окислом поверхности достаточно габаритного бруска будет незаметно.
Но всё кардинально меняется, если должны окислиться мелкие частицы, такие как пыль — подобное окисление с очень большой вероятностью приведёт к взрыву!
И вот тут как раз и возникает проблема: одной из известных технологий производства порошковых металлов является распыление расплавленных металлов, и если попытаться распылять расплавленный алюминий в атмосферной среде, то произойдёт возгорание с тепловыделением примерно на уровне горящего магния!
Но сразу приходит в голову альтернативный вариант: а что, если распылять в среде инертного газа?
Казалось бы, всё логично, но нет: в этом случае проблема ещё больше усугубляется. Да, распыляемая алюминиевая пыль не будет окисляться и останется с чистой металлической поверхностью.
Но при попытке впустить туда атмосферный воздух весь объём этой пыли окислится разом — другими словами, может произойти взрыв!
С этой проблемой борются разными способами, один из которых заключается в создании более крупных частичек пыли, а само распыление происходит в атмосферной среде с дополнительными добавками, например, такими как парафин или стеариновая кислота, предотвращающие окисление.
Механизм этого предотвращения работает таким образом, что, к примеру, если используется стеариновая кислота, то она реагирует с поверхностью алюминия и при этом образуется «алюминиевое мыло», химически инертное.
Оба этих компонента (парафин и стеариновая кислота) являются устойчивыми при температурах распыления алюминия, но в то же время без проблем разлагаются в дальнейшем, если порошку необходимо пройти высокотемпературную обработку (например, он поступил в металлургическое производство и его спекают). Таким образом получается защита от взрыва, и в то же время порошок сохраняет свои полезные качества как исходного сырья для производства изделий.
Ещё одним альтернативным способом является распыление в инертной среде и, в дальнейшем, постоянное оперирование этим порошком в инертных средах без доступа кислорода или атмосферного воздуха.
В качестве ещё одной альтернативы может использоваться осаждение из растворов солей алюминия.
Этот список не исчерпывающий — могут использоваться и иные варианты.
Но это было некоторое отступление. Однако вернёмся к самой сути нашего рассмотрения…
Большая часть промышленных алюминиевых изделий, поставляемых конечному потребителю, поставляется с декоративными покрытиями, и процесс этот называется «анодирование», где суть процесса заключается в подвешивании алюминиевой детали на плюсовом электроде (аноде), в то время как минусовой электрод (катод) может быть изготовлен как из алюминия, так и из некоторых других металлов — например, из нержавеющей стали или свинца.
Сталь или свинец выбирают из соображений их дешевизны и стойкости к кислому электролиту (свинец) или прочности (нержавеющая сталь).
И теперь самое главное: а зачем вообще покрывают алюминий неким покрытием, ведь он уже содержит собственный оксидный слой?
Причин здесь много:
Увеличение коррозионной стойкости: выше было сказано, что собственный оксидный слой алюминия достаточно тонкий и может легко повреждаться (царапаться), что приводит к дальнейшему корродированию металла; в противовес естественной оксидной плёнке — анодированный слой достаточно толстый (вплоть до 300 мкм против 0,002-0,005 мкм толщины естественного слоя) и хорошо противостоит воздействию агрессивных факторов, таких как вода, соли и другие агрессивные среды).
Анодированный слой существенно увеличивает износостойкость изделия, так как его твёрдость по шкале Мооса доходит до 8-9 (как у корунда), что позволяет успешно противостоять износу при трении, благодаря чему такие детали могут использоваться даже в конструкциях механизмов.
Чистый алюминий пачкает поверхности: может быть, вы обращали внимание, что если взять в руки, например, алюминиевую проволоку, то на руках остаются чёрные следы, после чего руки начинают специфически пахнуть; также, если попробовать провести алюминиевой проволокой по бумаге, останется тёмный след — то есть алюминий может выступать как своего рода «вечный карандаш».
Причиной этих явлений, например в первом случае, является окисление продуктов, содержащихся на коже (хлориды, мочевина, молочная кислота, жир) алюминием, в результате чего образуется хлорид алюминия, оксиды, органические соли.
В случае же алюминиевого «вечного карандаша» причиной является истирание мягкого алюминия о поверхность с оставлением на последней мелких частичек, окисляющихся и вступающих в реакцию с веществами бумаги, что может несколько усугубляться, если на бумаге имеются отпечатки пальцев.
Покрытие алюминия анодированным слоем позволяет устранить все эти проблемы, и он перестаёт пачкаться.
Анодированный слой достаточно пористый, и это позволяет лучше удерживаться на нём краскам, что может быть важным, например, в авиастроении.
Декоративная цель: так как оксидированный алюминий имеет металлический матовый цвет, специальные способы позволяют придать покрытию ещё и декоративные свойства, окрасив его в яркие, сочные цвета.
Как осуществляется покрытие
Как легко можно догадаться, характеристики получающегося покрытия напрямую зависят от состава электролита, а также режима электролиза.
Так как мы говорим об алюминии только в достаточно условной степени — потому что, говоря «алюминий», на самом деле, мы имеем в виду «алюминий с оксидным слоем» (так как любой алюминий покрыт им в атмосферной среде), — то среди электролитов для анодирования принято разделять две большие группы:
- те, которые не растворяют или незначительно растворяют оксидное покрытие: в результате это приводит к быстрому образованию тонкой плёнки, и она носит название «барьерной» — такие покрытия получаются в растворах борной кислоты, солей винной кислоты, боратах;
- которые в процессе воздействуют ещё и на имеющуюся оксидную плёнку, а получающееся в результате покрытие отличается относительной толщиной и пористостью — такие покрытия получаются в электролитах на основе кислот, например серной кислоты. При этом пористое покрытие содержит как изначальный оксидированный слой (он не растворяется до конца), так и новый анодированный.
Одним из достаточно распространённых является анодирование в серной кислоте, где электролит представлен 15%-ным раствором серной кислоты, а его температура находится в пределах 20–22°С.
Плотность тока при этом должна составлять
при напряжении на клеммах в 10-15 В.Продолжительность процесса (это приблизительные цифры) находится в пределах 15-25 минут для прокатных изделий и 40 минут для литых.
Далее, если требуется декоративное окрашивание, деталь с готовым покрытием погружается в красители — органические или неорганические.
В качестве ещё одного альтернативного варианта окрашивания может быть применён и метод электролитического окрашивания — когда сразу после анодирования деталь перевешивается на катод (т. е. отрицательный электрод) и помещается в раствор солей металлов, где начинается осаждение этих металлов на поверхности анодированной плёнки, а также в порах.
Регулируя время обработки и применяя разные растворы, можно добиваться множества оттенков.
Окрашивание — это отдельная большая тема, поэтому рекомендую при наличии интереса обратиться к списку литературы в конце статьи, чтобы ознакомиться с этой темой более подробно (например, к источнику 1).
После окрашивания, если использовался второй метод (на основе серной кислоты), то дополнительно проводят ещё и так называемую процедуру «уплотнения» с помощью гидратации, что позволяет максимально избавиться от пор.
Суть уплотнения пор с применением гидратации заключается в том, что хорошо промытую деталь обрабатывают насыщенным паром при атмосферном давлении или кипящей водой. При этом физика происходящих явлений до конца не ясна даже учёным, однако результаты этого процесса выглядят следующим образом:
- пористая структура преимущественно закрывается, начиная от «макушек» пор;
- изначальный оксид алюминия преобразуется в гидратированную форму —
(«бемит»); - несколько снижается прочность наружных слоёв, из-за чего они становятся менее устойчивыми к стиранию.
В результате получившееся покрытие теряет или существенно снижает способность поглощать красители, а также увеличивается коррозионная стойкость из-за закрывшихся пор.
Кроме того, наблюдается и увеличение электрического сопротивления — к слову, это и используется для тестирования качества* получившегося покрытия.
*Тестирование качества покрытия на сопротивление с помощью пробивного напряжения производится следующим образом: испытуемая деталь помещается на плюсовой электрод (анод), а в качестве катода выступает пластина из другого металла, например, как мы и говорили, стали или свинца.
После чего оба электрода помещаются в электролит, в качестве которого может выступать, например, 3%-ный раствор поваренной соли в воде.
Далее через амперметр подключают к электродам питание, напряжение которого повышают со скоростью примерно 1 В/сек.
На каком-то этапе происходит резкий скачок тока, который фиксируется амперметром:
- если этот скачок произошёл при повышении напряжения больше 50 В — значит покрытие качественное и его толщина находится в пределах от 10-20 мкм;
- если такой скачок происходит при напряжении меньше 20 В, это говорит о некачественном покрытии, отличающемся пористостью и микротрещинами.
Продолжительность такого уплотнения зависит от толщины, и в среднем составляет порядка 2 мин/1 мкм толщины покрытия.
Качество покрытия зависит в немалой степени и от pH используемой воды: его величина для получения качественного покрытия не должна превышать 5,4, а если она начинает превышать 7 (то есть происходит защелачивание), появляется риск повреждения покрытия.
В целом, контроль величины pH представляет собой определённые трудности, так как в процессе обработки он постоянно изменяется. Например, если обработка проводится в кипящей воде, туда постоянно поступает остаточный электролит из пор покрытия. В результате приходится регулярно корректировать pH, добавляя, например, каустическую соду, так как если этого не делать, происходит закисливание и выход показателя pH за пределы нормы.
Для автоматической корректировки добавляют 5-10 г/л ацетата натрия или аммония в качестве буферных добавок.
После такой обработки на поверхности покрытия образуется беловатый налёт, который удаляется:
- если это мелкосерийное производство или хобби-самоделки, то просто механическим лёгким стиранием или полированием;
- при серийном же производстве (с целью уменьшения трудовых затрат) — погружением в 30-35% раствор азотной кислоты на несколько минут.
Это достаточно сокращённое описание всего процесса, так как если делать по технологической карте — как это делается на производстве, то этапы этого процесса выглядят следующим образом**:
**Достаточно подробное описание всех этапов этого процесса вы сможете найти в источнике 2 в конце статьи.
Подытоживая, можно сказать, что анодирование алюминиевых изделий занимает прочное место в инструментарии обработки металлов и служит как для повышения долговечности металла, так и для улучшения его эстетической привлекательности, а также удобства в использовании — например, поверхность перестаёт пачкаться.
Список использованных источников
- В.Ф.Хенли — «Анодное оксидирование алюминия и его сплавов»
- Э.И.Орловский — «Анодирование алюминия в производстве товаров народного потребления»
- А.И.Голубев — «Анодное окисление алюминиевых сплавов»
- Н.Д.Томашов, М.Н.Тютюкина, Ф.П.Заливалов — «Толстослойное анодирование алюминия и его сплавов»
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
