Czym jest anodowane aluminium?

Stopy aluminium to bardzo szeroka grupa materiałów konstrukcyjnych, których składy są określone normami. Zostały one pogrupowane w serie, ze względu na główne dodatki stopowe. Przykładowo, seria stopu 1XXX oznacza minimum 99% czystego aluminium, a seria 7XXX oznacza stopy, gdzie głównym składnikiem stopowym jest cynk. Użytkownicy tych materiałów zazwyczaj posługują się klasyfikacją według serii, dlatego nie zostały powszechnie przyjęte żadne nazwy handlowe dla stopów aluminium. Pewien wyjątek może stanowić nazwa Duraluminium, która określa stop aluminium z miedzią, czyli serię 2XXX, lecz nazwa ta jest także nadużywana dla innych stopów.

Poanodowane stopy jako materiały nie są objęte normą, jednak sam proces anodowania jest znormalizowany. Powłoka tlenkowa osiąga różne cechy w zależności od dobranych parametrów procesu. Przykładami norm są PN-EN 2101:1997, opisujące anodowanie w kwasie chromowym aluminium i jego stopów przerobionych plastycznie, PN-EN 2536:1999 opisujące anodowanie aluminium twarde oraz PN-EN ISO 7599:2011 warunkujące specyfikacje ogólne anodowych powłok tlenkowych.

Proces anodowania co do istoty jest podobny w różnych wariantach i dzieli się na kilka  etapów. Pierwszym z nich jest przygotowanie powierzchni metalu poprzez dokładne oczyszczenie i odtłuszczenie. W sytuacji, gdy wymagany jest wysoki połysk, stosuje się również szlifowanie i polerowanie mechaniczne. Kolejnym etapem jest proces anodowego  utleniania. W odpowiednio dobranym elektrolicie, anodą jest obrabiana powierzchnia aluminium, natomiast katodą jest metal odporny na działanie elektrolitu, np. ołów lub aluminium. Elektrolitem natomiast najczęściej jest kwas siarkowy, chromowy lub szczawiowy. Narastanie powłoki tlenkowej również przebiega etapowo. Na początku procesu  narasta cienka na 0,01-0,1 µm warstewka zaporowa, która następnie przebudowuje się w warstewkę porowatą, w której pod wpływem zwiększania objętości tlenku pojawiają się  naprężenia prowadzące do mikropęknięć będących bazą dla narastających porów. Warstwa  porowata narasta poprzez jednoczesne budowanie się tlenku oraz pogłębianie się porów  w głąb metalu.

Kolejnym etapem jest barwienie powierzchni. Można je przeprowadzić poprzez zanurzenie detali w kąpieli z barwnikami organicznymi i solami nieorganicznymi lub poprzez barwienie elektrolityczne. Ostatnim etapem anodowania jest uszczelnianie powłoki. Przeprowadza się je najczęściej w kąpieli gorącej wody, w temperaturze ok. 96ºC przez czas ok. 2 minut na 1 µm grubości warstwy. W czasie kąpieli zachodzi zasklepienie porowatej powłoki, tworząc gładką szklistą powierzchnię zabezpieczającą metal przed korozją.

Aluminium swoje wszechstronne zastosowanie w inżynierii konstrukcyjnej zawdzięcza przede wszystkim niewielkiej gęstości i dobrym właściwościom mechanicznym. Jest łatwy  w odlewaniu oraz posiada dobrą przewodność cieplną i elektryczną. Czyste aluminium jest  miękkie i posiada niewielką wytrzymałość mechaniczną, jednak jego stopy znacznie  poprawiają te parametry, jednocześnie w niewielkim stopniu pogarszając właściwości cieplne  i elektryczne.

Tlenek aluminium Al2O3 to ceramika techniczna, której parametry w porównaniu z obecnie wykorzystywaną ceramiką są przeciętne, jednak bardzo dobrze sprawdza się jako zabezpieczenie powierzchniowe. Posiada dziesięciokrotnie większą twardość od stopów aluminium, co doskonale chroni metal przed zarysowaniem, czynnikami kwaśnymi oraz korozją. Właściwości mechaniczne w dużym stopniu zależą od wielkości ziaren w strukturze. Przykładowo, gruboziarnista struktura o ziarnach wielkości 50-150 µm osiąga wartość wytrzymałości na zginanie 70 MPa, jednak struktura o ziarnach 2 µm większa ten parametr do wartości nawet 450 MPa. Szkliwo tlenkowe wzmacnia wytrzymałość mechaniczną detali aluminiowych, jednak zależy to w dużym stopniu od ilości powłoki w przekroju detalu. Dla przykładu wzrost sztywności detalu grubościennego nie będzie tak odczuwalny, jak w przypadku blach, czy przetłoczonych profili cienkościennych. Przewodność cieplna i elektryczna, która jest wielokrotnie mniejsza, niż aluminium może być zarówno wadą jak i zaletą, w zależności od przeznaczenia poanodowanego detalu. Detale aluminiowe anoduje się najczęściej w celu zabezpieczenia powierzchni, dlatego w badaniach obiektem zainteresowania jest przede wszystkim powłoka tlenkowa.

Najistotniejszymi parametrami są jej grubość oraz mikrotwardość, które są uzależnione od dobranych parametrów galwanicznych. Badania przeprowadza się na szlifach poprzecznych próbek. Tak przygotowane zgłady można poddać obserwacji mikroskopowej przy powiększeniu x1000. Pomiar grubości odbywa się przy pomocy wskaźników mikroskopu, natomiast pomiar twardości przy użyciu mikrotwardościomierza zintegrowanego z mikroskopem. Obciążenie rzędu kilku dziesiątych Newtona odbywa się na podobnej zasadzie co metoda Vickersa. Nacisk z odległości kilku mikrometrów od powierzchni zgładu zbierany jest z kilku miejsc na szerokości warstwy powłoki.

Aluminium i jego stopy, to ważne materiały w inżynierii konstrukcyjnej i elektrycznej. Ze względu na swoją małą gęstość jest chętnie wykorzystywany do konstrukcji nośnych, silników oraz karoserii i obudów. Posiada zadowalające właściwości mechaniczne, które dodatkowo można polepszyć przez umacnianie wydzieleniowe lub poprzez zgniot, dlatego jest szczególnie wykorzystywany w przemyśle lotniczym i transporcie. Aluminium poanodowane znajduje zastosowanie tam, gdzie detale wystawione są na czynnikiatmosferyczne lub agresywne środowisko kwasu i wilgoci wywołujących korozję. Mogą to być elementy konstrukcji budowlanych (np. drzwi, okna, okucia) oraz maszynowych (np. obudowy, profile konstrukcyjne). Ze względu na wysoką twardość szkliwa, detale wykorzystywane są również do części wystawionych na czynniki ścierne.

Powłoka tlenkowa ma słabą przewodność cieplną i elektryczną, dlatego anodowane aluminium wykorzystuje się również jako izolator w miejscach, gdzie wymagana jest obecność elementów konstrukcji aluminiowej w sąsiedztwie instalacji elektrycznej. Funkcje izolujące powłoki na stopach serii 1XXX stosuje się również w przemyśle spożywczym do pojemników i opakowań. Charakterystyczną możliwością, jaką daje technologia anodowania jest barwienie detali. Daje to bardzo estetyczny wygląd detali z możliwością personalizacji 8w zależności od potrzeb. Elementy barwione wykorzystywane są jako elementy obudów maszyn i urządzeń, mebli, jako panele sterujące oraz gadżety użytku codziennego.Możliwość barwienia powłoki tlenkowej daje ogromny potencjał na przyszłościowe zastosowania anodowanego aluminium. Jedną z technologii, która wykorzystuje tę cechę jest druk cyfrowy, który wykorzystuje firma IMAGO Printer w swoich urządzeniach.

Poanodowane aluminium o powierzchni płaskiej zadrukowane jest dowolną grafiką metodą druku cyfrowego, a następnie poddane kąpieli uszczelniającej. Technologia umożliwia otrzymywanie niezniszczalnego druku odpornego na ścieranie i chemikalia. Jest konkurencją dla grawerowania oraz innych metod druku, które nie zapewniają takiej trwałości oraz precyzji. Specjalny atrament osadza się w porach powłoki tlenkowej, dzięki czemu można uzyskać precyzyjny druk, którego dokładność dostrzegalna jest nawet za pomocą szkła powiększającego. Technologia stosowana jest najczęściej do tabliczek znamionowych maszyn, tablic informacyjnych wystawionych na szkodliwe warunki, przyrządów pomiarowych oraz do wystroju wnętrz.

Powłoka anodowa jest odporna na większość chemikaliów, dlatego ilość czynników degradacyjnych jest niewielka. Największymi zagrożeniami dla tlenku aluminium są substancje o odczynie silnie zasadowym (powyżej 9 pH), które rozpuszczają powłokę i, w dalszej kolejności, rdzenny materiał. Powłoka tlenkowa jest twarda i krucha, dlatego należy unikać silnego obciążania detali, aby zapobiec pęknięć warstwy, które mogą przepuścić do aluminium czynniki wywołujące korozję.

Wykorzystując w produkcji detale z anodowanego aluminium warto pamiętać o ich skutkach dla środowiska. Sam materiał nie jest szkodliwy, natomiast proces jego wytwarzania 9musi być uwarunkowany normami ochrony środowiska. Kąpiele elektrolityczne i wodne muszą odbywać się w specjalnych zbiornikach, a wykorzystywane w nich elektrolity i płukanki utylizowane. Ponadto, podczas procesu anodowania wytwarza się duża ilość ciepła, która musi być zostać odprowadzona.

Anodowane aluminium podobnie jak aluminium niezabezpieczone może zostać poddane ponownemu przetopieniu, dzięki czemu proces anodowania nie utrudnia czynności recyklingowych materiału.