Что такое твердое анодирование: технологии, преимущества и применение

Твердое окисление известно, как твердое анодирование. Оно используется в машиностроении или военном деле, оно применимо как к деформированным сплавам, так и к деталям из сплавов, отлитых под давлением. Толщина твердого анодирования обычно составляет 25-150 мм, а толщина большинства твердоанодированных пленок составляет 50-80 мм. Твердые анодированные пленки толщиной менее 25um используются для деталей, применяемых в таких областях, как зубчатые ключи и резьба, и толщина пленки для износостойкости или изоляции составляет около 50um, а при определенных специальных условиях процесса требуются твердые анодированные пленки толщиной 125um или более.

Твёрдое анодирование — это современный технологический процесс, который используется для улучшения эксплуатационных характеристик алюминиевых и его сплавов. Благодаря этому методу поверхность металла становится прочной, износостойкой и устойчивой к коррозии. В данной статье мы подробно разберём, что такое твёрдое анодирование, его особенности, преимущества и применение в различных отраслях.

Что такое твёрдое анодирование

Твёрдое анодирование, также известное как анодирование тип III, представляет собой электрохимический процесс, при котором на поверхности алюминия образуется плотный и толстый слой оксида алюминия. Этот слой обладает высокой твёрдостью, сравнимой с корундом, что делает его отличным выбором для применения в условиях высокой нагрузки и агрессивных сред.

Глубоким, или твёрдым анодированием называют технологический процесс, в результате которого на поверхности алюминиевых сплавов образуется защитный слой толщиной свыше 50 мкм. Использование сернокислого электролита при постоянном перемешивании и охлаждении вызывает образование износостойкой, электроизоляционной оксидной плёнки, обладающей высокой прочностью. Данный способ гальванизации повышает долговечность и уменьшает износ трущихся деталей, а также существенно повышает жаростойкость по сравнению с характеристикой исходного металла. При заказе услуги глубокого (твёрдого) анодирования следует учитывать требования, предъявляемые к обрабатываемым заготовкам. 

Однако следует отметить, что чем толще анодная оксидная пленка, тем ниже может быть микротвердость внешнего слоя, а шероховатость поверхности пленки увеличивается. Баковый раствор для твердого анодирования обычно представляет собой раствор серной кислоты, а также серной кислоты с органическими кислотами, такими как щавелевая кислота и сульфаминовая кислота. Кроме того, обработка может быть достигнута путем снижения температуры анодирования или уменьшения концентрации серной кислоты.

Для деформированных алюминиевых сплавов с содержанием меди более 5% или кремния более 8%, или высококремнистых алюминиевых сплавов, отливаемых под давлением, возможно, также следует рассмотреть некоторые специальные меры для анодирования. Например, для алюминиевого сплава серии 2XXX, чтобы избежать сгорания алюминиевого сплава в процессе анодирования, в качестве раствора для электролитической ванны можно использовать 385 г/л серной кислоты плюс 15 г/л щавелевой кислоты, а также увеличить плотность тока до более чем 2,5 А/дм.

Что такое твердое анодирование?

Твердое анодирование типа 3

Широко используются следующие процессы:

  1. Метод твердого анодирования серной кислотой.
  2. Метод твердого анодирования с использованием щавелевой кислоты.
  3. Твердое анодирование смешанной кислотой.

Принцип твердого анодирования: Принцип твердого анодирования алюминиевого сплава простой серной кислотой не отличается от обычного принципа, но в случае твердого анодирования смешанной кислотой наблюдаются некоторые присоединенные реакции.

Сущность реакции:

  1. Катодная реакция: 4H2+4e=2H2↑
  2. Анодная реакция: 4OH—4e=2H2O+2O↑
  3. Окисление алюминия: кислород, осажденный на аноде, находится в атомарном состоянии, которое более активно, чем кислород в молекулярном состоянии, и с большей вероятностью вступает в реакцию с алюминием: 2A1+3O→A12O3
  4. Окисление в анодной пленке растворение динамического равновесия: оксидная пленка с увеличением времени, ток увеличивается и способствует утолщению оксидной пленки. В то же время, из-за двойственности химических свойств (Al2O3), т.е. он является основным оксидом в кислом растворе и кислотным оксидом в щелочном растворе. Несомненно, в растворе серной кислоты растворяется оксидная пленка, и только когда скорость образования оксидной пленки превышает скорость ее растворения, оксидная пленка может уплотняться, а когда скорость растворения равна скорости образования, оксидная пленка больше не уплотняется. Когда скорость окисления чрезмерно превышает скорость растворения, поверхность деталей из алюминия и алюминиевых сплавов склонна к образованию оксидной пленки с порошком.
Что такое твердое анодирование?

Технология твёрдого анодирования

Процесс твёрдого анодирования включает несколько этапов:

  1. Очистка поверхности.
    • Заготовка очищается от грязи, масла и оксидных слоёв для обеспечения равномерного анодирования.
  2. Погружение в электролит.
    • Заготовка помещается в ванну с раствором серной кислоты или других электролитов. Температура электролита обычно поддерживается на низком уровне (от -5°C до +5°C) для формирования более плотного оксидного слоя.
  3. Пропускание электрического тока.
    • Через электролит пропускается ток, что вызывает образование оксидного слоя на поверхности алюминия. Чем дольше длится процесс, тем толще и твёрже становится слой.
  4. Заключительная обработка.
    • После анодирования изделие может быть дополнительно герметизировано для улучшения коррозионной стойкости или окрашено, чтобы придать декоративные свойства.

Особенности глубокого анодирования

Эта технология не используется для сплавов, в которых содержание меди выше 5%, для прессованных или отлитых под давлением заготовок, так как невозможно получить качественный толстый слой. Глубокое анодирование не применяется для обработки изделий с толщиной стенок менее 0,8 мм, для деталей с клёпкой и сварными швами, метизов с шагом резьбы менее 1,5 мм. Обрабатываемые детали не должны иметь шероховатость ниже 1,2 мкм, острые углы, заусенцы и кромки радиусом менее 0,5 мм. Вершины резьбы следует закруглять с радиусом 0,2 мм.

С увеличением толщины покрытия повышается его хрупкость, поэтому обработанные изделия не должны испытывать ударные нагрузки при эксплуатации. Так как на готовом изделии после этого способа обработки могут появиться темные пятна и полосы, ухудшающие внешний вид, рекомендуется использовать окрашенную оксидную плёнку. С помощью такой обработки можно получить также зеркальную, матовую или полуматовую поверхности.  Готовые изделия необходимо тщательно промывать.

Что такое твердое анодирование?

Какие требования предъявляются к процессу твердого анодирования

Чтобы получить пленку удовлетворительного качества и гарантировать требуемые размеры детали, она должна быть обработана в соответствии со следующими требованиями.

  • Скругление острых углов   

На обрабатываемых деталях не допускается наличие острых углов, заусенцев и других видов остроугольных мест, так как из-за твердого окисления общее время анодирования очень велико, а сам процесс окисления (A1 + O2 → A12O3 + Q) является экзотермической реакцией. И поскольку в общих частях угловых мест часто более концентрированные части тока, поэтому эти части, скорее всего, вызовут локальный перегрев деталей, так что детали сгорят. Поэтому все углы алюминия и алюминиевого сплава должны иметь фаску, а радиус фаски y не должен быть меньше 0,5 мм.

  • Обработка поверхности   

После завершения процесса, отделка поверхности деталей изменяется, для шероховатой поверхности, после этой обработки может показаться более плоской, чем оригинал, и для оригинальной отделки более высоких частей, часто после такой обработки, показывая яркость отделки поверхности уменьшается вместо этого, снижение в диапазоне около 1 до 2 уровней.

  • Предел размера детали   

Из-за большой толщины твердой оксидной пленки алюминиевые детали, которые нуждаются в дальнейшей обработке, или детали, которые должны быть собраны позже, должны быть заранее оставлены с определенным припуском на обработку, а также назначены зажимные детали.   Из-за твердого анодирования, чтобы изменить размер деталей, поэтому при обработке, чтобы предсказать заранее, возможную толщину оксидной пленки и допуск размера, а затем в определении фактического размера деталей до анодирования, так что после обработки, в соответствии с указанным диапазоном допуска.

Вообще говоря, увеличение размера детали составляет примерно половину толщины образующейся оксидной пленки.

  • Специальный инструмент   

Поскольку твердые анодированные детали в процессе окисления, чтобы выдержать очень высокое напряжение и высокий ток, необходимо сделать приспособление и детали могут поддерживать очень хороший контакт, в противном случае это будет вызвано плохим контактом и пробоем или ожогом деталей контактных частей проблемы. Поэтому требуется разработка и изготовление специальных приспособлений для различных форм деталей, а также особые требования к деталям после окисления.

Преимущества твёрдого анодирования

Твёрдое анодирование имеет множество преимуществ, благодаря которым оно широко используется в промышленности:

  1. Высокая износостойкость.
    • Оксидный слой обладает твёрдостью, сопоставимой с закалённой сталью, что делает поверхность устойчивой к истиранию.
  2. Улучшенная коррозионная стойкость.
    • Твёрдое анодирование защищает алюминий от воздействия влаги, кислот, щелочей и солей.
  3. Повышенная термостойкость.
    • Оксидный слой выдерживает высокие температуры, что делает его подходящим для применения в условиях сильного нагрева.
  4. Электроизоляционные свойства.
    • Анодированный слой обладает отличными диэлектрическими характеристиками.
  5. Декоративный эффект.
    • Процесс позволяет окрашивать изделия в различные цвета, сохраняя при этом их прочностные свойства.

Области применения твёрдого анодирования

Благодаря своим уникальным свойствам твёрдое анодирование используется в различных отраслях:

  1. Авиационная и космическая промышленность.
    • Применяется для защиты алюминиевых деталей самолётов и космических аппаратов от износа и коррозии.
  2. Автомобильная промышленность.
    • Используется для повышения долговечности деталей, таких как поршни, шестерни и тормозные системы.
  3. Медицина.
    • Анодированные алюминиевые инструменты обладают биосовместимостью и устойчивостью к стерилизации.
  4. Электроника.
    • Защищает корпуса и детали устройств от повреждений и служит изолятором для электрических компонентов.
  5. Пищевая промышленность.
    • Анодированные покрытия безопасны для контакта с продуктами питания и легко очищаются.

Разница между твёрдым и обычным анодированием

Хотя твёрдое анодирование и стандартное анодирование имеют схожую природу, между ними есть значительные различия:

  • Толщина слоя. Твёрдое анодирование создаёт слой толщиной до 100 мкм, в то время как стандартное — около 10-25 мкм.
  • Твёрдость. Твёрдый анодированный слой значительно твёрже.
  • Условия процесса. Твёрдое анодирование проводится при более низких температурах и с использованием большего напряжения.

Недостатки твёрдого анодирования

Несмотря на многочисленные преимущества, процесс имеет и некоторые ограничения:

  1. Сложность процесса.
    • Твёрдое анодирование требует точного контроля температуры и напряжения.
  2. Ограничения по толщине.
    • Слишком толстый слой может быть хрупким и склонным к растрескиванию.
  3. Стоимость.
    • Процесс более затратный по сравнению с обычным анодированием.

Заключение

Твёрдое анодирование — это высокотехнологичный процесс, который значительно улучшает эксплуатационные свойства алюминия. Благодаря высокой прочности, износостойкости и устойчивости к коррозии, он нашёл применение в самых различных сферах — от авиации до медицины. Несмотря на более высокую стоимость, твёрдое анодирование остаётся одним из лучших методов обработки алюминия для задач, требующих максимальной надёжности и долговечности.