Рубрика: Покрытия и защита металла
Анодирование — основной способ защиты и отделки деталей из алюминия и его сплавов. В отличие от гальванических покрытий, анодный слой не осаждается на поверхность, а вырастает из самого металла: алюминий под действием тока превращается в оксид. В результате деталь получает твёрдую, износостойкую и электроизоляционную поверхность, которую можно окрасить практически в любой цвет. В статье разбираем виды анодирования, свойства покрытия, влияние марки сплава и то, что нужно учесть конструктору при проектировании детали.
Алюминий на воздухе всегда покрыт естественной оксидной плёнкой толщиной в несколько нанометров. Она защищает металл в нейтральной среде, но слишком тонка для серьёзной нагрузки. При анодировании деталь подключают к положительному полюсу источника тока и погружают в кислотный электролит. На поверхности начинается контролируемое окисление: растёт слой оксида алюминия Al2O3 толщиной от единиц до сотни микрометров.
Анодный оксид состоит из двух частей. У самого металла — тонкий плотный барьерный слой, выше — пористый слой из правильных шестигранных ячеек с каналами диаметром в десятки нанометров. Именно эти поры позволяют окрашивать покрытие: краситель проникает в каналы и затем запечатывается. Без последующего наполнения поры остаются открытыми, и коррозионная стойкость покрытия заметно ниже.
Важная особенность: примерно половина толщины покрытия уходит вглубь металла, половина — наружу. Так, при анодном слое 20 мкм размер детали на сторону увеличивается приблизительно на 10 мкм. Для твёрдого анодирования соотношение близко к тому же, поэтому на точных деталях эту поправку обязательно закладывают при механической обработке.
Режим анодирования выбирают исходя из назначения детали: декоративная отделка, защита от коррозии, износостойкость или электроизоляция.
| Вид | Электролит | Толщина, мкм | Твёрдость, HV | Назначение |
|---|---|---|---|---|
| Сернокислое (обычное) | Серная кислота, 18–22 °C | 5–25 | 200–350 | Защитно-декоративное, под окрашивание |
| Твёрдое (глубокое) | Серная кислота, 0 … минус 5 °C | 30–100 | 350–550 | Износостойкость, электроизоляция |
| Хромовокислое | Хромовый ангидрид | 2–5 | Невысокая | Детали с усталостной нагрузкой, подготовка под клей и краску |
| Щавелевокислое | Щавелевая кислота | 10–60 | 300–450 | Электроизоляция, специальные задачи |
| Фосфорнокислое | Фосфорная кислота | 1–3 | Низкая | Подготовка под склеивание |
Самый распространённый вариант. Процесс идёт при комнатной температуре и умеренной плотности тока, покрытие получается прозрачным, легко окрашивается органическими красителями и солями металлов. Оно хорошо защищает от атмосферной коррозии, придаёт изделию аккуратный вид и применяется для корпусов приборов, профилей, панелей, ручек, элементов мебели и оборудования.
Проводится при низкой температуре электролита и высокой плотности тока. Охлаждение замедляет растворение оксида кислотой, что позволяет вырастить толстый плотный слой. Твёрдость покрытия сопоставима с закалённой сталью, а износостойкость в парах трения многократно превышает износостойкость исходного алюминия. Цвет покрытия зависит от сплава — от серого до тёмно-бронзового и почти чёрного. Применяется для поршней, цилиндров пневматики, направляющих, деталей гидравлики, шестерён, валов.
Даёт тонкий эластичный слой, который минимально снижает усталостную прочность. Покрытие хорошо удерживает лакокрасочные материалы и клеи, поэтому используется в авиастроении. Из-за токсичности соединений шестивалентного хрома применение этого метода сокращается.
Свежий анодный слой похож на губку: поры открыты, поверхность легко загрязняется и впитывает влагу. Заключительная операция — наполнение, или уплотнение, — закрывает поры и стабилизирует покрытие.
Окрашивают обычно покрытия сернокислого анодирования. Органические красители дают яркие насыщенные цвета: красный, синий, золотистый, зелёный, чёрный. Электролитическое окрашивание солями олова или никеля обеспечивает светостойкие бронзовые и чёрные тона, которые не выгорают на солнце. Для твёрдого анодирования выбор цветов ограничен — чаще всего его оставляют естественным или окрашивают в чёрный.
Не все алюминиевые сплавы анодируются одинаково хорошо. Легирующие элементы — медь, кремний, цинк, магний — по-разному встраиваются в оксидный слой и влияют на его цвет, толщину и твёрдость.
| Группа сплавов | Примеры марок | Поведение при анодировании |
|---|---|---|
| Чистый и малолегированный алюминий | АД0, АД1 | Прозрачный слой, отличный декоративный вид |
| Алюминий-магний | АМг2, АМг3, АМг6 | Хорошее покрытие, равномерный цвет |
| Алюминий-магний-кремний | АД31, АД33, АД35 | Отличная анодируемость, стандарт для профилей |
| Дюралюмины (медь) | Д1, Д16 | Слой мягче и тоньше, сероватый цвет, при твёрдом анодировании нужны особые режимы |
| Высокопрочные (цинк) | В95 | Анодируется удовлетворительно, оттенок неоднородный |
| Литейные (кремний) | АК7, АК12 | Тёмно-серое неоднородное покрытие, декоративность низкая |
Если для детали важен внешний вид, лучше выбирать сплавы серии АМг или АД31. Для твёрдого анодирования хорошо подходят АМг и АД33, а Д16 требует снижения плотности тока и даёт более мягкий слой. Литейные силумины с высоким содержанием кремния анодируются плохо: покрытие получается тонким, рыхлым и тёмным, поэтому для них чаще выбирают другие способы защиты.
Анодирование подчёркивает все дефекты поверхности: риски, следы инструмента, царапины становятся заметнее. Поэтому финишная механическая обработка должна соответствовать требованиям к внешнему виду.
На острых кромках анодный слой растёт под углом, и в вершине образуется зона с пониженной толщиной и трещинами. Для твёрдого анодирования рекомендуется скругление кромок радиусом не менее 0,3–0,5 мм. Глухие отверстия малого диаметра и глубокие пазы покрываются хуже из-за затруднённого обмена электролита.
Деталь крепится на подвеску из титана или алюминия, и в месте контакта покрытие отсутствует. Если на детали есть поверхности, где след контакта недопустим, их нужно указать в чертеже или согласовать место крепления с технологом.
Анодирование изменяет сразу несколько характеристик поверхности алюминиевой детали.
Анодирование снижает усталостную прочность детали, особенно при толстых твёрдых слоях: хрупкий оксид становится источником микротрещин. Для деталей, работающих при циклических нагрузках, это учитывают при расчёте или выбирают тонкое хромовокислое покрытие. Кроме того, анодированная поверхность не проводит ток, что важно для заземления — контактные площадки защищают от покрытия или зачищают после него.
В технических требованиях анодное покрытие по ГОСТ 9.306 обозначают как «Ан.Окс» с указанием толщины и дополнительной обработки. Например, «Ан.Окс.нв» — анодное окисление с наполнением в воде, «Ан.Окс.тв40» — твёрдое анодирование толщиной 40 мкм, «Ан.Окс.эиз» — электроизоляционное. Для окрашенных покрытий указывают цвет.
Контроль включает проверку внешнего вида, толщины вихретоковым толщиномером, качества наполнения капельной пробой красителем, а для твёрдого анодирования — микротвёрдости и пробивного напряжения, если они оговорены.
Большинство претензий к анодированным деталям связано не с самим процессом, а с решениями, принятыми на этапе проектирования и изготовления заготовки.
Анодировать собранный узел со стальными винтами, запрессованными втулками или клёпками нельзя: кислота затекает в зазоры, стальные элементы растравливаются, а вокруг них покрытие не формируется. Детали анодируют по отдельности до сборки, а резьбовые вставки устанавливают после покрытия.
Сварной шов выполняется присадочной проволокой другого состава и после анодирования заметно отличается по цвету — темнее или светлее основного металла. Если внешний вид важен, подбирают присадку, близкую к основному сплаву, или переходят на порошковую окраску.
Снять неудачное покрытие можно только химическим стравливанием вместе с частью металла. При этом размеры детали уменьшаются на толщину ушедшего слоя, а поверхность может потерять исходную шероховатость. Для точных деталей переделка часто невозможна, поэтому режим и цвет лучше утвердить на пробном образце.
Анодирование — универсальное покрытие для алюминия: оно защищает от коррозии, повышает твёрдость, даёт электроизоляцию и широкие возможности декоративной отделки. Для корпусных и декоративных деталей подходит сернокислое анодирование с окрашиванием, для трущихся и нагруженных — твёрдое. Результат во многом определяется маркой сплава и подготовкой поверхности, поэтому их стоит выбирать с учётом будущего покрытия. При проектировании точных деталей закладывайте прирост размеров и скругление кромок. Мы изготавливаем алюминиевые детали на фрезерных станках и подбираем покрытие под условия работы — от единичных образцов до серий.
