Anodická oxidácia hliníka

Anodická oxidácia hliníka (iné názvy: anodizácia hliníka, anodické okysličovanie hliníka, eloxovanie, eloxáž, eloxácia) je chemicko-technologický proces úpravy povrchu výrobkov z hliníka a jeho zliatin. Ide o vytvorenie odolnej chemickej vrstvy oxidu na povrchu výrobku.

Všeobecne

Eloxovanie sa používa pre zlepšenie vlastností výrobkov z hliníka a jeho zliatin. Zlepší sa odolnosť voči korózii, oteruvzdornosť, celková kvalita povrchu (tvrdosť, lesk ...), povrch je tiež možné zafarbiť chemicky - preniknutím farbiva do oxidovanej vrstvy. Elektrochemicky sa na finálnom hliníkovom výrobku vytvorí tenká vrstva oxidu hliníka, ktorá „prerastá“ do hliníka a je teda jeho súčasťou. Eloxovanie zmení mikroštruktúru povrchu, ako aj kryštalickú štruktúru kovu blízko povrchu. Oxid hlinitý - Al₂O₃ je v prírode známy ako korund – druhý najtvrdší nerast po diamante.

Princíp procesu

Proces sa aplikuje na už hotové výrobky ako finálna povrchová úprava.

Proces anodizácie

Pred procesom anodizácie (eloxovaním, resp. anodickým okysličovaním), t. j. tepania (tvarovania) zliatiny (prímesi) prebieha čistenie buď presakovaním čističa za tepla, alebo oplachovaním v rozpúšťadle a môže ísť o leptanie v roztoku hydroxidu sodného (obyčajne s pridaním glukonátu sodného), bifluoridu amónneho, alebo leptaním v zmesi kyselín. Odlievané zliatiny sa zvyčajne čistia kvôli prítomnosti intermetalitických prímesí s výnimkou, ak ide o veľmi čistú zliatinu ako napríklad LM0.

Eloxovaná hliníkovaná vrstva sa zväčšuje tým, že jednosmerný prúd prejde cez elektrolytický roztok, kde ako anóda (kladná elektróda) slúži prvok z hliníka. Prúd uvoľní vodík na katódu (zápornú elektródu) a kyslík na povrch hliníkovej anódy - tvorené z oxidu hlinitého. Taktiež je možné použiť striedavý a impulzný prúd, ale toto riešenie je zriedkavé. Napätie požadované v rôznych riešeniach sa pohybuje v hodnotách od 1 – 300 V DC (jednosmerné), aj keď najčastejšie sa znižuje na rozmedzie od 15 – 21 V. Pre hrubšie vrstvy sú zvyčajne potrebné vyššie napätia a tieto vrstvy sú formované sírovými a organickými kyselinami. Hodnota eloxového prúdu kolíše v závislosti od oblasti - miesta hliníka, ktoré bolo eloxované a typicky sa pohybuje od 30-300 A/m2 (alebo USA miera 2,8-28 ampérov/ft2).

Eloxovanie hliníka sa zvyčajne vykonáva v roztoku kyseliny, ktorá pomaly rozpúšťa oxid hlinitý. Pôsobenie kyseliny je v rovnováhe s rýchlosťou oxidácie formujúcej povlak (povrchovú vrstvu) nanopórmi („nanootvormi“) s priemerom 10-150 nm.

Tieto póry umožňujú roztoku elektrolytu a prúdu dosiahnuť hliníkový substrát a pokračovať vo zväčšovaní hrúbky vrstvy navyše oproti procesu autopasivácie. Ale, ak nie sú tieto póry dostatočne utesnené, neskôr umožnia vzduchu alebo vode dostať sa k podkladu substrátu a začnú proces korózie. Sú často plnené farebnými farbivami a/alebo koróznymi inhibítormi (pred utesňovaním). Pretože farbivo je len na povrchu, môžu príslušné skryté oxidy naďalej poskytovať ochranu proti korózii, aj keď môže dôjsť k menšiemu opotrebeniu a poškriabaniu farbenej vrstvy.

Podmienky procesu ako koncentrácia elektrolytu, kyslosti, teplota roztoku a prúd musia byť kontrolované, aby bolo možné vytvorenie konzistentnej jednoliatej oxidačnej vrstvy. Ťažší, hrubší film vedie k vytvoreniu viac zriedeného roztoku pri nižších teplotách s vyššími napätiami a prúdmi. Hrúbka povlaku sa pohybuje od 0,5 mikrometra pre svetlé, jasné dekoratívne výrobky až po 150 mikrometrov pri architektonických aplikáciach.

Najrozšírenejšou špecifikáciu eloxovania je MIL-A-8625, definujúca tri typy hliníkovej anodizácie. Typ I je anodizácia kyselinou chrómovou. Typ II je anodizovaný kyselinou sírnou a typ III je tvrdá anodizácia kyselinou sírovou. Ostatné špecifikácie eloxovania zahŕňajú MIL-A-63576, AMS 2469, AMS 2470, AMS 2471, AMS 2472, AMS 2482, ASTM B580, ASTM D3933, ISO 10074 a BS 5599. AMS 2468 je už zastaraná.

Žiadna z nich nedefinuje detailne chemický proces, ale ide skôr o súbor testov a opatrení kvality, ktoré musí spĺňať eloxovaný prvok. BS 1615 poskytuje poradenstvo pri výbere zliatiny pre eloxovanie. Napríklad pre britské obranné odvetvie sú podrobne opísané procesy chrómovej a sírovej anodizácie v dokumente DEF STAN 03-24/3 a DEF STAN 03-25/3.

Eloxovanie kyselinou chrómovou (Typ I)

Medzi najstaršie procesy eloxovania patrí použitie kyseliny chrómovej. Metóda je známa ako Bengough-Stuartov proces. V Severnej Amerike je známa ako Typ I, pretože je určená MIL-A-8625 štandardom, ale je taktiež obsiahnutá v AMS 2470 a MIL-A-8625 Typ IB. Vo Veľkej Británii je obyčajne špecifikovaná ako Def Stan 03/24 a použitá v oblastiach, ktoré sú náchylné na kontakt s pohonnými hmotami. Existujú taktiež štandardy vo firmách ako Boeing a Airbus. Kyselina chrómová produkuje tenšie, od 0.5 μm do 18 μm nepriehľadné filmy, ktoré sú jemnejšie a do určitého stupňa schopné seba regenerácie. Sú ťažšie zafarbiteľné a môžu byť aplikované ako predspracovanie pred zafarbením. Metóda nanášania filmu je odlišná ako pri použití kyseliny sírovej, kde je počas celého procesu prítomné napätie.

Eloxovanie kyselinou sírovou (Typ II a III)

Kyselina sírová je najrozšírenejšie použité riešenie pri produkovaní anodických vrstiev a povlakov. Vrstvy miernych hrúbok od 1.8 μm do 25 μm sú známe v Severnej Amerike ako Typ II pod štandardom MIL-A-8625, kým vrstvy hrubšie ako 25 μm sú známe ako Typ III, hrubé pokrytie, hrubé eloxovanie alebo umelé eloxovanie. Veľmi tenké povlaky, podobné ako pri eloxovaní použitím kyseliny chrómovej, sú známe ako Typ IIB. Hrubé povlaky vyžadujú väčšiu kontrolu procesu a sú vyrábané v chladiacom tanku blízko bodu mrazu vody pri vyššom napätí ako riedidlo povlakov. Za hrubé eloxovanie sa považuje vrstva o hrúbke od 13 do 150 μm. Hrúbka vrstvy zvyšuje odolnosť proti opotrebeniu a korózii, má schopnosť udržať lubrikant a PTFE nátery a zvyšuje elektrickú a teplnú izoláciu. Normy pre tenké eloxovanie kyselinou sírovou sú dané štandardami MIL-A-8625 Typ II a IIB, AMS 2471 (nefarbené), AMS 2472 (farbené), BS EN ISO 12373/1 (dekoračný), BS EN 3987 (architektonické). Normy pre hrubé eloxovanie pomocou kyseliny sírovej sú dané štandardami MIL-A-8625 Typ III, AMS 2469, BS 5599, BS EN 2536 a zastarané AMS 2468 a DEF STAN 03-26/1.

Eloxovanie organickou kyselinou

Výsledkom eloxovania pomocou slabých kyselín pod vysokým napätím a silným chladením je žltkastá farba. Odtiene farieb sú obmedzené na rozsah, ktorý zahŕňa svetložltá, zlatá, hlboký bronz, hnedá, šedá a čierna. Niektoré pokročilé variácie môžu produkovať biely povlak s 80% odrazom. Produkované farebné odtiene sú citlivé na variácie v metalurgii základných zliatin a nemôžu byť reprodukované zhodne. Eloxovanie v organických kyselinách, napríklad kyselinou jablčnou, nemôže vstúpiť do poslednej etapy z dôvodu agresívneho pôsobenia kyseliny na hliník viac ako je normálne, pričom výsledkom sú veľké trhliny. Klasická farba eloxovania organickými kyselinami sa dosiahla v laboratóriách s veľmi zriedenou kyselinou sírovou. Hrúbka náterov môže byť až do 50μm. Eloxovanie organickými kyselinami je známa ako Typ IC pod štandardom MIL-A-8625.

Eloxovanie kyselinou fosforečnou

Pre prípravu priľnavosti povrchu sa používa eloxovanie použitím kyseliny fosforečnej. Použitie je popísane v štandarde ASTM D3933.

Bórové a soľné kúpele

Eloxovanie môže byť vykonané aj v bórových a soľných kúpeľoch, v ktorých je oxid hlinitý nerozpustný. V tomto procese sa nanášanie vrstvy zastaví, ak je celá časť pokrytá a hrúbka vrstvy je priamo úmerná použitému napätiu. Povlaky neobsahujú póry, podobne ako pri použití kyseliny sírovej a chrómovej. Tento typ eloxovania je široko používaný na výrobu elektrolytických kondenzátorov, pretože tenkému hliníkovému filmu (zvyčajne tenší ako 0.5 μm) by hrozilo pri použití kyselín prepálenie.

Chemické leštenie (morenie)

Výrobok sa namáča do vodného roztoku NaOH pri teplote 90 – 120 °C na 1-3 minúty.
2Al + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAlO₂ + 3H₂
2NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃ + NaOH
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O
Pri tomto procese vzniká hladký matný povrch. Prednostne s rozpúšťajú výstupky a nerovnosti.

Anodizácia (eloxovanie)

2Al + 3H₂SO₄ + 16H₂O ←> Al₂(SO₄)₃16H₂O + 3H₂ ←> Al₂O₃ + 3H₂SO₄ + 13H₂O
Reakcia prebieha v roztoku kyseliny sírovej pomocou elektrolýzy. Výrobok je anódou, roztokom prechádza jednosmerný elektrický prúd, čím dochádza k jeho polarizácii – anóda je oxidovaná a vytvára sa na nej tvrdý oxid. Pri prechode prúdu vzniká veľké množstvo tepla, preto je nutné celkové chladenie roztoku.

Anodizácia (eloxovanie) hliníka

Zliatiny hliníka sú eloxované pre zvýšenie ich odolnosti proti korózii, zvýšenie tvrdosti povrchu, aby sa umožnilo nanášanie farieb, pre zdokonalenie mazania, alebo lepšiu priľnavosť. Anodická vrstva je nevodivá.

Pri styku so vzduchom pri izbovej teplote, alebo akýmkoľvek iným plynom obsahujúcim kyslík, čistý hliník pasivuje (vytvára ochrannú vrstvu vedúcu ku chemickej pasivite) tým, že tvorí povrchovú vrstvu amorfného oxidu hliníka 2 až 3 nm tenkú, ktorá poskytuje veľmi účinnú ochranu proti korózii. Hliníkové zliatiny zvyčajne tvoria hrubšiu vrstvu oxidu, 5 – 15 nm tenkú, ale majú tendenciu byť viac náchylné ku korózii. Časti zliatin hliníka sú eloxované značným zvýšením hrúbky tejto vrstvy pre odolnosť proti korózii. Odolnosť voči korózii zliatin hliníka je významne znižovaná legovaním s niektorými prvkami alebo nečistotami: meď, železo, kremík, a tak triedy zliatin 2000, 4000 a 6000 inklinujú k najväčšej citlivosti. Eloxované sú aj niektoré hliníkové časti lietadla, architektonické materiály a spotrebné výrobky. Eloxovaný hliník možno nájsť na mp3 prehrávačoch, baterkách, kuchynskom riade, fotoaparátoch, športovom tovare, okenných rámoch, strechách, v elektrolytických kondenzátoroch a na mnohých ďalších produktoch, a to ako pre odolnosť proti korózii, tak aj pre schopnosť udržať farbivo. Aj keď eloxovanie iba mierne zvyšuje odolnosť proti opotrebeniu, hlbšie póry môžu lepšie udržať mazaciu vrstvu ako hladký povrch.

Eloxačné vrstvy majú oveľa nižšiu tepelnú vodivosť a koeficient lineárnej rozťažnosti než hliník. V dôsledku toho bude vrstva praskať pri tepelnom namáhaní, ak je vystavená teplotám nad 80 °C. Náter môže prasknúť, ale nezlúpe sa. Bod tavenia oxidu hlinitého je 2 050 °C, oveľa vyšší, než čistého hliníka, ktorý je 658 °C (to môže sťažiť zváranie). Pri typickom komerčnom procese eloxácie hliníka oxid hlinitý preniká do povrchu a rastie nad povrch v rovnakom množstve. Z toho vyplýva, že eloxovanie zvýši časť rozmeru každého povrchu o polovicu oxidačnej hrúbky. Napríklad vrstva, ktorá je 2 μm tenká, zväčší rozmer povrchu o 1 μm. Ak je časť eloxovaná na všetkých stranách, potom všetky lineárne rozmery narastú o hrúbku oxidačnej vrstvy. Povrchy eloxovaného hliníka sú tvrdšie než hliník, ale majú mierne nižšiu odolnosť voči opotrebeniu, na druhej strane sa však týmto procesom môže skvalitniť hrúbka a schopnosť zvárania.

Vlastnosti vrstvy

Vzhľad vrstvy je závislý od zloženia materiálu výrobku, veľmi dôležitá je príprava povrchu, hlavne je jeho odmastenie. Nerozpustné zložky hliníkovej zliatiny (Si, Mg, Mn) farbia povrch na sivo. Vyššia koncentrácia kyseliny spôsobuje tvrdšiu, ale tenšiu vrstvu. Väčšia hrúbka oxidu sa lepšie farbí. Vyššie teploty vytvárajú poréznejší povrch. Čím menšia poréznosť, tým je vyššia tvrdosť. Ak je v prvom rade vyžadovaná farebnosť, eloxovanie sa robí dvojfázovo – najprv sa vytvorí tenká neporézna bariérová vrstva, potom sa tým istým procesom so zmenenými parametrami (koncentrácia, teplota, napätie ...) vytvorí porézna vrstva lepšie absorbujúca farbivo.

Vlastnosti povrchu

• Vytvorený povrch je tvrdý – zlepšená odolnosť voči opotrebeniu a oteru.
• Tepelná vodivosť je vyššia v hliníku, ako v oxidovanej vrstve
• Vrstva má inú tepelnú rozťažnosť
• Vrstva je zlý elektrický vodič, až izolant
• Odolnosť voči korózii je veľmi vysoká. Povlak nad 20 μm stačí na ochranu pred vonkajšími poveternostnými vplyvmi.
• Životnosť – vrstva je stála po dlhú dobu.
• Farebná stabilita.

Využitie

Eloxované povrchy sa používajú všade tam, kde prichádza hliník do styku s vonkajším prostredím, kde je potrebné zabezpečiť lesklý a tvrdý povrch, estetický povrch… (napr. častý je jemne jednosmerne brúsený povrch s priehľadnou vrstvou…)

• Budovy – fasády, obklady stien, strechy…
• Spotrebiče – chladničky, spotrebná elektronika, estetické doplnky
• Byty – žalúzie a rolety, dvere, bytové doplnky
• Kuchynské zariadenia – nádoby, hrnce, príbor
• Nábytok – stoly, skrinky…
• Šport – člny, rybárske pomôcky, horolezectvo…
• Automobily – ozdobné časti a kryty, vnútorné vybavenie, súčiastky a komponenty

Zdroje

• Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Anodizing na anglickej Wikipédii (číslo revízie nebolo určené).
• firemný portál http://www.wisegeek.com/what-is-anodized-aluminum.htm

Chemický portál