ANODOWANE ALUMINIUM

Anodowane aluminium oraz jego zastosowania

Abstrakt

Artykuł opisuje właściwości fizyczne anodowanego aluminium, sposób wytwarzania materiału oraz obszar jego zastosowań. Anodowane aluminium jest metalem obrobionym powierzchniowo w celu uzyskania konwersyjnej warstwy ochronnej tlenku aluminium Al2O3, która jest do 60 krotnie twardsza niż czyste aluminium. Powłokę tlenkową wytwarza się w procesie oxydacji (anodowania). Jednym z dodatkowych efektów procesu wytwarzania jest wytworzenie mikroporów, których struktura umożliwia ich wykorzystanie do barwienia anodowanego aluminium. Możliwości te są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach między innymi barwienia części maszyn, zabezpieczania materiału przed korozją i uszkodzeniami mechanicznymi oraz zadruków specjalnych. Przykładem zastosowań specjalnych dla procesu anodowania jest metoda precyzyjnego i kolorowego druku cyfrowego w aluminium z późniejszym uszczelnieniem i wytworzeniem ponad nadrukiem zabezpieczającej warstwy anodowej.

Spis treści


1. Podstawowa charakterystyka anodowanego aluminium

Anodowane aluminium należy do materiałów z grupy metali obrobionych powierzchniowo metodami galwanicznymi. Jest to czyste aluminium, bądź jego stopy pokryte powłoką konwersyjną – warstwą tlenku aluminium Al2O3 powstałą w procesie elektrolizy, zwanym anodowaniem. Aluminium poddaje się procesowi anodowania w celu zwiększenia trwałości materiału na korozję, ścieranie powierzchni oraz z powodów estetycznych, ze względu na możliwość barwienia. Twardość anodowanej powłoki jest wielokrotnie większa, niż metalu (1700 do 2000HV twardości Al2O3 przy ok. 30HV dla czystego aluminium do ok. 200HV dla stopu PA9), dlatego materiał chętnie wykorzystywany jest do elementów konstrukcyjnych będących na wierzchu maszyny lub urządzenia.

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
Rys. 1.1. Przykład kątownika aluminiowego przed i po procesie anodowania z barwieniem

Anodowana powłoka możliwa jest do uzyskania na większości typów aluminium, dlatego najlepiej jest klasyfikować materiały w tej grupie względem postaci materiału wyjściowego. Mogą nimi być:

  • czyste aluminium,
  • stop odlewniczy,
  • stop do obróbki plastycznej.

Dodatkiem stopowym, który utrudnia powstawanie powłoki tlenkowej jest krzem. Posiada on własności poprawiające lejność metalu, dlatego występuje najczęściej w stopach odlewniczych. Z tego powodu najczęściej spotykane detale poddawane anodowaniu to przetłaczane profile oraz blachy.

Budowa powłoki tlenkowej w idealnej postaci przybiera postać regularnych porów w układzie heksagonalnym oraz cienkiej warstwy zaporowej przylegającej bezpośrednio do metalu. W zależności od zastosowanej metody anodowania osiągają one średnicę od 10 do 100 nm oraz od 1 do 150 µm grubości całej powłoki. Tlenek aluminium przybiera barwy szarą, czarną, żółtawą, bądź bezbarwną przeźroczystą.

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
Rys. 1.2. Schematyczna budowa powłoki tlenkowej przed uszczelnieniem

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
Rys. 1.3. Powłoka tlenkowa przed uszczelnieniem widoczna pod mikroskopem. Widok na powierzchnię oraz na zgład poprzeczny

2. Powstawanie powłoki tlenkowej

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 twarde oraz PN-EN ISO 7599:2011 warunkujące specyfikacje ogólne anodowych powłok tlenkowych na aluminium.

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
2.1. Przykład maszyny galwanicznej. Detale umieszczane na hakach zanurzane są w wannach z elektrolitem

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.

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
Rys. 2.2. Schematyczny proces narastania powłoki tlenkowej

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.

3. Właściwości fizyczne i mechaniczne

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.

WIelkość Czyste aluminium Stop PA9 Al2O3
Gęstość [g/cm3] 2,7 2,81 3,95
Twardość [HV] 20-35 200 1700-2000
Temp. Topnienia [ºC] 660 645 2593
Przewodność cieplna [W/mK] 237 134 30
Moduł Younga [GPa] 70 72 300-420
Liczba Poissona 0,33 0,33 0,22-0,26
Wytrzymałość Rm [MPa] 70-120 480-540 2200-4000
Rozszerzalność cieplna [µm/mK] 23,1 23,5 7,4-8,5
Ciepło właściwe [J/kgK] 900 862 90
Tab.3.1. Właściwości fizyczne i mechaniczne czystego aluminium, przykładowego stopu PA9 oraz powłoki tlenkowej Al2O3

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.

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
Rys. 3.1. Widok na zgład poprzeczny warstwy tlenkowej poddanej próbie mikrotwardości z widocznym odciskiem ostrosłupa pomiarowego

4. Zastosowanie i eksploatacja

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 czynniki atmosferyczne 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 w 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 precyzyjne drukowanie atramentowe, której prekursorem jest polska marka Oxiprint. Poanodowane aluminium o powierzchni płaskiej zadrukowane jest dowolną grafiką metodą druku cyfrowego, a następnie poddane kąpieli uszczelniającej. Technologia umożliwia otrzymywanie niezniszczalnego druku odpornego na zarysowania 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.

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
Rys. 4.1. Przykładowe gadżety poddane barwieniu w procesie anodowania

anodowane aluminium druk w anodowanym aluminium
Rys. 4.2. Przykładowe wydruki cyfrowe znajdujące się pod zabezpieczającą powłoką anodową

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 musi 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.

5. Podsumowanie

Anodowane aluminium to materiał, który poprawia pewne właściwości czystego aluminium i jego stopów, jak odporność na zarysowania oraz korozję. Poprawienie tych cech sprawia, że zalety rdzennego materiału, jak mała gęstość oraz dobre właściwości mechaniczne jeszcze bardziej zyskują na znaczeniu i są chętniej wykorzystywane przez konstruktorów. Cena surowca jest wyższa od konkurencyjnej stali, jednak ergonomia lżejszego aluminium zwraca się najczęściej w postaci mniejszego zapotrzebowania energetycznego konstruowanych maszyn. Wyjątkową zaletą anodowanego aluminium jest możliwość barwienia, która jest estetyczna oraz pozwala uniknąć dodatkowych procesów lakierniczych. Zaleta ta może być również wykorzystywana do technologii specjalnych, takich jak wykonywanie bardzo odpornych i kolorowych nadruków metodą cyfrową. Niska przewodność cieplna i elektryczna powłoki tlenkowej może być rozpatrywana jako zaleta (gdy wykorzystujemy materiał jako izolator) lub wada (jeżeli zależy nam na przewodności materiału, np. gdy zamykamy na nim obwód elektryczny.

6. Źródła

[1] Anodowanie aluminium, Laboratorium hydrometalurgii metali nieżelaznych, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków.

[2] Bara Marek, Struktura i właściwości ceramiczno-grafitowych warstw powierzchniowych otrzymywanych metodą duplex, Praca doktorska, Uniwersytet Śląski, Sosnowiec, 2009.

[3] Kaczorowski M., Krzyńska A., Konstrukcyjne materiały metalowe, ceramiczne i kompozytowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2008.

[4] Kmita Tomasz, Właściwości gradientowych warstw węglowych na bazie tlenku glinu, Praca doktorska, Uniwersytet Śląski, Sosnowiec, 2007.

[5] http://www.dostal.com.pl/metale-kolorowe-aluminium.html


Autor: inż. Jarosław Kokot