Handleiding voor het anodiseren van aluminium: hoe de chemische samenstelling van de legering van invloed is op CNC-afwerkingen

Elk onderdeel dat in een anodiseertank wordt geplaatst, ondergaat hetzelfde elektrochemische proces, ongeacht het beoogde gebruik. Of het geanodiseerde aluminiumonderdeel er schoon, broos of droog uitkomt, wordt al bepaald voordat het onderdeel de productielijn bereikt. Dit alles wordt vastgelegd in de tekening met legeringsaanduiding, waarin het materiaal of de metaalkwaliteit wordt gespecificeerd die voor het onderdeel vereist is. Deze informatie is opgenomen in de stuklijst (BOM), de algemene opmerkingen of het titelblok. Zo kunnen twee onderdelen die tegelijkertijd en met dezelfde stroomsterkte in een anodisatiebad worden geplaatst, merkbaar verschillende coatings opleveren. Als het ene onderdeel bijvoorbeeld van 7075-T6 is en het andere van 6061-T6, kunnen er kleurverschillen of een cosmetische afwijking optreden.

Deze handleiding richt zich specifiek op die variabele: hoe de chemische samenstelling van een aluminiumlegering de resultaten van het anodiseren beïnvloedt. Daarnaast wordt ingegaan op de invloed ervan op spuitgegoten en CNC-gefreesde werkstukken, waarbij rekening wordt gehouden met eigenschappen zoals maatvaren, legeringskeuze en tekeningaanduidingen.

Waarom levert hetzelfde anodisatieproces bij verschillende legeringen verschillende resultaten op?

Bij het anodiseren van een aluminiumlegering gaat het niet om de vraag of het materiaal wel of niet geanodiseerd kan worden, maar hoe het zich tijdens en na het proces zal gedragen. Bij het anodiseren ontstaat door een elektrochemische reactie een laag aluminiumoxide op het oppervlak van het aluminium, waardoor een duurzame barrièrefilm wordt gevormd die voldoet aan technische normen zoals ASTM B580. ^[1]. Als het aluminium zuiver is, zal het op een zuivere en gelijkmatige manier oxideren. Bij legeringselementen is het effect echter duidelijk zichtbaar, omdat deze zich bij de groei van de laag afzetten op het grensvlak tussen het metaal en het oxide. Elk element heeft een eigen, kenmerkende invloed op de structuur en de optische eigenschappen van de ontstane laag.

Op legeringsmateriaal dat 6061 bevat, ontstaat een gelijkmatige oxidelaag met een voorspelbare dikte en kleur. Bij hoogsterkte legeringen met een hoog kopergehalte ontstaat een donkerdere en ongelijkmatige oxidelaag.

Inzicht in dit aspect helpt bedrijven te bepalen hoe materialen de resultaten van het anodiseren beïnvloeden. Dit helpt bij het vaststellen van het doel van het naleven van specificaties en bij het omgaan met onverwachte resultaten.

• Koper: vertoont een duidelijk gele tint in een heldere Type II-film, zelfs bij een verhouding van 1% op basis van gewicht.
• Zink: wanneer het zich onder de oxidelaag afzet, ziet het er blauw uit.
• IJzer en mangaan: gele tot bruinachtige verkleuring veroorzaken.
• Silicium: verstort de gelijkmatigheid van de oxidevorming en leidt tot donkere, onregelmatige oppervlakken, aangezien siliciumrijke gebieden in het oppervlak achterblijven. Dit gebeurt bij ongeveer 8-9% of hoger; het wordt dan helemaal niet omgezet in oxide.

Twee legeringen met vergelijkbare anodisatieparameters – duur, temperaturen en concentratie van het bad – zouden er dus voor zorgen dat de tank er totaal anders uitziet.

Vergelijking van het anodiseren van aluminiumlegeringen.

Bij het vergelijken van aluminiumlegeringen draait het vaak om de afweging tussen uiterlijk en sterkte.

Bij interne CNC-opdrachten in onze werkplaats, waarbij in de tekeningen van klanten goed zichtbare geanodiseerde afwerkingen (rood, blauw en verzadigde kleuren) worden gespecificeerd, wordt bij het ontwerp de voorkeur gegeven aan 6063-T5 OF 6061-T6 in plaats van 7075. Het zink en koper in 7075 verstrooien het licht en dempen de kleurintensiteit, zelfs bij zeer vakkundige anodisatie.

Waarom worden 2024 en 7075 donkerder of minder gelijkmatig geanodiseerd?

Het oxide dat tijdens het anodiseren ontstaat, is poreus en de kleurstof wordt daarin opgenomen, waardoor verschillende kleuren ontstaan. De kleur is te danken aan legeringselementen zoals Cu, Zn, Mg en Si, die de aluminiumoxidelaag beïnvloeden. Bij gesmede legeringen kan hun gewichtspercentage de tint van de oxidelaag drastisch veranderen. Bij gietlegeringen kunnen bepaalde kleuren niet worden verkregen als het gehalte aan onzuiverheden te hoog is.

In legeringen zoals 2024 en 7075 zorgen onzuiverheden bijvoorbeeld voor een donkergrijze kleur na het anodiseren, als gevolg van het hoge kopergehalte in 2024 en het hoge zinkgehalte in 7075. De intermetallische deeltjes in het koperrijke 2024 zijn poreuzer en minder uniform. Daarom is dit materiaal geschikt voor onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart waarvoor Type I-anodisatie met chroomzuur is gespecificeerd in plaats van Type II. Type I is vaak het voorkeursproces om de oorspronkelijke vermoeidheidssterkte van een materiaal te behouden vanwege de lagere spanning en betere tolerantie bij gietstukken.

Type III zorgt voor een oppervlak dat bestand is tegen de zwaarste omstandigheden. Een harde coating van type III wordt echter niet aangebracht op koper of op materialen met een siliciumgehalte hoger dan 5% of 8%, noch op legeringen met een porositeit die groter is dan 5%.

De 7075-legering staat bekend om haar buitengewone sterkte, maar het gehalte aan zink en koper bemoeilijkt het anodiseren, wat leidt tot onregelmatigheden in de oxidelaag. De legering blinkt uit in toepassingen met hoge belasting waar sterkte vereist is, met name in onderdelen die aan zware slijtage worden blootgesteld, maar ook in militaire en constructiematerialen.

Het is vrijwel onmogelijk om met deze legeringen lichtere kleuren te verkrijgen. Voor een betere kleuraanpassing leveren de legeringen 5052 en 3003 een helderdere geanodiseerde laag op.

Waarom zijn de A380 en ADC12 nog moeilijker te anodiseren?

A380 en ADC12 zijn de populairste aluminium spuitgietlegeringen, met vergelijkbare eigenschappen. ADC12 domineert de Aziatische markten, terwijl A380 de overhand heeft in Noord-Amerika. Het anodiseren van deze legeringen is moeilijk en vereist een uiterst strikte procescontrole. Daarom blijft de anodisatie ervan beperkt tot functionele corrosiebescherming en zwarte of donkergrijze afwerkingen.

Dit probleem vloeit voort uit hun chemische samenstelling. Het aluminium ADC12-materiaal heeft bijvoorbeeld een siliciumgehalte van 9,6% tot 12%, dat nauwelijks aan de reactie deelneemt.

De A380 bevat minder silicium (7,5%–9,5%) en een hoger kopergehalte van 3,0%–4,0%. Hoewel het zeer vloeibaar is, kan het nauwelijks tippen aan het extreme holtevulvermogen van ADC12.  Om deze reden is het beter geschikt voor superieure mechanische eigenschappen.

Wanneer aluminium oxideert, blijft silicium – een niet-geleidend element – achter in de vorm van vlokken of deeltjes, waardoor een losse “stoflaag” ontstaat. Daarom moeten onderdelen van spuitgietaluminium worden geanodiseerd om ze corrosiebestendig te maken, en moeten inkoopteams rekening houden met donkere kleuren of een natuurlijke (ongeverfde) afwerking wanneer ze ADC12/A380 specificeren. Voor een heldere, gelijkmatig geverfde afwerking is aluminium 6061 of 6063 betrouwbaarder, ook al zijn de stukkosten hoger.

Hoe hangt de keuze van de legering samen met de keuze tussen type II en type III?

Zodra u op een tekening ‘anodiseren’ aangeeft, zult u waarschijnlijk tussen twee soorten moeten kiezen. Een verkeerde keuze kan ertoe leiden dat de bescherming ontoereikend is of dat het u extra geld kost.

Hoe moeten CNC-programmeurs maatspeling inbouwen?

Aangezien elke opdracht anders is, hanteren ontwerpers algemene richtlijnen voor bewerkingsmarges, afhankelijk van het gebruikte productieproces. CNC-programmeurs stellen maatvoeringen vast op basis van de 50/50-vuistregel voor aluminium onderdelen die worden geanodiseerd. Dit betekent dat tijdens het proces de oxidelaag voor 50% van de dikte in het basismateriaal groeit, terwijl de andere 50% naar buiten groeit en zo het oorspronkelijke oppervlak vergroot.

Om de juiste afmetingen te verkrijgen, moet de toeslag per oppervlak dus precies de helft bedragen van de opgegeven totale laagdikte.

Volgens MIL-A-8625 worden het type coating, de dikte en de afdichtingsmethode gespecificeerd in de inkooporder of de onderdeeltekening.

Door op de tekening ‘anodiseren’ te vermelden, kunt u kiezen uit twee soorten:

Type II heeft een laagdikte van 0,0002–0,001 inch (5–25 µm). Dit biedt ruimte voor uitwendige groei, waardoor een zo strak mogelijke passing wordt bereikt.

De totale dikte van een type III-hardcoat ligt tussen 0,001 en 0,003 inch (25–75 µm). Met deze tolerantie moet rekening worden gehouden om een goede passing van boringen, assen en bijbehorende onderdelen te garanderen.

Bij onderdelen zoals schroefgaten, lagerzittingen en paspenboringen met toleranties die strakker zijn dan ongeveer ±0,001 inch: breng hier vóór het anodiseren een masker of plug aan, of bewerk ze daarna.

Hoe wordt het anodiseren van aluminium op een tekening aangegeven?

In een technische tekening moet het anodiseren van aluminium worden aangegeven om de afwerkingen en het uiterlijk te specificeren en om problemen met de afmetingen te voorkomen.

1. Anodisatienorm, -type en -klasse: bijvoorbeeld type III (hardcoat), referentienorm zoals MIL-A-8625, klasse 2 (geverfd).
2. Opmerking over de afmetingen: controleren of de opgegeven afmetingen gelden vóór of na het anodiseren.
3. Afdekking en contactpunten: voor toepassingen waarbij elektrische contactpunten of koppelingen met nauwe toleranties vereist zijn.
4. Bereik van de laagdikte in micron of mil.

Conclusie

Het anodiseren van aluminium is een efficiënt proces voor de afwerking van aluminiumproducten en het verbeteren van de prestaties en de visuele aantrekkingskracht. Inzicht in dit proces helpt u bij het maken van de beste keuze voor elke toepassing, aangezien er een breed scala aan anodisatietypen en kleuren beschikbaar is. Deze gids helpt u weloverwogen beslissingen te nemen om hoogwaardige geanodiseerde aluminiumproducten te realiseren.

Onze anodiseerdiensten staan bij elk project garant voor kwaliteit en precisie, zodat u uw doelstellingen kunt bereiken. Daarom zetten onze technische teams zich in om telkens weer nauwkeurige toleranties en uitstekende resultaten te leveren.

Referentie

[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) Standaardspecificatie voor anodische oxidecoatings op aluminium. ASTM-normendatabase. https://www.astm.org/b0580-79r19.html