Przewodnik po anodowaniu aluminium: Jak skład chemiczny stopu wpływa na wykończenie elementów obrabianych metodą CNC

Każda część umieszczona w zbiorniku do anodowania podlega tym samym procesom elektrochemicznym, niezależnie od jej przeznaczenia. To, czy anodowana część aluminiowa będzie czysta, krucha czy nadająca się do suszenia, ustala się jeszcze zanim trafi ona na linię produkcyjną. Wszystko to ma miejsce na rysunku określającym stop, który określa materiał lub gatunek metalu wymagany dla danej części. Informacja ta znajduje się w wykazie materiałów (BOM), uwagach ogólnych lub w polu tytułowym. Na przykład dwie części umieszczone w kąpieli anodowej przy tym samym natężeniu prądu i w tym samym czasie mogą uzyskać zauważalnie różne powłoki. Jeśli na przykład jedna z nich jest wykonana ze stopu 7075-T6, a druga ze stopu 6061-T6, mogą one wykazywać różnice w kolorze lub niedopasowanie pod względem wyglądu.

W niniejszym przewodniku skupiono się w szczególności na tej zmiennej: na tym, w jaki sposób skład chemiczny stopu aluminium wpływa na wyniki anodowania. Ponadto uwzględniono jego wpływ na odlewy ciśnieniowe i elementy obrabiane metodą CNC, biorąc pod uwagę takie właściwości, jak tolerancje wymiarowe, dobór stopu oraz oznaczenia rysunków technicznych.

Dlaczego ten sam proces anodowania daje różne wyniki w przypadku różnych stopów?

Jeśli chodzi o anodowanie stopów aluminium, nie chodzi o to, czy dany materiał nadaje się do anodowania, ale o to, jak będzie się zachowywał w trakcie i po zakończeniu procesu. Anodowanie polega na wytworzeniu warstwy tlenku glinu na powierzchni aluminium w wyniku reakcji elektrochemicznej, co pozwala uzyskać trwałą warstwę ochronną zgodną z normami technicznymi, takimi jak ASTM B580 ^[1]. Jeśli aluminium jest czyste, ulega czystemu i jednolitemu utlenianiu. Jednak w przypadku pierwiastków stopowych efekt ten jest wyraźnie widoczny, ponieważ w miarę wzrostu warstwy ulegają one segregacji na granicy faz metal–tlenek. Każdy pierwiastek wywiera charakterystyczny wpływ na strukturę i właściwości optyczne powstałej warstwy.

Na materiale stopowym zawierającym stop 6061 tworzy się jednolita warstwa tlenku o przewidywalnej grubości i odcieniu. Stopy o wysokiej wytrzymałości i dużej zawartości miedzi powodują powstawanie ciemniejszej i nierównomiernej powłoki.

Zrozumienie tego aspektu pomaga branżom określić, w jaki sposób materiały wpływają na wyniki anodowania. Pomaga to ustalić cel przestrzegania specyfikacji oraz sposób postępowania w przypadku nieoczekiwanych wyników.

• Miedź: w przezroczystej warstwie typu II widać wyraźny żółty odcień, nawet przy proporcji wagowej 1%.
• Cynk: gdy osadza się pod warstwą tlenku, ma niebieski kolor.
• Żelazo i mangan: powodują przebarwienia o barwie od żółtej do brązowawej.
• Krzem: zakłóca równomierność wzrostu tlenku i powoduje powstawanie ciemnych, nieregularnych powłok, ponieważ obszary bogate w krzem pozostają osadzone na powierzchni. Dzieje się tak przy stężeniu około 8–9% lub wyższym; w tym przypadku nie dochodzi w ogóle do przekształcenia w tlenek.

W związku z tym dwa stopy o podobnych parametrach anodowania – czasie, temperaturach i stężeniu w kąpieli – sprawiłyby, że wygląd zbiornika byłby zupełnie inny.

Porównanie procesów anodowania stopów aluminium.

Porównanie stopów aluminium często sprowadza się do wyboru między wyglądem a wytrzymałością.

W przypadku wewnętrznych zleceń CNC realizowanych w naszym warsztacie, gdy rysunki klientów przewidują wykończenia anodowane o wysokiej widoczności (kolory czerwone, niebieskie oraz nasycone barwy), projekt skupia się na stopach 6063-T5 LUB 6061-T6 zamiast 7075. Cynk i miedź zawarte w stopie 7075 rozpraszają światło i osłabiają nasycenie barw, nawet przy zastosowaniu zaawansowanych technik anodowania.

Dlaczego stopy 2024 i 7075 po anodowaniu mają ciemniejszy kolor lub mniej jednolity wygląd?

Tlenek powstający podczas anodowania jest porowaty, a barwnik wchłania się w jego wnętrzu, tworząc różne kolory. Kolor wynika z obecności pierwiastków stopowych, takich jak Cu, Zn, Mg i Si, które oddziałują na warstwę tlenku glinu. W przypadku stopów kowanych ich zawartość procentowa może radykalnie zmienić odcień warstwy tlenku. W przypadku stopów odlewanych, jeśli zawartość zanieczyszczeń jest zbyt wysoka, uzyskanie niektórych kolorów staje się niemożliwe.

Na przykład w stopach takich jak 2024 i 7075 zanieczyszczenia powodują powstanie ciemnoszarego koloru po anodowaniu – w przypadku stopu 2024 wynika to z wysokiej zawartości miedzi, a w przypadku stopu 7075 – z wysokiej zawartości cynku. Cząstki międzymetaliczne w bogatym w miedź stopie 2024 są bardziej porowate i mniej jednolite. Dlatego nadaje się on do części lotniczych, dla których wymagane jest anodowanie kwasem chromowym typu I zamiast typu II. Proces typu I jest często wybierany w celu zachowania pierwotnej wytrzymałości zmęczeniowej materiału ze względu na mniejsze naprężenia i lepszą tolerancję w odlewach.

Powłoka typu III zapewnia powierzchnię przystosowaną do najbardziej ekstremalnych warunków. Jednak powłoka twarda typu III nie jest nakładana na miedź ani na stopy o zawartości krzemu powyżej 5% lub 8%, ani na stopy o porowatości większej niż 5%.

Stop 7075 znany jest ze swojej niezwykłej wytrzymałości, jednak zawartość cynku i miedzi utrudnia proces anodowania, co prowadzi do nierówności w warstwie tlenku. Doskonale sprawdza się w zastosowaniach o wysokim obciążeniu, wymagających wytrzymałości, zwłaszcza w elementach narażonych na intensywne zużycie, a także w materiałach wojskowych i konstrukcyjnych.

Uzyskanie jaśniejszych odcieni przy użyciu tych stopów jest praktycznie niemożliwe. Aby uzyskać lepsze dopasowanie kolorystyczne, stopy 5052 i 3003 zapewniają uzyskanie jaśniejszej warstwy anodowanej.

Dlaczego anodowanie modeli A380 i ADC12 jest jeszcze trudniejsze?

A380 i ADC12 to najpopularniejsze stopy aluminium do odlewania ciśnieniowego, charakteryzujące się podobnymi właściwościami. ADC12 dominuje na rynkach azjatyckich, podczas gdy A380 przeważa w Ameryce Północnej. Anodowanie tych stopów jest trudne i wymaga niezwykle rygorystycznej kontroli procesu. Dlatego też ich anodowanie ogranicza się do funkcjonalnej ochrony antykorozyjnej oraz wykończeń w kolorze czarnym lub ciemnoszarym.

Przeszkoda ta wynika z ich składu chemicznego. Na przykład materiał aluminiowy ADC12 zawiera od 9,6% do 12% krzemu, który praktycznie nie bierze udziału w reakcji.

Stal A380 charakteryzuje się niższą zawartością krzemu (7,5%–9,5%) oraz wyższą zawartością miedzi wynoszącą 3,0%–4,0%. Mimo wysokiej płynności nie dorównuje ona jednak wyjątkowej zdolności wypełniania wnęk, jaką wykazuje stal ADC12.  Z tego powodu nadaje się lepiej do zastosowań wymagających doskonałych właściwości mechanicznych.

Kiedy aluminium ulega utlenieniu, krzem – pierwiastek nieprzewodzący – pozostaje w postaci płatków lub cząstek, tworząc luźną “warstwę pyłową”. Dlatego też odlewane ciśnieniowo elementy aluminiowe muszą być poddane anodowaniu w celu zapewnienia odporności na korozję, a zespoły ds. zaopatrzenia powinny spodziewać się ciemnych kolorów lub wykończenia naturalnego (niebarwionego) przy specyfikowaniu stopu ADC12/A380. W przypadku jasnego, jednolitego wykończenia barwionego bardziej niezawodnym rozwiązaniem jest aluminium 6061 lub 6063, nawet jeśli wiąże się to z wyższym kosztem jednostkowym.

W jaki sposób wybór stopu wpływa na selekcję typu II w porównaniu z selekcją typu III?

Gdy już w rysunku technicznym określisz, że ma zostać zastosowane anodowanie, najprawdopodobniej będziesz musiał wybrać jeden z dwóch rodzajów. Niewłaściwy wybór może skutkować niewystarczającą ochroną lub dodatkowymi kosztami.

W jaki sposób programiści CNC powinni uwzględniać tolerancje wymiarowe?

Ponieważ każde zlecenie jest inne, projektanci kierują się ogólnymi wytycznymi dotyczącymi naddatków obróbczych w zależności od stosowanego procesu produkcyjnego. Programiści CNC ustalają naddatki wymiarowe w oparciu o praktyczną zasadę 50/50 w przypadku elementów aluminiowych poddawanych anodowaniu. Oznacza to, że podczas tego procesu warstwa tlenku wnika w głąb materiału na głębokość równą 50% swojej grubości, podczas gdy pozostała część 50% rozrasta się na zewnątrz, powiększając pierwotną powierzchnię.

Aby zatem uzyskać prawidłowe wymiary, naddatek na każdą powierzchnię powinien wynosić dokładnie połowę określonej całkowitej grubości powłoki.

Zgodnie z normą MIL-A-8625 w zamówieniu lub rysunku części należy określić rodzaj powłoki, jej grubość oraz metodę uszczelnienia.

Określając na rysunku, że element ma zostać poddany anodowaniu, można wybrać jeden z dwóch rodzajów:

Wariant typu II charakteryzuje się grubością powłoki wynoszącą 0,0002–0,001 cala (5–25 µm). Zapewnia to rezerwę na wzrost na zewnątrz, co pozwala uzyskać jak najściślejsze dopasowanie.

Grubość powłoki typu III wynosi od 0,001 do 0,003 cala (25–75 µm). Należy uwzględnić tę tolerancję, aby zapewnić prawidłowe dopasowanie otworów, wałów i elementów łączących.

Elementy takie jak otwory gwintowane, gniazda łożyskowe i otwory na kołki z pasmami tolerancji węższymi niż około ±0,001 cala: należy je zamaskować lub zatykać przed anodowaniem albo obrobić mechanicznie po tym procesie.

Jak oznacza się anodowanie aluminium na rysunku technicznym?

Na rysunku technicznym należy zaznaczyć proces anodowania aluminium, aby określić wykończenie i wygląd oraz uniknąć problemów związanych z wymiarami.

1. Norma, typ i klasa anodowania: przykład – typ III (twarda powłoka), norma odniesienia, np. MIL-A-8625, klasa 2 (barwiona).
2. Uwaga dotycząca wymiarów: należy sprawdzić, czy podane wymiary odnoszą się do stanu przed czy po anodowaniu.
3. Maskowanie i styki: do obszarów wymagających punktów styku elektrycznego lub połączeń o wąskich tolerancjach.
4. Zakres grubości powłoki w mikronach lub milach.

Wnioski

Anodowanie aluminium to skuteczny proces wykańczania wyrobów aluminiowych, który pozwala poprawić ich właściwości użytkowe oraz wygląd. Zrozumienie tego procesu pomaga dokonać najlepszego wyboru dostosowanego do konkretnych potrzeb, ponieważ oferuje on szeroki wybór rodzajów anodowania i kolorów. Niniejszy przewodnik pomoże Ci podjąć świadomą decyzję, aby uzyskać wysokiej jakości wyroby z anodowanego aluminium.

Nasze usługi w zakresie anodowania zapewniają jakość i precyzję przy każdym projekcie, pomagając Państwu osiągnąć zamierzone cele. Dlatego nasze zespoły techniczne dokładają wszelkich starań, aby za każdym razem zapewnić precyzyjne tolerancje i wyniki o wysokiej jakości.

Odniesienie

[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) Norma dotycząca powłok tlenku anodowego na aluminium. Baza danych norm ASTM. https://www.astm.org/b0580-79r19.html