Anodowanie a galwanizacja: kompleksowe porównanie z punktu widzenia inżynierii

Element anodowany i element pokryty galwanicznie wyglądają podobnie. Rozróżnienie między nimi, zwłaszcza na podstawie obserwacji, wymaga dużego doświadczenia. Główna różnica między anodowaniem a galwanizacją polega na tym, że anodowanie polega na nałożeniu na element warstwy ochronnej w celu zwiększenia jego wytrzymałości, odporności na korozję oraz odporności na tarcie. Obie techniki mogą być również wykorzystywane jako elementy dekoracyjne w branży kosmetycznej. Niniejszy przewodnik omawia różnice techniczne między anodowaniem a galwanizacją, aby pomóc czytelnikom w dokładnym zrozumieniu tych dwóch metod.

Jak przebiega proces anodowania?

Anodowanie to proces utleniania elektrochemicznego stosowany zazwyczaj w przypadku elementów aluminiowych. Służy on dostosowaniu ich do konkretnych zadań zgodnie z wymaganiami użytkownika.

Podczas anodowania dwa metale zanurza się w roztworze chemicznym zwanym elektrolitem. Najczęściej stosowanymi elektrolitami w procesie anodowania są roztwory kwasu siarkowego i chromowego. Jeden z metali podłącza się do bieguna dodatniego źródła zasilania, co czyni go anodą. Drugi metal podłącza się do bieguna ujemnego, co czyni go katodą.

Zasilanie jest włączane w celu dostarczenia prądu elektrycznego. Gdy prąd przepływa przez kąpiel, powoduje dysocjację cząsteczek wody, uwalniając jony tlenu. Jony tlenu przyłączają się następnie do powierzchni metalu anodowego, wywołując z nim reakcję chemiczną. W wyniku tej reakcji powstaje tlenek metalu. W przeciwieństwie do malowania lub galwanizacji warstwa tlenku metalu łączy się z podłożem, dzięki czemu nigdy się nie łuszczy ani nie odpryskuje. W przypadku aluminium tlenek aluminium zapewnia wytrzymałość konstrukcyjną, co pozwala na stosowanie go w środowiskach o dużym obciążeniu.

Wyróżnia się trzy rodzaje anodowania, w zależności od wymaganej odporności na zużycie, odporności na korozję oraz wyglądu. Rodzaje te zestawiono w poniższej tabeli;

Jak działa galwanizacja?

W procesie galwanizacji prąd elektryczny powoduje rozpuszczenie jonów metalu w jednym z prętów metalowych i osadzanie ich na metalu docelowym. Dodawany metal nazywany jest metalem osadzanym, a materiał bazowy lub obrabiany element – materiałem podłoża.

Główne elementy układu galwanicznego to katoda (obiekt poddawany powlekaniu), anoda (metal dostarczający jony do powlekania) oraz roztwór elektrolitu zawierający rozpuszczone jony. Źródło prądu stałego dostarcza energię elektryczną niezbędną do osadzania powłoki. Galwanizacja obejmuje również system sterowania procesem, służący do regulacji parametrów procesowych.

Najczęściej stosowanym metalem w galwanotechnice jest nikiel. Załóżmy, że stal ma zostać pokryta niklem metodą galwaniczną; nikiel pełni rolę anody, a stal – katody. Na anodzie nikiel traci elektrony, przekształcając się w jon.

Ni → Ni²⁺ + 2e⁻

Na katodzie jony niklu znajdujące się w pobliżu stali przyjmują elektrony, tworząc nikiel w postaci metalicznej.

Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni

Zasadniczo obrabiany przedmiot traktuje się jako katodę. Rodzaj osadzanego metalu określa rodzaj galwanizacji. Na przykład podczas niklowania na obrabianym przedmiocie osadza się nikiel, natomiast podczas cynkowania – cynk.

Jakie materiały można poddać anodowaniu lub galwanizacji?

Wybór materiału stanowi jedną z najbardziej wyraźnych różnic między anodowaniem a galwanizacją. Anodowanie kojarzy się przede wszystkim z aluminium i jego stopami, magnezem oraz tytanem. W przypadku tradycyjnego anodowania inżynierowie zazwyczaj wybierają aluminium. Jednak różne stopy aluminium anodują się w różny sposób, co wpływa na tworzenie się powłoki, jej wygląd i jednolitość. Na przykład miedź i cynk wykazują różne zachowanie w połączeniu z innymi składnikami stopowymi, takimi jak krzem i magnez.

Z kolei wybór materiałów do galwanizacji jest szerszy. Do powszechnie stosowanych podłoży należą stal węglowa, miedź, stal nierdzewna, aluminium, mosiądz, stopy cynku oraz stopy niklu. Najczęściej osadzanymi metalami są nikiel, cynk, miedź, chrom, srebro i złoto.

Jak wypada porównanie anodowania i galwanizacji pod względem grubości powłoki?

Nie ma uniwersalnej wartości grubości powłoki określonej dla procesów anodowania lub galwanizacji. Odpowiednia grubość zależy od kilku czynników, takich jak podłoże, tolerancja wymiarowa, przeznaczenie elementu oraz środowisko korozyjne.

Grubość powłoki anodowej

W przypadku cienkich powłok dekoracyjnych grubość anodowania wynosi zaledwie kilka mikrometrów. W przypadku anodowania twardego grubość ta może osiągnąć 100 µm. Rada Producentów Anodowanych Aluminium (Aluminum Anodizers Council) dzieli aluminium architektoniczne na dwie klasy. Klasa I zapewnia przybliżoną minimalną grubość 18 µm, natomiast klasa II zapewnia przybliżoną minimalną grubość 10 µm.

Grubość powłoki galwanicznej

Powłoki powstające w procesie galwanizacji różnią się w zależności od przeznaczenia — od cienkich powłok dekoracyjnych po grubsze powłoki techniczne stosowane w celu zapewnienia wytrzymałości konstrukcyjnej. Na przykład dekoracyjna powłoka chromowa ma grubość kilku mikrometrów. Z kolei powłoka niklowa ma grubość od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów. Twarda powłoka chromowa może mieć grubość od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów, w zależności od konkretnego zastosowania.

Który proces pozwala uzyskać twardszą powierzchnię?

Twardość uzyskana w wyniku anodowania i galwanizacji zależy od zastosowanych metod i materiałów. Wybór aluminium jako materiału pozwala na przykład uzyskać wartości mikrotwardości sięgające nawet 400 HV, w zależności od zastosowanego stopu. Proces twardego anodowania tworzy warstwę tlenku glinu o właściwościach ceramicznych, która umożliwia stosowanie aluminium w środowiskach korozyjnych.

W przypadku galwanicznego chromowania twardego o zastosowaniu technicznym twardość powierzchni jest jeszcze wyższa. Poziom twardości może wynosić od 750 HV do 1050 HV.

Twardość powierzchni nie pozwala na ustalenie, który proces jest lepszy od drugiego. Należy wziąć pod uwagę inne czynniki, takie jak mechanizm korozji, przyczepność powłoki oraz twardość podłoża.

Który z nich zapewnia lepszą odporność na korozję?

Nie ma jednej metody, która byłaby lepsza od innych pod względem zapewnienia odporności na korozję. Warstwa tlenku glinu powstała w wyniku anodowania sprawia, że aluminium jest odporne na działanie czynników środowiskowych. Jednak po anodowaniu warstwa ta jest uszczelniana w celu zmniejszenia jej przepuszczalności ze względu na porowatą strukturę anodową. Dzięki odpowiedniemu twardemu anodowaniu i uszczelnieniu aluminium znajduje szerokie zastosowanie nawet w środowiskach o wysokim stopniu korozyjności.

Skuteczność galwanizacji w zapewnieniu odporności na korozję zależy od struktury powłoki oraz charakteru osadzanego metalu. Inżynierowie powszechnie stosują cynk w galwanizacji ze względu na jego właściwości jako powłoki ofiarnej chroniącej przed korozją. Norma ASTM B633 zawiera wytyczne dotyczące galwanicznego osadzania cynku na stali i żelazie. Stanowi ona, że w celu zapewnienia skutecznej ochrony przed korozją element musi zostać poddany dodatkowym obróbkom, takim jak pasywacja.

Ani anodowanie, ani galwanizacja nie zapewniają większej odporności na korozję niż druga z tych metod bez zastosowania dodatkowej obróbki. Ważne jest, aby przeprowadzić uszczelnianie lub obróbkę końcową w celu uniknięcia pęknięć, porów i niedoskonałości oraz zwiększenia odporności na korozję.

Kiedy inżynierowie powinni zdecydować się na anodowanie zamiast galwanizacji?

Istnieją pewne obszary, w których anodowanie sprawdza się lepiej niż galwanizacja. Po pierwsze, anodowanie jest zdecydowanie preferowane w zastosowaniach, gdzie aluminium służy jako elementy konstrukcyjne. W takich przypadkach inżynierowie zazwyczaj wolą zachować naturalny wygląd aluminium. Metoda ta sprawdza się nawet wtedy, gdy inżynierowie chcą uzyskać czarną, przezroczystą lub inną barwę. W celu zachowania czarnego koloru stosuje się specjalistyczny proces anodowania na czarno oparty na barwieniu. Po drugie, anodowanie stosuje się tam, gdzie powłoka powinna być trwale lub mocno zintegrowana z podłożem. Pomaga to zapobiegać łuszczeniu się powłoki, a tym samym utrzymać odporność na korozję. Po trzecie, inżynierowie preferują anodowanie, gdy nie wymagają grubej metalicznej powłoki naprawczej.

Przykłady obszarów zastosowań obejmują obudowy urządzeń elektronicznych, elementy wykończeniowe w motoryzacji, korpusy aparatów fotograficznych, sprzęt optyczny oraz radiatory. Anodowanie dzieli się na zastosowania dekoracyjne i techniczne. Wytyczne dotyczące anodowania dekoracyjnego i ochronnego aluminium zawarte są w normie ISO 7599. Z kolei norma ISO 10074 zawiera wytyczne dotyczące anodowania twardego w zastosowaniach technicznych.

Kiedy inżynierowie powinni zamiast tego zdecydować się na galwanizację?

Czasami inżynierowie projektują system lub element tak, aby jego powierzchnia wykazywała określoną właściwość metalu. Można to skutecznie osiągnąć poprzez galwaniczne pokrycie podłoża pożądanym metalem. Do właściwości, których inżynierowie poszukują w różnych metalach powłokowych, należą między innymi przewodność elektryczna, niska rezystancja styku, wysoka twardość powierzchni oraz odporność na zużycie. Czasami producenci dążą do uzyskania lutowalności, niskiego tarcia, metalicznego wyglądu oraz odporności chemicznej.

Typowe zastosowania obejmują elementy złączne ze stali ocynkowanej zapewniające odporność na korozję, elementy pokryte miedzią służące jako styki elektryczne oraz pozłacane łańcuszki metalowe o charakterze dekoracyjnym.

Wnioski

Anodowanie i galwanizacja różnią się pod wieloma względami. Główna różnica polega na tym, że anodowanie wzmacnia naturalnie zachodzący proces utleniania, podczas gdy galwanizacja polega na nakładaniu jednego metalu na powierzchnię innego metalu. Chociaż anodowanie zapewnia zwiększoną odporność na korozję i oferuje możliwości dekoracyjne, zazwyczaj nie pozwala osiągnąć takiego samego poziomu odporności na zużycie, jak niektóre inne metody obróbki powierzchni, takie jak chromowanie twarde lub powłoki nakładane metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD). Ponadto anodowanie nie sprawdza się w przypadku wszystkich metali. Ostateczną decyzję należy podjąć na podstawie wszystkich materiałów, z których wykonany jest produkt, warunków zastosowania, wymagań dotyczących wydajności oraz budżetu, biorąc pod uwagę całościowy kontekst.