Anodowanie twarde: proces, właściwości i zastosowania

Anodowanie aluminium dzieli się na trzy rodzaje w zależności od grubości powłoki. Podczas gdy typ I i typ II stosuje się w zastosowaniach o niewielkim tarciu, anodowanie typu III (anodowanie twarde) stosuje się tam, gdzie wymagana jest wystarczająca odporność na zużycie, korozję oraz twardość powierzchni. Typ I to anodowanie kwasem chromowym o grubości 0,0001”. To, co często określa się mianem anodowania kwasem siarkowym, w Ameryce Północnej jest typem II, zgodnie z nazewnictwem normy MIL-A-8625; charakteryzuje się ono umiarkowaną grubością od 1,8 μm do 25 μm (od 0,00007″ do 0,001″).

Grubość warstwy anodowej dla typu III może wynosić od 13 do 150 μm (od 0,0005″ do 0,006″). Im grubsza warstwa anodowa, tym lepsza odporność na korozję, ścieranie i zużycie. Cechy te mogą nie występować w przypadku surowego aluminium. Twarde anodowanie pozwala na nałożenie na powierzchnię aluminium wystarczającej warstwy tlenku glinu. Jednak proces wzmacniania powłoki obejmuje szereg metod, w tym obróbkę końcową. Niniejszy przewodnik omawia proces, właściwości oraz kwestie projektowe związane z twardym anodowaniem.

Czym jest anodowanie twarde?

Anodowanie twarde nazywane jest czasem anodowaniem typu III lub po prostu anodowaniem twardym. Jest to proces konwersji elektrochemicznej, przeprowadzany zazwyczaj na aluminium, w wyniku którego na elementach aluminiowych powstaje twarda, gruba warstwa tlenku glinu.

Podczas procesu anodowania twardego element aluminiowy jest podłączany do źródła prądu stałego jako anoda i zanurzany w komorze elektrolitycznej. Element przeznaczony do anodowania jest podłączany do ujemnego bieguna źródła prądu stałego, pełniąc rolę katody. Po włączeniu zasilania prądem stałym wokół elementu aluminiowego zachodzi dysocjacja jonowa, w wyniku której uwalniane są jony tlenu. Jony te reagują z aluminiowym składnikiem elektrolitu, tworząc warstwę tlenku glinu. Reakcja ta przebiega w sposób ciągły, przy czym elektrolit jednocześnie rozpuszcza część tlenku. Ostatecznym rezultatem reakcji jest osiągnięcie równowagi między tworzeniem się tlenku a jego chemicznym rozpuszczaniem.

Reakcja ta jest typowa dla standardowego procesu anodowania. Aby uzyskać twarde anodowanie, temperatura jest regulowana do niższych poziomów, a gęstość prądu jest kontrolowana w celu zapobieżenia nadmiernemu rozpuszczaniu chemicznemu. W efekcie proces ten prowadzi do utworzenia grubszej warstwy tlenku. Anodowanie twarde zasadniczo różni się od innych rodzajów anodowania ze względu na stosunkowo wyższe stężenie substancji chemicznych. Ponadto czas trwania anodowania twardego jest dłuższy niż w przypadku anodowania typu I i typu II. Anodowanie typu III można podsumować następująco:;

1. Element aluminiowy
2. Przygotowanie powierzchni
3. Elektrolit kwaśny
4. Prąd stały regulowany
5. Wzrost tlenku
6. Płukanie
7. Opcjonalne barwienie/uszczelnianie
8. Kontrola

Czym różni się anodowanie typu III od anodowania typu II?

Ważne jest, aby zrozumieć różnice między trzema rodzajami anodowania, aby uniknąć błędów produkcyjnych. Podczas gdy w przypadku anodowania typu I jako elektrolitu stosuje się kwas chromowy, zarówno w anodowaniu typu II, jak i w anodowaniu twardym wykorzystuje się kwas siarkowy. Klasyfikacja oraz rozróżnienie między anodowaniem typu II a anodowaniem twardym pomagają określić stężenie kwaśnego elektrolitu podczas procesu elektrochemicznego. Poniższa tabela podsumowuje różnice między tymi dwoma procesami anodowania.

Różnica w właściwościach między anodowaniem typu II a twardym wynika z charakteru i struktury tlenku anodowego. Tlenek glinu to materiał ceramiczny złożony z glinu i tlenu. Warstwa tlenku jest gruba i porowata, co sprawia, że jest stosunkowo twardsza niż naturalne, niepoddane obróbce aluminium. Jednak inżynierów nie interesuje wyłącznie twardość. Podczas standardowego anodowania uwzględnia się raczej inne parametry, takie jak odporność na zużycie, odporność na korozję chemiczną oraz odporność na naprężenia i zmęczenie materiału. Parametry te osiąga się poprzez właściwy dobór stopów aluminium, odpowiednie obliczenia rozkładu obciążenia, zastosowanie środków smarnych oraz kontrolę chropowatości powierzchni.

Co dzieje się podczas procesu anodowania twardego?

Twarde anodowanie to wieloetapowy proces obejmujący liczne czynności, od przygotowania materiału po uszczelnienie w razie potrzeby. Omówmy te etapy krok po kroku.

W razie potrzeby producenci mogą poddać elementy procesowi barwienia i uszczelniania.

Jakie właściwości zapewnia anodowanie twarde?

Anodowanie twarde zapewnia odporność na zużycie, odporność na korozję, izolację elektryczną oraz trwałość powierzchni.

Odporność na zużycie

Większość zastosowań inżynieryjnych związanych z maszynami i ruchomymi elementami charakteryzuje się zużyciem wynikającym z ocierania się o siebie części stykających się. Dobry projekt inżynieryjny musi uwzględniać odporność na zużycie. Aluminium, metal szeroko stosowany ze względu na swoją lekkość, wymaga twardego anodowania w celu zwiększenia jego odporności na zużycie. Dzięki temu elementy aluminiowe stają się bardziej odporne na ścieranie, zapewniają lepszy kontakt ślizgowy i mogą ocierać się o inne elementy. Ta właściwość sprawia, że anodowane aluminium znajduje zastosowanie w wielu różnych dziedzinach, w tym w elementach zaworów, cylindrach i prowadnicach.

Odporność na korozję

Korozji aluminium można zapobiec, unikając bezpośredniego kontaktu powierzchni aluminium ze środowiskiem roboczym. Warstwy tlenku aluminium skutecznie spełniają tę rolę, tworząc barierę ochronną, która spełnia rygorystyczne wymagania testowe określone w normie ASTM B580 ^[1]. Skuteczność ochrony antykorozyjnej aluminium zależy jednak od grubości powłoki, warunków uszczelnienia, rodzaju zastosowanego stopu aluminium oraz ewentualnych wad na powierzchni aluminium.

Izolacja elektryczna

Oprócz odporności na zużycie i korozję tlenek glinu poprawia izolację elektryczną. Tlenek glinu jest izolatorem. Warstwa tego tlenku zapobiega przepływowi prądu, który miałby miejsce w przypadku gołego aluminium. Tlenek glinu musi jednak być wystarczająco gruby, aby zapobiec przedostawaniu się napięcia przebicia przez warstwę powłoki. Zatem gruba warstwa tlenku powstała w wyniku anodowania twardego stanowi skuteczny izolator elektryczny.

Trwałość powierzchni

Anodowanie twarde pozwala uzyskać grubą powłokę powierzchniową, która ogranicza powstawanie zadrapań i innych uszkodzeń powierzchni podczas eksploatacji i przenoszenia elementu. Jednak ta gruba powłoka nie chroni elementu przed uszkodzeniami mechanicznymi. Bardzo duże naprężenia kontaktowe lub uderzenia mogą spowodować pęknięcie warstwy tlenku na powierzchni elementu, co prowadzi do jego zniszczenia.

Jakie są najczęstsze wady związane z anodowaniem twardym?

Do typowych wad występujących podczas anodowania twardego należą: przypalenia, nierównomierna grubość, różnice w zabarwieniu, wady powierzchniowe oraz pęknięcia lub uszkodzenia spowodowane kruchością.

Może dojść do nadmiernego lokalnego nagrzewania się lub nieprawidłowego wzrostu tlenku, zwłaszcza podczas anodowania twardego w wysokiej temperaturze lub przy dużej gęstości prądu. Zjawisko to nazywa się „przypalaniem”. Przypalanie może również wynikać z niewystarczającej cyrkulacji elektrolitu oraz koncentracji prądu związanej z geometrią elementu.

Nierównomierna grubość wynika zazwyczaj z geometrii elementu, cyrkulacji elektrolitu, rozkładu prądu oraz lokalnego wytwarzania ciepła. Czasami zjawiska te mogą powodować powstawanie wad powierzchniowych, takich jak ślady obróbki, wtrącenia i zadrapania.

Chociaż w celu zapewnienia odporności na zużycie i korozję zaleca się stosowanie grubej powłoki anodowej, powstała w ten sposób gruba warstwa tlenku glinu jest krucha, zwłaszcza pod wpływem dużych obciążeń mechanicznych. Wymaga to stosowania kontrolowanych rozwiązań projektowo-produkcyjnych.

Kiedy inżynierowie powinni zdecydować się na anodowanie twarde zamiast anodowania typu II?

Zasadniczo inżynierowie wybierają anodowanie twarde, gdy głównym wymogiem technicznym jest trwałość powierzchni. Inne wymagania obejmują wyższą odporność na ścieranie, większą twardość powierzchni, izolację elektryczną oraz odporność na zużycie ślizgowe. Ponadto typ III jest preferowany, gdy inżynierowie dążą do uzyskania stosunkowo grubej warstwy ochronnej tlenku w celu poprawy odporności na korozję. W praktyce dążą oni do uzyskania elementu o długiej żywotności w środowisku eksploatacyjnym charakteryzującym się powtarzającym się kontaktem.

Z drugiej strony inżynierowie wybierają anodowanie typu II, gdy głównymi czynnikami są kolor, wygląd, mniejszy wpływ na wymiary oraz ogólna ochrona przed korozją. Weźmy na przykład aluminiową obudowę narażoną na wilgoć i odciski palców. Element ten nie wymaga zastosowania rozwiązań konstrukcyjnych o wzmożonej wytrzymałości. W praktyce inżynierowie zdecydowaliby się na anodowanie typu II. Jeśli ten sam element jest narażony na działanie środowiska roboczego, w którym o niego ociera się przesuwny mechanizm stalowy, wymaga on wzmocnionej ochrony. W takim przypadku inżynierowie zdecydowaliby się na anodowanie z twardą powłoką.

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