Co to jest anodowanie?


Wytworzenie cienkiej porowatej warstwy tlenku na powierzchni aluminium, i ewentualne jej zabarwienie.


Anodowana powierzchnia pod mikroskopem anodized surface

Tak wygląda powierzchnia anodowanego aluminium w powiększeniu.



Co można anodować?


Aluminium i jego stopy - najlepiej takie, które mają niską zawartość domieszek.
Dodatki stopowe pogarszają wygląd anodowanego przedmiotu, a czasem całkiem uniemożliwiają przeprowadzenie procesu.


Co daje anodowanie.


- Ochronę przed korozją
- Podniesienie twardości powierzchni
- Podniesienie walorów estetycznych
- Możliwość zabarwienia powierzchni


Co to jest anodowanie typu I

Jest to wytworzenie warstwy tlenku przede wszystkim przy użyciu jako elektrolitu kwasu chromowego.
Polecane kiedy przedmiot anodowany stwarza ryzyko uwięzienia resztek elektrolitu z uwagi na swą skomplikowaną strukturę.
Preferowane przy anodowaniu odlewów.
Pozostałości kwasu chromowego są stosunkowo mało agresywne.
Powłoka tlenkowa w 50% wyrasta ponad element i 50% wrasta w niego.
Jest cienka i ciemna, lecz twardsza od powłoki tej samej grubości powstałej w wyniku anodowania typu II.

Anodowanie typu I dzieli się na następujące podtypy:
Typ I Konwencjonalne anodowanie w kwasie chromowym
Typ I B Anodowanie w kwasie chromowym przy użyciu obniżonego napięcia.
Typ I C Anodowanie w innych kwasach jako alternatywa dla typu I i IB - np. Metoda Boeinga - anodowanie w kwasie bornym.


Co to jest anodowanie typu II

Jest to wytworzenie warstwy tlenku przy użyciu jako elektrolitu roztworu kwasu siarkowego.
Anodowanie typu II jest najbardziej rozpowszechnione.
Powłoka jest stosunkowo gruba i odporna na ścieranie. Na 33% wyrasta ponad element, a 67% wrasta w niego.
Jest dość jasna, porowata i z tego powodu łatwa w barwieniu.


Anodizing type II Anodowanie typu II

Oto piękny przykład anodowania typu II



Co to jest anodowanie typu III

Jest to proces wytworzenia tlenku, w którym również elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego.
Jednakże stężenie kwasu jest wyższe, temperatura niższa - ok (-3) - 0 C, gęstość prądu wyższa (ok 3.5A/dm3).
Częstym dodatkiem do kwasu siarkowego jest kwas szczawiowy.
Powłoka penetruje w 50% i w 50% wystaje ponad oryginalną powierzchnię elementu.
Powierzchnia części anodowanych w ten sposób zyskuje twardość ok 65 w skali Rockwell'a.
Jest to mniej więcej ekwiwalentem hartowanej stali węglowej.
Z tego powodu jest też nazywane anodowaniem twardym.

Anodowanie twarde typu III dzieli się na dwie klasy:
Klasa 1 - nie barwione
Klasa 2 - barwione.

Części po anodowaniu są często poddawane obróbce wykańczającej pozwalając uzyskać niezwykle gładkie powierzchnie.
Twarda powłoka tlenku jest doskonałym izolatorem.
Po anodowaniu twardym stosuje się czasem impregnację PTFE - co znakomicie poprawia odporność na ścieranie.
Twardo anoduje się np. zawory, tłoki, przekładnie, wyposażenie wojskowe.


Twarde anodowanie. Hard anodizing example.

Tak wygląda powierzchnia twardo anodowana (typ III)



Anodowanie to prowadzi się w temperaturze ok. (-3) do 0 C.
Początkowo napięcie powinno wynosić ok 12V, następnie stopniowo podnosi się je do ok 60V.
Gęstość prądu - ok 2.5A/dm2
Tyle teoria. Kiedy uda mi się twarde anodowanie opiszę ten proces dokładnie.


Anodowanie mikroplazmatyczne

Nowością jest twarde anodowanie mikroplazmatyczne.
Polega ono na cyklicznym wytwarzaniu powłoki tlenkowej przy użyciu wysokiego (ok 400-600V) napięcia i dużego prądu. Elektrolitem jest słaba zasada.
Powłoka wytwarza się bardzo szybko, izolując anodowany przedmiot. Następnie wytworzona powłoka jest przebijana przez wyładowanie i ponownie dochodzi do wytworzenia warstwy tlenku. Ten cykl szybko się powtarza, ustając po wytworzeniu bardzo grubej powłoki tlenkowej zdolnej trwale izolować element. Proces jest gwałtowny i trudny w kontroli, jednak pozwala wytworzyć niezwykle grubą i twardą warstwę tlenku. Wyposażenie niezbędne do właściwego przeprowadzenia procesu jest nieadekwatne do warunków przeciętnego hobbysty. Jeżeli jednak ktoś ma ochotę zbadać temat to powinien zacząć od tej strony...


Jak podłącza się anodowany przedmiot?



Anoda Katoda anode cathode

Anoda - biegun dodatni - do niego biegną aniony (jony ujemne)
Katoda - biegun ujemny - do niego zaś dążą kationy (jony dodatnie)


Co da się zrobić w warunkach domowych?


- Anodowanie typu I - względnie łatwo
- Anodowanie typu II - względnie łatwo
- Anodowanie typu III (twarde) - proces jest trudny z powodów sprzętowych, lecz podobno możliwy :)


Jakie stosuje się elektrolity?


Elektrolitem nie musi być czysty 20% kwas siarkowy (anodowanie typu II) - możliwy jest dodatek kwasu szczawiowego
(pozwala to podnieść temperaturę anodowania nawet do 28C bez uszczerbku dla powłoki).
Można użyć roztworu kwasu szczawiowego lub kwasu chromowego.

Kąpiel oparta na kwasie chromowym (anodowanie typu I) daje ciemne powłoki:

- Bezwodnik kwasu chromowego CrO3 2-5%
- woda

Temperatura 40C +/- 2C
Napięcie do 50V
Czas 35-40min


Kąpiel oparta na kwasie szczawiowym daje grube powłoki i pozwala na stosowanie prądu zmiennego:

Prąd stały:

Kwas szczawiowy 50-70g
Woda 1l
Temperatura 30C +/- 2C
Napięcie 40-60V
Gęstość prądu 1-2A/dm2
Czas 30-40min

Prąd zmienny:

Kwas szczawiowy 40-50g
Woda 1l
Temperatura 25-30C
Napięcie 40-60V
Gęstość prądu 1,5-4,5A/dm2
Czas 30-40min


Co właściwie się dzieje z anodowanym przedmiotem?


Proces anodowania to tak naprawdę dwie elektrochemiczne reakcje przebiegające w tym samym czasie.
Jedna z nich to narastanie warstwy tlenkowej, druga - rozpuszczanie się tej warstwy w kwasie będącym elektrolitem.
Chodzi oczywiście o utrzymanie przewagi pierwszej reakcji nad drugą, tak długo jak to możliwe
i przerwanie procesu kiedy przekroczony zostanie moment równowagi.

Rezystancja powłoki rośnie proporcjonalnie do jej grubości.

Przypominamy sobie prawo Ohma

V=I*R

Reakcja zależy głównie od gęstości prądu - czyli natężenia na jednostkę powierzchni.
Co za tym idzie - należy kontrolować właśnie natężenie.

Załóżmy że natężenie jest stałe, a więc zmienia się napięcie - proporcjonalnie do rezystancji
V=Iconst*R Na początku reakcji aluminium jest oczyszczone i stawia niski opór i co za tym idzie aby natężenie było odpowiednie - trzeba ograniczyć napięcie. Z czasem, kiedy rosnąca powłoka stawia większy opór - czyli rośnie rezystancja - napięcie również ulega podwyższeniu. Dzieje się tak do momentu w którym - albo posiadane przez nas żródło stałoprądowe osiąga swe maksymalne napięcie wynikające z konstrukcji sprzętu, lub też powłoka osiąga maksymalną grubość - czyli napięcie osiąga maksymalną wartość. Moment ten nosi w literaturze ładną nazwę "PAR" - Peak Anodic Resistance - Szczyt Rezystancji Anodowej Obliczeniowa wartość PAR jest odwrotnie proporcjonalna do powierzchni anodowanego przemiotu i jego umowną jednostką będzie 1 / Ohm / dm2 Jeśli proces anodowania będzie kontynuowany po wystąpieniu PAR - nastąpi przewaga drugiego typu reakcji, zmniejszenie rezystancji, a co za tym idzie napięcia. Wystąpienie tego objawu jest sygnałem dla operatora - czy to człowieka, czy elektroniki sterującej - że czas przerwać reakcję. Możliwe jest oczywiście wykrycie PAR, także przy użyciu żródła o regulowanym napięciu. Należy w tym celu obserwować wskazania prądu i moment w którym, dla zachowania stałego odczytu natężenia (np. 5A), zamiast stale zwiększać - trzeba zmniejszyć napięcie oznacza to, że właśnie przekroczony został PAR Z praktycznego punktu widzenia - wykrycie PAR przy natężeniach poniżej 0,6A/dm2 będzie trudne, ponieważ charakterystyka wzrostu napięcia bardzo się wypłaszcza. Można wtedy uznać, że reakcja osiągnęła równowagę i zakończyć proces. Przy gęstościach powyżej 1,5A/dm2- PAR powinien być wyraźnie widoczny. Należy pamiętać, że gęstość prądu i temperatura procesu określają porowatość powłoki tlenkowej. Im wyższa temperatura tym większa porowatość. Im większa gęstość prądu - tym mniejsza wielkość porów. Im większa porowatość tym lepsza wchłanialność barwnika, ale coś za coś - trudniejsze uszczelnienie porów - czyli łatwiejsze wypłukiwanie barwnika w kąpieli uszczelniającej. Do pewnego stopnia można sobie z tym poradzić - uszczelniając wstępnie nie w zanurzeniu, ale w parach uszczelniacza. Im mniejsza porowatość tym trudniejsze barwienie, ale twardsza powłoka. Rozkład katod ma również znaczenie. Najprościej stwierdzić, że katody powinny być rozmieszczone równomiernie w stosunku do przedmiotu anodowanego. Zbyt bliskie umieszczenie fragmentu przedmiotu w stosunku do katody spowoduje inny przebieg reakcji na tym fragmencie, a co za tym idzie przebarwienia i nierówną powłokę tlenku.