Anodize This:The Brilliance of Anodizing

Het anodisatieproces maakt de vorming van een schitterende, stabiele en duurzame oxidelaag op bepaalde metalen mogelijk, waardoor slijtage en corrosieschade aan het onderliggende metalen substraat tot een minimum wordt beperkt. De dikke anodische oxidelaag dient ook als een effectieve basis voor het aanbrengen van een extra gekleurde coatinglaag om de oppervlaktebescherming, glans en esthetiek van een substraat verder te verbeteren.

Hier zullen we kijken naar anodiseren, hoe het werkt en waarom dit het favoriete metaalafwerkingsproces is voor aluminium, titanium en soortgelijke metalen en legeringen

Het anodiseerproces

Anodiseren omvat een elektrochemisch proces dat het vermogen van metalen oppervlakken om zuurstof te absorberen verbetert door het oppervlak onder te dompelen in een zure oplossing en een spanningsbron aan te sluiten op het metalen voorwerp dat moet worden geanodiseerd.

Een demonstratie van anodisatie
Bron:Jasper Nance

Zo maakt de anodische oxidatie van metalen zoals aluminium, zink, cadmium, magnesium en titanium en hun legeringen de vorming van een harde laag van hun respectieve metaaloxide mogelijk (bijv. aluminiumoxide, magnesiumoxide, titaniumoxide, enz.). Deze stabiele oxiden hechten sterk aan het metalen substraat zonder de neiging tot schilferen of afvallen zoals waargenomen wordt bij ijzerhoudende oppervlakken die tijdens oxidatie roesten. (Lees voor een inleiding tot anodiseren en andere methoden De 5 meest voorkomende soorten metaalcoatings die iedereen zou moeten kennen.)

Classificaties van anodiseren

Er zijn verschillende classificaties voor anodiseren:

Hard anodiseren

Het harde anodisatieproces maakt de vorming mogelijk van een oxidefilm met een grotere dikte, die in het algemeen in de orde van grootte van twintig micrometer tot honderd (of meer) micrometer is. De hogere oxidelaagdikte wordt bereikt door de gelijkspanning en de zuurconcentratie te verhogen, terwijl het bad op lagere temperaturen wordt gehouden.

Hard anodiseren creëert een superieure corrosiebestendige laag die zowel hard als slijtvast is. Zo vormt aluminium geanodiseerd in een oplossing van zwavelzuur bij een temperatuur van 5°C (41°F) een dikke laag hard anodisch oxide met een doffe grijze kleur, terwijl bij een badtemperatuur van 20°C (68°F ) de zwavelzuuroplossing zorgt voor een zachte en dunne anodische film.

Zwavelzuur anodiseren

Het proces van anodiseren met zwavelzuur maakt de vorming van nauwkeurig gecontroleerde diktes van anodische oxidefilms op het metalen substraat mogelijk. Door een extra kleurbehandeling wordt de gewenste kleurafwerking verkregen. De precieze dikte wordt bereikt door de keuze van het voltage, de badtemperatuur en de samenstelling van de zuuroplossing. Voor aluminiumanodisatie wordt gewoonlijk een zwavelzuurbadoplossing gebruikt.

Chroomzuur anodiseren

Anodiseren met chroomzuur is de belangrijkste keuze als er een vereiste is dat de algehele vermoeiingssterkte van het product niet afneemt als gevolg van het proces. De dikte van de anodisatielaag ligt tussen de 1 en 10 micrometer. Dit is geen voorkeursmethode als de kleurconsistentie van het buitenoppervlak belangrijk is, omdat een zeer dunne oxidefilm niet de basis kan zijn voor consistente kleuring.

Aluminiumlegeringen die vanwege hun hoge sterkte in vliegtuigen worden gebruikt, worden vaak geanodiseerd door anodiseren met chroomzuur. Het proces is echter niet milieuvriendelijk omdat het chroom (VI) bevat, waarvan het gebruik vanwege de toxiciteit door regelgeving wordt beperkt.

Wit anodiseren

Het witte anodisatieproces is onderzocht op zijn geschiktheid in ruimtetoepassingen omdat het een oxidefilm produceert met een lage zonneabsorptiewaarde. Bij deze vorm van anodiseren bestaat de oplossing uit natriummolybdaat, glycerol, melkzuur en zwavelzuur. Optimale filmdikte en optische kleurconsistentie worden bereikt door het bestuderen van de impact van alternatieve formuleringen van badoplossingen, gelijkspanning, stroomdichtheid, temperatuur van het bad en de duur van het anodiseren.

Silicium anodiseren

Wanneer de legering silicium bevat, is de resulterende laag beter bestand tegen slijtage en corrosie, hoewel deze een karakteristieke grijze en ondoorzichtige kleur heeft. Deze vorm van anodiseren wordt niet gebruikt voor decoratie, maar voor onderdelen die niet zichtbaar zijn.

Titanium anodiseren

Titanium anodisatie wordt uitgevoerd in een verdund bad van zwavelzuur onder toepassing van een vaste waarde van gelijkspanning. De impact van procesvariabelen zoals procesduur, zuuroplossingformulering, badtemperatuur en stroomdichtheid op de anodische oxidefilmdikte en kleureigenschappen zijn bestudeerd om het titanium anodisatieproces te optimaliseren. (Gerelateerde literatuur:5 dingen die u moet weten en begrijpen over titaniumcorrosie.)

Orthopedische anodisatie van titaniumlegering

Anodiseren is een methode voor het vormen van een anodische oxidefilm met nanostructuur op de oppervlakken van titaniumlegeringen die worden gebruikt voor biomedische implantaattoepassingen. In dit proces is de fijnafstelling van de dikte van de oxidelaag en andere kenmerken mogelijk, zoals de topografie van de poriën die de laag vormen.

Orthopedische implantaten op basis van titaniumlegeringen hebben een kleurcode door middel van anodisatie in een zwavelzuuroplossing. Eén studie gaf aan dat als het kleurgecodeerde implantaat opnieuw wordt geanodiseerd in een fluorwaterstofzuuroplossing, het implantaat mogelijk een verhoogde botgroei bij de patiënt zou vergemakkelijken.

Geanodiseerde standaardkleurcodering van implantaten en apparaten die worden gebruikt in tandheelkundige, orthopedische en andere toepassingen, maakt snelle herkenning, nauwkeurige en snelle montage van componenten mogelijk en vergemakkelijkt medische procedures. Dit voordeel is ook van toepassing op de assemblage van geanodiseerde (kleurgecodeerde) componenten van titaniumlegering die ook worden gebruikt voor ruimtevaarttoepassingen.

Magnesium anodiseren

Magnesium anodisatie wordt uitgevoerd in een alkali-rijke elektrolyt. De badformulering zorgt ervoor dat de film die op het oppervlak wordt gevormd een hoge corrosieweerstand, zoutwaterweerstand, slijtvastheid en een esthetische afwerking heeft.

De vorming van de anodische oxidefilm van magnesium wordt direct beïnvloed door de spanning. Het anodiseren van magnesium bij een lage aangelegde spanning zorgt niet voor een oxidefilm met voldoende corrosiebescherming, dus hogere gelijkspanningen zijn noodzakelijk. Nieuwe anodisatieprocessen hebben vonkontladingsenergie aangenomen om een ​​slijtvaste keramische oxidefilm op magnesiumsubstraten te produceren. (Keramische coatings worden besproken in het artikel Top 5 toepassingen voor keramische coatings.)

De chemie van anodiseren

Tijdens het anodiseren wordt een gelijkspanning aangelegd tussen een metalen werkstuk (bijvoorbeeld aluminium) en een metalen kathode (vaak wordt zink als kathode gebruikt). De waterdeeltjes van de zure oplossing breken af ​​in de buurt van de anode, waarbij zuurstof wordt gegenereerd die aan de anode wordt opgevangen. Rijke zuurstof reageert met het aluminium om aluminiumoxide te produceren (Al₂ O₃ ).

2Al + 3H₂ O à Al₂ O₃ + 6U ⁺ + 6e ^-

Een dunne laag aluminiumoxide wordt snel gevormd op het substraat en een dikkere oxidelaag met een poreuze structuur wordt in een langzamer tempo gevormd. Op het oppervlak van aluminium kan al een dunne laag anodische oxide aanwezig zijn, maar deze dunne laag is gevoelig voor beschadiging en kan geen sterke corrosie- en slijtvastheid garanderen.

Anodiseren verbetert de dikte en andere kenmerken van de anodische oxidefilm volgens de vereisten. Deze parameters van de anodische oxidefilm kunnen worden aangepast aan de specifieke gebruiksomstandigheden (zoals die worden aangetroffen in de chemische industrie of in de buurt van kustgebieden). Wanneer de porositeit van de oxidefilm niet acceptabel is, kan een niet-poreuze film worden gemaakt door te anodiseren in een niet-zuur neutraal bad.

Pre-process-behandeling

De voorbehandeling voorafgaand aan het anodiseren omvat een grondige reiniging en etsing. Aangezien de werkstukken in vervuilde toestand kunnen worden ontvangen, is een goede reiniging vereist. Etsen kan in een oplossing van natriumhydroxide. Correct geëtste oppervlakken zullen na de anodisatie geen oppervlaktedefecten zoals krassen onthullen.

Kleuren en sealen na verwerking

In het geval van magnesium wordt het anodiseren vaak gebruikt als voorbereiding op een volgend kleur- of verfproces. Vaak worden kleurstoffen gebruikt voor het kleuren van geanodiseerde oppervlakken en wordt een coating van polytetrafluorethyleen (PTFE) gebruikt om de slijtvastheid te verbeteren en wrijving te verminderen. Kleuren worden gebruikt om identificatie te vergemakkelijken en om de esthetiek te verbeteren.

Een daaropvolgend afdichtingsproces sluit de poriën af en draagt ​​zo bij aan de stabiliteit van de anodische oxidefilm, zodat deze bestand is tegen slijtage en corrosie als gevolg van opspattend zout water en de diepe oceaanomgeving.

Bij het anodiseren van titanium is er echter geen apart kleurproces, omdat de kleurafwerking wordt bereikt door de parameters van het anodisatieproces direct te verfijnen.

Voor het anodiseren van aluminium wordt het werkstuk gereinigd en geëtst voordat het in een zuuroplossing in een anodiseertank wordt geplaatst. Het is verbonden als de anode en de negatieve pool is verbonden met kathodeplaten (of staven) in het elektrische circuit. De stroom in het circuit zorgt ervoor dat het aluminiumsubstraat reageert met zuurstof die vrijkomt uit water om aluminiumoxide te produceren, dat sterk aan het substraat hecht. Poriën van anodisch aluminiumoxide worden diep in het oppervlak gevormd, waardoor een sterke barrièrefilm ontstaat die het oppervlak beschermt tegen corrosieve omgevingen. Zolang er spanning over de klemmen van het circuit wordt aangelegd, blijft de zuurstof het aluminium binnendringen en oxideren, waardoor een dikkere en sterkere barrièrefilm ontstaat. Zodra de ontworpen laagdikte is bereikt, wordt de stroom uitgeschakeld.

Als kleuring nodig is, wordt de kleurstof in een apart vat bereid en wordt het geanodiseerde werkstuk na een spoeling met water in het vat geplaatst. Na het kleuren wordt het geanodiseerde en geverfde werkstuk in heet water gelegd om te sealen. Het afdichtingsproces draagt ​​bij aan de metaalachtige glans en duurzaamheid van de esthetische kleuring. Terwijl het oppervlak wordt geëtst, worden de lichtstralen die op het gekleurde oppervlak vallen, gedeeltelijk gereflecteerd door de ongekleurde poriën en gedeeltelijk door de gekleurde poriën, waardoor de duurzame metaalglans van de gebruikte kleuring behouden blijft. Dit is de reden waarom geanodiseerd aluminium zo populair is voor decoratieve toepassingen.

Prominent gebruik van geanodiseerde metalen

Geanodiseerd titanium wordt gebruikt in medische apparaten en ruimtevaarttoepassingen. Het voordeel van het anodiseren van dit metaal is dat het de mechanische eigenschappen van het bulkmetaal niet verandert. Anodiseren vergemakkelijkt de identificatie van de onderdelen en componenten tijdens de montage en het daaropvolgende gebruik.

Geanodiseerd aluminium is geschikt voor toepassingen in de buurt van een mariene omgeving, voor raamkozijnen en de fascia van grote gebouwen en commerciële complexen. Voor decoratieve en esthetische doeleinden moet de oxidefilm transparant en niet grijsachtig zijn. Overal waar een decoratieve afwerking gewenst is, moet de badtemperatuur worden geregeld.

Geanodiseerde metalen worden ook gebruikt voor:

• Esthetische ornamenten, kunstwerken, architecturale structuren en onderdelen
• Auto- en vliegtuigonderdelen
• Luxe meubels, sportuitrusting
• Keukenapparatuur, onderdelen van voedselproductiemachines
• Onderdelen die worden gebruikt in de bouw

Anodiseerapparatuur

De gelijkstroom die nodig is voor het anodisatieproces wordt geleverd via gelijkrichters. Jaren geleden werden motor-generatorsets (MG-sets) gebruikt om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. De benodigde spanning kan variëren van 24 tot 70 volt DC. Moderne stroomapparatuur kan gepulseerde stroom leveren, die nodig is om anodische film te produceren met een hogere corrosieweerstand. Een fabrikant beweert dat pulserende stroom (met microprocessorgestuurde besturing) de productiesnelheid verhoogt met hogere stroomdichtheden terwijl de oppervlaktetemperaturen lager blijven, waardoor de belasting van de koeling wordt verminderd.

Apparatuur voor temperatuurregeling vereist een koelsysteem omdat het anodisatieproces warmte-energie produceert (exotherme elektrochemische reactie) die moet worden geabsorbeerd zonder dat de badtemperatuur stijgt.

De elektrolyt wordt in beweging gebracht door een luchtblaassysteem zodat het hele bad een gelijkmatige temperatuur heeft. Afzuigapparatuur die op de anodiseertank is gemonteerd, verwijdert de waterstof en zure mist die continu wordt geproduceerd in de buurt van de kathode.

Anodisatietanks kunnen als kathode worden gebruikt als ze zijn bekleed met lood. Meestal worden afzonderlijke kathoden over de gehele lengte van de tank geplaatst, omdat het regelen van de verhouding van het anodegebied tot het kathodegebied van cruciaal belang is bij sommige soorten anodisatie. Voor een zwavelzuurbad heeft een aluminiumkathode voordelen ten opzichte van een loden elektrode. Tanks gemaakt van staal en bekleed met neopreenrubber of zuurbestendige polymeren hebben gewoonlijk de voorkeur voor deze toepassing.

Definities en methoden voor anodiseren

Hoewel de chemische anodisatieprocedure voor alle toepassingen hetzelfde is, verschillen de mechanische processen afhankelijk van de fysieke soorten en vormen van de gebruikte metalen:

Batch anodiseren houdt in dat stellingen in een reeks behandelingstanks worden ondergedompeld. Batch geanodiseerde objecten omvatten extrusies, platen of gebogen metalen stukken, gietstukken, kookgerei, cosmetische koffers, zaklamplichamen en machinaal bewerkte aluminium onderdelen, om er maar een paar te noemen.

Het continu anodiseren van coils omvat het continu afwikkelen van voorgerolde coils en deze door een reeks anodiseer-, ets- en reinigingstanks leiden voordat ze worden teruggespoeld voor verzending en fabricage. Deze technologie wordt gebruikt om verlichtingsarmaturen, reflectoren, lamellen, afstandsbalken voor geïsoleerd glas en doorlopende daksystemen te maken van hoogvolume plaat, folie en minder zwaar gevormde goederen.

Conclusie

Anodisatie is een metaalafwerkingsproces waarbij een metalen werkstuk als anode wordt verbonden en ondergedompeld in een elektrolyt van een chemische (zure) oplossing om een ​​anodische oxidefilm op het oppervlak te vormen. Deze film is stabiel, bestand tegen slijtage en corrosie, en werkt ook als basis voor verdere kleuring die nodig is voor identificatie of esthetische doeleinden.

Oxidefilmparameters worden beïnvloed door procesvariabelen zoals aangelegde gelijkspanning, de duur van het proces, elektrolytchemie en de badtemperatuur. Terwijl geanodiseerde titaniumcomponenten worden gebruikt voor orthopedische implantaten, worden zowel geanodiseerde aluminium als titaniumonderdelen gebruikt in kritische ruimtevaarttoepassingen. Bovendien worden geanodiseerde metalen gebruikt voor tal van industriële en architecturale doeleinden omdat ze elegant, duurzaam en weerbestendig zijn.