Technologie I. Anodická oxidace hliníku. Referát č. 1. Povrchové úpravy

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta strojní Ústav strojírenské technologie Technologie I. Referát č. 1. Povrchové úpravy Anodická oxidace hliníku Vypracoval: Jan Kolístka Dne: Ročník: II. Skupina: 12.

2 Zadání: Anodická oxidace hliníku Na zadané téma vypracujte referát, jenž bude obsahovat: Princip dané technologie Použití dané technologie ve strojírenství Technologický postup výroby Anotace Anodická oxidace, nazývaná též eloxování nebo anodizace, je nejrozšířenější povrchová úprava hliníku a jeho slitin. Jedná se o proces elektrolytické oxidace povrchu využívající přirozeného sklonu materiálu k oxidaci. Tímto procesem dosahujeme vrstev o tloušťkách řádově desítek mikrometrů, což představuje nárůst ve stovkách až tisících procent oproti vrstvám vznikajícím přirozeně. Úvod Anodická oxidace (anglicky anodizing) patří mezi tzv. povrchové úpravy kovů. Jedná se o elektrochemický proces, kdy na povrchu kovu-předměty jsou zavěšovány na kladném pólu (anodě) stejnosměrného proudu a jsou zde použité nerozpustné katody, lze eloxovat též proudem střídavým a to tak, že na svorky-armaturu střídavého proudu se zavěšují dvě stejné předměty, tyto předměty se střídavě eloxují. Jeden předmět slouží jako katoda druhému předmětu a opačně. Výhodou je také možnost vybarvování těchto vrstev průmyslovými barvivy do libovolného odstínu, což má důvod jak estetický, tak i praktický (např. černění hliníkových součásti optických přístrojů, nebo ploch chladičů). Navíc na rozdíl od organických barviv nanášených pouze na povrch kovu, nemá eloxová vrstva při správném provedení tendenci k odlupování a barvivo je v této vrstvě uzavřeno. Nejznámější a nejrozšířenější je eloxování hliníku, kdy na jeho povrchu vzniká vrstva oxidu hlinitého se strukturou korundu (důvod tvrdosti vrstvy), tloušťka vrstvy 5-25 mikrometrů. Eloxování hliníku je poměrně jednoduchá operace proveditelná i v domácích podmínkách. Při dodržování určitých pravidel lze docílit efektního vzhledu hliníkových dílů. Obr. 1.: Princip anodické oxidace (1.Katoda, 2. Anoda (eloxovaný předmět), 3. Proudový regulovatelný zdroj, 4. Eloxovací lázeň, 5. Eloxační vana s lázní)

3 Princip procesu anodické oxidace hliníku a jeho slitin Průchodem stejnosměrného proudu v lázni vhodného složení dochází k polarizaci, anoda je oxidována a vytváří se na ní tvrdý a stabilní oxid. Průběh sumárních elektrochemických a chemických reakcí při anodické oxidaci hliníku v H 2 SO 4 2 H 2 O-----O 2 + 4H + + 2e - 2 H 2 SO H 2 S 2 O 8 + 2H + + 2e - H 2 S 2 O H 2 SO 5 + H 2 SO 4 H 2 SO 5 + H 2 O H 2 SO 4 + O 2 + 2H + + 2e - 2 Al + 2/3 O Al 2 O 3 - vlastní tvorba Al 2 O H 2 SO Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O - nežádoucí rozpouštění Al 2 O 3 + H 2 O Al 2 O 3. H 2 O - po utěsnění Při průchodu elektrického proudu lázní vzniká velké množství tepla, proto je nutné chlazení nejen roztoku, ale hlavně vrstvy. Na anodickou oxidaci působí několik činitelů, které je nutné vyváženě sladit, aby bylo dosaženo nejvýhodnějších podmínek: Příznivý vliv na proces má optimální složení lázně. Zvýšená koncentrace kyseliny sírové zvyšuje vodivost, ale i rozpouštění vrstvy. Zvýšená teplota zvyšuje vodivost lázně, tím tvorbu oxidů, ale i rozpouštěni vrstvy. Proces urychluje vyšší proudová hustota, ale současně se zvyšuje teplota, která urychluje rozpouštění a spálení vrstvy. Složení vrstvy Vrstva je složena z různě hydratovaného oxidu hliníku a po utěsnění vzniká monohydrát, vzorce Al 2 O 3.H 2 O. Vlastnosti vrstvy Kysličníková vrstva je elektrický nevodivá, velmi tvrdá a křehká, tvrdost se blíží korundu, velmi dobře odolná proti opotřebení a odolná proti atmosférickým tlakům a chemikáliím. Tato vrstva není odolná vůči kyselinám a zásadám, není odolná proti ohybu (ohýbáním plechu nebo drátu). Hustota Jde o pórovitou vrstvu, měnící se hustota vrstvy s její tloušťkou podle materiálu a parametrů eloxování. Čím vyšší teplota a delší doba oxidace, tím jsou vrstvy pórovitější. Průměr póru d=(0,01 0,02 µm) eloxační vrstvy závisí na způsob eloxování. Hustota vrstvy je nepříznivě ovlivněna rozpustnými přísadami, zvyšující se tloušťkou a vyšší teplotou lázně. Poréznější vrstvy jsou lépe a sytěji barvitelné. Málo porézní vrstvy jsou tvrdší.

4 Tvrdost Vlastní tvrdost oxidu hlinitého je velmi vysoká, podle Moosovy stupnice tvrdosti se pohybuje mezi stupněm 7. až 8., tím zajišťuje výrobku zvýšenou odolnost vůči abrazi. Tloušťka vrstvy Eloxovaná vrstva má do značné míry vliv na korozní odolnost. Tloušťka roste se vzrůstající proudovou hustou, napětím, s klesající teplotou. Tloušťka eloxované vrstvy h se vypočte podle vztahu: kde η stupeň účinnosti lázně ( 0,6 0,7) I stejnosměrný proud[ A ] t doba eloxování [ min ] 2 S plocha zboží[ dm ] h = 0,4 η I t S 1 Tepelná vodivost Je podstatně nižší u oxidické vrstvy než u hliníku. Také je rozdílná tepelná roztažnost. Elektrické vlastnosti Homogenní kysličníková vrstva je izolant, průrazové napětí je V. 1mm -2 tloušťku 5-10 µm. pro Korozní odolnost Korozní odolnost v neutrálním prostředí (ph v rozmezí 6,5 až 8) je vysoká. Povlaky o tloušťce 20 µm jsou spolehlivou ochranou pro venkovní atmosféru. Anodická oxidace - pracovní parametry Jakost oxidické vrstvy a tloušťka oxidické vrstvy je závislá na koncentraci lázně, teplotě, proudové hustotě a na době anodické oxidace. Změna těchto parametrů dojde k ovlivnění vlastnosti eloxované vrstvy. Nejčastěji používaný ochranný způsob eloxování v kyselině sírové jsou obvykle tyto pracovní podmínky: - Koncentrace H SO : 5 20% Proudová hustota: 0,8-3 - Napětí: 10 20V -3 A.dm - Teplotě lázně: o C - Doba eloxování: 5-60 min.

5 Použití technologie anodické oxidace ve strojírenství Dekorativní anodická oxidace Obr. 1 dává představu o možnostech vybarvení a estetičnosti anodicky oxidovaných strojních dílů. Zde vrstva zároveň poskytuje i protikorozní ochranu materiálu. Obr. 1.: Dekorativně anodicky oxidované a vybarvené strojní díly. Obr. 3.: Obložení nástupiště pražského metra Tvrdá anodická oxidace Obr. 4.: Tvrdě anodicky oxidovaná a následně barvená těla ručních palných zbraní.

6 Technologický postup dekorativního eloxování v lázních ROGAL 1. 0dmašťování s mořícím efektem v lázni ROGAL 18: Pracovní podmínky: doba: 1 3 minuty teplota: o C 2. Oplach průtočný : (tekoucí voda) doporučujeme dvoustupňový oplach Pracovní podmínky: doba: cca 1 minuta teplota: 20 o C 3. Vyjasnění v lázni ROGAL 32: ( vyjasnění v kyselině sírové s přísadou ) Pracovní podmínky: doba: 1 2 minut teplota: 20 o C 4. Oplach průtočný: viz operace 2. Pracovní podmínky: doba: 1 2 minuty teplota: 20 o C 5. Eloxování anodická oxidace v lázni ROGAL 3 : Pracovní podmínky : doba: 5 60 minut teplota: o C proudová hustota: 0,8 3 A.dm Oplach průtočný: viz operace Vypírání vrstvy: (tekoucí voda, doporučujeme demi vodu) Pracovní podmínky: doba: minut teplota: o C 8. Barvení : viz pracovní podmínky stanovené výrobcem barviva. 9. Oplach průtočný: viz operace Utěsnění vrstvy: chemické utěsnění v lázni ROGAL 21, Pracovní podmínky: doba: 5 15 minut teplota: o C Utěsnění v demi vodě při teplota 95 o C. (jako poslední operace). 12. Oplach průtočný: viz operace Sušení teplým vzduchem (současně se sušením probíhá utěsnění).

7 Závěr Důležitost Anodické oxidace nabývá stále na důležitosti, roste produkce hliníku a jeho uplatnění v automobilovém průmyslu, letectví i stavebnictví a ty vyžadují pro své produkty kvalitní ochranu vůči korozi a opotřebení. Anodická oxidace zvyšuje odolnost vůči oběma těmto faktorům, což jí pasuje do pozice nejpoužívanější povrchové úpravy k ochraně hliníkových výrobků, díky tomu se neustále vyvíjí, a to zejména v oblastech řízení procesu a použitých chemikálií, směrem k ekologičtějšímu, ekonomičtějšímu a automatizovanému provozu. Použité literární zdroje: [1] MICHNA Štefan; LUKÁČ Ivan; OČENÁŠEK Vladivoj; KOŘENÝ Rudolf; DRÁPALA Jaromír; SCHNEIDER Hainz; MIŠKUFOVÁ Andrea a kol. Encyklopedie hliníku., Adin s. r. o., Prešov ISBN [2] KREIBICH Viktor. Teorie a technologie povrchových úprav. 1. vyd., Praha; ČVUT, ISBN X [3] SHWARTZ Mel. M. Encyklopedia of materials, parts and finishes. CRC Press, ISBN [4] Anodická oxidace hliníku. [5] ANODIZING.ORG. Anodizing and the automotive market. [6] EKOCHEM PPU.