7.3. Оксидирование алюминия и его сплавов

Несмотря на естественную тонкую окисную пленку на поверхности алюминия при эксплуатации во влажной атмосфере изделия покрываются белым рыхлым налетом гидратов металла, что снижает механическую прочность, некоторые важные эксплуатационные характеристики и ухудшает внешний вид. Самым распространенным промышленным способом защиты алюминия и его сплавов от коррозии является электрохимическое анодное оксидирование в растворе серной, щавелевой и хромовой кислот.

В сернокислом электролите можно оксидировать все алюминиевые сплавы, за исключением литейных сплавов и деталей со сварными или клепаными соединениями. Для таких деталей рекомендуется оксидирование в хромовокислом электролите, который воздействует на обрабатываемый металл менее агрессивно. Пленки из хромовокислого электролита толщиной 6— 8 мкм более эластичны, чем пленки, полученные из сернокислого и щавелевокислого электролитов.

Оксидные пленки из щавелевокислых электролитов обладают хорошими диэлектрическими свойствами, непрозрачны, окрашены в желтый или коричневый цвет. Для получения твердых оксидных пленок большой толщины (процесс глубокого оксидирования) применяют сернокислый электролит с охлаждением раствора до температуры —6 до -т-2°С, что усложняет и удорожает процесс.

Механизм образования пленок следующий. В начале электролиза образуется тонкий слой окисла, практически беспористый с высоким электросопротивлением, если образовавшаяся оксидная пленка не растворяется в электролите. При обработке алюминия в электролитах, растворяющих оксидную пленку, первичный тонкий беспористый слой частично растворяется и становится пористым и проницаемым для ионов, при этом на границе с металлом формируется окисная пленка (как бы вырастает из металла), а внешняя поверхность и поверхность пор непрерывно подвергается воздействию электролита. Рост оксидной пленки зависит от двух процессов: формирования пленки в результате электрохимического окисления металла и химического растворения ее в электролите.

Различные стадии процесса электрохимического оксидирования алюминия характеризуются изменениями напряжения на ванне. В первые секунды электролиза в растворе серной кислоты происходит быстрое увеличение напряжения в связи с образованием на металле тонкого беспористого барьерного слоя. Затем при агрессивном воздействии электролита на барьерный слой напряжение немного уменьшается. При этом уменьшается толщина беспористого слоя и начинает образовываться пористая часть оксидной пленки. Несмотря на рост оксидного слоя напряжение в течение времени не увеличивается, так как высокая электропроводность электролита в порах пленки мало сказывается на напряжении.

Анодное оксидирование алюминия и его сплавов осуществляют в электролите с содержанием серной кислоты 170— 200 г/л. Режим электролиза выбирается в соответствии с составом обрабатываемого сплава: алюминий и плакированный металл анодируют при плотности тока 1—2 А/дм² и напряже­нии на ванне 10—15 В, дюралюминий и силумин — при 0,5— 1 А/дм² и 12—20 В. Температура электролита должна быть 15—23 °С. Превышение концентрации кислоты приводит к снижению скорости роста оксидной пленки из-за более быстрого ее растворения и увеличения пористости. При оксидировании с последующим уплотнением пленки хроматами продолжительность электролиза составляет 30—50 мин, а при последующем адсорбционном окрашивании пленки органическими красителями длительность электролиза увеличивают до 60—80 мин.

Учитывая, что при одинаковых условиях электролиза на алюминии образуются пленки большей толщины, чем на его сплавах, в ванну необходимо одновременно загружать детали из одного и того же материала.

Оксидирование в сернокислом электролите осуществляется не только постоянным, но и переменным током промышленной частоты. При этом концентрацию серной кислоты можно уменьшить до 120—150 г/л. Напряжение на ванне составляет 28 В, а продолжительность оксидирования — 30—40 мин. Плот­ность тока для алюминия принимается 1,5—2,5 А/дм², для сплавов алюминия — 1,2—2 А/дм².

Оксидированные детали тщательно промывают в проточной воде для полного удаления следов электролита, остатки которого могут вызвать дальнейшую коррозию металла. Перерыв между операциями оксидирования и уплотнения или поверхности, детали должны быть в воде.

Уплотнение оксидных пленок (для повышения их защитной способности) осуществляется обработкой их горячей водой или растворами хроматов. Обработка конденсатной или дистилированной водой (рН 5,5—6,5) производится при температуре 95—100°С в течение 20—30 мин. При хроматной обработке используется раствор, содержащий 80—100 г/л калиевого или натриевого хромпика при температуре 80—90 °С в течение 20—25 мин. Оксидная пленка после хроматной обработки имеет слабо-желтую окраску.

Для повышения защитной способности оксидных пленок без изменения внешнего вида рекомендуется пропитывание их 8— 10 %-ной кремнеорганической жидкостью ГКЖ-94 в бензине с последующей сушкой, аналогично сушке стальных оксидированных деталей, пропитанных той же жидкостью. Оксидные покрытия из хромовокислого электролита применяются тогда, когда требуется обработка литейных кремнистых сплавов типа АЛ2 и АЛ9, а также обработка деталей, имеющих сварные и клепаные соединения.

Оксидирование алюминия в хромовокислом электролите происходит при повышенном напряжении и требует точного соблюдения электрического и теплового режимов. Покрытия, полученные из хромовокислого электролита, характеризуются меньшей твердостью и износостойкостью, чем покрытия из сернокислого и щавелевокислого электролитов.

Для оксидирования применяют разбавленные электролиты, содержащие 30—35 или 50—55 г/л СгО₃, или концентрированные, содержащие 90—100 г/л СгО₃. В разбавленном электролите оксидируются алюминий и сплавы АМг, АМц, АЛ2, АЛ9 при температуре 40 ± 2 °С и анодной плотности тока 0,2— 0,3 А/дм², ступенчато поднимая напряжение на ванне: в течение первых 25 мин электролиза напряжение повышают до 40 В, выдерживают при этом значении 35 мин, затем повышают 5 мин до 50 В и поддерживают на этом уровне в течение 5 мин.

Алюминий и его гомогенные сплавы оксидируются в концентрированном хромовокислом электролите при температуре 36 ± 2 °С и анодной плотности тока 0,3—0,5 А/дм², а при температуре 32±2°С и плотности тока 0,4—2,5 А/дм² — гетерогенные сплавы. В течение первых 5—10 мин электролиза напряжение на ванне постепенно повышают до 40 В и поддерживают на этом уровне 40—50 мин. Повышение напряжения должно быть таким, чтобы коррозионно-стойкой марки стали 1Х18Н9Т или алюминия марки АО. При этом отношение площади поверхности катода к площади поверхности обрабатываемых деталей не должно превышать 5:1.

Наиболее широко используется электролит, содержащий 30 г/л хромовой кислоты. Величину рН раствора поддерживают в пределах 0,6—0,8, корректируют рН добавлением СгО₃. По достижении концентрации СгО₃ > 100 г/л электролит становится непригодным и его заменяют новым. Толщина пленок, полученных при оксидировании в хромовокислых электролитах, в среднем составляет 2—5 мкм. Они обладают малой пористостью, плохо окрашиваются органическими красителями и не уплотняются как пленки, получаемые в сернокислом электролите.

Электрохимическое оксидирование алюминия и его сплавов, содержащих до 5 % меди или 4 % кремния, осуществляется в щавелевокислом электролите тогда, когда необходимо получить твердое или электроизоляционное покрытие. Оксидирование постоянным током осуществляют в 3—5%-ном растворе щавелевой кислоты при 20—25 °С, анодной плотности тока 1 — 2 А/дм² в течение 30—40 мин. Затем плотность тока понижается благодаря росту оксидной пленки и увеличению ее сопротивления. Для поддержания постоянной плотности тока необходимо увеличивать напряжение, которое к концу электролиза достигает 60—70 В.

Пленки, получаемые при комнатной температуре, имеют серебристую окраску, с повышением температуры раствора и плотности тока становятся желтого, а затем — коричневого цвета (под бронзу). Светлые пленки легко окрашиваются органическим красителем в черный цвет. Для получения твердых или электроизоляционных покрытий их толщина должна быть не менее 25—40 мкм. Такие покрытия получают в 3 %-ном растворе щавелевой кислоты при начальной плотности тока 2,5—3 А/дм² и продолжительности электролиза 60—120 мин. Напряжение на ванне к концу процесса увеличивается до 90— 100 В.

Для получения более мягкого и эластичного покрытия для ленты и проволоки оксидирование рекомендуется осуществлять с применением переменного тока в 4—5 %-ном растворе щавеле­вой кислоты с добавлением 0,5—1 %-ного раствора СгО₃. Электролиз ведут при температуре 25—35 °С в течение 40—60 мин при плотности тока 2—3 А/дм².

При анодном оксидировании в щавелевой кислоте в качестве катода используют свинец или коррозионно-стойкую сталь. Электролит перемешивают и при необходимости производят охлаждение с помощью змеевика с проточной водой. Наилучшие условия электролиза при температуре 20—40°С с рН 0,5-1,0.