Aluminium anodising

Colouring Anodized Aluminium

На сегодняшний день существуют различные области применения анодирования алюминия, в том числе:

  • декоративные поверхности, демонстрирующие приятную эстетику
  • коррозионностойкие поверхности
  • поверхности с высокой твердостью для повышенной износостойкости
  • улучшенная адгезия верхних слоев органической краски
  • функциональные поверхности с заданными диэлектрическими и оптическими свойствами

Декоративные поверхности, получаемые в результате анодирования алюминия, имеют очень высокую эстетическую ценность и могут использоваться в различных целях, например, декоративных анодированных поверхностей алюминиевых корпусов, применяемых в бытовых электронных устройствах, таких как показаны рис. 1.

 

Fig. 1 – Some high-end design products produced by Bang and Olufsen A/S, Denmark:
(a) BeoLab 4000™ speakers and (b) BeoLab 8000™ speakers
that employ decorative anodising of Al for generating visually appealing surfaces [1 ]

 

На рисунках 2-5 показаный основные данные об анодном покрытии, которое получают методом сернокислого анодирвания. О других методах анодирования и анодных электролитах смотреть здесь.

Fig. 2 – the sequence of porous film formation is shown from an already formed anodic barrier film over the surface of Al.
1) The oxide growth (barrier film) in its initial stages is assumed to grow uniformly.
2) As time progresses, the migrating Al3+ from the metal surface to the top of barrier film get concentrated along certain regions and this results in localisation of the electric field. 3) 4) Consequently, lowering of the electric field in the surrounding regions takes place and a scalloped structure at the top surface of barrier film evolves due to the lower field assisted dissolution
[1] [Nagayama & Tamura, Thompson, Jensen)]

 

Fig. 3 – Schematic representation of a porous anodic film showing the principal morphological features [2]

Fig. 4 – Typical Dimensions of the Anodic Cell (Sulphuric Acid Anodizing) [3]


Fig. 5 – Ideal structure of a porous anodic layer (size of the pore is shown as an example, 1 mkm = 1000 nm) [1]

 

Methods of colouring anodized aluminium

Алюминий и алюминиевые сплавы могут окрашиваться в различные тона и цвета, как в ходе самого процесса анодирования, так и после него.  Обычные, наиболее популярные  методы окрашивания анодированных алюминиевых профилей, которые применяются при сернокислом анодировании, включают (рисунок 6):

  • адсорбционное окрашивание;
  • электролитическое окрашивание;
  • интегральное окрашивание;
  • интерференционное окрашивание.

Fig. 6 – Four methods for coloring anodized aluminum [3]

Адсорбционное окрашивание алюминия

Это метод применяется для сотен различных красителей. Алюминиевое изделие  с бесцветным анодным  покрытием, еще не наполненным, погружают в водный (редко – спиртовый) раствор, как правило,  органического красителя. Интенсивность цвета зависит от количества красителя, поглощенного анодным покрытием. Поглощение красителя производится только на 3-4 микрона в глубину пор анодного покрытия. Затем покрытие подвергают уплотнению (Fig. 7).

Для хорошего окрашивания, а также высокой коррозионной стойкости требуется толщина анодного слоя не менее 15 мкм. Концентрация растворов красителей может составлять от 0,2-0,4 г/л для светлых тонов, до 10 г/л для насыщенных тонов. Обычно применяют горячие растворы красителей – от 55 до 75 ºС, а длительность окрашивания – от 5 до 15 минут, насыщенные цвета могут потребовать и 30 минут. Важным параметром для адсорбции красителя является рН раствора, оптимальный диапазон обычно составляет от 5 до 6.

Fig. 7 -Anodizing pores, hydrate sealing film, and dye interaction during anodizing process [4]

Электролитическое окрашивание алюминия

Электролитическое окрашивание или «двухстадийное анодирование». Процесс заключается в погружении алюминиевого изделия с бесцветным сернокислым анодным  покрытием, еще не наполненным, в кислотный раствор с одной или несколькими солями металлов, например, сульфатом олова.

Изделие подключают в электрическую цепь с постоянным или переменным током. В этих условиях на дне пор анодного покрытия происходит осаждение этих самых металлов. Цвет зависит от состава электролита. Большинство из применяемых металлов (олово, никель, кобальт и др.) дают цвета от светлой «бронзы» до черного, а медь – красный цвет. Цвет почти не зависит от толщины покрытия анодного покрытия и зависит в основном только от количества металла, осажденного в поры (рисунок 8).


Fig. 8 – The process of tin deposition in the pores of the anode coating

Электролит на основе сульфата олова

Олово при 0,2 г/м2 дает светлую «бронзу», а при 2 г/м2 – насыщенный черный цвет. Свойства электролитического покрытия аналогичны свойствам обычного сернокислого анодного покрытия. Типичный электролит на основе сульфата олова содержит 14-18 г/л сульфата олова, 15-20 г/л серной кислоты и органические и неорганические добавки. Для получения цветов от светлой «бронзы» до черного требуется время от 0,5 до 15 минут. Основное применение электролитических покрытий – алюминиевые профили и панели для фасадов зданий. Иногда для получения новых оттенков комбинируют адсорбционное и электролитическое окрашивание.

Интерференционное окрашивание алюминия

Интерференционное окрашивание является разновидностью электролитического окрашивания. Этот метод позволяет получать широкий диапазон цветов благодаря эффекту оптической интерференции. Обычно между анодированием и электролитическим окрашиванием требуется дополнительная операция (ванна) для обработки анодного покрытия на расширение дна пор для повышения интенсивности цвета.

Количество металла, осаждаемого в обычном электролитическом окрашивании, больше, чем в стандартном интерференционном покрытии. Однако в последнем случае этот металл компактно «упакован» на дне пор. Эффект интерференции возникает между двумя светорассеивающими слоями: электро-химически осажденным металлическим слоем на дне пор и поверхностью раздела между оксидным слоем и алюминием, расположенным прямо за ним.

Из всех цветов, получаемых данным методом, наиболее привлекательным считается серо-голубое покрытие. Этот метод цветного окрашивания пока не имеет широкого спроса из-за более сложной технологии и ограниченного набора цветов.

Интегральное окрашивание алюминия

При интегральном окрашивании анодное оксидное покрытие окрашивается само собой в ходе процесса анодирования. Окрашивание происходит или за счет анодирования обычных алюминиевых сплавов в растворах специальных органических кислот или при обычном анодировании в серной кислоте специальных алюминиевых сплавов.

Оксидный слой может окрашиваться в цвет от светлой «бронзы» до черного в зависимости от его толщины. Поскольку этот метод требует сложных и экзотических кислот или таких же сплавов, то он почти полностью вытеснен электролитическим окрашиванием, по крайней мере, в продукции, которая применяется в строительстве.

Источники:

  1. Optically Designed Anodised Aluminium Surfaces: Microstructural and Electrochemical Aspects / V.Ch. Gudla – PhD Tesis, Technical Unuversity of Denmark – 2015
  2. The Surface Treatment and Finishing of Aluminium and Its Alloys(Volumes 1 & 2), 6th Edition /W.S. PinnerP. G. Sheasby –  ASM International, 2001

  3. TALAT Lecture 5203 Anodizing of Aluminium – 1994
  4. https://trimmers-pro.com/how-anodic-coating-on-aluminum-protect-against-corrosion/