Farbiges Eloxieren von Aluminium

Zu den verschiedenen Möglichkeiten der Einfärbung der Eloxalschicht – Zu den verschiedenen Möglichkeiten der Einfärbung der Eloxalschicht – Zu den verschiedenen Möglichkeiten der Einfärbung der Eloxalschicht, elektrolytisches Färben) ist, Zu den verschiedenen Möglichkeiten der Einfärbung der Eloxalschicht, das interessanteste.

Elektrolytische Lackierung von Aluminium

Hauptmerkmale, für die diese Methode Vorteile hat:

• Farbgleichmäßigkeit;
• Einfärbung von dünnen Eloxalschichten;
• Färbegeschwindigkeit;
• Preis;
• Lichtbeständigkeit;
• Korrosionsbeständigkeit.

Elektrolyte auf Basis von Zinnsulfat

Die am weitesten verbreitete elektrolytische Färbung in Elektrolyten auf Basis von Zinnsulfat. Diese Elektrolyte geben alle Schattierungen von "Bronze" – von hell nach dunkel und weiter - nach schwarz (Abbildung 1). Außerdem, mit hilfe von modernen stromwandlern mit ihnen ist es möglich, zu erhalten, z.B, solche Farben, wie "Champagner" und "Edelstahl".

Bild 1 – Primärfarben zum Elektrofärben von eloxiertem Aluminium
in Elektrolyten auf Basis von Zinnsulfat
(Farbnamen sind willkürlich, Farben können von den tatsächlichen Farben auf Profilen abweichen)

Das elektrolytische Verfahren hat das alte und teure integrale Färbeverfahren abgelöst., wenn Farbe, z.B, Bronze-, gewonnen durch Hochspannung in Elektrolyten auf Basis organischer Säuren gleichzeitig mit der Vorbereitung der Eloxierung (einstufiges Färben).

Anders als bei der integralen Färbung ermöglicht die elektrolytische Färbung, ein Spektrum an Farben und deren Nuancen nicht nur in verschiedenen Elektrolyten zu erhalten, sondern auch im gleichen Elektrolyten, aber mit unterschiedlicher elektrischer Strom-/Spannungswellenform, und billiger und einfacher.

Einfluss der Anodenschicht auf die Elektrofärbung

Oberflächenschicht, der gefärbt ist, besteht aus:

• leitfähige Aluminiumbasis;
• Dicke der Sperroxidschicht 50-2000 Angström (also ca 2000 mal dünner als die Oxidschicht) und
• Dicke der porösen Oxidschicht 10-20 Mikron.

Die Elektrofärbung ist sehr empfindlich gegenüber der chemischen Zusammensetzung der zu lackierenden Aluminiumlegierung., z.B, zum Inhalt solcher Elemente, wie Eisen und Silizium. Die chemische Zusammensetzung der Aluminiumlegierung kann die Porosität der anodischen Oxidschicht beeinflussen und, damit, zum Ton der resultierenden Farbe.

Einen noch größeren Einfluss haben jedoch die Eloxalbedingungen, da Zinn auf dem Boden der Pore abgeschieden wird und unterschiedliche Größen dieses Bodens bei gleicher Menge an abgeschiedenem Zinn eine unterschiedliche Dicke der abgeschiedenen Schicht ergeben. Dies führt zu unterschiedlichen Bedingungen für die Lichtstreuung und, daher, verschiedene Farbtöne. Des Weiteren, da die Abscheidungsrate von Zinnionen in den Poren von der Größe ihres Querschnitts abhängt, dann ist die Gleichmäßigkeit der Porosität der lackierten Oberfläche ein sehr wichtiger Faktor für die Bildung einer einheitlichen Farbe.

Die Gleichmäßigkeit der Sperrschicht spielt eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung der Bildung einer gleichmäßigen Farbbeschichtung.. Da die Sperrschicht ein elektrischer Isolator ist, dann dient es als Energieregulator für die Elektrokolorierungsreaktion. Daher führen Unterschiede in der Dicke der Barriereschicht zu Unterschieden in der Abscheidungsrate und, damit, für ungleichmäßige Färbung..

Elektrofärbungsfaktoren: chemisch, körperlich und elektrisch

Die Eigenschaften der Sperrschicht und die Porengrößen der Eloxalschicht hängen von folgenden Faktoren ab:

Chemische Faktoren:

• Art des Elektrolyten und seine Konzentration
• Art der Zusatzstoffe und deren Konzentration
• pH-Wert
• Mögliche Verschmutzung

Physische Faktoren:

• Elektrolyttemperatur
• Elektrischer Widerstand des Elektrolyten
• Abmessungen der Badewanne und Scharniere mit Profilen
• Gesamtfläche, was gefärbt ist

Elektrische Faktoren:

• Art und Wellenform des angelegten Stroms
• Angelegter Spannungsbereich
• Art des Kathodenmaterials
• Elektrisches Design des Kathodensystems unter dem Gesichtspunkt der Verschiebung der Phase des elektrischen Stroms entlang der Probe mit Profilen
• Verzerrung der Stromwellenform im Vergleich zur Spannungswellenform
• Linien der magnetischen Induktion elektrischer Felder

Zinnabscheidung in der Anodenpore

Grundmuster und Fakten:

• Die Elektrofärbung ist ein linearer Prozess von hellen Tönen zu Schwarz (Abb 2).
• Der Farbstoff – metallisches Zinn – befindet sich unmittelbar über der Sperrschicht (Abb. 3).
• Zinn in den Anodenporen ist metallisches Zinn mit einer tetragonalen Atomstruktur.
• Die Zinnschicht in der Pore wächst senkrecht zum Porengrund.
• Die Farbe der Eloxalschicht ist auf das Phänomen der Lichtstreuung zurückzuführen und hängt von der Dicke und Dichte der abgeschiedenen Schicht ab..
• Um eine schwarze Farbe zu bilden, beträgt die Dicke des abgeschiedenen Zinns in der Anodenpore etwa 7-8 Mikron.
• Die Menge an metallischem Zinn in den Poren: von 5 mg/dm² für Hellbronze bis 25 mg/dm² für schwarz.

Bild 2 – Kinetik der elektrolytischen Zinnabscheidung

Die Linearität der Kinetik der Elektrofärbung von Aluminium wird durch die folgende Formel ausgedrückt:

D = v · t,

Wo

• D ist die Menge an abgeschiedenem Zinn, die proportional zum Farbton für die gleiche anodische Beschichtung ist;
• Wenn wir Reibungsverluste vernachlässigen und berücksichtigen – Geschwindigkeit der Elektrofärbung;
• dass mit zunehmender Breite des Profils die Toleranzen dafür zunehmen – Dauer der Elektrofärbung

Bild 3 – Abscheidung von Zinn in den Poren der Anodenbeschichtung

Mechanismen der Zinnabscheidung in der Anodenpore

Die Abscheidung von Zinn in der Anodenpore erfolgt durch zwei Mechanismen: elektrolytisch und chemisch.

Der elektrolytische Mechanismus der Zinnabscheidung auf Aluminiumoxid wird wie folgt geschrieben:

Sn²⁺ + 2e → Sn°

Der zweite Mechanismus ist die Reaktion von Zinn mit atomarem Wasserstoff durch die Redoxreaktion

Sn²⁺ + 2H° → Sn° + 2h⁺

Der an dieser Reaktion beteiligte atomare Wasserstoff wird entsprechend der Reduktionsreaktion an der Kathode freigesetzt

h⁺ + e → H°.

Geschwindigkeit der Elektrofärbung

Die Rate der Elektrofärbung (v) ist eine Funktion der Konzentration (C) von Zinn in Lösung:

v = KC

Offensichtlich, dass eine Erhöhung der Konzentration (C) von zweiwertigem Zinn Sn²⁺ ermöglicht es, die Färbedauer in einer bestimmten Farbe zu verkürzen. Diese Formel impliziert jedoch, dass eine Erhöhung der Färbegeschwindigkeit auch durch eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit (K) anstelle einer Erhöhung der Zinnkonzentration erreicht werden kann.

Wie oben erwähnt, die Reduktionsreaktion von Zinn hängt von der Reduktionsgeschwindigkeit von H-Ionen ab⁺. Mit zunehmender Konzentration an Wasserstoffionen (d.h., pH) erhöht sich die Geschwindigkeit der Zinnreduktion. Gleichzeitig, Die Ansäuerung des Bades hat eine Grenze: wenn die Konzentration an Schwefelsäure überschritten wird 30 g / l, dann kann ein Defekt in Form einer Ablösung der Anodenbeschichtung auftreten.

Vom zweiwertigen zum vierwertigen Zinn

Üblicherweise sind im Elektrolyten auf Basis von Zinnsulfat spezielle stabilisierende Zusätze vorhanden, um eine spontane Oxidation zweiwertiger Zinnionen Sn durch gelösten Sauerstoff zu verhindern.⁺² zu vierwertigen Zinnionen Sn⁺⁴. Vierwertige Zinnionen Sn⁺⁴ unterliegen einer irreversiblen Hydrolyse., von Niederschlägen begleitet. Als Ergebnis kommt es zu einem spontanen und irreversiblen Verlust des Gehalts an nützlichem zweiwertigem Zinn Sn⁺²:

SnSO₄ + ½ Ö₂ + 3h₂O → Sn(OH)₄ + h₂SO₄

Daher ist die Konzentration an stabilisierenden Zusätzen von großer Bedeutung., weil sie die Abnahme der Konzentration von zweiwertigem Zinn unter den Grenzwert verlangsamen, darunter verlangsamt sich die Rate der Zinnabscheidung in den Poren der Anodenschicht deutlich.

Quelle: W. D. Barbara und F. Vincenzi (Italtecno). Bericht des Aluminium Extrusion Technology Seminars, Chicago, 2004.