Щелочное травление алюминия (E6)

Матовое щелочное травление алюминия (Е6)

Для декоративного матирования поверхности при анодировании алюминиевых изделий в Европе применяется в основном щелочное травление. Эти специальные травильные ванны применяются в соответствии с DIN 17611 для поверхностной обработки «Е6». Такие травильные ванны обычно так и называют: «ванны Е6». При правильном техническом обслуживании этих ванн в них получают весьма привлекательную декоративную матовую алюминиевую поверхность.

Эти долгосрочные травильные ванны являются очень живучими, если их подвергать должному техническому обслуживанию. Особенно важным правильное техническое обслуживание этих ванн является тогда, когда они имеют высокое содержание алюминия, что необходимо для достижения декоративной матовой поверхности. Это предотвращает ванну от перехода в нестабильное состояние. Недостаточное техническое обслуживание ванна может привести к выпадению гидроксида алюминия в осадок, что означает полную потерю этой ванны.

Основными особенностями этой ванны являются:

• Высокое содержание алюминия
• Заданное содержание гидроксида натрия по отношению к содержанию алюминия
• Специальные добавки для удержания алюминия в растворе
• Добавки для осаждения примесных металлов.

Добавки для осаждения примесных металлов отделяют примесные металлы от алюминиевого сплава и образуют с ними нерастворимые или плохо растворимые сульфиды металлов (обычно очень мелкие, черные частицы). В зависимости от содержания примесных металлов в алюминиевом сплаве щелочной раствор ванны Е6 быстро становится черным. Мелкие, черные пигменты не участвуют в процессе травления [1].

Химия щелочного травления алюминия

Цель щелочного травления алюминия

Процесс щелочного травления алюминиевых изделий происходит при их погружении в водный раствор гидроксида натрия и некоторых добавок.

Факторами, которые влияют на этот процесс являются:

• Скорость травления, которая зависит от:
  – температуры
  – концентрации гидроксида алюминия
• Время (длительность обработки).

Целью щелочного траления является:

• Растворить поверхность алюминия, чтобы удалить внедренные в ней примеси и несовершенства. В результате получается гладкая, однородная основа для последующего процесса анодирования с получением анодного покрытия с декоративной мелкодисперсной матовой поверхностью.

Химические реакции щелочного травления алюминия

Это происходит, когда алюминий на поверхности изделия взаимодействует с гидроксидом натрия и водой с образованием алюмината натрия и выделением водорода, согласно следующей химической реакции (реакция №1) [2]:

 

 

Эта реакция происходит с потреблением свободного гидроксида натрия.

Когда концентрация алюмината натрия возрастает, все более предпочтительной становится побочная реакция согласно следующей формуле (реакция №2):

 

 

В этой реакции алюминат натрия реагирует с водой, в результате чего образуется гидроксид алюминия, который накапливается в виде суспензии в растворе ванны Е6. Как видно из этой формулы, эта реакция приводит также к высвобождению дополнительного гидроксида натрия, который, в свою очередь, потребляется в реакции №1.

Гидроксид алюминия медленно осаждается из суспензии в растворе ванны Е6 на дно ванны или на различные поверхности внутри ванны Е6, например, на нагревательные элементы, в виде очень твердых окаменелостей. Это происходит согласно следующей реакции дегидратации гидроксида алюминия (реакция №3):

 

 

Результирующей реакцией для процесса щелочного травления алюминия является реакция между алюминием и водой с образованием осадка в виде оксида алюминия и выделением водорода.

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

Факторами, которые влияют на скорости этих реакций №1, №2 и №3 являются:

• температура
• концентрация гидроксида натрия
• концентрация алюминия в растворе
• добавки для предотвращения выпадения из раствора гидроксида алюминия и благоприятствования желательным реакциям

Когда концентрация алюминия в растворе возрастает, свободный гидроксид алюминия расходуется согласно реакции №1. Это может быстро снижать концентрацию гидроксида натрия до тех пор, пока реакция №2 не высвободит его обратно в раствор.

Растворимость алюминия в щелочном растворе

Алюминий хорошо растворяется в растворах каустической соды [3]:

• 7 молей на литр, что эквивалентно:
• 7 х 27 = 189 г/л для Al³⁺ или
• 7 х 82 = 574 г/л для NaAlO₂

Числа 27 и 82 – это атомный вес алюминия и молекулярный вес алюмината натрия, соответственно.

Такая высокая растворимость алюминия в растворе каустической соды достигается при одновременном выполнении следующих условий:

• поддерживается заданная концентрация каустической соды (NaOH),
• поддерживается заданная температура раствора,
• поддерживается заданная концентрация специальных добавок, которые препятствуют выпадению в осадок гидроксида алюминия.

Сохранение стабильности ванны Е6

Для получения особенно матовых поверхностей требуется высокое содержание алюминия, которое может достигать 200 г/л. При таком высоким содержанием алюминия требуется особое внимание к стабильности ванны [1].

Стабильная черная ванна Е6

Только одного взгляда бывает достаточно, чтобы определить является ли ванна Е6 еще стабильной. Если она имеет насыщенный черный цвет (рисунок 1), то можно быть уверенным, что ванна является достаточно стабильной. Конечно, эту визуальную оценку необходимо всегда подтверждать регулярным химическим анализом состава ванны.

Рисунок 1 – Ванна Е6 насыщенного черного цвета в стабильном состоянии [1]

 

Серая ванна Е6 – что происходит?

Если ванна Е6 стала серого цвета вместо насыщенного черного, то нужно реагировать немедленно. В этом случае процесс дестабилизации уже начался. В ходе этого процесса из раствора выпадают белые, плохо растворимые частицы гидроксида алюминия. Если их пропорция в ванне продолжает возрастать, то ванна становится все более серой, то есть черный цвет меняется на темно серый, потом средне серый, потом светло серый, пока не станет полностью белой. В светло сером и белом состоянии ванну считают потерянной и ее нужно полностью восстанавливать, что требует значительных количеств финансов, работы и времени. Поэтому нужно всячески избегать возникновения такого состояния.

Рисунок 2 – Ванна Е6 темно серого цвета – начало дестабилизации [1]

 Как спасать нестабильную серую ванну Е6?

Если щелочная ванна Е6 стала слегка серой, необходимо:

• Немедленно выполнить полный анализ химического состава ванны.

• О нестабильности ванны будет говорить снижение содержания алюминия, так как часть растворенного алюминия уже выделилась из раствора в виде плохо растворимого гидроксида алюминия.
• В тоже самое время содержание гидроксида натрия будет возрастать, так он выделяется в ходе дестабилизации раствора.

Рисунок 3 – Химическая реакция процесса дестабилизации [1]

Было бы ошибкой не добавлять в ванну гидроксида натрия, хотя его содержание скорее всего еще находится внутри заданного интервала. Низкая щелочность способствует дальнейшей дестабилизации этой ванны [1]:

1. В серую ванну необходимо добавить большое количество специальной добавки (например, Alfasatin) для дополнительной стабилизации, например, в два раза больше, чем обычно.
2. Рекомендуется повысить щелочность ванны путем добавления гидроксида натрия, чтобы дополнительно стабилизировать ее.

Эти стабилизационные меры обеспечивают то, чтобы:

• не происходило дальнейшего выпадения гидроксида алюминия и
• оставшийся в растворе ванны гидроксид алюминия постепенно удалялся из ванны с обрабатываемыми алюминиевыми поверхностями.

В результате ванна должна постепенно вернутся в стабильное состояние (черного цвета). В течение этого времени мониторинг химического состава ванны является особенно важным. Если раствор в ванне снова примет черный цвет, то процесс стабилизации можно считать успешным.

Что делать со светло серой или молочно белой ванной Е6?

Если ванна Е6 достигла такого состояния (рисунок 4), то уже нет никакой возможности спасти ее. Можно только подождать некоторое время, пока белый шлам не осядет на дно ванны. Отстоявшуюся жидкую фазу можно затем перекачать в пустую ванну или емкость и затем, в зависимости от ее состояния, использовать при приготовлении новой ванны.

Однако, выделившийся белый шлам оксида алюминия нужно извлечь из ванны как можно скорее. Если промедлить с этим, он станет каменным и уже будет очень трудно очистить от него ванну (рисунок 5).

Рисунок 4 – Полностью дестабилизированная ванна Е6 [1]

Рисунок 5 – Окаменевший шлам гидроксида алюминия из ванны Е6 [1]

 

Источники:

1. https://alufinish.de/en/destabilisation-of-alkaline-e6-long-term-pickling-processes/
2. SPECULAR REFLECTANCE OF ANODIZED 6061-T6 ALUMINUM ALLOY / JON STRAUSS, Oregon State University – 2013
3. Alkaline Etching of Aluminum & Its Alloys – A New Caustic Soda Recovery System –Italecno S.r.l. & Chemetall – 2002.