Анодування алюмінію: що відбувається з металом і звідки береться колір

Якщо ви тримали в руках кольоровий алюмінієвий корпус фонарика, рамку велосипедного кріплення або заготовку ключа кислотного кольору, ви тримали анодований алюміній. Поверхня в нього не схожа ні на фарбу, ні на хром: вона виглядає так, ніби колір лежить у самому металі.

Так і є. Нижче розібрано, що саме відбувається з деталлю у ванні, звідки береться колір і які з цього наслідки для вашого креслення.

Що таке анодування і чим воно не є

Алюміній — активний метал. На свіжому зрізі він за секунди вкривається власною оксидною плівкою, і саме ця плівка, а не сам алюміній, не дає деталі далі окиснюватися. Плівка дуже тонка, одиниці нанометрів, і легко стирається.

Анодування — це спосіб виростити ту саму плівку товщою й упорядкованою. Деталь занурюють у кислотний електроліт (розчин, через який іде струм) і підключають до плюса джерела. Кисень із електроліту віддає себе алюмінію на поверхні, і поверхневий шар металу перетворюється на оксид.

Різниця з гальванічними покриттями тут принципова. Коли деталь нікелюють, на неї осаджують чужий метал: шар нікелю лежить на сталі й тримається силою зчеплення. Анодний шар нічим не тримається, бо він не лежить на деталі. Він і є деталь, тільки перетворена на кілька десятків мікрометрів углиб.

Через це анодування не відшаровується, не облуплюється й не відлітає пластівцями від удару. Воно може стертися, може потріскатися на згині, але відділитися від основи йому ніяк.

Що відбувається у ванні, по порядку

Саме анодування — одна операція з шести. П’ять інших визначають, чи вийде результат рівним.

Знежирення прибирає масла, емульсію після механічної обробки та відпечатки рук. Будь-яка пляма жиру — це ділянка, куди електроліт зайде пізніше за решту поверхні.

Травлення знімає стару природну плівку й вирівнює мікрорельєф. Саме на цьому етапі з’являється той матовий «шовковий» вигляд, який ми звикли бачити на анодованих корпусах.

Освітлення (його ще називають декапіруванням) змиває темний налет, що залишається після травлення: нерозчинні складові сплаву, здебільшого залізо й кремній.

Анодування — власне ванна зі струмом. Тут задають не напругу, а щільність струму: для звичайного сірчанокислого анодування це приблизно 1–2,5 А/дм² площі деталі. Напруга при цьому «підбирається» сама й по ходу росте, бо шар оксиду, який наростає, сам стає опором для струму.

Фарбування й наповнення потрібні, коли деталь має бути кольоровою. Про них далі окремо, бо саме там і живе колір.

Чому свіжий шар пористий

Анодний оксид виростає не монолітом. Він має два поверхи: щільний бар’єрний шар просто на металі й над ним пористий шар, щось схоже на дуже дрібні соти, поставлені вертикально.

Пори вузькі: їхній діаметр вимірюється нанометрами, не мікрометрами. Але вони проходять майже через усю товщину шару, тому сукупно це велика внутрішня поверхня, у яку може щось зайти.

Під мікроскопом ця структура видна як рівномірний дрібний рельєф. Саме вона робить анодування єдиним покриттям, яке можна пофарбувати наскрізь, а не поверх.

Звідки береться колір

Деталь після анодування кладуть у ванну з барвником, і той заходить у пори разом із водою. Коли деталь виймають і сушать, барвник залишається всередині шару.

Тому колір анодування не можна здерти нігтем. Він лежить під поверхнею, а зверху його прикриває той самий оксид, який захищає метал. Подряпина на анодованій деталі не «знімає фарбу», а оголює алюміній, бо знімає і колір, і покриття разом.

Глибина кольору прямо залежить від товщини шару: тонкий шар має менше пор і вміщує менше барвника. Насичений чорний, наприклад, вимагає суттєво товщого анодування, ніж легкий дим.

Є й другий спосіб пофарбувати, без органічного барвника: колір дають солями металів, які осаджуються в порах електрохімічно. Відтінків там менше, зате вони значно стійкіші до сонця. Для фасадів і зовнішніх деталей беруть саме такий.

Навіщо закривати пори

Пори, у які зайшов барвник, так само відкриті для всього іншого: води, бруду, кухонного жиру. Тому остання операція — наповнення (його ще називають ущільненням): пори закривають, і шар стає непроникним.

Найпоширеніший спосіб — гаряча вода. Оксид на поверхні пори гідратується, тобто приєднує воду, і при цьому розбухає, перекриваючи вхід.

Непродумане або пропущене наповнення — одна з найчастіших причин скарг. Деталь виглядає добре на виході з цеху, а через місяць колір пішов плямами, бо барвник вимивався, а поверхня набирала бруд.

З твердим анодуванням ситуація інша: його часто залишають без наповнення. Процедура знижує твердість шару, а твердість — це головне, за чим по тверде анодування приходять.

Звичайне анодування і тверде

За найпоширенішим орієнтиром, американським стандартом MIL-A-8625, звичайне сірчанокисле анодування називають Type II, а тверде — Type III. Там же розрізняють Class 1 (без фарбування) і Class 2 (з фарбуванням).

Товщини відрізняються разів у чотири:

• Звичайне (Type II) — зазвичай близько 5–25 мкм. Це захисно-декоративне покриття: колір, корозійна стійкість, нормальний побутовий і приладовий зносостійкий мінімум.
• Тверде (Type III) — зазвичай близько 25–100 мкм. Його роблять на холоднішому електроліті й вищій щільності струму, шар виходить щільнішим і значно твердішим.

Тверде анодування беруть не за колір. Його натуральний відтінок — від сірого до майже чорного, і він залежить від сплаву, а не від вашого вибору. Беруть його там, де поверхня працює на тертя: штоки, напрямні, пневмоциліндри, деталі, які ходять одна по одній.

Які сплави анодуються добре, а які погано

Деформівні сплави (прокат, профіль, пруток) анодуються передбачувано. З литвом усе складніше, і причина одна: кремній.

Ливарні сплави часто містять багато кремнію, бо саме він дає текучість у формі. Кремній не анодується взагалі. Там, де його на поверхні багато, оксид не виростає, і деталь виходить сірою, тьмяною, із брунатними або майже чорними плямами. За орієнтир беруть приблизно 7–8 % кремнію: вище цього вигляд уже важко передбачити.

Це не означає, що литво анодувати неможливо. Це означає, що з литої деталі не варто чекати рівного яскравого кольору. Якщо потрібен саме вигляд, а не захист, литво часто дешевше й надійніше покрити інакше.

Високоміді сплави (серія 2xxx, авіаційні) анодуються, але корозійна стійкість у них нижча, ніж у чистіших сплавів тієї ж товщини покриття.

Деталь трохи змінює розмір

Це єдиний пункт, через який анодування потрапляє в креслення, а не тільки в опис фінішу.

Оксид займає більше місця, ніж алюміній, з якого він виріс. Тому шар росте в дві сторони: частина йде всередину металу (поїдаючи його), частина назовні від початкової поверхні.

Скільки саме йде назовні, залежить від процесу, і джерела тут розходяться. Для твердого анодування вони сходяться приблизно на половині й половині. Для звичайного оцінки різні: від «назовні йде близько третини шару» до «половина на половину». Тому для точної деталі ми не беремо коефіцієнт із довідника, а узгоджуємо з вами, де саме критичний розмір, і рахуємо під конкретну товщину.

Практичні наслідки прості:

• Зовнішні розміри більшають на величину зовнішнього приросту з кожного боку.
• Отвори й різьба меншають, і меншають подвійно: приріст іде з двох стінок назустріч. Різьба М4 і дрібніша після товстого анодування може просто перестати крутитися.
• Точні посадкові місця або маскують (тоді під маскою залишається метал), або заздалегідь роблять із запасом, або обробляють уже після анодування.

Якщо на кресленні є допуск у кілька сотих, скажіть про це до запуску, а не після. Зняти шар, щоб виправити розмір, можна, але це означає зняти і трохи основи.

Чого анодований шар не любить

Оксид алюмінію хімічно стійкий у нейтральному середовищі й погано переносить дві речі.

Луги. Усе, що сильно лужне, роз’їдає анодний шар, і тим швидше, чим гарячіше та довше контакт. Це означає, що анодовану деталь не мийте порошками для плит, засобами для духовок і промисловими обезжирювачами. Теплої води з м’яким мийним засобом достатньо.

Сонце, якщо барвник органічний. Органічні барвники вицвітають під ультрафіолетом, і за рік на вулиці відтінок може помітно поїхати. Для зовнішніх деталей беруть електрохімічне фарбування або свідомо погоджуються на вигорання.

Жоден із цих пунктів не є дефектом покриття. Це межі застосування, і краще знати про них до того, як деталь поїде на об’єкт.