Twarde anodowe powłoki tlenkowe na aluminium i jego stopach

Anodowe powłoki twarde są wytwarzane m.in. na: tłokach silników spalinowych, cylindrach i tłokach pomp, amortyzatorach, kołach pasowych i zębatych, przekładniach ślimakowych, rolkach i panewkach łożysk, dyszach, formach do wytwarzania opakowań z tworzyw sztucznych oraz elementów z gumy, elementach maszyn do tabletkowania i pakowania w przemyśle farmaceutycznym czy prowadnicach. Elementy te wytwarza się przede wszystkim ze stopów aluminium średnio wytrzymałych z serii 5xxx i 6xxx oraz wysokowytrzymałych z serii 2xxx i 7xxx. Wynika to z wymagań dotyczących odpowiednich własności wytrzymałościowych i skrawalności (do ich produkcji stosowana jest obróbka skrawaniem).

Klasyfikacje wyrobów z Al

W literaturze przedmiotu istnieją klasyfikacje wyrobów z Al i stopów Al z punktu widzenia ich podatności (przydatności) do utleniania anodowego, w tym również procesu anodowania twardego. W klasyfikacjach tych najniższą podatnością cechują się stopy odlewnicze Al-Si (nadeutektyczne stopy Al-Si są uważane jako niepodatne). Nieco wyższą podatność mają wyroby ze stopów przerabianych plastycznie serii 2xxx. Stopy serii 7xxx mają nieco wyższą podatność w stosunku do stopów serii 6xxx. Najwyższą podatność do utleniania anodowego twardego mają wyroby serii: 1xxx, 6xxx oraz 5xxx, o zawartości Mg do około 2,5%. Przy ocenie podatności do utlenienia anodowego twardego bierze się pod uwagę: przebieg procesu, równomierność narastania powłok, mikrotwardość, odporność na zużycie ścierne, maksymalną grubość otrzymywanych powłok, przy zachowaniu dostatecznej mikrotwardości.

Minimalne wartości mikrotwardości twardych anodowych powłok tlenkowych

W normie ISO 10074 Anodizing of aluminium and its alloys – Specification for hard anodic oxidation coatings on aluminium and its alloys podano wymagania dotyczące akceptowalnych minimalnych wartości mikrotwardości twardych anodowych powłok tlenkowych dla poszczególnych grup stopów aluminium. Dla stopów powszechnie stosowanych na elementy narażone na ścieranie wymagania te przedstawiają się następująco:

• stopy serii 2xxx – min. 250 HV0,05,
• stopy serii 5xxx o zawartości Mg powyżej 2,0% i stopy serii 7xxx – min. 300 HV0,05,
• stopy serii 6xxx – min. 400 HV0,05.

Obecnie w wielu anodowaniach w krajach wysokorozwiniętych wytwarzane są powłoki o wyższych wartościach mikrotwardości. Tym samym mają one wyższe oporności na zużycie ścierne. Producenci maszyn i urządzeń coraz częściej wymagają wytwarzania powłok o mikrotwardościach wyższych w stosunku do wymagań normy dla poszczególnych grup stopów aluminium. Otrzymywanie twardych powłok prowadzi się w warunkach, w których ograniczone jest wtórne roztworzenie powłok prowadzące do powstawania porów w powłoce. Wzrost porowatości anodowych powłok tlenkowych prowadzi do obniżenia ich mikrotwardości.

Obniżanie szybkości wtórnego roztworzenia powłoki

Obniżanie szybkości wtórnego roztworzenia powłoki (szybkości reakcji między składnikami powłoki a składnikami roztworu elektrolitycznego) uzyskuje się przede wszystkim przez obniżenie temperatury roztworu w stosunku do temperatury procesów wytwarzania anodowych powłok tlenkowych dekoracyjno-ochronnych. Temperatury wytwarzania powłok dekoracyjno-ochronnych w powszechnie stosowanym konwencjonalnym procesie w roztworze kwasu siarkowego wynoszą 18-21°C. Natomiast dla powłok twardych – od -10°C do +5°C. Obniżanie szybkości uzyskuje się również przez zastosowanie roztworów elektrolitycznych o obniżonej zdolności do wtórnego roztwarzania powłok, jak zastosowanie kwasów karboksylowych, dodatki innych substancji organicznych, m.in. alkoholi wielowodorotlenowych.

Omawiane powyżej czynniki zapewniają również uzyskanie grubszych powłok twardych w stosunku do powłok dekoracyjno-ochronnych dla tych samych wartości gęstości prądu anodowego oraz czasu procesu. Istotnym czynnikiem obniżającym efekt wtórnego roztwarzania jest również zastosowanie wyższych wartości gęstości prądu anodowego. Dla powłok dekoracyjno-ochronnych praktycznie stosuje się gęstość prądu anodowego od 0,8 do 2,0 A/dm2. Najczęściej od 1,2 do 1,8 A/dm². Natomiast powłoki twarde wytwarzane są przy wyższych gęstościach prądu anodowego, od 2 do 10 A/dm². Na ogół jest to od 2,0 do 5,0 A/dm².

Roztwory elektrolityczne do wytwarzania twardych powłok

Podstawowymi roztworami elektrolitycznymi stosowanymi do wytwarzania twardych powłok są roztwory kwasu siarkowego (VI). Zakres stosowanych stężeń waha się w bardzo szerokim zakresie od 4 do 36%. Niekiedy do roztworów kwasu siarkowego (VI) stosuje się dodatki kwasów organicznych. Np. kwasy: szczawiowy, sulfosalicynowy, maleinowy, oraz alkohole, m.in. glikol etylenowy, glicerynę, oraz dodatki siarczanów, np. sodu.