OT-CHEMIE-cerneni medi-oceli a hliniku

[Danhard]

TECHNOLOGIE A CHYBY ELOXOVANI
VIKTOR KREIBICH
Ing., CSc., fakulta strojní, CVUT v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6,
kreibich@fsid.cvut.cz
ANOTACE
V textu jsou shrnuty poznatky o technologiích eloxovaní se zaměřením na
nejčastější
chyby jednotlivých operací na základě zkušeností pracovníků z praxe i
výzkumu s upozorněním
na jejich možné příčiny a způsoby odstranění.
TECHNOLOGIE ELOXOVANI
Mezi nejvýznamnější povrchové úpravy hliníku a jeho slitin patří anodická
oxidace -
eloxování (elox, eloxal - elektrolytická oxidace Al). Eloxované vrstvy mají
dobrou korozní
odolnost, otěruvzdornost i tvrdost a jsou dobře vybarvitelné. Při procesu
eloxováni se na
povrchu hliníku a jeho slitin vytváří ve vhodných lázních vrstva oxidu
hlinitého A1203
působením stejnosměrného (méně často střídavého) proudu. Katoda je tvořena
elektrodou
z olova, hliníku, titanu nebo korozivzdorné oceli. Je popsána řada
technologii i lázni a to na
bázi kyseliny šťavelové, citrónové, borité, chromové a sírové, která je
používána nejčastěji.
Podle charakteru procesu a následných vlastností rozlišujeme eloxování
ozdobně-ochranné a
tvrdé. Sled operaci ozdobně - ochranného eloxovaní je patrný z následujícího
schématu
operací této technologie.
***
Struktura anodicky oxidovaného povrchu hliníku je tvořena z bezpórovité
tenké vrstvy
na rozhraní s kovem a postupně rostoucí podstatně silnější pórovité vrstvy
na povrchu.
Celková tloušt'ka ozdobné ochranné vrstvy A1203 se pohybuje od 5 do 20 ?m,
tvrdé vrstvy
dosahují tlouštěk až 100 ?m. Mikropóry ve vrstvě A1203 mají průměr 0,01 až
0,02 ?m jejich
četnost i rozměry závisí na parametrech eloxovaní a lázni (poměr délky a
průměru póru se
pohybuje od 250 do 1000 :1). Pórovitost vrstvy má podstatný vliv především
na operace praní
i utěsňování a naprosto zásadní na vybarvování vrstvy.
Ozdobně - ochranné vrstvy se dají vybarvovat řadou rozdílných metod, které
poskytují
vybarvení s odlišnými vlastnostmi. Nejběžnější je absorpční probarvení pórů
anorganickými
nebo organickými pigmenty. Po samotném eloxováni a důkladném vyprání resp.
po nasledném
vybarvení je nutné provést utěsnění pórů, operaci při kterém se oxid hlinitý
A1203 mění na
böhmit A1203.H2O s větším objemem.
Eloxování je konverzní povrchová úprava. Oxid hlinitý má však větši objem
než čistý
hliník a proto roste vrstva A1203 i částečně nad původní rozměr součásti a
to cca o 33 % (2/3
tloust'ky vrstvy jsou konverzní, tedy do materiálu a 1/3 představuje nárůst
rozměru).
Eloxní vrstva je elektricky nevodivá a ma dobré izolačni vlastnosti
(průrazné napětí
tloust'ky 1?m je 20 až 40 V.
VLASTNOSTI ELOXAČNÍ VRSTVY
Hustota: Jelikož jde o pórovitou vrstvu mění se hustota vrstvy s její
tloušt'kou podle složení
materiálu a podle parametrů eloxovaní (při vyšších teplotách a delších
dobách oxidace jsou
vrstvy pórovitější).
Pórovitost: Průměr póru (0,01 až 0,02 ?m) eloxační vrstvy závisí na způsobu
eloxování.
Navíc k této primární pórovitosti, která je tím nižší, čím vyšší je napětí
při eloxovaní, přistupuje
i sekundární pórovitost, která vzniká rozpouštěním části vrstvy (závisí
především na teplotě
lázně) a navíc pórovitost strukturní, která vzniká rozpouštěním některé
složky slitiny. Čím je
vrstva pórovitější tím se lépe vybarvuje. Při běžných eloxačních podmínkách
činí pórovitost asi
20 az 30 % objemu (vzájemná vzdálenost primárních póru je přibližně shodná s
jejich
průměrem).
Tvrdost: Vlastní tvrdost oxidu hlinitého je velmi vysoká a pohybuje se mezi
stupněm 7. až 8.
Moosovy stupnice tvrdosti. Při ozdobně - ochranném eloxovaní je mikrotvrdost
vrstev nižší
cca 250 až 300 HV, při tvrdém eloxování mikrotvrdost vrstev dosahuje hodnot
400 až 800 HV.
Tvrdost směrem od hliníku k povrchu klesá a do značné míry ji ovlivňuje
teplota lázně.
S klesající teplotou lázně tvrdost vrstvy roste.
Tloušťka vrstvy: Tento parametr eloxované vrstvy do značné míry ovlivňuje
korozní
odolnost. Tloušt'ka eloxované vrstvy roste se vzrůstající proudovou
hustotou, vzrůstajícím
napětím, s klesající teplotou a s nižší koncentrací elektrolytu. Tloušťku
eloxované vrstvy h
[?n] lze určit z tohoto vztahu:
h=0,4*?*I*t*s-1
kde ? je stupeň účinnosti lázne (0,6 az 0,7), I je hodnota stejnosmemeho
proudu [A], t je doba eloxovani [min] a s je plocha zbozi [dm2].
PRACOVNI PARAMETRY ELOXOVANI
Jakost a tloust'ka oxidické vrstvy je závislá. na koncentraci lázně,
teplotě, proudové
hustotě a době anodické oxidace. Změnou těchto parametru lze ovlivnit
vlastnosti eloxované
vrstvy. Pro nejčastěji používaný ozdobně ochranný způsob eloxováni v
kyselině sírové jsou obvykle
tyto pracovní parametry:
- Koncentrace H2S04 5-20 %
- Proudová hustota 0,8 - 3 A/dm3
-Napětí 10-20V
- Teplota lázně 18 ? 2 °C
- Doba eloxováni 5-60 minut
Při vyšších koncentracích kyseliny roste rychlost oxidace ale zároveň
dochází k vyšší
rychlosti rozpouštění oxidické vrstvy (max. rychlost oxidace je dosahována
při koncentraci 30
% H2S04). Při méně vodivé lázni (s menším obsahem kyseliny) jsou vrstvy
tvrdší, je však nutný
větší příkon proudu, lázeň se více ohřívá a je ji nutno více chladit.
Použitím nižší koncentrace
kyseliny, vyššího proudu za nižších teplot dosáhneme silnějších vrstev
Al2O3. Zvýšená teplota
lázně je příčinou vytváření měkkých a pórovitých vrstev a prodloužení doby
oxidace. Přibližně
lze dobu eloxace vypočítat ze vztahu pro výpočet tloušt'ky eloxační vrstvy.
NEJČASTĚJŠÍ CHYBY PŘI ELOXOVÁNÍ
Chyby materiálu:
Pro nejvyšší vzhledové požadavky je nutný hliník nejvyšší čistoty (99,99 %
Al). Pro
vysokou kvalitu oxidace vyhovuje hliník s obsahem do 0,5 % legur. Všechny
hliníkové slitiny
nelze eloxovat. Některé legury omezují možnost vybarvení nebo i anodické
oxidace (např.
mangan zbarvuje vrstvu do hněda, křemík do šeda, med' do žluta).
Pro bezproblémový proces eloxovaní může mít slitina hliníku obvykle tyto
maximální
hodnoty legur: Mg - 7 %, Zn - 10 %, Ti 0,3 %, Cr - 0,3 %, Si - 3 %, Cu -5 %.
Mn - 1 %,
Fe - 0,5 %. Nevhodnost materiálu pro eloxování ukáží orientačně již operace
moření a
vyjasnění.
Vady materiálu i zpracování (póry, hrubá struktura) jsou častou příčinou vad
eloxovaných vrstev, respektive vyniknou při procesu oxidace nebo po
vybarvení. Materiálové
vady se objevuji ihned při jednotlivých operacích teto technologie.
Chyby technologie eloxování:
Tyto závady vznikají při nedodrženi parametru jednotlivých operaci jak u
předúprav,
oxidace, barveni a utěsňování, tak především při operacích oplachu a
vypírání vrstev.
Technologické chyby anodické oxidace (především vzhledové vady) se mohou
objevit až po
delší době expozice.
Přemořený povrch: Příliš dlouhá doba moření nebo opakované moření odkryje
(vyleptá)
strukturální nehomogenitu materiálu. Intenzita poškození závisí na složeni
hliníkové slitiny i
způsobu předchozího zpracováni (válcování, protlačování).
Chyby při leštěni: Špatným odvodem leštících zplodin jsou tato místa
nedoleštěna. Vinou je
špatné zavěšení.
Tenká vrstva: Důvodem je nízká proudová hustota obvykle z důvodu hodnot
velikosti proudu
podle hodnot napětí a ne podle skutečné plochy zboží. Příčinou může být i
přehřátí lázně
(rozpouštění vrstvy) a to i špatným mícháním lázně. Tato závada může být
způsobena též
vadou závěsu (neúplně očištěný závěs, malá přítlačná sila kontaktu upnuti).
Vrstva chybí: Pokud na některých místech chybí vrstva je příčina ve špatném
odmaštění nebo
došlo ke stínění špatným rozložením zboží vůči sobě ale i ke katodě. Problém
vzniká někdy i
po dotyku holou rukou po mořeni nebo výskytem bublin kyslíku v dutinách
zboží. Pokud
vrstva chybí vždy na spodku dílu je příčinou špatná výměna vody v oplachové
vaně (vyšší
kyselostí dojde k odleptáni vrstvy).
Skvrny na povrchu: Příčinou je nejčastěji mastnota v mořící lázni nebo
elektrolytu, časté je
místní přehřátí zboží (blízkost u katody), špatná předúprava, popřípadě
nedostatečné
odstranění pasivační vrstvy po elektrolytickém leštění. Příčinou může být
místní přehřátí při
předchozím mechanickém leštění a velmi často nekvalitní oplachy. Vinnou může
být též i
elektricky zkrat v lázni. Bílé skvrny na povrchu jsou často způsobeny
zaschnutím špatně
opláchnutého povrchu po odmaštění a nebo příliš dlouhou prodlevou před
eloxováním.
Vrstva se stírá: Příliš teplá lázeň (nad 20 °C), silná koncentrace H2SO4
velká proudová
hustota. Zvýšeni teploty eloxovaní má za následek zvětšení pórů v anodické
vrstvě, což může
způsobit porušení struktury vrstvy a její stírání. Zvýšení teploty může byt
i místní špatným
odvodem tepla.
Změna odstínu vybarveni: Změna pH vybarvovací lázně z důvodu špatného
vypraní zboží
(především složitých detailů zboží) nebo málo častá nebo žádná výměna
vybarvovací lázně.
Nestejnoměrná teplota vybarvovací lázně. Příliš vysoká teplota vybarvovací
lázně utěsňuje
póry. Změnu odstínu vybarveni způsobuje nekvalitní vyprání vrstvy po
eloxovaní a nekvalitní
utěsnění pórů (nízká teplota nebo příliš krátká doba utěsňování). Pokud po
vybarveni dojde
k utěsnění v kyselé demineralizované vodě, barva výrobku zreaguje s kyselým
prostředím utěsňovací lázně a výrobek má tendenci změnit odstín vybarvení.
Korozni poškození: Při použití titanových závěsů dochází u některých
materiálů (AlMg5 -
CSN 42 4415) k reakci v utěsňovací lázni k výskytu elektrochemického
poškození hliníkových
povrchů, které se odstraní svěšením z titanových závěsů před procesem
utěsňování.
Chyby v technologiích eloxování jsou ve většině případů způsobeny
nedodržením
parametrů jednotlivých operací, respektive i snahou po úsporách na nepravých
místech. Eloxovaní je technologie velmi jednoduchá ale zároveň velmi náročná
na technologickou kázeň a dodržování minimální spotřeby chemikálií i vody.
Praktické zkušenosti z provozu i výsledky laboratorních měření shoduji na
minimálních spotřebách 50 až 100 g/m2 upravované plochy všech základních
lázní
(NaOH, HNO3, H2S04) včetně odmašt'ovací lázně podle charakteru zboží,
respektive stupně
zamaštění. Vzhledem k ceně barviv je i dosti nákladnou operace vybarvování
nebot' při
kvalitním vybarvování je spotřeba barviv 0,5 až 1 g/m2 upravované plochy.
Značné jsou i
nároky na spotřebu vody. Pokud se u běžných povrchových úprav galvanického
charakteru
předpokládá spotřeba vody na jednostupňový oplach 20 až 30 litrů na m2, je
spotřeba vody při
anodické oxidaci až desetinásobná, tedy 100 až 300 litrů vody na m2
upravované plochy.
Důležitá je u technologie eloxování např. i doba operace vypírání vrstvy,
která se má
minimálně provádět stejně dlouho jako byla doba operace anodické oxidace.
Lázně
jednotlivých operaci vyžadují pravidelnou výměnu. Nestačí pouze doplňování
(hlavně u
vybarvovací a utěsňovací lázně). U některých lázní je potřeba část lázně
naopak při výměně
ponechat (např. 20 až 30 % původní eloxační lázně H2S04). Velmi důležité je
vybaveni
pracoviště a obsluhy pomůckami pro základní kontrolu hustoty, koncentrace,
pH a teploty
lázně. Nezbytný je i vhodný přistroj pro meření tloušt'ky eloxačních vrstev,
respektive i další
přístrojové vybavení např. pro kontrolu vybarveni popřípadě pro průbežnou
kontrolu eloxační
lázně.
LITERATUBA:
1. Chovancova, M. - Fellner, P. - Spirk, E.: Zaklady korozie a povrchovej
upravy kovovych
materialov, Bratislava, STU Bratislava, 2001.
2. Kreibich, V.: Chyby v technologiich povrchovych uprav: Eloxovani, In: 36.
Gelostatni
aktiv galvanizeru, Jihiava, 2003, s. 55 - 57.