Мы обратились в компанию для хромирования с фосфатированием подшипников и остались очень довольны результатом. Процесс был выполнен профессионально и быстро, подшипники выглядят как новые. Мы рекомендуем эту компанию всем, кто ищет надежного партнера для хромирования и фосфатирования металлических деталей. Благодарим за отличную работу!
Процесс анодирования
Процесс с применением серной кислоты
Стандартные процессы
Ранее стандартные процессы с применением серной кислоты имели различные наименования (например, "Алюминит" и "Элоксал ГС". В настоящее время такие наименования стали использоваться реже. Текст, приведенный ниже, относится в общем ко всем методам. Общую взаимосвязь режима анодирования и формирования покрытия можно проследить по данным табл. 12.
Концентрация кислот
В промышленном производстве применяются кислоты, концентрация которых составляет 8-35 % (по массе) . Растворение алюминия возрастает с увеличением концентрации.
Пленки, получаемые в концентрированных растворах, более пористые, мягкие и эластичные по сравнению с пленками, получаемыми в слабокислых растворах. Универсальным считается электролит, концентрация кислоты в котором составляет 15 % (по массе). Не исключена неточность, поскольку концентрация может быть выражена долей объема, массы или плотностью. Таблица перевода, рассчитанная на наиболее часто используемые единицы, представлена в приложении 1.
Для кислоты данной концентрации плотность изменяется по мере старения раствора. Это происходит вследствие увеличения содержания алюминия. Напряжение, необходимое для получения заданной плотности тока, также повышается. Приготовление раствора производится добавлением кислоты в воду; для получения высококачественных покрытий используется вода, чистота которой соответствует установленным требованиям.
Температура
При обычных процессах анодирования температура ванны колеблется от 18 до 25 °С; для большинства процессов приемлемой температурой считается 20 °С. Покрытия, получаемые в холодных электролитах, отличаются повышенной твердостью и менее выраженной поглощающей способностью по сравнению с покрытиями, получаемыми в теплых электролитах. Процесс твердого анодирования с использованием охлажденных электролитов рассматривается ниже.
Температура должна тщательно контролироваться, поскольку плотность тока и скорость растворения пленки раствором находятся в прямой зависимости от температуры. Эти факторы в свою очередь влияют на свойства покрытия и, особенно, на его "выцветание", которое может проявиться через неопределенное время после анодирования. Высокие температуры являются причиной получения порошкообразных пленок. Автоматическое регулирование температуры (например, с помощью термостата) в пределах + 1 °C обеспечивает воспроизводимость получаемых результатов.
Для отвода тепла, выделяющегося в процессе анодирования, перемешивание должно быть весьма эффективным. Местный перегрев повышает плотность тока (или снижает напряжение, если плотность тока постоянна), что приводит к получению неровных пленок неконтролируемого качества. Создание высококачественного покрытия обеспечивается эффективным перемешиванием, предупреждающим повышение температуры поверхности детали (измеренной термометром) на величину > 0,5 °С по сравнению с температурой в объеме электролита.
Проблему перемешивания нельзя переоценить. При неудовлетворительном перемешивании получаемые покрытия могут пройти контрольные испытания, но разрушатся при эксплуатации в атмосферных условиях с образованием меления на поверхности.
Типичная взаимозависимость между напряжением, плотностью тока, температурой и перемешиванием показана на рис. 7. Процесс перемешивания обычно обеспечивается воздушным барботажем, когда воздух подается из напорных воздухопроводов с отверстиями, расположенных на дне ванны (давление воздуха составляет 35 – 105 кПа), с помощью крыльчатки с приводом от электродвигателя или путем циркуляции электролита.
При воздушном барботаже во избежание загрязнения ванны анодирования воздух, подаваемый из компрессора, должен быть очищен от масел. Дно ванны анодирования оборудуется паровыми змеевиками, обеспечивающими ее прогрев в холодную погоду.
Требования, предъявляемые к электроэнергии
Обычно используется постоянный ток от выпрямителя; электроснабжение должно обеспечивать анодирование максимальной площади поверхности при напряжении 16 В и плотности тока > 1,5 А/дм^2. Этот режим будет отвечать любым требованиям. Снижение необходимого количества электроэнергии окажет отрицательное воздействие на количество анодированной поверхности. Для получения атмосферостойких анодно-оксидных покрытий большой толщины, которые обычно получаются при конечном напряжении, равном 18 В (алюминий и многие сплавы) или 22 В (алюминиевые сплавы с кремнием), потребуется источник постоянного тока с напряжением 24 В.
В некоторых установках для анодирования непрерывной полосы или проволоки иногда используется переменный ток.
При электроснабжении постоянным током в качестве катода обычно используют свинец или алюминий.
Одним из контролируемых факторов в процессе анодирования является обеспечение постоянного напряжения. По мере анодирования электросопротивление пленки повышается, а плотность тока слегка снижается. При обычных процессах плотность тока должна составлять 1-1,5 А/дм^2, но не исключается возможность ее понижения до 0,5 или повышения до 3,5 А/дм^2. Более низкая плотность тока рассчитана на получение тонких прозрачных покрытий, которые по прозрачности превосходят покрытия аналогичной толщины, полученные при более высокой плотности тока. Более высокая плотность тока используется в установках непрерывного анодирования. Высокая плотность тока уравновешивает высокую скорость растворения в сильных электролитах.
Напряжение, необходимое для обеспечения установленной плотности тока, зависит от типа сплава и рабочего режима ванны, однако, обычно, его величина колеблется от 10 до 25 В. Повышенные напряжения рассчитаны на более низкие кислотные концентрации и температуру.
С целью обеспечения такой же плотности тока в аналогичном режиме для сплавов алюминия, содержащих цинк, и сплавов алюминия, содержащих цинк и медь (с магнием или без него) , потребуется по сравнению с чистым алюминием более низкое напряжение, а для сплавов алюминия, содержащих кремний, медь и магний, - более высокое. Группы сплавов, обработка которых требует различных напряжений, нельзя анодировать одновременно. Игнорирование этого правила приводит к получению покрытий неудовлетворительного качества.
Рабочее напряжение также зависит от содержания алюминия в электролите. Вполне оправданным является проведение пробного предварительного анодирования сплава, который должен обрабатываться при плотности тока 1,5 А/дм^2. Поверхность пробной садки, суммируемая с поверхностью подвесок, погружаемых в раствор, должна быть тщательно рассчитана. Предпочтительно собирать садку из полуфабрикатов простой формы, таких как полоса 75 X 6 мм (в случае прессованных полуфабрикатов) и тонкие листы 1 Х 1 м, поскольку все участки их поверхности легко доступны анодированию. Общая нагрузка должна составлять > 30 % от полной нагрузки ванны. Измеренная садка загружается в ванну анодирования и включается ток. Напряжение повышается до достижения расчетной общей силы тока, выраженной в амперах. По прошествии 5 мин напряжение фиксируется и принимается для обработки определенного сплава в течение всей рабочей смены. Такая "калибровка" проводится в начале каждой рабочей смены после любой химической корректировки. Различные сплавы требуют проведения отдельной проверки. При наличии более одной ванны анодирования каждая ванна проверяется отдельно. Пробная садка может использоваться повторно до тех пор пока потеря площади металла не станет значительной.
Продолжительность обработки
Продолжительность анодирования зависит от требуемой толщины пленки типа сплава и используемой плотности тока. При анодировании чистого алюминия в первом приближении.
Толщина, мкм = (Плотность тока, А/дм? Х Х Продолжительность, мин) : 3, т.е. при плотности тока 1,5 А/дм? толщина покрытия за 1 мин увеличивается на 0,5 мкм.
Такой приблизительный расчет не исключает возможности измерения толщины покрытия физическими методами, которые будут рассмотрены в гл. 13. В зависимости от режима обработки и типа сплава возможны самые разнообразные изменения.
Коэффициент покрытия определяется как масса образованного анодного покрытия, деленная массу потерянного металла.
Рис. 8. Влияние температуры электролита на соотношение массы покрытия металла Мe и продолжительность анодирования Т а (15 %-ная серная кислота; 2,1 A/дм^2) [2]
Рис. 9. Влияние концентрации серной кислоты на соотношение массы покрытия mс. потерь металла Am Me и продолжительности анодирования Т а (30 °C; 1,7 А/дм^2) [2]
Низкий коэффициент покрытия указывает на значительные затраты электрического тока, на образование растворимых продуктов. Этот коэффициент понижается с повышением температуры или концентрации кислоты (рис. 8, 9). При обработке большинства алюминиевых сплавов его величина будет ниже, чем при обработке чистого металла. Толщина пленки на алюминиевых сплавах, содержащих медь, и соответственно коэффициент покрытия могут быть более чем в два раза меньше, чем у чистого алюминия.
Рабочий процесс
В основе организации работ в цехах для обработки металла лежит производственное законодательство. Рабочие в соответствии с условиями работы обязаны носить защитную одежду. После проверки готовности ванны и по достижении определенной температуры анодированные детали погружаются в нее на подвесках или зажимных приспособлениях, к которым они прибалчиваются или, что лучше, зажимаются. Во избежание неудовлетворительного электроконтакта все контакты должны быть хорошо пригнаны. В противном случае покрытия не будут соответствовать предъявляемым требованиям и может возникнуть местное пригорание.
Каждая деталь должна быть жестко закреплена и не касаться другой детали в процессе перемешивания раствора. Детали должны располагаться на расстоянии > 15 см от катода. Для крупных деталей требуется большее пространство. Так, лист большого размера должен находиться на равном расстоянии от катодов при их расположении с двух сторон. Это обеспечивает получение покрытий равномерной толщины. В качестве вспомогательного катода широко применяются калиброванные прутки из алюминия. Обычно площадь катода равна площади анода, но при равномерном распределении меньшая площадь катода будет также приемлема.
Общая площадь поперечного сечения катодов должна быть достаточной для того, чтобы пропускать ток максимальной величины.
После того как все подсоединения закончены начинается перемешивание раствора и включается ток. Получение наилучших результатов не будет обеспечено, если травильный шлам удаляется с деталей непосредственно в ванне анодирования перед включением тока. Подобная практика снижает качество изделия, загрязняет раствор и приводит к необходимости его более частой замены. Изделие не следует загружать в ванну при полном включенном напряжении, поскольку это может привести к резкому увеличению силы тока.
Для получения покрытий с максимальной отражательной способностью регламентированная плотность тока достигается постепенно, в течение 30с, а электрический режим стабилизируется по прошествии приблизительно 2 мин. Напряжение не должно подниматься выше требуемого уровня и затем снижаться, поскольку в этом случае влияние барьерного слоя будет препятствовать полному прохождению тока. В конце процесса анодирования ток выключается, детали незамедлительно извлекаются из ванны и промываются в проточной воде (в производственной практике иногда возможна непрерывная загрузка и разгрузка ванны, но при условии исключения при этом чрезмерных скачков величины тока).
Раствор для анодирования по сравнению с электролитами для нанесения гальванических покрытий обладает значительно более эффективной рассеивающей способностью. При хорошей циркуляции раствора даже внутри трубки длиной 30 см и диаметром 0,5 см можно получить покрытие толщиной, составляющей не менее половины толщины покрытия, полученного на ее внешней стороне.
Модификации растворов для анодирования
Смешанные разбавленные электролиты, содержащие серную и щавелевую кислоты, повышают эффективность образования оксидного слоя и его твердость. Получение хороших результатов обеспечивается применением электролита, содержащего 120 г/л серной кислоты и 50 г/л щавелевой кислоты. Покрытие, получаемое в таком растворе при температуре 30 °C, можно сравнить по качеству с покрытием, получаемым в электролите с 15 %- ным содержанием серной кислоты при температуре 21 °C.
Смешанный раствор работает при температуре приблизительно на 10 °С выше температуры электролита с серной кислотой эквивалентной концентрации без потери износостойкости, что очень важно при решении проблемы охлаждения, особенно в тропических условиях. На 1 А • ч потребляется ~ 0,2 г щавелевой кислоты.
Контроль режима работы ванн
В предыдущих главах отмечена необходимость установления строгого контроля за режимом работы ванны, обеспечивающим получение воспроизводимых результатов. Контроль включает проверку температуры (+ 1 °C), плотности тока (* 0,15 А/дм^2) и концентрации кислоты (‡ 0,2 %). Следует также контролировать время выполнения всех операций: ток включается сразу же после погружения деталей в ванну и выключается перед их выгрузкой. Непрерывность работы обеспечивается загрузкой и разгрузкой деталей в установленные временные интервалы.
Большое значение имеет поддержание концентрации алюминия на постоянном низком уровне. Так, для 15 %-ной серной кислоты предпочтительными пределами будут 5 и 20 г/л; высокая концентрация кислоты может уменьшить допустимое содержание растворенного алюминия в ванне.
В Приложении 2 рассматривается метод анализа растворенного алюминия. Содержание хлоридов должно быть значительно ниже максимальной величины, равной 0,02 г/л (в виде NaCI), установленной в DEF151, а содержание фтористых соединений должно быть ≤ 0.001 г/л (в виде F).
Загрязнение фосфорной кислотой в результате неправильной промывки после- химического полирования приводит к получению покрытий, качественное уплотнение которых не представляется возможным.
Предельной величиной, которую нельзя превышать, считается 5 мг/л (в виде Н3PO4).
Вследствие испарений уровень ванны постоянно снижается. В связи с этим для ее пополнения требуется деминерализованная вода. Для постоянно эксплуатируемых ванн следует пользоваться полунепрерывным методом регенерации, позволяющим заменять ежедневно определенную часть раствора. В настоящее время имеется в наличии оборудование, обеспечивающее непрерывное удаление растворенного алюминия.