Алюминиевое покрытие – Защитные покрытия из алюминия на металлах, сплавах и других материалах

Гальваническое покрытие алюминия и его сплавов

Цель гальванических покрытий алюминия и его сплавов — сочетать ряд ценных свойств основного металла  (сплава) и покрытия. Для защитно-декоративной отделки изделий из алюминия и его сплавов прибегают к нанесению комбинированных покрытий медь — никель — хром или никель — хром. В целях защиты от механического износа наносят сравнительно толстые покрытия из хрома, для сообщения антифрикционных свойств наносят покрытия из сплава свинец — олово или медь — олово. Для облегчения и ускорения процесса пайки алюминиевых изделий наносят оловянные, свинцовооловянные или серебряные покрытия. Последние используют также для уменьшения переходного сопротивления в местах контактов. Латунные покрытия обеспечивают прочное сцепление алюминия с резиной при горячем прессовании. Для защиты от заедания резьбовые алюминиевые детали цинкуют. Кадмированию подвергают узлы, в которых алюминиевые детали сопряжены со стальными, медными и другими деталями, в контакте с которыми усиливается коррозия.

Различные детали электронных приборов подвергают серебрению, золочению, покрытию платиновыми металлами и их сплавами.

Специфические трудности нанесения гальванических покрытий на изделия из алюминия и его сплавов связаны с наличием на их поверхности естественной окисной пленки, препятствующей прочному сцеплению между основой и покрытиями. Кроме того, сильно электроотрицательное значение потенциала алюминия, освобожденного от окисной пленки, приводит к вытеснению ионов покрываемого металла до начала прохождения электрического тока через раствор электролита, что тоже нарушает сцепление между покрытием и основой. Преодоление этих трудностей достигается специальными методами подготовки поверхности покрываемых изделий.

Наиболее распространенными методами подготовки поверхности алюминиевых изделий перед нанесением гальванических покрытий являются следующие: 1) цинкатный, 2) анодирование в фосфорной кислоте, 3) предварительное электролитическое осаждение тончайших цинковых или латунных покрытий.

Цинкатный метод подготовки поверхности алюминиевых изделий сводится к их кратковременному погружению (на 30—60 с) в раствор цинката натрия. Окисная пленка при этом растворяется и изделия покрываются тонкой пленкой цинка (0,1—0,15 мкм), предупреждающей поверхность от повторного окисления. При этом протекают следующие реакции. На анодных участках:

Al + ЗОН- →Al(ОН)₃ + Зе,
Al(OН)₃ → AlO₂ + H₂O + Н+
На катодных участках:
Zn(OH)₄ → Zn₂+ + 40H-,
Zn₂+ + 2e → Zn,
2Н+ + 2e → 2H → H₂.

Вследствие высокого перенапряжения водорода на цинке последняя реакция затруднена и образование цинковой пленки на поверхности алюминиевых изделий не сопровождается заметным выделением водорода.

Чем тоньше и плотнее цинковая пленка, тем больше прочность сцепления алюминиевой основы с гальваническим покрытием. Получению плотной пленки способствует введение в цинкатный раствор, помимо основных компонентов (окиси цинка и едкого натра), хлорного железа и сегнетовой соли, а также азотнокислого натрия. Ниже приводятся рекомендуемые составы цинкатных растворов (г/л) и их режимы:

Двукратное цинкование методом погружения часто обеспечивает лучшее сцепление между алюминиевой основой и гальваническим покрытием. После 10—15-сек выдержки в цинкатном растворе изделия промывают в воде и переносят в раствор азотной кислоты, разбавленной водой в отношении 1 : 1 для удаления цинкового покрытия. После тщательной промывки в воде изделия вновь погружают в цинкатный раствор.

Ниже приведена схема процесса нанесения гальванических покрытий на алюминиевые сплавы при подготовке их поверхности по цинкатному способу:

Для подготовки поверхности алюминиевых сплавов, легированных магнием, к нанесению гальванических покрытий рекомендуется погружать их в раствор сульфата цинка в присутствии фтористоводородной кислоты или в раствор фторбората цинка. Ниже приводятся составы этих растворов (г/л) и режимы:
1)       ZnSO₄·7H₂O …………….720
HF (48%-ная), % (объемн.) . .     3,5

Температура, °С…………..50
Продолжительность, с . . . .        20—60
2)       Zn(BF₄)₂………………75
рН……………………..3,0
Продолжительность, с……….30

Анодирование в фосфорной кислоте применяют в США для алюминиевых сплавов, легированных медью и марганцем перед гальваническим меднением. Образующаяся при анодировании в фосфорной кислоте окисная пленка более тонка и более пориста, чем при анодировании в серной кислоте, но та часть пленки, которая обращена к алюминиевому сплаву (так называемый барьерный слой), толще, чем в серной кислоте. Поэтому анодирование в фосфорной кислоте проводят при повышенном напряжении (30—60 В).

Концентрация фосфорной кислоты колеблется в пределах 250—500 г/л, температура 25—30° С, плотность тока 1,0—2,0 А/дм², продолжительность анодирования около 10 мин, толщина окисной пленки примерно 3 мкм.

При анодировании в фосфорной кислоте встречается тем больше затруднений, чем чище алюминий: для нелегированного алюминия трудно обеспечить хорошее сцепление с гальваническим покрытием.

Рекомендуется первые слои меди осадить в пирофосфатном электролите при значениях рН = 7÷8 (рис. 122).

Рис. 122. Микрофотография алюминиевого образца, подвергнутого анодированию в фосфорной кислоте и последующему меднению и никелированию

Металл на оксидированном в фосфорной кислоте алюминии начинает осаждаться в порах в виде тонкодисперсных волокон, которые потом срастаются между собой, перебрасывая мостки чрез пленку. То обстоятельство, что сама окисная пленка прочно сцеплена с основой, обеспечивает также прочное сцепление с гальваническим покрытием.

В Англии и США широко применяют так называемый фогт-процесс, заключающийся в предварительном нанесении на алюминиевые изделия тончайших цинковых и латунных покрытий. Ниже приводятся составы электролитов (г/л) и их режимы для ванн цинкования (I) и латунирования (II):

По этой схеме обезжиренные изделия после промывки травят в течение 5 с в 5%-ной HF и осветляют в HNO₃ (1 : 1). После тщательной промывки изделия подвергают гальваническому покрытию с минимальными перерывами между операциями по схеме: цинкование — промывка в проточной воде — латунирование — промывка —  нейтрализация в слабом растворе винной кислоты — никелирование (в электролите без хлоридов) — промывка в холодной и горячей воде — демонтаж с подвесок — нагрев при 200—250° С в течение 30 мин.

При нанесении гальванических покрытий на подготовленные по одному из перечисленных выше методов алюминиевые изделия требуется соблюдать особые меры предосторожности. Дело в том, что цинковая пленка, полученная при погружении в раствор цинката, так же, как и цинковые и латунные пленки, полученные методом электроосаждения, чрезвычайно тонки и на них необходимо наносить первый слой металла из такого электролита и при таком режиме, чтобы их не повредить. В зарубежной литературе рекомендуется на подготовленные по цинкатному методу изделия наносить 1-й слой меди из цианистого электролита с небольшим содержанием свободного цианида. Ниже приводится состав такого электролита (г/л):
CuCN….. 42   Na

2CO₃ …. 30,0
NaCNобщ … 49       KNaC₄H₄O₆·4H₂O . 60,0
NaCNсвоб . . . До 3,8
Температура электролита в пределах 38—43° С, рН= = 10,2÷10,5.

Изделия завешивают в ванну под током и в течение 2 мин поддерживают плотность тока 2,5 А/дм², после чего ее снижают до 1,25 А/дм², по крайней мере в течение 3—5 мин. В дальнейшем можно при этом режиме наращивать слой меди до требуемой толщины, или после промывки в воде переносить изделия в медную кислую ванну.

При защитно-декоративном хромировании изделия после меднения покрывают никелем и хромом по общепринятой технологии — либо с промежуточной полировкой со всеми вспомогательными операциями, либо без них, если покрытие осуществляется в ваннах с блескообразователями. Вместо меднения в цианистом электролите можно при защитно-декоративном хромировании начинать с латунирования в электролите следующего состава (г/л):

CuCN …. 26
NaCN …. 45
Zn(CN)₂ … 11
Na₂CO₃ … 7,5
Температуру поддерживают в пределах 27—30° С, плотность тока около 1 А/дм ², аноды — латунные с содержанием 70—75% Cu и 25—30% Zn.

Защитно-декоративное хромирование подготовленных по цинкатному методу изделий по схеме Ni—Cr или Ni—Cu—Ni—Cr можно осуществлять и без нанесения первого слоя меди или латуни в цианистых электролитах. Для этой цели можно по цинковой пленке наносить никель из обычного электролита, или из более подходящего для этой цели электролита состава (г/л):
NiSO₄·7H₂O…….100
Na₂SO₄·10H₂O…………..15
H₃ВO₃………………..10
Лимоннокислый натрий …        15
Температура электролита 40—45° С; плотность тока 1,5—2 А/дм²; рН~5,6. Прочное сцепление никелевого покрытия с алюминиевой основой обеспечивается только в результате 30-мин нагрева при температуре 200—250° С. Для предупреждения от окисления поверхности нагрев рекомендуется осуществлять в печи с инертной атмосферой в техническом касторовом масле или в вакууме. Если такой нагрев связан с трудностями, то перед нанесением на никель других гальванических покрытий тонкий слой окислов может быть удален либо полировкой, либо травлением в смеси серной и азотной кислот. Для легких условий эксплуатации можно ограничиться слоем никеля толщиной 10 мкм с последующим хромированием на толщину до 1 мкм; для жестких условий рекомендуется суммарная толщина покрытия Ni— Cu—Ni 50 мкм с тонким слоем хрома.

Износостойкому хромированию часто подвергают двигатели цилиндров (например, мотоциклов) из кремнистых алюминиевых сплавов. После обезжиривания в щелочном растворе и промывки следует 1—2-мин травление при температуре, не превышающей 15° С, в смеси HF : HNO₃ в отношении 1 : 5. Хромирование осуществляют в обычном электролите при температуре 60±2°С по режиму: первые 5 мин при плотности тока 35—45 А/дм², вторые 5 мин 45—65 А/дм², остальное время 65—80 А/дм².

Гальваническое лужение или покрытие свинцовооловянным сплавом (для облегчения и ускорения процесса пайки), подготовленных по цинкатному методу изделий осуществляют в обычных электролитах после никелирования и 30-мин прогрева или после меднения в цианистом электролите.

Цинкованию алюминиевые изделия подвергают сравнительно редко; лучшие результаты получаются после цинкатной обработки и электролитического цинкования в щелочно-цианистых электролитах.

Кадмирование применяют для защиты от контактной коррозии узлов, в которых алюминиевые детали сопрягаются с деталями из других металлов. Прочное сцепление кадмиевых покрытий с алюминиевой основой может быть обеспечено после предварительной одноминутной катодной поляризации при плотности тока 2,5 А/дм² в разбавленном по содержанию кадмия электролите и последующего кадмирования в рабочем электролите при плотности тока 1,5—3 А/дм² в течение времени, необходимого для осаждения слоя кадмия заданной толщины. Ниже приведены составы (г/л) рекомендуемых электролитов для предварительного покрытия (I) и рабочего электролита (II):
I      II
Cd………     7,5       27
NaCN…….  60,0      100
Помимо основных компонентов, в рабочий электролит вводят блескообразователь. Можно также кадмировать алюминий по медному или цинковому подслою после цинкатной обработки.

Серебрение алюминия осуществляют для повышения электропроводности и, в частности, для уменьшения переходного сопротивления в местах контактов. После цинкатной обработки изделия серебрят последовательно в трех ваннах с постепенно возрастающей концентрацией серебра и убывающей концентрацией свободного цианида. В первых двух ваннах изделия выдерживают по 10—15 с при плотности тока 1,5—2 А/дм². В этих ваннах выход металла по току небольшой и наблюдается интенсивное выделение водорода. В третьей ванне поддерживается плотность тока 0,5 А/дм² и процесс длится до получения слоя серебра заданной толщины. Ниже приводятся составы серебряных электролитов этих трех ванн (г/л):
I    II    III
Ag CN    1    5    30
К CN     90  68   60
Для легких условий эксплуатации можно ограничиться толщиной серебряного слоя 12,5 мкм, для средних условий эксплуатации 25 мкм, а для жестких условий 50 мкм.

Покрытие другими драгоценными металлами. Различные детали электронной аппаратуры, автоматики и телемеханики в зависимости от условий эксплуатации подвергают золочению или покрывают металлами платиновой группы. Золочение осуществляют после цинкатной обработки и нанесения медного подслоя из цианистого электролита или никелевого подслоя с последующим 30-минутным нагревом. Толстые золотые покрытия (до 25 мкм) могут быть получены из цианистого электролита (8 г/л Au, 20 г/л KCNсвоб, 20 г/л K₂НPO₄ и 20 г/л K₂СO₃) при температуре 65—70 °С и плотности тока 0,3—0,5 А/дм². В последнее время успешно применяют так называемые кислые цианистые электролиты золочения примерного состава (г/л) и режим:
Золото (в виде дицианоаурата калия) …………….10
Калий лимоннокислый…………80
Лимонная кислота ………….20
рН………….5,5-6
Температура, °С…………….70
Плотность тока, А/дм²…………0,5
Для повышения твердости и износостойкости золотых покрытий рекомендуется в электролит вводить 15 мг/л сурьмы в виде калия сурьмяновиннокислого. Покрытие при этом содержит до 1 % Sb, микротвердость достигает 180 кгс/мм².

Из металлов платиновой группы в новых отраслях техники наиболее широко применяют родиевое покрытие. Для алюминиевых изделий в одинаковой мере могут быть использованы после цинкатной подготовки медный и никелевый подслои. Тонкие родиевые покрытия порядка 1—2 мкм — могут быть получены из сульфатного электролита с содержанием 1—2 г/л Rh в виде сернокислой соли и 20—25 мл/л концентрированной серной кислоты. Для получения более толстых родиевых покрытий содержание родия в электролите необходимо повысить до 10—15 г/л и ввести 1 г/л селеновой кислоты, снижающей внутренние напряжения в покрытии и позволяющей довести его толщину до 25—50 мкм. Процесс осуществляется с нерастворимыми (платиновыми) анодами, при температуре 45—50° С и плотности тока 1—2 А/дм². Электроосажденный родий имеет твердость порядка 800 кгс/мм², большую коррозионную стойкость и по коэффициенту отражения света уступает только серебру. В отличие от серебра родий не тускнеет под действием сероводорода, и, будучи нанесен даже в тонких слоях (0,1—0,2 мкм) на серебро, защищает его от потускнения.

Все гальванические покрытия за исключением цинка катодны по отношению к алюминию, т. е. защищают его от коррозии только при условии отсутствия пор в покрытии. Беспористые покрытия обычно получаются в слоях достаточной толщины и при соблюдении правильного режима технологического процесса. Если алюминиевые детали эксплуатируются в условиях смазки, в сухой атмосфере или вакууме, то порами в покрытиях можно пренебречь.

В СССР и за рубежом промышленное применение получило лужение алюминиевых поршней (для целей притирки) методом погружения их в раствор станната натрия или калия. Поршни обезжиривают по одному из методов, принятых для алюминиевых сплавов. После промывки в воде их погружают на 20 с в разбавленную в отношении (1:1) азотную кислоту, вновь промывают в воде и на 3—4 мин погружают в раствор, содержащий 45—70 г/л Na₂Sn(OH)₆ или K₂Sn(OH)₆ при температуре 50—75° С. Вынутые из раствора станната поршни промывают в холодной и горячей воде. Толщина оловянного покрытия при таком режиме примерно 5 мкм, цвет покрытий белый, матовый. Станнат калия несколько дороже станната натрия, но растворы его более устойчивы и менее подвержены гидролизу. Оловянные покрытия, полученные методом погружения в раствор станната, недостаточно сцеплены с основой, чтобы изделия с такими покрытиями можно было подвергать пайке. Они не могут служить также промежуточным слоем для последующего электролитического осаждения олова. Для пайки необходима цинкатная обработка поверхности (или другая из приведенных выше) с последующим нанесением подслоя меди или никеля.

www.stroitelstvo-new.ru

Алюминиевые покрытия и способы их получения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793

В.А. Ильин1, А.В. Панарин1

АЛЮМИНИЕВЫЕ ПОКРЫТИЯ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Представлены различные способы получения алюминиевого покрытия. Описаны основные особенности каждого из них. Рассмотрены некоторые свойства полученных алюминиевых покрытий, а также варианты их применения в промышленности.

Ключевые слова: алюминиевое покрытие, металлизация, алитирование.

Different methods of aluminum coating manufacture are presented. Basic features of each of them are described. Some properties of the obtained aluminum coatings, but also variants of their application in industry are considered. Keywords: aluminum coating, metallization, aluminizing.

«‘Ульяновский научно-технологический центр [Ulyanovsk scientific and technological center] E-mail: [email protected].

Введение

Исходя из задач, определенных в стратегических направлениях развития материалов и технологий, и анализа тенденций развития материалов в мире актуальными являются наноструктуриро-ванные покрытия и материалы, обладающие более высоким уровнем свойств [1]. Этим обусловлен интерес к применению алюминия в качестве материала для нанесения защитных покрытий.

Известно, что на поверхности алюминия при контакте с кислородом воздуха образуется оксидная пленка с хорошими защитными свойствами, которая состоит в основном из оксида (в аморфном или кристаллическом состоянии) и гидрокси-да алюминия. Оксидная пленка характеризует коррозионное поведение алюминия: он стоек в таких окислителях, как азотная кислота, растворы бихроматов [2].

Коррозионная устойчивость алюминия растет с повышением его чистоты. При контактировании алюминия с цинком и кадмием коррозионная стойкость не снижается, но при взаимодействии с железом скорость коррозии резко возрастает, а наличие в алюминии примесей железа также снижает его коррозионную стойкость. Пленка оксида алюминия растворяется в щелочах и сильных не-окисляющих кислотах с выделением водорода. Хлориды также разрушают пленку оксида алюминия.

Наряду со стойкостью алюминия в атмосферных условиях и в некоторых коррозионных средах, востребованы и другие его свойства для функциональных покрытий, такие как электропроводность, декоративность, светоотражатель-ная способность, термостойкость. После анодного оксидирования повышается износостойкость, покрытия становятся электроизоляционными и возможно их применение в качестве подслоя под металлические и лакокрасочные покрытия. Применение алюминиевых покрытий не оказывает вредного воздействия на живые организмы и окружающую среду.

Возможности конструкционных материалов с алюминиевыми покрытиями позволяют надеяться на расширение применения деталей с такими покрытиями. Для этого необходимо изучить коррозионное поведение алюминиевых покрытий на различных подложках и выбрать наиболее оптимальные схемы покрытий на алюминиевой основе.

Способы получения алюминиевых покрытий

Алюминий в качестве покрытия наносят на сталь для повышения ее коррозионной стойкости и стойкости против окалинообразования [3]. На рисунке показаны основные способы нанесения покрытий из алюминия на сталь.

Горячий способ

Алюминиевые покрытия на стали получают горячим способом. Для этого в ванну с расплавом алюминия погружают подготовленные стальные изделия. В расплав алюминия добавляют кремний, чтобы затруднить образование слоя хрупкого металла. Полученные из расплава покрытия используют для повышения устойчивости стальных изделий к окислению при умеренных температурах (до 480°С). При еще более высоких температурах покрытия становятся огнеупорными, но сохраняют защитные свойства до 680°С [4, 5]. Отмечено, что алюминиевые покрытия имеют непостоянные эксплуатационные характеристики в разных средах.

Горячее алюминирование применяют для получения покрытий на стальных листах и лентах, которые используются для изготовления труб и глушителей двигателей внутреннего сгорания, газовых и воздушных теплообменников, противопожарных устройств, облицовки печей и т. д. [6]. В работе [7] показано, что горячее алюминирова-ние эффективно защищает стальные изделия в строительстве и судовых конструкциях, трубы, используемые в промышленной атмосфере сероводорода, для транспортировки водяного пара и

Алюминир ое ание

Г

Горячий способ (из

Газотермическая металлизация

Элекгро-дуговая

Диффузионный способ (ашшроБанпе)

Плазменная

Распыление

Газоплазменная

I

Плакирование

Осаждение из газовой фазы

Погружение

Способы получения алюминиевых покрытий на стали

Электрохимический (гальванический способ)

Порошковый Прокаткой В порошках Химическое (ста) Физическое (рта)

]__[

Комбинированные способы

горячей воды. При толщине покрытия 50-120 мкм срок службы покрытия может составлять 35-50 лет в зависимости от условий эксплуатации. Предложена замена высоколегированной стали на низколегированную, имеющую горячее алюминиевое покрытие. Горячие алюминиевые покрытия имеют большую стоимость, чем горячие цинковые. Само получение горячих покрытий энергоемко и требует дорогостоящего технологического оборудования.

Газотермический способ нанесения алюминиевых покрытий Газотермическое нанесение покрытий заключается в нагреве распыляемого материала до температуры плавления, образовании потока, переносе этим потоком напыляемого материала и формировании покрытия на поверхности изделия [8]. К группе этого метода относятся: электродуговая металлизация, газоплазменное напыление, плазменное напыление. Отличительными чертами газотермических методов являются:

— высокая производительность;

— технологическая простота и гибкость;

— возможность нанесения покрытий различной толщины с широким спектром свойств.

Электродуговая и газоплазменная металлизации отличаются друг от друга методом расплавления металла. Для плазменной металлизации необходим плазмотрон. Существует разновидность плазменной металлизации — вакуумная. Способ позволяет получать значительные по толщине

покрытия (80-200 мкм) на больших по габаритам стальных изделиях.

Установлена способность алюминиевого покрытия на стальных трубах нефтепроводов протекторно защищать основной металл, при этом срок эксплуатации таких труб увеличивается в 3 раза по сравнению с трубами без покрытия. Покрытие алюминием шибера задвижек и штока насосов с анодной оксидацией увеличило ресурс этих деталей в 6 раз по сравнению с деталями без покрытий. Однако в большинстве случаев на алюминиевые покрытия, полученные металлизацией, необходимо наносить лакокрасочные покрытия [4].

Недостатки электродугового метода — высокая яркость излучения, большой уровень шума, значительная пористость покрытия, недостаточная адгезия. Покрытия, полученные плазменной металлизацией, имеют пористую (5-9%), слоистую структуру [8].

Алюминиевые покрытия, полученные электродуговой и газоплазменной металлизацией, применяются для стальных конструкций различного назначения на химических предприятиях, в портах, мостах и т. д., используются при изготовлении оболочковых форм.

Плазменные алюминиевые покрытия применяются как термостойкие покрытия на лопатках газовых турбин, деталях шасси, камерах сгорания двигателей, в атомной энергетике — для улучшения теплообмена, защите от коррозии в водяной среде [9, 10].

Диффузионный способ (алитирование)

Диффузионный способ получения алюминиевого покрытия (алитирование) — это процесс, который обеспечивает на стальных поверхностях получение твердых растворов алюминия в железе, предотвращающих окалинообразование при температурах до 950°С. Классифицированы три метода алитирования [6]:

— алитирование распылением;

— порошковое алитирование;

— алитирование погружением.

Процесс алитирования распылением заключается в том, что детали с алюминиевыми покрытиями, полученные методами газотермической металлизации, подвергают диффузионному отжигу при 850-1000°С в течении максимум 5 ч [11]. Отжиг проводится под защитой покрытия из жидкого стекла или в атмосфере инертного газа. Толщина образующегося интерметаллидного слоя составляет минимум 0,3 мм.

Такой способ применяется для защиты деталей, контактирующих с открытым пламенем (колосниковые решетки, пароперегреватели, дымоотводные системы и элементы промышленных печей). Защита стальной поверхности от окалины эффективна при температуре 600-800°С.

При порошковом алитировании (или нанесении покрытий с использованием алюминиевого порошка) стальные изделия укладывают вместе с порошкообразной смесью (40% алюминия + 60% оксида алюминия) в герметичные короба и отжигают в этих коробах при 950-1050°С в течение 4-20 ч. Окалиностойкость изделий с таким покрытием сохраняется до 950°С.

Известен способ алитирования стальных изделий при отжиге в смеси алюминиевого порошка и хлорида алюминия.

При алитировании погружением стальные детали предварительно обезжиривают и подвергают травлению, затем выдерживают 3-6 мин в расплаве алюминия при температуре 675-900°С. После этого проводится диффузионный отжиг при температуре 950-1050°С в течение 4-20 ч. Изделия, алитированные таким способом, сохраняют окалиностойкость до 950°С, при этом изделия приобретают высокую коррозионную стойкость в среде серосодержащих газов.

Процессы алитирования энергоемки, при этом возможно коробление деталей, поэтому применяются в сравнительно небольшом масштабе.

Плакирование

Плакировать сталь алюминием можно двумя методами — прокаткой или с помощью алюминиевого порошка.

При плакировании прокаткой стальную ленту (толщина 2-5 мм) и тонкую алюминиевую ленту (толщина ~0,2 мм) накладывают одну на другую и подвергают совместной обработке прокаткой с обжатием 25-60%. Обжатие при холодной про-

катке обеспечивает повышение температуры пакета до 100-250°С, что вполне достаточно для получения биметалла (холодная сварка давлением). Полученную биметаллическую заготовку без промежуточного отжига прокатывают до требуемой толщины. В качестве плакирующего материала используют чистый алюминий. Алюминиевое покрытие может быть нанесено на одну или на обе поверхности ленты. Толщина покрытия на одной стороне обычно составляет 5-10% от общей толщины биметаллической ленты.

Плакировать сталь можно с помощью алюминиевого порошка. Этот метод используют для защиты от коррозии стальной проволоки. Толщина плакированного слоя составляет 10-20% от общего диаметра проволоки. Плакированная проволока используется как проводник для открытых линий электропередач.

Для сплава Д16-Т наиболее эффективным плакировочным материалом оказался сплав АД35 с небольшой добавкой цинка; а для сплава 1420 — алюминиевый сплав с добавкой 1,2% 2п+0, 11% 2г [12].

Осаждение из газовой фазы

Химическое осаждение из газовой фазы

Метод химического осаждения из газовой (паровой) фазы (СУЭ) различных металлсодержащих соединений основан на химической реакции, протекающей на поверхности или вблизи нее с дальнейшим формированием покрытия из атомарных или кластерных образований [13]. При получении алюминиевых покрытий этим способом используют реакции разложения (например, термического) и реакции восстановления галогенида алюминия водородом (иногда в присутствии инертного газа).

Известна технология нанесения алюминиевого покрытия из газовой фазы [14] на лопатки газовых турбин, изготовленных из никелевых сплавов. По этой технологии алюминиевое покрытие наносили диффузионным способом по подслою гальванической платины с последующим отжигом. Новая технология позволила сократить время нанесения покрытия наполовину, при этом на наружных и внутренних поверхностях лопаток получены относительно равномерные по толщине слои алюминиевого покрытия.

Известен метод нанесения алюминиевого покрытия из смеси испаряемого хлорида алюминия и аргона. При пропускании такой газовой смеси над холодной поверхностью подложки на ней осаждается металлический алюминий. Осаждение алюминиевых слоев из газовой фазы жидких алюмоорганических соединений изучено в работе [15]. Для этого в основном использовали следующие алкилы алюминия: триизобутилалюминий (ТИБА), диизобутилалюминийгидрид (ДИБАГ), триэтилалюминий (ТЭА) [16].

Как правило, процессы получения алюминиевых покрытий из этих алюмоорганических соеди-

нений проводят при пониженном давлении (1 мм рт. ст. (133,3 Па)). При этом осажденные слои алюминия по составу соответствуют технически чистому алюминию (примесь: 0,5% углерода). Недостаток способа — необходимость нагрева покрываемого изделия до температуры разложения алюмосодержащего соединения.

Кроме того, алюмоорганические соединения пирофорны, активно взаимодействуют с кислородом воздуха и водой. Поэтому работы с этими соединениями необходимо проводить под вакуумом или в среде инертных газов.

Достоинство способа — возможность нанесения равномерных по толщине покрытий на изделия сложной конфигурации. Способ металлооса-ждения СУБ отличается высокой производительностью (до 25 мкм в час) и экономичностью в отличие от способов физического осаждения из газовой фазы.

Физическое осаждение из газовой фазы

Способ физического осаждения из газовой фазы (РУБ-процесс) называют также способом нанесения покрытия с помощью вакуумного испарения или вакуумным напылением. Этот способ основан на испарении чистого металла в вакууме и последующей его конденсации на поверхности изделия. Для испарения алюминия применяют различные методы: испарение за счет электросопротивления, электронным лучом, путем катодного и магнетронного осаждения. Этим способом обеспечивают непрерывное нанесение алюминиевого покрытия на ленты из металлов и неметаллов, при этом толщина покрытия составляет 0,13,5 мкм (иногда — до 10 мкм) и зависит от длительности процесса. Таким образом алюминиру-ют пленку для изготовления электрических конденсаторов, получают блестящую отражающую поверхность на пластмассовых рефлекторах осветительных устройств различного назначения. Вакуумное напыление алюминиевых покрытий широко используется в точной механике и оптике, электронике, для декоративной отделки изделий.

Коррозионная стойкость стали с напыленным в вакууме алюминиевым покрытием в 10 раз больше коррозионной стойкости этой же стали с гальваническим цинковым и горячецинковым покрытием. Известно о разработке отечественной технологии нанесения алюминиевого покрытия на стали магнетронным распылением. Для противокоррозионной защиты металлических деталей авиационных и космических аппаратов возможно применение алюминиевых покрытий, полученных ионно-плазменным напылением. Установка для получения покрытия данным способом описана в работе [17]. Процесс РУБ отличается от способа СУБ тем, что не требуется разогрев подложки, нет необходимости применять химически активные вещества. Но оборудование для процесса РУБ сложнее оборудования, используемого для

способа CVD, и сам процесс проводится в глубоком вакууме при 10″4-10″6 мм рт. ст. (1,33(10-6-10-8) Па).

Гальваническое алюминирование

Процесс электрохимического осаждения алюминия получил практическое применение для защиты изделий из стали, титана, других металлов и сплавов. Для этого используются только безводные электролиты: эфирно-гидридные, ал-килбензольные и металлорганические [18]. Электролитическое восстановление алюмоорганиче-ских соединений для получения покрытий высокой чистоты описано в работе [13]. Полученные покрытия отличаются высокой чистотой (99,99%), по своим физико-механическим свойствам близки к электрометаллургическим маркам алюминия.

Физико-химические свойства электролитических алюминиевых покрытий зависят от режимов электролиза [19]. Микротвердость покрытия соответствует твердости чистого алюминия, количество углерода в покрытии незначительно (0,005%). Установлена зависимость пористости от толщины покрытия, минимальная пористость достигнута при толщине ~10 мкм. Алюминиевые покрытия, полученные электроосаждением, имеют незначительные внутренние напряжения, высокую электропроводность.

По износостойкости алюминиевые покрытия близки к кадмиевым, но значительно уступают никелевым. Учитывая высокую коррозионную стойкость и другие функциональные характеристики алюминиевых покрытий, меньшую экологическую опасность, рекомендовано использование гальванических алюминиевых покрытий в авиационной промышленности.

Компания Siemens разработала технологию Sigal® для гальванического алюминирования стальных изделий с целью улучшения антикоррозионных качеств и декоративных свойств.

Алюминиевое покрытие наносят из апротон-ного электролита по никелевому подслою. Алюминиевое покрытие может быть дополнительно подвергнуто хроматированию или анодному оксидированию. Крепежные изделия из стали с гальваническим алюминиевым покрытием пригодны для соединения алюминиевых, оцинкованных либо покрытых алюминием деталей. Гальваническое алюминирование по процессу Sigal® не наво-дороживает стальную подложку, т. е. пригодно для покрытия высокопрочных сталей. Компания Siemens на основе этой технологии изготовляет зеркала высокого оптического качества.

Вместе с тем в работе [20] отмечено, что алюминиевые покрытия теряют свои защитные свойства при их повреждении до подложки.

Кроме всего прочего, в силу пирофорности электролитов для получения гальванических алюминиевых покрытий, эти процессы требуют применения специальных ванн, защищенных от кис-

лорода атмосферы [21]. Тем не менее ряд фирм серийно изготовляет установки для получения алюминиевых покрытий гальваническим способом [22].

Комбинированные способы получения покрытий на основе алюминия

Комбинированные способы получения покрытий на основе алюминия можно разделить на три группы:

— покрытие сплавами на основе алюминия;

— многослойные покрытия с алюминиевым слоем [23];

— поверхностная обработка алюминиевого покрытия (химическое оксидирование, анодное оксидирование).

Наносят эти комбинированные покрытия способами, рассмотренными ранее. В работе [4] отмечена высокая стойкость в морской и промышленной атмосфере стальных деталей, покрытых сплавом системы алюминий-цинк горячим способом. Известно покрытие на стали из алюминиевого сплава с хромом и одним или несколькими элементами группы железа (никель, железо или кобальт), нанесенное с помощью методов физического осаждения из паровой фазы.

Методом вакуумно-плазменной металлизации на лопатки газовых турбин наносится покрытие из сплава алюминия, хрома, иттрия [24, 25]. Известно о применении в качестве покрытия на стали алюминиевого сплава, содержащего хром, титан, магний, олово; покрытия на основе сплава системы алюминий-титан осаждаются методом СУЭ или ионно-плазменной обработкой [26-28]. Магнетронным распылением наносится упрочняющее покрытие системы Т-М-Ы на металлорежущий инструмент из твердых сплавов [29].

Известен также способ нанесения алюминиевого покрытия на сталь через хромовый подслой толщиной 0,005-0,05 мкм, полученный гальваническим способом или вакуумным напылением.

Алюминиевое покрытие наносится на хромовый подслой напылением в вакууме. Предложено также формировать покрытия на основе алюминия на стальной поверхности через хромовый подслой. Оба слоя осаждаются РУЭ способом.

В патентах предложено плакировать листовую сталь алюминием или сплавом алюминия, нанося предварительно подслой гальванического или химического никеля. Горячеоцинкованные стальные полосы плакируют сплавом системы алюми-

ний-марганец, который затем хроматируют или оксидируют. Стальные полосы с таким покрытием применяют для изготовления автомобильных деталей, строительных конструкций.

На стали также предлагается осаждение алюминиевого покрытия с подслоем кремния, полученным вакуумным напылением с применением медного подслоя.

В 1972 г. в НИИ Химии при Горьковском государственном университете разработали методику получения комбинированного покрытия, состоящего из чередующихся слоев пиролитического хрома и пиролитического алюминия.

Для повышения защитных свойств и функциональных характеристик алюминиевых покрытий и покрытий на основе алюминия используются традиционные методы обработки поверхности алюминия: анодное оксидирование, химическое оксидирование, различные виды наполнения оксидной пленки.

Известно об анодном и микродуговом оксидировании алюминиевого покрытия, полученного электролитическим способом.

Способ электролитического алюминирования Sigal® предусматривает операцию хроматирова-ния или анодного оксидирования. В последнем случае микротвердость покрытия достигает 500-600 НУ вместо 21 НУ у чистого алюминия.

Обсуждение и заключения

Многообразие способов получения алюминиевых покрытий свидетельствует о значительном интересе к их использованию для защиты от коррозии стальных изделий. Источник [19] сообщает, что алюминиевые покрытия и покрытия алюминиевыми сплавами могут быть использованы взамен электролитических кадмиевых покрытий. При применении алюминиевых покрытий вполне можно заменить нержавеющие стали на углеродистые в определенных коррозионных и атмосферных средах. В работах [20, 30] показано, что алюминиевые покрытия теряют свои защитные свойства при их повреждении и тогда, когда покрытие пористое. Это объясняется контактной коррозией между металлами подложки и покрытия (пара «сталь-алюминий»). Поэтому для разработки системы покрытия на основе алюминия необходимо исследование коррозионного поведения этой пары в разных климатических и коррозионных средах, а также подбор переходных слоев (подслоев) между покрытием и подложкой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 7-17.

2. Бахвалов Г.Т. Защита металлов от коррозии. М.: Металлургия. 1964. 290 с.

3. Кошелев В.Н., Губенкова О.А. Исследование защитной способности пиролитических алюминиевых покрытий на стали 30ХГСА //Авиационные материалы и технологии. 2009. №1. С. 6-10.

4. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. Л.: Химия. 1989. 456 с.

5. Каблов Е.Н. Коррозия или жизнь //Наука и жизнь. 2012. №11. С. 16-21.

6. Дриц М.Е., Райтбарг Л.Х. Алюминиевые сплавы: свойства, обработка, применение. М.: Металлургия. 1979. 678 с.

7. Пересыпкин В.И. Прочность корпуса морских судов и защита от коррозии: Сб. науч. тр. М.: Транспорт. 1990. 121 с.

8. Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение. 1981. 192 с.

9. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 60-71.

10. Анипченко Л.А., Костышев В.А. Теплозащитные покрытия для повышения надежности работы дизельных двигателей /В сб. докл. Международной научн.-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». В 2 ч. Самара: СГАУ. 2009. Ч. 1. С. 97-98.

11. Мубояджян С.А., Галоян А.Г. Комплексные термодиффузионные жаростойкие покрытия для безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе //Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 25-30.

12. Синявский В.С., Семенов А.М. Оптимизация химического состава материала плакировки листов из сплава 1420 с целью защиты от коррозионных поражений //Технология легких сплавов. 2008. №2. С. 115-119.

13. Разуваев Г.А., Грибов Б.Г. и др. Металлоорганические соединения в электронике. М.: Наука. 1972. 479 с.

14. Разуваев Г.А. Применение металлоорганических соединений для получения неорганических покрытий и материалов. М.: Наука. 1986. 256 с.

15. Земсков Г.В., Артющенко Н.И. Осаждение алюминия из газовой фазы //Защита металлов. 1970. №4. C. 473-474.

16. Кошелев В.Н. Особенности технологии нанесения пиро-литических алюминиевых покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2009. №2. С. 10-14.

17. Плихунов В.В., Петров Л.М. и др. Оборудование, технологии и методы контроля для осуществления комплексного подхода к формированию многофункциональных покрытий и модифицированных слоев методом вакуумной ионно-плазменной обработки /В сб. докл. VIII науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2010». М.: ЦАГИ. 2010. С. 188-193.

18. Шлугер М.А. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник. М.: Машиностроение. 1985. 248 с.

19. Симанавичюс Л.Э., Карнавичус А.П. Электроосаждение алюминия из о-, м-, п-ксилольных растворов AlBr3

и некоторые свойства покрытий //Труды АН ЛитССР. Сер. Б. 1971. Т. 1(64). С. 83-93.

20. Ersatz für Cadmiumueberzuge in der Luftfahrt //Galvanotechnik. 1991. 82. №5. Р. 1559.

21. Шавкунов С.П., Чернышев B.E. Исследование электрохимических превращений в ортоксилольном электролите алюминирования и влияние следов воды на эти процессы //Вестник Пермского университета. Сер. «Химия». 2011. №3. С. 39-46.

22. Fischer I. Fortschritte bei der Verfahrenstechnik der galvanischen Aluminierung //Galvanotechnik. 1997. V. 88. №6. Р. 1852.

23. Мубояджян С.А., Александров Д.А., Горлов Д.С. и др. Защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для лопаток и других ответственных деталей компрессора ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 71-81.

24. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М. и др. Получение керамических теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД магнетронным методом //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 3-8.

25. Богданович В.И., Докукина И.А. и др. Теплозащитные плазменные покрытия деталей двигателей /В сб. докл. Международной науч. -техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестро-ения». В 2 ч. Самара: СГАУ. 2009. Ч. 1. С. 49-50.

26. Плихунов В.В., Петров Л.М. и др. Комбинированная вакуумная ионно-плазменная обработка поверхности конструкционных металлических материалов /В сб. докл. VIII науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2010». М.: ЦАГИ. 2010. С. 194-198.

27. Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. Применение инструментальных нанокристаллических покрытий для интенсификации металлообработки деталей ГТД /В сб. докл. Международной науч. -техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестро-ения». В 2 ч. Самара: СГАУ. 2009. Ч. 2. С. 122-123.

28. Белоус В.Я., Варламова В.Е. и др. Ионно-плазменные покрытия для защиты от коррозии компрессорных лопаток и других деталей ГТД, эксплуатирующихся во всеклиматических условиях //Коррозия: материалы, защита. 2012. №1. С. 20-24.

29. Замалетдинов И.И., Сметкин А.А. и др. Влияние состояния поверхности стали 20Х3МВФ-Ш на коррозионные свойства нанопокрытия TiAlN, нанесенного методом магнетронного распыления //Коррозия: материалы, защита. 2013. №3. С. 34-41.

30. Красноярский В.В., Мазин В.А. и др. Пористость и защитное действие алюминиевых гальванических покрытий //Защита металлов. 1992. Т. 28. №1. С. 125-128.

cyberleninka.ru

Алюминирование — Знаешь как

Нанесение на поверхность металлических изделий покрытий из металлического алюминия или алюминия сплавов. К А. прибегают, чтобы защитить поверхность изделий  от  коррозии металлов, при необходимости — с декоративной целью. Покрытия создают одно- и многослойные (один из слоев — из металлического алюминия), к-рые могут быть анодированы (см. Аиодирование) или окрашены. Широко применяется диффузионное насыщение поверхности металлических изделий алюминием (см. Алитирование). Алюминирование осуществляют газопламенным и плазменным распылением металла (см. Газопламенные покрытия, Плазменные покрытия), плакированием, испарением металла в вакууме (см. Вакуумные покрытия). Различают также алюминирование горячее, электролитическое и А. нанесением алюминиевого порошка.

 

Горячее алюминирование, проводимое в ваннах с расплавленным металлом (так же, как и горячее цинкование), применяют в основном для нанесения покрытий на полосы и листы. По одному из методов горячего А. стальную полосу вначале нагревают в печи с окислительной средой до т-ры 450° С, с тем чтобы сжечь остатки смазочных масел и создать на поверхности изделия тонкую пленку окислов железа. Затем полоса поступает в печь с восстановительной средой, где при т-ре 730—800° С эти окислы восстанавливаются. После охлаждения в спец. зоне печи полосу пропускают через ванну с алюминиевым расплавом, охлаждают на воздухе и сматывают в рулон.

 

Для нагрева ванн используют силитовые стержни, через к-рые пропускают электрический ток. Есть также ванны с индукционными (посредством токов низкой частоты) и магнито-стрикционными нагревателями. Скорость движения полосы до 1 м/сек. Толщина покрытия (0,02—0,07 мм) определяется его назначением и регулируется скоростью движения полосы и т-рой расплава. Рулоны окончательно обрабатывают обычно в правильных машинах, иногда — в клетях для холодной прокатки (дрессировки). Для того, чтобы на поверхности изделий и расплавленного металла не образовывались окисные пленки, снижающие адгезию алюминия и основы, в металл вводят флюсы, процесс ведут в защитной среде или на поверхность изделия предварительно наносят промежуточные покрытия. При люминирование стальных изделий флюсами служат бура, хлористый аммоний, борная к-та,  борнокислая соль,   криолит с добавками хлористого алюминия, хлориды бария; материалами промежуточных покрытии — чаще всего кадмий,  олово,  цинк,  никель.

 

Электролитическое алюминирование проводят её солевых расплавов, преимущественно при осаждении алюминия из электролита AlCl3 — NaCl — КСl в инертной среде или из электролита 2AlCI3 — NaCI с добавлением сотых долей моля свинца в защитной среде азота. Оптимальные т-ры электролитов составляют 130—160° С, катодная плотность тока для этих электролитов соответстве нно 0,1— 0,3 и 3—5 а/дм², выход металла по току — 90—100%. Покрытия получаются гладкие и плотные, однако скорость их нанесения относительно невелика — не более 20 мкм/час. Большей производительностью, чем электролитическое А., характеризуется алюминирование нанесением на поверхность изделий алюминиевого порошка из жидкой фазы, электростатическим и электрофоретическим способами.

 

Нанесение порошка из жидкой фазы осуществляют, напр., напылением раствора диэтилгидрида алюминия на изделие, нагретое до т-ры не менее 260° С.

Под воздействием тепла диэтилгидрид алюминия разлагается и продукт разложения — алюминий оседает на покрываемую поверхность. Толщину покрытия (0,5 мкм — 1 мм) регулируют т-рой нагрева. Скорость нанесения покрытия — 100 — 600 мкм/мин. Покрытие отличается высокой чистотой, значительной плотностью, хорошим сцеплением с поверхностью. Процесс проводят в инертной среде (из-за опасности воспламенения диэтилгидрида алюминия). Электростатический способ алюминирования основан на переносе отрицательно заряженных частиц алюминиевого порошка в электростатическом поле.

 

По этому способу на очищенную и увлажненную поверхность изделия (стальной полосы) наносят с помощью спец. устройства сухой порошок алюминия. Составные части этого   устройства — вибропитатель, комплект вибросит и источник электростатического поля (между изделием и прилегающим к нему ситом) напряженностью до 20 кв. Частицы алюминия, приобретая отрицательный заряд при прохождении через отрицательно   заряженное   сито, взаимно отталкиваются и равномерно осаждаются на алюминируемой поверхности. Потеряв заряд при контакте с изделием, порошок удерживается на его поверхности водяной пленкой. После нанесения покрытия изделие сушат в электрической радиационной печи при т-ре 350° С в течение минуты, затем покрытие уплотняют прокаткой и очищают.

 

На заключительной стадии изделие подвергают термической обработке: быстрому (порядка 15 сек) нагреву на воздухе до т-ры 500—600° С с последующим самопроизвольным охлаждением или медленному (в течение 15 ч) нагреву в печи до т-ры 450° С с последующим охлаждением на   воздухе.  Толщину   покрытия (0,05      — 1 мм) регулируют скоростью подачи порошка вибропитателем.  

Покрытия,    полученные электростатическим способом, имеют удовлетворительные св-ва,  однако процесс их нанесения громоздок. По технологическим возможностям, производительности, универсальности и экономической эффективности наибольшие преимущества имеет алюминирование испарением металла в вакууме . Структура и св-ва алюминиевых покрытий в значительной степени определяются способом их нанесения.

 

Так, структура вакуумных покрытий и покрытий, полученных горячим способом, подобна структуре отожженного алюминия. Структура покрытий, образуемых нанесением алюминиевого   порошка,   газопламенным и плазменным распылением, во многом обусловливается наличием окислов алюминия. У таких покрытий выше твердость, ниже электропроводность по сравнению с чистым алюминием. На эксплуатационные св-ва   алюминиевых  покрытий,   в частности на прочность сцепления и деформцруемость, влияет толщина переходного слоя (диффузионного слоя между поверхностью и покрытием), зависящая от т-р ы времени а. и термообработки, хим. состава изделия, а при горячем а и от состава расплава. Хорошими эксплуатационными св-вами  отли чаются алюминированные изделия с толщиной переходного слоя не более 5—7 мкм. При вакуумном а толщина переходного слоя, как правило , не превышает долей микрометра. При горячем а. толщину этого слоя можно уменьшить, вводя в ванну различные добавки (напр, 2—12%  Si). 

 

Добавки  по-разному влияют на внешний вид алюминиевых покрытий: добавки   висмута кальция, кремния и меди снижают отражательную способность покрытия, добавка никеля делает покрытие шероховатым без существенного уменьшения блеска, добавки бериллия, кальция, хрома, меди и марганца придают покрытию оттенок седины.

 

Покрытия из чистого алюминия достаточно стоики в воде и на воздухе, что обусловлено образованием на поверхности окисной пленки, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюминиевые покрытия устойчивее цинковых — примерно в шесть раз при одинаковой их массе и в 2,5 раза при одинаковой толщине. В атмосфере пром. предприятий стойкость горячеалюминиро-ванных изделий в 10 раз выше стойкости горячеоцинкованных, в горячей воде — в 15 раз. Алюминированные изделия сохраняют блеск до т-ры 470° С, отражая 85% тепла и света. Вакуумное алюминиевое покрытие в 15—20 раз повышает стойкость стали к газовой коррозии при т-ре 700—800° С.

 

Алюминирование дает возможность защищать от коррозии детали самолетов, ракет и автомобилей, сварные трубы, стенные и кровельные панели, обогревательные приборы, сельскохозяйственный инвентарь и инструменты, изделия бытового назначения. Алюминированную жесть используют взамен луженой в консервной промышленности. Экономическая эффективность А. основывается на его низкой себестоимости, на существенном повышении срока службы алюминированных изделий, прежде всего изделий из сталей и алюминиевых сплавов.

 

Лит.; Виткин А. И., Тейндл И, И. Металлические покрытия листовой и полосовой стали. М., 1971 Ройх И. Лм Колтунова Л. Н. Защитные вакуумные покрытия на стали. М., 1971.

Вы читаете, статья на тему алюминирование

znaesh-kak.com

Центр компетенции по финишным покрытиям алюминия

Современная промышленность обладает целым рядом технологий для обработки/финишного покрытия алюминия, что значительно повышает его свойства, сроки эксплуатации в разных погодных условиях и расширяет возможности архитекторов, дизайнеров и инженеров. Алюминиевая Ассоциация является инициатором создания центров компетенций по декоративной обработке, направленных на стимулирование спроса материалов из алюминия, повышения их технических характеристик для применения во всех отраслях промышленности, включая строительство и автомобилестроение.

Функции центров компетенций по финишным покрытиям алюминия:

• Оказание услуг по анодированию и окрашиванию профилей и изделий из алюминиевых сплавов;
• Консультации и помощь в поиске технологических решений по финишным покрытиям;
• Проведение лабораторных исследований качества финишных покрытий с применением различных сплавов и красителей;
• Проведение работ по актуализации нормативной документаций по финишным покрытиям;
• Производство продукции в соответствии с международным знаком качества «Qualanod».

Создание новой структуры вызвано необходимостью достижения международного уровня качества финишных покрытий на алюминиевых полуфабрикатах. Это позволит поднять конкурентность последних как на внутреннем рынке, так и в экспортной сфере, что послужит залогом решения центральной задачи отрасли – рост потребления алюминия не менее, чем в 2 раза.
Гарантированный высокий уровень качества откроет новые горизонты в применении алюминия в различных отраслях, в т.ч. в архитектуре, строительстве, транспорте и др.
На первом этапе управления менеджментом качества основная ответственность возложена на НП АПРАЛ, которое является членом международных ассоциаций Qualicoat, Qualanod, Qualideco. Указанные ассоциации охватывают деятельность по контролю качеством по всему миру в 52 странах.
НП АПРАЛ на территории РФ является Генеральным Лицензиатом с эксклюзивным правом на осуществление комплекса действий по проведению независимой добровольной инспекции для получения международных Сертификатов качества покрытий на алюминии.
НП АПРАЛ имеет договорные отношения с аккредитованной лабораторией Института обработки поверхности (IFO GmbH) Германии для проведения независимых инспекций и тестирования образцов продукции российских компаний.
Проводит работы по актуализации нормативной документации по финишным покрытиям.

Предприятия, оказывающие услуги по финишным покрытиям изделий из алюминиевых сплавов:

Анодирование:

Окрашивание:

Виды финишной обработки:

www.aluminas.ru

Покрытие из сплава цинка с алюминием (ZA) называется Galfan. —

Марки стали и Продукция Выбрать сталь Поддержка Услуги Связь с нами SSAB

Быстрые ссылки

Select site

SSAB в соцсетях

Strenx 1100 Strenx 960 Strenx 900 Strenx 700 Strenx 650 Strenx 600 Трубы Strenx Секции Strenx

Сталь мартенситного класса Сложнофазная сталь High Edge Ductility Двухфазная сталь Сталь, упрочняющаяся при деформации (PHS) Высокопрочная низколегированная сталь (HSLA) Трубы Виды покрытия

По функциональным возможностям По сегментам По названию продукта

www.ssab.ru

Механизм анодирования и оксидирования алюминия. Теория и технология

Главная → Механизм анодирования алюминия

 

 

Заказать СЕРЕБРИСТОЕ (БЕСЦВЕТНОЕ) АНОДИРОВАНИЕ алюминия

Заказать ЧЕРНОЕ АНОДИРОВАНИЕ алюминия

Заказать АНОДИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЯ С ХРОМАТНЫМ НАПОЛНЕНИЕМ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ АНОДИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ.

Поверхность алюминия и его сплавов ввиду склонности к пассивации постоянно покрыта естественной окисной пленкой, толщина которой зависит от температуры окружающей среды и составляет обычно 2-5 нм. Коррозионную стойкость и механическую прочность алюминия и его сплавов можно увеличить в десятки и сотни раз, подвергая поверхность металла электрохимическому оксидированию (анодированию).

Анодное оксидирование алюминия (обозначение: Ан.Окс.[тип оксидной пленки]) — процесс получения на алюминии оксидной пленки химически или электрохимически из растворов кислот и щелочей. В качестве электролита при электрохимическом анодировании применяются: серная, фосфорная, сульфосалициловая кислота, хромовый ангидрид и т.п. Анодирование в основном идет при повышенном напряжении, в зависимости от электролита от 12 до 120 В. При прохождении тока через электролит в зависимости от его состава образующиеся продукты реакции на алюминиевом аноде могут:

— полностью растворяться,

— образовывать на поверхности металла прочно сцепленное компактное и электроизоляционное оксидное покрытие толщиной 1,4 нм/,

— частично растворяться в электролите и образовывать пористое оксидное покрытие толщиной в десятки и сотни мкм.

Анодное оксидирование придает поверхности алюминия и его сплавов высокие коррозионную стойкость, твердость, износостойкость, термостойкость, каталитическую активность, декоративный вид.

Анодно-оксидные покрытия разделяют на следующие группы:

— защитные;

— защитно-декоративные;

— твердые;

— электроизоляционные;

— тонкослойные;

— эматаль;

— цветные или окрашенные.

Что касается состава анодно-оксидных покрытий, то тонкие беспористые пленки представляют собой в основном безводный оксид алюминия, который в чистом виде располагается у границы с металлом. В тонкие беспоритые анодные покрытия внедряются от 0,6 до 20 % борного ангидрида (для электролитов с борной кислотой), значительное количество других ионов.

На границе раздела оксид-электролит находят небольшую часть гидратированного оксида Al₂O₃*H₂O. (бемит).

Пористые анодно-оксидные покрытия состоят в основном из аморфного оксида алюминия и частично включают гамма-Al₂O₃. Содержание воды в покрытиях, полученных в сульфатных и оксалатных электролитах, достигает 15%. В зависимости от условий формирования вода в оксидном покрытии моет находиться в составе бемита (Al₂O₃*H₂O) или байерита (Al₂O₃*3H₂O). Покрытия содержит значительное количество анионов электролитов, массовая доля которых, %: до 14 сульфата, до 3 оксалата, менее 0,1 хрома. Наибольшее количество анионов находится в наружном слое покрытий. 50-60% анионов удерживаются капиллярными силами в порах, остальные прочно связаны с оксидами и распределены достаточно равномерно по толщине покрытия. Последние называют структурными анионами. Примеси металлов, содержащиеся в сплавах алюминия, в большинстве своем остаются в оксидной пленке (железо, медь, кремний, магний, кальций). Цинк и титан присутствуют в виде следов с содержанием 0,1%. В цветных анодно-оксидных пленках обнаруживаются включения углерода, серы и их оксидные соединения, которые и придают окраску.

С увеличением количества примесей в металле, повышением температуры электролитов и плотности анодного тока увеличивается нерегулярность микроструктуры оксидных покрытий (нарушается перпендикулярность роста ячеек и пор, их параметры становятся более неравномерными). Наиболее хаотичная структура наблюдается в пленках, сформированных на алюминиевых сплавах в растворах хромовой и ортофосфорной кислот.

2. ТЕОРИИ ОБРАЗОВАНИЯ АНОДНООКСИДНОЙ ПЛЕНКИ.

Существуют две теории образования и роста анодно-оксидных покрытий: струткурно-геометрическая и коллоидно-электрохимическая.

С позиции первой теории при наложении на алюминиевый электрод анодного напряжения (т.е подключение его к (+) ) сначала формируется компактная оксидная пленка, наружная часть которой в электролитах, растворяющих оксид, начинает растворяться в дефектных местах и переходить в пористое покрытие. Дальнейший рост анодно-оксидного покрытия происходит на дне образовавшихся пор за счет превращения все более глубоких слоев металла в оксид. Покрытие состоит из гексагональных ячеек. Прилегающий к металлу барьерный слой толщиной 1-1,1 нм/В состоит из беспористых ячеек. Ячейки пористого слоя имеют в середине одну пору. Диаметр пор и их число зависят от природы электролита и режима анодирования. Под действием электролита оксид, образующий стенки ячеек, гидратируется. При этом происходит адсорбция воды, анионов электролита и продуктов анодной реакции.

С позиции второй теории образование анодно-оксидных покрытий начинается с возникновения мельчайших частиц оксида, происходящего в результате встречи потока ионов. Адсорбция анионов и воды обуславливает отрицательный заряд частиц. С увеличением числа частиц они превращаются в полиионы — палочкообразные мицеллы, которые образуют скелет ориентированного геля оксида алюминия. В него внедряются анионы электролита. Под действие м отрицательного заряда мицеллы подходят к поверхности и сращиваются с металлом. Наряду с процессами образования мицеллярных слоев с участием анионов протекают сопряженные процессы растворения образующегося оксида. Состав и свойства анодно-оксидных покрытий Тонкие и беспористые анодно-оксидные покрытия представляют собой в основном безводный оксид алюминия, который в чистом виде располагается у границы с металлом. В тонкие беспористые покрытия внедряются от 0,6 до 20% борного ангидрида (электролиты с борной кислотой), значительное количество других ионов. На границе раздела оксид-электролит находят небольшую часть гидратированного оксида алюминия Al₂O₃*H₂O (бемит). Пористые анодно-оксидные покрытия состоят в основном из аморфного оксида алюминия и частично включают гамма-Al₂O₃ . Содержание воды в покрытиях, полученных в сульфатных и оксалатных электролитах, достигает 15%. В зависимости от условий формирования вода в оксидном покрытии может находиться в составе бемита или байерита (Al₂O₃*3H₂O). Покрытия содержат значительное количество анионов электролитов.

3. ЦВЕТНЫЕ АНОДНООКСИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

Аноднооксидные покрытия могут окрашиваться как напрямую в электролитах, так и путем наполнения в красителях органической и неорганической природы.

Покрытия, полученные в некоторых нестандартных типах электролитов, имеют обычно желтоватый оттенок. Если в этих электролитах алюминий и его сплавы анодируются вначале переменным, а затем постоянным током, покрытия получаются окрашенными в цвет от светло-соломенного до золотистого и бронзового.

Окрашивание анодных пленок может происходить также при получении пористого покрытия с наполнением в отдельном растворе. Данный способ можно считать классическим. Прозрачные и полупрозрачные защитно-декоративные покрытия алюминия и его сплавов окрашивают в водных прямых кислотных органических красителей. Содержание красителей в растворах колеблется от 0,1-0,5 г/л для светлых тонов до 5 для интенсивного и 10-15 для черного цвета. Температура растворов 50-70, время окрашивания от 300 до 1800 с. Окраска покрытий, полученных в различных электролитах, различается из-за различия свойств пористости и естественного цвета покрытия. Для получения необходимых цветов используют смеси анилиновых красителей. Некачественная окраска удаляется в растворе перманганата калия и азотной кислоты. Кроме органических красителей применяются и неорганические. Так, ограниченную цветовую гамму, но более светостойкую окраску анодно-оксидных покрытий получают реакцией двойного обмена в растворах неорганических солей.

4. УПЛОТНЕНИЕ АНОДНЫХ ПЛЕНОК.

Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов (особенно в воде и водных средах), может быть повышена уплотнением в растворе хромовых солей. Обычно используется натриевая соль ввиду экономической целесообразности. Составы для уплотнения анодно-оксидного покрытия в бихроматах регламентируются техническими условиями DEF151 и основаны на работах, первоначально выполненных в СССР и США.

Различают составы на основе бихромата натрия с карбонатом или гидроксидом натрия и на основе бихромата натрия. Оба раствора работают при температуре 96^о С. Обработка в первом растворе для уплотнения анодированного алюминия длится 5-10 минут. Данное время недостаточно для проведения полного уплотнения оксидной анодной пленки гидратацией, но оно обеспечивает поглощение значительного количества хроматов. Анодное покрытие окрашивается после этого в желтый цвет. Интенсивность окрашивания в желтый цвет повышается в зависимости от толщины покрытия. Процесс уплотнения позволяет выявить некачественно анодированное покрытие.

Второй состав для уплотнения анодированного алюминия в бихромате без других добавок подразумевает обработку на протяжении времени, которое было потрачено на само анодирование. Этот состав обеспечивает удовлетворительную степень гидратации, но не обязательно полное уплотнение.

Электролит	Рабочая температура	Напряжение на ванне	Число пор на 1 м2 n*1012
Серная кислота (15%)	10	15 20 30	79,1 53,1 28,4
Хромовая кислота (3%)	29	20 40 60	22,2 8,28 4,29

Коррозионная стойкость анодированного алюминия возрастает в ряду: 1. анодированный алюминий —> 2. анодированный алюминий с уплотнением —> 3. анодированный алюминий с наполнением в красителях и уплотнением в воде—> 4. анодированный с уплотнением в хроматах.

5. ОБОЗНАЧЕНИЕ АНОДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИИ.

Обозначение анодных покрытий:

Ан.Окс. — простое анодирование алюминия;

Ан.Окс.нв  — анодирование алюминия с наполнением в воде;

Ан.Окс.тв — твердое;

Ан.Окс.из — электроизоляционное;

Ан.Окс.эмт — эматаль;

Аноцвет — цветное, полученное непосредственно из ванны анодирования;

Ан.Окс. (цвет красителя) — анодирование с наполнением в красителе;

Ан.окс.нхр (иногда хр, хотя это не совсем точно) — анодирование с наполнением в растворах хроматах;

Ан.Окс.эмт. (цвет красителя) — эматаль с наполнением в красителях.

Данная статья является интеллектуальной собственностью ООО «НПП Электрохимия» Любое копирование без прямой ссылки на сайт www.zctc.ru преследуется по закону. Текст статьи обработан сервисом Яндекс «Оригинальные тексты»

zctc.ru

Отраслевая энциклопедия. Окна, двери, мебель

Благодаря превосходному соотношению плотности и механической прочности, а так же достаточно высокой стойкости к коррозии, алюминий широко применяется в строительстве, в том числе при изготовлении светопрозрачных конструкций – окон, дверей, витражей, зимних садов, и так далее. Но, несмотря на коррозионную стойкость алюминиевых конструкций, сам алюминий с точки зрения химической науки – один из самых активных металлов, вступающих в реакцию не только со щелочами и кислотами, но даже с водой. Данное противоречие объясняется тем, что под воздействием кислорода поверхность алюминия покрывается прочной, устойчивой оксидной пленкой (пассивируется), предохраняющей металл от коррозии, то есть от процесса разрушения металлов в результате химического или электрохимического воздействия.

Рис.1. Коррозия алюминиевого профиля

Коррозионная стойкость алюминия

Окись алюминия создает защитный слой, толщина которого составляет 20—100Å, который химически инертен. Чистый алюминий, с поверхностью, очищенной от защитной пленки, реагирует с водой, выделяя при этом водород и создавая оксидную пленку на поверхности. Таким образом, при контакте с окислителями, поверхность алюминия пассивируется. По сути, кислород, содержащийся в воздухе или растворенный в воде, повышает коррозионную стойкость алюминия, которая, в свою очередь, в значительной степени зависит от содержания примесей других металлов. Известно, что при контакте двух металлов, в среде электролита, образуется гальваническая пара, где анодом становится более активный металл, а катодом — менее активный. В результате электрохимической реакции происходит разрушение структуры анода. Большая часть примесей (железо, свинец, медь и т.д.) играют по отношению к алюминию роль катода, способствуя его разрушению. По этой причине чистый алюминий имеет более высокую стойкость к коррозии, чем технический, который, в свою очередь, более стоек к коррозии, чем сплавы алюминия с другими металлами. Так же стойкость алюминия к коррозии зависит от характеристик внешней среды и от реакций, вызываемых этой средой.

Рис.2. Механизм образования оксидной пленки на алюминии

Методы защиты от коррозии

Особенно сильно коррозия проявляет себя во влажной среде, а так же при появлении т.н. «блуждающих» токов. Именно поэтому очень важно защищать поверхность алюминия с помощью покраски, анодировки, а стальные изделия, соприкасающиеся с ним необходимо оцинковывать, эмалировать или хотя бы обрабатывать грунтовкой в несколько слоев. Крепеж, применяемый в производстве алюминиевых конструкций должен быть как минимум оцинкованным, но желательно, а для фасадных конструкций просто необходимо, использовать крепеж из нержавеющей стали. Для антикоррозионной защиты алюминиевых конструкций применяют следующие методы:

Порошковая окраска

Порошковое покрытие представляет собой напыленный на поверхность изделия полимерный порошок, который запекается (полимеризуется) в специальной печи при определенной температуре, как правило 180-220°С. Технология порошковой покраски состоит из трех этапов:

1. Поверхность алюминиевого профиля обезжиривают и удаляют с нее все загрязнения
2. Напыляют слой порошковой краски
3. Запекание (полимеризация) порошкового покрытия в печи.

Порошковая покраска алюминиевого профиля и фурнитуры для светопрозрачных конструкций не только защищает металл от коррозии, но так же позволяет покрасить конструкцию в любой цвет по шкале RAL.

Анодирование профиля

Анодированое покрытие – это покрытие, которое создает на поверхности профиля устойчивую и не растворимую в агрессивных средах плёнку из окисла алюминия.

Анодирование позволяет создать такую равномерную толщину плёнки нерастворимой окиси на поверхности, которая уже не позволит контактировать алюминию с внешней средой и происходить дальнейшему окислению.

Технология построена таким образом:

• Сначала профиль обезжиривают в кислоте (например, щавелевой).
• Промывают в чистой воде.
• Далее травление в щелочи для вытравливания поверхностных неравномерно окисленных слоев металла, вместе с которыми снимаются все инородные включения на поверхности.
• Промывка в чистой воде.
• Профиль погружается в ванну с раствором электролита. Здесь в течение 0,5-1,5 часов он подвергается анодированию. На поверхности профиля образуется пленка оксида алюминия.
• Далее для получения цветного анодирования профиль перемещается в ванну с раствором соли какого-либо металла через которые снова пропускается ток. Цветные оттенки профиля зависят от продолжительности обработки. Минимально профиль обрабатывают 45 секунд (светлое шампанское), максимально — 15 минут (черный).
• Изолирование (Ванна упрочнения поверхности) — процесс химического замещения, при котором окисел на поверхности металла превращается в химически более прочную гидратную форму, более устойчивую к воздействию окружающей среды и химических веществ. Покрытие приобретает особую прочность, стойкость к механическим повреждениям.
• В заключение проводится сушка и упаковка.

Защита от контакта с другими металлами

Для того, чтобы алюминий не соприкасался с металлами, с которыми он может составить гальваническую пару, необходимо применять весь крепеж только из нержавеющей или оцинкованной стали.

Все стальные элементы, на которые монтируется конструкция – кронштейны, опорные узлы, анкерные пластины и т.д. – должны быть оцинкованы или прогрунтованны в несколько слоев. Так же для устранения прямого контакта алюминия и стали применяют паронитовые, резиновые, битумные прокладки.

Алюминиевый профиль и фурнитура не должны непосредственно соприкасаться с деревом, цементом, камнем, кирпичом, бетоном, и т. д., особенно в условиях повышенной влажности. Во избежание коррозии в этих случаях необходимо тщательно покрывать эти материалы битумом или другим изоляционным материалом, деревянные детали необходимо пропитывать лаком.

Рис.3. Пример оцинкованного кронштейна с нержавеющим крепежом

Заключение

Алюминий имеет высокую стойкость к коррозии, однако, при контакте с другими металлами или при воздействии электрического тока подвержен коррозии. Мерами по защите алюминиевых светопрозрачных конструкций от коррозии являются нанесение порошкового покрытия или анодирование, а так же использование нержавеющего или оцинкованного крепежа и элементов конструкции.

Примечание

Использованы материалы:

Вклад участников

Грибов Сергей

Мой вклад в развитие этой Вики можно посмотреть здесь

www.wikipro.ru