Гальваническая обработка алюминия.Теоретическая часть

Гальваническая обработка алюминия – это процесс анодного оксидирования. В процессе гальванической обработки на поверхности алюминия образуется окисная плёнка. В то же время внешняя поверхность этой окисной плёнки растворяется в гальваническом   растворе. Если растворимость окисла падает благодаря изменению каких-либо параметров процесса (например, падение температуры), то плёнка окисла становится тоньше. Другими словами, в качестве анодной обработки используется не гальваническая обработка, а анодирование – создание тонкой плёнки окислов на поверхности алюминия.

Понять условия, необходимые для гальванической обработки алюминия, можно, сравнив её с химической и электрохимической обработкой поверхности алюминия, которая включает в себя:

Травление

Анодирование с целью создания тонкой защитной плёнки окисла в растворах, не обладающих растворяющими свойствами

Анодирование с целью создания тонкой плёнки окисла в растворах, обладающих растворяющими свойствами

Химическую обработку

К регулируемым рабочим параметрам относится:

• • Используемое напряжение
  • Температура
  • Растворимость окисла алюминия в растворе
  • Окислительная способность раствора

Все эти факторы взаимосвязаны между собой.

Эти два вида обработки – химическая и гальваническая, – предполагающие окисление алюминия, являются базой для основных процессов обработки алюминия, и будут более подробно рассмотрены ниже. Целью данных процессов является наращивание плёнки окисла постоянной толщины, которая бы предотвращала поступление воздуха на поверхность металла и тем самым предохраняла бы его от коррозии. Это достигается путём применения растворов кислот, оказывающих слабое растворяющее действие на плёнку, под воздействием которых последняя становится достаточно пористой для того, чтобы обеспечить доступ плёнкообразующей среды к металлу. При анодном оксидировании, если коэффициент растворения достаточно низок (например,  борная кислота или электролиты фосфата аммония), то наращивание плёнки вскоре прекращается, что в свою очередь дает возможность создания диэлектрической плёнки под высоким напряжением, например, для последующего использования в конденсаторах. Если же коэффициент растворения не так низок (как, например, у растворов серной кислоты, применяющихся в процессах промышленного анодирования), то толщина плёнки окисла возрастает пропорционально времени анодирования. Однако бесконечное наращивание толщины плёнки окисла невозможно, так как оно, в конечном счете, прекращается, когда скорость наращивания окисла на слое алюминия уравновешивается коэффициентом растворения на области контакта окисла и раствора.

Тем не менее, при постоянном напряжении существует некое максимальное значение, до которого возрастает предельная толщина плёнки при увеличении скорости растворения. Это значение достигается, когда коэффициент нарастания плёнки уменьшается и уравновешивает коэффициент растворения, в результате чего растворение плёнки происходит быстрее, чем нарастание окисла. При таких условиях становится возможным создание прочных плёнок предельной толщины, что в свою очередь делает возможным осуществление гальванической обработки. Как мы увидим, фактическая скорость растворения и толщина плёнки, при которой происходит гальваническая обработка, могут иметь самые различные значения. При использовании некоторых растворов электролитов, обработка производится посредством плёнок достаточной толщины для защиты от коррозии, однако прочная плёнка может быть толщиной лишь в несколько молекул. Например, в результате гальванической обработки по способу Бритала (карбонат натрия и тринатрийфосфат) и способу Алзак (растворы фторбората и т.д.), происходит образование плёнки из Al₂O₃ достаточной толщины для получения интерференционных цветов и высокой степени защиты. В других процессах, особенно в концентрированных растворах кислот, возможность создания прочных плёнок долгое время подвергалась сомнению, однако на сегодняшний день это доказано и позволяет отвечать на вопросы, которые раньше не удавалось решить с помощью теорий, основанных на диффузионных слоях.

Тот факт, что металлы покрываются прочной плёнкой в процессе некоторых электрических и химических процессов обработки, было доказан Хоаром и др.  на примере проверки смачиваемости ртути. Наличие прочной плёнки во время гальванической обработки алюминия было также продемонстрировано Раубом и Баба, которые опирались на его ёмкостное сопротивление для определения размеров. При помощи электронного микроскопа было также показано, что эта плёнка имеет пористую структуру, как и любое анодное оксидное покрытие, а размеры пор и плотность зависят от условий проведения электролиза. Когда ток прерывали, плёнка растворялась, и ёмкость снова увеличивалась. Фуджинара также изучал появление поверхностных плёнок при гальванической обработке 99.9-% алюминия с помощью различных электролитов и доказал, что плёнка состоит из барьерного слоя толщиной 0,2-2,0 микрометра и пористого слоя толщиной до 0,5 микрометра, толщина же каждого слоя пропорциональна постоянному напряжению. Поэтому неудивительно, что форма волны тока оказывает влияние на гальваническую обработку. Штайнер, изучавший это явление, описал как положительное, так и отрицательное воздействие переменного тока. Известно, что процесс Бритал не может происходить эффективно при использовании однофазного выпрямленного тока. Хоар, Мирз и Ротуэл заявили, что окисел содержит примесные анионы, через которые могут проходить катионы и  осуществлять анодное глянцевание. В присутствии хлоридов или других агрессивных ионов нарушение проходимости поля в некоторых зонах стимулирует попадание анионов в плёнку в наиболее слабых местах, что приводит к разрывам и точечной коррозии. Более высокая плотность тока помогает восстановить прочную плёнку и вернуться к условиям, при которых поверхность становится блестящей.

Поэтому, как и ожидалось, плёнка, образующаяся в условиях гальванической обработки, не отличается по качеству от производимой при промышленном анодировании. Лихтенбергер-Байза, и Холло утверждают, что в зависимости от металла-основы после гальванической обработки в растворах фосфорной кислоты или бутиловых спиртов эта плёнка будет иметь толщину 0,1-0,2 микрометра, а создание более толстых плёнок возможно на более чистых металлах. Время обработки не влияет на толщину, а плёнка основывается на структуре барьерного типа.

Лихтенбергер-Байза, применявшие метод Хантера, для определения толщины анодных оксидных покрытий барьерного типа, получали значения толщины 0,5-5,0 микрометров при гальванической обработке алюминия фосфорно-сернохромовой, фосфорно-хромовой и серно-фтористоводородной кислотами, равно как и электролитами фосфорной кислоты или бутиловых спиртов. Как и при промышленном анодировании, толщина барьерного слоя возрастает при использовании тока большей плотности. Однако при увеличении концентрации фосфорной кислоты ток большей плотности требуется для получения той же толщины барьерного слоя.

Кроме того, как и анодные окисные плёнки, образованные в анодирующих электролитах, так и плёнка, полученная при гальванической обработке, состоят из шестиугольных ячеек, а диаметр и ячейки, и поры увеличивается с увеличением электрического потенциала. При напряжении в 30-35 вольт диаметр ячеек составляет приблизительно 10 микрометров, а диаметр поры – 6 микрометров. Толщина барьерного слоя, образованного на чистом и сверхчистом алюминии в растворах фосфорной кислоты и бутиловых спиртов не превышает 0,5 микрометров, а на сплавах Al-Cu-Mg – менее 0,1 микрометра.

Тем не менее, на плёнках, произведенных на промышленных анодирующих электролитах, на обработаном электричеством алюминии пористую плёнку можно различить над барьерным слоем алюминия, подвергнутого электрохимической обработке. Химический анализ плёнки, полученной на 99,99-процентном алюминии показывает, что она состоит из 79,9% Al₂O₃ и 7,3% AlPO₄, плюс 0,064% Fe и 0,31%Si.