La electrólisis se utiliza para formar una fina película de óxido en la superficie de piezas metálicas o de aleación utilizando las piezas como ánodos.
La película de óxido metálico cambia el estado de la superficie y sus propiedades, como la coloración de la superficie, la mejora de la resistencia a la corrosión, el aumento de la resistencia al desgaste y la dureza, y la protección de la superficie metálica.
Por ejemplo, en el anodizado del aluminio, el aluminio y sus aleaciones se colocan en electrolitos correspondientes (como ácido sulfúrico, ácido crómico, ácido oxálico, etc.) como ánodos, y la electrólisis se realiza en condiciones específicas y con corriente externa aplicada.
El aluminio o su aleación en el ánodo se oxida, formando una fina capa de óxido de aluminio en la superficie, con un espesor de 5-20 micras. Las películas de anodizado duro pueden alcanzar un grosor de 60-200 micras.
Tras el anodizado, la dureza y la resistencia al desgaste del aluminio o su aleación mejoran, alcanzando los 250-500 kg/milímetro cuadrado. La película de anodizado duro también tiene una buena resistencia al calor, con un punto de fusión tan alto como el 2
En aplicaciones prácticas, el anodizado de aleaciones de aluminio es bastante común y puede utilizarse en la vida cotidiana, ya que este proceso crea una capa protectora dura en la superficie de las piezas de aluminio, por lo que resulta adecuado para fabricar utensilios de cocina y otros artículos domésticos.
Sin embargo, el anodizado de aluminio fundido tiene malos resultados, con superficies desiguales y sólo coloración negra. El anodizado de perfiles de aleación de aluminio es relativamente mejor.
En los últimos años, la tecnología china de coloración por oxidación del aluminio se ha desarrollado rápidamente, y muchas fábricas han adoptado nuevas tecnologías de proceso y acumulado una rica experiencia en la producción real.
Existen muchos métodos maduros y en desarrollo para el anodizado del aluminio y sus aleaciones, entre los que se pueden seleccionar los procesos adecuados en función de las necesidades de producción.
Antes de seleccionar un proceso de oxidación, es importante conocer el material de aluminio o aleación de aluminio, ya que la calidad del material y su composición afectan directamente a la calidad del producto de aluminio anodizado.
Por ejemplo, si hay defectos como burbujas, arañazos, desconchados, rugosidades, etc. en la superficie del aluminio, seguirán siendo visibles después del anodizado. La composición de la aleación también afecta directamente al aspecto de la superficie anodizada.
Por ejemplo, las aleaciones de aluminio que contienen manganeso 1-2% adquieren un color azul parduzco tras la oxidación, y un mayor contenido de manganeso provoca una transformación del color azul parduzco al marrón oscuro.
Las aleaciones de aluminio que contienen 0,6-1,5% de silicio se vuelven grises tras la oxidación, mientras que las que contienen 3-6% de silicio se vuelven blanco-grisáceas. Las aleaciones que contienen zinc tienen un aspecto lechoso, mientras que las aleaciones que contienen cromo muestran colores desiguales que van del amarillo dorado al gris, y las aleaciones que contienen níquel tienen un color amarillo claro.
En general, sólo las aleaciones de aluminio que contienen más de 5% de magnesio y titanio puede conseguir un aspecto transparente y brillante tras la oxidación.
Tras seleccionar los materiales de aluminio y aleaciones de aluminio adecuados, es necesario considerar la elección del proceso de anodizado apropiado.
En la actualidad, la oxidación con ácido sulfúrico, la oxidación con ácido oxálico y la oxidación con ácido crómico se utilizan ampliamente en China y se han documentado exhaustivamente en manuales y libros. En este artículo se presentan brevemente algunos procesos nuevos que se están desarrollando actualmente en China y métodos extranjeros.
El uso de una mezcla de ácido oxálico y metanoico se basa en la idea de que el ácido metanoico es un fuerte agente oxidante y puede acelerar la disolución de la capa interna (capa de barrera y capa de bloqueo) de la película de óxido, lo que da lugar a la formación de una capa externa porosa.
Este tipo de solución puede aumentar la conductividad (es decir, aumentar la densidad de corriente), lo que permite que la película de óxido se forme rápidamente. En comparación con la oxidación pura con ácido oxálico, esta solución puede aumentar la productividad en 37,5% y reducir el consumo de energía (3,32 kWh por metro cuadrado en el caso de la oxidación con ácido oxálico frente a los 2 kWh por metro cuadrado de este proceso), con lo que se ahorran 40% de electricidad.
La formulación del proceso es la siguiente: ácido oxálico 4-5%, ácido metanoico 0,55%, corriente alterna trifásica 44 V, densidad de corriente 2-2,5 A/d㎡, temperatura 30±2℃.
Este método se incluyó oficialmente en la norma nacional japonesa en 1976 y fue adoptado por Kita-sei Nissho Co., Ltd. Sus características son la rápida formación de la película, una mayor dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión de la película en comparación con la oxidación convencional con ácido sulfúrico.
La película es de color blanco plateado y resulta adecuada para imprimir y colorear productos. Después de que la industria china de productos de aluminio visitara Japón, se recomendó el uso de este método en 1979.
La formulación recomendada para el proceso es: H2SO4 10-20%, COOHCOOH-2H2O 1-2%, tensión 10-20 V, densidad de corriente 1-3 A/d㎡, temperatura 15-30℃, tiempo 30 minutos.
La oxidación cerámica utiliza principalmente ácido crómico, ácido bórico y oxalato potásico de titanio como electrolitos y se somete a un tratamiento electrolítico a alta tensión y temperatura.
La película es como el esmalte de la cerámica, con alta resistencia a la corrosión, buena resistencia al desgaste, y puede colorearse con tintes orgánicos o inorgánicos, dándole un brillo y un color especiales. Se utiliza principalmente en utensilios de cocina de aluminio, encendedores y bolígrafos de oro, y es muy popular entre los consumidores.
La oxidación de color militar se utiliza principalmente para la decoración de productos militares de aluminio, por lo que requiere efectos protectores especiales. La película de óxido es de color verde militar, no brillante, resistente al desgaste, duradera y con buenas propiedades protectoras.
El proceso consiste en realizar primero una oxidación con ácido oxálico para generar una capa de película de color amarillo dorado y, a continuación, someterla a un tratamiento de oxidación anódica con una solución de 20 g/l de permanganato potásico y 1 g/l de H2SO4. Shenyang Aluminum Products Factory ha utilizado este proceso para producir botellas de agua militares y utensilios de cocina.
La capa de óxido anódico ya teñida pero no cerrada se humedece con ácido crómico o ácido oxálico para que el CrO3 se extienda.
La superficie del producto teñido se decolora cuando se humedece con CrO3, y el ácido oxálico o crómico se lava con agua en la parte que sea necesaria, deteniendo generalmente la reacción con la imagen.
A continuación, se aplica el segundo tinte o se repite el proceso de limpieza, aclarado y teñido con CrO3 para producir motivos como flores y nubes, según sea necesario.
Actualmente, este método se utiliza mucho en productos como tazas de oro, tazas de agua, cajas de té y encendedores.
Una vez oxidado y teñido con el primer color, se seca y se sumerge en agua con grasa en la superficie.
Al levantarla o sumergirla, la grasa y el agua bajan de forma natural, provocando manchas irregulares en forma de rayas en la película. Cuando se aplica el segundo tinte, la película oxidada no puede teñirse donde está manchada de grasa, mientras que la parte sin grasa se tiñe con el segundo tono, formando un patrón irregular similar al mármol.
Este método puede encontrarse en el artículo del camarada Zhou Shouyu, de la fábrica estatal de cuchillos Yangjiang, de Guangdong (Electrochapado y revestimiento, 1982, número 2).
En pulido mecánico y desengrasado, los productos de aluminio se recubren con agentes de enmascaramiento o materiales fotosensibles y se secan; a continuación, se someten a un grabado químico (grabadores de fluoruro o de sales de hierro) para formar patrones cóncavo-convexos.
Tras el pulido electroquímico y la oxidación anódica, se presenta un dibujo superficial con un fuerte sentido del cuerpo principal, que puede compararse al aspecto del acero inoxidable. Actualmente se utiliza en productos como bolígrafos de oro, cajas de té y pantallas.
Normalmente, la oxidación con H2SO4 requiere un dispositivo de refrigeración, lo que supone un elevado consumo de energía. La adición de ácido alfa-hidroxipropiónico y glicerol puede suprimir la disolución de la película de óxido, lo que permite llevar a cabo la oxidación a temperatura ambiente.
En comparación con la oxidación ordinaria con ácido sulfúrico, el espesor de la película puede aumentar el doble. La formulación recomendada para el proceso es:
| H2SO4 | 150～160g/l |
| CH3CH(OH)COOH | 18ml/l |
| CH2OHCHOHCH2OH | 12ml/l |
| Densidad de corriente | 0,8-12 A/d㎡ |
| Tensión | 12-18V |
| Temperatura | 18-22℃ |
La resistencia a la corrosión de la capa de la película es similar a la de la película de óxido anódico de ácido sulfúrico. La película de óxido conductor tiene una menor resistencia de contacto y puede conducir la electricidad, mientras que la película de H2SO4 La película de óxido anódico no puede conducir la electricidad debido a su elevada resistencia de contacto.
La resistencia a la corrosión de la película de óxido conductor es mucho mayor que la del aluminio cobreado, plateado o estañado.
La desventaja es que la soldadura de estaño no se puede realizar en la capa de película, sólo soldadura por puntos puede utilizarse. La formulación recomendada para el proceso es: CrO3 4g/l, K4Fe(CN)6-3H2O 0,5g/l, NaF 1g/l, temperatura 20-40℃, tiempo 20-60 segundos.
Al seleccionar el aluminio para la oxidación anódica, también debe tenerse en cuenta lo siguiente:
(1) La superficie del aluminio seleccionado no debe presentar arañazos graves, defectos estructurales o inclusiones. Afectarán al aspecto y a la resistencia a la corrosión de la capa de película de óxido.
(2) Algunas aleaciones de aluminio deben tratarse térmicamente de acuerdo con especificaciones razonables. El tamaño de los granos tiene un cierto impacto en la estructura y las propiedades de la película de óxido. Los granos gruesos reaccionan de forma desigual durante la oxidación, lo que a menudo da lugar a un aspecto de piel de naranja. Por lo tanto, generalmente se desea que el aluminio tenga una estructura de grano fino.
En los últimos años, los países extranjeros se han desarrollado rápidamente en aluminio tratamiento superficial. Se han reformado viejos procesos que antes requerían mucha mano de obra, mucha energía y muchos recursos, y se han aplicado ampliamente nuevos procesos y tecnologías en la producción industrial.
El proceso de oxidación anódica de alta velocidad cambia principalmente la composición de la solución electrolítica y reduce la impedancia de la solución electrolítica, permitiendo así mayores densidades de corriente para la oxidación anódica de alta velocidad.
La velocidad de formación de película del proceso antiguo utilizando una densidad de corriente de 1A/d㎡ era de 0,2~0,25μ/min, mientras que la velocidad de formación de película de este nuevo proceso utilizando la solución modificada puede aumentarse a 0,4~0,5μ/min incluso con una densidad de corriente de 1A/dm2 densidad de corriente, lo que reduce considerablemente el tiempo de procesamiento y mejora la eficacia de la producción.
El método Tomita tiene un tiempo de procesamiento mucho más corto que el proceso antiguo, y su eficiencia de producción puede incrementarse en más de 33%. Este método es adecuado no solo para películas de óxido anódico ordinarias, sino también para películas de óxido duro.
Si se desea producir una película dura, se utiliza un método de reducción de la temperatura de la solución. La velocidad de formación de la película suele ser la misma que la indicada en la tabla anterior. La relación entre la dureza de la película y la temperatura de la solución es la siguiente:
El proceso de producir una película de rubí sobre la superficie del aluminio es un proceso novedoso. El color de la película puede ser comparable al de los rubíes artificiales, por lo que resulta ideal para fines decorativos. También tiene buena resistencia a la corrosión y al desgaste.
Diferentes tipos de metal Los óxidos presentes en la solución pueden utilizarse para producir diversas apariencias. El proceso consiste en anodizar primero con ácido sulfúrico 15% utilizando una densidad de corriente de 1A/dm.2 durante 80 minutos.
A continuación, la pieza se sumerge en una solución de (NH4)2CrO4 solución a diferentes concentraciones durante 30 minutos a 40℃, dependiendo de la intensidad de color deseada, para permitir que los iones metálicos entren en los poros de la película de óxido anódico.
Después, la pieza se sumerge en una solución de bisulfato de sodio (1 gramo de peso molecular) y bisulfato de amonio (1,5 gramos de peso molecular) a 170℃ con una densidad de corriente de 1A/dm2. La película resultante es de color rojo púrpura con un brillo fluorescente, mientras que el Fe2(CrO4)3 o Na2CrO4 producirán películas azules con una fluorescencia púrpura intensa.
La electrocoloración asada es un proceso en el que, tras el anodizado, se electrolizan cationes metálicos (sales de níquel, sales de cobre, sales de cobalto, etc.) en el fondo de los orificios de la película de óxido para producir color. Este proceso se ha desarrollado rápidamente en los últimos años, sobre todo porque permite obtener colores bronce y negro, muy populares en la industria de la construcción.
Los colores producidos son estables y resistentes a las duras condiciones climáticas. Este proceso puede ahorrar energía en comparación con los métodos de coloración natural.
Casi toda la arquitectura japonesa perfiles de aluminio se colorean con este método.
El método de coloración natural completa la coloración en una sola electrólisis.
Se utilizan varios tipos de soluciones, como el ácido salicílico y el ácido sulfúrico, el ácido sulfónico y el ácido titánico, y el ácido sulfónico y el ácido maleico.
Dado que en el método de coloración natural se utilizan sobre todo ácidos orgánicos, la película de óxido es relativamente densa y presenta una excelente resistencia a la luz, al desgaste y a la corrosión.
Sin embargo, la desventaja de este método es que, para obtener colores excelentes, la composición del material de aleación de aluminio debe controlarse estrictamente.
1. Anodizado con ácido sulfúrico.
El anodizado con ácido sulfúrico presenta las siguientes características:
(1) Bajo coste de la solución, composición sencilla, fácil funcionamiento y mantenimiento.
Por lo general, sólo es necesario diluir el ácido sulfúrico hasta una determinada concentración, sin añadir otros agentes químicos. Se recomienda utilizar ácido sulfúrico químicamente puro o ácido sulfúrico industrial con menos impurezas, por lo que el coste es especialmente bajo.
(2) Alta transparencia de la película de óxido.
La película anodizada con ácido sulfúrico de aluminio puro es incolora y transparente. En el caso de las aleaciones de aluminio, a medida que aumentan los elementos de aleación Si, Fe, Cu y Mn, disminuye la transparencia. En comparación con otros electrolitos, el color de la película anodizada con ácido sulfúrico es el más claro.
(3) Alto rendimiento de coloración.
La película de óxido de ácido sulfúrico es transparente, y la capa porosa tiene una fuerte adsorción y es fácil de teñir y colorear. El color es brillante y no se desvanece fácilmente, con un fuerte efecto decorativo.
(4) Las condiciones de funcionamiento para el anodizado con ácido sulfúrico son:
| H2SO4(volumen) | 10%~30% |
| Temperatura ℃ | 18~22 |
| Al/g.L-1 | ≤20 |
| Densidad de corriente/A.dm-2 | 0.6~3 |
| Tiempo/min | 10~60 |
2. Anodizado con ácido oxálico y ácido crómico.
La anodización con ácido oxálico se utiliza ampliamente en Japón, y las características de la película de óxido son similares a las de la anodización con ácido sulfúrico, con una porosidad menor que la anodización con ácido sulfúrico, alta resistencia a la corrosión y dureza. El coste de la solución de ácido oxálico y la tensión de funcionamiento son superiores a los del ácido sulfúrico, y el color de la película de óxido de algunas aleaciones puede ser más oscuro. Tanto la anodización con ácido oxálico como con ácido sulfúrico requieren un buen sistema de refrigeración.
Las condiciones de funcionamiento para el anodizado con ácido oxálico son:
| Ácido oxálico (fracción volumétrica) | 2%~10% |
| Temperatura / ℃ | 15~35 |
| Densidad de corriente / A.dm-2 | 0.5~3 |
| Tensión/V | 40~60 |
Las películas anodizadas con ácido crómico son especialmente resistentes a la corrosión y se utilizan principalmente en la industria aeroespacial. La adherencia de las películas de óxido de ácido crómico y la pintura es fuerte, por lo que resulta adecuada como base para la pintura. El film anodizado de ácido crómico gris opaco no suele utilizarse con fines decorativos.
Las condiciones de funcionamiento para el anodizado con ácido crómico son:
| CrO3/g.L-1 | 30~100 |
| Temperatura/℃ | 40~70 |
| Densidad de corriente/A.dm-2 | 0.1~3 |
| Tensión/V | 0~100 |
| Tiempo/min | 35~60 |
3. Anodizado duro.
A finales de la Segunda Guerra Mundial, para aumentar la dureza y el espesor de la película anodizada, la temperatura del tanque de anodizado con ácido sulfúrico se bajó a 0℃, y la densidad de corriente se aumentó a 2,7~4,0A/dm2, obteniéndose una "película de óxido duro" de 25~50μm. Se puede obtener una película anodizada dura a 5~15℃ utilizando ácido oxálico con una pequeña cantidad de ácido sulfúrico. Algunas patentes utilizan una concentración optimizada de ácido sulfúrico, ácidos orgánicos u otros aditivos como el ácido benceno hexacarboxílico para el anodizado duro.
En Escocia, Campbell inventó el uso de una fuente de alimentación superpuesta AC-DC, un flujo de electrolito de alta velocidad, 0℃, y una densidad de corriente de 25~35A/dm2 para obtener una película anodizada dura de 100μm.
Hoy en día, la corriente pulsada se utiliza para el anodizado duro, especialmente para aleaciones de aluminio con alto contenido en cobre, que suelen ser difíciles de anodizar en duro. El uso de la corriente de impulsos puede evitar el "quemado". También hay muchas fuentes de alimentación utilizadas para el anodizado duro, como AC-DC, varias frecuencias de corrientes de pulso monofásicas o trifásicas, corrientes inversas, etc.
En el anodizado duro de CC tradicional, la densidad de corriente no suele superar los 4,0 A/dm2. En el caso de la fuente de alimentación monofásica con rectificador de impulsos, el valor de pico del impulso de corriente puede ser muy grande, pero mantener la uniformidad del espesor de la película de óxido es una cuestión importante.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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