Alumiinin pintakäsittely

 

Anodisointi:

Anodisointi on alumiinin sähkökemiallinen pintakäsittelymenetelmä. Se on prosessi, jossa alumiinin pinnalle synnytetään oksidikerros, jonka ominaisuuksia voidaan säädellä elektrolyytin (liuos, jossa anodisointi tapahtuu) sekä prosessimuuttujien avulla. Anodisointikerros on alumiinin pinnalle muodostuva alumiinioksidikerros. Syntyvä oksidikerros on kova, kestää hyvin kulutusta ja antaa erinomaisen korroosiosuojan. Ulkonäköä voidaan parantaa värillisellä kerroksella. Se voidaan saada aikaan sopivilla metalleilla anodisoinnin aikana tai sopivilla väriaineilla anodisoinnin jälkeen.

 

Anodisoitavat alumiiniseokset:

Alumiiniseoksen oikea valinta on tärkeää, koska se vaikutta ratkaisevasti kerroksen kestävyyteen ja ulkonäköön. Yleisimmässä seoksessa on hieman magnesiumia ja piitä, 0,5% kumpaakin.

 

Käsittely ennen anodisointia:

Joskus suoritetaan mekaanista pintakäsittelyä (esim, hiomista) ennen prosessia. Seuraavat toimeenpiteet tehdään aina. Ensimmäisenä poistetaan rasva alumiinin pinnasta lievästi emäksisessä, lämpimässä kylvyssä. Tämän jälkeen suoritetaan peittaus lipeäkylvyssä, johon on liuotettu hieman alumiinia. Peittauksen tehtävänä on poistaa luonnollinen oksidikalvo ja antaa tasaisen ulkonäön pintaan. Peittauksessa kappaleen pintaan jää tumma kerros (ns. smut), joka poistetaan happokylvyssä (rikkihappo, ns. desmut-kylpy). Tämän jälkeen suoritetaan anodisointi.

 

Anodisointikerroksen muodustuminen:

Anodisointikerrosta muodostettaessa alumiinikappale sijoitetaan anodiksi sopivaan elektrolyyttiin, yleensä rikkihappoon. Sähkövirta hajottaa rikkihapon vesiliuoksessa olevaa vettä vedyksi ja hapeksi seuraavasti:

H2O (l) ® 2 H+ (aq)+ O2- (aq)

Syntyvät vetyionit kulkeutuvat katodille ja happi-ionit anodille. Katodilla vetyionit pelkistyvät kaasuksi:

2 H+ (aq) + 2 e- ® H2 (g)

Anodilla happi-ionit reagoivat alumiinin kanssa, jolloin syntyy alumiinioksidia:

2 Al (s) + 3 O2- (aq) ® Al2O3 (s) + 6 e-

Hapen lisäksi elektrolyytin anioni (yleisimmin sulfaatti-ioni) vaikuttaa kerroksen muodostumiseen. Reaktion aikana kappaleen koko ei muutu, koska oksidikerros (anodisointikerros) kasvaa sisällepäin. Koska alumiinioksidin ominaistilavuus (aineen tilavuus moolia kohti) on suurempi kuin alumiinimetallin, kerros näyttää kasvavan ulospäin. Anodisointikerros ei voi kuitenkaan kasvaa rajattomasti, vaan raja tulee vastaan viimeistään 80 mm:n kohdalla.

 

Anodisointikerroksen rakenne:

Lähimpänä metallia on tiivis ja ohut estekerros, jonka paksuus on yleisimmin noin 0,02 mm. Jos elektrolyytti ei liuota anodisointikerrosta, estekerros jää ainoaksi kerrokseksi. Jos kerros liukenee, kerros kasvaa vähitelle pylväsmäisesti. Liukeneminen on pisteliukenemista, jolloin kerroksesta tulee huokoinen. Nämä huokoset ulottuvat yläpinnasta estekerrokseen asti. Kaikki käytettävät menetelmät antavat tällaisen rakenteen.

 

Värjäys:

Väri saadaan aikaan kahdella eri tavalla. Ensimmäisessä tavassa anodisoinnissa käytettävään elektrolyyttiin on sekoitettu metallia, joka värjää oksidikerroksen. Toisessa tavassa anodisointi tapahtuu normaalisti, mutta sen jälkeen kappale upotetaan värikylpyyn, jolloin väri imeytyy huokosiin. Molemmissa tapauksissa tehdään vielä normaali tiivistys.

 

Tiivistys:

Anodisoinnin jälkeen suoritetaan yleensä tiivistys, jossa huokosten suut puristuvat kiinni. Tämä johtuu bohemiitin muodostumisesta:

Al2O3 (s) + H2O ® Al2O3 · H2O (s)

Puristuminen johtuu siitä, että bohemiitin ominaistilavuus on suurempi kuin alumiinioksidin. Tiivistys tapahtuu joko lähes kiehuvassa vedessä tai vesihöyryssä. Tiivistyksessä pH on hieman hapan. Jos kappale on värianodisoitu, tiivistyskylpyyn lisätään yleensä nikkeliasetaattia, jotta väri ei haalistuisi.

 

Kerroksen ominaisuudet:

Kerros koostuu pääasiassa alumiinioksidista, mutta mukana on myös elektrolyytin anionia ja joskus seosaineita (kuten värjäykseen käytettyä metallia) sekä tiivistyksestä vettä. Huokoisuus riippuu prosessimuuttujista (ks. seuraava kappale). Huokoisuus vaikuttaa moniin ominaisuuksiin, vaikka ei ole sinänsä merkittävä asia. Kerroksen tiheys ja paino riippuvat huokoisuudesta ja käytetystä alumiiniseoksesta. Jos seoksessa on liukenevia seosaineita, tiheys jää pieneksi ja korroosionkestävyys heikoksi. Yleensä tiivistetyn kerroksen paksuus on noin 2,3 g/cm3. Alumiinioksidin mineraali on korundi, joka on yksi kovimmista tunnetuista aineista. Tiivistämätön kerros on kovempi kuin tiivistetty, joten joissain tapauksissa tiivistystä ei tehdä. Kerroksen kovuus aiheuttaa sen, että se on myös hauras. Tämän vuoksi kaikki työstö (kuten taivutukset ja poraukset) on tehtävä ennen anodisointia. Kerroksen heijastuskyky laskee voimakkaasti, jos alumiinin puhtausaste laskee. Anodisointikerros antaa hyvän korroosiosuojan, kunhan kerrosvahvuus on riittävä ja tiivistys tehty hyvin. Kerros kestää hyvin pH:n vaihteluja välillä 4-8,5. Suomessa kerrosvahvuudeksi suositellaan ulkotiloissa 20 mm ja sisätiloissa 10 mm. Ulkonäön säilyminen on usein tärkeää. Jälkeenpäin värjätyt kerrokset voivat joskus haalistua hieman, mutta anodisoinnin aikana värjätyt kerrokset kestävät valoa erinomaisesti.

 

Prosessimuuttujat ja niiden vaikutus kerrokseen:

Päämuuttujia anodisoinnissa on neljä: elektrolyytin väkevyys, jännite, virrantiheys (A/dm2) ja lämpötila. Ne riippuvat toisistaan. Elektrolyytin väkevyys määrää kerroksen liukenemisnopeuden, eli mitä suurempi konsentraatio, sitä pehmeämpi ja huokoisempi kerros on. Jännitteen suuruus vaikuttaa huokoisuuteen siten, että kerroksesta tulee kovempi ja kulutusta kestävämpi. Suuri jännite antaa myös himmeämmän kerroksen. Suuri virrantiheys antaa samantyyppisiä vaikutuksia kuin alhainen elektrolyytin konsentraatio. Yläraja on 4 A/dm2, sillä tämän jälkeen lämpötilan nousu kumoaa suuren virrantiheyden edut. Lämpötila vaikuttaa selvimmin kerroksen kovuuteen. Kun lämpötila kasvaa, kerroksen kovuus pienenee. Lämpötilan nousu lisää myös huokoisuutta. Se myös heikentää myös korroosionkestävyyttä.

 

Maalaus

Alumiini voidaan jauhemaalata, jolloin maalaus on hyvin kestävä. Jauhemaalauksessa alumiinin pinta pulveroidaan sähköstaattisesti (pulveri sähköistetään siten, että se tarttuu alumiinin pintaan), jonka jälkeen maali poltetaan pintaan kiinni. Siveltimelläkin voi maalata, mutta pinta ei ole läheskään yhtä kestävä kuin jauhemaalauksessa.

Decoral

Decoral on menetelmä, jolla voidaan siirtää erilaisia kuvioita alumiinin pintaan. Pinnoite tunkeutuu pohjamaalaukseen eikä siis ole vain pinnalla oleva kalvo. Pinnoite on hyvin kestävä. Pinnoitettuja tuotteita voidaan sahata, porata tai taivuttaa.

 

Lähde: Nordic Aluminium Oyj