Anodiseren

Procesbeschrijving

Anodiseren is één van de meest toegepaste oppervlaktebehandelingen van aluminium. Anodiseren is een elektrolytisch proces waarbij de natuurlijke neiging van aluminium om een oxidefilm op het oppervlak te vormen, wordt versterkt door een elektrolytische bewerking. Hierbij wordt het werkstuk als anode geschakeld. De resulterende deklaag heeft beschermende, decoratieve en functioneel betere eigenschappen.

Het spreidingsvermogen van het anodiseerproces is uitstekend omdat naarmate de laag dikker wordt, de elektrische weerstand toeneemt. Hierdoor neemt de laagdiktegroei af en zoekt de beschikbare stroom moeilijker bereikbare delen van het oppervlak op. Dit houdt tevens in dat de laagdikte gelimiteerd is. Afhankelijk van de samenstelling van het procesbad en de werktemperatuur is de laagdikte gelimiteerd tot 5 µm (toegepast als elektrische isolator), tot 35 µm (toegepast als decoratieve laag) en tot meer dan 100 µm (toegepast als harde slijtvaste laag).

Volgens de toepassingsgebieden kunnen volgende anodisatieprocessen worden ingezet:

• decoratief en corrosiewerend:
  • zwavelzuuranodisatie;
  • oxaalzuuranodisatie (mengsel van zwavelzuur en oxaalzuur);
• chroomzuuranodisatie (bijvoorbeeld bij vliegtuigonderdelen);
• hardanodisatie (voor apparatenbouw, vliegtuigbouw, hydrauliek, pneumatiek, ...);
• fosforzuuranodisatie als voorbehandeling voor het lijmen of voor een deklaag (bv. corrosiebeschermende tussenlaag voor elektrolytisch aan te brengen koper en nikkel, of voor verflagen).

Het anodiseerproces wordt voorafgegaan door diverse voorbehandelingen en wordt gevolgd door een aantal nabehandelingen. Omdat deze voor- en nabehandelingen nogal specifiek zijn voor het anodiseren worden ze hier ook kort besproken. Het leidt te ver in te gaan op de waaier van alle mogelijke processen die worden ingezet. Hier wordt de bespreking beperkt tot het basisproces dat in de grote meerderheid van de gevallen wordt toegepast nl. voor natuurkleur resp. een glanzende gekleurde anodisatie. De opeenvolgende stappen in een dergelijk proces zijn:

• ontvetten;
• spoelen;
• beitsen;
• spoelen;
• zuurdip;
• spoelen;
• anodiseren;
• spoelen;
• inkleuren van aluminium;
• sealen of dichten.

a) Ontvetten

Het ontvetten kan gebeuren in neutrale of alkalische of zure ontvetters, steeds op waterige basis. Alkalische ontvetters bevatten NaOH, fosfaten, silicaten, carbonaten, oppervlakteactieve stoffen en emulgatoren. Complexvormers zoals EDTA zijn niet meer toegelaten.

b) Beitsen

Het beitsen van aluminium gebeurt meestal in NaOH-baden. Aluminium gaat daarbij in oplossing. Beschadigingen en bramen verdwijnen van het werkstuk dat een optisch mooi uitzicht krijgt. Om te vermijden dat het opgeloste aluminium terug neerslaat, worden aan het NaOH-bad complexvormers toegevoegd, zoals b.v. natriumgluconaat. De concentraties in het beitsbad kunnen oplopen tot 60 g/l NaOH en 90 g/l Al. Overschrijding van deze concentraties wordt voorkomen door hetzij continu, hetzij discontinu het beitsbad gedeeltelijk te verwerpen en te vervangen door vers bad.

Het beitsen met beperkte metaalafdracht en met het oog op een behoud van glans kan ook in HNO₃-baden gebeuren.

c) Neutraliseren / zuurdip

Niettegenstaande het grondig spoelen na het alkalisch beitsen, kunnen op het werkstuk nog resten alkali of vrijgebeitste legeringsbestanddelen achterblijven. Deze stoffen worden door een zuurdip verwijderd. Voor deze behandeling komen zwavelzuur of salpeterzuur in concentraties van 5 % tot 30 % in aanmerking. Tenzij dit technisch echt niet mogelijk is, wordt zwavelzuur gebruikt; dit is immers veel goedkoper (lagere aankoopkost; zwavelzuur is al aanwezig op de lijn; meer mogelijkheden om de spoelkringloop te optimaliseren enzovoort).

d) Anodiseren

Dit proces gebeurt in 90 % van de gevallen in een zwavelzuurbad. Daarnaast zijn ook andere badsamenstellingen mogelijk. Bij anodiseren wordt het aluminium stuk als anode geschakeld. Aan het metaaloppervlak grijpen dan twee reacties plaats: het aluminium oxideert tot de gewenste oxidelaag en aluminium lost op in de badvloeistof. De tegenreactie is waterstofvorming aan inerte kathodes.

Het bad rijkt dus aan met aluminiumsulfaat. In de praktijk is slechts een eerder lage concentratie van aluminium toelaatbaar; het bad moet dus relatief snel vervangen worden door een verse zwavelzuuroplossing. Sommige anodisatielijnen zijn uitgerust met een zuurretardatie om de standtijd van het anodisatiebad te verhogen, dit met wisselend succes (bron: VOM, twee bedrijven die zuurretardatie verkopen).

Het basisbad bestaat uit een oplossing van ca. 200 mg/l zwavelzuur en ca. 15 g/l Al.

Voor sommige toepassingen waarbij specifieke eigenschappen van de aluminiumoxide-deklaag gewenst worden (b.v. dik en slijtvast, poreus als uitgangspunt voor een goedhechtende lak- of metaalcoating, …) worden ook andere badsamenstellingen gebruikt. Hierbij wordt een deel van het zwavelzuur vervangen door oxaalzuur, fosforzuur of chroomzuur (Cr(VI)).

Het anodiseerbad wordt doorgaans gekoeld tot 17 – 20°C. Dit vergt mechanische koeling of doorstroomkoeling met vers leiding- of grondwater.

e) Kleuren

Kleuren kan op vier manieren.

Zelfkleurende anodiseerbaden, de meeste op basis van sulfosalicylzuur, produceren in één stap gekleurde anodisatielagen bv. brons tot zwart. Het zijn echter zeer dure baden die beperkt zijn in kleurengamma, vandaar hun gering gebruik. Ze zijn in de praktijk grotendeels vervangen door elektrolytisch kleuren.

De anodiseerlagen worden dus meestal gekleurd na het anodiseren.

De meest gebruikte techniek is adsorptie van organische of anorganische kleurstoffen in de poriën van de aluminiumoxidedeklaag onmiddellijk na het anodiseren en nageschakelde spoelen. De poriën absorberen de kleurstoffen door capillaire werking. In de volgende stap, sealen, worden de poriën afgesloten.

Het elektrolytisch kleuren bestaat erin na anodisatie een metaal neer te slaan in de poriën van de anodisatielaag. Onmiddellijk na anodisatie worden de nog natte delen in een bad gedompeld dat een geschikt metaalzout (veelal Sn, verder ook Ni, Cu, Co) bevat. Door elektrolyse wordt het metaal neergeslagen en kleurt de anodisatielaag.

Interferentiekleuren is een variante van het elektrolytisch kleuren. Hierbij wordt door elektrolyse onder een wisselspanning een metaallaagje neergeslagen in de poriën, waarvan tevens de vorm gestuurd wordt in het oplossingsproces De kleur wordt ondermeer bepaald door de vorm en grootte van de poriën in de anodisatie en de hoeveelheid neergeslagen metaal.

f) Sealen of verdichten

Decoratieve coatings worden doorgaans geseald. Technische coatings b.v. bij hardanodiseren of fosforzuuranodiseren worden doorgaans niet geseald.

Een anodiseerlaag heeft zeer vele onzichtbare poriën die open zijn aan de bovenkant. Worden deze poriën niet afgesloten, dan wordt de laag snel vuil en donker door opvulling van de poriën met stof en vuil. Het proces waarbij poriën afgesloten worden noemt men "sealen" of verdichten. Het meest verspreide proces is een behandeling door onderdompelen in gedemineraliseerd water van 98 – 100 °C of in lichtjes verhitte stoom. Hierbij ondergaat het oxide een een hydratatie waarbij de poriën zich afsluiten. Om de sealingtijd te verkorten wordt kobalt- of nikkelacetaat toegevoegd.

Een alternatief voor dit “warm sealen” of “hydrothermisch verdichten” is koud sealen, waarvoor “impregneren” een correctere maar minder vaak gebruikte omschrijving is. Hierbij worden de poriën dichtgemaakt met een afzetting van een geschikt metaalzout. Het bad bevat typisch een nikkelzout, een fluoride en een organische stof b.v. butanol. Soms wordt ook kobalt gebruikt. Dit proces is moeilijker te controleren. Het proces is beschreven in een norm en is ook erkend voor toepassingen buitenshuis (Qualanod), doch de controverse over het gedrag op lange termijn b.v. bij architecturale toepassingen blijft bestaan.

Het grote voordeel van koud sealen, dat gebeurt bij 25 tot 30 °C, is de energiebesparing. In de praktijk is het vaak nodig om na het eigenlijke “koud sealen” of “impregneren” nog een behandeling bij een hogere temperatuur nl. fixeren uit te voeren. Dit gebeurt bij 60°C (lagere tijd) ofwel kort in het warme sealbad, bij 95 – 100°C. Zeker in dit laatste geval blijft er van de energiebesparing weinig over, omdat het warme sealbad gewoon behouden blijft.

Als besluit kan worden gesteld dat het anodiseren een vrij omvangrijk proces is, waarbij diverse chemicaliën worden ingezet. Sommige processtappen zijn gevoelig aan verontreinigingen en vereisen een zorgvuldig spoelen met zuiver water. De nodige aandacht aan het spoelsysteem is derhalve een noodzaak.

g) Pre-anodiseren of Flash-anodiseren

Dit is een vereenvoudigde vorm van anodiseren die dient als basislaag voor het aanbrengen van een laklaag. De aluminiumoxidefilm is minder dik en kleuren en verdichten vallen weg.

Milieuaspecten

Water

Na elk procesbad moet in min of meerdere mate gespoeld worden. Het anodisatieproces leent zich goed tot het integreren van de verschillende spoelwaters in één kringloop.

Het spoelwater bevat:

• hoge sulfaatconcentraties, afwijkende en sterk schommelende pH en een hoog gehalte aan opgelost aluminium;
• in sommige gevallen fosfaten, Cr(VI), oxaalzuur;
• in sommige gevallen Ni of Co-acetaat of -fluoride afkomstig van het sealen;
• in sommige gevallen nitraat, fosfaat, detergenten, … van de waterige reiniging en eventuele zure beitsstap.

Daarnaast worden ook de procesbaden (beitsen, anodiseren) regelmatig vervangen, waarbij geconcentreerd afvalwater ontstaat, rijk aan aluminium en sulfaat. Het is gebruikelijk om deze te zuiveren in het bedrijf zelf. Bij deze doorgaans in batch uitgevoerde behandeling ontstaat een afvalwater dat zeer rijk is aan natriumsulfaat. Bij onzorgvuldige uitvoering van deze zuivering komen bovendien afwijkende pH en hoge gehaltes aan opgelost aluminium vrij.

Indien kleuren wordt toegepast komen ook nog afvalbaden vrij die opgeloste metaalzouten bevatten of organische pigmenten.

Lucht

De tegenreactie aan de kathode is vorming van waterstofgas. Dit wordt afgezogen; in de afgezogen gasstroom komen zuurdruppeltjes en aërosolen voor. Deze kunnen met een eenvoudige demister afgescheiden en teruggevoerd worden naar het procesbad.

Afval

Bij de waterzuivering en eventueel bij de standtijdverhoging van het beitsbad komen grote hoeveelheden aluminiumrijk afvalslib vrij. Dit wordt afgevoerd naar een erkende verwerker.