Electroquímica

Protección del aluminio. Ánodos. Sistemas de anodizado. Oxidación anódica

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CARACTERISTICAS TECNICAS

PROTECCION SUPERFICIAL DEL ALUMINIO

El aluminio, para protegerse de la acción de los agentes atmosféricos, se recubre de forma natural de una delgada película de óxido, esta capa de Al2O3 tiene un espesor más o menos regular del orden de 0,01 micras sobre el metal recientemente decapado y puede llegar a 0,2 o 0,4 micras sobre metal que haya permanecido en un horno de recocido.

Para poder soldar es necesario eliminar previamente, por procedimientos químicos o mecánicos, dicha capa.

Se pueden obtener películas de óxido artificialmente mucho más gruesas y de características distintas a las de la capa natural, más protectoras, por procedimientos químicos y electrolíticos. El proceso de anodizado permite formar capas en las que el espesor puede, a voluntad, ser de algunas micras a 25/30 micras en los tratamientos de protección o decoración, llegando a las 100 micras y más por procesos de endurecimiento superficial, esto es el anodizado duro.

PRINCIPIO DEL ANODIZADO

Si se llena una cuba con agua hecha conductora por la adición de una pequeña cantidad de ácido, de base o de sal y si en este electrolito, se dispone de un cátodo (polo negativo), inatacable (níquel o plomo) y un ánodo de aluminio, se observa un desprendimiento de hidrógeno en el cátodo y ningún desprendimiento en el ánodo.

Se observa, por otra parte, que el ánodo de aluminio, se ha recubierto de una película de alúmina. El oxígeno procedente de la disociación electrolítica del agua ha sido utilizado para oxidar el aluminio del ánodo; de aquí la expresión «Oxidación anódica» anteriormente utilizada y sustituida actualmente por el término «Anodizado». La naturaleza del electrolito tiene una importancia capital sobre los fenómenos que se desarrollan en la superficie anódica.

Se pueden señalar dos tipos de reacciones anódicas, que presentan variantes:

1º En los electrolitos que no tienen acción disolvente sobre la capa de óxido, se forma una película muy adherente y no conductora. El crecimiento de la película se realiza hasta que su resistencia eléctrica es tan elevada que impide la circulación de la corriente hacia el ánodo. Se forma entonces una capa llamada «capa barrera».

2º En los electrolitos que tienen una acción disolvente sobre la capa de óxido, si el metal mismo es disuelto y si los productos de reacción son solubles en el electrolito, no se forma capa de óxido.

El procedimiento de anodizado, en medio sulfúrico es el más utilizado debido a las condiciones económicas de explotación, a los resultados satisfactorios que se obtienen y a los medios a utilizar para obtenerlos.

La naturaleza del metal base (aluminio no aleado de diversas purezas y aleaciones) tiene una importancia capital sobre los resultados que se consiguen y los medios a utilizar para obtenerlos.

El mecanismo de oxidación-disolución.

Es necesario recordar de la teoría de formación de capas de óxido porosas, los dos factores esenciales siguientes:

PRIMER FACTOR:

Crecimiento de la capa de óxido del exterior al interior como consecuencia de un fenómeno electro-químico puro, de donde resulta una cierta velocidad de oxidación Vo.

SEGUNDO FACTOR:

Disolución de la capa de óxido a la medida que se forma por un fenómeno puramente químico (naturalmente, relacionado con el fenómeno eléctrico), de donde resulta una cierta velocidad de disolución Vd.

Formación de capas porosas

Si se oxida una pieza de aluminio en una solución que tenga una acción disolvente sobre la capa de alúmina, se observa que la intensidad de la corriente, para una tensión determinada, disminuye muy rápidamente pero se estabiliza en seguida a un nivel más elevado. Después de los primeros segundos de la electrólisis, se forma una verdadera capa barrera, la cual tiende hacia el valor limite de 14 A/V.

El óxido formado en este estado consiste en una alúmina anhidra, en estado amorfo (Al2O3) habiéndose descubierto en los últimos tiempos que esta capa está constituida por un apilamiento de células hexagonales yuxtapuestas, en las que, precisando más, el centro será de alúmina amorfa poco resistente a los ácidos, mientras que la periferia está formada por alúmina cristalina muy resistente a los ácidos. Aparecen entonces en la superficie de la capa barrera, una multitud de puntos de ataque como consecuencia del efecto de disolución de la película por el electrolito que se produce en el centro de las células de alúmina y que constituye el comienzo de los poros.

Cada punto de ataque puede ser considerado como una fuente de corriente a partir de la cual se va a desarrollar un campo de potencial esférico; los iones que se presentan a la separación óxido, suministran el oxígeno naciente que transforma en óxido la porción de esfera de metal correspondiente; simultáneamente, la acción de disolución continúa manifestándose en la base del poro, tendiendo a disminuir el espesor de la capa barrera en que se prolonga; el poro se ahonda, los iones penetran preferencialmente, producen calor y tienden a favorecer la disolución, produciendo así un frente de avance hemisférico de la célula que se desarrolla, por lo tanto, del exterior al interior del metal a partir del fondo de los poros.

SISTEMAS DE ANODIZADO

Entre los diferentes sistemas de anodizado seleccionamos los más comerciales y estos son:

- ANODIZADO DE PROTECCION

- ANODIZADO DURO

ANODIZADO DE PROTECCION.

El esquema de un proceso de anodizado partiendo de un perfil o una chapa podríamos representarlo siguiendo los siguientes pasos:

1º Preparación superficial del material a base de:

a/ Pulido con cepillo de algodón

b/ Lijado con bandas de lija

c/ Gratado con cepillo metálico

d/ Otros tipos de pulido

2º Desengrase:

a/ ácido para el esmerilado, gratado, etc.

b/ alcalino para el pulido

3º Lavado con agua en circulación y con continua regeneración.

4º Decapado de limpieza (con sosa cáustica al 5% en agua a 45-50oC)

o decapado para acabado mate directo

o pulido químico

o pulido electrolítico.

5º Lavado con agua en circulación y con continua regeneración

6º Neutralizado (ácido nítrico 60oBe al 50% en agua a temperatura ambiente)

7º Lavado con agua en circulación y con continua regeneración.

8º Oxidación anódica (ácido sulfúrico al 20% en agua con temperatura a 19-20oC y corriente continua a 1,5 A/dm2²)

9º Lavado con agua en circulación y con continua regeneración.

10º Coloración.

Por su estructura porosa, la capa de óxido formada en medio sulfúrico se asemeja a las fibras textiles y puede, al igual que estas, ser teñida por medio de colorantes especiales derivados de los colorantes de la industria textil. Como la capa es transparente, el brillo del metal base se transmite y pueden obtenerse aspectos que ningún otro tratamiento por pintura o barniz es susceptible de igualar. Los colorantes utilizados para el coloreado del aluminio pueden ser orgánicos o minerales.

a/ Coloración orgánica, para este tratamiento pueden ser utilizados numerosos tipos de colorantes. Difieren especialmente en el mecanismo de absorción. La mayor parte son absorbidos por capilaridad. Son estos en particular, los grupos de colorantes ácidos y de colorantes llamados sustantivos, como los de alizarina y los colorantes de índigo.

Otros dan lugar a una combinación química con el aluminio, como los colorantes a base de complejos metálicos, los colorantes diazo y los colorantes básicos. Estos últimos exigen ser tratados con substancias colágenas y son poco utilizados porque su resistencia a la luz es débil.

Se emplea para aplicaciones generales que se quieran colorear y que no estén expuestas a la intemperie.

b/ Coloración electrolítica, para este tratamiento se utilizan óxidos metálicos, que se fijan en las porosidades de la capa de óxido y son muy resistentes a la luz y al calor.

Empleada en aplicaciones generales que requieran colores sólidos y que vayan a estar a la intemperie.

11º Lavado con agua en circulación y con continua regeneración.

12º Colmatado o Fijado ( SELLADO )

La experiencia demuestra que una capa de óxido de 20 micras formada sobre aluminio y no colmatada, desaparece en unas horas en una solución decinormal de ácido nítrico. La misma capa perfectamente colmatada no experimenta ninguna pérdida prácticamente después de 1200 horas de inmersión. En realidad, una de las características principales de la alúmina formada en el colmatado o fijado es su resistencia a los ácidos.

Para aplicaciones en arquitectura, es indispensable colmatar en agua muy pura. Prácticamente con agua desmineralizada y hasta desionizada. El procedimiento más utilizado para la desmineralización es el intercambio aniónico y catiónico con resinas especiales cambiadoras de iones. Se trata de conseguir un doble cambio de iones (instalación de dos cuerpos) y no de un simple ablandamiento del agua que, por transformación de los elementos insolubles en sales solubles, correr el peligro de producir cuerpos nocivos para la calidad del colmatado o fijado. La temperatura del agua viene dada por la temperatura de ebullición (en la practica 97 a 100oC) con el fin de que se produzca la hidratación de forma muy lenta al contacto con las moléculas de agua a baja temperatura. El pH del baño es aconsejable mantenerlo entre 5,5 y 6,5. El reajuste se hace por medio de sosa, carbonato de sosa o ácidos sulfúricos, acético y bórico.

ANODIZADO DURO

Con el anodizado pueden obtenerse capas considerablemente más duras que las clásicas ( y en particular más duras que las que se obtienen en medio sulfúrico-oxálico) en un medio sulfúrico puro, con la condición de que los porcentajes de disolución sean reducidos a un valor extremadamente pequeño, lo suficiente para permitir el paso de los iones en los poros, que se convierten en finísimos canales. Se obtienen estos resultados anodizando a muy baja temperatura (0oC) en un medio electrolítico de 10 a 15% de ácido sulfúrico, con una densidad de corriente fuerte (3 A/dm2). La tensión, que será al principio de 10 V puede llegar a ser de 80 a 100 V según la naturaleza de la aleación. Es necesario un enérgico agitado con una refrigeración eficaz. Se pueden obtener así capas muy espesas a una velocidad de 50 micras / hora. Las capas que actualmente se consiguen son de alrededor de 150 micras, según el proceso y la aleación. La dureza de estas capas es comparable a la del cromo-duro, su resistencia a la abrasión y al frotamiento es considerable. Su utilización para piezas mecánicas se extiende cada vez más debido al mayor conocimiento del aluminio, de sus características mecánicas y de sus nuevas aplicaciones. Puesto

que se trata , en general, de piezas cuyas tolerancias dimensionales son estrechas, es necesario tener en cuenta, en el mecanizado, el crecimiento de las cotas, que llega a ser del 50% del espesor efectivo de la capa.

Todas las aleaciones son susceptibles del anodizado duro, salvo las que contienen cobre, porque éste tiende a disolverse a pesar de la baja temperatura y perturba el tratamiento.

Las capas duras se obtienen a costa de una merma de flexibilidad, que limita en su utilización a aquellas aplicaciones en que no vayan a sufrir choques térmicos importantes, porque la película se rompería bajo el efecto de las dilataciones fuertes.

Estas capas no son susceptibles de ser colmatadas (fijadas) con agua hirviendo por las mismas razones. Pueden, por el contrario, ser impregnadas de cuerpos grasos y lubricantes.

Propiedades del anodizado duro:

- Resistencia a la abrasión ya que la alúmina es un cuerpo extremadamente duro, un poco menos que la del diamante. Lo que permite que tenga una resistencia al desgaste superficial superior a muchos tipos de acero

- Resistencia eléctrica. La alúmina es un aislante eléctrico de calidad excelente, superior a la de la porcelana, este aislamiento depende de la porosidad; además, es muy afectado por la presencia de impurezas en el metal y se caracteriza generalmente por la medida de la tensión de ruptura.

  • Resistencia química. La capa anódica protege eficazmente el metal base contra la acción de numerosos medios agresivos. Por este motivo se utiliza cada vez más en ambientes navales e industriales para proteger ciertas piezas contra la corrosión.

- Porosidad secundaria o apertura más o menos acusada en la entrada de los poros debido al efecto de disolución del baño, porosidad que se manifiesta, sobre todo, en la parte exterior de la película y se aprovecha en las técnicas de coloreado e impregnación.