Šta je to hromatizacija aluminijuma?
NAUKA U PRAKSI
Šta je to hromatizacija aluminijuma?
Tehnološki proces zaštite površine aluminijuma
Hromatne prevlake na aluminijumu imaju odličnu korozionu otpornost i ostvaruju veoma dobru vezu (adheziju) organske prevlake sa aluminijumom
Hromatizacija je tehnološki proces formiranja hromatne prevlake na površini aluminijuma i njegovih legura. Debljina prevlake se kreće od 0,01 do 3 μm. Boja, debljina i koroziona otpornost hromatne prevlake zavisi od sastava rastvora, pH, temperature i vremena hromatizacije. U ovom procesu se formira amorfni film usled kontakta aluminijuma sa vodenim rastvorom koji sadrži jedinjenja hroma. Hromatna prevlaka se formira spontano, bez primene električne struje (hemijski postupak). Hromatne prevlake se formiraju s ciljem da se poveća adhezija organske prevlake i aluminijuma, te da se poveća koroziona otpornost tokom izlaganja obojenog (plastificiranog) aluminijuma atmosferskom uticaju.
Prve hromatne prevlake na aluminijumu počele su se u industriji koristiti dvadesetih godina prošlog veka. Ubrzana primena hromatnih prevlaka dešava se oko 1970 g. zbog ubrzane primene aluminijuma u građevinarstvu, kada se pojavio zahtev za visokim kvalitetom elemenata izrađenih od obojenog aluminijuma.
Hromatne prevlake na aluminijumu imaju odličnu korozionu otpornost i ostvaruju veoma dobru vezu (adheziju) organske prevlake sa aluminijumom.
Rastvori za hromatizaciju aluminijuma dominantno sadrže šestovalentni htom (Cr6+). Rastvori sadrže do 50 mmol dm-3 Cr6+, a pH vrednost im je od 1,2 do 3. Najčešće korišćeni rastvor za hromatizaciju sadrži:
- CrO3 ... 3,5 - 4 g/dm3
- Na2Cr2O7... 3,0 – 3,5 g/dm3
- NaHF2 ... 0,8 - 1 g/dm3
- Katalizator ... 0,1 – 1 g/dm3
- Temperatura .... 30oC
- pH ... 1,5
- Vreme ... 1 -5 minuta
U ovom tehnološkom procesu hromatizacije formiraju se prevlake mase 1 - 5 mg/dm2.
Tehnološki proces hromatizacije sadrži operacije koje se izvode u kontinuitetu. U tabeli 6 prikazane su tehnološke operacije i odgovarajući tehnološki parametri. Izgled površine aluminijuma nakon formiranja hromatne prevlake prikazan je na slici 19.
Tabela 6. Tehnološke operacije i tehnološki parametri u procesu hromatizacije
Redni broj |
Naziv operacije |
Vreme trajanja (min) |
Temperatura (oC) |
1 |
Odmašćivanje |
5-10 |
50-70 |
2 |
Nagrizanje |
2-5 |
50-60 |
3 |
Ispiranje |
5-10 |
20 |
4 |
Osvetljavanje |
1-2 |
20 |
5 |
Ispiranje |
5-10 |
20 |
6 |
Hromatizacija |
1 – 5 |
30 |
7 |
Ispiranje |
5-10 |
20 |
8 |
Sušenje |
10 |
50-65 |
a) b)
Slika 19. Površina legure AlMg0.5Si0.4 nakon držanja u rastvoru za hromatizaciju a) 30 s, b) 3 min(13).
Slika 20. Poprečni presek hromatizovane površine legure aluminijuma AA6060(13).
Formiranje hromatne prevlake na aluminijumu rezultat je simultane oksidacije aluminijuma i redukcije Cr(IV) do Cr(III), odnosno:
2Al → 2Al3+ + 6e-
Cr2O72- + 8H+ + 6e- → 2Cr(OH)3 + H2O
Fluoridni jon rastvara aluminijum oksid prisutan na površini aluminijuma formirajući rastvorljiv aluminijum fluorid po reakciji:
Al2O3 + 6HF → 2AlF3 + 3H2O
Hromatna prevlaka sastavljenja je od mešavine oksida i hidroksida aluminijuma i hroma. Deponovani oksidi hroma na površini imaju poroznu morfologiju.
Mikrostruktura legura aluminijuma značajno utiče na hromatnu konverzionu prevlaku. Na granicama zrna često se dobija tanka prevlaka i siromašne hromom, čak u nekim situacijama se i ne formiraju (Slika 20). Takođe, značajno su tanje hromatne prevlake na intermetalnim fazama. Dokazano je da prethodna homogenizacija legure (termički tretmani), značajno poboljšava ravnomernost i ujednačen sastav hromatne prevlake.
Na slici 22 prikazana je promena koncentracije pojedinih elemenata u prevlaci u funkcij vremena izloženosti aluminjuma rastvoru za hromatizaciju
Slika 22. Promena koncentracije pojedinih elemenata u prevlaci u funkcij vremena izloženosti aluminjuma rastvoru za hromatofosfatiranje (15).
|
6.3. Hromatofosfatiranje
Hromatofosfatiranje je naziv za tehnološki proces formiranja hromato-fosfatne prevlake na površini aluminijuma. Ovaj tehnološki proces je sličan tehnološkom procesu hromatizacije, a nastao je kao posledica težnje da se u rastvoru za hromatizaciju smanji sadržaj hroma. Hromato-fosfatna prevlaka formira se u kontaktu aluminijuma sa kiselim rastvorom koji sadrži: CrO3, H3PO4 i NaF. Znači da pored već navedenih reakcija formiranja oksida i hidroksida hroma i aluminijuma imamo reakcije aluminijuma i hroma sa fosfornom kiselinom što rezultuje stvaranju hrom fosfata i aluminijum fosfata tj:
Cr3+ + H2PO4- →CrPO4 + 2H+
Al3+ + H2PO4- →AlPO4 + 2H+
Na površini se formira hromato – fosfatni sloj kristalne ili amorfne strukture u zavisnosti od sastava rastvora, temperature i vremenskog kontakta aluminijuma sa rastvorom.
Hromato-fosfatna prevlaka u najvećem procentu sadrži Al2O3, AlPO4, CrPO4. Takva prevlaka se formira u toku nekoliko sekundi od uranjanja aluminijuma u rastvor, daljim držanjem u rastvoru formira se trodimenzionalna struktura. Dobijena struktura i hemijski sastav prevlake u funkciji je vremena držanja aluminijuma u rastvoru. Na slici 23 prikazan je izgled hromatofosfatne prevlake.
Slika23. Izgled hromatofosfatne prevlake(14).
|
Tehnološki proces hromatofosfatiranja sadrži operacije koje se izvode u kontinuitetu. U tabeli 7 prikazane su tehnološke operacije i odgovarajući tehnološki parametri.
Tabela 7. Tehnološke operacije i tehnološki parametri u procesu hromatofosfatiranja
Redni broj |
Naziv operacije |
Vreme trajanja (min) |
Temperatura (oC) |
1 |
Odmašćivanje |
5-10 |
50-70 |
2 |
Nagrizanje |
2-5 |
50-60 |
3 |
Ispiranje |
5-10 |
20 |
4 |
Osvetljavanje |
1-2 |
20 |
5 |
Ispiranje |
5-10 |
20 |
6 |
Hromatofosfatiranje |
2’5 |
20-25 |
7 |
Ispiranje |
5-10 |
20 |
8 |
Sušenje |
10 |
50-65 |
Optimalna tehnolološka operacija hromatofosfatiranja izvodi se pri sledećim uslovima:
- H3PO4 .... 58 g/dm3
- CrO3 ... 7 g/dm3
- NaF .... 4,5 g/dm3
- Temperatura .... 20 -25oC
- Vreme .... 2 -5 minuta
Debljina dobijene hromatofosfatne prevlake je od 0,1 do 1μm, što zavisi od koncentracije rastvora i vremena držanja aluminjuma u rastvoru. Optimalna koncentracija pojedinih komponenti rastvora data je gore, medjutim rastvori za hromatofosfatiranje daju dosta dobre prevlake na aluminijumu u dosta širokom opsegu koncentracija pojedinih elemenata. Operativni opseg procesa hromatofosfatiranja da je na slici 24.
Slika 24. Operativni opseg procesa hromatofosfatiranja korišćenjem NaF, H3PO4 i CrO3.
|
Temperatura rastvora se može kretati u rasponu od 20 – 30 oC. Ako je vreme tretiranja duže od 10 minuta dobijaju se loše hromatofosfatne prevlake na površini aluminijuma. Uticaj vremena držanja u rastvoru i temperature rastvora na debljinu prevlake dat je na slici 25.
Slika 25. Uticaj vremena držanja aluminijuma u rastvoru i teperature rastvora na debljinu hromatofosfatne prevlake.
|
Izuzetno je važno ispiranje aluminijumskih profila i limova nakon izvođenja svake pojedine tehnološke operacije. Usled nedovoljnog ispiranja dolazi do promene u koncentracijama i sastavu rastvora, posebno je to izraženo nakon operacije osvetljavanja. Ako ispiranje nije dobro dolazi do promene pH rastvora za hromatofosfatiranje, što prouzrokuje slabljenje kvaliteta hromatofosfatne prevlake.
U tehnološkom procesu formiranja hromatofosfatnih prevlaka izuzetno je važna temperatura sušenja aluminijuma nakon što je na njemu formirana prevlaka. Temperatura sušenja ne sme biti veća od 65oC. U slučaju više temperatrure dolazi do ubrzane dehidratacije i pucanja hromatofosfatne prevlake. Ovakva prevlaka ne poseduje zahtevane karakteristike. Prevlaka ima slabu korozionu otpornost i slabu adheziju.
Tehnološki proces hromatofosfatiranja aluminijuma može se izvesti na dva načina: potapanjem aluminijumskih limova i profila u kade koje sadrže odgovarajuće rastvore, Slika 26, ili provođenjem aluminijumskih profila i limova kroz tunele u kojima se špricanjem rastvora kroz mlaznice tretira površina aluminijuma.
Ovim tehnološkim procesom dobija se hromatofosfatna prevlaka koja poseduje vrlo veliku otpornost na filiformnu koroziju i omogućuje izuzetno dobro prijanjanje (adhezija) organskih prevlaka (boja) na površinu aluminijuma. Ograničenost primene je prevashodno zbog skupog procesa obrade otpadnih voda i rastvora, posebno onih koji sadrže šestovalentni hrom. Čak se ide u susret odlukama koje će zabraniti korišćenje šestovalentnog hroma u tehnološkim procesima zbog njegovog štetnog uticaja na zdravlje ljudi.