Вторичные процессы и их роль при анодном оксидировании алюминия и его сплавов

ВТОРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ РОЛЬ ПРИ АНОДНОМ ОКСИДИРОВАНИИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Электрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Титаренко Ольга Викторовна

2002

Общая характеристика работы

 

Актуальность темы.

Анодное оксидирование алюминия и его сплавов применяется для придания изделиям широкого спектра функциональных свойств: высокой коррозионной стойкости, твердости, износостойкости, электроизоляционных свойств, декоративного вида и пр. Изделия из анодированного алюминия широко используются в самолето- и приборостроении, радиоэлектронике, бытовой технике. Декоративное анодирование алюминия получило в последнее время интенсивное развитие, позволяющее получать всю цветовую гамму, обладающую высокой светостойкостью. Весьма перспективно в этом плане оксидирование с последующим электрохимическим окрашиванием в растворах минеральных солей.

Несмотря на широкое использование и повышенный интерес к электролитическому оксидированию и окрашиванию алюминиевых изделии, механизм этих процессов изучен недостаточно, систематические исследования процессов окрашивания в различных электролитах до настоящего времени не проводились. Многообразие воззрений на механизм и кинетику протекающих реакций затрудняет эффективное решение технологических задач. Таким образом, тема работы актуальна.

Работа выполнена в соответствии с планом важнейших НИР СГТУ по теме «Исследование механизма и кинетики электродных процессов на оксидных электродах в экстремальных условиях» в рамках НТП ГК РФ «Товары народного потребления», а также в соответствии с договором о творческом сотрудничестве с Институтом электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН по проблеме «Электрохимия» (п.2.в. 10.1 Координационного плана).

Цель работы.

Изучение закономерностей анодного поведения алюминия и его сплавов в растворах кислот на начальных стадиях формирования АОП и вторичных процессов, оказывающих влияние на структуру и свойства формирующегося слоя оксида.

Задачи исследования:

- исследование растворяющего действия растворов кислот (Н3РО4, HNO3,

 H2SO4) на свойства воздушного оксида;

-    исследование влияния потснциала₇длитсльности поляризации, а также концентрации и состава раствора на кинетику формирования слоя анодного оксида и выяснение механизма процесса;

-    изучение pH_s приэлектродного слоя;

-    изучение элементного и фазового состава АОП на начальных стадиях формирования, проведение гравиметрических исследований;

-    изучение структуры и свойств АОП в различных экспериментальных условиях;

-    исследование кинетики и механизма окрашивания АОП при катодной обработке в растворах солей переходных металлов в потенциостатическом режиме;

-    измерение температуры приэлектродного слоя;

-    выяснение возможности использования гальваношламов в технологии окрашивания АОП;

-    разработка технологических рекомендаций по формированию АОП и их окрашиванию с заданными структурой и свойствами.

Научная новизна работы.

Впервые проведено систематическое исследование кинетических закономерностей и механизма формирования АОП на алюминии и его сплавах (АМЦ, АМГ-6) на начальных стадиях в растворах кислот, обладающих высоким и низким растворяющим действием, и их солей (H2SO4, Н2С2О4, C5H4NCOOH, Н3РО4) в широком интервале концентраций, температур, составов, потенциалов, плотностей тока и длительности поляризации.

Установлено, что формирование слоя анодного оксида на алюминии и его сплавах протекает в кислых растворах по механизму электрохимического внедрения через стадию адсороционно-электрохимического взаимодействия молекул воды анионов с поверхности электрода и сопровождается снижением pH_s приэлектродного слоя.

Получены новые данные о влиянии потенциала, температуры и концентрации раствора на кинетику диффузии внедрившихся ионов в структуре формирующегося слоя АОП и об участии их в процессе фазообразования.

Обнаружена смена логарифмического закона образования поверхностного оксида параболическим при критическом потенциале пассивации и по достижении переходного времени.

Найдено, что сопутствующий процесс диффузии протонов и катионов металла протекает по механизму электрохимического внедрения. Образующиеся фазы внедрения вызывают изменения в структуре анодного оксида и оказывают влияние на его свойства.

Установлено, что диффузия ионов в формирующемся слое оксида затруднена. Впервые показано, что процесс, окрашивания АОП на начальной стадии сопровождается колебаниями температуры приэлектродного слоя; амплитуда колебаний может достигать 40-100 С.

Обнаружен полирующий эффект на алюминии и его сплавах, покрытых оксидным слоем, в растворах кислот, обладающих высоким растворяющим действием.

Показано, что процесс электрохимического окрашивания анодного оксида в растворах солей переходных металлов подчиняется закономерностям катодного внедрения.

Определены условия (концентрация компонентов, температура, напряжение на ванне, плотность тока) формирования толстых АОП (до 100 мкм) с высокими электроизоляционными свойствами и тонких АОП (до 4-5 мкм) с высокой электрической прочностью в растворах смеси серной и щавелевой кислот с добавками никотиновой и сульфаминовой.

Практическая значимость результатов работы.

Разработаны составы электролитов на основе серной и щавелевой кислот с добавками никотиновой или сульфаминовой кислоты и режимы электролиза для формирования толстых электроизоляционных АОП на сплавах алюминия (АМЦ и АМГ-6), которые могут использоваться в качестве металлической основы печатных плат. Подобраны составы электролитов и режимы электролиза формирования тонких АОП с высокой электрической прочностью, которые могут найти применение в производстве электролитических конденсаторов. Предложены режимы электролиза и составы электролита для электрохимического окрашивания АОП в черный, бронзовый и желтый цвета, обеспечивающие высокую коррозионную стойкость, стабильность и воспроизводимость окраски.

Апробация результатов работы.

Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: «Совершенствование технологии гальванопокрытий» (Киров, 1994-1997); «Прогрессивная технология и вопросы экологии в производстве печатных плат» (11смча, 1996); «Современные электрохимические технологии СЭХ'Г-96» (Саратов, 1996); 1-й Европейский конгресс по химической технологии (Флоренция, 1997); «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 1997); «Электрохимия мембран и процессы в тонких ионопроводящих пленках на электродах ЭХМ-99», (Саратов, 1999), а также на научно-технических конференциях молодых ученых НИИХИТ (Саратов, 1995); СГТУ (Энгельс, 1993-1995), на научных семинарах ТИ СГТУ (Энгельс, 1997-1998).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Кинетические закономерности и механизм формирования АОП на алюминии и его сплавах в растворах кислот, обладающих высоким и низким растворяющим действием (H₂S0₄, H₂C₂0₄, H₂N-C₆H4-S0₃H, Н₃Р0₄ и др.)

2. Кинетические закономерности и механизм процесса электрохимического окрашивания АОП в подкисленных растворах солей переходных металлов (CuS0₄, NiS0₄, C0SO4 в присутствии MgS0₄; КМтЮ₄).