Anodisointi

IPod mini -soittimen pinta on anodisoitu.

Anodisointi eli eloksointi (vanha termi alumiinin anodisoinnista puhuttaessa) on metallien pintakäsittely, joka lisää metallien luontaista korroosionkestävyyttä ja kestoikää. Anodisointi muodostaa sähkövirran avulla suojaavan oksidipinnoitteen metallin pinnalle. Anodisoitu pinta on kova ja kulutusta kestävä. Anodisointi parantaa myös kappaleen ulkonäköä ja anodisoitu pinta on helppo pitää puhtaana. Anodisoinnilla voidaan estää alumiinin korroosio esimerkiksi merivedelle alttiissa osissa. Kappale upotetaan anodisointiliuokseen ja sähkövirran avulla sen pinnalle kasvatetaan suojaava oksidikerros. Pinta voidaan samalla värjätä lisäämällä oksidikerrokseen erilaisia väriaineita.

Historia

Anodisointia käytettiin ensimmäistä kertaa teollisessa mittakaavassa vuonna 1923. Tällä menetelmällä suojattiin vesilentokoneiden duralumiinirakenteita korroosiolta. Anodisoinnissa aluksi käytettyä kromihappo-emäs prosessia sanottiin Bengough-Stuart prosessiksi. Prosessista kehitettiin pian uusia versioita, joista ensimmäisen rikkihappoanodisointiprosessin patentoivat Gower ja O’Brien vuonna 1927. Rikkihaposta tuli tämän jälkeen nopeasti yleisimmin käytetty elektrolyytti anodisointiprosesseissa.

Vuonna 1923 Japanissa patentoitiin ensimmäinen oksaalihappoanodisointiprosessi, jota käytettiin myöhemmin laajalti Saksassa erityisesti rakennusteollisuudessa rakennusten julkisivuissa. Anodisoidun alumiinin ekstruusio oli suosittu arkkitehtuurinen materiaali 1960- ja 1970-luvuilla. Nykyisin materiaali on korvattu edullisemmilla muovi- ja jauhepinnoitteilla. Fosforihappoprosessit ovat tuorein isompi edistysaskel anodisoinnissa. Fosforihappoprosessia käytetään lähinnä kun esikäsitellään pintoja liimoja ja muita sidosaineita varten sekä orgaanisia maaleja käytettäessä. Anodisointiprosesseista kehitetään edelleen useita patentoituja ja kasvavassa määrin monimutkaisia variaatioita teollisuudessa. Koska prosesseja on jo monia ja ne ovat monimutkaisia, luokitellaan pinnoitteet nykyisin armeija- ja teollisuusstandardien mukaan usein pinnoitteen ominaisuuksien mukaan sen sijaan, että pinnoitteet luokiteltaisiin valmistuksessa käytettyjen kemiallisten prosessien mukaan.

Käyttökohteet ja pinnan ominaisuudet

Pääasiassa anodisointia käytetään suojaamaan metallipintoja korroosiolta oksidikerroksen avulla. Se mahdollistaa metallin värjäämisen, parantaa voiteluaineiden tai liima- ja sidosaineiden pysymistä metallin pinnalla. Anodisoitu pinta kestää myös kulutusta paremmin kuin anodisoimaton. Alumiinin oksidikerroksen paksuus vaihtelee 0,5 ja 150 μm välillä. Korroosiosuojana käytetään yleensä 5–25 μm paksuista oksidikerrosta. Koristetarkoituksiin käytetyt kerrokset voivat olla jopa 500 μm paksuja. Anodisoinnissa muodostunut oksidikerros on huokoinen, joten tasaisen suojakerroksen saamiseksi pitää oksidikerros tiivistää ennen loppukäyttöä.

Vaikka anodisointi tuottaa tasaisen ja yhtenäisen pinnoitteen, voivat mikroskooppiset halkeamat johtaa korroosioon. Pinnoite liukenee myös helposti hyvin emäksisissä tai happamissa olosuhteissa. Pinnoitteen korroosionkeston parantamiseksi oksidikerrokseen voidaan lisätä kemiallisesti inerttejä lisäaineita ja mikrohalkeamien määrää voidaan vähentää tasoitustekniikoiden avulla. Esimerkiksi rikkianodisoidut pinnat tiivistetään yleensä joko hydrotermisellä sinetöinnillä tai saostamalla huokosten ja halkeamien vähentämiseksi. Saostamalla tiivistetty pinnoite on kemiallisesti stabiilimpi mutta pinnoitteeseen voi jäädä kanavia, joita pitkin ioninvaihtoa voi tapahtua aiheuttaen korroosiota. On kehitetty myös tekniikoita, joiden avulla amorfinen oksidipinnoite voidaan osittain muuttaa kestävämmäksi kiteiseksi yhdisteeksi.

Anodisointia käytetään alumiinisten lentokoneosien, rakennusmateriaalien sekä käyttöesineiden pinnoittamiseksi. Anodisoitua alumiinia on esimerkiksi älypuhelimien, työkalujen, taskulamppujen, keittiötarvikkeiden, kameroiden, urheiluvälineiden, ikkunan karmien sekä monien muiden tuotteiden pinnoitteissa antamassa korroosionkestävyyttä ja mahdollistamaan helpon värjättävyyden. Vaikka anodisoitu pinta ei kestä kulutusta loputtomiin helpottavat syvät huokoset voiteluaineiden pysymistä kulutuspinnalla paremmin kuin sileämmät pinnoitteet.

Anodisointia käytetään myös elektroniikkakomponenttien kuten kondensaattorien, transistorien hilaeristeiden ja metallointien välieristeen valmistamiseen sovelluksissa, joissa anodisoitavat alustat ovat suuria, kalvojen kasvatukseen käytettävät lämpötilat eivät saa kohota esim. yli 100 °C ja/tai tarvitaan laiteinvestoinneiltaan halpaa mutta luotettavaa eristysmenetelmää.

Anodisoidun pinnoitteen lämmönjohtokyky ja lineaarinen lämpölaajeneminen ovat huomattavasti pienempiä kuin alumiinilla. Tämän takia pinnoite halkeilee, kun pinnoitettu esine lämpenee yli 80 °C lämpötilaan. Pinnoite murtuu ja halkeilee mutta ei kuoriudu. Alumiinioksidin sulamispiste on 2 050 °C, mikä on huomattavasti korkeampi kuin alumiinin 658 °C. Alumiinioksidin heikko lämmönjohtokyky vaikeuttaa esimerkiksi alumiinin hitsattavuutta.

Alumiinin anodisointiprosessi

Perusperiaate

Alumiini reagoi itsestään ilman hapen kanssa ja muodostaa ohuen ja tiiviin alumiinioksidikerroksen, joka suojelee alumiinimetallia enemmältä hapettumiselta. Tämän alumiinioksidikerroksen paksuus on muutamia nanometrejä ja toimii suojana normaaleissa olosuhteissa, pH:n ollessa välillä 4–9. Tämä pinnoite ei kuitenkaan suojaa suoloja (esim. NaCl) vastaan, joten sen käyttö esimerkiksi meri-ilmastossa ei ole suotavaa. Ennen kaikkea tämä ohut oksidipinnoite ei suojaa kulumista vastaan.

Alumiinin luonnollista oksidipintaa voidaan vahvistaa sähkövirran avulla hapettamalla enemmän alumiinimetallia oksidiksi. Alumiinikappale upotetaan happamaan elektrolyyttiliuokseen ja liuoksen läpi johdetaan sähkövirtaa, jolloin elektrolyytissä oleva vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi. Syntynyt happi reagoi puolestaan alumiinimetallin kanssa ja muodostaa alumiinioksidia. Syntynyt pinta on huokoinen, joten loppukäyttöä varten pinnan huokoset tulee sulkea tiiviin pinnan saamiseksi.

Esikäsittely

Ennen anodisointia alumiinipinta tulee puhdistaa ensin liasta ja rasvasta sekä peitata alumiinin luontaisen oksidikerroksen poistamiseksi. Peittaus tapahtuu yleensä huuhtelemalla pinta emäksisellä liuoksella ja sen jälkeen happoliuoksella. Tarkat prosessiolosuhteet riippuvat alumiiniseoksen koostumuksesta ja halutusta pinnoitteesta.

Anodisointi

Pinnan puhdistuksen jälkeen on itse anodisoinnin vuoro. Anodisointi on elektrolyysiprosessi, jossa oksoniumionit hajoavat katodilla vedyksi ja vedeksi (1).

${\ce {6H3O+ (aq) + 6e- -> 3 H2 (g) + 6H2O}}$(1)

Anodilla metallinen alumiini hapettuu (2) alumiini(III)-ioneiksi ja siitä edelleen veden kanssa alumiini(III)oksidiksi (3). Elektrolyyttinä toimiva happo ei itse osallistu reaktioon, vaan ainoastaan parantaa liuoksen sähkönjohtokykyä.

${\ce {2 Al(s) -> 2Al^3+(s) + 6e-}}$(2)

${\ce {2 Al^3+ (s) + 9H2O (l) -> Al2O3(s) + 6H3O+(aq)}}$(3)

Näin ollen kokonaisreaktioksi tulee

${\ce {2Al(s) + 3H2O(l) -> Al2O3(s) + 6H3O+(g)}}$(4)

Anodisointiprosessi käyttää yleensä tasavirtaa joko rikkihappo- tai oksaalihappoelektrolyytissä. Anodisointia voidaan kuitenkin tehdä myös vaihtovirralla tai pulssivirralla.

Tasavirta-anodisoinnissa alumiinikappale toimii anodina ja vastaelektrodina toimii joko alumiini- tai lyijyelektrodi. Jännite on yleensä 15 ja 21 voltin välillä ja virta 30–300 A/m^2. Muuttujat kuten alumiiniseos, elektrolyytti, lämpötila, jännite, virran suuruus ja tyyppi kaikki vaikuttavat syntyvän pinnan ominaisuuksiin. Nyrkkisääntönä laimeat ja kylmät elektrolyyttiliuokset suurilla jännitteillä ja virroilla tuottavat kovia ja paksuja pintoja.

Värjäys ja huokosten sulkeminen

Tavallisten anodisointiprosessien yhteydessä kappaleet voidaan värjätä useilla eri väreillä. Väriaineiden on mahdollista kulkea kappaleen pinnalle anodisoinnissa muodostuviin huokoisiin rakenteisiin. Värjäysliuoksessa on mukana orgaaninen tai epäorgaaninen väriaine. Värjäytyminen tapahtuu nanometriluokan huokosten pinnalla adsorptiomekanismilla, jossa väriaineet kiinnittyvät anodisen pinnan vapaisiin paikkoihin.

Värjäys voidaan saada aikaiseksi myös puhtaasti sähkökemiallisin keinoin. Kappaleen väri seuraa suoraan valituista metallisista väriaineista, kuten tinasta ja tarkkaan kontrolloiduista olosuhteista. Näitä ovat metallin seostuselementit, elektrolyytti sekä käytetty lämpötila ja virrantiheys. Väriaineiden pysyvyyttä lisätään pinnan sulkemismekanismeilla.

Usein käyttökohteen niin vaatiessa, anodisoinnissa metallin pinnalle syntyvät huokoset pyritään sulkemaan. Tämä parantaa edelleen kappaleen korroosionkestävyyttä vähentämällä korroosion aiheuttajien kulkeutumisväyliä. Sulkeminen ehkäisee myös väriaineen desorptiota, eli kiinnittymiselle käänteistä prosessia.

Huokoisen rakenteen sulkemiseen on erityyppisiä tapoja. Yleisesti käytetään kuumatekniikkaa, jossa käsiteltävää alumiinikappaletta pidetään pitkään ionipuhdistetussa kiehuvassa vedessä huokosten sulkemiseksi. Tätä matalammissa lämpötiloissa huokoset suljetaan tiivisteaineen avulla ionipuhdistetussa vesiliuoksessa.

Yleisesti kromaattipohjaiset prosessit johtavat hyvään korroosionkestävyyteen, mutta kromaattiyhdisteet voivat olla myrkyllisiä. Nikkelisuolat ja fluoridit soveltuvat myös sulkemisprosesseihin, mutta ovat niin ikään haitallisia ja hankalia jatkokäsitellä. Sulkeminen voidaan suorittaa esimerkiksi nikkeliasetaatilla, natriumdikromaatilla tai natriumsilikaatilla.

Sekä kuumalla vedellä että nikkeliasetaatilla huokoset saadaan sulkeutumaan melko hyvin, mutta menetelmät heikentävät myös hieman kappaleen hankauskestävyyttä. Kappaleen huokoisen pinnan alumiinioksidi muuttuu prosesseissa osittain pehmeämmäksi böhmiitiksi. Tätä kuvaa yli 80 celsiusasteen hydrotermisessä prosessissa reaktio

${\ce {Al2O3(s) +H20(l) -> 2AlO(OH)}}$

Böhmiitin vaatima tilavuuden kasvu sulkee huokoset hyvin. Nikkeliasetaatilla on vettäkin parempi kyky huokosten sulkemiseen ja sitä voidaan käyttää matalammissa lämpötiloissa. Huokosissa tapahtuu sekasaostumisreaktio

${\ce {Ni^2+ (aq) + 2OH- (aq) -> Ni(OH)2 (s)}}$

jossa muodostuu nikkelihydroksidia. Tällä on böhmiitin kanssa yhteisvaikutuksellinen kyky parantaa korroosionkestävyyttä.

Natriumdikromaattia käytettäessä muodostuvat yhdisteet eivät täysin onnistu sulkemaan huokosia. Korroosionkeston arvellaan parantuvan muista primäärisistä syistä, esimerkiksi huokosissa esiintyvien kromaattien spontaanista kyvystä korjata pienvaurioita. Natriumsilikaatti muodostaa sulkemisprosessissa kovaa alumiinisilikaattia, jonka myötä hankauskestävyys säilyy hyvänä.

Ohuiden kalvojen anodisointi

Ohuita alle parin mikrometrin kalvoja voidaan anodisoida ja aikaansaada jopa muutaman nanometrin paksuisia kalvoja. Yleensä tämä vaatii edeltäviä kokeita sopivimman elektrolyytin, lämpötilan ja kasvatusolosuhteiden löytämiseksi ja joskus jopa anodisointilaitteen rakentamisen erityisesti tapauksissa, joissa anodioitava kalvo ei peitä koko kappaletta ja muutkin kappaleen osat voivat anodioitua ja sitä ei mahdollisesti haluta.

Muut metallit

Titaani

Titaanin anodisoinnilla saavutettava väriskaala.

Titaanin pintaan voidaan anodisoida ohut, yleensä 0–200 nanometrin paksuinen, läpinäkyvä ja tiivis oksidikerros. Vaikka oksidikerros on itsessään läpinäkyvä, anodisoidut titaanipinnat voivat muodostaa useita eri värejä valon interferenssin ansiosta. Titaanin anodisointia voidaan käyttää pinnan värjäykseen, korroosiolta suojautumiseen tai kitkan pienentämiseen.

Magnesium

Magnesiumseoksia voidaan anodisoida samaan tapaan kuin alumiiniseoksia. Anodisoitua huokoista magnesiumpintaa voidaan käyttää pohjana maalipinnalle, tai mikäli huokoset suljetaan öljyllä tai vahalla, tarjoaa anodisointi kohtalaisen suojan korroosiota vastaan.

Niobium

Niobiumia voidaan anodisoida samaan tapaan kuin titaania ja myös se muodostaa interferenssin ansiosta värikkäitä suojapintoja. Käyttökohteita ovat mm. lääketieteelliset implantit, korut ja kolikot.

Tantaali

Tantaalia voidaan anodisoida samaan tapaan kuin titaania. Tantaalia ja sen oksidia käytetään tantaalikondensaattoreissa, sillä hyvin ohut oksidikerros mahdollistaa erittäin suuren kapasitanssin kondensaattorin tilavuuteen suhteutettuna.

Puolijohteet

Seuraavia puolijohteita voidaan myös anodisoida: pii (Si), germanium (Ge), SiGe seokset, piikarbidi (SiC), GaP, InP, GaAs, GaN, CdS, CdSe, ZnTe ja CdZnTe., Lopputuloksena syntyvillä huokoisilla materiaaleilla on käyttökohteita mm. akkuteollisuudessa, aurinkokennoissa, optiikassa, antureissa, ja mikromekaanisissa rakenteissa.

Ympäristövaikutukset ja turvallisuus

Varsinaisen anodisointiprosessin eräs vahvuus on sen ympäristöystävällisyys ja turvallisuus. Prosessissa käytettäviä vesipohjaisia kemiallisia aineita on helppo käsitellä, eivätkä ne vapauta haitallisia sivutuotteita. Muodostuvia nestemäisiä sivutuotteita voidaan kierrättää anodisointiprosessissa. Kiinteät sivutuotteet voidaan eristää ja jatkokäyttää erilaisissa teollisuuden valmistusprosesseissa.

Alumiinin anodisoinnissa muodostuu pääasiassa alumiinihydroksidista ja pienessä määrin alumiinisulfaatista ja vedestä koostuva sivutuote. Tämä tuote ei sisällä juurikaan raskasmetalleja ja on vaaraton. Asianmukaisissa ja hyvin tuuletetuissa anodisointilaitoksissa työskentely on turvallista eikä vaadi kalliita erityissuojavarusteita. Suurimmat ympäristöriskit liittyvät pinnan viimeistelyprosesseissa käytettyihin yhdisteisiin, koska prosesseissa voi muodostua raskasmetalleja tai reaktiivisia yhdisteitä sisältäviä jätevesiä.

Aiheesta muualla

• Tee se itse -anodisointi