Betydelsen av infärgning och eftertätning för anodiserat aluminium

Infärgning av aluminiumprodukter kan utföras med ett stort urval av färger - vilket kräver korrekta process- och styrparametrar för att ge rätt färgkvalitet och hållbarhet. Ansvaret för att uppnå detta ligger hos den som utför anodiseringen, anodiseraren, tillverkaren av metallen, aluminiumproducenten och beställaren av tjänsten, kunden. Om anodiseraren inte använder rätt standard och produktinformation är det svårt att uppnå önskad kulör och ytfinish. Fig 1 visar en fönsterbåge, där var och en av de anodiserade delarna tydligt varierar i färg. En sådan färgavvikelse kan få vilken arkitekt eller byggfirma som helst att bli frustrerad. Exemplet visar tydligt vad som kan gå fel när kunden inte kommunicerar korrekt med sin anodiserare. Den här artikeln ger en översikt över infärgnings- och eftertätningsprocessen och förklarar vilka specifikationer och parametrar som kunden behöver diskutera med sin anodiserare för att undvika färgkatastrofer.

Fig 1. En guldanodiserad fönsterram i aluminium, som visar en oacceptabel nivå av färgskillnad mellan delarna.

Infärgningsprocessen

Även om infärgningssteget inte är nödvändigt i anodiseringsprocessen, finns där en stor möjlighet att ge aluminiumprodukten en värdeökning. Färg på produkten gör den mer visuellt tilltalande och förbättrar samtidigt användarupplevelsen. T.ex har en nödbrytare i cockpiten på ett flygplan en illröd färg för att man lättare ska kunna se den.

Men hur fungerar infärgningsprocessen och varför är den bättre att använda än målning med lackfärg? Anodiseringen skapar ett poröst oxidskikt på aluminiumytan. För de flesta infärgningsmetoder fylls dessa porer med färgämnen och tillsluts därefter. Detta skapar en högkvalitativ och korrosionsbeständig färgyta. Däremot appliceras målade beläggningar (oavsett om de är flytande eller i pulverform) ovanpå aluminiumytan, vilket gör att färgen på sikt tenderar att brytas loss och flagna av. Med andra ord, anodisering med infärgning integrerar färgen i själva aluminiummaterialet, medan en målad färg fungerar som ett extra skikt ovanpå ytan (fig 2).

Fig 2. Anodisering är en omvandlingsprocess (övre bilden), medan målning är en applicerande process där färgen ligger ovanpå aluminiumytan (undre bilden).

Förutom att generellt sett ge en bättre hållbarhet är anodisering mer miljövänlig än målade beläggningar. Detta beror på att färgerna ofta innehåller skadliga ämnen, såsom organiska lösningsmedel eller metaller (t.ex krom och nickel). Å andra sidan undviker man med anodisering användningen av organiska lösningsmedel. Anodskiktet bildas genom att basmetallen omvandlas till aluminiumoxid i en vattenbaserad process.

En annan miljöutmaning med målade beläggningar är att färgen måste tas bort innan man smälter om aluminiummaterialet. Denna förvärmningsprocess innebär att skrotet bearbetas vid en hög temperatur för att förånga färgen, vilket skapar utsläpp av flyktiga organiska föreningar (VOC). Kostnaderna ökar därmed för återvinning av aluminium, vilket gör det hela mindre lönsamt. Som jämförelse består det oxidskikt som erhålls vid anodisering av en ultratunn, ogiftig aluminiumoxid, med i huvudsak samma beståndsdelar som själva aluminiummalmen. Därför kan anodiserat aluminium återvinnas utan ytterligare bearbetning.

Typer av infärgning

Det finns i huvudsak tre processer för infärgning av anodiserat aluminium. De två vanligaste är elektrolytisk pigmentering och adsorptionsinfärgning (även känd som doppinfärgning), vilka ger olika fördelar. Den tredje metoden är interferensinfärgning, vilken ännu inte använts i så stor utsträckning.

Elektrolytisk pigmentering

Den vanligaste metoden för aluminiumprodukter som utsätts för utomhusexponering är den elektrolytiska pigmenteringen. Detta på grund av färgens höga ljusäkthet, vilket innebär att dessa typer av färgade skikt inte försämras vid exponering i UV-ljus. Ljusäktheten beror på metallavlagringar i porerna.

I processen sänks den redan anodiserade delen ner i ett kärl med en sur lösning av metallsalter. Därefter läggs en växelström på för att fälla ut metalljonerna i porerna (se fig 3). De vanligaste metallsalterna är kobolt, nickel och tenn. Tenn är vanligast, vilket ger ett färgomfång från brons till svart. Kobolt- och nickelsalter ger blått, grönt, vinrött och guldfärgat, beroende på metalljonerna som avsätts i oxidskiktet. Infärgningen som erhålls med denna metod är mycket beroende av oxidskiktets tjocklek och de legeringsämnen som finns i materialet.

Fig 3. Den elektrolytiska infärgningsprocessen avsätter metalljoner i den porösa aluminiumoxidstrukturen.

Doppinfärgning

Vid doppinfärgning sänks det porösa oxidskiktet, direkt efter anodiseringen, ner i en organisk eller oorganisk färglösning. Färgämnet i lösningen flyter in i oxidskiktets öppna porer och fyller dem i dess övre del (fig 4). Fördelen med denna metod är att den är enkel och billig att använda, då den bara kräver installation av ett infärgningskärl med värmeelement.

Fig 4. I doppinfärgningsprocessen fylls färgen i de öppna porerna i oxidskiktet.

Valet av en organisk färglösning ger en oändlig möjlighet till färger. Ljusäktheten hos dessa färger är dock ofta relativt låg jämfört med den elektrolytiska infärgningsmetoden. Färgens intensitet påverkas också av andra parametrar, såsom oxidskiktets tjocklek och struktur, färgämnets koncentration, doppningstid och temperatur.

Interferensinfärgning

Interferensinfärgning introducerades på marknaden 1984. Den får sin färgeffekt genom interferens av synliga våglängder snarare än av ljusspridningen (som för de två första metoderna ovan). För interferensinfärgning har ett steg mellan anodiserings- och infärgningssteget införts, vilket gör det till antingen en två- eller en trestegsprocess. Detta extra steg kan ibland vara en fosforsyrabehandling som ökar porernas bredd med så mycket som 80 % i botten, lika med en halv till en mikron oxidskikt. Metoden förändrar i huvudsak den porösa strukturen hos aluminiumoxiden och utökar därmed färgspektrumet (fig 5). De erhållna färgerna sträcker sig från blått till grönt och rosa.

Fig 5. I motsats till andra metoder vidgar interferensinfärgningsprocessen den porösa strukturen, vilket förändrar aluminiumets färgspektrum.

Ger infärgning som ej flagnar

Liksom exemplet med fönsterramen i fig 1 visar, behöver anodiseraren ha bakgrundsinformation om aluminiumdelarna som ska anodiseras för att erhålla ett enhetligt resultat. Vid arbete med en anodiserare bör kunden därför inkludera detaljerade specifikationer i inköpsordern, inklusive vilka aluminiumlegeringar som används, deras metallurgiska historia, acceptabla lägsta och högsta färgvärden (uppmätta med en spektrometer) samt önskad skikttjocklek.

Både val av legering och skikttjocklek har stort inflytande på färgvariationen hos den anodiserade ytan (tabell I). Före anodiseringen reflekterar en 99,99% renaluminiumlegering bara 90% av ljuset. Även om aluminiumet är nästan 100 % rent är anledningen till att det inte reflekterar 100 % av ljuset att det fortfarande finns små mängder järn och andra föroreningar, som måste hållas väldigt låga (≤ 0,1 %) för att erhålla högglänsande ytor. Legeringsämnen minskar också metallens reflektionsförmåga, där en 99,5 % ren aluminiumlegering bara reflekterar 75 % av ljuset före anodisering.

Dessutom, när oxidskiktet blir tjockare, ändras reflektionsförmågan för ljus ännu mer, vilket resulterar i ett mattare ytutseende. Som tabell I visar, när oxidskiktet har en tjocklek av 20 mikron, minskar reflektionsförmågan till 85 % för den rena aluminiumlegeringen och ner till 15 % för 99,5 %-legeringen.

Förbehandlingssteget är också en viktig del för att uppnå en fulländad oxidbeläggning (som skrivits om i en tidigare artikel). Detta beror på att aluminiumoxiden som produceras genom anodiseringen är genomskinlig. När ljus passerar genom den bildade oxidfilmen reflekteras den i metallytan under oxiden. Ljuset sprids av de många små porerna och ”partiklarna” inuti oxidfilmen, liksom i den uppruggade ytan som skapats av förbehandlingssteg som etsning eller maskinbearbetning.

Eftertätning av anodiserat aluminium

Det sista steget i anodiseringsprocessen är att försegla den porösa strukturen. Detta steg säkerställer en långvarig ytfinish, som kommer att hålla aluminiumytan skyddad i många år - om det görs på rätt sätt. I motsats kommer dålig eftertätning att lämna aluminiumporerna öppna för strukturella och fysiska skador. Detta beror på att den porösa oxidstrukturen är mycket adsorberande, vilket gör att vatten eller aggressiva ämnen kan tränga in i porerna, vilket minskar korrosionsskyddet och får färgen att blekna.

Olika eftertätningsmetoder finns tillgängliga, och valet av rätt metod beror på produktens slutliga användarmiljö. Det är därför viktigt att diskutera tillämpningen av förseglingssteget med anodiseraren för att välja rätt utförande. Eftertätningsmetoderna beskrivs enligt följande:

Varmvattentätning är förmodligen den vanligaste tätningsmetoden. Den består uteslutande av kokande avjoniserat vatten.

Eftertätning vid mellantemperatur i en metallsaltlösning kräver mindre tid och spar värmeenergi jämfört med varmvattentätning.

Rumstempererad eller kall eftertätning är en kemisk process som i högre grad involverar impregnering än igensättning av porerna.

Dikromateftertätning är en metod som omfattar användning av sexvärt krom (Cr6+). Metoden bör undvikas om produkten ska vara miljövänlig. Slutsats Bra anodiseringsresultat beror inte bara på anodiserarens kompetens. En öppen kommunikation mellan kund och anodiserare är nyckeln till att erhålla anodiserade ytor med exakt de egenskaper som önskas och utan färgvariationer eller dålig eftertätning. När man skickar aluminiumdelar till en anodiserare bör man diskutera infärgnings- och efterbehandlingskraven för att avgöra vilken processteknik som bör användas. Dessutom bör kunden förse anodiseraren med information om aluminiumdelens legerings- och metallurgiska historia, samt miljön där slutprodukten ska användas. Försedd med grundläggande kunskaper om efterbehandling vid anodisering och de rätta frågorna att ställa till anodiseraren, kommer aluminiumtillverkaren att se till att deras nästa order blir en succé.