Metody obróbki powierzchniowej aluminium

Obróbka powierzchniowa aluminium wpływa na właściwości użytkowe metalu, dzięki czemu daje szersze możliwości jego wykorzystywania. W zależności od zastosowanej metody, obróbka może polegać na oddziaływaniach fizycznych, chemicznych, termicznych i elektrochemicznych, a także stanowić ich połączenie. Różne mogą być także efekty tego typu procesów. Sposób obróbki powierzchni może zmienić wygląd metalu, a także jego właściwości.

Na czym polega obróbka powierzchniowa stopów metali?

Elementy wykonane z różnych stopów metali są zwykle wykorzystywane ze względu na swoje właściwości wytrzymałościowe. Zazwyczaj są to też cechy związane z innymi parametrami fizyczno-chemicznymi. W grę wchodzi tu m.in. przewodzenie ciepła lub prądu, odporność na substancje chemiczne, a także na wysoką temperaturę. Do tego niezbędne jest na ogół nadanie elementowi odpowiedniej geometrii przez obróbkę plastyczną, związaną z jego odkształceniem. Potrzebna może być także obróbka skrawaniem, łączącą się z usunięciem zbędnego naddatku lub obróbka termiczna, polegająca na upłynnieniu oraz wypełnieniu surowcem formy, tak by po zakrzepnięciu i wystudzeniu uzyskać potrzebne wymiary. Aby metal był w pełni użyteczny, ważne jest też odpowiednie wykończenie powierzchni. W zależności od przeznaczenia w grę może wchodzić ulepszenie warstwy zewnętrznej lub wytworzenie specjalnej powłoki – wyjaśnia przedstawiciel firmy Anodal, specjalizującej się w anodowaniu aluminium oraz obróbce mechanicznej aluminium i stali.

Celem obróbki powierzchni może być uzyskanie wymaganej dokładności wymiarowej, określonego poziomu gładkości, umocnienie warstwy wewnętrznej, zabezpieczenie przed różnymi warunkami zewnętrznymi, a także nadanie jej odpowiedniej estetyki. Do metod obróbki zaliczamy techniki wykorzystujące własności plastyczne metalu – np. utwardzanie przez zgniot, który może być osiągany na różne sposoby, m.in. dynamicznie przez nagniatanie, kulkowanie lub młotkowanie. W grę wchodzą też procesy termiczno-chemiczne, które umożliwiają wprowadzenie do jego struktury różnych dodatkowych pierwiastków. Jest to możliwe m.in. w wyniku nawęglania, azotowania oraz dyfuzji innych metali, poprawiających właściwości warstwy powierzchniowej. Powszechnie używa się różnych metod obróbki skrawaniem. Usuwa się w nich warstwy naddatku o bardzo małej grubości, uzyskując potrzebną tolerancję wymiarową. Efekt można też uzyskać, ograniczając chropowatość przez zmniejszanie wielkości nierówności powierzchni i rozbieżności między nimi.

Metodami obróbki, które wpływają na gładkość związaną z właściwościami materiału np. z osiąganą adhezją różnych substancji oraz wygląd jest obróbka ścierna. Przydatne są zwłaszcza różne techniki polerowania. Będą to takie procesy jak szlifowanie oscylacyjne i honowanie umożliwiające osiągnięcie wymaganej gładkości potrzebnej np. do pasowania elementów, czy też ograniczenia występującego między nimi tarcia. Do wpływania na wygląd używa się rozmaitych technik polerowania. Są one zwykle wykorzystywane do uzyskania odpowiedniej jednorodności i połysku lub głębokiego matu. Ważnymi procesami jest także barwienie powierzchni. Ma ono znaczenie zwłaszcza w przypadku różnych metalowych wyrobów użytkowych.

Równie ważnym procesem może być wykonywanie powłok zabezpieczających przed zjawiskami korozyjnymi. Metalom zagraża przyspieszone utlenianie następujące na powierzchni oraz głębiej w strukturze materiału. Prowadzi to do osłabienia jego wytrzymałości i pękania. Równie istotna jest korozja powierzchniowa, która dodatkowo wpływa na estetykę powierzchni. Metodami ograniczania niszczenia metalu jest nakładanie lub tworzenie warstw ochronnych. Ich skład może być różny w zależności od istniejących zagrożeń oraz dodatkowych wymogów co do estetyki trwałości bądź odporności na czynniki mechaniczne lub termiczne.

Mechaniczna obróbka powierzchni aluminium

Aluminium i jego stopy są metalami o szczególnych jak na tę grupę materiałów właściwościach. Liczy się przede wszystkim ich niewielka gęstość, sprawiająca, że wykonane z nich elementy wyróżniają się niedużą masą. Znaczenie ma także możliwość tworzenia stopów, które zachowując tę cechę, są jednocześnie bardziej wytrzymałe na obciążenia mechaniczne. Sprawia to, że uzyskują one znakomitą relację odporności w stosunku do objętości i masy. Aluminium odznacza się zdolnością do samoistnego pokrywania się tlenkiem ograniczającym i spowalniającym korozję. Do jego zalet należy bardzo dobre przewodnictwo cieplne oraz elektryczne, a także podatność na różne metody obróbki. Aluminium ma jednak także słabsze z punktu widzenia przydatności strony. Należy do nich przede wszystkim dość niska granica plastyczności, niewielka twardość powierzchni oraz niska temperatura topnienia. Przy zastosowaniu właściwie dobranych metod obróbki powierzchniowej parametry aluminium i jego stopów można jednak znacząco poprawić.

Wykańczanie powierzchni jest często stosowane w przypadku wszystkich metali. Jego znaczenie jest jednak szczególnie duże w przypadku aluminium. Wynika to z tego, że jest ono często wykorzystywane bez dodatkowych powłok malarskich. Jeśli chodzi o możliwości mechanicznej obróbki powierzchni aluminium, to pozwalają one na podniesienie jednorodności i wpływanie na wygląd zewnętrznych warstw materiału. Często są stosowane jako część innych procesów lub przygotowanie do ich wykonania. Wśród najpopularniejszych metod znajduje się m.in. szczotkowanie, polerowanie oraz szkiełkowanie metalu. Podczas szczotkowania aluminium daje się uzyskać fakturę, z równomiernie rozłożonymi ryskami, która ma charakter dekoracyjny. W pewnym zakresie umożliwia to też pozbycie się niektórych drobnych niedoskonałości związanych z wcześniejszą obróbką. Powierzchnia aluminium po szczotkowaniu charakteryzuje się lekko matowym i jedwabistym wyglądem. Nadaje się on do wykorzystania we wszystkich elementach ozdobnych. Bardzo często szczotkowanie jest przygotowaniem aluminium do anodowania.

Polerowanie aluminium jest wykonywane tak, jak w przypadku pozostałych gatunków metali. Stosuje się je po szlifowaniu lub innych metodach obróbki. Jego celem jest uzyskanie powierzchni o dużej gładkości. Wiąże się z tym dodatkowo walor estetyczny, polegający na odbijaniu padających na nią promieni światła i tworzeniu efektu lustra. Polerowanie jest przeprowadzane przez użycie ścierniwa o bardzo małej gradacji. Wyrównuje ono wszelkie nierówności, jednak usuwa warstwę o bardzo niewielkiej grubości.

Innym sposobem obróbki powierzchni jest szkiełkowanie aluminium. Zalicza się je do obróbki strumieniowo-ściernej. Wykorzystywany w niej materiał w postaci bardzo drobnych szklanych kulek jest wyrzucany za pomocą strumienia powietrza. Kuleczki mają znaczną energię kinetyczną. Uderzając w powierzchnię, likwidują nierówności i zarysowania, a częściowo także umacniają powierzchnię metalu. Powierzchnia poddana temu zabiegowi staje się więc bardziej jednorodna, i matowa.

Anodowanie aluminium

Procesem, który pozwala na uzyskanie różnych, nakładających się na siebie efektów jest anodowanie aluminium. Wiąże się ono z wytworzeniem specjalnej powłoki na powierzchni metalu. Za pomocą anodowania można zwiększyć odporność aluminium na procesy korozyjne. Będzie tak zwłaszcza wówczas, gdy na metal działają różne  związki chemiczne. Ze względu na większą grubość powstającej powłoki niż przy samoistnym pokrywaniu się aluminium tlenkiem poziom ochrony jest tu znacznie większy. Anodowanie oznacza także utwardzenie powierzchni materiału oraz zwiększenie jego odporności na ścieranie. Będzie tak zwłaszcza w przypadku grubszych powłok. Przy anodowaniu może ulec zwiększeniu odporność temperaturowa aluminium. Anodowanie ma wpływ na wygląd metalu, który w wyniku tego procesu może zmienić barwę w zależności od rodzaju wykorzystanych środków.

Obróbka powierzchni aluminium w procesie anodowania polega na sztucznym wywołaniu procesu utleniania. Powstała warstwa tlenku pełni funkcję bariery odcinającej możliwość kontaktu z czynnikami zewnętrznymi. Przyspieszone utlenianie jest możliwe dzięki zanurzeniu metalu w odpowiednio dobranym elektrolicie np. kwasie siarkowym, szczawiowym, chromowym albo fosforowym. Proces zachodzi w szybkim tempie dzięki przepływowi prądu, umożliwiającemu uwalnianie jonów Al3+ oraz ich łączenie się z tlenem w warstwie przylegającej do powierzchni, a także przyrastającej na niej na zewnątrz. W procesie anodowania utlenianie zachodzi więc zarówno w głąb metalu, jak i na nim. Prowadzi to do nieznacznego powiększenia rozmiarów materiału w zależności od grubości powłoki od kilku do nawet kilkuset mikrometrów.

Anodowanie zachodzi w środowisku wywołującym jednoczesne rozpuszczanie się powstającej powłoki. Powierzchnia staje się więc w jego wyniku chropowata. Dla poprawienia gładkości musi zatem zostać wypełniona odpowiednimi związkami. Proces ten zachodzi przez zanurzanie elementu w wodzie destylowanej dichromianianie (VI) sodu lub magnezu i nosi nazwę uszczelniania aluminium. W sytuacji, gdy w ramach anodowania aluminium ma być koloryzowane, do powstałych w warstwie anodowanej kanalików są wprowadzane barwniki. Barwienie może zachodzić dzięki procesowi chemicznemu (barwniki organiczne) lub elektrolitycznemu, podczas którego osadzają się w nim cząsteczki odpowiednio dobranego metalu np. miedzi czy cyny

Obróbka powierzchni za pomocą anodowania może dać dobre efekty wizualne. Często wpływa też znacząco na użyteczność metalu. Grube powłoki powstające w ramach anodowania twardego w dużym stopniu podnoszą odporność na ścieranie i twardość powierzchniową. Sprawiają także, że metal jest izolowany elektrycznie, a ponadto odporny na czasowe oddziaływanie wysokich temperatur. Za sprawą anodowania można więc uzyskać element, który przy masie zbliżonej do czystego aluminium oferuje wytrzymałość podobną jak stal.