Anodeerimine

Anodeerimine ("anodizing") on elektrokeemiline protsess, mille käigus paksendatakse metallist valmistatud objektide naturaalset oksiidikihti. Anodeerimiseks nimetatakse seda protsessi seepärast, et objekt, mille oksiidikihti soovitakse suurendada, on ühendatud vooluallika anoodelektroodiga.
Anodeerimine suurendab metallist objektide korrosiooni- ja kulumiskindlust ning tagab parema adhesiooni ehk nakkuvuse erinevate kruntvärvide ja liimidega, mida töötlemata metalli pind aga ei suuda nii hästi tagada. Anodeerimisprotsess on rakendatav teatud metallidele ja nende sulamitele, millel moodustuv oksiidikiht on stabiilne ja tihe. Eelkõige kasutatakse anodeerimist alumiiniumist valmistatud objektide kaitsmiseks, kuid anodeerimist on võimalik rakendada ka titaanile, tisngile, tsirkooniumile, nioobiumile ja hafniumile. Rauasulamite puhul anodeerimist kasutada ei saa, kuna moodustunud oksiidikiht ei ole stabiilne ega ka tihe ning materjal korrodeerub.
Anodeerimine muudab ühtlasi metallilise objekti mikroskoopilist pinnastruktuuri, muutes ka kristallilist struktuuri pinnalähedases alas. Paksemad anodeeritud pinnakatted on tavaliselt poorsemad ning saavutamaks head korrosioonikindlust, tuleb neid objekte töödelda mingi tihendava materjaliga. Anoodkiled on ühtlasi tugevamad ja tunduvalt püsivamad kui erinevad orgaanilised värvid ja lakid, aga võivad olla kohati ka väga rabedad. Sellistesse kiledesse ei teki mõrasid, kui metallist objekt vananeb või kulub, kuid mõrad võivad tekkida termopingete tagajärjel.
Ajalugu.
Esimest korda võeti anodeerimine tööstuses kasutusele aastal 1923 selleks, et kaitsta duralumiiniumist vesilennukite detaile. Algselt kasutati sellel protsessil kroomhapet ning seda hakati kutsuma Bengough-Stuarti protsessiks. Peatselt hakati protsessis kasutatavat elektrolüüti varieerima ning esimese väävelhappes anodeerimise patenteerisid Gower ja O'Brien aastal 1927. Väävelhappes anodeerimine võeti kohe väga laialdaselt kasutusele ning seda kasutatakse tänapäevani
Oblikhappes anodeerimine patenteeriti esimesena Jaapanis aastal 1923 ning seda kasutati laialdaselt erinevates arhitektuurielementides Saksamaal. Anodeeritud alumiiniumist eenduvad detailid olid väga populaarsed arhitektuuris 1960. ja 1970. aastatel, kuid tänapäeval on see meetod välja vahetatud plastikute ja odavamate pulberkatete vastu. Fosforhappes anodeerimine on viimasel ajal läbi teinud olulise arengu ning seda kasutatakse sageli eeltöötlusena enne liimimist või värvimist.
Protsess.
Enne anodeerimise alustamist tuleb anodeeritav metall puhastada mustusest, s.h rasvadest ja õlidest, mis on objektile kogunenud. Selleks tuleb objekt asetada anumasse, milles sisaldub rasva ja mustust eemaldav aine, näiteks NaOH, mis söövitab kergelt metalli. Samuti võib puhastuslahuseks olla erinevate suhteliselt kangete hapete segu.
Protsessi viiakse enamasti läbi happelises vesilahuses ning vooluallika abil. Anodeeritav metall kinnitatakse vooluallika anoodelektroodile ning sukeldatakse lahusesse. Vastaselektroodina kasutatakse sageli inertsest metallist anodeerimisanumat (-vanni) s.t vooluallika katoodelektrood kinnitatakse anodeerimisvanni külge, mis tagab ühtlase oksiidikihi moodustamise ka keerukatel detailidel.
Töödeldavale metallile tekib anodeerimise käigus teatud paksusega oksiidikiht. Elektrit juhtivast vesilahusest (elektrolüüdist) lastakse läbi alalisvool ning metallobjekt on kinnitatud anoodile ehk vooluallika positiivsele elektroodile.Vee elektrolüüsi käigus tekivad vesinik ja hüdroksüülioonid, millest viimased tõmmatakse anoodile. Hüdroksüülrühmade redutseerimisel tekib anoodi läheduses atomaarne hapnik, mis võib reageerida metalliga ning metalli pinnale moodustub oksiidikiht. Kuna anoodi lähedus on rikastatud ka hüdroksüülioonidega, võib anodeeritavasse kihti lisanduda ka metalli hüdroksiidi. Anodeerimiseks vajalik pinge tuleb valida vastavalt anodeerimislahusele ja anodeeritavale metallile. Selleks, et väävelhappes või orgaanilistes hapetes oleks võimalik anodeerimise käigus moodustada metallile paksem oksiidikiht, tuleb kasutada suuremaid pinge väärtusi.
Metalli anodeeritakse happelises keskkonnas, mis söövitab kergelt oksiidikihti. Söövitamist tasakaalustab oksiidkihi küllaltki kiire kasvamine, mille käigus tekivad oksiidikihti 15–150 nm läbimõõduga poorid. Need poorid lubavad elektrolüüdi lahusel ja alalisvoolul siseneda metalli pinnale ning järjest kasvatada oksiidikihti tema pinnal. Samuti võivad need tekkinud poorid olla ka kahjulikud, kuna pooridest saab nii vesi kui ka õhk ligi alusmetallile ning nii võib tekkida aluspinna kahjustumine korrosiooni tagajärjel. Selle vältimiseks täidetakse kas terve pind või ainult poorid mingi poore sulgeva või tihendava materjaliga.
Oksiidikihi paksus sõltub tugevasti anodeerimisel rakendatavast pingest ning oksiidikihi kasvukiirus sõltub voolutihedusest ehk kui suur vool läbib teatud mõõtmetega pinda. Metallile moodustuva kihi paksus sõltub ka anodeerimislahuse söövitamise kiirusest, anodeerimise käigus peab olema lahuse söövituskiirus väiksem kui oksiidikihi kasvukiirus. Anodeerimislahuse temperatuur mõjutab samuti kasvava oksiidikihi paksust, sest temperatuuri tõustes on lahuse söövituskiirus suurem, aga kui temperatuur viia külmumispunkti lähedale, siis langeb söövitamise kiirus järsult, muutudes väga väikseks.
Oksiidikihi paksust ja struktuuri saab küllaltki täpselt ja korratavalt reguleerida rakendatava pinge, voolutugevuse, kasutatava lahuse, aja ja temperatuuriga.
Plasmaanodeerimine.
Plasmaanodeerimine ("plasma electrolytic oxidation") on elektrokeemiline pinnatöötluse protsess, mille käigus moodustub metallile oksiidikiht. Plasmaanodeerimine on sarnane protsess anodeerimisega, kuid selle käigus rakendatakse kõrgemaid potentsiaali väärtusi kui tavalise anodeerimise käigus. Plasmaanodeerimise käigus toimub metallipinnal elektriline läbilöök, mis ilmneb sähvatuse näol ning selle tulemusena tekib läbilöögi piirkonnas plasma, mis muudab oksiidikihtide struktuuri. Sellist tüüpi anodeerimist kasutatakse, et kasvatada metalli pinnale paksu (10–1000 μm) ja kristallilist oksiidikihti. Meetod on rakendatav anodeeritavatele metallidele, nagu magneesium, alumiinium ja titaan. Tänu plasmaanodeerimisele on võimalik muuta metallist objektid kulumiskindlamaks ning vähendada korrosiooni tekkimise võimalust objektil.
Oksiidikiht, mis kasvatatakse alusmetallile plasmaanodeerimise käigus, sisaldab alusmetalli osakesi. Tekkinud oksiidikihil on väga hea nakkuvus alusmetalli pinnaga, kuna oksiidikiht kasvab nii sisse- kui ka väljapoole metallipinda.
Plasmaanodeerimise protsess.
Objektid, mida soovitakse oksiidikihiga katta, sukeldatakse elektrolüüti, milleks tavaliselt kasutatakse mõnda aluselist vesilahust. Elektrokeemilises rakus on positiivse elektroodi külge kinnitatud objekt, millele soovitakse oksiidikihti kasvatada ning vastaselektrood kinnitatakse inertsest metallist valmistatud anodeerimisnõu külge. Protsessi käigus rakendatakse kahe elektroodi vahel küllaltki kõrget pinget, selleks et saaks moodustuda plasma ning omakorda kristalliline struktuur oksiidikihis. Pingeväärtus tuleb valida vastavalt alusmetallile ja kasutatavale elektrolüüdile.
Titaani anodeerimine.
Titaanile on võimalik kasvatada anodeerimise käigus oksiidikiht paksusega 30 nm kuni mõni mikromeeter. Oksiidikihi paksust saab varieerida protsessis rakendatava pinge muutmisega ning kasutades erinevaid elektrolüüte. Oksiidikihi värvus sõltub sellest, kui paks on moodustunud oksiidikiht metalli pinnal. Oksiidikihi värvus on seletatav valguse interferentsiga õhukestelt kiledelt. Anodeerimist kasutatakse mitmesugustes rakendustes, sealjuures erinevatele ehetele tooni andmiseks. Näiteks võib anodeerimisega toonida erinevaid sõrmuseid ja rõngaid, mida kasutatakse iluagustamisel. Anodeerimise abil on võimalik pikendada erinevate titaanist valmistatud objektide eluiga ning muuta nad kulumis- ja korrosioonikindlamaks. Anodeeritud titaan on biosõbralik ning organism ei tõrju anodeeritud metalli kehast välja. Tänapäeval kasutatakse titaani erinevate implantaatide valmistamiseks ning anodeerimine pikendab implantaatide kasutusaega organismis.