Почти все металлические детали чем-то покрыты – для увеличения коррозионной стойкости, твердости или для связывания с другими деталями. По мере того, как расширяется использование различных новых сплавов, растет необходимость в защите этих материалов от окисления – с использованием покрытия правильного типа и рассчитанной толщины. Анодирование – один из процессов, использующийся для защиты металлических поверхностей.Увеличивая толщину оксидного слоя, процесс анодирования повышает коррозионную стойкость и износостойкость металлической поверхности. Эту технологию часто используют для обработки алюминиевых деталей; полученный в ходе электрохимической пассивации слой окиси алюминия, как правило, плотный, гладкий и прочный. Это особенно важно для высокопрочных алюминиевых сплавов, так как они обладают повышенной склонностью к коррозии из-за высокого содержания легирующих элементов. Сплавы на основе титана, цинка или магния также можно анодировать.
Свойства анодированных материалов зачастую сильно отличаются от таковых для неокисленного металла основы. Эти свойства бывают очень критичны, особенно при использовании материала в высокопроизводительных конструкциях. По сути, единственным фактором, определяющим эти свойства, является толщина оксидного слоя. Ее определяют поданное напряжение и время проведения анодирования. Вдобавок к этому существуют несколько разных типов анодирования, различающихся преимущественно типом электролита, в котором происходит процесс. В частности, различают анодирование с помощью хромовой, серной, а также смеси борной и серной кислот. В результате каждого из этих процессов получаются покрытия с несколько различными свойства, причем зачастую визуально эти покрытия различить невозможно. Вдобавок к этому, детали могут дополнительно обработаны после анодирования – речь идет о термической обработке и порошковом или тефлоновом покрытии. Естественно, что встает вопрос о том, правильно ли прошли процессы анодирования и последующей модификации поверхности.
Традиционно для идентификации типа и определения толщины анодированного покрытия используются разрушающие методы анализа. Для выявления типа покрытия обычно применяют атомную спектроскопию – анализ производится по примесным пикам кислот, оставшихся в покрытии. Однако пассивированный материал может содержать небольшие количества хрома или серы, не имеющие отношения к процессу анодирования, что вносит серьезную неопределенность в результаты анализа. Для определения толщины анодирования, как правило, используется гравиметрический метод. Покрытие растворяется в кислоте, его толщина определяется по разности массы образца перед и после растворения. Этот анализ занимает много времени, грешит частыми ошибками, не говоря уже об использовании опасных реагентов. Вследствие деструктивной природы всех вышеперечисленных методов, анализ иногда просто не проводится, несмотря на то, что неправильный тип анодирования или толщина покрытия могут сильно ухудшить эксплуатационные характеристики детали.
ИК-спектроскопия – неразрушающий метод идентификации и анализа анодированных покрытий. Оксид алюминия пассивирующего покрытия имеет очень характерный ИК-спектр, меняющийся в зависимости от использованного процесса анодирования. Но, поскольку анализ методом ИК Фурье-спектроскопии традиционно выполняется в лабораторных условиях, исследование свойств анодированного слоя с помощью этого метода каких-либо преимуществ, в общем, не несет – все равно от большого образца придется отрезать кусок.
Напротив – с использованием портативного ИК Фурье-спектрометра Экзоскан возможна идентификация анодированного покрытия и анализ его толщины in situ – в цеху, на складе, в полевых условиях. Специально подобранная оптика позволяет добиться максимальной производительности, что делает анализ быстрым и простым. Для исследования анодированных поверхностей используется насадка зеркального отражения – ИК-излучение Экзоскана отражается под углом в 45° и попадает на детектор. Анализ спектров проводится в диапазоне от 4000 до 650 см-1 с разрешением 4 см-1.
Идентификация типа покрытия
ИК-спектр анодированного материала практически не характеризует основу материала, скорее, он определяет особенности процесса анодирования. В результате разных процессов образуются различные по структуре и размерам кристаллы оксида алюминия, что отражается на ИК-спектрах. При этом, набрав достаточное количество данных в библиотеки спектров, можно определить, какой именно процесса анодирования использовался. Анализатор Экзоскан позволяет проводить данный анализ без разборки и тем более разрушения больших конструкций. На рис. 1 показаны спектры трех различных образцов алюминия, анодированных смесью борной и серной кислот.
Рис. 1
Первый образец образец сделан из сплава 2024 (аналог Д16), второй – из сплава 7075 (аналог В95), третий получен из литейного алюминия. Видно, что, хотя в ИК-спектрах и есть различия, они не очень существенные. Необходимо отметить, что первые два образца имеют очень гладкую поверхность, а последний – большое количество шероховатостей, что, однако, никак не повлияло на качество спектра. Это является наглядной демонстрацией того, что хорошие ИК-спектры могут быть получены даже на плохо отражающих поверхностях.
Также были получены ИК-спектры анодированных поверхностей, полученных в результате трех разных процессов – анодирования серной, хромовой кислотой и смесью борной и серной кислот (рис. 2). Легко заметить, что в каждом случае получаются различные спектры, что позволяет легко идентифицировать тип анодирования.
Рис. 2
На рис. 3 показана работа программного обеспечения анализатора Экзоскан: сравнение полученного спектра и эталонного спектра из библиотеки с выдачей степени совпадения.
Рис. 3
Толщина анодированного покрытия
Для демонстрации возможностей анализатора Экзоскан по количественному измерению толщины анодированного слоя несколько образцов из сплава 2024 (Д16) пассивировали действием смеси борной и серной кислот, после чего поверхность проанализировали Экзосканом. Содержание оксида алюминия на поверхности находилось в диапазоне 66-374 мг/кв.фут (71-403 мкг/см2). Спектры 5 образцов с различной толщиной оксидного слоя представлены на рис. 4.
Рис. 4
Максимум интенсивной полосы Al-O наблюдается при 1128 см-1. Интенсивность в максимуме этой полосы дает четкую квадратичную зависимость от концентрации оксида алюминия с высоким коэффициентом корреляции R2 – 0,995 (рис. 5).
Рис. 5
Заключение
Множество различных покрытий используются для получения коррозионностойких и прочных материалов. Для обеспечения подтверждающего контроля необходимо контролировать как тип покрытия, так и его толщину. ИК Фурье-спектроскопия может идентифицировать множество типов покрытий на алюминиевых и других сплавах. Даже тонкий слой, полученный при анодировании, может быть идентифицирован и количественно оценен в полевых условиях с использованием портативного анализатора Экзоскан.