Актуальность темы.

Алюминий и его сплавы широко используются в самолето- и приборостроении, в электротехнике, бытовой технике. Для придания изделиям из алюминия высокой коррозионной стойкости, износостойкости, твердости, электроизоляционных свойств, декоративного вида их подвергают анодному оксидированию. В последнее время интенсивное развитие получило декоративное анодирование, обеспечивающее высокую светостойкость во всей цветовой гамме. Весьма перспективно в этом плане оксидирование с последующим электрохимическим окрашиванием в растворах минеральных солей. Систематические исследования этих процессов очень не многочисленны, воззрения на механизм этих процессов разноречивы. Это затрудняет эффективное решение технологических задач. Таким образом, тема работы актуальна.

Работа выполнялась в соответствии с планом важнейших НИР СГТУ по основному научному направлению "Разработка теоретических основ электрохимических технологий и материалов для химических источников тока" (№ государственной регистрации 01200205598).

Цель работы.

Изучение кинетики и механизма электрохимического окрашивания анодных оксидных пленок на алюминии и его сплавах по методу катодного внедрения.

Задачи исследования:

•исследовать влияние состава электролита оксидирования на кинетику электрохимического окрашивания алюминия и его сплавов в потенциостатическом режиме и предложить оптимальный состав электролита оксидирования, обеспечивающий наиболее качественное окрашивание анодных оксидных пленок (АОП) на алюминии и его сплавах;

•изучить влияние состава электролита оксидирования на объемный заряд окрашенных оксидных пленок;

•изучить влияние потенциала внедрения красящих катионов на объемный заряд окрашенных оксидных пленок;

•исследовать влияние природы красящего катиона и потенциала окрашивания оксидированных алюминиевых электродов на pHs приэлектродного слоя;

•измерить температуру приэлектродного слоя на оксидированных алюминиевых электродах в растворах электролитического окрашивания;

•исследовать возможность использования в качестве добавок в электролиты окрашивания твердых отходов гальванических производств;

• разработать технологические рекомендации по составу

электролита окрашивания и режиму электролиза.

Научная новизна работы.

Проведено систематическое изучение анодного окисления алюминия и его сплава АМ в водных растворах серной, фосфорной, щавелевой кислот и их смесей в широком диапазоне концентраций компонентов и при варьировании их составов. Показано влияние природы аниона на свойства и структуру АОП. Разработаны представления о механизме анодного окисления алюминия и его сплавов в концентрированных растворах кислот. Установлено, что при анодном растворении алюминия в сульфатно-фосфатных и сульфатно-оксалатных электролитах формируются поверхностные слои, обеспечивающие высокую подвижность катионов Ni (II), Cu (II) и Mg (II) в их структуре и обладающие высоким объемным зарядом. Установлены кинетические закономерности электрохимического окрашивания АОП на алюминии в широком интервале потенциалов при использовании красящих катионов различной химической природы. Показана взаимосвязь между pH приэлектродного слоя, изменением температуры AT в двойном слое и кинетикой процесса окрашивания. Установлена взаимосвязь между защитными и декоративными свойствами, светостойкостью окраски и природой и концентрацией катионных дефектов и их распределением в структуре АОП. Рассчитаны диффузионные характеристики, концентрация катионных дефектов, удельный объемный заряд окрашенных АОП. Предложена модель процесса. Разработана и научно обоснована методология направленного воздействия на свойства системы металл/оксидная пленка/электролит окрашивания, в основе которой лежит модифицирование оксидного слоя по методу катодного внедрения катионов из раствора, химическая природа которых и условия применения определяются технологической задачей.

Практическая значимость результатов работы.

Разработаны составы электролитов на основе серной, фосфорной и щавелевой кислот и режимы электролиза для нанесения анодных оксидных пленок на алюминий и его сплавы и для их электрохимического окрашивания, обеспечивающие высокие защитные свойства и светостойкость. Разработаны технологические рекомендации по использованию гальваношламов в составе электролитов окрашивания. Электролиты прошли успешные испытания и внедрены в учебный процесс. Результаты работы могут быть использованы при разработке методов и технологий получения окрашенных анодных оксидных пленок с заданными функциональными свойствами на алюминии и его сплавах в радиоэлектронике вычислительной технике, электротехнике, в бытовой технике.

Обоснование достоверности полученных результатов.

В работе использован комплекс современных, независимых, взаимодополняющих электрохимических и физико-химических методов исследования:

хроновольтамперометрия, основной потенциостатический метод,

тонкослойная хронопотенциометрия, термография приэлектродного слоя, импедансметрия, рЦ-метрия приэлектродного слоя; масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС), микроскопия поверхности, а также методы определения светостойкости, напряжения пробоя, коррозионной стойкости в соответствии с ГОСТ; при оценке воспроизводимости экспериментальных результатов использовалась методика среднестатистической оценки доверительного интервала по 3-6 параллельным измерениям, который характеризовался критерием Кохрена.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы апробированы на Международных и Всероссийских конференциях: "Современные электрохимические технологии СЭХТ-2002" (2002 г., Саратов); "Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении" (2003 г., Пенза); "Теория и практика электрохимических технологий. Современное состояние и перспективы развития" (2003 г., Екатеринбург); "Химия твердого тела и функциональные материалы" (2004 г., Екатеринбург); "Электрохимия, гальванотехника и обработка поверхности" (2001 г., Москва); "Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология" (2001 г., Саратов).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 статьи в центральной печати, 2 в реферируемых сборниках научных трудов и 2 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка использованной литературы из 184 наименований и приложения. Изложена на 163 страницах машинописного текста и содержит 74 рисунка и 35 таблиц.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) кинетические закономерности электролитического окрашивания АОП;

2) влияние потенциала и состава электролита оксидирования на концентрацию дефектов и объемный заряд в структуре окрашенных оксидных пленок;

3) взаимосвязь между природой красящего катиона, потенциалом окрашивания и pHs приэлектродного слоя;

4) взаимосвязь между температурой приэлектродного слоя и кинетикой электролитического окрашивания на