Anodizado
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UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS (MOSTOLES)
Anodización del Aluminio
Prácticas de Diseño de Equipos
Marta Osuna Garrido
22/04/2010
Anodización del Aluminio
Marta Osuna Garrido
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INDICE
1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y CÁLCULOS. .................................................... 3
2. CUESTIONES. ..................................................................................................................... 6
3. BIBLIOGRAFIA. ................................................................................................................ 10
Anodización del Aluminio
Marta Osuna Garrido
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1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y CÁLCULOS.
El aluminio desde el punto de vista de la termodinámica debe tener una velocidad de corrosión
muy alta, pero esto no sucede porque al ponerse en contacto con el oxigeno se forma una capa
de alúmina (Al2O3) que tiene características cerámicas y que es muy fina (del orden de
nanómetros), compacta y adherente. Es transparente y se puede ver el brillo metálico. Esta capa
tiene alta resistencia a la corrosión.
En la práctica se generará esa capa pasiva de manera artificial con un método electrolítico en
cuatro grandes etapas:
I. Etapa de limpieza, desengrase y decapado. Las piezas tienen suciedad, polvo... que se
limpiaran con acetona para limpiar la superficie.
Para el decapado se prepara una disolución (0,5L) de NaOH al 10% en peso. Se calcula
la masa de sosa que hay que coger para su preparación, para la preparación de
disoluciones se considera que la masa de disolución es igual que el volumen de agua
utilizado y por tanto que 1 Kg equivale a un litro dada su densidad (ρagua =1 g/cm3).
10% 𝑝
𝑝 =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑂𝐻
500 𝑔 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛· 100
m (NaOH) = 50 g
Se calienta la disolución hasta llegar a unos 50ºC y se introducen las chapas de aluminio
(las chapas son de una aleación de aluminio). Esto eliminará la alúmina formada
espontáneamente por contacto con el aire (esta capa es compacta y fina). Se tienen 5
minutos en la disolución de sosa, se sacan y se limpian con agua. Se mide la chapa
obteniendo los siguientes datos.
Tabla 1. Medidas de la chapa a estudio.
Chapa
Ancho 24,75
Largo 100,09
Espesor 1,49
II. Etapa electrolítica o de corrosión. Se usará una disolución ácida de 1 L de H2SO4 al
16% en peso. Se prepara la disolución y se coloca la chapa dentro a temperatura
ambiente con agitación. La disolución a preparar es:
% 𝑝𝑒𝑠𝑜 =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 H2SO4
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛· 100
0,16 =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 H2SO4
1000 𝑔
m(H2SO4) =160 g
La masa obtenida no tiene en cuenta la pureza del acido sulfúrico comercial por lo que
teniendo una pureza de 96% se necesitarán mas gramos para un 100%.
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160g → 96%
x→ 100 %
𝑥 =160 · 100
96= 166,67 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 H2SO4
Para el cálculo del volumen es necesario el uso de la densidad del H2SO4 (ρácido = 1,84
g/cm3) por estar en estado líquido.
v H2SO4 =166,67g
1,84 g/cm 3 = 90,58 cm3 = 90,58 mL
Por tanto se toman 90,58 mL de H2SO4
La chapa a estudiar será el ánodo y se conectara al polo positivo de la fuente y las otras
dos chapas serán los cátodos que colocadas paralelamente a los dos lados del ánodo,
serán el polo negativo.
Hay que sumergir solo una superficie total de 0,25 dm2, se calcula cuanto del largo
tenemos que sumergir:
La longitud (x) de la superficie sumergida es:
2·(e· L) + 2· (a·L) + (a·e) = 0,25 ·104 mm
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Siendo:
e = espesor de la chapa (1,49 mm)
x = longitud a sumergir
a = ancho (24,75 mm)
Se despeja x de la ecuación quedando:
𝑥 =2500 − 24,75 · 1,49
2 · (24,75 + 1,49)= 46,93 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑜 ℎ𝑎𝑦 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑟
100,09 mm
24,75 mm
1,49 mm
x
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Se pone una intensidad al circuito, que hay que calcular, para tener una intensidad de
corriente icorriente = 1,5 A/dm2 y que la superficie total sumergida sea 0,25 dm
2. Por tanto
la intensidad será:
𝑰 = 𝒊𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 · 𝑺 = 𝟎,𝟐𝟓 · 𝟏,𝟓 = 𝟎,𝟑𝟕𝟓 𝑨
Acabado el proceso se habrá obtenido:
o Una capa parecida a la capa espontanea inicial, muy fina, compacta y
adherente.
o Una capa de alúmina porosa e irregular. La porosidad no interesa, tiene dos
fines: estético y de seguridad.
III. Etapa de coloreado. Le damos color a la chapa, es un proceso de adsorción física de 1
sal, en este caso se usara 0,5 L de K2Cr2O7 al 6% en peso.
% 𝑝𝑒𝑠𝑜 =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 K2Cr2O7
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛· 100
0,6 =𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 K2Cr2O7
500 𝑔
m(K2Cr2O7 ) =30 g
Se sumerge la chapa en la disolución (de color amarillento anaranjado) y se calienta a
40ºC durante 10 minutos.
Se obtienen dos zonas diferenciadas:
o Parte coloreada: sumergida en el acido en el proceso electrolítico, se colorea
debido a los poros que se han comentado anteriormente.
o Parte no coloreada: no sumergida en contacto con el aire.
IV. Etapa de sellado. Evita el ataque sellando los poros. Se meten los ánodos coloreados
en agua hirviendo. Se hidrata la alúmina que se expande pudiendo cerrar los poros. Se
medirá el espesor final que se ha creado.
Final: erexperimental = 1,51 mm
Comparando con el inicial (Tabla1) se obtiene el espesor de alúmina experimental que
es:
e alúmina total = efinal - einicial = 1,51 – 1,49 = 0,02 mm total
e alúmina (cara) = 0,02/2 = 0,01 mm en cada cara
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2. CUESTIONES.
Señalar y comentar las reacciones que tienen lugar durante las diferentes etapas
llevadas a cabo en el proceso de anodizado.
En la primera etapa, el ataque a la capa pasiva con NaOH, se observa el
desprendimiento de un gas que es hidrógeno, así como la formación de un complejo
metálico que precipita en el fondo. La capa de alúmina (Al2O3) reacciona con el NaOH,
formando Al(OH)3, que a su vez reaccionaría con el exceso de sosa formando ese
complejo que es NaAlO2. Por tanto las reacciones que tienen lugar son:
Al2O3 + 3NaOH + H2O → 2 Al(OH)3 + 3 Na2O + H2
Al(OH)3 + NaOH → NaAlO2 + 2 H2O
En la segunda etapa, durante el proceso de anodizado, se tienen lugar dos reacciones
redox:
o Ánodo (carga positiva): formación de la capa de alúmina dada la oxidación de
aluminio.
Al + 3 e- ⇾ Al
3+
2 Al + 3/2 O2 ⇾ Al2O3
o Cátodo (carga negativa): reducción de protones para formar hidrogeno.
2 H+ + 2 e
- ⇾ H2
En la tercera y cuarta etapas no se producen reacciones dada que la tercera etapa es un proceso
físico de adsorción y la cuarta etapa también es un proceso físico pero en este caso la
hidratación
Calcular el espesor teórico de Al2O3 que se formara en el proceso de anodizado
realizado. Compararlo con el espesor real.
Para calcular el espesor teórico se utiliza la ley de Faraday:
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 =𝐼 · 𝑡 · 𝑛º 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣.𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜
96500
Siendo:
I = intensidad de corriente (0,375 A)
T = Tiempo (30 min <> 1800 s)
Nºequiva.gramo= Peso molecular / nº oxidación
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 =0,375 · 1800 · 26,985/3
96500= 0,0629 𝑔 𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜𝑠
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Conocida la masa se calculan los moles de Al:
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐴𝑙 =𝑚𝑎𝑠𝑎
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟=
0,0629
26,985= 2,33 · 10−3 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠
Con los moles y conociendo la reacción mediante estequiometria calculamos los moles de
alúmina:
2 Al + 3/2 O2 ⇾ Al2O3
Moles de Al2O3 = moles de Al/2 = 2,33·10−3
2= 1,16 ·10
-3 moles
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝐴𝐿2𝑂3 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 · 𝑃𝑚 = 1,16 · 10−3 · 101,96 = 0,118 g
Con la masa de la alúmina y su densidad (3,86 g/cm3) se puede determinar el volumen de esta.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑙ú𝑚𝑖𝑛𝑎
𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑=
0,118
3,86= 0,03064 𝑐𝑚3
Con el volumen y las dimensiones de la lámina se puede calcular el espesor teórico.
V (chapa)= ancho · alto· espesor= Superficie mojada · espesor
𝑒𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 =𝑉
𝑆=
3,064 𝑚𝑚 2
2500 𝑚𝑚 2 = 0,0012256 𝑚𝑚 <> 12 micras
Espesor teórico 12 micras por cara.
Comparándolo con el experimental (calculado en el apartado anterior) eexperimental = 10 micras, se
observa una diferencia muy leve por lo que el proceso ha sido realizado en las condiciones
adecuadas.
Justificar el mecanismo de coloración utilizado.
El método de coloración utilizado en esta práctica se basa en un proceso de adsorción física o
fisisorción. En química se denomina adsorción al cúmulo o depósito de material (adsorbato) en
un plano o superficie (a diferencia de la absorción que es un proceso volumétrico).
El proceso físico de la fisisorción es aquel por medio del cual, un elemento o compuesto
químico, se adhiere a una superficie, que puede estar formada por el mismo tipo de compuesto o
por alguno diferente, y en el que la especie adsorbida (fisisorbida) conserva su naturaleza
química.
En la práctica se utiliza el dicromato potásico que tiene un color amarillo-anaranjado, muy vivo,
que se introduce en los poros de la alúmina formada y queda retenido. La alúmina formada en el
anodizado es bastante porosa, lo cual hace que la protección que ofrece frente a la corrosión sea
peor. Gracias a este proceso se puede detectar esa capa porosa formada sin que cambie la
especie química (como sería el caso de adsorción química).
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Dibujar y comentar como seria la curva anódica para un material anodizado en
una disolución de acido sulfúrico. En el cado de que ese material estuviera
operando en medio acuoso a pH neutro y en presencia de Cl-, dibujar y comentar
la curva anódica correspondiente.
La curva anódica en un proceso de pasivación es la siguiente:
Gráfica 1. Curva anódica.
Se observan tres zonas:
i. En un principio la velocidad de corrosión aumenta al aumentar el potencial eléctrico, tal
como sucede en las curvas anódicas. Esta es la zona activa.
ii. Sin embargo, al llegar a cierto potencial, la curva se desplaza a la izquierda, lo que
implica que la velocidad de corrosión disminuya. Esto sucede cuando se empieza a
formar la capa pasiva. Esta zona es la pasivación.
iii. Cuando se forma la capa pasiva, a cierto potencial, empieza la zona de transpasivación
donde la curva vuelve a desplazarse progresivamente a la derecha. En esta zona la capa
pasiva que lo protegía no puede seguir haciéndolo para potenciales tan altos, y va
desapareciendo.
En este caso, para el material anodizado en la solución de ácido sulfúrico, se tiene una película
pasiva conductora de electrones en la que a valores altos de potencial se puede producir que se
desplace en oxidación otro equilibrio de oxido-reducción.
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La curva de polarización anódica es:
En medio ácido, como es este caso,
puede haber una influencia de la
sobretensión para la descarga de H2.
Gráfica 2. Curva anódica en el caso de estar en medio ácido.
Las modificaciones en la curva de pasivación al cambiar las concentraciones de protones,
cloruros o la temperatura se observan en la siguiente gráfica:
Gráfica 3. Curva anodica con variaciones en la cantidad de H+ o Cl-
Produce:
Aumento de la densidad critica de corrosión que produce mayores velocidades de
corrosión en la zona activa.
Disminuye el intervalo de potencial donde la capa pasiva es estable.
Aumento de la iRC que provoca aumento de la velocidad de corrosión generaliza cuando
este opera con capa pasiva estable.
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3. BIBLIOGRAFIA.
http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_aluminate
Apuntes de corrosión de María Dolores López.
http://es.wikipedia.org/wiki/Fisisorción
