Катоды (аноды) анодного окисления

Катод в ванне анодирования (анодного окисления) — вспомогательный электрод, подключаемый к отрицательному полюсу источника тока. Обрабатываемое изделие в этой схеме является анодом. Материал катода не осаждается на изделии, однако напрямую влияет на равномерность распределения тока, состав электролита и качество оксидной плёнки. Выбор материала определяется типом электролита, рабочей температурой и технологическими требованиями к чистоте ванны.

Как работает катод в ванне анодирования

При анодировании алюминия, магния или титана деталь погружают в кислотный электролит и подключают к плюсу источника постоянного тока. На поверхности изделия-анода протекает реакция электрохимического окисления с формированием оксидного слоя. Катод — пластина или рамка из инертного материала — подключается к минусу и замыкает цепь через электролит. На катоде выделяется водород; сам катодный материал при правильном подборе практически не расходуется.

Площадь поверхности катода согласовывается с площадью анода. Для сернокислого процесса анодирования рекомендуемое соотношение площади анода к катоду составляет около 3:1. В хромовокислом процессе соотношение площадей критичнее и регулируется отдельно для каждой установки. Катоды размещают по длинным стенкам ванны симметрично относительно навески с деталями — для равномерного распределения тока.

Материалы катодов для ванн анодирования

Свинец и свинцово-сурьмянистые сплавы

Наиболее широко применяются в сернокислом процессе анодирования алюминия. В серной кислоте свинец пассивируется: на поверхности образуется плотная плёнка сульфата свинца (PbSO₄), которая резко снижает скорость растворения. Свинцовые катоды пригодны как для стандартного сернокислого анодирования (18–22 °C), так и для твёрдого анодирования (около 0 °C). В хромовокислом и фосфорнокислом электролитах свинец неприменим — кислоты разрушают защитную плёнку, а продукты растворения загрязняют ванну. Форма поставки: листы, пластины, рамки.

Подробнее о марках и исполнениях свинцовых анодных электродов — на странице свинцовые аноды ССу.

Алюминий

Применяется во всех типах анодирования алюминия и его сплавов. Главное преимущество — алюминиевый катод не вносит посторонних ионов в электролит, что исключает загрязнение ванны. Скорость растворения алюминиевого катода в сернокислом электролите мала: по данным промышленной практики, уменьшение толщины катода не превышает 1 мм в год. Катоды рекомендуется приваривать к токоподводящей шине, а не крепить болтами — болтовые соединения ненадёжны из-за коррозии в зоне контакта. Перед вводом в эксплуатацию алюминиевый катод выдерживают в электролите для формирования тонкой естественной оксидной плёнки.

Нержавеющая сталь

Применяется в хромовокислом процессе анодирования и некоторых процессах цветного анодирования. В сернокислом электролите нержавеющая сталь активно корродирует и для сернокислого анодирования не используется. Обеспечивает высокую электропроводность и механическую прочность. Форма поставки — листы, полосы, рамные конструкции.

Графит

Применяется в процессах непрерывного анодирования (анодирование ленты или профиля на проход). Графитовые катоды химически инертны в большинстве кислотных электролитов, не загрязняют ванну. Существенный ограничивающий фактор — хрупкость: графитовые электроды чувствительны к механическим ударам и термическому шоку. Геометрия катода подбирается под конструкцию установки; форма поставки — пластины, блоки, изделия по чертежу заказчика.

Титан и платинированный титан

Титановые катоды применяют в процессах анодирования, где недопустимо свинцовое загрязнение электролита. Титан в большинстве кислотных сред анодирования покрывается пассивной оксидной плёнкой и практически не растворяется. Платинированный титан — титановая основа с нанесённым слоем платины — обеспечивает повышенную стабильность тока и долгий ресурс в агрессивных электролитах. Используется в установках с повышенными требованиями к качеству поверхности и чистоте процесса. Подробнее о конструкции и параметрах — на странице платинированные титановые аноды.

Сравнение материалов катодов по применимости

Материал катода	H₂SO₄ (сернокислый)	CrO₃ (хромовокислый)	Непрерывное анодирование
Свинец / Pb-Sb	Применяется	Не применяется	Ограниченно
Алюминий	Применяется	Применяется	Применяется
Нержавеющая сталь	Не применяется	Применяется	В отдельных процессах
Графит	Применяется	Применяется	Применяется
Титан / Pt-Ti	Применяется	Применяется	Применяется

Нерастворимые аноды из высококремниевого чугуна для систем катодной защиты

Это принципиально иной класс изделий, не связанный с анодированием. Аноды из высококремниевого чугуна (Fe/Si) применяются в системах катодной защиты с наложенным током для защиты от коррозии подземных трубопроводов, резервуаров, морских и гидротехнических сооружений. В такой системе на защищаемую конструкцию подают отрицательный потенциал; анодное заземление — расходуемый электрод — принимает на себя анодный процесс растворения.

Основа работы высококремниевого чугуна: содержание кремния 14–18% обеспечивает формирование на поверхности анода пассивной плёнки диоксида кремния (SiO₂). Эта плёнка химически устойчива в кислых средах и существенно снижает скорость растворения анода по сравнению с обычным чугуном или сталью. Материал хрупкий, не допускает ударных нагрузок и монтажного перегиба кабельного вывода.

Типы и химический состав по ASTM A518 и BS 1591

Стандарт ASTM A518/A518M охватывает три марки высококремниевого чугуна для коррозионно-стойкого применения. Для анодных заземлителей систем катодной защиты применяют преимущественно Grade 2 и Grade 3.

Тип	Si, %	Cr, %	C, %	Условия применения
Fe/Si (Grade 1/2)	14,20–14,75	—	0,70–1,10	Грунт, пресная вода, кислые среды
Fe/Si/Cr (Grade 3)	14,20–14,75	3,25–5,00	0,70–1,10	Морская вода, хлорид-насыщенные среды
Fe/Si/Mo	14,20–14,75	—	0,70–1,10	Кислые среды со специфическими требованиями

Хром в составе Grade 3 усиливает защитную плёнку SiO₂ и обеспечивает её устойчивость к хлорид-иону. Именно поэтому Grade 3 по ASTM A518 рекомендован для морских и прибрежных применений, а также для скважинных (deep-well) анодных заземлителей в засолённых грунтах. Британский стандарт BS 1591 охватывает аналогичный класс материалов и широко применяется наряду с ASTM A518 в международных проектах защиты от коррозии.

Конструктивные исполнения

Прутковые (solid rod) аноды используют для наземных горизонтальных и вертикальных заземлителей. Трубчатые (tubular) — для глубинных скважинных заземлений: полая конструкция снижает массу при сохранении поверхности и применяется для заглублённых систем. Плоские (board/plate) — для специальных конструкций. Кабельный вывод герметизируется эпоксидной смолой; стандартная длина кабельного хвостовика и сечение кабеля согласовываются при заказе.

Формы поставки

Катоды для ванн анодирования поставляются в виде листов, пластин, полос и рамных конструкций по чертежу или стандартным типоразмерам. Железокремниевые аноды для катодной защиты поставляются в прутковом и трубчатом исполнениях различных диаметров и длин, с кабельным выводом или без. Нестандартные геометрии — по согласованию. Все запросы по конкретным типоразмерам, материалам и объёмам рассматриваются индивидуально.