محلولهای آندایز

آندايزينگ با استفاده از الكتروليت اسيد سولفوريك:

          از اسيد سولفوريك با غلظت هاي مختلف از gr/lit 10 تا gr / lit 700 در صنايع و مراكز تحقيقاتي جهت عمليات آندايزينگ استفاده مي كنند. اما بيشترين غلظتي كه بطور معمول به كار مي رود 150 تا 250 گرم در ليتر مي باشد. با تغيير غلظت ، ميزان هدايت الكترويكي نيز تغيير مي يابد كه منحني شكل زير بيانگر اين ارتباط مي باشد.

          بيشترين قابليت هدايت الكتريكي در غلظت 350 گرم در ليتر يا 35% وزني اسيد سولفوريك بدست مي آيد. در چنين حالتي ولتاژ مورد نياز جهت ايجاد دانسيته جريان 2/1 آمپر بر دسيمتر مربع كمترين مقدار خود را خواهد داشت و انرژي مصرف شده الكتريكي نيز به همان نسبت در پايين ترين حد خود خواهد بود.

          ارتباط بين دماي محلول الكتروليت ، غلظت اسيد و ولتاژ مورد نياز جهت اعمال دانسيته جريان 2/1 آمپر بر دسيمتر مربع در نمودار نشان داده شده است. (آلومينيوم مورد آزمايش به صورت ورق بوده و درجه خلوص آن نيز 99/99 درصد مي باشد).

          تجربه و آزمايش بيانگر اين نكته است كه متناسب با افزايش غلظت محلول الكتروليت به نسبتي كه زمان عمليات آندايزينگ افزايش مي يابد ضخامت و وزن لايه اكسيدي حاصل كاهش مي يابد بطوري كه اگر قطعه اي آلومينيومي در محلول اسيد سولفوريك با غلظت 30% وزني (330 گرم در ليتر) در طول مدت يك ساعت آندايز شود وزن لايه اكسيدي آن معادل نصف حالتي است كه غلظت الكتروليت معادل 15% وزني ( و يا 165 گرم در ليتر) بوده و در همان مدت زمان آندايز شده باشد.

لازم به يادآوري است كه درجه حرارت در هر دو حالت يكسان در نظر گرفته شده است تا اين تاثير بهتر نشان داده شود.

سرعت تشكيل لايه اكسيدي در الكتروليت اسيدسولفوريك به نوع آلياژ آلومينيوم، غلظت و جريان اعمال شده بستگي دارد. بطور متوسط با استفاده از اسيد سولفوريك به غلظت 10 يا 15 درصد وزني و جريان 5/1 آمپر بر دسيمتر مربع، در طول هر 4/2 دقيقه يك ميكرون به ضخامت لايه اكسيدي افزوده مي شود. اگر غلظت محلول الكتروليت به 10 درصد و جريان نيز به يك آمپر بر دسيمتر مربع كاهش يابد لايه اكسيدي ايجاد شده سخت تر و مقاومت تر مي شودو و به ازاي هر 6/3 دقيقه معادل يك ميكرون به ضخامت آن افزوده مي گردد. در آندايزينگ سخت سرعت تشكيل لايه اكسيدي بيشتر بر اساس تجربه تعيين مي شود.

از طرف ديگر افزايش غظت الكتروليت باعث كاهش مقومت سايشي لايه اكسيدي مي گردد. بطوري كه تغيير غلظت

از 5/8% وزني به 32% وزني ، معادل 30% كاهش در مقاومت سايشي را به دنبال خواهد داشت. اگر غلظت محول الكتروليت ثابت و درجه حرارت كاهش يابد مقاومت سايشي افزايش پيدا خواهد كرد. همانگونه كه در شكل نشان داده شده است ميزان سختي و مقاومت سايشي در ضخامت هاي مختلف ، در حرارت صفر درجه سانتيگراد نسبت ه درجات بالاتر بيشترين مقدار خود را دارد. به عبارت ديگر هر چه درجه حرارت افزايش يابد ميزان سختي و مقاومت سايشي كاهش مي يابد.

تاثير ناخالصي هاي موجود در محلول الكتروليت بر كيفيت آندايزينگ :

          اسيد سولفوريك تجارتي با هر درجه خلوصي كه خريداري شود معمولا” داراي ناخالصي هايي است كه ميزان آن به تجهيزات و پروسه توليد اسيد، ظروف و تانكهاي ذخيره، روش حمل و نقل ، شيوه نگهداري و انبار نمودن آن بستگي دارد. ناخالصي هايي كه معمولا” در اسيدسولفوريك وجود دارند عبارتند از عناصر آهن ، مس ، سرب و برخي فلزات ديگر.

          الف – آهن يكي از عمومي ترين ناخالصيها مي باشد واگر ميزان آن در داخل اسيد سولفوريك از حدود‍‍‍‍PPM 200 ‍‍‍‍‍‍‍‍ بيشتر شود بر پوشش اكسيدي حاصل از عمليات آندايزينگ اثر گذاشته و كيفيت آن را تقليل مي دهد .

          بهترين وضعيت آن است كه اندازه آهن در محلول اكتروليت ازP PM 50 تجاوز ننمايد. باتوجه به اينكه در طول كار نيز ذرات آهن بطور ناخواسته به محلول فوق افزوده مي شوند ميزان آهن در داخل اسيد خريداري شده اوليه نبايد ‍‍‍‍PPM25 تجاوز نمايد.

          ب – تجربه نشان داده است كه وجود درصد كمي آلومينيوم در داخل الكتروليت ميتواند سودمند باشد . بطور مثال پس از آندايز كردن يك قطعه كار در داخل محلول الكتروليتي كه داراي 5gr/lit آلومينيوم بوده مشخص گرديد كه براقيت قطعه فوق به مراتب بيشتر از حالتي است كه جهت آندايز كردن آن از الكتروليت فاقد آلومينيوم استفاده شود. در مقابل اين امتياز آلومينيوم حل شده در داخل محلول الكتروليت از سويي باعث كاهش ضريب هدايت الكتريكي محلول ميشود و ولتاژ مورد نياز جهت ايجاد جريان مناسب راافزايش مي دهد و از سوي ديگر باعث كاهش مقاومت سايشي لايه اكسيدي مي گردد.

          به اين دليل مي بايست حالت بهينه اي جهت تعيين مقدار آلومينيوم در داخل حمام يافت و آن را همواره ثابت نگهداشت .يكي از راههاي ثابت نگهداشتن درصد آلومينيوم محلول در حمام تعويض روزانه مقداري از الكتروليت قديمي با الكتروليت تازه و جديد مي باشد . وبايد دقت كرد كه اين مقدار از 10 گرم در ليتر تجاوز ننمايد.

          براساس استاندارد DEF 151 ارتباط بين غلظت الكتروليت و بيشترين مقدار آلومينيوم مجاز در داخل محلول در دماي 15 درجه سانتيگراد در شكل 17 نشان داده شده است .

ج – ناخالصيهاي ديگر مانند مس ، روي و ساير فلزات ميتوانند در طول عمليات آندايزينگ به داخل حمام راه يابند به خصوص زماني كه از ميله هاي مسي جهت انتقال جريان استفاده ميشود . وجود ذرات و ناخالصيهاي مس و روي در داخل حمام الكتروليت باعث كاهش كيفيت پوشش اكسيدي شده و علاوه بر صدمه رساندن به مقاومت قطعه در مقابل خوردگي از براقيت سطح آندايز شده نيز مي كاهند . بنابراين غلظت عناصر فوق در محلول الكتروليت نبايد از ‍‍‍‍PPM 10 تجاوز نمايد.

د – استفاده از آب كلردار جهت ساخت حمام آندايزينگ يكي ديگر از مواردي است كه باعث كيفيت كار مي گردد زيرا آنيونهاي كلر نيز از جمله ناخالصيهاي مضر محسوب مي گردد.

درجه حرارت محلول الكتروليت

          هرگونه افزايش حرارت محلول الكتروليت اسيد سولفوريك باعث ايجاد تغيير در كيفيت لايه اكسيدي حاصل و ساير عوامل موثر در پروسه آندايزينگ مي گردد. اين تاثيرات عبارتند از :

1 – كاهش مقدار ولتاژ مورد نياز جهت بدست آوردن دانسيته معيني از جريان .

2 – كاهش مقاومت سايشي سطح قطعات آندايز شده .

3 – افزايش شفافيت و براقيت سطح خارجي قطعات آندايز شده .

4 – كاهش ميزان ضخامت و وزن پوشش آندي

ماكزيمم درجه حرارت مجاز محلول الكتروليت باغلظتهاي متفاوت در شكل 19 بيان شده است . بااستفاده از منجني فوق ميتوان نسبت به تعيين ميزان مناسب دما و غلظت الكتروليت اسيد سولفوريك اقدام نموده و عمليات آندايزينگ راانجام داد .

دانسيته جريان و ولتاژ در پروسه آندايزينگ با الكتروليت اسيد سولفوريك :

          افزايش ولتاژ تدر پروسه آندايزينگ باعث كاهش تعداد سوراخها و خلل و فرج سطح اكسيدي شده و بر سختي آن خواهد افزود. هرچند كه اين امر باعث افزايش درجه حرارت و بلطبع ضرورت استفاده از سيستم خنك كاري مي گردد. نمودار شكل 18 نشان مي دهد كه باافزايش ولتاژ و كاهش حرارت ميزان شفافيت و براقيت سطح آندايز شده تنزل مي يابد . باتوجه به موارد فوق ميتوان نتيجه گيري كرد كه شفافيت بالا و مقاومت سايشي متوسط با بكارگيري ولتاژ پايين بدست مي آيد. اگر غلظت محلول الكتروليت 165 گرم در ليتر بوده و حرارت از 21 درجه سانتيگراد به 30 درجه سانتيگراد برسد مقاومت سايشي بين 12 تا 20 درصد كاهش مي يابد. دراين صورت ( با توجه به افزايش درجه حرارت

)‌ولتاژ اعمال شده كاهش خواهد يافت و از 15 ولت به 11 ولت بادانسيته جريان 1.2 آمپر بر دسيمتر مربع خواهد رسيد.

در يك آزمايش عملي مشخص شده است قطعات آلومينيومي آندايز شده در الكتروليت اسيد سولفوريك با غلظت 130 گرم در ليتر حرارت 25 درجه سانتيگراد و دانسيته جريان 1.2 آمپر بر دسيمتر مربع در مقايسه با قطعات آلومينيومي اندايز شده در همان الكتروليت با غلظت 165 گرم در ليتر در حرارت 20 درجه سانتيگراد مقاومت سايشي مطلوبتري را دارا مي باشند.

تاثير شرايط مختلف عمليات آندايزينگ بر بازتاب كامل و آينه اي نور در آلومينيومي كه به صورت شيميايي براق كاري شده در نمودارهاي شكل 20 نشان داده شده است .

محلول الكتروليت مورد استفاده در آزمايش نمودار الف اسيد سولفوريك باغلظت 17%‌وزني و نمودار ب معرف همان الكتروليت با غلظت 8.8%‌وزني است .همچنين دانسيته جريان اعمال شده در آزمايش الف معادل يك آمپر بر دسيمتر مربع و در حالت ب معادل 1.6 آمپر بر دسيمتر مربع مي باشد. ولتاژ مورد نياز براي آندايزينگ آلياژهاي مختلف آلومينيوم با دانسيته جريان 1.2 آمپر بر دسيمتر مربع در الكتروليت اسيد سولفوريك به شرح جدول شماره 10 مي باشد.

آندايزينگ با الكتروليت اسيد كروميك :

الكتروليت اسيد كروميك در آندايزينگ آلومينيوم در موارد زير مورد استفاده قرارميگيرد.

الف – در حالتي كه كمترين تغيير در ابعاد قطعه در طي آندايزينگ مورد نظر باشد.

ب – به عنوان زمينه و آستري در رنگ آميزي قطعات به خصوص در صنايع نظامي.

ج – حفظ استحكام مكانيكي نقاط پرچ شده و يا جوشكاري شده قطعات آلومينيومي .

د- جهت نشان دادن تركها خوردگيها درزهاي مويي و سوراخهاي موجود در سطح قطعات آلومينيومي به خصوص در صنايع هواپيمايي و نظامي .

ه- براي قطعات تزئيني و دكوراسيون با توجه به رنگ اكسيد حاصل از آندايزينگ در الكتورليت اسيد كروميك (‌هرچند كه اكسيد حاصل در مقايسه با آندايزينگ در الكتروليت اسيد سولفوريك نرمتر مي باشد )‌

دو روش مشهور درآندايزينگ نمودن قطعات آلومينيومي با استفاده از اين الكتروليت به شرح زير مي باشد :

روش BENGOGH – STUART 

در روش فوق بر اساس استانداردهاي نظامي D E F شماره 151 از اسيد كروميك به غلظت 3 تا 10% در حرارت 2+ 40 درجه سانتيگراد استفاده مي كنند. پس از اتصال قطعه كار به ميله آند، ولتاژ را در طي مدت زمان 10 دقيقه به تدريج به 40 ولت مي رسانند و آن را به مدت 20 دقيقه ثابت كه نگه مي دارند. پس از آن ولتاژ را با سرعت يكنواخت طي مدت 5 دقيقه به 50 ولت مي رسانند و به مدت 5 دقيقه آن را در اين وضعيت تثبيت مي كنند. بعد از طي اين مراحل قطعه كار را از داخل محلول آندايزينگ در آورده و جهت علميات بعدي آماده مي نمايند. كل زمان عمليات در هر دوره برابر 40 دقيقه مي باشد.

روش ثبوت ولتاژ :

          در اين روش غلظت اسيدكروميك بين 5 تا 10 درصد بوده و ولتاژ اعمال شدهنيز 40 ولت مي باشد كه در سرتاسر پروسه عمليات ثابت است.

          ولتاژ مورد نياز اين پروسه را مي توان با توجه به P H محلول الكتروليت نيز تعيين كرد بدين صورت كه اگر P H محلول بين 15/0 تا 6/0 باشد ولتاژي حدود 30 ولت مناسب مي باشد و در صورتي كه P H بين 6/0 تا 8/0 باشد به ولتاژي معادل 40 ولت نيازمنديم. مدت عمليات نيز حدود 30 دقيقه مي باشد.

          همچنين دانسيته جريان در اين روش به نوع آلياژ آلومينيوم بستگي دارد. بطور مربع و آلياژ آلومينيوم داراي درصد سيليس بالا به 2 آمپر بر دسيمتر مربع جريان نياز دارد. در صورت استفاده از الكتروليت به غلظت 100 گرم در ليتر دانسيته جريان معمولا” 2/1 آمپر بر دسيمتر مربع انتخاب مي شود.

نكات قابل توجه در آندايزينگ با استفاده از الكتروليت اسيدكروميك:

الف – جنس كاتد:

          در آندايزينگ بااستفاده از محلول الكتروليت اسيدكروميك بهتر است كه جنس كاتد از استيل ضدزنگ (Stainless Steel) انتخاب گردد. خود تانك نيز به همين منظور مي تواند مورد استفاده قرار گيرد اما بايد در هنگام جاي گذاري و در آوردن قطعات دقت لازم بعمل آيد تا احيانا” اتصالي ما بين قطعه كار و بدنه تانك صورت نگيرد. سطح مقطع كاتدهاي انتخاب شده مي بايست حدود 1/0 تا 2/0 سطح مقطع قطعاتي باشد كه در هر مرحله مي بايست آندايز شوند.

ب – تثبيت نسبت اسيدكروميك در محلول:

          در طول پروسه آندايزينگ ، ميزان اسيدكروميك به دلايل مختلف كاهش مي يابد كه از جمله مي توان از تغيير و تبديل كروم شش ظرفيتي به كروم سه ظرفيتي نام برد و يا آنكه آلومينيوم نامحلول داخل حمام با كروم سه يا شش ظرفيتي تركيب شده و دي كرومات آلومينيوم و يا تركيب پيچيده دي كرومات كروميوم را نتيجه مي دهد به دليل آنكه فعل و انفعال فوق باعث كاهش درصد اسيدكروميك آزاد موجود در حمام مي شود بايد نسبت به ترميم حمام و افزودن اسيدكروميك اقدام نمود.

          يكي از راههاي ساده جهت تعيين اسيد كروميك مورد نياز استفاده از روش سنجش PH حمام مي باشد. ارتباط بين PH الكتروليت و غلظت اسيدكروميك در نمودار ارائه گرديده است.

ج – ناخالصي هاي محلول الكتروليت:

          1 – نسبت مقدار آلومينيوم نامحلول در الكتروليت مي بايست كمتر از 3/0 درصد وزني نسبت به وزن كل مواد داخل تانك باشد.

          2 – ميزان نمكهاي كلر يد نبايد از 2/0 گرم در ليتر و يا p pm 200 بيشتر شود زيرا افزايش آن باعث كاهش كيفيت سطح اكسيدي و تيره و كدر شدن رنگ آن گردد.

          3 – ميزان نمكهاي سولفات داخل حمام حداكثر بايد حدود p pm 500 باشد. به منظور ممانعت از ورود نمكهاي فوق به داخل محلول الكتروليت علاوه بر كنترل آب مصرفي مي بايست سطح قطعات آلومينيومي قبل از پروسه آندايزينگ كاملا” تميز و از هرگونه آلودگي سطحي پاك شوند.

د – اقدامات ايمني و حفاظتي:

          به دليل مضر بودن بخارات كروميك براي انسان بايد با استفاده از روشهاي مختلف نسبت خروج هواي آلوده از محوطه كارگاه و جايگزيني آن با هواي تازه اقدام كرد. در تانك هاي كوچك آندايزينگ با استفاده از هواكش هاي

معمولي ميتوان مشكل را حل نمود اما در تجهيزات با ابعاد بزرگتر با استفاده از مكنده هاي نصب شده در لبه هاي تانك ميتوان به اين كار اقدام نمود. در هر حال تجهيزات مورد استفاده بايد به گونه اي عمل نمايد كه به ازاي هر مترمربع از سطح حمام آندايزينگ ، يك متر مكعب هوا در طي يك ثانيه تخليه شود.

ه – سرعت تشكيل لايه اكسيدي:

          با اعمال دانسيته جريان معادل 2/1 آمپر بر دسيمتر مربع و طي مدت 20 دقيقه ، حدود 5 ميكرون به ضخامت لايه اكسيدي افزوده شود.

و – فرآيند عمليات آندايزينگ با اسيدكروميك:

          ترتيب و مراحل كاري پروسه آندايزينگ با الكتروليت اسيدكروميك به شرح زير و تقريبا” مشابه با سيستمي است كه در بخش هاي قبلي در رابطه با آندايزينگ با محلول اسيدسولفوريك ذكر گرديد. همانگونه كه در بخش تميزكاري و چربي زدائي توضيح داده شد.