اصول تئوري و عملي آندايزينگ آلومينيوم

مفاهيم كلي آندايزينگ آلومينيوم

اندايزينگ آلومينيوم، مفاهيم و كاربردها:

به مجموعه عملياتي كه با تشكيل يك لايه نازك اكسيدي بر روي قطعات آلومينيومي باعث افزايش سختي، مقاومت در برابر خوردگي، ايجاد نماي تزئيني و تغيير برخي از خصوصيات فيزيكي آنها مي گردد آندايزينگ اطلاق مي شود.

مكانيزم كلي عمل بدين صورت است كه جريان مستقيم برق از مايع الكتروليت مناسبي مي گذرد كه در آن آلومينيوم آند بوده و فلز مناسب ديگري كاتد مي باشد. در اين صورت بر سطح آلومينيوم لايه نازكي از اكسيد ايجاد مي گردد كه ضخامت آن به عوامل گوناگوني بستگي دارد.

آلومينيوم در شرايط معمولي نيز اكسيدي مي شود بطوري كه در مجاورت هوا و بطور معمول لايه اي از اكسيد به ضخامت 01/0 ميكرون و به صورت غيرمتخلخل بر روي سطوح قطعات آلومينيومي تشكيل مي گردد كه وظيفه حفاظت از سطح فلز را در محيط برعهده دارد اما برتري و مزيت اكسيد ايجاد شده در روش آندايزينگ نسبت به شرايط طبيعي مقاومت بيشتر آن در مقابل خوردگي است.

قطعات و سطوح آلومينيومي را به دلايل زير اندايزينگ مي نمايند:

الف – افزايش مقاومت در مقابل خوردگي.

          پوشش اكسيدي – آندي سيل شده آلومينيوم باعث محافظت فلز در برابر عوامل خورنده جوي و نمكها مي گردد.

ب – افزايش قدرت چسبندگي رنگها:

          لايه اكسيدي- آندي سبب به وجود آمدن سطح فعال شيميايي شده و زمينه و بستر مناسبي را جهت رنگ آميزي ايجاد مي نمايد.

ج – به عنوان يكي از مراحل آبكاري:

          تخلخل موجود در پوشش اكسيدي – آندي باعث افزايش قابليت آبكاري قطعات آلومينيومي مي شود. (بطور مثال از آندايزينگ در الكتروليت اسيد فسفريك ميتوان نام برد كه به عنوان مرحله ماقبل آبكاري بكار مي رود).

د – ايجاد نماي ظاهري مناسب جهت دكوراسيون و تزئينات:

          لايه اكسيدي – آندي آلومينيوم بطور طبيعي درخشان بوده و مقاومت خوبي در مقابل خوردگي دارد. لذا ميتوان از آن به عنوان سطح نهايي مورد نظر جهت تزئينات و نماسازي استفاده نمود. درخشندگي و براقيت سطح مزبور به نوع آلياژ، روش اچ كاري و براق كاري و ساير شرايط مناسب بستگي دارد.

ه – عايق كاري:

          اكسيد آلومينيوم عايق مي باشد و ميتواند در مقابل ولتاژهايي كه از چند تا چندين هزار ولت به عنوان عايق عمل كند كه كيفيت و كميت آن به نوع آلياژ و ضخامت لايه اكسيدي بستگي دارد.

و – كاربرد در صنايع فتوگراف و ليتوگراف:

          وجود حفره ها و تخلخل هاي بي شمار در پوشش اكسيدي – آندي باعث بالا رفتن قدرت مكانيكي صفحات ليتوگراف در نگهداري محلول هاي مربوط به فتوگراف و ليتوگراف مي گردد.

ز – افزايش قابليت تابش و انتشار حرارت:

          لايه اكسيدي – آندي در ضخامت هاي بيش از 032/0 ميليمتر باعث افزايش قابليت تابش و انتشار حرارت مي گردد. بطور مثال ورق آندايز شده آلومينيومي پس از رنگ آميزي با رنگ سياه مي تواند به نحو بسيار مطلوبي جهت جذب حرارت تا حدود 230 درجه سانتيگراد مورد استفاده قرار گيرد.

ح – افزايش مقاومت سايشي:

          با استفاده از مكانيزم آندايزينگ سخت بر روي قطعات آلومينيومي پوشش به ضخامت حدود 1 تا 4 ميليمتر ايجاد مي شود كه داراي سختي بالايي است و ميتوان از آنها جهت ساخت ياتاقانها و قطعات دوار و يا ساير مواردي كه نياز به مقاومت سايشي دارند استفاده نمود. تمام پوششهاي اكسيدي – آندي نسبت به خود آلومينيوم سخت تر هستند اما در برخي از موارد (مانند لايه اكسيدي – آندي حاصل از آندايزينگ در حمام اسيدكروميك) نرم بوده و جهت كاربري در شرايطي كه به مقاومت سايشي نياز دارد مناسب نمي باشد.

ط – رديابي و كنترل درزهاي سطحي:

          پوشش اكسيدي – آندي حاصل از حمام اسيد كروميك ميتواند به عنوان يك عامل بازرسي جهت كشف و بررسي درزهاي سطحي موجود بر روي ورق يا قطعات آلومينيومي عمل نمايد. بدين صورت كه پس از آندايزينگ قطعات مزبور در داخل اسيد فوق الذكر آنها را سريعا” با آب شسته و خشك مي كنند .

          اسيد كروميك باقيمانده در شكاف درزها و ترك هاي مويي، بيرون زده مي شود و موقعيت عيوب را از نظر مكاني نشان مي دهد. در بخشهاي بعدي كتاب روشهاي مختلف آندايزينگ آلومينيوم، خواص و ويژگي هاي بوجود آمده در فلز بعد از اجراي عمليات و نيز تجهيزات مورد نياز بطور مشروح بيان خواهد گرديد.

مكانيزم تشكيل لايه اكسيدي – آندي:

          حمام اسيدسولفوريك به غلظت 10% حجمي را در نظر گرفته و در آن يك قطعه آلومينيومي را به قطب مثبت منبع الكتريسيته (آند) وصل كنيد و فلز مناسب ديگري مانند قلع را به عنوان كاتد به قطب منفي منبع الكتريسيته تصال دهيد دانسيته جريان مستقيم ( DC ) مورد نياز در اين پروسه حدود 1 تا 6/1 آمپر بر دسيمتر مربع مي باشد كه از پتانسيلي حدود13 تا 17 ولت ايجاد مي شود. در دماي معمولي اتاق وقتي كه جريان برق برقرار مي گردد اسيد سولفوريك شروع به تجزيه مي كند، در اثر اين فعل و انفعالات در قطب منفي (كاتد) هيدروژن ايجاد مي گردد و به موازات يون هاي اكسيژن و سولفات – (آنيون ها) توسط قطب مثبت (آند) كه آلومينيوم به آن اتصال است جذب مي گردند.

          شارژ الكتريكي در داخل سيستم فوق باعث مي گردد كه يون هاي مثبت آلومينيوم (كاتيون ها) به سمت كاتد هدايت شوند و در همان حال در سطح آند ، كاتيون ها يا آلومينيوم با آنيون هاي اكسيژن تركيب شده و تشكيل اكسيد آلومينيوم را مي دهند. مقداري از يون هاي آلومينيوم نيز قادر به تركيب با اكسيژن نبوده و به صورت نامحلول در الكتروليت باقي مي مانند.

          پوشش اكسيدي – آندي آلومينيوم از تعداد زيادي حفره هاي شش ضلعي ساخته شده است كه اندازه آنها در يك اينچ مربع حدود چند ميليون عدد مي باشد. در وسط هر كدام از اين شش ضلعي ها سوراخي وجود دارد كه اطراف و قسمت تحتاني ن توسط لايه اي اكسيدي از فلز مبنا جدا شده است. ابعاد حفره ها در الكتروليت هاي مختلف تفاوت دارد و بطور تقريبي به شرح زير مي باشد:

- قطر داخلي : Ao 250 – 100                         ( 1 Ao = 1x 10-10 m)

• ضخامت ديواره اطراف حفره : Ao 200 – 100
• ارتفاع حفره يا ضخامت پوشش : 5000 تا 25000 برابر قطر داخلي حفره.

چنين حفره هايي به خصوص در محلول الكتروليت اسيد سولفوريك بدين دليل تشكيل مي گردند كه در دقايق اوليه شروع پروسه آندايزينگ لايه نازكي از اكسيد تشكيل مي شود كه ضخامت آن با ولتاژ اعمال شده متناسب است،‌ برخي از محلول هاي الكتروليت (مانند اسيد سولفوريك) در حين عمليات آندايزينگ پوشش اكسيدي مزبور را در خود حل مي نمايد.

مكانيزم اين عمل بسيار پيچيده است اما به نوبه خود نوعي كشمكش را در رابطه با ايجاد و رشد اكسيدي و انحلال و خوردگي آن بطور همزمان در ميليونها نقطه يا حفره در هر اينچ بوجود مي آورد كه در نهايت به نوعي تعادل ختم مي گردد.

يك حوزه الكتريكي نيز در همه حفره ها وجود دارد كه باعث به وجود آمدن فواصل مساوي حفره ها نسبت به يكديگر و نيز ابعاد يكنواخت و هم اندازه ديواره هاي اكسيدي اطراف آن مي گردد. بدين ترتيب تمامي حفره ها دقيقا” مشابه يكديگر و به موازات هم قرار مي گيرند. در طول پروسه آندايزينگ سطح قطعه آلومينيومي با لايه اي از اكسيد آلومينيوم پوشيده مي شود ضخامت لايه اكسيدي مزبور تقريبا” معادل دو برابر صخامت آلومينيومي است كه از سطح قطعه كار برداشته مي شود. تفاوت سطح آلومينيوم قبل و بعد از عمليات آندايزينگ در شكل كاملا مشخص مي باشد.

تركيب شيميايي لايه اكسيدي حاصل از آندايزينگ:

          محققين در رابطه با تركيب شيمياي لايه اكسيدي حاصل از آندايزينگ بر روي آلومينيوم نظرات متفاوتي را ابراز داشته اند كه عمده ترين آنها به صورت زير است.

الف: عمومي ترين ديدگاه و نظريه در اين رابطه عبارت است از:

          الف 1 – بنانبر اعتقاد برخي از پژوهشگران 13 درصد وزن لايه اكسيدي – آندي ايجاد شده در علميات آندايزينگ را S O3 تشكيل مي دهد كه با انجام عمل شستشو و آب كشي ميتوان حدود 5 درصد از اين نسبت كاست. نمودار زير رابطه بين حرارت جريان اعمال شده و درصد S O3 توليد شده در پورسه آندايزينگ با محلول الكتروليت اسيد سولفوريك به غلظت 165 گرم در ليتر را نشان مي دهد.

          به نظر مي رسد وجود سولفات در لايه اكسيدي باعث حركت دادن پروتون ها از سطح لايه مزبور گرديده و علاوه بر تسهيل در امر آندايزينگ سبب كاهش ولتاژ مورد نياز عمليات نيز مي شود.

          الف 2 – در پوشش اكسيدي – آندي آب بندي نشده به ميزان زيادي AL2 O3 به همراه هيدرات وجود دارد كه مقدار آن در برخي آزمايشهاي انجام شده با شدت جريان 2/1 آمپر بر دسيمتر مربع برابر 1/86 درصد وزن لايه اكسيدي گزارش شده است.

          الف 3 – ميزان آب موجود در پوشش اكسيدي – آندي آب بندي نشده (سيل نشده) تقريبا” 5/0 تا 5/12 درصد وزن كل لايه مزبور مي باشد.

ب : برخي از پژوهشگران مانند Byalobzhenskii و Tomashov فرمول Al2 O3 و 0.9H2O را به عنوان مشخصه شيميايي لايه اكسيدي سيل نشده حاصل از آندايزينگ در محلول الكتروليت اسيد سولفوريك مطرح كرده اند.

ج – نتايج زير كه از آزمايشات صورت گرفته در محلول الكتروليت اسيدسولفوريك با غلظت 32 گرم در ليتر، در داي 12 تا 20 درجه سانتيگراد و ولتاژ 12 ولت حاصل شده است نيز روايتي ديگر از تركيب شيميايي لايه اكسيدي – آندي را بيان مي دارد.

آلومينيوم آزاد                           56/4 درصد

Al (OH)3                             14/27 درصد

AlOOH                              3/68 درصد

          در بررسي مورد فوق اولا” هيچ نشاني از اكسيد آلومينيوم (Al2 O3) مشهود نيست و ثانيا” ظهور و تشكيل يون هاي آلومينيوم به ميزان 56/4 درصد نيز غيرمنتظره و ناخوشايند به نظر مي رسد.

          به گفته برخي از محققين لايه اكسيدي شكل گرفته در محلول الكتروليت اسيد سولفوريك داراي توازن تركيبي مشخصي نيست و تعداد يونهاي آلومينيوم نيز به موازات رشد و افزايش ضخامت لايه اكسيدي كاهش مي يابد. حضور يون هاي آلومينيوم در لايه اكسيدي – آندي مزبور ميتواند در تصحيح و توجيه برخي زمينه هاي تئوريكي پيچيده فيزيكي و شيميايي منطقي و مفيد به نظر آيد.

د – دو تن از محققان بنامهاي Baker و Brace با استفاده از تكنيك راديو شيميايي به كمك تراشه S35 دريافتند كه در تركيب پوشش اكسيدي حاصل از آندايزينگ در محلول الكتروليت اسيدفسفريك مقادير S O4 نيز همزمان با آغاز پروسه تشكيل مي گردد كه عمليات آب كشي و شستشو جهت كاهش ميزان آن بي نتيجه است. اما با رشد و افزايش ضخامت لايه اكسيدي بر روي فلز، ميزان سولفات به مرور كاهش مي يابد.

ه – تركيب پوشش اكسيدي – آندي ايجاد شده بر روي آلومينيوم با استفاده از الكتروليت هاي ديگر نيز مشابه موارد قبل مي باشد.

          برخي از تحقيقات نشان مي دهد كه حدود 3 درصد از وزن لاي اكسيدي آندي ايجاد شده بر سطح قطعه آلومينيومي در الكتروليت اسيد اگزاليك را خود اسيد اگزاليك تشكيل مي دهد و مابقي آن نيز Al2 O3 بي شكل و غير متبلور و مقداري آب به صورت H2O و 2Al2O3 مي باشد.

          همچنين حدود 4/0 تا 7/0 درصد وزن لايه اكسيدي – آندي حاصل از پروسه آندايزينگ در الكتروليت اسيد كروميك نيز مربوط به خود اسيد كروميك مي باشد و در تركيب لايه اكسيدي مزبور كه Al2 O3 بدون آب است جاي مي گيرد.

ضخامت لايه اكسيدي – آندي:

          ضخامت لايه اكسيدي – آندي ايجاد شده بر روي آلومينيوم به مدت زمان حضور قطعه در داخل حمام بستگي دارد مشروط بر اينكه تمام شرايط انجام كار استاندارد باشد. در اين صورت براي به دست آوردن ضخامتي معادل 5 ميكرون با دانسيته جريان 6/1 آمپر بر دسيمتر مربع حدود 10 دقيقه و براي ضخامتي برابر 10 ميكرون حدود 20 دقيقه زمان مورد نياز است.

          به عبارت ديگر هر چه ضخامت بيشتري مدنظر باشد زمان بيشتري مورد نظر مي باشد، اما در برخي موارد حتي با افزايش زمان عمليات ممكن است هيچ نوع افزايش صخامتي ايجاد نشود. شكل زير نشان دهنده ضخامت لايه اكسيدي حاصل از آندايزينگ برخي از آلياژهاي مختلف الومينيوم نسبت به زمان مي باشد. (محلول الكتروليت اسيدسولفوريك با غلظت 165 گرم در ليتر و دانسيته جريان نيز 2/1 آمپر بر – دسي متر مربع است). دليل محدوديت در ايجاد ضخامت دلخواه و بالا در لايه پوشش اكسيدي هنوز مشخص و قطعي نيست اما ميتوان آن را ناشي از تعادل بين دو عامل زير دانست:

الف- قابليت جريان الكتريكي در انتقال يون هاي آلومينيوم از لايه ها به منظور ايجاد و تشكيل اكسيد تازه.

ب – قابليت حل آلومينيوم توسط محلول الكتروليت (اسيدسولفوريك)..

از جمله دلايل ديگر محدوديت ضامت لايه اكسيدي قال تشكيل مي تواند گرماي ايجاد شده در پروسه آندايزينگ باشد زيرا اگر جرياني معادل 6/1 آمپر و ولتاژ 16 ولت را جهت هر دسيمتر مربع از سطح آنداليز شده مناسب بدانيم در آن صورت به ازاي جريان فوق گرمايي معادل 240 وات ايجاد خواهد شد.

از سوي ديگر، تشكيل اكسيد آلومينيوم نيز گرمازا بوده و به ازاي هر گرم از اكسيد تشكيل دشه 400 كيلوكالري گرما آزاد ميگردد. هر چند كه اين گرما مي تواند با استفاده از هم زن و يا جريان باد از داخل حمام خارج شود . اما به نوبه خود مانع از رشد و افزايش صخامت لايه اكسيدي – آندي مي شود. هچنين در پروسه آندايزينگ سخت، با اعمال دانسيته جريان 5/2 آمپر بر دسيمتر مربع در صفر درجه سانتيگراد زماني كه اكسيژن در آندها ظاهر مي شود به صورت پلاريزاسيون عمل كرده و مقاومت را در لايه آندي افزايش مي دهد.

اين عمل نيز باعث محدوديت در رشد لايه اكسيدي مي گردد. در تقابل با اين پديده اگر ولتاژ افزايش يابد به نحوي كه بتواند مقاومت مزبور را در هم شكند سوختگي فلز پيش خواهد آمد كه مشكل آفرين مي باشد.

اهميت مواد در آندايزينگ :

نتايج حاصل از آندايزينگ در آلياژهاي مختلف آلومينيوم يكسان نيست و هر آلياژي پس از انجام عمل آندايزينگ كييت ويژه اي خواهد داشت. دسته اي از آلياژهاي بهترين قابليت را در رابطه با براق كاري و انعكاس نور دارا مي باشند در حالي كه دسته اي ديگر به عكس هيچگونه قابليتي را براي براق كاري ندارند و جهت سخت كاري و يا اهداف ديگر مناسب مي باشند.

جداول بعد استانداردهاي بين المللي آلياژهاي مختلف آلومينيوم را در مقام تطبق قرار داده و سپس قابليت هر كدام از آنها را جهت آندايزينگ (با هداف مختلف از قبيل براق كاري، ايجاد سختي و رنگ آميزي) به صورت امتياز بيان مي دارد به صورتي كه امتياز 5 عالي ترين و بهترين نتيجه و امتياز 1 پايين ترين قابليت و نتيجه را در آندايزينگ پذيري آلياژ مربوطه نشن ميد هد. مابقي امتيازات (4، 3 و 2) به ترتيب مبين كيفيت بسيار خوب ، خوب و متوسط مي باشد.

نكات زير در رابطه با آلياژهاي ريختگي سري LM قابل ذكر مي باشد:

الف – هيچكدام از آلياژهاي فوق قابليت خوبي را جهت براق شدن ندارند.

ب – به منظور آندايزينگ هر كدام از آلياژهاي فوق مي بايست تكنيك و روشهاي خاصي را از نظر غلظت الكتروليت، ولتاژ و غيره در نظر گرفت.

بطور مثال، جهت آندايز كردن آلياژهايي كه داراي درصد زيادي از سيليس مي باشند مي بايست ولتاژ باايي را به آنها اعمال نمود( تا 24 ولت) و آلياژهاي شامل مس بهتر است كه در محلول الكتروليت اسيد سولفوريك با غلظت  7 N – 4 N آندايز شوند.

ج – رنگ ايجاد شده بر روي قطعات آندايز شده آلياژهاي فوق تحت تاثير درصد عناصر تشكيل دهنده آلياژ بوده و معمولا” تيره مي باشند.