محلولهای انودایزینگ آلومینیوم

آندایزینگ با استفاده از الکترولیت اسید سولفوریک:

          از اسید سولفوریک با غلظت های مختلف از gr/lit 10 تا gr / lit 700 در صنایع و مراکز تحقیقاتی جهت عملیات آندایزینگ استفاده می کنند. اما بیشترین غلظتی که بطور معمول به کار می رود 150 تا 250 گرم در لیتر می باشد. با تغییر غلظت ، میزان هدایت الکترویکی نیز تغییر می یابد که منحنی شکل زیر بیانگر این ارتباط می باشد.

          بیشترین قابلیت هدایت الکتریکی در غلظت 350 گرم در لیتر یا 35% وزنی اسید سولفوریک بدست می آید. در چنین حالتی ولتاژ مورد نیاز جهت ایجاد دانسیته جریان 2/1 آمپر بر دسیمتر مربع کمترین مقدار خود را خواهد داشت و انرژی مصرف شده الکتریکی نیز به همان نسبت در پایین ترین حد خود خواهد بود.

          ارتباط بین دمای محلول الکترولیت ، غلظت اسید و ولتاژ مورد نیاز جهت اعمال دانسیته جریان 2/1 آمپر بر دسیمتر مربع در نمودار نشان داده شده است. (آلومینیوم مورد آزمایش به صورت ورق بوده و درجه خلوص آن نیز 99/99 درصد می باشد).

          تجربه و آزمایش بیانگر این نکته است که متناسب با افزایش غلظت محلول الکترولیت به نسبتی که زمان عملیات آندایزینگ افزایش می یابد ضخامت و وزن لایه اکسیدی حاصل کاهش می یابد بطوری که اگر قطعه ای آلومینیومی در محلول اسید سولفوریک با غلظت 30% وزنی (330 گرم در لیتر) در طول مدت یک ساعت آندایز شود وزن لایه اکسیدی آن معادل نصف حالتی است که غلظت الکترولیت معادل 15% وزنی ( و یا 165 گرم در لیتر) بوده و در همان مدت زمان آندایز شده باشد.

لازم به یادآوری است که درجه حرارت در هر دو حالت یکسان در نظر گرفته شده است تا این تاثیر بهتر نشان داده شود.

سرعت تشکیل لایه اکسیدی در الکترولیت اسیدسولفوریک به نوع آلیاژ آلومینیوم، غلظت و جریان اعمال شده بستگی دارد. بطور متوسط با استفاده از اسید سولفوریک به غلظت 10 یا 15 درصد وزنی و جریان 5/1 آمپر بر دسیمتر مربع، در طول هر 4/2 دقیقه یک میکرون به ضخامت لایه اکسیدی افزوده می شود. اگر غلظت محلول الکترولیت به 10 درصد و جریان نیز به یک آمپر بر دسیمتر مربع کاهش یابد لایه اکسیدی ایجاد شده سخت تر و مقاومت تر می شودو و به ازای هر 6/3 دقیقه معادل یک میکرون به ضخامت آن افزوده می گردد. در آندایزینگ سخت سرعت تشکیل لایه اکسیدی بیشتر بر اساس تجربه تعیین می شود.

از طرف دیگر افزایش غظت الکترولیت باعث کاهش مقومت سایشی لایه اکسیدی می گردد. بطوری که تغییر غلظت

از 5/8% وزنی به 32% وزنی ، معادل 30% کاهش در مقاومت سایشی را به دنبال خواهد داشت. اگر غلظت محول الکترولیت ثابت و درجه حرارت کاهش یابد مقاومت سایشی افزایش پیدا خواهد کرد. همانگونه که در شکل نشان داده شده است میزان سختی و مقاومت سایشی در ضخامت های مختلف ، در حرارت صفر درجه سانتیگراد نسبت ه درجات بالاتر بیشترین مقدار خود را دارد. به عبارت دیگر هر چه درجه حرارت افزایش یابد میزان سختی و مقاومت سایشی کاهش می یابد.

تاثیر ناخالصی های موجود در محلول الکترولیت بر کیفیت آندایزینگ :

          اسید سولفوریک تجارتی با هر درجه خلوصی که خریداری شود معمولا” دارای ناخالصی هایی است که میزان آن به تجهیزات و پروسه تولید اسید، ظروف و تانکهای ذخیره، روش حمل و نقل ، شیوه نگهداری و انبار نمودن آن بستگی دارد. ناخالصی هایی که معمولا” در اسیدسولفوریک وجود دارند عبارتند از عناصر آهن ، مس ، سرب و برخی فلزات دیگر.

          الف – آهن یکی از عمومی ترین ناخالصیها می باشد واگر میزان آن در داخل اسید سولفوریک از حدود‍‍‍‍PPM 200 ‍‍‍‍‍‍‍‍ بیشتر شود بر پوشش اکسیدی حاصل از عملیات آندایزینگ اثر گذاشته و کیفیت آن را تقلیل می دهد .

          بهترین وضعیت آن است که اندازه آهن در محلول اکترولیت ازP PM 50 تجاوز ننماید. باتوجه به اینکه در طول کار نیز ذرات آهن بطور ناخواسته به محلول فوق افزوده می شوند میزان آهن در داخل اسید خریداری شده اولیه نباید ‍‍‍‍PPM25 تجاوز نماید.

          ب – تجربه نشان داده است که وجود درصد کمی آلومینیوم در داخل الکترولیت میتواند سودمند باشد . بطور مثال پس از آندایز کردن یک قطعه کار در داخل محلول الکترولیتی که دارای 5gr/lit آلومینیوم بوده مشخص گردید که براقیت قطعه فوق به مراتب بیشتر از حالتی است که جهت آندایز کردن آن از الکترولیت فاقد آلومینیوم استفاده شود. در مقابل این امتیاز آلومینیوم حل شده در داخل محلول الکترولیت از سویی باعث کاهش ضریب هدایت الکتریکی محلول میشود و ولتاژ مورد نیاز جهت ایجاد جریان مناسب راافزایش می دهد و از سوی دیگر باعث کاهش مقاومت سایشی لایه اکسیدی می گردد.

          به این دلیل می بایست حالت بهینه ای جهت تعیین مقدار آلومینیوم در داخل حمام یافت و آن را همواره ثابت نگهداشت .یکی از راههای ثابت نگهداشتن درصد آلومینیوم محلول در حمام تعویض روزانه مقداری از الکترولیت قدیمی با الکترولیت تازه و جدید می باشد . وباید دقت کرد که این مقدار از 10 گرم در لیتر تجاوز ننماید.

          براساس استاندارد DEF 151 ارتباط بین غلظت الکترولیت و بیشترین مقدار آلومینیوم مجاز در داخل محلول در دمای 15 درجه سانتیگراد در شکل 17 نشان داده شده است .

ج – ناخالصیهای دیگر مانند مس ، روی و سایر فلزات میتوانند در طول عملیات آندایزینگ به داخل حمام راه یابند به خصوص زمانی که از میله های مسی جهت انتقال جریان استفاده میشود . وجود ذرات و ناخالصیهای مس و روی در داخل حمام الکترولیت باعث کاهش کیفیت پوشش اکسیدی شده و علاوه بر صدمه رساندن به مقاومت قطعه در مقابل خوردگی از براقیت سطح آندایز شده نیز می کاهند . بنابراین غلظت عناصر فوق در محلول الکترولیت نباید از ‍‍‍‍PPM 10 تجاوز نماید.

د – استفاده از آب کلردار جهت ساخت حمام آندایزینگ یکی دیگر از مواردی است که باعث کیفیت کار می گردد زیرا آنیونهای کلر نیز از جمله ناخالصیهای مضر محسوب می گردد.

درجه حرارت محلول الکترولیت

          هرگونه افزایش حرارت محلول الکترولیت اسید سولفوریک باعث ایجاد تغییر در کیفیت لایه اکسیدی حاصل و سایر عوامل موثر در پروسه آندایزینگ می گردد. این تاثیرات عبارتند از :

1 – کاهش مقدار ولتاژ مورد نیاز جهت بدست آوردن دانسیته معینی از جریان .

2 – کاهش مقاومت سایشی سطح قطعات آندایز شده .

3 – افزایش شفافیت و براقیت سطح خارجی قطعات آندایز شده .

4 – کاهش میزان ضخامت و وزن پوشش آندی

ماکزیمم درجه حرارت مجاز محلول الکترولیت باغلظتهای متفاوت در شکل 19 بیان شده است . بااستفاده از منجنی فوق میتوان نسبت به تعیین میزان مناسب دما و غلظت الکترولیت اسید سولفوریک اقدام نموده و عملیات آندایزینگ راانجام داد .

دانسیته جریان و ولتاژ در پروسه آندایزینگ با الکترولیت اسید سولفوریک :

          افزایش ولتاژ تدر پروسه آندایزینگ باعث کاهش تعداد سوراخها و خلل و فرج سطح اکسیدی شده و بر سختی آن خواهد افزود. هرچند که این امر باعث افزایش درجه حرارت و بلطبع ضرورت استفاده از سیستم خنک کاری می گردد. نمودار شکل 18 نشان می دهد که باافزایش ولتاژ و کاهش حرارت میزان شفافیت و براقیت سطح آندایز شده تنزل می یابد . باتوجه به موارد فوق میتوان نتیجه گیری کرد که شفافیت بالا و مقاومت سایشی متوسط با بکارگیری ولتاژ پایین بدست می آید. اگر غلظت محلول الکترولیت 165 گرم در لیتر بوده و حرارت از 21 درجه سانتیگراد به 30 درجه سانتیگراد برسد مقاومت سایشی بین 12 تا 20 درصد کاهش می یابد. دراین صورت ( با توجه به افزایش درجه حرارت

)‌ولتاژ اعمال شده کاهش خواهد یافت و از 15 ولت به 11 ولت بادانسیته جریان 1.2 آمپر بر دسیمتر مربع خواهد رسید.

در یک آزمایش عملی مشخص شده است قطعات آلومینیومی آندایز شده در الکترولیت اسید سولفوریک با غلظت 130 گرم در لیتر حرارت 25 درجه سانتیگراد و دانسیته جریان 1.2 آمپر بر دسیمتر مربع در مقایسه با قطعات آلومینیومی اندایز شده در همان الکترولیت با غلظت 165 گرم در لیتر در حرارت 20 درجه سانتیگراد مقاومت سایشی مطلوبتری را دارا می باشند.

تاثیر شرایط مختلف عملیات آندایزینگ بر بازتاب کامل و آینه ای نور در آلومینیومی که به صورت شیمیایی براق کاری شده در نمودارهای شکل 20 نشان داده شده است .

محلول الکترولیت مورد استفاده در آزمایش نمودار الف اسید سولفوریک باغلظت 17%‌وزنی و نمودار ب معرف همان الکترولیت با غلظت 8.8%‌وزنی است .همچنین دانسیته جریان اعمال شده در آزمایش الف معادل یک آمپر بر دسیمتر مربع و در حالت ب معادل 1.6 آمپر بر دسیمتر مربع می باشد. ولتاژ مورد نیاز برای آندایزینگ آلیاژهای مختلف آلومینیوم با دانسیته جریان 1.2 آمپر بر دسیمتر مربع در الکترولیت اسید سولفوریک به شرح جدول شماره 10 می باشد.

آندایزینگ با الکترولیت اسید کرومیک :

الکترولیت اسید کرومیک در آندایزینگ آلومینیوم در موارد زیر مورد استفاده قرارمیگیرد.

الف – در حالتی که کمترین تغییر در ابعاد قطعه در طی آندایزینگ مورد نظر باشد.

ب – به عنوان زمینه و آستری در رنگ آمیزی قطعات به خصوص در صنایع نظامی.

ج – حفظ استحکام مکانیکی نقاط پرچ شده و یا جوشکاری شده قطعات آلومینیومی .

د- جهت نشان دادن ترکها خوردگیها درزهای مویی و سوراخهای موجود در سطح قطعات آلومینیومی به خصوص در صنایع هواپیمایی و نظامی .

ه- برای قطعات تزئینی و دکوراسیون با توجه به رنگ اکسید حاصل از آندایزینگ در الکتورلیت اسید کرومیک (‌هرچند که اکسید حاصل در مقایسه با آندایزینگ در الکترولیت اسید سولفوریک نرمتر می باشد )‌

دو روش مشهور درآندایزینگ نمودن قطعات آلومینیومی با استفاده از این الکترولیت به شرح زیر می باشد :

روش BENGOGH – STUART 

در روش فوق بر اساس استانداردهای نظامی D E F شماره 151 از اسید کرومیک به غلظت 3 تا 10% در حرارت 2+ 40 درجه سانتیگراد استفاده می کنند. پس از اتصال قطعه کار به میله آند، ولتاژ را در طی مدت زمان 10 دقیقه به تدریج به 40 ولت می رسانند و آن را به مدت 20 دقیقه ثابت که نگه می دارند. پس از آن ولتاژ را با سرعت یکنواخت طی مدت 5 دقیقه به 50 ولت می رسانند و به مدت 5 دقیقه آن را در این وضعیت تثبیت می کنند. بعد از طی این مراحل قطعه کار را از داخل محلول آندایزینگ در آورده و جهت علمیات بعدی آماده می نمایند. کل زمان عملیات در هر دوره برابر 40 دقیقه می باشد.

روش ثبوت ولتاژ :

          در این روش غلظت اسیدکرومیک بین 5 تا 10 درصد بوده و ولتاژ اعمال شدهنیز 40 ولت می باشد که در سرتاسر پروسه عملیات ثابت است.

          ولتاژ مورد نیاز این پروسه را می توان با توجه به P H محلول الکترولیت نیز تعیین کرد بدین صورت که اگر P H محلول بین 15/0 تا 6/0 باشد ولتاژی حدود 30 ولت مناسب می باشد و در صورتی که P H بین 6/0 تا 8/0 باشد به ولتاژی معادل 40 ولت نیازمندیم. مدت عملیات نیز حدود 30 دقیقه می باشد.

          همچنین دانسیته جریان در این روش به نوع آلیاژ آلومینیوم بستگی دارد. بطور مربع و آلیاژ آلومینیوم دارای درصد سیلیس بالا به 2 آمپر بر دسیمتر مربع جریان نیاز دارد. در صورت استفاده از الکترولیت به غلظت 100 گرم در لیتر دانسیته جریان معمولا” 2/1 آمپر بر دسیمتر مربع انتخاب می شود.

نکات قابل توجه در آندایزینگ با استفاده از الکترولیت اسیدکرومیک:

الف – جنس کاتد:

          در آندایزینگ بااستفاده از محلول الکترولیت اسیدکرومیک بهتر است که جنس کاتد از استیل ضدزنگ (Stainless Steel) انتخاب گردد. خود تانک نیز به همین منظور می تواند مورد استفاده قرار گیرد اما باید در هنگام جای گذاری و در آوردن قطعات دقت لازم بعمل آید تا احیانا” اتصالی ما بین قطعه کار و بدنه تانک صورت نگیرد. سطح مقطع کاتدهای انتخاب شده می بایست حدود 1/0 تا 2/0 سطح مقطع قطعاتی باشد که در هر مرحله می بایست آندایز شوند.

ب – تثبیت نسبت اسیدکرومیک در محلول:

          در طول پروسه آندایزینگ ، میزان اسیدکرومیک به دلایل مختلف کاهش می یابد که از جمله می توان از تغییر و تبدیل کروم شش ظرفیتی به کروم سه ظرفیتی نام برد و یا آنکه آلومینیوم نامحلول داخل حمام با کروم سه یا شش ظرفیتی ترکیب شده و دی کرومات آلومینیوم و یا ترکیب پیچیده دی کرومات کرومیوم را نتیجه می دهد به دلیل آنکه فعل و انفعال فوق باعث کاهش درصد اسیدکرومیک آزاد موجود در حمام می شود باید نسبت به ترمیم حمام و افزودن اسیدکرومیک اقدام نمود.

          یکی از راههای ساده جهت تعیین اسید کرومیک مورد نیاز استفاده از روش سنجش PH حمام می باشد. ارتباط بین PH الکترولیت و غلظت اسیدکرومیک در نمودار ارائه گردیده است.

ج – ناخالصی های محلول الکترولیت:

          1 – نسبت مقدار آلومینیوم نامحلول در الکترولیت می بایست کمتر از 3/0 درصد وزنی نسبت به وزن کل مواد داخل تانک باشد.

          2 – میزان نمکهای کلر ید نباید از 2/0 گرم در لیتر و یا p pm 200 بیشتر شود زیرا افزایش آن باعث کاهش کیفیت سطح اکسیدی و تیره و کدر شدن رنگ آن گردد.

          3 – میزان نمکهای سولفات داخل حمام حداکثر باید حدود p pm 500 باشد. به منظور ممانعت از ورود نمکهای فوق به داخل محلول الکترولیت علاوه بر کنترل آب مصرفی می بایست سطح قطعات آلومینیومی قبل از پروسه آندایزینگ کاملا” تمیز و از هرگونه آلودگی سطحی پاک شوند.

د – اقدامات ایمنی و حفاظتی:

          به دلیل مضر بودن بخارات کرومیک برای انسان باید با استفاده از روشهای مختلف نسبت خروج هوای آلوده از محوطه کارگاه و جایگزینی آن با هوای تازه اقدام کرد. در تانک های کوچک آندایزینگ با استفاده از هواکش های

معمولی میتوان مشکل را حل نمود اما در تجهیزات با ابعاد بزرگتر با استفاده از مکنده های نصب شده در لبه های تانک میتوان به این کار اقدام نمود. در هر حال تجهیزات مورد استفاده باید به گونه ای عمل نماید که به ازای هر مترمربع از سطح حمام آندایزینگ ، یک متر مکعب هوا در طی یک ثانیه تخلیه شود.

ه – سرعت تشکیل لایه اکسیدی:

          با اعمال دانسیته جریان معادل 2/1 آمپر بر دسیمتر مربع و طی مدت 20 دقیقه ، حدود 5 میکرون به ضخامت لایه اکسیدی افزوده شود.

و – فرآیند عملیات آندایزینگ با اسیدکرومیک:

          ترتیب و مراحل کاری پروسه آندایزینگ با الکترولیت اسیدکرومیک به شرح زیر و تقریبا” مشابه با سیستمی است که در بخش های قبلی در رابطه با آندایزینگ با محلول اسیدسولفوریک ذکر گردید. همانگونه که در بخش تمیزکاری و چربی زدائی توضیح داده شد.