آنودایزینگ سخت

تولید جهانی آلومینیوم طی 80 سال گذشته به تدریج در حال افزایش بوده و امروزه بیشترین میزان تولید آن در بین فلزات غیر آهنی است [1]. رشد سریع تولید آلومینیوم از سال 1933 به دلیل مصرف زیاد آن در صنایع نظامی ، به ویژه هواپیما و متعاقباً در حمل و نقل مشاهده شد [2]. این کاربردها از دو ویژگی مهم آلومینیوم و آلیاژهای آن ناشی می شود: چگالی کم و مقاوم سازی از طریق عملیات حرارتی مناسب [3]. آلومینیوم ، به دلیل میل شدید آن به اکسیژن و تشکیل یک لایه اکسید فشرده بر روی سطح آن ، در محلول های آب و هوا در بازه pH بین 4 تا 7 مقاومت زیادی در برابر خوردگی از خود نشان می دهد [4 ، 5].  با این حال ، آلیاژهای آلومینیوم ، به ویژه با محتوای زیاد مس ، به راحتی تحت واکنش های خوردگی قرار می گیرند.

آنودایزینگ روشی است که اغلب برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای آلومینیوم استفاده می شود. علاوه بر این، پوشش های آندی چسبندگی رنگ ها را بهبود می بخشد. بعد از اعمال فرایند آنودایزینگ، علاوه بر افزایش مقاومت به سایش، به راحتی رنگ را جذب می کنند و این رنگ ها دوام بالایی نیز دارند. اکسیداسیون آندی معمولاً برای محافظت فلز در برابر خوردگی در هواپیماها ، وسایل نقلیه ، قایق ها ، قطارها ، ساختمانها ، کالاهای خانگی و اداری ، صنعت الکترونیک ، در علوم نانو و فناوری نانو (غشاهای اکسید آندی متخلخل برای حسگرها و الگوهای تولید نانوسیم ها) انجام می شود. فرایند آنودایزینگ از از سال 1923 شناخته شده است (آنودایز کردن آلیاژهای Al-Cu در اسید کرومیک توسط بنگوگ و استوارت). [7] ویژگی های پوشش های آندی بسته به ترکیب شیمیایی محلول ، دما ، چگالی جریان و ولتاژ اعمال شده ممکن است در یک محدوده بسیار گسترده متفاوت باشد.

اصطلاح "آنودایزینگ سخت" فرآیندی است برای تولید پوشش آندی برای کاربردهای مهندسی. ویژگی اصلی آنها مقاومت در برابر سایش یا سختی بالا و ضخامت زیاد است [10]. انواع پوشش های آندی و خواص آنها در استاندارد MIL-A-8625F ارائه شده است [11]. در این استاندارد که کلیه مراکز خدمات آنودایزینگ در سراسر دنیا آن را یک مرجع معتبر در نظر می گیرند، پوشش های آندی سخت بر روی آلیاژهای آلومینیوم به عنوان پوشش نوع III طبقه بندی می شوند. دامنه ضخامت مجاز بین 12.7 تا 114 میکرومتر است در حالی که مقدار معمول آن 51 میکرومتر است. اهداف و خدمات شرکت مهندسی سطح آلودایز نیز بر اساس استاندارهای جهانی می باشد. با این حال ، باید توجه داشت که ضخامت بیشتر لزوماً به معنی سختی بیشتر نیست. به هر حال ، ضخامت پوشش آندی در نتیجه معامله بین میزان رشد آن ، تحت نظارت قانون فارادی و میزان انحلال آن است. سختی این پوشش ها اولا به چگالی جریان اعمال شده بستگی دارد ، دوما به ترکیب شیمیایی و دمای الکترولیت بستگی دارد. بنابراین ، افزایش ضخامت پوشش با استفاده از محلولهایی که سرعت انحلال Al2O3 کم است ، یعنی در دماهای پایین (زیر 5 درجه سانتیگراد) و چگالی جریان زیاد (حدود 2-3 دسی متر مربع) به بهترین وجه حاصل می شود [ 5–8].

 با توجه به مشخصات استاندارد MIL-A-8625F ، مقاومت در برابر سایش پوشش های آندی سخت باید با استفاده از آزمون سایش تابر تعیین شود. به طور خلاصه ، در این آزمون چرخ های ساخته شده از یک ماده ساینده 10000 دوره روی پوشش آندی با سرعت 60 دور در دقیقه می چرخد. سپس شاخص سایش که همان کاهش وزن بر حسب میلی گرم در هر 1000 چرخه است ، محاسبه می شود [12].

                                                                               پروسه فرآیند هارد آنودایزینگ
 

اولین تجزیه و تحلیل آماده سازی پوشش های آندی سخت بر روی آلومینیوم درست پس از جنگ جهانی دوم (1946 - 1948) در آلمان ، انگلستان و اتحاد جماهیر شوروی انجام شد. انواع الکترولیت های مورد استفاده عبارت بودند از: اسید اگزالیک و سولفوریک. امروزه، هنوز هم اسید سولفوریک در محدوده غلظت های وسیع و متنوع در تولید پوششهای آندی سخت استفاده می شود [7].

چگالی جریان اعمال شده در فرآیند آنودایزینگ سخت چندین برابر بیشتر از فرآیند آنودایزینگ نرمال است. آنودایزینگ سخت  معمولا بصورت کنترل جریان انجام می شود تا کنترل ولتاژ، زیرا هنگام تولید پوشش آنودیکی با ضخامت زیاد، ولتاژ، بسته به ترکیب شیمیایی آلیاژ ، الکترولیت و درجه حرارت آن، از مقدار اولیه حدود 20 ولت به بیش از 100 ولت افزایش می یابد. چگالی جریان باید به آرامی از مبدا فرآیند از 0 به مقدار هدف افزایش یابد. از یک طرف مشاهده شده است که در مورد آلیاژهای سخت آنودایز (به عنوان مثال آلیاژهای ریخته گری) کاهش چگالی جریان اغلب کیفیت پوشش ها را بهبود می بخشد. از طرف دیگر افزایش چگالی جریان معمولاً مقاومت در برابر سایش پوشش آندی تولید شده روی آلیاژهای کارپذیر را بهبود می بخشد. بنابراین لزوم استفاده از رکتیفایرهای دی سی پالسی مشخص می شود. با بهره گیری از رکتیفایرهای پالسی D.C به دست آوردن پوشش هایی بدون ایجاد سوختگی تسهیل می شود و به خصوص برای انودایزینگ آلیاژهای سخت بسیار کاربردی است [7،19].

صرف نظر از اعمال جریان مستقیم یا متناوب ، باید تماس الکتریکی خوبی بین فیکسچرها و قطعه برقرار شود. این نقطه تماس ها بهتر از آلومینیوم ساخته شود. آلیاژهای 5083 یا 6063  انتخاب مناسبی هستند اما ترجیحاً استفاده از همان آلیاژ آنودایز شده توصیه می شود. وقتی آلیاژهای ریخته گری آنودایز می شوند از تیتانیوم اغلب برای تماس های الکتریکی استفاده می شود.[7،19].

دما یک پارامتر بسیار مهم است که باید در حین آنودایزینگ سخت کنترل شود. معمولاً در حدود 0 درجه سانتی گراد است که بسیار کمتر از مقدار آنودایز کلاسیک است.

در طول فرایند آنودایزینگ سخت ، مقدار زیادی گرما در حمام الکترولیتی پراکنده شود ، بنابراین باید از ظرفیت برودتی مناسب اطمینان حاصل شود. از یک طرف ،انحلال آلومینیوم در محلول اسیدی گرمازا است. از طرف دیگر ، مقاومت پوشش در هنگام آندایزینگ افزایش می یابد. با افزایش مقاومت پوشش، میزان ولتاژ برای رسیدن به چگالی جریان تعریف شده افزایش می یابد و در نتیجه مقدار زیادی گرما در اطراف قطعه جمع می شود که برای از بین بردن آن نیاز به یک سیستم تلاطم سازی مهندسی شده می باشد. نبود سیستم تلاطم سازی مناسب  و همچنین استفاده از مواد افزودنی آلی و غیر آلی کاهش یابد [7،19].

                                                                               کاربردهای آنودایزینگ سخت
 

امروزه کاربردهای آلومینیوم آنودایز سخت در حال رشد است. بسته به خصوصیات پوشش مورد نظر ، آنها در زمینه های مختلف اعمال می شوند. از آنجا که در برابر فرسایش ، ضربه ، سایش و خراش مقاوم هستند ، محصولاتی مانند بدنه سوپاپ ها ، تاج های پیستون ، پمپ ها و پروانه ها ، ریل های راهنما ، سیلندرهای پنوماتیک ، یاتاقان های کم بار ، ریل ها، ظروف آشپزخانه، صنایع نساجی، خودرو سازی و ... ساخته شده از آلیاژهای آلومینیوم سخت آنودایز می شوند.[7]
برای کاربردهای خاص ، به عنوان مثال در صنعت هواپیما مقاومت در برابر سایش پوشش های آندی سخت باید بیشتر بهبود یابد و همینطور با اعمال پروسه های مختلف  مقدار ضریب اصطکاک را به طور قابل توجهی کاهش داد.

به دلیل مقاومت در برابر خوردگی نسبتاً خوب پوشش، عناصر آلومینیوم آنودایز سخت در محیط دریایی نیز اعمال می شوند (به عنوان مثال اژدرها). به لطف مقاومت الکتریکی و حرارتی خوب ، هیت سینک ها و المنت های گرمایشی نیز از آلومینیوم آنودایز سخت تولید می شود [7]. 

1. T.J. BROWN, N.E. IDOINE, E.R. RAYCRAFT, R.A. SHAW, E.A. DEADY, J. RIPPINGALE, T. BIDE, C.E. WRIGHTON, J. RODLEY: World mineral production 2001-2005. Halston & Co Ltd. Amersham 2007.

2. F. HABASHI: Handbook of extractive metallurgy. Wiley-VCH. Weinheim 1997.

3. W.D. CALLISTER: Materials Science And Engineering: An Introduction. 7th ed. John Wiley & Sons. New York 2010.

4. R.W. REVIE: Uhlig’s corrosion handbook. John Wiley & Sons. New York 2011.

5. T. BIESTEK, J. WEBER: Powłoki konwersyjne. Wydawnictwo Naukowo-Tech-niczne. Warszawa 1968.

6. H. DONG: Surface engineering of light alloys. Woodhead Publishing Ltd. Cambridge 2010.

7. P.G. SHEASBY, R. PINNER, S. WERNICK: The surface treatment and finishing of aluminium and its alloys. ASM International. Ohio 2011

8. V.F. HENLEY: Anodic oxidation of aluminum and its alloys. Pergamon Press. New York 1982.

9. L. HAO, R. CHENG: Sealing processes of anodic coatings-past, present, and future.

10. Metal Finishing, 98(2000), 8-18.

11. D.R. GABE: Hard anodizing-what do we mean by hard?, Metal Finishing, 100(2002), 52-58.

12. MIL-A-8625F (1993), Anodic coatings for aluminum and aluminum alloys.

13. ASTM D4060-09 (2009), Standard test method for abrasion resistance of organic coatings by the Taber abraser.

14. ASTM B137-95 (2014), Standard test method for measurement of coating mass per unit area on anodically coated aluminum.

15. P. KWOLEK, A. KAMIŃSKI, K. DYCHTOŃ, M. Drajewicz, J. Sieniawski: The corrosion rate of aluminium in the orthophosphoric acid solutions in the presence of sodium molybdate. Corrosion Science, 106(2016), 208–216.

16. P. KWOLEK, K. DYCHTOŃ, J. SZYDEŁKO, A. GRADZIK, M. DRAJEWICZ, J. SIENIAWSKI: The influence of sodium molybdate on the rate of corrosion of aluminum in phosphoric (V) acid. Materials Science Forum, 844(2016), 31-37.

17. ASTM B117-07a (2007), Standard practice for operating salt spray (Fog), Apparatus.

18. L.E. FRATILA-APACHITEI, F.D. TICHELAAR, G.E. THOMPSON, H. TER-RYN, P. SKELDON, J. DUSZCZYK, L. KATGERMAN: A transmission electron microscopy study of hard anodic oxide layers on AlSi(Cu) alloys. Electrochimica Acta, 49(2004), 3169-3177.

19. Poradnik galwanotechnika. WNT, Warszawa 2002.

20. M. JOZEFOWICZ: Hard coat aluminum anodizing. Metal Finishing, 103(2005), 39-41.

21. J. RUNGE, L. CHESTERFIELD: The science of successfully anodizing die cast substrates. Aluminium International Today, 22(2010), 30-36.

22. L.M. LERNER: Hard anodising of aerospace aluminium alloys, Metal Finishing, 88(2010), 21-24.

23. R. SADELER: Effect of a commercial hard anodizing on the fatigue property of a 2014-T6 aluminium alloy. Journal of Materials Science, 41 (2006), 5803–5809.

24. A. KUHN: PTFE coating vs. impregnation. Metal Finishing, 102 (2004), 12-17.

25. D. ZHANG, G. DONG, Y. CHEN, Q. ZENG: Electrophoretic deposition of PTFE particles on porous anodic aluminum oxide film and its tribological properties.

26. Applied Surface Science, 290 (2014), 466-474.

27. T. HATTORI, K. INOGUTT, Y. OHYAMA, Y. NAKAGISHI, M. SAKAGUCHI: Method of making a composite aluminium article. US Patent 5439712, 1995.

28. T.R. ROBINSON, L.Y. NELSON: Ultrasonic assisted deposition of anti-stick films on metal oxides. US Patent 6852266B2, 2005.

29. W. ZHANG, D. ZHANG, Y. LE, L. LI, B. OU: Fabrication of surface self-lubricating composites of aluminum alloy. Applied Surface Science, 255 (2008), 2671-2674.                                                                                                                                          

30. P. KWOLEK, P. GÓRECKA, A. OBLÓJ, U. KWOLEK, M. DYCH TOŃ, K. DRAJEWICZ, J. SIENIAWSKI: The Teflon impregnation of anodic coating onto aluminium substrate. Chemik, 70 (2016), 365-368.

31. P.U. SKELDON, H.W. WANG, G.E. THOMPSON: Formation and characterization of self-lubricating MoS 2 precursor films on anodized aluminium. Wear, 206 (1997), 187-196.

32. M. MAEJIMA, K. SARUWATARI, M. TAKAYA: Friction behaviour of anodic oxide film on aluminum impregnated with molybdenum sulfide compounds. Surface and Coatings Technology, 132 (2000), 105-110.

33. U. MALAYOGLU, K.C. TEKIN, U. MALAYOGLU, S. SHRESTHA: An investigation into the mechanical and tribological properties of plasma electrolytic oxidation and hard-anodized coatings on 6082 aluminum alloy. Materials Science and Engineering A, 528 (2011), 7451-7460.

34. L.R. KRISHNA, A.S. PURNIMA, G. SUNDARARAJAN: A comparative study of tribological behavior of microarc oxidation and hard-anodized coatings. Wear, 261 (2006), 1095-1101.

35. A.L. YEROKHIN, X. NIE, A. LEYLAND, A. MATTHEWS, S.J. DOWEY: Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and Coatings Technology, 122 (1999), 73-93.