آندایزینگ (Anodizing)

با پوشش های تبدیلی آشنا شوید

اکثر عناصر فلزی به شکل ذاتی تمایل به اکسید شدن دارند. یعنی در صورت قرارگیری در مجاورت عنصر اکسیژن لایه اکسیدی نسبتاً پایداری روی سطح آن ‌ها تشکیل می ‌شود. در شرایط معینی این لایه اکسیدی در برابر خوردگی و دیگر آسیب های سطحی از فلز محافظت می کند.

بر اساس این خاصیت پوشش های اکسیدی، بشر می تواند به شکل غیرطبیعی این پوشش ها را تقویت کند و یا این لایه ها را تولید کند. این نوع عملیات سطحی را ایجاد پوشش ‌های تبدیلی یا اکسیدی (Conversion Coatings) می نامند. به دو طریق می‌ توان این لایه اکسیدی را روی سطح فلزات ایجاد کرد:

• روش شیمیایی: جذب فلز یا اکسید فلزی روی سطح به واسطه یک واکنش شیمیایی که باعث ایجاد یک لایه پایدار می ‌شود، مانند کروماته کردن
• روش الکتروشیمیایی: از خواص الکتروشیمیایی مواد برای ایجاد پوشش استفاده می شود. در این حالت اکسید فلزی در محیط کنترل‌ شده تشکیل شده و کاملاً متراکم است یا بر اثر عملیات بعدی متراکم و غیرقابل‌ نفوذ می شود، مانند آندایزینگ

آندایزینگ چیست؟

آندایزینگ یا آندش یک فرآیند الکتروشیمیایی است که هدف آن افزایش ضخامت لایه اکسیدی روی سطح فلزات است. به عبارت دیگر در این فرایند برای بهره گیری خواص لایه های اکسیدی، این لایه ها را با ضخامت، پایداری و قدرت محافظت بیشتری ایجاد می کنند.

آنودایزینگ سال هاست روی فلزاتی چون تیتانیوم، روی، تنگستن و خصوصا آلومینیوم انجام می گیرد. این فرایند روی فلزات آهنی نیز انجام می گیرد اما به اندازه آلومینیوم متداول نیست.

اهدافی که از این فرایند دنبال می شوند را می توانیم در موارد زیر خلاصه کنیم:

• افزایش مقاومت به خوردگی: پوشش اکسیدی-آندی آب بندی شده سبب محافظت فلز در برابر عوامل خورنده جوی و نمک ها می گردد.
• افزایش قدرت چسبندگی رنگ ها: لایه های آندایز شده موجب ایجاد سطح فعال شیمیایی می شوند و بستر مناسبی را برای رنگ آمیزی ایجاد می کند.
• ایجاد نمای ظاهری مناسب جهت دکوراسیون و تزئینات: درخشندگی و براق بودن سطوح آندایزی غالبا بالاست.
• عایق الکتریکی: اکثر اکسیدها عایق جریان الکتریکی هستند و می توانند در ولتاژهایی از چند تا چندین هزار ولت به عنوان عایق عمل کنند.
• کاربرد در صنایع فتوگراف و لیتوگراف: وجود حفره ها در پوشش سبب افزایش استحکام مکانیکی صفحات لیتوگراف در نگهداری محلول های مربوط به فتوگراف و لیتوگراف می شود.
• افزایش قابلیت تابش و انتشار حرارت: لایه اکسیدی می تواند باعث بالا رفتن قابلیت تابش و انتشار حرارت شود.
• افزایش مقاومت سایشی: با فرایند آندایزینگ می توان پوشش های دارای سختی بالا ایجاد کرد و مقاومت به سایش را تا حدود زیادی افزایش داد.
• ردیابی و کنترل درزهای سطحی: پوشش آنودایزینگ حاصل از حمام اسید کرومیک قابلیت اجرای بازرسی جهت کشف و بررسی درزهای سطحی موجود بر روی ورق یا قطعات آلومینیومی را دارد.

چگونه باید سطح یک فلز را آندایز کنیم؟

برای اجرای آندایزینگ ابتدا لازم است فلز یا آلیاژی که می خواهیم روی آن پوشش ایجاد کنیم با درصد خلوص بسیار بالا تهیه شود. چرا که فلز با خلوص پایین، باعث آلوده شدن محلول می شود. این فلز به عنوان آند در نظر گرفته می شود. فلز دیگر یعنی فلز پوشش از جمله آلومینیوم، تینانتوم، پلاتین، پلادیم، نیکل، تنگستن و … در جایگاه کاتد قرار می گیرند.

آند و کاتد باید در یک محفطه حاوی الکترولیت قرار گیرند. ماهیت الکترولیت بسته به نوع لایه اکسیدی و خصوصیات آن (مانند ضخامت، قطر حفره ها، فاصله بین حفره ها و …) متغیر است. لایه اکسیدی فلز آندایز شده، توسط عبور جریان مستقیم از محلول الکترولیت رشد می کند و ضخیم تر می شود.

جریان الکتریکی ایجاد شده، هیدروژن را در کاتد (الکترود منفی) و اکسیژن را در سطح آند (الکترود مثبت) آزاد نموده و منجر به رشد لایه اکسیدی می شود. با توجه به جنس فلز و الکترولیت مورد استفاده و هم چنین هندسه ساختار، آندایز در ولتاژهای متفاوتی در محدوده 15 تا 195 ولت انجام می گیرد.

5 مرحله جهت آندایز کردن سطح فلزات

عملیات قبل از آندایز

همان طور که در بخش قبل اشاره کردیم، خلوص فلز در فرایند آندایزینگ عاملی مهم در علاوه بر پارامتر خلوص، پیش عملیات آندایز کردن نیز تأثیر چشمگیری روی نظم پوشش یکدست یا متخلخل تشکیل شده دارد. مهم ترین پیش عملیات آندایز که برای از بین رفتن نواقص سطحی فلز اجرا می شوند عبارتند از آنیل کردن (Annealing)، چربی زدایی (Degreasing) و پولیش کردن (Polishing)

• آنیل کردن

برای اجرای آنیل یا پازپخت پیش آندایز، فشار روی سطح نمونه را کم می کنند و آن را به مدت 4 الی 5 ساعت در دمایی حدود 400 درجه سلسیوس حرارت می دهند. عملیات آنیل سبب افزایش اندازه متوسط دانه می شود. این متوسط اندازه معمولا در حدود 100 میکرومتر است. همچنین آنیل قبل از آندایزینگ باعث از بین رفتن تنش های پسماند مکانیکی قطعه می شود.

• چربی زدایی

چربی زدایی سطحی نیز اهمیت قابل توجهی دارد. در این مرحله نمونه در حلال های مختلفی چون استون و اتانول با استفاده از امواج فراصوتی شست و شو می شود. بنابراین تمام چربی ها از روی سطح نمونه زدوده می شود و از شکل گیری ناخالصی های بین لایه ای جلوگیری می شود.

8

دقیــقه مطالعه

امواج التراسونیک چه ماهیتی دارند؟

حتما می دانید که ما همه صداها را نمی شنویم. انسان فقط می تواند امواج صوتی با فرک...

• پولیش کردن

به جرئت می توان گفت پولیش کردن مهم ترین عملیات قبل از آندایز کردن است. پولیش را می توان به صورت مکانیکی، شیمیایی یا الکتروشیمیایی انجام داد. به عنوان مثال برای آلومینیوم، عموماً دستگاه های الکتروپولیش به کار می رود. اما برای تیتانیوم و تنگستن معمولاً این عمل به صورت مکانیکی انجام می شود.

شروع عملیات آندایزینگ

پس از این سه مرحله، قطعه آمادۀ اجرای فرایند است. به این منظور قطعه را وارد حمام الکترولیت می کنند و طبق اصول مذکور، لایه نشانی آندایزی انجام می گیرد.

عملیات بعد از آندایز

بسیاری از پوشش های آندایزی به عنوان قالب برای تولید نانوساختارها استفاده می شوند. مثلا نانو حفره های آلومینای آندایز شده، برای تولید دیگر نانوساختارها به عنوان قالب به کار می روند. بنابراین لازم است لایه اکسید ساخته شده با توجه به مقاصد بعدی، در معرض عملیات جداسازی قرار گیرد. همچنین الکترولیت نیز ممکن است نیاز به تجدید و احیا داشته باشد.

جدا کردن بستر فلزی

این فرایند در صنعت امروز بیشتر در جداسازی اکسید آلومینیوم به روش شیمیایی از زیر لایه آلومینیوم باقی مانده دیده می شود. برای جداسازی بستر فلزی، نمونۀ آندایز شده در مدت زمان معینی، در محلول کلرید مس قرار می گیرد تا زیر لایه آلومینیوم غیر اکسیدی در آن حل و جدا شود.

انواع لایه های اکسیدی آندایزی

لایه اکسیدی سدی (Non-Porous Oxide Layer)

اگر عملیات آندایزینگ در الکترولیت خنثی انجام شود، یک لایه اکسید آندی از نوع سدی (یکدست) که نامتخلخل، نارسانا و به شدت چسبنده است، روی سطح فلز تشکیل می شود. این لایه اکسیدی از نظر شیمیایی خنثی است. همچنین بسیار نازک بوده و به صورت دی الکتریک فشرده است.

الکترولیت هایی که در تشکیل این نوع لایه اکسیدی به کار می روند عبارتند از: اسید بوریک (H₃BO₃)، آمونیوم بورات (BH₁₂N₃O₃)، آمونیوم تارتریت (C₄H₁₂N₂O₆)، محلول فسفات آبی، پرکلریک اسید (HClO₄) و بعضی الکترولیت های آلی مانند اسید سیتریک (C₆H₈O₇) ، اسید مالیک (C₄H₆O₅) ، اسید ساسینیک (C₄H₆O₄) و اسید گلیکولیک (C₂H₄O₃).

لایه اکسیدی متخلخل (Porous Oxide Layer)

اگر فرایند آندایز در حضور اسیدهای قوی انجام شود، لایۀ اکسیدی حاصل متخلخل خواهد بود. منافذی که این لایه های متخلخل دارند باعث می شوند که این پوشش ها در برابر گرما یا دیگر خواص انتقالی عایق نباشند.

برای آندایز متخلخل آلومینیوم اسید سولفوریک (H₂SO₄)، اسید اکسالیک (C₂H₂O₄) و اسید فسفریک (H₃PO₄) بیشترین کاربرد را دارند. الکترولیت هایی که برای آندایز متخلخل تیتانیوم گزارش شده اند نیز عبارتند از: آمونیوم فلوراید (NH₄F)، اتیلن گلیکول (C₂H₆O₂)، اسید سولفوریک، اسید هیدروفلوئوریک (HF)، اسید نیتریک (HNO₃) و آمونیوم سولفات ((NH₄)₂SO₄).

انواع روش های آندایزینگ

آندایزینگ هدایت‌ شده با پیش ‌الگو

در این روش پیش از فرایند آندایزینگ، الگویی روی سطح صیقلی فلز مورد ‌نظر ایجاد می ‌کنند. این الگو باعث می شود تا پوشش حاصل از فرایند آندایز، نظم ایده ‌آلی به خود بگیرد. ایجاد الگو روی سطح فلز با فرایندهای مختلفی انجام می گیرد:

دندانه گذاری سطحی

یکی از این روش ‌ها دندانه ‌گذاری با استفاده از نوک تیز پروب میکروسکوپ پراب روبشی (SPM) روی سطح فلز است. در این فرایند هر نمونه باید جداگانه تحت دندانه ‌گذاری قرار گیرد. از آنجایی ‌که این روش بسیار زمان بر است، معمولا در کاربردهای آزمایشگاهی و حساس از این روش استفاده می ‎شود.

لیتوگرافی

روش دیگر اجرای شابلون (الگو) با عملیات لیتوگرافی است. در این عملیات سطح فلز به وسیله‌ مُهر (imprint) حکاکی می‌ شود. روی سطح این مهر آرایه‎ ها‌ی برجسته ‎ای وجود دارند که قابلیت نقش بندی چند باره سطح فلزات را دارند.

پس از اعمال مهر، یک سری آرایه فرو‌رفته روی سطح فلز ایجاد می ‌شود که ناشی از برآمدگی ‌های مهر است. عمق این فرو‌رفتگی‌ ها بسته به کاربرد می تواند تا حساسیت 20 نانومتر نیز برسد. امروزه آرایه‌ های گوناگونی از نانوحفره ‌ها مثل آرایه ‌های مثلثی، مربعی و شش ‌گوش را می‌توان ایجاد کرد.

آندایزینگ خودآرایی ‌شده

در این روش حفره‌ های پوشش آندایزی به صورت خودآرا (self assembled) از طریق اعمال ولتاژ به سلول الکتروشیمیایی ایجاد می‎ شوند. یعنی اینجا دیگر مُهر یا پروبی در کار نیست. در این روش، آرایه ‌ای از حفره‌ های استوانه ‌ای شکل ایجاد می شوند که هر کدام از این استوانه‌ ها در مرکز یک سلول شش‌ گوش قرار دارد.

این حفره‌ ها در جهت عمود بر سطح فلز زیرین رشد می ‌کنند. به این صورت که با اعمال میدان الکتریکی، لایه اکسیدی در فصل مشترک اکسید/الکترولیت کم کم حل می ‎شود و در فصل ‌مشترک اکسید/فلز به تدریج رشد می ‎کند.

خواص و کاربردهای پوشش آندایزی

فرایند آندایزینگ موجب به وجود آمدن پوششی می شود که از فلز زیر لایه در برابر عوامل مخربی مانند خوردگی و سایش محافظت می کند. بنابراین باعث افزایش طول عمر، دوام و بازدهی بیشتر قطعه کاری می شود. همچنین از این روش پوشش دهی برای زیباسازی و ایجاد رنگ ‌های مختلف تزئینی روی قطعه ها نیز استفاده می ‌شود.

اغلب پوشش های آندایزی مثل رنگ نیستند که به آسانی از سطح جدا شوند. بلکه در سطح نفوذ کرده و پیوند شیمیایی مستحکمی ایجاد می کنند. در نتیجه کنده و پوسته پوسته نخواهند شد. فرایند آندایزینگ در پوشش دهی تجهیزات مورد استفاده در صنایع مختلفی مانند هوافضا، دریایی، پزشکی و خودرو که در معرض آسیب پذیری، خوردگی، سایش و خراش هستند، کاربرد دارد.

8

دقیــقه مطالعه

5 روش معروف پوشش دهی فلزات که باید آن ها را بشناسید!

شناختن مزایا و معایب هر یک از انواع پوشش های فلزی برای انتخاب مورد مناسب برای کا...

خدمات آندایزینگ

بسیاری از واحدهای فنی و آزمایشگاهی در کشور ما خدمات آندایزینگ را با کیفیت بالا انجام می دند. برای انتخاب بهترین واحد آندایز از وجود موارد زیر اطمینان حاصل کنید.

• استفاده از اتصالات مدرن برای کاهش ضایعات پروفیل پس از آندایز
• اچ‌ کاری با استفاده از از عوامل کاهش خوردگی تا رسیدن به کیفیت سطحی ذکر شده در استاندارد مورد نظر
• سیستم اجرای رنگ به روش الکتروکالرینگ (Electrocoloring)
• اجرای پوشش ها و رنگ هایی مقاوم در مقابل اشعۀ آفتاب
• اعمال پوشش هایی با قابلیت دوام در مقابل شرایط بد آب و هوایی
• توان آنادایزینگ فلز تا ضخامت های بالا با استفاده از متریال پوشش مناسب و استاندارد
• بسته‌ بندی قطعات با دستگاه اتوماتیک و استفاده از لفاف مناسب بین پروفیلی
• کنترل کیفیت محصول در طول فرایند تولید

منابع

محمود کثیری ها (۱۳۸۱).”استانداردها، راهنمای آماده سازی سطوح و اعمال پوشش‌های حفاظتی”.انتشارات انجمن خوردگی ایران
سید علی نیک جلال(۱۳۸۳).”فرایند تولید آلومینیوم اولیه”.انتشارات جهاد دانشگاهی پژوهشکده توسعه تکنولوژی