آشنایی با پوششهای تبدیلی
بسیاری از عناصر فلزی به طور طبیعی تمایل به اکسید شدن دارند، به این معنی که هنگامی که در معرض اکسیژن قرار میگیرند، لایهای از اکسید روی سطح آنها تشکیل میشود. این لایه اکسیدی میتواند در شرایط خاص از فلز در برابر خوردگی و آسیبهای دیگر محافظت کند.
با توجه به این ویژگی، میتوان این لایههای اکسیدی را به طور مصنوعی تقویت یا ایجاد کرد. به این نوع عملیات سطحی، پوششهای تبدیلی یا اکسیدی (Conversion Coatings) گفته میشود. برای ایجاد لایه اکسیدی روی فلزات، دو روش اصلی وجود دارد:
- روش شیمیایی: در این روش، با استفاده از یک واکنش شیمیایی، فلز یا اکسید فلزی به سطح فلز جذب میشود تا لایهای پایدار تشکیل شود. به عنوان مثال، کروماته کردن یکی از این روشها است.
- روش الکتروشیمیایی: در این روش، از خواص الکتروشیمیایی مواد برای ایجاد پوشش استفاده میشود. در این حالت، اکسید فلزی در محیط کنترلشده تشکیل میشود و یا با عملیاتهای بعدی متراکم و غیرقابلنفوذ میشود، مانند آندایزینگ.
آندایزینگ چیست؟
آندایزینگ یا آندش یک فرآیند الکتروشیمیایی است که به منظور افزایش ضخامت لایه اکسیدی روی سطح فلزات انجام میشود. به عبارتی دیگر، این فرایند به منظور بهرهبرداری از خواص لایههای اکسیدی، لایههایی با ضخامت، پایداری و قدرت محافظت بیشتری تولید میکند.
این فرآیند برای فلزات مختلفی از جمله تیتانیوم، روی، تنگستن و به ویژه آلومینیوم انجام میشود. آندایزینگ بر روی فلزات آهنی نیز قابل انجام است، اما به اندازه آلومینیوم متداول نیست.
اهداف آندایزینگ شامل موارد زیر است:
- افزایش مقاومت به خوردگی: لایه اکسیدی-آندی آببندیشده، فلز را در برابر عوامل خورنده جوی و نمکها محافظت میکند.
- افزایش چسبندگی رنگها: لایههای آندایز شده سطحی فعال شیمیایی ایجاد میکنند که بستر مناسبی برای رنگآمیزی فراهم میآورد.
- ایجاد نمای ظاهری مناسب: درخشندگی و براق بودن سطوح آندایزی اغلب بالا است.
- عایق الکتریکی: اکثر اکسیدها عایق جریان الکتریکی هستند و میتوانند در ولتاژهای مختلف به عنوان عایق عمل کنند.
- کاربرد در صنایع فتوگراف و لیتوگراف: حفرههای موجود در پوشش باعث افزایش استحکام مکانیکی صفحات لیتوگراف برای نگهداری محلولهای مربوط به فتوگراف و لیتوگراف میشود.
- افزایش قابلیت تابش و انتشار حرارت: لایه اکسیدی میتواند قابلیت تابش و انتشار حرارت را افزایش دهد.
- افزایش مقاومت سایشی: آندایزینگ میتواند پوششهای سختی با مقاومت سایشی بالا ایجاد کند.
- ردیابی و کنترل درزهای سطحی: پوشش آنودایزینگ حاصل از حمام اسید کرومیک قابلیت بازرسی برای کشف درزهای سطحی روی ورق یا قطعات آلومینیومی را دارد.
فرآیند آندایزینگ چگونه انجام میشود؟
برای اجرای آندایزینگ، ابتدا فلز یا آلیاژی با درصد خلوص بالا تهیه میشود. این فلز به عنوان آند در نظر گرفته میشود، در حالی که فلز دیگر، مانند آلومینیوم، تیتانیوم، پلاتین، پلادیم، نیکل و تنگستن، به عنوان کاتد قرار میگیرد.
آند و کاتد در یک محفظه حاوی الکترولیت قرار میگیرند. ماهیت الکترولیت بستگی به نوع لایه اکسیدی و خصوصیات آن (مانند ضخامت، قطر حفرهها، فاصله بین حفرهها و …) دارد. لایه اکسیدی فلز آندایز شده با عبور جریان مستقیم از محلول الکترولیت رشد کرده و ضخیمتر میشود.
جریان الکتریکی ایجاد شده هیدروژن را در کاتد (الکترود منفی) و اکسیژن را در سطح آند (الکترود مثبت) آزاد میکند و منجر به رشد لایه اکسیدی میشود. با توجه به جنس فلز، الکترولیت مورد استفاده و هندسه ساختار، آندایزینگ در ولتاژهای متفاوتی در محدوده 15 تا 195 ولت انجام میشود.
مراحل آندایزینگ فلزات
- عملیات قبل از آندایزینگ:
- آنیل کردن: در این مرحله، فشار روی سطح نمونه کاهش یافته و آن را به مدت 4 تا 5 ساعت در دمای حدود 400 درجه سلسیوس حرارت میدهند تا اندازه دانهها افزایش یابد و تنشهای پسماند مکانیکی از بین برود.
- چربیزدایی: در این مرحله، نمونه در حلالهای مختلف مانند استون و اتانول با استفاده از امواج فراصوتی شستشو میشود تا تمام چربیها از سطح نمونه زدوده شده و از شکلگیری ناخالصیهای بین لایهای جلوگیری شود.
- پولیش کردن: این عملیات مهمترین مرحله پیش از آندایزینگ است و به صورت مکانیکی، شیمیایی یا الکتروشیمیایی انجام میشود. پولیش کردن باید به گونهای باشد که سطح فلز به طور یکنواخت و بدون عیب باقی بماند.
- عملیات آندایزینگ: پس از آمادهسازی، قطعه به حمام الکترولیت منتقل شده و فرآیند آندایزینگ بر اساس اصول مشخص انجام میشود.
- عملیات بعد از آندایزینگ:
- جدا کردن بستر فلزی: در این مرحله، لایه اکسید ساخته شده از زیر لایه فلزی جدا میشود. این فرآیند معمولاً در جداسازی اکسید آلومینیوم از زیر لایه آلومینیوم باقی مانده انجام میشود.
- انواع لایههای اکسیدی آندایزی: شامل لایههای متخلخل و سدی که بسته به نوع الکترولیت و شرایط فرآیند متفاوت است.
- انواع روشهای آندایزینگ: شامل آندایزینگ هدایتشده با پیشالگو و آندایزینگ خودآراییشده که هر یک به روشهای خاصی برای ایجاد الگوهای منظم روی سطح فلزات مربوط میشود.
ویژگیها و کاربردهای پوشش آندایزی
پوشش آندایزی ایجاد شده باعث محافظت فلز زیر لایه در برابر عوامل مخرب مانند خوردگی و سایش میشود. این فرآیند به افزایش طول عمر و دوام قطعه کاری کمک میکند و در صنایع مختلفی مانند هوافضا، دریایی، پزشکی و خودرو که در معرض آسیبپذیری و خوردگی هستند، کاربرد دارد. همچنین، این پوششها به زیباسازی و ایجاد رنگهای مختلف تزئینی نیز کمک میکنند.
آندایزینگ آلومینیوم
آلومینیوم به دلیل ویژگیهای خاص خود در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. آندایزینگ آلومینیوم موجب افزایش مقاومت این فلز به خوردگی، بهبود چسبندگی رنگ و بهبود خواص ظاهری آن میشود. این فرآیند شامل مراحل مختلفی از جمله پرداخت مکانیکی، تمیز کردن، دودهزدایی، صیقلکاری، آندایزینگ، رنگ کردن، آببندی و خشک کردن است که هر یک نقش مهمی در بهبود خواص نهایی آلومینیوم دارند.
آندایزینگ سخت آلومینیوم
آندایزینگ سخت زمانی انجام میشود که لایه اکسید آلومینیوم به ضخامت بیشتری از حد معمول رشد کند. این روش به منظور افزایش مقاومت به خوردگی و فرسایش در قطعات فلزی و آلومینیومی کاربرد دارد، به ویژه در صنایع پتروشیمی، هوافضا و دریایی.
انواع لایههای اکسیدی آندایزی
1. لایه اکسیدی سدی (Non-Porous Oxide Layer)
اگر عملیات آندایزینگ در محیطی با الکترولیت خنثی انجام شود، لایه اکسید آندی به صورت سدی و غیرمتخلخل روی سطح فلز تشکیل میشود. این لایه خنثی و نازک، به صورت دیالکتریک فشرده است و از نظر شیمیایی پایدار میباشد. الکترولیتهای مورد استفاده برای این نوع لایه شامل اسید بوریک، آمونیوم بورات، آمونیوم تارتریت، محلول فسفات آبی، پرکلریک اسید و برخی الکترولیتهای آلی مانند اسید سیتریک، اسید مالیک، اسید ساسینیک و اسید گلیکولیک هستند.
2. لایه اکسیدی متخلخل (Porous Oxide Layer)
در صورتی که فرآیند آندایزینگ در حضور اسیدهای قوی انجام شود، لایه اکسیدی متخلخل ایجاد میشود. این لایه دارای منافذی است که باعث میشود این پوششها در برابر گرما یا دیگر خواص انتقالی عایق نباشند. برای آندایزینگ متخلخل آلومینیوم از اسید سولفوریک، اسید اکسالیک و اسید فسفریک استفاده میشود. برای تیتانیوم، الکترولیتهایی مانند آمونیوم فلوراید، اتیلن گلیکول، اسید سولفوریک، اسید هیدروفلوئوریک، اسید نیتریک و آمونیوم سولفات به کار میروند.
انواع روشهای آندایزینگ
1. آندایزینگ هدایتشده با پیشالگو
در این روش، پیش از فرآیند آندایزینگ، الگویی روی سطح فلز ایجاد میشود که باعث میشود پوشش آندایزی نظم بهتری پیدا کند. این الگوها از طریق دندانهگذاری سطحی یا لیتوگرافی ایجاد میشوند. در دندانهگذاری، نوک تیز پروب میکروسکوپ پراب روبشی برای ایجاد الگو استفاده میشود. روش لیتوگرافی شامل حکاکی سطح فلز با استفاده از مهر است که آرایههای برجسته روی سطح فلز ایجاد میکند.
2. آندایزینگ خودآراییشده
در این روش، حفرههای پوشش آندایزی به صورت خودآرا از طریق اعمال ولتاژ به سلول الکتروشیمیایی ایجاد میشوند. در این روش، آرایهای از حفرههای استوانهای شکل ایجاد میشود که هر کدام از این استوانهها در مرکز یک سلول ششگوش قرار دارند. این حفرهها در جهت عمود بر سطح فلز رشد میکنند.
خواص و کاربردهای پوشش آندایزی
فرآیند آندایزینگ موجب ایجاد پوششی میشود که فلز زیرین را در برابر عوامل مخربی مانند خوردگی و سایش محافظت میکند و طول عمر و دوام قطعه را افزایش میدهد. همچنین برای زیباسازی و ایجاد رنگهای مختلف تزئینی استفاده میشود. پوششهای آندایزی به دلیل نفوذ در سطح فلز و ایجاد پیوند شیمیایی مستحکم، به راحتی از سطح جدا نمیشوند و در صنایع مختلفی مانند هوافضا، دریایی، پزشکی و خودروسازی کاربرد دارند.
مراحل آندایزینگ آلومینیوم
- پرداختکاری مکانیکی: تغییر شکل مکانیکی قطعه به شکل دلخواه برای جلوگیری از آسیب لایه اکسید.
- تمیز کردن قطعه کار: استفاده از حلالها و محلولهای قلیایی برای پاک کردن چربی و آلودگیها.
- دودهزدایی: حذف دودهها از سطح آلومینیوم با اسید نیتریک.
- صیقلکاری: براق کردن سطح فلز به روشهای الکتروشیمیایی برای ایجاد سطح یکنواخت.
- آندایزینگ: قرار دادن قطعه در الکترولیت و عبور جریان الکتریکی برای ایجاد لایه ضخیم از اکسید آلومینیوم.
- رنگ کردن: استفاده از رنگدانههای غیرآلی یا آلی برای رنگین کردن سطح آلومینیوم.
- آببندی یا سیلکاری: پر کردن حفرههای لایه اکسید با آب جوش و محلولهای نمکی برای جلوگیری از خوردگی.
- خشک کردن: خشک کردن قطعه به روش الکتروشیمیایی در دمای پایین برای جلوگیری از ترک خوردگی رنگ و لایه اکسید.
آندایزینگ سخت آلومینیوم
این نوع آندایزینگ برای ضخیمتر کردن لایه اکسید آلومینیوم به بیش از ۲۵ میکرون استفاده میشود و در صنایع دریایی، پتروشیمی و هوافضا کاربرد دارد.
مزایای آلومینیوم آندایزینگ شده
- افزایش مقاومت به خوردگی
- بهبود چسبندگی رنگ
- بهبود کیفیت آبکاری
- بهبود نمای ظاهری
- افزایش خاصیت عایق بودن به الکتریسیته
این فرآیند کمک میکند که آلومینیوم در برابر آسیبها و شرایط محیطی مختلف مقاومتر شود و عمر مفید آن افزایش یابد.
پوششهای آندایزینگ و تاثیرات آنها بر ویژگیهای فلزات
1. مقاومت به خوردگی
پوششهای آندایزینگ، به دلیل ساختار متخلخل و تشکیل لایه اکسیدی مقاوم، فلزات را در برابر خوردگی و اکسیداسیون محافظت میکنند. لایه اکسید آلومینیوم در برابر رطوبت، نمکها و مواد شیمیایی مقاوم است و از فلز زیرین در شرایط محیطی سخت محافظت میکند. این ویژگیها به ویژه در صنایع دریایی و ساختوساز مفید هستند.
2. دوام و سایش
پوششهای آندایزینگ به دلیل سختی و مقاومت بالای سطح، در برابر سایش و خراشیدگی بسیار مقاوم هستند. این ویژگیها به طور خاص در کاربردهایی که نیاز به دوام بالا و مقاومت در برابر اصطکاک وجود دارد، مانند قطعات ماشینآلات صنعتی و قطعات خودرو، مورد توجه است.
3. ویژگیهای زیباییشناختی
پوششهای آندایزینگ میتوانند در طیف گستردهای از رنگها تولید شوند و به دلیل قدرت جذب رنگدانهها، برای تزئین و زیباسازی قطعات استفاده شوند. این ویژگیها در صنایع مختلف از جمله طراحی داخلی، جواهرات و تجهیزات الکترونیکی به کار میروند.
4. عایق الکتریکی
لایههای آندایزینگ به دلیل ویژگیهای دیالکتریک، خاصیت عایق بودن به الکتریسیته را دارا هستند. این ویژگیها در صنایع الکترونیکی و برق به کار میروند، جایی که نیاز به جلوگیری از تماس الکتریکی یا کاهش تداخلات الکترومغناطیسی وجود دارد.
5. چسبندگی رنگ و پوششهای دیگر
لایههای آندایزینگ به دلیل ساختار متخلخل خود، پایهای مناسب برای چسبندگی رنگها و پوششهای دیگر فراهم میکنند. این امر موجب میشود که رنگها و پوششها به سطح فلز چسبیده و طول عمر بیشتری داشته باشند.
نکات عملی در فرآیند آندایزینگ
1. کنترل دما و زمان
کنترل دقیق دما و زمان در فرآیند آندایزینگ بسیار مهم است، زیرا این عوامل بر ضخامت و کیفیت لایه اکسید تأثیر میگذارند. دماهای پایینتر ممکن است منجر به لایههای نازکتر و دماهای بالاتر به لایههای ضخیمتر و مقاومتر منجر شوند.
2. انتخاب صحیح الکترولیت
انتخاب الکترولیت مناسب برای هر نوع فلز و کاربرد بسیار حائز اهمیت است. به عنوان مثال، برای آندایزینگ آلومینیوم، اسید سولفوریک، اسید اکسالیک و اسید فسفریک به کار میروند، در حالی که برای تیتانیوم از اسید نیتریک و آمونیوم فلوراید استفاده میشود.
3. آمادهسازی صحیح سطح فلز
سطح فلز باید به دقت تمیز و صیقل داده شود تا از ایجاد عیوب و نقصهای ظاهری در پوشش جلوگیری شود. آلودگیها و زنگزدگیها میتوانند بر کیفیت لایه اکسید تأثیر منفی بگذارند.
4. پسپردازش و آببندی
پس از آندایزینگ، لایه اکسید باید به دقت آببندی شود تا از نفوذ رطوبت و دیگر عوامل خورنده جلوگیری شود. این عمل معمولاً با استفاده از حرارت بالا یا محلولهای سیلسازی انجام میشود.
مزایای استفاده از پوششهای آندایزینگ در صنایع مختلف
1. صنعت خودرو:
در صنعت خودرو، از پوششهای آندایزینگ برای بهبود دوام و زیبایی قطعات آلومینیومی استفاده میشود. این پوششها به ویژه برای قطعاتی مانند رینگهای چرخ، سیستمهای تعلیق و تجهیزات داخلی مورد استفاده قرار میگیرند.
2. صنعت هوافضا:
پوششهای آندایزینگ در صنعت هوافضا به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و سایش مورد استفاده قرار میگیرند. قطعاتی مانند فریمهای هواپیما و تجهیزات برقی و مکانیکی که در معرض شرایط سخت جوی قرار دارند، با این پوششها تقویت میشوند.
3. صنعت ساختمانی:
در صنعت ساختمانی، پوششهای آندایزینگ به دلیل ویژگیهای زیباییشناختی و مقاومت در برابر شرایط محیطی، در نمای ساختمانها و دربها و پنجرهها به کار میروند. این پوششها به حفظ زیبایی و دوام ساختارهای ساختمانی کمک میکنند.
4. صنعت الکترونیک:
در صنعت الکترونیک، لایههای آندایزینگ به دلیل خاصیت عایق بودن به الکتریسیته و جلوگیری از تداخلات الکترومغناطیسی، در تولید قطعات الکترونیکی و تجهیزات دقیق مورد استفاده قرار میگیرند.
نتیجهگیری
پوششهای آندایزینگ به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد خود، از جمله مقاومت بالا در برابر خوردگی، سایش، عایق الکتریکی و زیباییشناختی، در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارند. فرآیند آندایزینگ به دقت و کنترلهای ویژهای نیاز دارد تا بهترین نتیجه را در ایجاد پوششهای مقاوم و پایدار به دست آورد.
بدون دیدگاه