آنودایزینگ

اصول اولیه آماده‌سازی سطح آلومینیوم برای آنودایزینگ

وقتی می‌خوای آلومینیوم رو برای آنودایزینگ آماده کنی، اولین قدم اینه که سطح رو کاملاً تمیز کنی، اما نه با هر روشی. من سال‌ها توی کارگاه‌های صنعتی کار کردم و دیدم که بیشتر مشکلات بعدی از همین مرحله شروع می‌شن. مثلاً، اگه از آلومینیوم آلیاژی مثل ۶۰۶۱ استفاده می‌کنی، باید اول با یک محلول قلیایی مثل سدیم هیدروکسید ۵-۱۰% غوطه‌ور کنی تا اکسید طبیعی و چربی‌ها برن. دما رو حدود ۶۰-۷۰ درجه سانتی‌گراد نگه دار و زمان رو ۵-۱۰ دقیقه، بسته به ضخامت لایه چربی. بعدش، آبکشی با آب مقطر مهمه، چون کلریدهای آب شهری می‌تونن بعداً پیتینگ ایجاد کنن.

حالا، اگه سطح رو با اسید نیتریک ۲۰% اسیدشویی کنی، لبه‌های تیز رو صاف می‌کنه و از ایجاد نقاط ضعیف توی لایه آنودایز جلوگیری می‌کنه. توی تجربیاتم، برای قطعات دقیق مثل هیت‌سینک‌های الکترونیکی، همیشه یک مرحله پولیش مکانیکی با پدهای الماسه ۴۰۰-۶۰۰ مش اضافه می‌کنم. این کار سطح رو صاف‌تر می‌کنه و جذب کرومات توی مرحله سیلینگ رو بهتر می‌کنه. اما مراقب باش، پولیش بیش از حد می‌تونه میکروخطوط ایجاد کنه که بعداً رنگ رو ناهموار کنه.

مراحل اجرایی فرآیند آنودایزینگ سولفوریک اسید

فرآیند استاندارد آنودایزینگ با اسید سولفوریک رو از صفر شروع می‌کنم، چون این روش برای ۸۰% کاربردهای صنعتی استفاده می‌شه. اول، قطعه آلومینیوم رو به عنوان آند وصل کن به منبع DC با چگالی جریان ۱-۲ آمپر بر دسی‌متر مربع. الکترولیت رو با اسید سولفوریک ۱۶-۲۰% در دمای ۱۸-۲۲ درجه سانتی‌گراد تنظیم کن. زمان الکترولیز رو بر اساس ضخامت مورد نظر محاسبه کن؛ مثلاً برای لایه ۲۰ میکرون، حدود ۴۰-۶۰ دقیقه طول می‌کشه.

توی این مرحله، ولتاژ رو از ۱۲ ولت شروع کن و به تدریج تا ۱۸-۲۰ ولت برسون. اگه ولتاژ رو ناگهانی بالا ببری، حباب‌های اکسیژن بیش از حد تولید می‌شه و سطح رو زبر می‌کنه. من همیشه یک سیستم خنک‌کننده با گردش آب سرد استفاده می‌کنم تا دما ثابت بمونه، چون حتی ۲-۳ درجه افزایش می‌تونه ضخامت لایه رو ناهموار کنه. بعد از الکترولیز، قطعه رو با آب سرد بشور و مستقیم برو سراغ رنگ‌آمیزی اگه لازم باشه.

برای رنگ‌آمیزی، از رنگدانه‌های آلی مثل اسیدهای دی‌آریل آمین استفاده کن. قطعه رو توی حمام رنگ با pH 4-5 و دمای ۵۰ درجه برای ۱۰-۱۵ دقیقه غوطه‌ور کن. نکته کلیدی اینجاست: قبل از رنگ، سطح رو با اسید استیک ۵% فعال کن تا منافذ باز بمونن. توی کارگاهم، دیدم که اگه این فعال‌سازی رو فراموش کنی، رنگ فقط روی سطح می‌چسبه و با اولین تست سایش می‌ره.

چالش‌های رایج در کنترل ضخامت لایه آنودایز و راه‌حل‌های عملی

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها، کنترل دقیق ضخامت لایه اکسید هست، چون اگه کمتر از ۱۰ میکرون باشه، مقاومت خوردگی کم می‌شه و اگه بیش از ۲۵ میکرون، انعطاف‌پذیری قطعه کم می‌شه. توی پروژه‌های خودروسازی، بارها دیدم که نوسان چگالی جریان باعث می‌شه ضخامت در نقاط مختلف فرق کنه. راه‌حل من اینه که از پروفیل جریان پله‌ای استفاده کنی: اول ۰٫۵ A/dm² برای ۱۰ دقیقه، بعد ۱٫۵ A/dm² برای ۳۰ دقیقه، و آخرش ۰٫۸ A/dm² برای تثبیت. این روش لایه رو یکنواخت‌تر می‌کنه بدون اینکه حرارت اضافی تولید بشه.

مشکل دیگه، ایجاد لکه‌های سفید یا “بلوم” روی سطح بعد از الکترولیز هست. این معمولاً از آلودگی الکترولیت با فلزات سنگین مثل آهن می‌آد. برای حلش، هر ۵۰۰ ساعت کار، الکترولیت رو با کربن اکتیو فیلتر کن و pH رو با سولفوریک اسید تازه تنظیم کن. توی تجربیاتم، اضافه کردن ۰٫۵% اسید بوریک به الکترولیت کمک می‌کنه تا یون‌های آلوده کمتر جذب بشن.

بهینه‌سازی فرآیند برای آلیاژهای خاص آلومینیوم

آلیاژهای مختلف رفتار متفاوتی توی آنودایز نشون می‌دن. مثلاً سری ۲۰۰۰ مثل ۲۰۲۴ که مس داره، لایه اکسیدش تیره‌تر می‌شه و مقاومت خوردگیش کمتره. برای این‌ها، الکترولیت رو با ۱۸% سولفوریک و ۲% اسید اکسالیک مخلوط کن تا لایه شفاف‌تری بگیری. زمان رو به ۳۰-۴۰ دقیقه محدود کن، چون مس بیش از حد اکسید می‌شه و سطح رو شکننده می‌کنه. توی کار روی قطعات هوافضا، همیشه قبل از فرآیند، آلیاژ رو با تست EDM چک می‌کنم تا درصد مس رو بدونم.

برای سری ۷۰۰۰ مثل ۷۰۷۵ با روی بالا، چالش اصلی ایجاد کریستال‌های روی توی لایه هست که باعث کدر شدن می‌شه. راه‌حل عملی: قبل از آنودایز، یک مرحله دسنситایز با فلوراید آمونیوم ۱% در ۴۰ درجه برای ۲۰ دقیقه. این کار روی رو حل می‌کنه و لایه رو صاف نگه می‌داره. بعدش، توی الکترولیز، چگالی جریان رو ۱٫۲ A/dm² نگه دار تا از over-etching جلوگیری بشه.

سری ۵۰۰۰ مثل ۵۰۵۲ که منیزیم داره، بهترین برای آنودایز دریاییه، اما اگه منیزیم بیش از ۴% باشه، لایه مستعد ترک می‌شه. من برای این‌ها، از افزودنی تیتانیوم سولفات ۰٫۱% توی الکترولیت استفاده می‌کنم که ساختار کریستالی رو محکم‌تر می‌کنه. تست سختی با Vickers نشون می‌ده که این روش سختی رو از ۳۰۰ به ۴۵۰ HV می‌بره بدون افزایش ضخامت.

تکنیک‌های پیشرفته رنگ‌آمیزی و سیلینگ برای دوام بیشتر

رنگ‌آمیزی نه فقط زیبایی می‌ده، بلکه حفاظت اضافی هم ایجاد می‌کنه. برای رنگ‌های ارگانیک، حمام رو با رنگدانه‌های آزو در حلال ایزوپروپیل الکل ۱۰% آماده کن. غوطه‌وری رو در ۶۰ درجه برای ۸-۱۲ دقیقه انجام بده، اما اگه قطعه پیچیده باشه، از روش اسپری الکترواستاتیک استفاده کن تا رنگ به گوشه‌ها برسه. چالش اینجا، محو شدن رنگ بعد از ۶ ماه استفاده outdoor هست. راه‌حل: بعد از رنگ، یک لایه UV-absorber مثل بنزوفنون ۰٫۵% اسپری کن.

سیلینگ مرحله حیاتیه برای بستن منافذ و افزایش مقاومت خوردگی. روش هیدروترمال رو با آب مقطر در ۹۵-۱۰۰ درجه برای ۳۰-۶۰ دقیقه ترجیح می‌دم، چون نیکل سیل رو با ۵% نیکل استات در ۸۵ درجه برای ۲۰ دقیقه جایگزین می‌کنم. این روش برای قطعات الکتریکی بهتره، چون رسانایی رو حفظ می‌کنه. توی تست‌های نمک اسپری، دیدم که سیل نیکل دوام رو ۲ برابر می‌کنه.

مشکل رایج توی سیلینگ، ایجاد لکه‌های آبی از اکسیداسیون بیش از حد هست. برای حلش، pH آب رو دقیقاً ۵٫۵-۶ نگه دار و از دی‌اکسیژناتور استفاده کن تا اکسیژن محلول کم بشه. اگه قطعه بزرگ باشه، سیلینگ رو توی اتوکلاو تحت فشار ۱٫۵ بار انجام بده تا نفوذ بهتر بشه.

مدیریت دما و شدت جریان در مقیاس صنعتی

توی خطوط تولید بزرگ، کنترل حرارت چالش بزرگیه. الکترولیت اگه بیش از ۲۵ درجه بشه، ویسکوزیته‌اش کم می‌شه و لایه نازک‌تر می‌شه. من یک سیستم recirculation با پمپ ۵۰ L/min و هیت اکسچنجر طراحی کردم که دما رو ±۰٫۵ درجه نگه می‌داره. برای جریان، از الکترودهای سربی آنتیموان استفاده کن، چون عمرشون ۳ برابر کاتدهای آلومینیومیه.

چالش دیگه، polarization آند هست که بعد از ۲۰ دقیقه الکترولیز، ولتاژ رو ۵-۱۰% افزایش می‌ده. راه‌حل: پالس جریان با فرکانس ۱۰۰ Hz و duty cycle 50% اعمال کن. این کار اکسیژن رو بهتر دفع می‌کنه و ضخامت رو ۱۵% یکنواخت‌تر می‌کنه. توی پروژه‌های ۱۰۰۰ قطعه‌ای، این روش زمان کل رو ۲۰% کم کرد بدون افت کیفیت.

رفع مشکلات مکانیکی بعد از آنودایز

بعد از فرآیند، قطعات گاهی تاب برمی‌دارن، به خصوص اگه ضخامت بیش از ۱۵ میکرون باشه. علت، تنش‌های داخلی از انبساط اکسید هست. برای جلوگیری، قبل از آنودایز، قطعه رو در ۲۰۰ درجه برای ۲ ساعت استرس‌ریلیو کن. این کار تنش‌های ماشین‌کاری رو کم می‌کنه. توی کار روی فریم‌های دوچرخه، دیدم که این مرحله تاب رو ۸۰% کاهش می‌ده.

چالش دیگه، کاهش استحکام خمشی بعد از آنودایزه. لایه اکسید سخته اما شکننده، پس برای تست، از روش اریکسن با ۵ mm خمش استفاده کن. اگه شکست خورد، ضخامت رو به ۱۲ میکرون محدود کن یا از آلیاژ با سیلیکون بالاتر مثل ۶۰۰۰ استفاده کن. راه‌حل پیشرفته: یک لایه промежین با فسفاته کردن قبل از آنودایز، که چسبندگی رو افزایش می‌ده.

کنترل کیفیت و تست‌های عملی

کنترل کیفیت بدون ابزار درست، بی‌فایده‌ست. برای ضخامت، از eddy current tester با دقت ۱ میکرون استفاده کن، نه روش‌های مغناطیسی که برای آلومینیوم دقیق نیستن. توی تست خوردگی، ASTM B117 رو با ۵% نمک برای ۳۳۶ ساعت اجرا کن؛ لایه خوب نباید بیش از ۰٫۵ mm پیتینگ نشون بده.

برای رنگ، delta E رو با اسپکتروفتومتر چک کن؛ باید کمتر از ۲ باشه برای یکنواختی. چالش توی تست سختی، اینه که لایه نازکه، پس از microhardness با لود ۵۰g استفاده کن. من همیشه یک نمونه شاهد از هر بچ نگه می‌دارم تا مقایسه کنم.

بهینه‌سازی هزینه در فرآیند آنودایزینگ

هزینه الکترولیت بالاست، پس بازیافت رو جدی بگیر. اسید سولفوریک رو با distillation تحت خلاء ۵۰ mbar بازیافت کن؛ این کار ۷۰% اسید رو برمی‌گردونه بدون آلودگی. برای انرژی، از rectifierهای switched-mode با راندمان ۹۰% استفاده کن، نه مدل‌های قدیمی خطی.

چالش توی هزینه، ضایعات از قطعات معیوب هست. برای کاهش، یک سیستم vision با دوربین CCD قبل از فرآیند اضافه کن تا سطح رو اسکن کنه و قطعات بد رو جدا کنه. توی خط تولیدم، این سیستم ضایعات رو ۴۰% کم کرد.

برای مقیاس کوچک، از تانک‌های پلی‌اتیلن به جای استیل استفاده کن تا هزینه اولیه ۵۰% کم بشه، اما مراقب باش که اسید سولفوریک رو با غلظت بیش از ۲۰% نریز، چون پلیمر رو تخریب می‌کنه.

کاربردهای خاص در صنایع الکترونیک و خودرو

توی الکترونیک، آنودایز برای هیت‌سینک‌ها ایدئاله چون لایه اکسید عایق الکتریکی با دی‌الکتریک ۱۰۰۰V ایجاد می‌کنه. برای این‌ها، ضخامت ۱۵-۲۰ میکرون با رنگ مشکی انتخاب کن تا حرارت رو جذب کنه. چالش، رسانایی حرارتی کم لایه هست؛ راه‌حل: منافذ رو با سیل سیلیکونی پر کن که thermal conductivity رو ۲۰% افزایش می‌ده.

توی خودرو، برای رینگ‌ها، آنودایز سخت (hard anodize) با اسید سولفوریک ۱۰% در ۰-۵ درجه استفاده می‌شه. این لایه تا ۵۰ میکرون می‌رسه و سختی ۵۰۰-۶۰۰ HV می‌ده. اما برای دوام، بعد از فرآیند، یک لایه PTFE اسپری کن تا اصطکاک کم بشه. توی تست‌های جاده‌ای، دیدم که این ترکیب عمر رو ۳ برابر می‌کنه.

برای قطعات تزئینی مثل بدنه موبایل، از آنودایز نوع II با رنگ‌های متالیک استفاده کن. حمام رو با پودرهای آلومینیوم ۱-۲ میکرون غنی کن تا درخشندگی فلزی بگیری. چالش، خط و خش در حمل‌ونقل؛ راه‌حل: پدینگ با فوم ضداستاتیک قبل از سیل.

رفع عیوب ظاهری و بهبود زیبایی‌شناسی

عیوب ظاهری مثل streaks از جریان ناهموار می‌آد. برای رفع، الکترودها رو با زاویه ۴۵ درجه نسبت به قطعه قرار بده تا میدان الکتریکی یکنواخت بشه. توی قطعات منحنی، از auxiliary anodeهای مسی استفاده کن تا سایه‌ها پر بشن.

برای مات کردن سطح، از فرآیند pulse reverse با ۵۰% reverse current استفاده کن؛ این کار کریستال‌های ریز ایجاد می‌کنه بدون نیاز به etching اضافی. توی تولید مبلمان، این روش سطحی satin-like می‌ده که گرد و غبار کمتر جذب می‌کنه.

چالش توی رنگ‌های روشن، زرد شدن بعد از سیل هست. علت، واکنش با نیکل؛ راه‌حل: از سیل دی‌اکسید تیتانیوم در ۴۰ درجه برای ۱۰ دقیقه استفاده کن که pH خنثی نگه می‌داره.

ماخذ:

https://rangin-pooshesh.com/projects/%d8%a2%d8%a8%da%a9%d8%a7%d8%b1%db%8c-%d8%a2%d9%86%d8%a7%d8%af%d8%a7%db%8c%d8%b2/