Anodizing
Anodizing is an electrolyticpassivation process used to increase the thickness of the natural oxide layer on the surface of metal parts.
The process is called anodizing because the part to be treated forms the anode electrode of an electrolytic cell. Anodizing increases resistance to corrosion and wear, and provides better adhesion for paint primers and glues than bare metal does. Anodic films can also be used for several cosmetic effects, either with thick porous coatings that can absorb dyes or with thin coatings whose color is due to thin film interference.
Anodizing is also used to prevent galling of threaded components and to make dielectric films for electrolytic capacitors. Anodic films are most commonly applied to protect aluminium alloys, although processes also exist for titanium, zinc, magnesium, niobium, zirconium, hafnium, and tantalum. Iron or carbon steel metal exfoliates when oxidized under neutral or alkaline micro-electrolytic conditions; i.e., the iron oxide (actually ferric hydroxide or hydrated iron oxide, also known as rust) forms by anoxic anodic pits and large cathodic surface, these pits concentrate anions such as sulfate and chloride accelerating the underlying metal to corrosion. Carbon flakes or nodules in iron or steel with high carbon content (high-carbon steel, cast iron) may cause an electrolytic potential and interfere with coating or plating. Ferrous metals are commonly anodized electrolytically in nitric acid or by treatment with red fuming nitric acid to form hard black Iron(II,III) oxide. This oxide remains conformal even when plated on wiring and the wiring is bent.
กระบวนการอะโนไดซ์จะเปลี่ยนพื้นผิวระดับจุลภาคและโครงสร้างผลึกของโลหะบริเวณใกล้พื้นผิว โดยปกติแล้วชั้นเคลือบหนาจะมีรูพรุน จึงมักต้องใช้กระบวนการปิดผนึกเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนตัวอย่างเช่น พื้นผิวอะลูมิเนียมที่ผ่านการอะโนไดซ์จะแข็งกว่าอะลูมิเนียม แต่มีความต้านทานการสึกหรอต่ำถึงปานกลาง ซึ่งสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มความหนาหรือการใช้สารปิดผนึกที่เหมาะสม ฟิล์มอะโนไดซ์โดยทั่วไปจะแข็งแรงและยึดเกาะได้ดีกว่าสีและโลหะชุบส่วนใหญ่ แต่ก็เปราะกว่าเช่นกัน ทำให้มีโอกาสแตกและลอกล่อนจากอายุและการสึกหรอน้อยลง แต่มีโอกาสแตกร้าวจากความเครียดทางความร้อนได้ง่ายกว่า
ประวัติศาสตร์
การชุบอะโนไดซ์ถูกนำมาใช้ในระดับอุตสาหกรรมครั้งแรกในปี พ.ศ. 2466 เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของชิ้นส่วนเครื่องบินทะเลที่ทำจากดูราลูมิน กระบวนการที่ใช้ กรดโครมิก ในยุคแรกนี้ เรียกว่ากระบวนการ Bengough–Stuart และได้รับการบันทึกไว้ในข้อกำหนดด้านการป้องกันประเทศ ของอังกฤษ DEF STAN 03-24/3 กระบวนการนี้ยังคงถูกใช้มาจนถึงปัจจุบัน แม้ว่าจะมีข้อกำหนดเดิมเกี่ยวกับวงจรแรงดันไฟฟ้าที่ซับซ้อนซึ่งปัจจุบันทราบกันดีว่าไม่จำเป็นก็ตาม ต่อมาได้มีการพัฒนากระบวนการนี้ในรูปแบบต่างๆ และกระบวนการชุบอะโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริกครั้งแรกได้รับการจดสิทธิบัตรโดย Gower และ O'Brien ในปี พ.ศ. 2460 กรดซัลฟิวริกจึงกลายเป็นและยังคงเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในการชุบอะโนไดซ์ที่พบได้ทั่วไปมากที่สุด[ 1 ]
การชุบอะโนไดซ์ด้วยกรดออกซาลิกได้รับการจดสิทธิบัตรครั้งแรกในญี่ปุ่นในปี 1923 และต่อมาได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเยอรมนี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานทางสถาปัตยกรรม การอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมชุบอะโนไดซ์เป็นวัสดุทางสถาปัตยกรรมที่ได้รับความนิยมในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 แต่ต่อมาได้ถูกแทนที่ด้วยพลาสติกและการเคลือบผงที่ราคาถูกกว่า[ 2 ] กระบวนการกรดฟอ สฟอ ริกเป็นการพัฒนาที่สำคัญล่าสุด ซึ่งจนถึงปัจจุบันใช้เป็นเพียงการเตรียมพื้นผิวสำหรับกาวหรือสีอินทรีย์เท่านั้น[ 1 ]อุตสาหกรรมยังคงพัฒนาวิธีการชุบอะโนไดซ์ที่หลากหลายและซับซ้อนขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นในมาตรฐานทางทหารและอุตสาหกรรมคือการจำแนกตามคุณสมบัติของการเคลือบมากกว่าตามเคมีของกระบวนการ
อะลูมิเนียม
โลหะผสมอะลูมิเนียมจะถูกทำอะโนไดซ์เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและเพื่อให้สามารถย้อมสี (ให้สี) ปรับปรุงการหล่อลื่นหรือปรับปรุงการยึดเกาะ ได้ อย่างไรก็ตาม การทำอะโนไดซ์ไม่ได้เพิ่มความแข็งแรงของวัตถุอะลูมิเนียม ชั้นอะโนไดซ์เป็นฉนวน[ 3 ]
เมื่อสัมผัสกับอากาศที่อุณหภูมิห้องหรือก๊าซอื่นใดที่มีออกซิเจน อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ จะเกิดการสร้าง ชั้นป้องกันตัวเองโดยการสร้างชั้นผิวของอะลูมิเนียมออกไซด์อสัณฐานที่ มีความหนา2 ถึง 3 นาโนเมตร[ 4 ]ซึ่งให้การป้องกันการกัดกร่อนที่มีประสิทธิภาพมาก โลหะผสมอะลูมิเนียมโดยทั่วไปจะสร้างชั้นออกไซด์ที่หนากว่า คือ 5–15 นาโนเมตร แต่มีแนวโน้มที่จะไวต่อการกัดกร่อนมากกว่า ชิ้นส่วนโลหะผสมอะลูมิเนียมจะถูกทำให้เป็นอะโนไดซ์เพื่อเพิ่มความหนาของชั้นนี้อย่างมากเพื่อต้านทานการกัดกร่อน ความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมอะลูมิเนียมจะลดลงอย่างมากจากธาตุผสมหรือสิ่งเจือปนบางชนิด เช่นทองแดงเหล็กและซิลิคอน [ 5 ]ดังนั้น โลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ 2000 , 4000, 6000 และ 7000 จึงมีแนวโน้มที่จะไวต่อการกัดกร่อนมากที่สุด
แม้ว่าการชุบอะโนไดซ์จะทำให้ได้ชั้นเคลือบที่สม่ำเสมอและเรียบเนียนมาก แต่รอยแตกขนาดเล็กในชั้นเคลือบอาจนำไปสู่การกัดกร่อนได้ นอกจากนี้ ชั้นเคลือบยังไวต่อการละลายทางเคมีใน สภาวะที่มีค่า pH สูงและต่ำ ซึ่งส่งผลให้ชั้นเคลือบหลุดลอกและเกิดการกัดกร่อนของวัสดุพื้นผิว เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงมีการพัฒนาเทคนิคต่างๆ ขึ้นมาเพื่อลดจำนวนรอยแตก เพื่อแทรกสารประกอบที่มีความเสถียรทางเคมีมากขึ้นเข้าไปในออกไซด์ หรือทั้งสองอย่าง ตัวอย่างเช่น ชิ้นงานที่ผ่านการชุบอะโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริกมักจะถูกปิดผนึก ไม่ว่าจะด้วยการปิดผนึกด้วยความร้อนหรือการปิดผนึกด้วยการตกตะกอน เพื่อลดรูพรุนและช่องทางระหว่างโมเลกุลที่ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนไอออนที่กัดกร่อนระหว่างพื้นผิวและวัสดุพื้นผิว การปิดผนึกด้วยการตกตะกอนช่วยเพิ่มความเสถียรทางเคมี แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการกำจัดช่องทางการแลกเปลี่ยนไอออน เมื่อไม่นานมานี้ มีการพัฒนาเทคนิคใหม่ๆ เพื่อเปลี่ยนชั้นเคลือบออกไซด์อสัณฐานบางส่วนให้เป็นสารประกอบไมโครคริสตัลไลน์ที่มีความเสถียรมากขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญโดยอาศัยความยาวพันธะที่สั้นลง
ชิ้นส่วนอลูมิเนียมสำหรับเครื่องบิน วัสดุ ทางสถาปัตยกรรม และผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคบางชนิดได้รับการชุบอะโนไดซ์ อลูมิเนียมชุบอะโนไดซ์สามารถพบได้ในเครื่องเล่นMP3 สมาร์ทโฟนเครื่องมืออเนกประสงค์ไฟฉายเครื่องครัวกล้องถ่ายรูปอุปกรณ์กีฬาอาวุธปืนกรอบหน้าต่างหลังคาตัว เก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ อีกมากมาย ทั้งเพื่อความทนทานต่อการกัดกร่อนและความสามารถในการกักเก็บสี แม้ว่าการชุบอะโนไดซ์ จะมีคุณสมบัติทนต่อการสึกหรอในระดับปานกลาง แต่รูพรุนที่ลึกกว่าสามารถกักเก็บฟิล์มหล่อลื่นได้ดีกว่าพื้นผิวเรียบ
สารเคลือบอะโนไดซ์มีค่าการนำความร้อนและสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำกว่าอะลูมิเนียมมาก ส่งผลให้สารเคลือบจะแตกเนื่องจากความเครียดจากความร้อนหากสัมผัสกับอุณหภูมิสูงกว่า 80 °C (353 K) สารเคลือบอาจแตกได้ แต่จะไม่ลอกออก[ 6 ]จุดหลอมเหลวของอะลูมิเนียมออกไซด์คือ 2050 °C (2323 K) ซึ่งสูงกว่าอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ที่ 658 °C (931 K) มาก[ 6 ]คุณสมบัตินี้และความเป็นฉนวนของอะลูมิเนียมออกไซด์อาจทำให้การเชื่อมทำได้ยากขึ้น
ในกระบวนการชุบอะโนไดซ์อะลูมิเนียมเชิงพาณิชย์ทั่วไป อะลูมิเนียมออกไซด์จะเติบโตลงไปในพื้นผิวและออกมาจากพื้นผิวในปริมาณที่เท่ากัน[ 7 ]ดังนั้น การชุบอะโนไดซ์จะเพิ่มขนาดของชิ้นส่วนในแต่ละพื้นผิวเป็นครึ่งหนึ่งของความหนาของออกไซด์ ตัวอย่างเช่น การเคลือบที่มีความหนา 2 ไมโครเมตรจะเพิ่มขนาดของชิ้นส่วนขึ้น 1 ไมโครเมตรต่อพื้นผิว หากชิ้นส่วนได้รับการชุบอะโนไดซ์ทุกด้าน ขนาดเชิงเส้นทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามความหนาของออกไซด์ พื้นผิวอะลูมิเนียมที่ผ่านการชุบอะโนไดซ์จะแข็งกว่าอะลูมิเนียม แต่มีความต้านทานการสึกหรอต่ำถึงปานกลาง แม้ว่าจะสามารถปรับปรุงได้ด้วยความหนาและการปิดผนึก
กระบวนการ
เดสมุต
สามารถใช้สารละลายเดสมุทกับพื้นผิวของอะลูมิเนียมเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนได้ โดยทั่วไปจะใช้กรดไนตริกในการกำจัดคราบสมุท (สารตกค้าง) แต่กำลังถูกแทนที่เนื่องจากความกังวลด้านสิ่งแวดล้อม[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
อิเล็กโทรไลซิส
กระบวนการอะโนไดซ์อะลูมิเนียมเกิดขึ้นจากการปล่อยกระแสตรงผ่านสารละลายอิเล็กโทรไลต์ โดยใช้วัตถุอะลูมิเนียมเป็นขั้วบวก (อิเล็กโทรดด้านบวกในเซลล์อิเล็กโทรไลต์) กระแสไฟฟ้าจะปล่อยไฮโดรเจนที่ขั้วลบ (แคโทด) และออกซิเจนที่ผิวของขั้วบวกอะลูมิเนียม ทำให้เกิดการสะสมของอะลูมิเนียมออกไซด์กระแสสลับและกระแสพัลส์ก็สามารถทำได้เช่นกัน แต่ไม่ค่อยได้ใช้ แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับสารละลายต่างๆ อาจมีตั้งแต่ 1 ถึง 300 โวลต์ DC แต่ส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง 15 ถึง 21 โวลต์ โดยทั่วไปแล้วจะต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าสำหรับการเคลือบที่หนาขึ้นซึ่งเกิดขึ้นในกรดซัลฟิวริกและกรดอินทรีย์ กระแสไฟฟ้าในการอะโนไดซ์จะแตกต่างกันไปตามพื้นที่ของอะลูมิเนียมที่กำลังอะโนไดซ์ และโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 30 ถึง 300 แอมป์/ ตารางเมตร
การชุบอะลูมิเนียมด้วยไฟฟ้า (เอลอกซาลหรือการออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าของอะลูมิเนียม ) [ 12 ]มักจะทำใน สารละลาย ที่เป็นกรดโดยทั่วไปคือกรดซัลฟิวริกหรือกรดโครมิก ซึ่งจะค่อยๆละลายอะลูมิเนียมออกไซด์ การทำงานของกรดจะสมดุลกับอัตราการออกซิเดชันเพื่อสร้างการเคลือบที่มีรูพรุนขนาดนาโน 10–150 นาโนเมตร[ 6 ]รูพรุนเหล่านี้ทำให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์และกระแสไฟฟ้าสามารถเข้าถึงพื้นผิว อะลูมิเนียม และช่วยให้การเคลือบมีความหนามากขึ้นเกินกว่าที่เกิดจากการสร้างชั้นป้องกันอัตโนมัติ[ 13 ]รูพรุนเหล่านี้ช่วยให้สีย้อมถูกดูดซับได้ อย่างไรก็ตาม ต้องตามด้วยการปิดผนึก มิฉะนั้นสีย้อมจะไม่คงอยู่ โดยทั่วไปจะตามด้วยการปิดผนึกด้วยนิกเกิลอะซิเตตที่สะอาด เนื่องจากสีย้อมอยู่เพียงผิวเผิน ออกไซด์ที่อยู่ด้านล่างอาจยังคงให้การป้องกันการกัดกร่อนได้แม้ว่าจะมีการสึกหรอและรอยขีดข่วนเล็กน้อยทะลุผ่านชั้นสีย้อมก็ตาม
ต้องควบคุมสภาวะต่างๆ เช่น ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ ความเป็นกรด อุณหภูมิของสารละลาย และกระแสไฟฟ้า เพื่อให้เกิดชั้นออกไซด์ที่สม่ำเสมอ ฟิล์มที่แข็งและหนากว่ามักจะเกิดขึ้นจากสารละลายที่มีความเข้มข้นสูงกว่า ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ด้วยแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่า ความหนาของฟิล์มอาจมีตั้งแต่ต่ำกว่า 0.5 ไมโครเมตรสำหรับงานตกแต่งที่ต้องการความสว่าง ไปจนถึง 150 ไมโครเมตร สำหรับงานสถาปัตยกรรม
การตกแต่งสองแบบ
การชุบอะโนไดซ์สามารถทำควบคู่กับการเคลือบผิวด้วยโครเมตได้ แต่ละกระบวนการให้ความต้านทานการกัดกร่อน โดยการชุบอะโนไดซ์มีข้อได้เปรียบอย่างมากในด้านความแข็งแรงทนทานหรือความต้านทานต่อการสึกหรอ เหตุผลในการรวมกระบวนการอาจแตกต่างกันไป แต่ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการชุบอะโนไดซ์และการเคลือบผิวด้วยโครเมตคือค่าการนำไฟฟ้าของฟิล์มที่ผลิตได้ แม้ว่าทั้งสองจะเป็นสารประกอบที่เสถียร แต่การเคลือบผิวด้วยโครเมตมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่ามาก การใช้งานที่อาจเป็นประโยชน์นั้นมีหลากหลาย แต่ประเด็นเรื่องการต่อสายดินของชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบขนาดใหญ่เป็นตัวอย่างที่ชัดเจน
กระบวนการตกแต่งผิวแบบคู่เป็นการนำข้อดีของแต่ละกระบวนการมาใช้ร่วมกัน โดยการชุบอะโนไดซ์มีความทนทานต่อการสึกหรอสูง และการเคลือบโครเมตมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า
โดยทั่วไป ขั้นตอนของกระบวนการจะเริ่มต้นด้วยการเคลือบโครเมตทั่วทั้งชิ้นส่วน ตามด้วยการปิดบังพื้นผิวในบริเวณที่จำเป็นต้องคงสภาพการเคลือบโครเมตไว้ หลังจากนั้น จะทำการละลายการเคลือบโครเมตในบริเวณที่ไม่ได้ปิดบัง จากนั้นจึงทำการชุบอะโนไดซ์ชิ้นส่วน โดยอะโนไดซ์จะเกิดขึ้นในบริเวณที่ไม่ได้ปิดบัง กระบวนการที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้ให้บริการ รูปทรงของชิ้นส่วน และผลลัพธ์ที่ต้องการ กระบวนการนี้ช่วยปกป้องชิ้นส่วนอะลูมิเนียมได้
ข้อกำหนดที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย
ข้อกำหนดการชุบอะโนไดซ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในสหรัฐอเมริกาคือข้อกำหนดทางทหารของสหรัฐฯ MIL-A-8625 ซึ่งกำหนดการชุบอะโนไดซ์อะลูมิเนียมไว้สามประเภท ประเภทที่ 1 คือการชุบอะโนไดซ์ด้วยกรดโครมิก ประเภทที่ 2 คือการชุบอะโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริก และประเภทที่ 3 คือการชุบอะโนไดซ์แบบแข็งด้วยกรดซัลฟิวริก ข้อกำหนดการชุบอะโนไดซ์อื่นๆ ได้แก่ ข้อกำหนดทางทหารอื่นๆ (เช่น MIL-A-63576) ข้อกำหนดของอุตสาหกรรมการบินและอวกาศจากองค์กรต่างๆ เช่นSAE, ASTM และ ISO ( เช่น AMS 2469, AMS 2470, AMS 2471, AMS 2472, AMS 2482, ASTM B580, ASTM D3933, ISO 10074 และ BS 5599) และข้อกำหนดเฉพาะของบริษัทต่างๆ (เช่น ของโบอิ้ง ล็อกฮีดมาร์ติน แอร์บัส และผู้รับเหมาขนาดใหญ่อื่นๆ) AMS 2468 นั้นล้าสมัยแล้ว ข้อกำหนดเหล่านี้ไม่ได้กำหนดกระบวนการหรือเคมีโดยละเอียด แต่เป็นชุดของการทดสอบและมาตรการประกันคุณภาพที่ผลิตภัณฑ์อะโนไดซ์ต้องผ่าน BS 1615 เป็นแนวทางในการเลือกโลหะผสมสำหรับการอะโนไดซ์ สำหรับงานป้องกันประเทศของอังกฤษ กระบวนการอะโนไดซ์โครมิกและซัลฟิวริกโดยละเอียดได้รับการอธิบายโดย DEF STAN 03-24/3 และ DEF STAN 03-25/3 ตามลำดับ[ 14 ] [ 15 ]
กรดโครมิก (ชนิดที่ 1)
กระบวนการอะโนไดซ์ที่เก่าแก่ที่สุดใช้กรดโครมิกเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในชื่อกระบวนการ Bengough-Stuart แต่เนื่องจากข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเกี่ยวกับการควบคุมคุณภาพอากาศ จึงไม่เป็นที่นิยมในหมู่ผู้ผลิตเมื่อวัสดุเติมแต่งที่เกี่ยวข้องกับประเภท II ไม่ละเมิดค่าความคลาดเคลื่อน ในอเมริกาเหนือ รู้จักกันในชื่อประเภท I เนื่องจากได้รับการกำหนดไว้เช่นนั้นโดยมาตรฐาน MIL-A-8625 แต่ก็ครอบคลุมโดย AMS 2470 และ MIL-A-8625 ประเภท IB ด้วย ในสหราชอาณาจักร โดยปกติจะระบุไว้เป็น Def Stan 03/24 และใช้ในพื้นที่ที่มีแนวโน้มที่จะสัมผัสกับเชื้อเพลิงขับดัน ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีมาตรฐานของโบอิ้งและแอร์บัส กรดโครมิกผลิตฟิล์มที่บางกว่า 0.5 μm ถึง 18 μm (0.00002" ถึง 0.0007") [ 16 ]ทึบแสงกว่า อ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น และสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ในระดับหนึ่ง วัสดุเหล่านี้ย้อมสียากกว่า และอาจใช้เป็นสารเตรียมพื้นผิวก่อนทาสี วิธีการสร้างฟิล์มแตกต่างจากการใช้กรดซัลฟิวริกตรงที่แรงดันไฟฟ้าจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตลอดวงจรการทำงาน
กรดซัลฟิวริก (ชนิดที่ II และ III)
Sulfuric acid is the most widely used solution to produce an anodized coating. Coatings of moderate thickness 1.8 μm to 25 μm (0.00007" to 0.001")[16] are known as Type II in North America, as named by MIL-A-8625, while coatings thicker than 25 μm (0.001") are known as Type III, hard-coat, hard anodizing, or engineered anodizing. Very thin coatings similar to those produced by chromic anodizing are known as Type IIB. Thick coatings require more process control,[6] and are produced in a refrigerated tank near the freezing point of water with higher voltages than the thinner coatings. Hard anodizing can be made between 13 and 150 μm (0.0005" to 0.006") thick. Anodizing thickness increases wear resistance, corrosion resistance, ability to retain lubricants and PTFE coatings, and electrical and thermal insulation. Sealing Type III will improve corrosion resistance at the cost of reducing abrasion resistance. Sealing will reduce this greatly. Standards for thin (Soft/Standard) sulfuric anodizing are given by MIL-A-8625 Types II and IIB, AMS 2471 (undyed), and AMS 2472 (dyed), BS EN ISO 12373/1 (decorative), BS 3987 (Architectural). Standards for thick sulphuric anodizing are given by MIL-A-8625 Type III, AMS 2469, BS ISO 10074, BS EN 2536 and the obsolete AMS 2468 and DEF STAN 03-26/1.
Organic acid
Anodizing can produce yellowish integral colors without dyes if it is carried out in weak acids with high voltages, high current densities, and strong refrigeration.[6] Shades of color are restricted to a range which includes pale yellow, gold, deep bronze, brown, grey, and black. Some advanced variations can produce a white coating with 80% reflectivity. The shade of color produced is sensitive to variations in the metallurgy of the underlying alloy and cannot be reproduced consistently.[2]
Anodizing in some organic acids, for example malic acid, can enter a 'runaway' situation, in which the current drives the acid to attack the aluminium far more aggressively than normal, resulting in huge pits and scarring. Also, if the current or voltage are driven too high, 'burning' can set in; in this case, the supplies act as if nearly shorted and large, uneven and amorphous black regions develop.
โดยทั่วไปแล้ว การชุบอะโนไดซ์สีแบบอินทิกรัลจะทำด้วยกรดอินทรีย์ แต่ผลลัพธ์เดียวกันนี้ก็สามารถผลิตได้ในห้องปฏิบัติการด้วยกรดซัลฟิวริกเจือจางมาก การชุบอะโนไดซ์สีแบบอินทิกรัลเดิมทีทำด้วยกรดออกซาลิกแต่สารประกอบอะโรมาติก ซัลโฟเนต ที่มีออกซิเจน โดยเฉพาะกรดซัลโฟซาลิ ไซลิก ได้รับความนิยมมากกว่าตั้งแต่ทศวรรษ 1960 [ 2 ]สามารถทำความหนาได้ถึง 50 ไมโครเมตร การชุบอะโนไดซ์ด้วยกรดอินทรีย์เรียกว่า Type IC ตามมาตรฐาน MIL-A-8625
กรดฟอสฟอริก
การทำอะโนไดซ์สามารถทำได้ในกรดฟอสฟอริก ซึ่งโดยทั่วไปใช้เป็นการเตรียมพื้นผิวสำหรับการติดกาว วิธีการนี้ได้อธิบายไว้ในมาตรฐาน ASTM D3933
อ่างบอเรตและทาร์เทรต
การชุบอะโนไดซ์ยังสามารถทำได้ในอ่างบอเรตหรือทาร์เทรตซึ่งอะลูมิเนียมออกไซด์ไม่ละลาย ในกระบวนการเหล่านี้ การเติบโตของสารเคลือบจะหยุดลงเมื่อชิ้นส่วนถูกเคลือบอย่างสมบูรณ์ และความหนาจะสัมพันธ์เชิงเส้นกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้[ 6 ]สารเคลือบเหล่านี้ปราศจากรูพรุน เมื่อเทียบกับกระบวนการกรดซัลฟิวริกและกรดโครมิก[ 6 ]สารเคลือบประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากฟิล์มอะลูมิเนียมบาง (โดยทั่วไปน้อยกว่า 0.5 ไมโครเมตร) อาจเสี่ยงต่อการถูกเจาะทะลุโดยกระบวนการที่เป็นกรด[ 1 ]
การออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าพลาสมา
การออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าพลาสมาเป็นกระบวนการที่คล้ายกัน แต่ ใช้ แรงดันไฟฟ้า สูงกว่า ทำให้เกิดประกายไฟและส่งผลให้ได้สารเคลือบที่มีลักษณะเป็นผลึก/เซรามิกมากขึ้น
โลหะอื่นๆ
แมกนีเซียม
แมกนีเซียมจะผ่านกระบวนการอะโนไดซ์เป็นหลักเพื่อใช้เป็นไพรเมอร์สำหรับสี ฟิล์มบาง (5 μm) ก็เพียงพอแล้ว[ 17 ]การเคลือบที่หนาขึ้น 25 μm ขึ้นไปสามารถให้ความต้านทานการกัดกร่อนเล็กน้อยเมื่อปิดผนึกด้วยน้ำมัน ขี้ผึ้ง หรือโซเดียมซิลิเกต [ 17 ] มาตรฐานสำหรับการอะโนไดซ์แมกนีเซียมมีอยู่ใน AMS 2466, AMS 2478, AMS 2479 และ ASTM B893
ไนโอเบียม
ไนโอเบียมจะเกิดการอะโนไดซ์ในลักษณะเดียวกับไทเทเนียม โดยจะเกิดสีที่สวยงามหลากหลายสีจากการรบกวนที่ความหนาของฟิล์มที่แตกต่างกัน ความหนาของฟิล์มจะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าในการอะโนไดซ์[ 18 ] [ 19 ] การใช้ งานรวมถึงเครื่องประดับและเหรียญที่ระลึก
เหล็กกล้าไร้สนิม
เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถทำการอะโนไดซ์ได้ในอ่างที่มีกรดซัลฟิวริกและสารประกอบโครเมียมเฮกซาวาเลน ต์ [ 20 ]สามารถใช้อ่างที่มีสารละลาย NaOH หรือ KOH ได้เช่นกัน เนื่องจากสารประกอบโครเมียมเฮกซาวาเลนต์ถูกห้ามใช้ในสหภาพยุโรปตามข้อกำหนด ROHS และเป็นพิษและก่อมะเร็ง จึงมีการเสนอให้ใช้สารละลายที่มีโมลิบเดตเป็นสารทดแทน (เช่น โมลิบเดต 30-100 กรัม/กรดบอริก 10-18 กรัม/แมงกานีสซัลเฟต 0.5 - 5 กรัม/น้ำ 1 ลิตร, 0.1 - 20 A/dm2, 0.1–15 นาที) [ 21 ] [ 22 ]
แทนทาลัม
แทนทาลัมมีกระบวนการอะโนไดซ์คล้ายกับไทเทเนียมและไนโอเบียม โดยจะเกิดสีสันสวยงามหลากหลายสีเนื่องจากการแทรกสอดที่ความหนาของฟิล์มต่างกัน ความหนาของฟิล์มขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการอะโนไดซ์ และโดยทั่วไปจะมีค่าตั้งแต่ 18 ถึง 23 อังสตรอมต่อโวลต์ ขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรไลต์และอุณหภูมิ การใช้งานรวมถึงตัวเก็บประจุแทนทาลัม
ไทเทเนียม
ชั้นออกไซด์ที่ผ่านกระบวนการอะโนไดซ์จะมีความหนาอยู่ในช่วง30 นาโนเมตร (1.2 × 10 −6 นิ้ว)ถึงหลายไมโครเมตร[ 23 ]มาตรฐานสำหรับการทำอะโนไดซ์ไทเทเนียมกำหนดโดย AMS 2487 และ AMS 2488
การชุบอะโนไดซ์ไทเทเนียมแบบ AMS 2488 ประเภท III ทำให้เกิดสีต่างๆ มากมายโดยไม่ต้องใช้สีย้อม ซึ่งบางครั้งใช้ในงานศิลปะเครื่องประดับแฟชั่นเครื่องประดับเจาะร่างกาย และแหวนแต่งงานสีที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับความหนาของออกไซด์ (ซึ่งกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าในการชุบอะโนไดซ์) เกิดจากการรบกวนของแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวออกไซด์กับแสงที่เดินทางผ่านและสะท้อนจากพื้นผิวโลหะด้านล่าง การชุบอะโนไดซ์แบบ AMS 2488 ประเภท II ให้ผิวเคลือบสีเทาด้านที่หนากว่าและมีความทนทานต่อการสึกหรอสูงกว่า[ 24 ]
สังกะสี
โดยทั่วไป แล้วสังกะสีมักไม่ได้รับการทำอะโนไดซ์ แต่กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาโดยองค์กรวิจัยตะกั่วสังกะสีระหว่างประเทศและครอบคลุมโดย MIL-A-81801 [ 17 ]สารละลาย แอมโมเนีย มฟอสเฟตโครเมตและฟลูออไรด์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 200 V สามารถสร้างสารเคลือบสีเขียวมะกอกที่มีความหนาถึง 80 μm ได้[ 17 ]สารเคลือบเหล่านี้มีความแข็งและทนต่อการกัดกร่อน
สังกะสีหรือเหล็กชุบสังกะสีสามารถทำอะโนไดซ์ได้โดยใช้กระแสตรงที่แรงดันต่ำ (20–30 V) ในอ่างซิลิเกตที่มีความเข้มข้นของโซเดียมซิลิเกตโซเดียมไฮดรอกไซด์ บอแรกซ์โซเดียมไนไตรต์และนิกเกิลซัลเฟต ที่แตกต่างกัน [ 25 ]
การย้อมสี
กระบวนการอะโนไดซ์ที่พบได้ทั่วไป เช่น การใช้กรดซัลฟิวริกกับอะลูมิเนียม จะสร้างพื้นผิวที่มีรูพรุนซึ่งสามารถดูดซับสีย้อมได้ง่าย จำนวนสีของสีย้อมนั้นแทบจะไม่มีที่สิ้นสุด อย่างไรก็ตาม สีที่ได้มักจะแตกต่างกันไปตามโลหะผสมพื้นฐาน สีที่พบได้ทั่วไปในอุตสาหกรรม เนื่องจากมีราคาค่อนข้างถูก ได้แก่ สีเหลือง สีเขียว สีน้ำเงิน สีดำ สีส้ม สีม่วง และสีแดง แม้ว่าบางคนอาจชอบสีอ่อนกว่า แต่ในทางปฏิบัติ การผลิตสีอ่อนอาจทำได้ยากบนโลหะผสมบางชนิด เช่น เกรดหล่อที่มีซิลิคอนสูงและโลหะผสมอะลูมิเนียม-ทองแดงซีรีส์ 2000อีกประเด็นหนึ่งที่น่ากังวลคือ "ความคงทนต่อแสง" ของสีย้อมอินทรีย์ บางสี (สีแดงและสีน้ำเงิน) มีแนวโน้มที่จะซีดจางได้ง่ายเป็นพิเศษ สีย้อมสีดำและสีทองที่ผลิตด้วย วิธี การอนินทรีย์ ( เฟอร์ริกแอมโมเนียมออกซาเลต ) จะมีความคงทนต่อแสง มากกว่า การอะโนไดซ์ที่ย้อมสีมักจะถูกปิดผนึกเพื่อลดหรือกำจัดการรั่วไหลของสีย้อม ไม่สามารถใช้สีขาวได้เนื่องจากขนาดโมเลกุลใหญ่กว่าขนาดรูพรุนของชั้นออกไซด์[ 26 ]
อีกหนึ่งวิธีการสร้างสีที่น่าสนใจคือ การสร้างสีโดยการแทรกสอดของแสงในกระบวนการอะโนไดซ์ ฟิล์มน้ำมันบางๆ ที่ลอยอยู่บนผิวน้ำจะแสดงสีรุ้งเนื่องจากการแทรกสอดระหว่างแสงที่สะท้อนจากส่วนต่อประสานระหว่างน้ำกับน้ำมันและพื้นผิวของฟิล์มน้ำมัน เนื่องจากความหนาของฟิล์มน้ำมันไม่ได้ถูกควบคุม สีรุ้งที่เกิดขึ้นจึงดูเหมือนสุ่ม
ในการทำสีอะโนไดซ์ของอะลูมิเนียม จะได้สีที่ต้องการโดยการตกตะกอนชั้นโลหะที่มีความหนาที่ควบคุมได้ (โดยทั่วไปคือดีบุก) ที่ฐานของโครงสร้างที่มีรูพรุน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสะท้อนแสงบนพื้นผิวอะลูมิเนียมและพื้นผิวโลหะด้านบน สีที่เกิดจากการรบกวนจะเปลี่ยนจากสีน้ำเงิน สีเขียว และสีเหลืองไปเป็นสีแดงเมื่อชั้นโลหะที่ตกตะกอนมีความหนาขึ้น เมื่อความหนาเกินค่าที่กำหนด การรบกวนทางแสงจะหายไป และสีจะเปลี่ยนเป็นสีบรอนซ์ ชิ้นส่วนอะลูมิเนียมที่ทำสีอะโนไดซ์ด้วยการรบกวนจะมีคุณสมบัติที่โดดเด่น คือ สีของชิ้นส่วนจะแตกต่างกันเมื่อมองจากมุมต่างๆ การทำสีด้วยการรบกวนเกี่ยวข้องกับกระบวนการ 3 ขั้นตอน ได้แก่ การทำอะโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริก การดัดแปลงรูพรุนอะโนดิกด้วยไฟฟ้าเคมี และการตกตะกอนของโลหะ (ดีบุก) [ 27 ]
การปิดผนึก
การปิดผนึกเป็นขั้นตอนสุดท้ายในกระบวนการอะโนไดซ์ สารละลายอะโนไดซ์ที่เป็นกรดจะทำให้เกิดรูพรุนในชั้นเคลือบอะโนไดซ์ รูพรุนเหล่านี้สามารถดูดซับสีย้อมและกักเก็บสารหล่อลื่นได้ แต่ก็เป็นช่องทางให้เกิดการกัดกร่อนได้เช่นกัน เมื่อคุณสมบัติการหล่อลื่นไม่สำคัญมากนัก โดยทั่วไปจะทำการปิดผนึกหลังจากย้อมสีแล้ว เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและการกักเก็บสีย้อม มีการปิดผนึกอยู่สามประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด
- การแช่ในน้ำปราศจากไอออนหรือไอน้ำร้อนจัดเป็นเวลานานที่อุณหภูมิ96–100 °C (205–212 °F)เป็นกระบวนการปิดผนึกที่ง่ายที่สุด แม้ว่าจะไม่มีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์และลดความต้านทานต่อการสึกหรอลง 20% [ 6 ]ออกไซด์จะถูกแปลงเป็น รูปแบบ ไฮเดรตและการบวมที่เกิดขึ้นจะลดความพรุนของพื้นผิว
- กระบวนการปิดผนึกที่อุณหภูมิปานกลาง ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิ160–180 °F (70–80 °C)ในสารละลายที่มีสารเติมแต่งอินทรีย์และเกลือโลหะ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้อาจทำให้สีซีดจางได้
- กระบวนการปิดผนึกแบบเย็น ซึ่งเป็นการปิดรูพรุนโดยการอัดสารปิดผนึกในอ่างอุณหภูมิห้อง เป็นที่นิยมมากกว่าเนื่องจากประหยัดพลังงาน อย่างไรก็ตาม สารเคลือบที่ปิดผนึกด้วยวิธีนี้ไม่เหมาะสำหรับการยึดติดด้วยกาว สารปิดผนึกที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ เทฟลอนนิกเกิลอะซิเตทโคบอลต์อะซิเตท และโซเดียมหรือโพแทสเซียมไดโครเมต แบบร้อน มาตรฐาน MIL-A-8625 กำหนดให้ต้องปิดผนึกสำหรับสารเคลือบบาง (ประเภท I และ II) และอนุญาตให้ใช้เป็นทางเลือกสำหรับสารเคลือบหนา (ประเภท III)
การทำความสะอาด
พื้นผิวอะลูมิเนียมชุบอะโนไดซ์ที่ไม่ได้รับการทำความสะอาดอย่างสม่ำเสมอ อาจเกิดคราบสกปรกบริเวณขอบแผงซึ่งเป็นคราบสกปรกชนิดพิเศษที่อาจส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงของโครงสร้างโลหะได้
ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
การชุบอะโนไดซ์เป็นหนึ่งในกระบวนการตกแต่งโลหะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากที่สุด ยกเว้นการชุบอะโนไดซ์แบบอินทรีย์ (หรือที่เรียกว่าสีแบบผสม) ผลพลอยได้จะมีโลหะหนักฮาโลเจนหรือสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น การชุบอะโนไดซ์แบบสีผสมจะไม่ก่อให้เกิด VOC โลหะหนัก หรือฮาโลเจน เนื่องจากผลพลอยได้ทั้งหมดที่พบในกระแสน้ำเสียของกระบวนการอื่นๆ มาจากสีย้อมหรือวัสดุชุบ[ 28 ]ของเสียจากการชุบอะโนไดซ์ที่พบได้บ่อยที่สุด ได้แก่อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์และอะลูมิเนียมซัลเฟตจะถูกนำไปรีไซเคิลเพื่อใช้ในการผลิตสารส้ม ผงฟู เครื่องสำอาง กระดาษหนังสือพิมพ์ และปุ๋ย หรือใช้ในระบบบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรม
ข้อพิจารณาทางกล
การชุบอะโนไดซ์จะทำให้พื้นผิวยกตัวขึ้นเนื่องจากออกไซด์ที่เกิดขึ้นนั้นกินพื้นที่มากกว่าโลหะพื้นฐานที่ถูกแปลงสภาพ[ 29 ]โดยทั่วไปแล้วสิ่งนี้จะไม่ส่งผลกระทบใดๆ ยกเว้นในกรณีที่มีความคลาดเคลื่อนที่แคบ หากเป็นเช่นนั้น ความหนาของชั้นอะโนไดซ์จะต้องนำมาพิจารณาเมื่อเลือกขนาดการกลึง การปฏิบัติทั่วไปในแบบร่างทางวิศวกรรมคือการระบุว่า "ขนาดจะใช้หลังจากการตกแต่งพื้นผิวทั้งหมด" ซึ่งจะบังคับให้โรงงานกลึงต้องคำนึงถึงความหนาของอะโนไดซ์เมื่อทำการกลึงชิ้นส่วนทางกลขั้นสุดท้ายก่อนการชุบอะโนไดซ์ นอกจากนี้ ในกรณีของรูขนาดเล็กที่มีเกลียวสำหรับใส่สกรูการชุบอะโนไดซ์อาจทำให้สกรูติดขัด ดังนั้น รูที่มีเกลียวอาจต้องใช้ดอกต๊าปเพื่อคืนขนาดเดิม หรืออาจใช้ดอกต๊าปขนาดใหญ่พิเศษเพื่อชดเชยการขยายตัวนี้ ในกรณีของรูที่ไม่มีเกลียวซึ่งรับหมุดหรือแท่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางคงที่ การเจาะรูที่มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงขนาดอาจเหมาะสม ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะผสมและความหนาของชั้นเคลือบอะโนไดซ์ ซึ่งอาจส่งผลเสียอย่างมาก ต่ออายุ การใช้งานจากการล้า ในทางกลับกัน การทำอะโนไดซ์อาจช่วยเพิ่มอายุการใช้งานจากการล้าได้โดยการป้องกันการกัดกร่อนเป็นหลุม
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- "ไทเทเนียมสีสันสดใส"บทความเกี่ยวกับการชุบอะโนไดซ์ไทเทเนียม จากคอลัมน์ How2.0 ของธีโอดอร์ เกรย์ ในนิตยสาร Popular Science