اکسیداسیون که در آهن‌ها به شکل زنگ آهن ظاهر می‌شود، همیشه هم مخرب نبوده و گاهی می‌تواند دقیقا برعکس عمل کند. این واکنش شیمیایی در برخی مواد باعث ایجاد لایه نازکی از اکسید می‌شود که مقاومت ماده را در برابر خوردگی افزایش می‌دهد. البته این اکسیداسیون به وسیله‌ی فرایندی رخ می‌دهد که به آنودایز یا آنادایزینگ شناخته می‌شود. این فرایند مجموعه‌ای از عملیات‌ها است که در نهایت باعث افزایش مقاومت ماده در برابر خوردگی، ایجاد زیبایی ظاهری، و تغییر برخی از خواص فیزیکی آن می‌شوند. این فرایند شامل فرو بردن فلزات در یک حمام الکترولیتی از محلول‌هایی مثل سولفوریک اسید، اگزالیک اسید یا فسفریک اسیدی می‌شود که جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. در ادامه با ما همراه باشید تا به شرح کامل فرایند آنادایز و مسائل مربوط به آن بپردازیم.
فهرست مطالب
آنودایز چیست؟
یکی از مهمترین روش‌های اصلاح سطح که با ایجاد لایهای نازک از اکسید بر سطح فلز رخ می‌دهد آنادایز فلزات می‌باشد. انجام این فرایند علاوه بر افزایش مقاومت ماده در برابر خوردگی، باعث افزایش درخشندگی سطح، میزان چسبندگی رنگ و مقاومت آن در برابر الکتریسیته نیز می‌شود. در فرایند آنودایز قطعات، قطعه فلز (که اغلب آلومینیوم می‌باشد) را در محلولی مخصوص قرار داده و جریان برقی با ولتاژ کم را از آن عبور می‌دهیم. در این شرایط قطعه فلز مورد نظر، نقش آند را بازی کرده و لایهای اکسیدی را بر سطح فلز ایجاد می‌کند. در واقع معنی کلمه آنادایز آندی کردن بوده و به همین موضوع اشاره دارد. هرچند که این روش برای فلزاتی از قبیل روی، منیزیم، تیتانیوم و تنگستن کاربرد دارد اما بیشترین کاربرد آن برای آلومینیوم می‌باشد.
آنادایز آلومینیوم باعث ایجاد برتری‌های مشخصی در مقابل آلومینیوم ساده شده و آن را به فلزی مقاوم در برابر خوردگی و الکتریسیته تبدیل می‌کند. انجام این فرایند علاوه بر تقویت خواص فیزیکی آلومینیوم به رنگ‌پذیری و زیباتر شدن آن نیز کمک می‌کند. این زیبایی باعث می‌شود تا آلومینیوم حاصل شده در کاربردهای تزئینی و طراحی‌های منحصر به فرد به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار بگیرد. اما آنادایز آهن و استیل شرایط متفاوت‌تری داشته و به این شکل نمی‌باشند. در ادامه بیشتر به این موارد خواهیم پرداخت.
آیا آنادایز کردن آهن و استیل امکان‌پذیر است؟
به طور کلی فرایند آنودایز یا آنادایزینگ روشی برای بهبود خواص فیزیکی آلومینیوم می‌باشد. اما امکان استفاده از این فرایند برای فلزات دیگر نیز وجود دارد. البته شرایط انجام فرایند در فلزات مختلف به یک شکل نبوده و مراحل متفاوتی را شامل می‌شوند. از این رو باید توجه داشت که در صورت نیاز به اجرای فرایند آنادایز برای فلزاتی غیر از آلومینیوم نیاز است تا به روش مخصوص آن فلز عمل کرده و مراحل مربوط به آن را طی کنیم. آهن و استیل دو دسته از این فلزات هستند که در حالت عادی قابل آنادایز نبوده و برای انجام اینکار نیاز به طی مراحلی خاص می‌باشد. در ادامه با فرایندهای آنادایزینگ این دو فلز آشنا شده و به شرح آن‌ها می‌پردازیم.
آنادایز آهن
همان‌طور که گفتیم آنادایز به معنای ایجاد لایهای از اکسید بر روی فلز می‌باشد که باعث تقویت استحکام و خواص فیزیکی آن می‌شود. اما اکسید آهن که به زنگ آهن نیز شناخته می‌شود باعث ضعیف‌تر شدن آن شده و تاثیر معکوسی را دارد. بنابراین برای آنادایزینگ آهن باید از روشی کنترل شده و منحصر به فرد استفاده کنیم تا اکسید ایجاد شده، از آهن محافظت کرده و خواص آن را تقویت کند.
این روش که به آنادایزینگ آهنی یا پوشش اکسید سیاه نیز معروف است شامل اکسیداسیونی کنترل شده از سطوح آهن یا فولاد شده که به ایجاد لایهای نازک از اکسید آهن سیاه (Fe3O4) بر روی سطح آن منجر می‌شود. این لایه علاوه بر تقویت مقاومت آهن در برابر خوردگی به زیبایی سطح آن نیز کمک می‌کند. فرایند آنودایز آهن شامل مراحلی می‌شود که به شکل زیر می‌باشد:
1- تمیز کردن و پیش تصفیه: در ابتدا نیاز است تا سطح آهن به طور کامل تمیز شده و تمام آلودگی‌ها از سطح آن حذف شوند. این کار باعث می‌شود تا لایه اکسید حاصل از آنودایزینگ از چسبندگی لازم برخوردار باشد.
2- تصفیه شیمیایی: پس از اینکه سطح آهن از تمام آلودگی‌های ممکن تمیز شد، آن را در محلولی شیمیایی غوطه‌ور می‌کنیم تا اکسیداسیونی کنترل‌شده را ایجاد کند. این محلول به طور معمول از مخلوطی حاوی موادی مانند هیدروکسید سدیم و نیترات تشکیل شده و باعث ایجاد لایهای سیاه بر روی آهن می‌شوند.
3- شستشو و خشک کردن: پس از انجام آنودایزینگ باید فلز را به طور کامل شستشو دهیم تا مواد شیمیایی اضافه از سطح آن پاک شود.
4- آب‌بندی: در برخی موارد ممکن است نیاز به افزایش مقاومت بیشتری در برابر خوردگی باشد. به همین دلیل در این موارد باید مرحله آب‌بندی را نیز اجرا کرد.
هرچند که این مراحل به تشکیل لایهای اکسیدی و تقویت خواص آهن منجر می‌شود اما نباید از آن انتظار تاثیری به اندازه آنودایز آلومینیوم را داشت. چرا که پوشش اکسید سیاه نازک حاصل شده با تمام خواص عالی‌ای که به همراه دارد به اندازه اکسید آلومینیوم با دوام و موثر نبوده و در محیط‌های ساینده و خورنده به مرور زمان از بین می‌رود. به همین دلیل است که برای حفاظت از سطح آهن و فولاد از فرایندهایی مانند گالوانیزه استفاده می‌شود.
آنادایز استیل
انجام آنودایز استیل فرایند رایج و پرکاربردی نبوده و بسیار کم اتفاق می‌افتد که نیاز به این فرایند باشد. چرا که استیل به طور ذاتی از کرومی تشکیل شده که لایه‌ی اکسید غیرفعالی را روی سطح خود تشکیل می‌دهد. همین امر مقاومت استیل در برابر خوردگی را تقویت کرده و از اکسیداسیون بیشتر آن جلوگیری می‌کند. اما با این حال تکنیک‌های خاصی برای اصلاح بیشتر سطح استیل وجود دارد که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شویم.
همان‌طور که گفتیم برای عمیات آنودایزینگ نیاز است تا فلز را تحت اکسیداسیون الکتروشیمیایی کنترل‌شده‌ای قرار دهیم. برای استیل نیز از همین روش استفاده می‌کنیم. با این تفاوت که اکسید ایجاد شده در آنودایز استیل از ماده‌ای به نام تیتانیوم خواهد بود. این لایه‌ی اکسیدی نانوساختار بوده و رنگ‌های متنوعی را ایجاد می‌کند. در واقع این رنگ‌ها نتیجه تداخل امواج نور با لایه اکسید نانوساختار بوده و رنگدانه‌‌ای وجود ندارد. از این فرایند به طور گسترده‌ای برای اهداف تزئینی استفاده شده و در ساخت جواهرات بدلی، سازه‌های معماری و آثار هنری به کار گرفته می‌شود. لازم به ذکر است که آنادایزینگ استیل مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش نداده و تنها برای زیباتر کردن آن به کار می‌رود.
آنادایز آلومینیوم چیست؟
همان‌طور که گفتیم مرسوم‌ترین نوع آنادایزینگ، عملیات آنادایز آلومینیوم می‌باشد. آلومینیوم به طور معمول و در مجاورت هوا، لایهای نازک از اکسید را به صورت غیرمتخلخل بر روی سطح خود تشکیل می‌دهد. این لایه‌ی اکسیدی که به طور طبیعی تشکیل می‌شود بسیار نازک بوده و حفاظت نرمالی را در برابر خوردگی ایجاد می‌کند. اما در روش آنادایزینگ این لایه ضخامت بیشتری داشته و نسبت به شرایط طبیعی مقاومت بهتری را در برابر خوردگی ایجاد می‌کند. روش آنادایز آلومینیوم به این صورت است که پس از پاک کردن سطح قطعه، آن را وارد محلولی شیمیایی می‌کنیم. آلومینیوم در این محلول نقش آند و فلز مناسب دیگری نقش کاتد را بازی خواهد کرد. با برقراری جریان برق در این محلول سطح آلومینیوم شروع به اکسید شدن کرده و به تدریج تمام سطح آن را می‌گیرد.
با اکسیداسیون سطح آلومینیوم، حافظتی ایده آل در برابر ساییدگی و خوردگی ایجاد شده و رنگ‌پذیری خوبی را نیز به دست می‌آورد. البته انجام این فرایند دلایل متنوعی دارد که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.
دلایل آنادایز کردن آلومینیوم
آنودایز کردن آلومینیوم به دلایل مختلفی انجام شده و مزایای گوناگونی را حاصل می‌شود. از جمله این دلایل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
افزایش مقاومت در برابر خوردگی
همان‌طور که گفتیم ایجاد پوشش اکسیدی در سطح آلومینیوم باعث می‌شود تا محافظت زیادی را در برابر خوردگی به دست آورد.
عایق شدن
پس از اجرای آنودایز، الومینیوم آنادایز شده شامل سطحی اکسیدی می‌شود که می‌تواند در برابر ولتاژهایی چندهزارولتی عایق باشد. البته کیفیت عایق بودن قطعه با ضخامت لایه‌ی اکسیدی رابطه‌ی مستقیمی دارد.
ایجاد زیبایی ظاهری
لایه‌ی اکسیدی ایجاد شده در سطح آلومینیوم به صورت طبیعی درخشان بوده و زیبایی ظاهری برتری را نسبت به آلومینیوم آنودایز نشده ایجاد می‌کند. به همین دلیل است که از این فرایند برای استفاده آلومینیوم در تزئینات و وسایل دکوری استفاده می‌شود.
افزایش مقاومت در مقابل ساییدگی
با انجام فرایند آنودایز سخت بر روی قطعات آلومینیومی (که در ادامه به شرح آن خواهیم پرداخت) پوششی در حدود 1000 الی 4000 میکرون را در سطح آلومینیوم مشاهده خواهیم کرد. این پوشش، سختی بسیار بالایی را (در حدود 650 ویکرز) ارائه می‌دهد که می‌توان از آن‌ها به منظور ساخت یاتاقان‌ها، قطعات دوار و محصولاتی که نیاز به مقاومت سایشی دارند استفاده کرد.
افزایش قدرت چسبندگی رنگ‌ها
اکسیداسیون سطحی آلومینیوم باعث به وجود آمدن سطح فعال شیمیایی‌ای می‌شود که شرایط مناسبی را برای رنگ‌آمیزی قطعه فراهم می‌کند. از این جهت رنگ کردن این قطعات بسیار راحت‌تر بوده و کیفیت بهتری را به نمایش می‌گذارد.
افزایش قابلیت تابش و انتقال حرارت
پس از آنودایز کردن آلومینیوم و تشکیل لایه‌ی اکسیدی، قابلیت تابش و انتشار حرارت آن به طرز چشمگیری افزایش پیدا می‌کند. این موضوع باعث می‌شود تا در صورت مشکی کردن آن بتواند دمایی در حدود 230 درجه سانتی‌گراد را به خود جذب کند.
آنودایز سخت چیست؟
نوعی از آنادایز که به آنودایز نوع سوم یا آنادایز مهندسی نیز شناخته می‌شود آنادایزیگ سخت می‌باشد. هرچند که این روش از نظر نوع مراحل شباهت زیادی را با آنادایز معمولی دارد اما از نظر شرایط انجام مراحل کاملا متفاوت است. به طور مثال هر دو روش از آنادایزینگ در حمام الکترولیت انجام شده و به ایجاد پوششی اکسیدی منجر می‌شوند. با این تفاوت که آنادایز سخت درحمامی اسیدی و در دمایی نزدیک به صفر انجام می‌شود. همچنین مقدار چگالی جریان مورد نیاز در آنودایز سخت، میزان بیشتری را نسبت به روش معمولی دارا می‌باشد. در واقع همین عبور جریان بیشتر است که باعث می‌شود تا ضخامت لایه‌ی اکسیدی بیشتری را در این روش مشاهده کنیم.
این تفاوت ضخامت به این صورت است که اگر در روش معمولی ضخامتی در بازه 5 الی 25 میکرون را شاهد باشیم در روش سخت این ضخامت تا 200 میکرون هم خواهد رسید. ضخامت زیاد ایجاد شده در آنودایز سخت باعث می‌شود تا افزایش قابل توجهی را در میزان سختی و مقاومت به سایش قطعه شاهد باشیم. لازم به ذکر است که آنادایز سخت نسبت به آنودایز معمولی به ایجاد تخلخل‌های نامنظم‌تر و رنگ‌های تیره‌تری نیز منجر می‌شود.
مزایا، معایب و کاربردهای آنادایزینگ
فرایند آنودایز فلزات مزایا و معایب گوناگونی را ارائه داده و در کابردهای مختلفی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله مزایای این فرایند که در این مقاله نیز به آن‌ها پرداختیم می‌توان به افزایش سختی فلز، تقویت مقاومت سایشی، چسبندگی رنگ‌ها، زیبایی فلز، افزایش قدرت انتشار حرارت و عایق شدن آن اشاره کرد. در کنار این مزایا اشکالات و محدودیت‌هایی را برای این روش می‌توان عنوان کرد. معایبی از قبیل کم شدن انعطاف‌پذیری و نگرانی‌های زیست‌محیطی به دلیل استفاده از نیروی برق و مواد شیمیایی.
مزایای بی‌نظیر آنادایزینگ باعث شده‌اند تا این فرایند در موارد مهم و گسترده‌ای مورد استفاده قرار بگیرد. از جمله‌ی این موارد می‌توان به کاربردهای زیر اشاره کرد:
- خودروسازی برای قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، قطعات موتور و پنل‌های بدنه
- معماری و ساخت و ساز در تقویت کیفیت قاب پنجره‌ها، درها و پنل‌های بیرونی مختلف
- الکترونیک برای محافظت قطعات آلومینیومی در دستگاه‌های الکترونیکی
- هوافضا در ساخت قطعاتی مانند بدنه هواپیما، بال‌ها و اجزای موتور
- کالاهای مصرفی از قبیل ظروف پخت و پز و لوازم خانگی
- کالاهای ورزشی برای ساخت دوچرخه، چوب گلف و تجهیزات ماهیگیری
- نظامی و دفاعی برای ساخت خودروها و اسلحه‌های رنگی جهت استتار
- تجهیزات پزشکی در ساخت ابزار جراحی
- جواهرات برای ساخت قطعات بدلی مقاوم
- صنایع دریایی برای محافظت از قطعات آلومینیومی در محیط دریایی
جمع‌بندی
اگرچه اکسیداسیون در اکثر موقع مضر و نابودگر است اما برای برخی از فلزات، تقویت‌کننده و مفید می‌باشد. آلومینیوم از جمله‌ی این فلزات است که با اکسید شدن لایه‌ی رویی آن، لایه‌های زیرین را از آسیب دیدن محافظت می‌کند. به همین جهت برای اکسیداسیون کنترل شده‌ی آن از فرایندی به نام آنودایز استفاده می‌شود تا این فرایند به صورت کنترل شده و استاندارد انجام پذیرد. روش فرایند آنودایزینگ به این صورت است که پس از پاک کردن سطح قطعه، آن را وارد محلول شیمیایی خاصی می‌کنیم. سپس جریان برق معینی را برقرار کرده و شاهد اکسید شدن سطح محصول می‌شویم. با اکسید شدن سطح آلومینیوم لایه‌های زیرین از ساییدگی و آسیب‌های دیگر در امان مانده و سختی ایده‌آلی را به دست می‌آورند.
با انجام این فرایند علاوه بر افزایش سختی و مقاومت سایشی فلز، شاهد عایق شدن و افزایش زیبایی و قدرت انتشار حرارت آن خواهیم بود. در واقع همین مزایا هستند که دلیل کاربرد آنودایز در مواردی مثل خودروسازی، هوافضا، تجهیزات پزشکی، کالاهای ورزشی و صنایع دریایی شده است. به همین جهت می‌توان گفت آنادایزینگ فرایندی ضروری و پرکاربرد است که نبود آن می‌تواند مشکلات زیادی را به همراه داشته باشد.
پرسش و پاسخ
قیمت آنادایز کردن چگونه است؟
عوامل مختلفی بر قیمت این فرایند تاثیرگذار می‌باشند از جمله این عوامل می‌توان به وزن و ابعاد شاخه و عملیات‌هایی مثل پولیش و براشینگ اشاره کرد. در واقع ورق یا پروفیل آنادایز شده همانند ورق و پروفیل معمولی بنا بر وزن و ابعادی که دارند قیمت‌های مختلفی را داشته و با انجام عملیات‌های مختلف روی آن‌ها قیمت‌های متفاوتی را نیز خواهند داشت.
آلیاژهای آلومینیومی مناسب برای آنادایزینگ کدام آلیاژها می‌باشند؟
از جمله آلیاژهای آلومینیوم که امکان آنودایز کردن آن‌ها وجود دارد عبارتند از:
1. آلیاژ 1050
2. آلیاژ 2024
3. آلیاژ 3105
4. آلیاژهای سری 5000
5. آلیاژ 6063
6.آلیاژ 6061
7. آلیاژ 7075
آیا جوشاندن و نگهداری شیر در ظروف آنودایزی امکان‌پذیر است؟
جوشاندن شیر در ظروف آنادایز شده ایرادی ندارد اما نگهداری شیر و مواد غذایی مختلف در آن‌ها می‌توان آسیب‌های جدی‌ای را به ظروف وارد کند.
آنادایز آلومینیوم با چه روش‌های انجام می‌شود؟
انواع آنادایز آلومینیوم به سه دسته تقسیم می‌شوند که به شرح زیر می‌باشد:
نوع اول که در آن برای ایجاد قطعه‌های منعطف‌تر از اسید کرومیک استفاده می‌شود.
روش دوم که با استفاده از اسید سولفوریک، لایه‌های اکسیدی ضخیم‌تری را تولید کرده و رنگ‌پذیری آن را آسان می‌کند.
نوع سوم همان آنودایز سخت است که به ایجاد قطعات سخت‌تر و مقاومت‌تر کمک می‌کند.
مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 29 مرداد 1402
