عملية أنودة الألومنيوم: الخصائص والطرق وأحدث التطورات

يستخدم التحليل الكهربائي لتشكيل طبقة رقيقة من الأكسيد على سطح الأجزاء المعدنية أو السبائك باستخدام الأجزاء كأنودات.

تعمل طبقة أكسيد المعدن على تغيير حالة السطح وخصائصه، مثل تلوين السطح، وتحسين مقاومة التآكل، وزيادة مقاومة التآكل والصلابة، وحماية سطح المعدن.

على سبيل المثال، في عملية أنودة الألومنيوم، يوضع الألومنيوم وسبائكه في شوارد كهربائية مقابلة (مثل حمض الكبريتيك وحمض الكروميك وحمض الأكساليك وحمض الأكساليك وغيرها) كأنودات، ويتم التحليل الكهربائي في ظروف محددة ومع تطبيق تيار خارجي.

ويتأكسد الألومنيوم أو سبيكته عند الأنود مكونًا طبقة رقيقة من أكسيد الألومنيوم على السطح بسماكة تتراوح بين 5 و20 ميكرون. يمكن أن يصل سمك أغشية الأنودة الصلبة إلى 60-200 ميكرون.

بعد الأنودة، تتحسن صلابة ومقاومة التآكل للألومنيوم أو سبيكته لتصل إلى 250-500 كجم/ملم مربع. تتميز طبقة الأنودة الصلبة أيضًا بمقاومة جيدة للحرارة، حيث تصل درجة انصهارها إلى 2

في التطبيقات العملية، فإن أنودة سبائك الألومنيوم شائعة جدًا ويمكن استخدامها في الحياة اليومية، حيث تخلق هذه العملية طبقة واقية صلبة على سطح أجزاء الألومنيوم، مما يجعلها مناسبة لإنتاج أواني المطبخ والأدوات المنزلية الأخرى.

ومع ذلك، فإن أنودة ألومنيوم مصبوب نتائج ضعيفة، مع وجود أسطح غير مستوية ولون أسود فقط. أما أنودة مقاطع سبائك الألومنيوم فهي أفضل نسبيًا.

في السنوات الأخيرة، تطورت تكنولوجيا التلوين بأكسدة الألومنيوم في الصين بسرعة، واعتمدت العديد من المصانع تقنيات عملية جديدة وتراكمت لديها خبرة غنية في الإنتاج الفعلي.

هناك العديد من الطرق الناضجة والمتطورة لأنودة الألومنيوم وسبائكه، والتي يمكن اختيار العمليات المناسبة منها بناءً على احتياجات الإنتاج.

قبل اختيار عملية الأكسدة، من المهم فهم مادة الألومنيوم أو سبائك الألومنيوم، حيث تؤثر جودة المادة وتركيبتها بشكل مباشر على جودة منتج الألومنيوم المؤكسد.

على سبيل المثال، إذا كانت هناك عيوب مثل الفقاعات والخدوش والتقشير والخشونة وما إلى ذلك على سطح الألومنيوم، فستظل مرئية بعد الطلاء بأكسيد الألومنيوم. تؤثر تركيبة السبيكة أيضًا بشكل مباشر على مظهر السطح المؤكسد.

على سبيل المثال، تتحول سبائك الألومنيوم المحتوية على المنجنيز 1-2% إلى اللون الأزرق المائل إلى البني بعد الأكسدة، وتؤدي زيادة محتوى المنجنيز إلى التحول من اللون الأزرق المائل إلى البني الداكن.

تتحول سبائك الألومنيوم التي تحتوي على 0.6-1.51 تيرابايت 3 تيرابايت سيليكون إلى اللون الرمادي بعد الأكسدة، بينما تتحول تلك التي تحتوي على 3-61 تيرابايت 3 تيرابايت سيليكون إلى اللون الأبيض الرمادي. وتظهر السبائك المحتوية على الزنك بلون حليبي بينما تظهر السبائك المحتوية على الكروم بألوان متفاوتة تتراوح بين الأصفر الذهبي والرمادي، وتظهر السبائك المحتوية على النيكل باللون الأصفر الفاتح.

وبصفة عامة، فإن سبائك الألومنيوم التي تحتوي على أكثر من 5% من المغنيسيوم و تيتانيوم يمكن أن يحقق مظهرًا شفافًا ومشرقًا بعد الأكسدة.

بعد اختيار مواد الألومنيوم وسبائك الألومنيوم المناسبة، من الضروري النظر في اختيار عملية الطلاء بأكسيد الألومنيوم المناسبة.

في الوقت الحالي، تُستخدم حاليًا أكسدة حمض الكبريتيك وأكسدة حمض الأكساليك وأكسدة حمض الكروميك على نطاق واسع في الصين وتم توثيقها بدقة في الكتيبات والكتب. تقدم هذه المقالة بإيجاز بعض العمليات الجديدة قيد التطوير حاليًا في الصين والطرق الأجنبية.

1. عمليات جديدة تم تطويرها في الصين:

(1) الأكسدة السريعة للتيار المتردد في خليط حمض الأكساليك والميثانويك.

يعتمد استخدام خليط حمض الأكساليك وحمض الميثانويك على فكرة أن حمض الميثانويك عامل مؤكسد قوي ويمكنه تسريع انحلال الطبقة الداخلية (الطبقة الحاجزة وطبقة الحجب) من طبقة الأكسيد، مما يؤدي إلى تكوين طبقة خارجية مسامية.

يمكن لهذا النوع من المحلول زيادة التوصيلية (أي زيادة كثافة التيار)، مما يسمح بتكوين طبقة الأكسيد بسرعة. وبالمقارنة مع أكسدة حمض الأكساليك النقي، يمكن لهذا المحلول زيادة الإنتاجية بمقدار 37.51 تيرابايت في الساعة وتقليل استهلاك الطاقة (3.32 كيلووات في الساعة لكل متر مربع لأكسدة حمض الأكساليك مقارنة بـ 2 كيلووات في الساعة لكل متر مربع لهذه العملية)، مما يوفر 401 تيرابايت في الساعة من الكهرباء.

تكون تركيبة العملية على النحو التالي: حمض الأكساليك 4-5%، حمض الميثانويك 0.55%، تيار متردد ثلاثي الأطوار 44 فولت، كثافة التيار 2-2.5 أمبير/دقيقة، درجة الحرارة 30 ± 2 ℃.

(2) أكسدة الأحماض المختلطة.

تم تضمين هذه الطريقة رسميًا في المعيار الوطني الياباني في عام 1976 واعتمدتها شركة Kita-sei Nissho Co., Ltd.. وتتمثل خصائصها في سرعة تكوين الغشاء، والصلابة العالية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التآكل في الغشاء مقارنةً بالأكسدة التقليدية لحمض الكبريتيك.

الفيلم أبيض فضي اللون ومناسب لطباعة المنتجات وتلوينها. بعد زيارة صناعة منتجات الألومنيوم في الصين لليابان، تمت التوصية باستخدام هذه الطريقة في عام 1979.

تركيبة المعالجة الموصى بها هي: H2SO4 10-20%، COOHCOHCOH-2H2O 1-2%، الجهد 10-20 فولت، كثافة التيار 1-3 أمبير/دقيقة، درجة الحرارة 15-30 ℃، الوقت 30 دقيقة.

(3) أكسدة السيراميك.

تستخدم أكسدة السيراميك بشكل أساسي حمض الكروميك وحمض البوريك وأكسالات التيتانيوم البوتاسيوم كشوارد وتخضع للمعالجة الإلكتروليتية عند جهد ودرجة حرارة عاليتين.

ويشبه هذا الغشاء طبقة السيراميك الزجاجية، ويتميز بمقاومة عالية للتآكل، ومقاومة جيدة للتآكل، ويمكن تلوينه بأصباغ عضوية أو غير عضوية، مما يمنحه بريقًا ولونًا خاصًا. ويستخدم بشكل رئيسي في أواني الطهي المصنوعة من الألومنيوم والولاعات والأقلام الذهبية، ويحظى بشعبية كبيرة بين المستهلكين.

(4) أكسدة اللون العسكري.

تُستخدم الأكسدة الملونة العسكرية بشكل أساسي للزينة على منتجات الألومنيوم العسكرية، لذا فهي تتطلب تأثيرات وقائية خاصة. يتميز فيلم الأكسيد باللون الأخضر العسكري، وهو غير لامع، ومقاوم للتآكل، ومتين وله خصائص حماية جيدة.

وتتضمن العملية أولاً إجراء أكسدة حمض الأكساليك لتوليد طبقة غشاء ذهبي أصفر، ثم إخضاعها لمعالجة الأكسدة الأنودية باستخدام محلول مكون من 20 جم/لتر من برمنجنات البوتاسيوم و1 جم/لتر من H2SO4. وقد استخدم مصنع شنيانغ لمنتجات الألومنيوم هذه العملية لإنتاج زجاجات المياه العسكرية وأواني الطهي.

(5) أكسدة متعددة الألوان.

يتم ترطيب طبقة الأكسيد الأنوديك المصبوغة بالفعل ولكن غير المغلقة بحمض الكروميك أو حمض الأكساليك بحيث ينتشر CrO3.

يتلاشى سطح المنتج المصبوغ عندما يتم ترطيبه بـ CrO3، ويتم غسل حمض الأكساليك أو حمض الكروميك بالماء في أي جزء حسب الحاجة، مما يوقف التفاعل مع الصورة بشكل عام.

بعد ذلك، يتم تطبيق الصبغة الثانية، أو يتم تكرار عملية المسح والشطف والصباغة باستخدام CrO3 لإنتاج أنماط مثل الزهور والغيوم حسب الحاجة.

تُستخدم هذه الطريقة حالياً على نطاق واسع في منتجات مثل الأكواب الذهبية وأكواب الماء وصناديق الشاي والولاعات.

(6) عملية الصباغة بنمط الرخام.

بعد أكسدة المنتج وصبغه باللون الأول، يتم تجفيفه ثم غمره في الماء مع وضع الشحوم على سطحه.

عند رفعه أو غمره بالماء، يتدفق الشحم والماء إلى أسفل بشكل طبيعي، مما يسبب بقعًا غير منتظمة على شكل خطوط على الفيلم. عندما يتم تطبيق الصبغة الثانية، لا يمكن تلطيخ الطبقة المؤكسدة حيثما تكون ملطخة بالشحوم، بينما يتم صبغ الجزء الخالي من الشحوم بالصبغة الثانية، مما يشكل نمطًا غير منتظم يشبه الرخام.

يمكن العثور على هذه الطريقة في مقال الرفيق تشو شويو من مصنع يانغجيانغ للسكاكين المملوك للدولة في قوانغدونغ (الطلاء الكهربائي والطلاء، 1982، العدد 2).

(7) أكسدة الحفر الكيميائي.

بعد التلميع الميكانيكي وإزالة الشحوم، يتم طلاء منتجات الألومنيوم بعوامل إخفاء أو مواد حساسة للضوء وتجفيفها، ثم يتم تعريضها للحفر الكيميائي (مواد الحفر بالفلورايد أو ملح الحديد) لتشكيل أنماط مقعرة ومحدبة.

بعد التلميع الكهروكيميائي والأكسدة الأنودية، يتم تقديم نمط السطح مع إحساس قوي بالجسم الرئيسي، والذي يمكن مقارنته بمظهر الفولاذ المقاوم للصدأ. ويُستخدم حاليًا في منتجات مثل الأقلام الذهبية وصناديق الشاي والشاشات.

(8) الأكسدة الأنودية السريعة في درجة حرارة الغرفة.

وعادةً ما تتطلب أكسدة H2SO4 جهاز تبريد، مما يؤدي إلى استهلاك طاقة عالية. يمكن أن تؤدي إضافة حمض ألفا-هيدروكسي بروبيونيك والجلسرين إلى كبح انحلال طبقة الأكسيد، مما يجعل من الممكن إجراء الأكسدة في درجة حرارة الغرفة.

بالمقارنة مع أكسدة حمض الكبريتيك العادية، يمكن زيادة سماكة الفيلم بمقدار الضعف. صياغة العملية الموصى بها هي:

(9) طريقة الأكسدة الكيميائية (المعروفة أيضًا باسم فيلم الأكسيد الموصل).

تتشابه مقاومة التآكل لطبقة الفيلم مع مقاومة التآكل لطبقة أكسيد أنوديك حمض الكبريتيك. تتميز طبقة الأكسيد الموصلة بمقاومة تلامس أقل ويمكنها توصيل الكهرباء، في حين أن طبقة الأكسيد H₂SO₄ لا يستطيع غشاء الأكسيد الأنوديك توصيل الكهرباء بسبب مقاومته العالية للتلامس.

تكون مقاومة التآكل في طبقة الأكسيد الموصلة أقوى بكثير من مقاومة الألومنيوم المطلي بالنحاس أو الفضة أو القصدير.

ويتمثل العيب في أنه لا يمكن إجراء لحام القصدير على طبقة الفيلم، فقط اللحام الموضعي يمكن استخدامها. تركيبة العملية الموصى بها هي: CrO₃ 4 جم/لتر، ك₄Fe(CN)6-3H₂O 0.5 جم/لتر، و NaF 1 جم/لتر، ودرجة الحرارة 20-40 درجة مئوية، والزمن 20-60 ثانية.

عند اختيار الألومنيوم للأكسدة الأنودية، يجب أيضًا ملاحظة ما يلي:

(1) يجب ألا يحتوي سطح الألومنيوم المختار على خدوش شديدة أو عيوب هيكلية أو شوائب. سوف تؤثر على مظهر ومقاومة طبقة الأكسيد للتآكل.

(2) يجب معالجة بعض سبائك الألومنيوم بالحرارة وفقًا لمواصفات معقولة. حجم الحبيبات له تأثير معين على بنية وخصائص طبقة الأكسيد. تتفاعل الحبيبات الخشنة بشكل غير متساوٍ أثناء الأكسدة، مما يؤدي غالبًا إلى مظهر يشبه قشر البرتقال. لذلك، من المرغوب عمومًا أن يكون الألومنيوم ذو بنية حبيبات دقيقة.

2. مقدمة لعمليات المعالجة السطحية الجديدة في الخارج

في السنوات الأخيرة، تطورت الدول الأجنبية في السنوات الأخيرة بسرعة في الألومنيوم معالجة السطح. وقد تم إصلاح العمليات القديمة التي كانت ذات يوم كثيفة العمالة وكثيفة الطاقة وكثيفة الموارد، وتم تطبيق عمليات وتقنيات جديدة على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي.

(1) طريقة الأكسدة الأنودية عالية السرعة.

تُغيّر عملية الأكسدة الأنودية عالية السرعة بشكل أساسي تركيبة محلول الإلكتروليت وتقلل من مقاومة محلول الإلكتروليت، مما يسمح بكثافة تيار أعلى للأكسدة الأنودية عالية السرعة.

كانت سرعة تشكيل الفيلم في العملية القديمة باستخدام كثافة تيار 1A/d㎡/دقيقة 0.2 ~ 0.25 ميكروكرو/دقيقة، في حين أن سرعة تشكيل الفيلم في هذه العملية الجديدة باستخدام المحلول المعدل يمكن زيادتها إلى 0.4 ~ 0.5 ميكرو/دقيقة حتى مع كثافة تيار 1A/دقيقة² كثافة التيار، مما يقلل بشكل كبير من وقت المعالجة ويحسن كفاءة الإنتاج.

(2) طريقة أسلوب توميتا (الأكسدة عالية السرعة).

تتميز طريقة نمط توميتا بوقت معالجة أقصر بكثير من العملية القديمة، ويمكن زيادة كفاءة إنتاجها بأكثر من 33%. هذه الطريقة مناسبة ليس فقط لأغشية الأكسيد الأنوديك العادية ولكن أيضًا لأغشية الأكسيد الصلب.

في حالة إنتاج غشاء صلب، يتم استخدام طريقة لتقليل درجة حرارة المحلول. تكون سرعة تكوين الفيلم بشكل عام هي نفسها المدرجة في الجدول أعلاه. تكون العلاقة بين صلابة الفيلم ودرجة حرارة المحلول كما يلي:

• 10 ℃ - صلابة 500 هـ
• 20 ℃ - صلابة 400 هـ
• 30 ℃ - صلابة 300H

(3) فيلم روبي.

تعتبر عملية إنتاج طبقة من الياقوت على سطح الألومنيوم عملية جديدة. يمكن مقارنة لون الفيلم بلون الياقوت الاصطناعي، مما يجعله مثاليًا لأغراض التزيين. كما أنه يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل ومقاومة التآكل.

مختلفة أنواع المعادن يمكن استخدام الأكاسيد في المحلول لإنتاج مجموعة متنوعة من المظاهر. تتضمن العملية أولاً عملية الأنودة باستخدام حمض الكبريتيك 15% باستخدام كثافة تيار تبلغ 1 أمبير/دسم² لمدة 80 دقيقة.

بعد ذلك، يتم غمر قطعة العمل في (NH₄)₂كرو^₄ محلول بتركيزات مختلفة لمدة 30 دقيقة عند 40 درجة مئوية، اعتمادًا على كثافة اللون المطلوب، للسماح للأيونات المعدنية بالدخول إلى مسام طبقة الأكسيد الأنوديك.

بعد ذلك، تُغمر قطعة العمل في محلول ثنائي كبريتات الصوديوم (وزن جزيئي 1 جرام) وثنائي كبريتات الأمونيوم (وزن جزيئي 1.5 جرام) عند 170 درجة مئوية بكثافة تيار تبلغ 1 أمبير/دسم². يكون الفيلم الناتج بلون أحمر أرجواني مائل إلى البنفسجي مع وميض فلوري، في حين أن Fe₂(CrO)₄)₃ أو نا₂كرو₄ ستنتج المحاليل أغشية زرقاء ذات تألق أرجواني عميق.

(4) أسادا الكهربائي.

التلوين الكهربائي الأسادا هي عملية يتم فيها تحليل الكاتيونات المعدنية (أملاح النيكل وأملاح النحاس وأملاح الكوبالت وغيرها) كهربائيًا في قاع ثقوب طبقة الأكسيد لإنتاج اللون بعد عملية الأنودة. وقد تطورت هذه العملية بسرعة في السنوات الأخيرة، ويرجع ذلك أساسًا إلى قدرتها على الحصول على اللونين البرونزي والأسود، وهما اللونان الشائعان في صناعة البناء.

الألوان المنتجة مستقرة ومقاومة للظروف الجوية القاسية. يمكن لهذه العملية توفير الطاقة مقارنة بطرق التلوين الطبيعية.

جميع المباني المعمارية اليابانية تقريبًا مقاطع الألومنيوم ملونة باستخدام هذه الطريقة.

(5) طريقة التلوين الطبيعي.

تكمل طريقة التلوين الطبيعي التلوين في تحليل كهربائي واحد.

هناك عدة أنواع من المحاليل المستخدمة، بما في ذلك حمض الساليسيليك وحمض الكبريتيك، وحمض السلفونيك وحمض التيتانيوم، وحمض السلفونيك وحمض الماليك.

نظرًا لأن الأحماض العضوية تستخدم في الغالب في طريقة التلوين الطبيعي، فإن طبقة الأكسيد تكون كثيفة نسبيًا وتتمتع بمقاومة ممتازة للضوء ومقاومة للتآكل ومقاومة ممتازة للتآكل.

ومع ذلك، فإن عيب هذه الطريقة هو أنه للحصول على ألوان ممتازة، يجب التحكم بدقة في تركيبة مادة سبائك الألومنيوم.

1. أنودة حامض الكبريتيك.

تتميز أنودة حمض الكبريتيك بالخصائص التالية:

(1) انخفاض تكلفة المحلول وبساطة التركيب وسهولة التشغيل والصيانة.

وعمومًا، لا يلزم سوى تخفيف حمض الكبريتيك إلى تركيز معين، دون إضافة عوامل كيميائية أخرى. يوصى باستخدام حمض الكبريتيك النقي كيميائيًا أو حمض الكبريتيك الصناعي مع شوائب أقل، وبالتالي تكون التكلفة منخفضة بشكل خاص.

(2) شفافية عالية لفيلم الأكسيد.

تكون الطبقة المؤكسدة بحمض الكبريتيك للألومنيوم النقي عديمة اللون وشفافة. أما بالنسبة لسبائك الألومنيوم، فمع زيادة عناصر السبائك Si و Fe و Cu و Mn، تنخفض الشفافية. وبالمقارنة مع الإلكتروليتات الأخرى، يكون لون الفيلم المؤكسد بحمض الكبريتيك هو الأخف لونًا.

(3) أداء التلوين العالي.

طبقة أكسيد حمض الكبريتيك شفافة، والطبقة المسامية لها امتصاص قوي ويسهل صبغها وتلوينها. اللون ساطع وليس من السهل أن يتلاشى، مع تأثير زخرفي قوي.

(4) ظروف تشغيل أنودة حامض الكبريتيك هي:

2. أنودة حمض الأكساليك وحمض الكروميك.

وتستخدم أنودة حمض الأكساليك على نطاق واسع في اليابان، وتتشابه خصائص طبقة الأكسيد مع أنودة حمض الكبريتيك، مع مسامية أقل من أنودة حمض الكبريتيك، ومقاومة عالية للتآكل، وصلابة. إن تكلفة محلول حمض الأكساليك وجهد التشغيل أعلى من تكلفة حمض الكبريتيك، وقد يكون لون طبقة الأكسيد لبعض السبائك أغمق. يتطلب كل من أنودة حمض الأكساليك وحمض الكبريتيك نظام تبريد جيد.

شروط تشغيل أنودة حمض الأكساليك هي:

تتميز الأغشية المؤكسدة بحمض الكروميك بمقاومة التآكل بشكل خاص وتستخدم بشكل رئيسي في صناعة الطيران. إن التصاق أغشية أكسيد حمض الكروميك والطلاء قوي، مما يجعلها مناسبة كقاعدة للطلاء. لا تُستخدم الأغشية المؤكسدة بحمض الكروميك الرمادي غير الشفاف بشكل عام لأغراض التزيين.

ظروف تشغيل أنودة حمض الكروميك هي:

3. طلاء بأكسيد صلب.

في أواخر الحرب العالمية الثانية، من أجل زيادة صلابة وسمك الفيلم المؤكسد، تم خفض درجة حرارة خزان أنودة حمض الكبريتيك إلى 0 ℃، وتمت زيادة كثافة التيار إلى 2.7 ~ 4.0 أمبير/ديسم2، للحصول على "فيلم أكسيد صلب" من 25 ~ 50 ميكرومتر. يمكن الحصول على فيلم مؤكسد صلب عند 5 ~ 15 ℃ باستخدام حمض الأكساليك مع كمية صغيرة من حمض الكبريتيك. وتستخدم بعض براءات الاختراع تركيز حمض الكبريتيك المحسّن أو الأحماض العضوية أو غيرها من المواد المضافة مثل حمض البنزين سداسي الكربوكسيل للأنودة الصلبة.

في اسكتلندا، اخترع كامبل استخدام مزود طاقة متراكب بالتيار المتردد - التيار المتردد وتدفق عالي السرعة للإلكتروليت، ودرجة حرارة 0 ℃، وكثافة تيار تتراوح بين 25 و35 أمبير/دسم2 للحصول على طبقة صلبة مؤكسدة تبلغ 100 ميكرومتر.

في الوقت الحاضر، يُستخدم التيار النبضي في عملية الطلاء بأكسيد الألومنيوم الصلب، خاصةً لسبائك الألومنيوم عالية النحاس، والتي يصعب عمومًا طلائها بأكسيد الألومنيوم الصلب. يمكن أن يمنع استخدام التيار النبضي "الاحتراق". هناك أيضًا العديد من إمدادات الطاقة المستخدمة في الطلاء بأكسيد الألومنيوم الصلب، مثل التيار المتردد - التيار المتردد، والترددات المختلفة للتيارات النبضية أحادية الطور أو ثلاثية الطور، والتيارات العكسية، إلخ.

في عملية الأنودة الصلبة التقليدية للتيار المستمر، لا يمكن أن تتجاوز كثافة التيار بشكل عام 4.0 أمبير/دسم2. بالنسبة لإمدادات الطاقة النبضية أحادية الطور ذات المقوم النبضي أحادي الطور، يمكن أن تكون قيمة الذروة للنبض الحالي كبيرة جدًا، ولكن الحفاظ على توحيد سمك طبقة الأكسيد مشكلة مهمة.