Anốt hóa nhôm và một số hợp kim bề mặt – Tài liệu text

Anốt hóa nhôm và một số hợp kim bề mặt

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (314.52 KB, 7 trang )

ANỐT HÓA CỨNG CHO NHÔM VÀ MỘT SỐ HỢP KIM NHÔM ÐỂ
CẢI THIỆN CÁC TÍNH CHẤT BỀ MẶT
HARD ANODIZING OF ALUMINIUM AND ITS ALLOYS TO
IMPROVE SURFACE PROPERTIES
Nguyễn Thuý Ái, Nguyễn Thanh Lộc, Ðặng Vũ Ngoạn
Khoa Công Nghệ Vật Liệu, Trường Ðại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, Việt Nam
TÓM TẮT
Anốt hóa cứng đã được biết đến như là một qui trình hiệu quả để tạo ra lớp phủ cứng và chịu mài mòn
trên Al và hợp kim của nó. Lớp phủ này có bề dày (75-100 m) lớn hơn các lớp phủ anốt hóa thông
thường. Tuy nhiên qui trình anốt hóa cứng lại đòi hỏi một số điều kiện riêng biệt như nhiệt độ rất thấp,
mật độ dòng cao và dung dịch điện phân đặc biệt. Các đòi hỏi này gây khó khăn cho việc thiết kế và
vận hành qui trình. Do đó việc tìm ra một qui trình mới có thể tạo ra lớp phủ cứng hơn nhưng ở nhiệt
độ cao hơn là rất cần thiết. Trong bài báo này, qui trình anốt hóa cứng trong hổn hợp dung dịch axít
formic và axít oxalic đã được nghiên cứu trên Nhôm sạch kỹ thuật 99,8%, Hợp kim Al-Mg-Si (6061)
đại diện cho nhóm hợp kim biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện và Hợp kim Al-Cu (Ðura) đại
diện cho nhóm hợp kim biến dạng hóa bền bằng nhiệt, chứa pha thứ hai hóa bền. Ảnh hưởng của các
thông số điện hóa đến bề dày, độ cứng, độ xốp, độ chịu mài mòn của lớp phủ cũng đã được khảo sát.
ABSTRACT
Hard anodizing is known as an efficient process to produce a hard and wear resistance coating
over aluminum and its alloys. The thickness of this coating is thicker (75-100 mm) than the one
obtained from normal anodizing. However the process requires some special conditions such as very
low temperature, high current density and particular electrolytes. That brings out a lot of difficulties in
process setting up and operation. Therefore, it is necessary to find a new process which can produce a
harder coating at higher temperature. In this paper, hard anodizing over aluminum, Duralumin and
6061 alloy in a mixture of oxalic acid and formic acid was studied. The effects of electrochemical
parameters on coating thickness, hardness, porosity and wear reasistance were also investigated.
1. ÐẶT VẤN ÐỀ
Hiện nay, thế giới đang có xu hướng thay thế
dần các hợp kim sắt thép thông thường bằng
vật liệu nhôm vì những tính năng ưu việt của
loại vật liệu này (nhẹ, bền ăn mòn và dễ tạo

hình, v.v.). Ðặc biệt là trong công nghệ hàng
không, tàu biển, ôtô,v.v…giúp giảm đáng kể
khối lượng của phương tiện điều đó dẫn tới tiết
kiệm được nhiên liệu, tăng công suất hoạt
động và giảm thiểu các tác nhân ô nhiễm môi
trường. Trong đó, anốt hóa là một khâu quan
trọng để xử lý các sản phẩm nhôm.
Những năm gần đây, công nghệ anốt hóa được
đặc biệt quan tâm và phát triển mạnh mẽ ở
khía cạnh công nghệ tạo ra những lớp phủ anốt
hóa có độ dày (>50 µm) và độ cứng khá cao
(trên 3500 MPa) khác với các lớp phủ anốt hóa

trước đây thường rất mỏng không có khả năng
chịu mài mòn. Lớp phủ anốt hóa cứng: dày,
chịu mài mòn tốt, có độ xốp nhất định nên có
khả năng ngấm dầu bôi trơn được ứng dụng
khá phổ biến trong các lĩnh vực kỹ thuật công
nghiệp để tăng cường khả năng hoạt động cho
những chi tiết chịu mài mòn bề mặt như
pitông, xylanh, bánh răng của động cơ hơi
nước, v.v…
Công nghệ anốt hóa cứng đã được áp dụng khá
thành công ở nhiều nước trên thế giới như:
Anh, Mỹ, Thụy Sĩ, Hàn Quốc,v.v.Trong nước,
công nghệ anốt hóa cứng đã được quan tâm
nghiên cứu nhưng chưa phổ biến và ứng dụng
rộng rãi. Các nghiên cứu chủ yếu thực hiện
trên dung dịch sulfuric, với độ cứng trên dưới
4000 MPa và gặp nhiều khó khăn trong việc

phải làm lạnh dung dịch điện phân xuống tới 50C.
Do đó, đề tài được đặt ra với mục đích tìm
kiếm những hệ dung dịch có khả năng anốt hóa
sâu, tạo được những lớp phủ có độ cứng cao
hơn và có khả năng anốt hóa cứng ở nhiệt độ
thường
Ở Việt Nam, công nghệ anốt hóa cứng được
ứng dụng rất nhiều trong việc tăng bền và phục
hồi các chi tiết từ nhôm và hợp kim nhôm. Cụ
thể như sau:
• Công nghệ anốt hóa cứng được dùng để
nâng cao tuổi thọ, chế tạo và phục hồi các bản
in offset thay vì trước đây phải nhập từ nước
ngoài với giá khá cao. Các bản in được anốt
hóa có tuổi thọ tăng lên rõ rệt từ 5000-10000
lần so với 500-1000 lần so với khi chưa anốt
hóa [15].
• Ðối với các chi tiết bộ đôi như piston,
xecmăng, xylanh, các van trượt của phần tử
khí nén, các chi tiết bạc lót trong bơm, v.v.thì
anốt hóa là một khâu xử lý không thể thiếu để
tạo bề mặt chịu mài mòn tốt và có khả năng tự
bôi trơn.
• Ðặt biệt là trong công nghiệp dệt, sợi có rất
nhiều các chi tiết máy bằng nhôm cần được
tăng cứng và tăng bền như: túi góp sợi, gàng
kéo sợi, bộ góp sợi, v.v.
2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Các thông số công nghệ tối ưu được chọn theo
giá trị độ cứng cao nhất; giá trị độ dày chỉ
dùng để đánh giá mức độ phù hợp về độ dày
của lớp phủ anốt hóa cứng theo tiêu chuẩn
ASTM (độ dày lớp anốt hóa cứng dùng trong
kỹ thuật phải lớn hơn 50 µm) và nhận xét quy
luật ảnh hưởng của các thông số điện hóa đến
lớp phủ. Các giá trị tối ưu đưa ra chỉ là những
số liệu phù hợp nhất trong khoảng giá trị khảo
sát (được thể hiện bằng số in đậm).
Chọn vật liệu làm mẫu
Mẫu anốt hóa được chọn đại diện cho một số
các nhóm hợp kim tiêu biểu.
Cụ thể như sau:
♦ Nhôm sạch kỹ thuật 99,8%
♦ Hợp kim Al-Mg-Si (6061) đại diện cho
nhóm hợp kim biến dạng không hóa bền bằng
nhiệt luyện.
♦ Hợp kim Al-Cu (Ðura) đại diện cho nhóm
hợp kim biến dạng hóa bền bằng nhiệt, chứa
pha thứ hai hóa bền.

Thành phần các nguyên tố hóa học của các
mẫu nghiên cứu (phân tích bằng máy quang
phổ phát xạ Spectromax) như sau:
Bảng 1: Thành phần nhôm sạch kỹ thuật
Nguyên
Thành
Nguyên
Thành

tố
phần %
tố
phần %
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Ni
Cr
Pb
Sn

0,044
0,093
0,001
0,002
0,002
0,005
0,002
0.002
<0,002
<0,003

Ti
Ag
B
Bi

Cd
Zr
Co
V
Ga
Al

0,002
0,001
0,004
<0,003
<0,001
0,001
<0,001
0,004
0,009
99,8

Bảng 2: Thành phần hợp kim 6061
Nguyên
Thành
Nguyên
Thành
tố
phần %
tố
phần %
Si
Fe
Cu

Mn
Mg
Zn
Ni
Cr
Pb
Sn

0,468
0,192
0,02
0,002
0,51
0,045
0,005
0,003
<0,002
<0,003

Ti
Na
B
Bi
Ca
Zr
Co
V
Ga
Al

0,013
0,001
0,002
0,004
0,001
0,001
<0,001
0,004
0,016
98,7

Bảng 3: Thành phần hợp kim Ðura
Nguyên
Thành
Nguyên
Thành
tố
phần %
tố
phần %
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Ni
Cr

0,198

0,449
3,74
0,315
1,31
0,064
0,01
0.01

Ti
Ag
B
Bi
Ca
Zr
Co
V

0,037
0,001
0,001
<0,002
0
0,003
<0,001
0,003

Pb
Sn

0,003
0,009

Ga
Al

0,006
93,8

Các thí nghiệm anốt hóa được thực hiện theo
quy trình sau:
Mẫu (2x5x30)

Gia công cơ
Rửa sạch bằng nước
Tẩy dầu bằng hỗn hợp
Na3PO4+ NaSiO3

Rửa sạch bằng nước
Hoạt hóa bằng hỗn hợp
HNO3+H2SO4+H3PO 4

Rửa sạch bằng nước
Anốt hóa
3. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol formic/oxalic
Thí nghiệm được khảo sát dựa trên sự thay đổi
tỷ lệ số mol của hai cấu tử trong hệ bằng cách
giữ nguyên nồng độ axít oxalic và thay đổi
nồng độ fomic, được ký hiệu từ C1(80-60) đến

C5(80-140) tương ứng với nồng độ axít oxalic
là 80g/l không đổi còn nồng độ axít formic
thay đổi từ 60 đến 140 g/l. Các thí nghiệm đều
được thực hiện ở mật độ dòng 6A/dm2, nhiệt
độ 300C, thời gian 60 phút. Các khoảng giá trị
chọn khảo sát được tham khảo trên các tài liệu
nước ngoài [1,2,8,9].
Bảng 4 : Giá trị đo độ cứng và độ dày lớp
anốt hóa theo thành phần axít formic
Ðộ cứng (HV)
Tỷ lệ HCOOH/
H2C2O4
(Ðộ dày (mμ))
(mol/mol)
A
M
D
1,5
398
269
256
(48,68) (43,10) (14,48)
320
303
2
420
(57,12) (46,00) (25,49)
2,5
381
353

302
(67,30) (59,23) (40,56)
312
3
372
370
(75,40) (63,01) (35,78)

3,5

328
(66,60)

321
(64,50)

318
(55,26)

Ta thấy rằng, độ dày lớp anốt hóa của các mẫu
đều tăng theo chiều tăng tỷ lệ mol
formic/oxalic vì khi nồng độ axít tăng, quá
trình tạo màng sẽ xảy ra nhanh hơn, độ dày và
độ cứng tăng. Tuy nhiên, đến một giá trị nồng
độ nhất định do sự hoà tan của lớp màng xảy
ra mạnh dẫn đến tăng kích thước lỗ xốp nên độ
cứng giảm xuống; giá trị độ cứng của các mẫu
đi qua một điểm cực đại.
3.2. Khảo sát sự thay đổi giá trị pH tại tỷ lệ
mol axít formic/axít oxalic tối ưu

Thay đổi đồng thời khối lượng axít oxalic và
axít formic sao cho tỷ lệ mol không đổi theo
hướng giảm giá trị pH của dung dịch. Giữ
nguyên chế độ điện phân: 6A/dm2, 300C, 60
phút.
Kết quả khảo sát được trình bày ở bảng 3.2,
cho thấy khi tăng lượng axít, không có lợi cho
quá trình tạo màng của nhôm sạch và hệ hợp
kim 6061. Tuy nhiên, đối với hợp kim Ðura thì
quá trình có thuận lợi hơn một chút do hòa tan
được phần lớn các pha thứ 2 nên có khả năng
tạo lớp màng dày hơn nhưng giá trị độ cứng
vẫn chưa cao.
Bảng 5: Giá trị đo độ cứng và độ dày lớp
anốt hóa theo giá trị pH
pH

2,61
2,59
2,55
2,50
2,54
2,49
2,42
2,39
2,52

Ðộ cứng (HV)
(Ðộ dày (mμ))
A

M
D
420
(57,12)
378
(63,40)
377
(60,17)
376
(60,90)
370
(63,01)
369
(64,45)
363
(70,30)
313
(66,19)
318
(55,26)

332
(58,50)
351
(71,50)
345
(73,49)

2,42

2,38

600
500
Độ cứng (HV)

2,48

400
300

Nhôm sạch
6061
Đura

200
100

3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

0
5

Kết quả cho thấy, khi giảm nhiệt độ, độ dày
lớp anốt hóa của nhơm sạch và các hợp kim
đều tăng do giảm được đáng kể khả năng hòa
tan của dung dịch, lớp màng ít xốp, độ cứng
tăng theo chiều giảm nhiệt độ. Tuy nhiên, với
độ dày q lớn độ cứng giảm, do độ dày của
lớp màng anốt hóa phát triển trên cơ sở tăng độ

dày của phần xốp.
Bảng 6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ
dày và độ cứng của lớp anốt hóa
Ðộ cứng (HV)
Nhiệt
độ
(Ðộ dày (mμ))
A
M
D
30
420
370
318
(57,12)
(63,01)
(55,26)
25
430
421
368
(80,39)
(78,50)
(71,35)
432
389
20
569
(95,06)
(86,80)

(70,64)
15
494
450
439
(99,57)
(88,50)
(81,35)
10
459
410
372
(103,70)
(94,50)
(85,05)

15

20

Nhiệt độ 0C

25

30

35

3.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện
Khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng tại nồng

độ, nhiệt độ tối ưu của từng loại hợp kim.
Bảng 7: Ảnh hưởng của mật độ dòng đến độ
cứng và độ dày lớp màng anốt hóa
Ðộ cứng (HV)
Mật độ
dòng
(Ðộ dày (mμ))
(A/dm2)
A
M
D
4
398
339
306
(47,50) (44,45) (37,10)
5
534
385
370
(64,18) (58,38) (58,55)
450
6
569
439
(95,06) (79,50) (75,50)
383
7
458
510

(97,03) (84,78) (83,70)
8
440
432
298
(98,74) (89,57) (87,05)
120

100

100
80
60
40

Nhôm sạch
6061
Đura

20
0
3

80
60

4

5
6

7
Mật độ dòng (A/dm2)

8

9

600

40

Nhôm sạch
6061
Đura

20

500

0
5

10

15

20

0

Nhiệt độ C

25

30

35

Độ cứng (HV)

Độ dày (micromets)

120

10

Hình 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ
cứng và độ dày lớp anốt hóa.

Độ dày (micromets)

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ
đến q trình anốt hóa được thực hiện tại nồng
độ tối ưu mật độ dòng 6A/dm2, thời gian 60
phút và nhiệt độ thay đổi từ 300C đến 100C.

400
300
200

Nhôm sạch
6061
Đura

100
0
3

4

5
6
7
Mật độ dòng (A/dm2)

8

9

Hình 2: Ảnh hưởng của mật độ dòng điện
đến độ dày và độ cứng lớp anốt hóa

120
Độ dày (micromets)

100
80
60
40

Nhôm sạch
6061
Đura

20
0
30

45

600

60

75
90
Thời gian (phút)

105

120

500
Độ cứng (HV)

Ta thấy rằng tồn tại một vùng bão hòa gần
như nằm ngang ứng với giá trị mật độ dòng
nằm trong khoảng 6-7 A/dm2 được gọi là giá
trị mật độ dòng tới hạn jth (hình 3.2). Với giá

trị mật độ dòng j>jth thì độ dày tăng rất chậm
và hầu như khơng tăng do hiệu ứng tăng nhiệt
Jun-Lenxơ, sinh nhiệt cục bộ làm cho q trình
hòa tan màng xảy ra nhanh hơn. Tại thời điểm
q trình phát triển các cột oxít xốp và hòa tan
chúng cân bằng nhau thì tốc độ màng anốt phát
triển chậm lại và đạt chiều dày gần như bão
hòa; độ cứng tương ứng giảm dần khi tăng j
vượt q giá trị jth.

400
300
200

Nhôm sạch kỹ thuật
Hợp kim 6061
Hợp kim Đura

100
0

3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến q trình
anốt hóa
Bảng 7: Ảnh hưởng của thời gian đến độ
cứng và độ dày lớp anốt hóa
Thời
gian
(phút)
45
60

75
90
105

Ðộ cứng (HV)
(Ðộ dày (mμ))
A
M
380
346
(72,21)
(52,58)
569
510
(95,06)
(89,80)
502
476
(101,45)
(90,36)
453
423
(104,63)
(98,12)
371
357
(107,88) (100,23)

D
328

(52,77)
439
(81,35)
467
(85,02)
409
(94,32)
319
(98,36)

Theo dõi ảnh hưởng của thời gian đến độ dày
của lớp phủ cho thấy độ dày lớp phủ tăng dần
theo thời gian, màu sắc chuyển từ vàng sang
vàng nâu, nhưng tốc độ phát triển lớp màng
giảm dần. Ðộ cứng qua điểm cực đại sau đó
giảm dần theo thời gian và độ tăng chiều dày
lớp màng.
Qua khảo sát ảnh hưởng của điều kiện khuấy
trộn (sục khí) cho thấy việc khuấy trộn làm
đồng đều hóa nhiệt độ và thành phần dung dịch
nên độ dày và độ cứng tăng một chút. Nhưng
do axit formic là cấu tử dễ bay hơi nên việc
khuấy trộn làm mất tính ổn định của dung
dịch.

30

45

60

75
90
Thời gian (phút)

105

120

Hình 3: Ảnh hưởng của thời gian tới độ dày
và độ cứng lớp anốt hóa

Hình 4: Ảnh hưởng của thời gian đến màu
sắc lớp phủ anốt hóa.
3.6. Khảo sát độ xốp theo thời gian
Theo thời gian anốt hóa, một mặt phát triển độ
dày lớp xốp của màng nhưng mặt khác làm
tăng kích thước lỗ xốp, do đó độ xốp tăng, độ
cứng giảm. Ðộ xốp của lớp anốt hóa trong hệ
dung dịch oxalic-formic nằm trong khoảng 2550% thấp hơn độ xốp đạt được trong hệ dung
dịch sulfuric từ 43-69% (hình 5). Từ góc độ sử
dụng vật liệu cho thấy, giá trị độ xốp từ 2550% khá phù hợp đối với tiêu chuẩn về độ xốp
thể tích của hợp kim ổ trục hệ bạcbít (độ xốp
35-45%) theo u cầu làm việc của các bộ đơi,
ổ trượt, làm việc trong điều kiện ma sát trượt
có bơi trơn.

55
50

Độ xốp (%)

45
40
35
30

Nhôm sạch
6061
Đura

25
20
30

45

60

75

Thời gian (phút)

90

105

120

Hình 5: Ảnh hưởng của thời gian đến độ

xốp của lớp phủ anốt hóa
3.7. Kiểm tra khả năng chịu mài mòn của
lớp anốt hóa cứng
Nhận thấy rằng, khối lượng kim loại bị mất đi
của nhơm sạch là lớn nhất, kế đến là hợp kim
6061 và hợp kim Ðura tương ứng với khả năng
chịu mài mòn của hợp kim tăng dần. Tuy nhiên
lớp phủ anốt hóa trên nhơm sạch lại có khả
năng chịu mài mòn cao hơn cả, phù hợp với
kết quả đo độ cứng, do lớp oxít trên nhơm sạch
sít chặt hơn. Ðiều đó cũng cho thấy rằng sự có
mặt của những ngun tố hợp kim trong lớp
phủ làm ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc hình
thành của lớp phủ anốt. Từ biểu đồ so sánh
(hình 6) ta thấy khi được anốt hóa khả năng
chịu mài mòn của chi tiết tăng lên gấp 20 lần.

Khối lượng bò mất (g/mm2)

70
chưa anốt hóa
đã anốt hóa

60
50
40
30
20
10
0

Nhôm sạch

6061

Đura

Hình 6: Biểu đồ so sánh khả năng chịu mài
mòn của vật liệu nhơm và lớp anốt hóa
Tóm lại, điều kiện anốt hóa tối ưu theo độ
cứng được trình bày trong bảng sau:
Bảng 8: Ðiều kiện anốt hóa tối ưu cho nhơm
và hợp kim.
Ðiều kiện anốt
Nhơm
Hợp
Hợp
hóa và tính chất
sạch
kim
kim
của lớp phủ
6061
Ðura

Nồng độ axít
axít oxalic (g/l)
Nồng độ axít
axít formic (g/l)
Mật độ dòng

(A/dm2)
Nhiệt độ (oC)
Thời gian (phút)
Ðộ cứng (MPa)
Ðộ dày tương
ứng (mm)

80

80

112

80

120

196

6

7

6

20
60
5690
95,06

15
60
5200
89,8

15
75
5080
85,02

4. KẾT LUẬN
So với các kết quả nghiên cứu trên hệ sulfuric
phụ gia axít oxalic được cơng bố vào năm
1996 thì kết quả độ cứng của lớp phủ anốt hóa
đạt trên cùng một loại nhơm sạch kỹ thuật
99,8% trong hệ hỗn hợp axít oxalic và axít
formic cao hơn, đạt 5690 MPa so với trong hệ
sulfuric là 4640 MPa [15].
Tuy nhiên, mỗi chế độ anốt hóa đều có những
ưu điểm và khuyết điểm riêng của nó. Mỗi
cơng nghệ phù hợp với từng đặc tính riêng của
sản phẩm. Hệ sulfuric tuy kinh tế hơn về mặt
vật tư hóa chất nhưng ngược lại phải thực hiện
ở nhiệt độ âm. Thêm vào đó, những chi tiết cần
độ cứng cao thì phương pháp này khơng đạt
u cầu hay đối với những chi tiết cần bít kín,
nhuộm đen thì cơng nghệ này khơng phù hợp
vì độ xốp khá cao, màu sắc sáng. Hệ axít
oxalic và axít formic tuy chi phí cho vật tư hóa
chất cao hơn một chút nhưng ngược lại có khả

năng anốt hóa cứng ở nhiệt độ cao hơn, giảm
đáng kể chi phí cho thiết bị làm lạnh, năng
lượng. Thêm vào đó giá trị độ cứng đạt được
cao hơn nhiều.
Giá trị độ cứng và độ dày trên nhơm sạch đạt
được ở nhiệt độ thường trong điều kiện khí hậu
Việt Nam (nhiệt độ trung bình là 270C) là 4200
MPa và 72 μm đã đạt u cầu về độ cứng và
độ dày theo tiêu chuẩn ASTM B 580-79 (phiên
bản 2000).
MỤC LỤC THAM KHẢO
1. S. Wernick, O.B.E., F.R.I.C., F.I.M.,
F.I.M.F., R. Pinner, B.Sc., F.I.M.F., F.I.
Corr.T., P.G. Sheasby, B.Sc, F.I.M.F : The
Surface Treatment and Finishing of
Aluminium and its Alloys, Finish Publications
LTD. Teddington, Middlesex, England, 1987.

2. Jenny – The Anodic Oxidation Of
Aluminium And Its Alloys, 1940.
3. Sanford process Corp – U.S. Pat. 4.128.461,
1978.
4. Lelong, P., Segond and Herenguel, J., Proc,
Americian Electroplaters Assosiaction. 1959.
5. Trương Ngọc Liên – Ăn Mòn Và Bảo Vệ
Kim Loại, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,
Hà Nội, 2004.
6. Nguyễn Ðình Phổ – Ăn Mòn Và Bảo Vệ
Kim Loại, Trường ÐHBK TpHCM, 1980.

7. V. F. Henley, Anodic Oxidation Of
Aluminium And Its Alloys, Pergamon press
Ltd, 1982.
8. José L.Gazapo and J. Gea, INESPAL
Laminación,
Alicante,
Anodizing
Of
Aluminium, TALAT Lecture 5/2003.
9. http://www.aluminum.org/Content/Navigati
onMenu/The_Industry/
Transportation_Market/Auto_Truck/Default28
1.htm
10. http://www.caswellplating.com/kits/index.h
tml.
11. Nguyễn Văn Dán, Công Nghệ Nhiệt Luyện
Và Xử Lý Bề Mặt, Nhà xuất bản ÐHQG
Tp.HCM, 2002
12. Campbell, W.J., Processing Conference
Anodizing Aluminium, Nottingham, 1961.
13. Nguyễn Ðình Soa, Hóa Vô Cơ, Trường Ðại
học Bách Khoa Tp.HCM.
14. Marson R.B, Factors Affecting The
Formation Of Anodic Oxide Coatings In
Sulfuric Acid Electrolyte, J. Electrochem.
Soc., Vol.102 (1965).
15. Phùng Thị Tố Hằng, Nghiên Cứu Công
Nghệ Anốt Hóa và Ứng Dụng Ðể Xử Lý Bề
Mặt Các Chi Tiết Nhôm và Hợp Kim Nhôm,
Luận án phó tiến sĩ khoa học kỹ thuật, trường

ÐHBK, Hà Nội, 1996.
16. Nguyễn Khắc Xương, Vật Liệu Kim Loại
Màu – NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội,
2003.
17. Nguyễn Văn Lộc – Kỹ Thuật Mạ Ðiện Nhà xuất bản Giáo dục, 2001.

hình, v.v. ). Ðặc biệt là trong công nghệ hàngkhông, tàu biển, ôtô, v.v … giúp giảm đáng kểkhối lượng của phương tiện đi lại điều đó dẫn tới tiếtkiệm được nguyên vật liệu, tăng hiệu suất hoạtđộng và giảm thiểu các tác nhân ô nhiễm môitrường. Trong đó, anốt hóa là một khâu quantrọng để xử lý các loại sản phẩm nhôm. Những năm gần đây, công nghệ anốt hóa đượcđặc biệt chăm sóc và tăng trưởng can đảm và mạnh mẽ ởkhía cạnh công nghệ tạo ra những lớp phủ anốthóa có độ dày ( > 50 µm ) và độ cứng khá cao ( trên 3500 MPa ) khác với các lớp phủ anốt hóatrước đây thường rất mỏng dính không có khả năngchịu mài mòn. Lớp phủ anốt hóa cứng : dày, chịu mài mòn tốt, có độ xốp nhất định nên cókhả năng ngấm dầu bôi trơn được ứng dụngkhá thông dụng trong các nghành nghề dịch vụ kỹ thuật côngnghiệp để tăng cường năng lực hoạt động giải trí chonhững chi tiết chịu mài mòn bề mặt nhưpitông, xylanh, bánh răng của động cơ hơinước, v.v… Công nghệ anốt hóa cứng đã được vận dụng kháthành công ở nhiều nước trên quốc tế như : Anh, Mỹ, Thụy Sĩ, Nước Hàn, v.v. Trong nước, công nghệ anốt hóa cứng đã được quan tâmnghiên cứu nhưng chưa phổ cập và ứng dụngrộng rãi. Các nghiên cứu hầu hết thực hiệntrên dung dịch sulfuric, với độ cứng trên dưới4000 MPa và gặp nhiều khó khăn vất vả trong việcphải làm lạnh dung dịch điện phân xuống tới 50C. Do đó, đề tài được đặt ra với mục tiêu tìmkiếm những hệ dung dịch có năng lực anốt hóasâu, tạo được những lớp phủ có độ cứng caohơn và có năng lực anốt hóa cứng ở nhiệt độthườngỞ Nước Ta, công nghệ anốt hóa cứng đượcứng dụng rất nhiều trong việc tăng bền và phụchồi các chi tiết từ nhôm và hợp kim nhôm. Cụthể như sau : • Công nghệ anốt hóa cứng được dùng đểnâng cao tuổi thọ, sản xuất và phục sinh các bảnin offset thay vì trước kia phải nhập từ nướcngoài với giá khá cao. Các bản in được anốthóa có tuổi thọ tăng lên rõ ràng từ 5000 – 10000 lần so với 500 – 1000 lần so với khi chưa anốthóa [ 15 ]. • Ðối với các chi tiết bộ đôi như piston, xecmăng, xylanh, các van trượt của phần tửkhí nén, các chi tiết bạc lót trong bơm, v.v. thìanốt hóa là một khâu xử lý không hề thiếu đểtạo bề mặt chịu mài mòn tốt và có năng lực tựbôi trơn. • Ðặt biệt là trong công nghiệp dệt, sợi có rấtnhiều các chi tiết máy bằng nhôm cần đượctăng cứng và tăng bền như : túi góp sợi, gàngkéo sợi, bộ góp sợi, v.v. 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆMCác thông số kỹ thuật công nghệ tối ưu được chọn theogiá trị độ cứng cao nhất ; giá trị độ dày chỉdùng để nhìn nhận mức độ tương thích về độ dàycủa lớp phủ anốt hóa cứng theo tiêu chuẩnASTM ( độ dày lớp anốt hóa cứng dùng trongkỹ thuật phải lớn hơn 50 µm ) và nhận xét quyluật tác động ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật điện hóa đếnlớp phủ. Các giá trị tối ưu đưa ra chỉ là nhữngsố liệu tương thích nhất trong khoảng chừng giá trị khảosát ( được bộc lộ bằng số in đậm ). Chọn vật tư làm mẫuMẫu anốt hóa được chọn đại diện thay mặt cho một sốcác nhóm hợp kim tiêu biểu vượt trội. Cụ thể như sau : ♦ Nhôm sạch kỹ thuật 99,8 % ♦ Hợp kim Al-Mg-Si ( 6061 ) đại diện thay mặt chonhóm hợp kim biến dạng không hóa bền bằngnhiệt luyện. ♦ Hợp kim Al-Cu ( Ðura ) đại diện thay mặt cho nhómhợp kim biến dạng hóa bền bằng nhiệt, chứapha thứ hai hóa bền. Thành phần các nguyên tố hóa học của cácmẫu nghiên cứu ( nghiên cứu và phân tích bằng máy quangphổ phát xạ Spectromax ) như sau : Bảng 1 : Thành phần nhôm sạch kỹ thuậtNguyênThànhNguyênThànhtốphần % tốphần % SiFeCuMnMgZnNiCrPbSn0, 0440,0930,0010,0020,0020,0050,0020. 002 < 0,002 < 0,003 TiAgBiCdZrCoGaAl0, 0020,0010,004 < 0,003 < 0,0010,001 < 0,0010,0040,00999,8 Bảng 2 : Thành phần hợp kim 6061N guyênThànhNguyênThànhtốphần % tốphần % SiFeCuMnMgZnNiCrPbSn0, 4680,1920,020,0020,510,0450,0050,003 < 0,002 < 0,003 TiNaBiCaZrCoGaAl0, 0130,0010,0020,0040,0010,001 < 0,0010,0040,01698,7 Bảng 3 : Thành phần hợp kim ÐuraNguyênThànhNguyênThànhtốphần % tốphần % SiFeCuMnMgZnNiCr0, 1980,4493,740,3151,310,0640,010. 01T iAgBiCaZrCo0, 0370,0010,001 < 0,0020,003 < 0,0010,003 PbSn0, 0030,009 GaAl0, 00693,8 Các thí nghiệm anốt hóa được triển khai theoquy trình sau : Mẫu ( 2×5 x30 ) Gia công cơRửa sạch bằng nướcTẩy dầu bằng hỗn hợpNa3PO4 + NaSiO3Rửa sạch bằng nướcHoạt hóa bằng hỗn hợpHNO3 + H2SO4 + H3PO 4R ửa sạch bằng nướcAnốt hóa3. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT3. 1. Ảnh hưởng của tỷ suất mol formic / oxalicThí nghiệm được khảo sát dựa trên sự thay đổitỷ lệ số mol của hai cấu tử trong hệ bằng cáchgiữ nguyên nồng độ axít oxalic và thay đổinồng độ fomic, được ký hiệu từ C1 ( 80-60 ) đếnC5 ( 80-140 ) tương ứng với nồng độ axít oxaliclà 80 g / l không đổi còn nồng độ axít formicthay đổi từ 60 đến 140 g / l. Các thí nghiệm đềuđược thực thi ở tỷ lệ dòng 6A / dm2, nhiệtđộ 300C, thời hạn 60 phút. Các khoảng chừng giá trịchọn khảo sát được tìm hiểu thêm trên các tài liệunước ngoài [ 1,2,8,9 ]. Bảng 4 : Giá trị đo độ cứng và độ dày lớpanốt hóa theo thành phần axít formicÐộ cứng ( HV ) Tỷ lệ HCOOH / H2C2O4 ( Ðộ dày ( mμ ) ) ( mol / mol ) 1,5398269256 ( 48,68 ) ( 43,10 ) ( 14,48 ) 320303420 ( 57,12 ) ( 46,00 ) ( 25,49 ) 2,5381353302 ( 67,30 ) ( 59,23 ) ( 40,56 ) 312372370 ( 75,40 ) ( 63,01 ) ( 35,78 ) 3,5328 ( 66,60 ) 321 ( 64,50 ) 318 ( 55,26 ) Ta thấy rằng, độ dày lớp anốt hóa của các mẫuđều tăng theo chiều tăng tỷ suất molformic / oxalic vì khi nồng độ axít tăng, quátrình tạo màng sẽ xảy ra nhanh hơn, độ dày vàđộ cứng tăng. Tuy nhiên, đến một giá trị nồngđộ nhất định do sự hoà tan của lớp màng xảyra mạnh dẫn đến tăng size lỗ xốp nên độcứng giảm xuống ; giá trị độ cứng của các mẫuđi qua một điểm cực lớn. 3.2. Khảo sát sự biến hóa giá trị pH tại tỷ lệmol axít formic / axít oxalic tối ưuThay đổi đồng thời khối lượng axít oxalic vàaxít formic sao cho tỷ suất mol không đổi theohướng giảm giá trị pH của dung dịch. Giữnguyên chính sách điện phân : 6A / dm2, 300C, 60 phút. Kết quả khảo sát được trình diễn ở bảng 3.2, cho thấy khi tăng lượng axít, không có lợi choquá trình tạo màng của nhôm sạch và hệ hợpkim 6061. Tuy nhiên, so với hợp kim Ðura thìquá trình có thuận tiện hơn một chút ít do hòa tanđược phần nhiều các pha thứ 2 nên có khả năngtạo lớp màng dày hơn nhưng giá trị độ cứngvẫn chưa cao. Bảng 5 : Giá trị đo độ cứng và độ dày lớpanốt hóa theo giá trị pHpH2, 612,592,552,502,542,492,422,392,52 Ðộ cứng ( HV ) ( Ðộ dày ( mμ ) ) 420 ( 57,12 ) 378 ( 63,40 ) 377 ( 60,17 ) 376 ( 60,90 ) 370 ( 63,01 ) 369 ( 64,45 ) 363 ( 70,30 ) 313 ( 66,19 ) 318 ( 55,26 ) 332 ( 58,50 ) 351 ( 71,50 ) 345 ( 73,49 ) 2,422,38600500 Độ cứng ( HV ) 2,48400300 Nhôm sạch6061Đura2001003. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độKết quả cho thấy, khi giảm nhiệt độ, độ dàylớp anốt hóa của nhơm sạch và các hợp kimđều tăng do giảm được đáng kể năng lực hòatan của dung dịch, lớp màng ít xốp, độ cứngtăng theo chiều giảm nhiệt độ. Tuy nhiên, vớiđộ dày q lớn độ cứng giảm, do độ dày củalớp màng anốt hóa tăng trưởng trên cơ sở tăng độdày của phần xốp. Bảng 6 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độdày và độ cứng của lớp anốt hóaÐộ cứng ( HV ) Nhiệtđộ ( Ðộ dày ( mμ ) ) 30420370318 ( 57,12 ) ( 63,01 ) ( 55,26 ) 25430421368 ( 80,39 ) ( 78,50 ) ( 71,35 ) 43238920569 ( 95,06 ) ( 86,80 ) ( 70,64 ) 15494450439 ( 99,57 ) ( 88,50 ) ( 81,35 ) 10459410372 ( 103,70 ) ( 94,50 ) ( 85,05 ) 1520N hiệt độ 0C2530353. 4. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng điệnKhảo sát tác động ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tại nồngđộ, nhiệt độ tối ưu của từng loại hợp kim. Bảng 7 : Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng đến độcứng và độ dày lớp màng anốt hóaÐộ cứng ( HV ) Mật độdòng ( Ðộ dày ( mμ ) ) ( A / dm2 ) 398339306 ( 47,50 ) ( 44,45 ) ( 37,10 ) 534385370 ( 64,18 ) ( 58,38 ) ( 58,55 ) 450569439 ( 95,06 ) ( 79,50 ) ( 75,50 ) 383458510 ( 97,03 ) ( 84,78 ) ( 83,70 ) 440432298 ( 98,74 ) ( 89,57 ) ( 87,05 ) 120100100806040N hôm sạch6061Đura208060Mật độ dòng ( A / dm2 ) 60040N hôm sạch6061Đura20500101520Nhiệt độ C253035Độ cứng ( HV ) Độ dày ( micromets ) 12010H ình 1 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độcứng và độ dày lớp anốt hóa. Độ dày ( micromets ) Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng tác động của nhiệt độđến q trình anốt hóa được triển khai tại nồngđộ tối ưu tỷ lệ dòng 6A / dm2, thời hạn 60 phút và nhiệt độ biến hóa từ 300C đến 100C. 400300200N hôm sạch6061Đura100Mật độ dòng ( A / dm2 ) Hình 2 : Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng điệnđến độ dày và độ cứng lớp anốt hóa120Độ dày ( micromets ) 100806040N hôm sạch6061Đura203045600607590Thời gian ( phút ) 105120500 Độ cứng ( HV ) Ta thấy rằng sống sót một vùng bão hòa gầnnhư nằm ngang ứng với giá trị tỷ lệ dòngnằm trong khoảng chừng 6-7 A / dm2 được gọi là giátrị tỷ lệ dòng tới hạn jth ( hình 3.2 ). Với giátrị tỷ lệ dòng j > jth thì độ dày tăng rất chậmvà phần đông khơng tăng do hiệu ứng tăng nhiệtJun-Lenxơ, sinh nhiệt cục bộ làm cho q trìnhhòa tan màng xảy ra nhanh hơn. Tại thời điểmq trình tăng trưởng các cột oxít xốp và hòa tanchúng cân đối nhau thì vận tốc màng anốt pháttriển chậm lại và đạt chiều dày gần như bãohòa ; độ cứng tương ứng giảm dần khi tăng jvượt q giá trị jth. 400300200N hôm sạch kỹ thuậtHợp kim 6061H ợp kim Đura1003. 5. Ảnh hưởng của thời hạn đến q trìnhanốt hóaBảng 7 : Ảnh hưởng của thời hạn đến độcứng và độ dày lớp anốt hóaThờigian ( phút ) 45607590105 Ðộ cứng ( HV ) ( Ðộ dày ( mμ ) ) 380346 ( 72,21 ) ( 52,58 ) 569510 ( 95,06 ) ( 89,80 ) 502476 ( 101,45 ) ( 90,36 ) 453423 ( 104,63 ) ( 98,12 ) 371357 ( 107,88 ) ( 100,23 ) 328 ( 52,77 ) 439 ( 81,35 ) 467 ( 85,02 ) 409 ( 94,32 ) 319 ( 98,36 ) Theo dõi ảnh hưởng tác động của thời hạn đến độ dàycủa lớp phủ cho thấy độ dày lớp phủ tăng dầntheo thời hạn, sắc tố chuyển từ vàng sangvàng nâu, nhưng vận tốc tăng trưởng lớp mànggiảm dần. Ðộ cứng qua điểm cực lớn sau đógiảm dần theo thời hạn và độ tăng chiều dàylớp màng. Qua khảo sát ảnh hưởng tác động của điều kiện kèm theo khuấytrộn ( sục khí ) cho thấy việc khuấy trộn làmđồng đều hóa nhiệt độ và thành phần dung dịchnên độ dày và độ cứng tăng một chút ít. Nhưngdo axit formic là cấu tử dễ bay hơi nên việckhuấy trộn làm mất tính không thay đổi của dungdịch. 3045607590T hời gian ( phút ) 105120H ình 3 : Ảnh hưởng của thời hạn tới độ dàyvà độ cứng lớp anốt hóaHình 4 : Ảnh hưởng của thời hạn đến màusắc lớp phủ anốt hóa. 3.6. Khảo sát độ xốp theo thời gianTheo thời hạn anốt hóa, một mặt tăng trưởng độdày lớp xốp của màng nhưng mặt khác làmtăng kích cỡ lỗ xốp, do đó độ xốp tăng, độcứng giảm. Ðộ xốp của lớp anốt hóa trong hệdung dịch oxalic-formic nằm trong khoảng chừng 2550 % thấp hơn độ xốp đạt được trong hệ dungdịch sulfuric từ 43-69 % ( hình 5 ). Từ góc nhìn sửdụng vật tư cho thấy, giá trị độ xốp từ 2550 % khá tương thích so với tiêu chuẩn về độ xốpthể tích của hợp kim ổ trục hệ bạcbít ( độ xốp35-45 % ) theo u cầu thao tác của các bộ đơi, ổ trượt, thao tác trong điều kiện kèm theo ma sát trượtcó bơi trơn. 5550 Độ xốp ( % ) 45403530N hôm sạch6061Đura252030456075Thời gian ( phút ) 90105120H ình 5 : Ảnh hưởng của thời hạn đến độxốp của lớp phủ anốt hóa3. 7. Kiểm tra năng lực chịu mài mòn củalớp anốt hóa cứngNhận thấy rằng, khối lượng sắt kẽm kim loại bị mất đicủa nhơm sạch là lớn nhất, kế đến là hợp kim6061 và hợp kim Ðura tương ứng với khả năngchịu mài mòn của hợp kim tăng dần. Tuy nhiênlớp phủ anốt hóa trên nhơm sạch lại có khảnăng chịu mài mòn cao hơn cả, tương thích vớikết quả đo độ cứng, do lớp oxít trên nhơm sạchsít chặt hơn. Ðiều đó cũng cho thấy rằng sự cómặt của những ngun tố hợp kim trong lớpphủ làm tác động ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc hìnhthành của lớp phủ anốt. Từ biểu đồ so sánh ( hình 6 ) ta thấy khi được anốt hóa khả năngchịu mài mòn của chi tiết tăng lên gấp 20 lần. Khối lượng bò mất ( g / mm2 ) 70 chưa anốt hóađã anốt hóa605040302010Nhôm sạch6061ĐuraHình 6 : Biểu đồ so sánh năng lực chịu màimòn của vật tư nhơm và lớp anốt hóaTóm lại, điều kiện kèm theo anốt hóa tối ưu theo độcứng được trình diễn trong bảng sau : Bảng 8 : Ðiều kiện anốt hóa tối ưu cho nhơmvà hợp kim. Ðiều kiện anốtNhơmHợpHợphóa và tính chấtsạchkimkimcủa lớp phủ6061ÐuraNồng độ axítaxít oxalic ( g / l ) Nồng độ axítaxít formic ( g / l ) Mật độ dòng ( A / dm2 ) Nhiệt độ ( oC ) Thời gian ( phút ) Ðộ cứng ( MPa ) Ðộ dày tươngứng ( mm ) . KẾT LUẬNSo với các hiệu quả nghiên cứu trên hệ sulfuricphụ gia axít oxalic được cơng bố vào năm1996 thì hiệu quả độ cứng của lớp phủ anốt hóađạt trên cùng một loại nhơm sạch kỹ thuật99, 8 % trong hệ hỗn hợp axít oxalic và axítformic cao hơn, đạt 5690 MPa so với trong hệsulfuric là 4640 MPa [ 15 ]. Tuy nhiên, mỗi chính sách anốt hóa đều có nhữngưu điểm và khuyết điểm riêng của nó. Mỗicơng nghệ tương thích với từng đặc tính riêng củasản phẩm. Hệ sulfuric tuy kinh tế tài chính hơn về mặtvật tư hóa chất nhưng ngược lại phải thực hiệnở nhiệt độ âm. Thêm vào đó, những chi tiết cầnđộ cứng cao thì giải pháp này khơng đạtu cầu hay so với những chi tiết cần bít kín, nhuộm đen thì cơng nghệ này khơng phù hợpvì độ xốp khá cao, sắc tố sáng. Hệ axítoxalic và axít formic tuy ngân sách cho vật tư hóachất cao hơn một chút ít nhưng ngược lại có khảnăng anốt hóa cứng ở nhiệt độ cao hơn, giảmđáng kể ngân sách cho thiết bị làm lạnh, nănglượng. Thêm vào đó giá trị độ cứng đạt đượccao hơn nhiều. Giá trị độ cứng và độ dày trên nhơm sạch đạtđược ở nhiệt độ thường trong điều kiện kèm theo khí hậuViệt Nam ( nhiệt độ trung bình là 270C ) là 4200MP a và 72 μm đã đạt u cầu về độ cứng vàđộ dày theo tiêu chuẩn ASTM B 580 – 79 ( phiênbản 2000 ). MỤC LỤC THAM KHẢO1. S. Wernick, O.B.E., F.R.I.C., F.I.M., F.I.M.F., R. Pinner, B.Sc., F.I.M.F., F.I.Corr.T., P.G. Sheasby, B.Sc, F.I.M.F : TheS urface Treatment and Finishing ofAluminium and its Alloys, Finish PublicationsLTD. Teddington, Middlesex, England, 1987.2. Jenny – The Anodic Oxidation OfAluminium And Its Alloys, 1940.3. Sanford process Corp – U.S. Pat. 4.128.461,1978. 4. Lelong, P., Segond and Herenguel, J., Proc, Americian Electroplaters Assosiaction. 1959.5. Trương Ngọc Liên – Ăn Mòn Và Bảo VệKim Loại, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Thành Phố Hà Nội, 2004.6. Nguyễn Ðình Phổ – Ăn Mòn Và Bảo VệKim Loại, Trường ÐHBK TpHCM, 1980.7. V. F. Henley, Anodic Oxidation OfAluminium And Its Alloys, Pergamon pressLtd, 1982.8. José L.Gazapo and J. Gea, INESPALLaminación, Alicante, AnodizingOfAluminium, TALAT Lecture 5/2003. 9. http://www.aluminum.org/ Content/NavigationMenu/The_Industry /Transportation_Market/ Auto_Truck/Default281.htm10. http://www.caswellplating.com/kits/index.html.11. Nguyễn Văn Dán, Công Nghệ Nhiệt LuyệnVà Xử Lý Bề Mặt, Nhà xuất bản ÐHQGTp. TP HCM, 200212. Campbell, W.J., Processing ConferenceAnodizing Aluminium, Nottingham, 1961.13. Nguyễn Ðình Soa, Hóa Vô Cơ, Trường Ðạihọc Bách Khoa Tp. HCM. 14. Marson R.B, Factors Affecting TheFormation Of Anodic Oxide Coatings InSulfuric Acid Electrolyte, J. Electrochem. Soc., Vol. 102 ( 1965 ). 15. Phùng Thị Tố Hằng, Nghiên Cứu CôngNghệ Anốt Hóa và Ứng Dụng Ðể Xử Lý BềMặt Các Chi Tiết Nhôm và Hợp Kim Nhôm, Luận án phó tiến sỹ khoa học kỹ thuật, trườngÐHBK, TP.HN, 1996.16. Nguyễn Khắc Xương, Vật Liệu Kim LoạiMàu – NXB Khoa Học Kỹ Thuật Thành Phố Hà Nội, 2003.17. Nguyễn Văn Lộc – Kỹ Thuật Mạ Ðiện Nhà xuất bản Giáo dục đào tạo, 2001 .

Source: https://mindovermetal.org
Category: Ứng dụng hay