ชุบอโนไดซ์

            ชุบอโนไดซ์ คือ กระบวนการทางไฟฟ้าเคมีเพื่อเพิ่มความหนาของชั้นออกไซด์ ( oxide layer ) บนพื้นผิวโลหะ ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่า “อโนไดซ์” หรือ “Anodizing” เนื่องจากชิ้นงานจะถูกเปลี่ยนเป็นด้านแอโนดในกระบวนการชุบ ทำให้เกิดชั้นผิวออกไซด์เคลือบผิวชิ้นงานเพื่อให้เกิดความทนทานต่อการกัดกร่อนและการสึกหรอ และยังสามารถย้อมสีชิ้นงานลงบนชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นได้อีกด้วย

               การชุบอโนไดซ์สามารถประยุกต์ใช้ได้หลากหลายวัสดุ เช่น ไทเทเนียม สังกะสี แมกนีเซียม นีโอเบียม เซอร์โคเนียม แทนทาลัม หรือแม้แต่ เหล็กคาร์บอน แต่ที่นิยมใช้อย่างแพร่หลาย คือ การชุบอโนไดซ์อลูมิเนียมเพื่อเคลือบสี ซึ่งใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น อุปกรณ์ตกแต่งรถยนต์และรถจักรยานยนต์ บรรจุภัณฑ์เครื่องสำอาง เป็นต้น

               โดยทั่วไปนิยมชุบอโนไดซ์กับอลูมิเนียม ซึ่งทำให้เกิดประโยชน์ต่อชิ้นงานหลากหลายประเภท บทความนี้จึงจะเจาะลึกและอธิบายการชุบผิวอไนไดซ์อลูมิเนียมอย่างละเอียด

บทความการชุบอโนไดซ์

ref : https://www.youtube.com/watch?v=UKdm_hJdpQI

ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการชุบอโนไดซ์อลูมิเนียม

          กระบวนการชุบอโนไดซ์ เป็นกระบวนการเปลี่ยนพื้นผิวของวัตถุ เป็นชั้นความหนาที่มีรูพรุน (pores) ซึ่งมีรูปร่างการเรียงตัวแบบคริสตัล จึงทำให้พื้นผิวอโนไดซ์มีความแข็งสูง ไม่นำไฟฟ้า และมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าปกติมาก ซึ่งรูพรุน (pores) สามารถเก็บสีย้อม หรือสารปรุงแต่งเพื่อเพิ่มคุณสมบัติตามต้องการของชั้นผิวได้

ผิวอโนไดซ์

รูปที่ 1 แสดงลักษณะพื้นผิวอโนไดซ์ของอลูมิเนียม

ref : https://www.3erp.com/blog/everything-about-anodizing-aluminum/

          แม้พื้นผิวอโนไดซ์จะมีความสเถียรสูงมาก แต่ระหว่างโมเลกุลของอโนไดซ์ ( Anodic cells ) ยังมีรอยต่อระหว่างกันเมื่อส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์กำลังสูง และสามารถทำลายได้ด้วยสารเคมีที่มีความเป็นกรดหรือด่างสูง จึงมีความพยายามพัฒนาเทคนิคเพื่อแก้ปัญหา นั่นคือการปิดผิว ( sealing ) โดยการเติมสารประกอบที่มีความเสถียรสูงลงไปในออกไซด์ และการต้มปิดผิวด้วยน้ำร้อนด้วย ฮีตเตอร์ เพื่อลดความพรุน ลดการแลกเปลี่ยนไอออนระหว่างกัน

          การเกิดขึ้นของชั้นผิวออกไซด์จะเกิดขึ้นที่ทั้ง ชั้นผิวเดิม และชั้นผิวใหม่ ในอัตราส่วนเท่าๆกัน ทำให้ชิ้นงานหลังชุบอโนไดซ์จะมีขนาดทุกมิติมากขึ้นเล็กน้อย หรือเท่ากับครึ่งนึงของชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นโดยประมาณ

กระบวนการชุบอโนไดซ์

รูปที่ 2 กระบวนการเปลี่ยนผิวอโนไดซ์

ref : https://www.3erp.com/blog/everything-about-anodizing-aluminum/

กระบวนการชุบผิวอโนไดซ์อลูมิเนียม

          การเกิดชั้นผิวอโนไดซ์ของอลูมิเนียมเกิดขึ้นโดยการผ่านไฟฟ้ากระแสตรงระหว่างขั้วแอโนด ( ขั้วบวก ) ซึ่งจับชิ้นงานที่ต้องการชุบ และขั้วแคโทด ( ขั้วลบ ) ซึ่งโดยส่วนมากใช้ แอโนดชนิดตะกั่ว-ดีบุก โดยมีสารละลายอิเล็กโทรไลท์เป็นสื่อนำไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนที่ขั้วแคโทด และแก๊สออกซิเจนที่ขั้วแอโนดก่อให้เกิดชั้นผิวอลูมิเนียมออกไซด์

ชุบอโนไดซ์

รูปที่ 3 รูปแสดงส่วนประกอบในขั้นตอนการชุบอโนไดซ์

ref : https://www.smlease.com/entries/finish-operations/what-is-anodizing/

               โดยส่วนมากความต่างศักย์ของไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้จะมีค่าอยู่ประมาณ 15-21 โวลต์ ซึ่งความต่างศักย์มากขึ้นจะช่วยเพิ่มความหนาของชั้นผิวอโนไดซ์มากขึ้น โดยปริมาณกระแสไฟฟ้าvใช้อยู่ระหว่าง 30-300 แอมแปร์ต่อตารางเมตรขึ้นอยู่กับขนาดพื้นที่ผิวของชิ้นงานอลูมิเนียม

               กระบวนการอโนไดซ์อลูมิเนียม จะใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ซึ่งเป็นกรด ได้แก่ กรดโครมิก ( Chromic acide ) และ กรดซัลฟิวริก ( Sulfuric acide ) ทำให้เกิดชั้นผิวอลูมิเนียมออกไซด์อย่างช้าๆ โดยชั้นผิวจะมีรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-150 นาโนเมตร ชั้นผิวนี้สามารถเก็บสารสี (dying) หรือสารเพิ่มคุณสมบัติบางประการ เช่น เพิ่มความแข็ง เพิ่มความเป็นฉนวนได้ ซึ่งชั้นผิวอโนไดซ์มีความหนาขึ้นเรื่อยๆจนกว่าจะมีการปิดผิวด้วยนิเกิลอะซิเตด ( nickel acetate )

               การควบคุมความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลท์ อุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า มีผลต่อการเกิดชั้นผิวอโนไดซ์ ทั้งในเรื่องความหนาและความแข็งของชั้นผิว ชั้นผิวที่หนามักจะเกิดขึ้นในเงื่อนไขที่ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์มาก อุณหภูมิต่ำ โดยใช้ความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าสูงๆ

การทำอโนไดซ์ด้วยกรดโครมิก ( Chromic acide anodizing ) “Type I”

          เป็นกระบวนการชุบอโนไดซ์ที่ทำให้เกิดชั้นผิวบางที่สุดในทุกวิธี ซึ่งมีค่าตั้งแต่ 0.5 – 18 ไมครอน แต่มีคุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนได้ดีเหมือนกับการทำผิวด้วยวิธีอื่นๆที่มีความหนามากกว่า เนื่องด้วยวิธีนี้ก่อให้เกิดชั้นผิวที่บางจึงไม่สามารถชุบสีได้ดีมากนักจึงเป็นข้อจำกัดของการชุบอโนไดซ์ด้วยวิธีนี้ ซึ่งวิธีนี้สามารถชุบดำเพื่อใช้ในชิ้นงานที่ไม่ต้องการการสะท้อนแสงได้

      ข้อดีของการทำอโนไดซ์ด้วยกรดโครมิก

  1. ขนาดของชิ้นงานไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก เหมาะสมกับชิ้นงานที่ต้องการการประกอบ
  2. ไม่นำไฟฟ้า
  3. การยึดเกาะของชั้นผิวดีมาก

ชิ้นงานที่เหมาะสมการชุบด้วยกรดโครมิก ได้แก่ ชิ้นส่วนเครื่องจักรที่ต้องประกอบ ชิ้นส่วนอากาศยาน ชิ้นส่วนที่มีการเชื่อมและประกอบ

การทำอโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริก ( Sulfuric acide anodizing ) “Type II”

               วิธีนี้นิยมใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน มีความหนาของชั้นผิวตั้งแต่ 1.8-25 ไมครอน โดย 67% ของชั้นผิวอโนไดซ์จะกินลึกเข้าไปในเนื้อชิ้นงาน และ 33% ของชั้นผิวโนไดซ์จะงอกออกไปนอกผิวงานทำให้ชิ้นงานมีความหนามากขึ้น

               การชุบอโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริกเหมาะสมสำหรับชิ้นงานที่ต้องการความแข็งและป้องกันการกัดกร่อน นอกจากนี้รูพรุนที่เกิดขึ้นในชั้นผิวยังสามารถดูดซับสีได้มากจึงนิยมใช้มากในการทำสีอลูมิเนียม แต่ชั้นสีเหล่านี้ไม่ทนต่อรังสียูวีในแสงอาทิตย์ ซึ่งจะทำให้ชั้นสีค่อยจางเมื่อเวลาผ่านไป

ข้อดีของการทำอโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริก

  1. ค่าใช้จ่ายถูกกว่าแบบอื่น ในความหนาของชั้นผิวเท่ากัน
  2. สามารถชุบอลูมิเนียมได้หลายเกรด
  3. ผิวแข็งกว่ากาชุบด้วยกรดโครมิก
  4. สามารถชุบสีได้หลากหลายสี
  5. การบำบัดน้ำเสียทำได้ง่ายกว่ากรดโครมิก ซึ่งช่วยลดต้นทุนได้

ชิ้นงานที่เหมาะสมกับการชุบด้วยกรดซัลฟิวริก ได้แก่ ชิ้นส่วนเครื่องจักรและอิเล็คโทรนิกส์ วาล์วไฮดรอลิก ชิ้นส่วนคอมพิวเตอร์

การทำฮาร์ดโคดอโนไดซ์ ( Hardcoat Anodize ) “Type III”

               ฮาร์ดอโนไดซ์ เป็นกระบวนการทำให้เกิดชั้นผิวอโนไดซ์บนอลูมิเนียม โดยใช้กรดซัลฟิวริกที่อูณหภูมิต่ำใกล้ 0 องศาเซลเซียส ด้วยความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า 24-36 แอมป์ต่อตารางฟุต และความต่างศักย์ไฟฟ้า 100 โวลต์ กระบวนการนี้ก่อให้เกิดชั้นผิวที่แข็ง หนา และทนต่อการกัดกร่อนได้ดีมาก ความหนาของชั้นผิวตั้งแต่ 12.7-76.2 ไมครอน

               สีขอการทำฮาร์ดอโนไดซ์จะทำให้สีของอลูมิเนียมเปลี่ยนตามส่วนผสมของโลหะ รวมถึงความหนาของสารเคลือบผิว

อลูมิเนียมซีรีย์ 6xxx ส่วนใหญ่จะมีสีเทาดำ ส่วนอลูมิเนียมซีรีย์ 7xxx และ 2xxx จะให้สีเทาและบรอน

               การชุบอโนไดซ์ด้วย ฮาร์ดอโนไดซ์ จะมีทำให้ขนาดของชิ้นงานโตขึ้นเล็กน้อย ประมาณ ½ เท่าของความหนาที่ชุบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงขนาดสำหรับการประกอบกับชิ้นงานอื่นด้วย

ข้อดีของการทำฮาร์ดอโนไดซ์

  1. เพิ่มความต้านทานการสึกหรอจากการเสียดสี
  2. ไม่นำไฟฟ้า
  3. สามารถใช้ซ่อมแซมการสึกหรอของผิวอลูมิเนียมได้

ชิ้นงานที่เหมาะสมกับการทำฮาร์ดอโนไดซ์ ได้แก่ ชิ้นส่วนวาล์ว กระบอกสูบ ชิ้นส่วนที่มีการเสียดสี ข้อต่อ เกียร์

การย้อมสีอโนไดซ์อลูมิเนียม

               กระบวนการชุบอโนไดซ์อลูมิเนียมนั้น ทำให้เกิดโครงสร้างแบบรูพรุนบนพื้นผิวซึ่งง่ายต่อการย้อมสี ซึ่งสามารถย้อมสีได้หลากหลายสี อย่างไรก็ตามสีที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมได้แก่ สีเหลือง สีเขียว สีน้ำเงิน สีดำ สีส้ม สีม่วง และ สีแดง เนื่องจากสามารถย้อมสีได้ง่ายและมาราคาไม่สูง

               การย้อมสีอลูมิเนียมมีจุดที่ต้องคำนึงคือ การจางของสีเมื่อถูกแสงแดด โดยเฉพาะสีดำและสีทองซึ่งส่วนใหญ่เป็น สารประกอบอินออแกนิก ( inorganic compound ) ที่ไวต่อการถูกแสงมากกว่าสีอื่น วิธีแก้คือ การปิดผิว ( Sealing ) ช่วยลดปัญหาการจางของสีได้มาก

การปิดผิว ( Sealing )

               กระบวนการปิดผิว ( Sealing ) คือ กระบวนการสุดท้ายของการชุบอโนไดซ์ โดยรุพรุนที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการทำอโนไดซ์จะไม่มีความทนต่อการสึกกร่อนมากนักเมื่อยังไม่ผ่านกระบวนการปิดผิว

               กระบวนการปิดผิวมีวิธีการอยู่ 3 แบบ

  1. การต้มในน้ำร้อน 96-100 องศาเซลเซียส ด้วยฮีตเตอร์ เพื่อช่วยเปลี่ยนออกไซด์บนผิวไปเป็นรูปแบบไฮเดรตที่มีส่วนประกอบของโมเลกุลของน้ำ ทำให้รูพรุนบนผิวลดลง แม้วิธีนี้จะเป็นวิธีที่ง่ายและราคาถูก แต่ช่วยลดการสึกกร่อนได้เพียง 20% เท่านั้น
  2. การต้มในสารละลายเติมแต่ง 60-90 องศาเซลเซียส ด้วยฮีตเตอร์ ซึ่งส่วนมากเป็นสารออแกนิกซ์และสารประกอบโลหะ แต่มีข้อเสียคือ การปิดผิววิธีนี้อาจชะล้างสีของอโนไดซ์ออกไปบ้าง
  1. การปิดผิวเย็น เป็นการจุ่มชิ้นงานลงในสารปิดผิวที่อุณหภูมิห้อง

ขั้นตอนการชุบอโนไดซ์อลูมิเนียม

ขั้นตอนการเตรียมผิวชิ้นงาน

ชิ้นงานที่จะชุบอโนไดซ์ต้องมีการเตรียมผิวด้วยการขัดเงาหรือขัดด้าน และทำความสะอาดซึ่งการชุบอโนไดซ์ไม่สามารถปกปิดผิวชิ้นงานที่เสียหายได้

การแช่ล้างผิวด้วยสารละลายอัลคาไลน์ ( Soak Cleaning )

ทำความสะอาดผิวเพื่อทำการล้างผิวชิ้นงาน โดยใช้เวลาประมาณ 5-10 นาทีแล้วแต่ลักษณะชิ้นงาน โดยทำความร้อนด้วย ฮีตเตอร์ ที่อุณหภูมิประมาณ 60 องศาเซลเซียส

การกัดเปิดผิวชิ้นงาน ( Surface etching )

กัดเปิดผิวชิ้นงานอลูมิเนียมด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ เพื่อเตรียมผิวสำหรับชุบอโนไดซ์

การชะล้างขั้นสุดท้าย ( Desmutting )

ชะล้างสิ่งเจือปนจากกระบวนการเปิดผิวด้วยกรดไนตริกเจือจาง หรือ สารละลาย Desmutting โดยเฉพาะ

ชุบอโนไดซ์ ( Anodizing )

      ต่อไฟฟ้ากระแสตรงความต่างศักย์ 12 โวลต์ เข้ากับขั้วแคโทด (+) คือ แผ่นตะกั่ว-ดีบุก และขั้วแอโนด (-) คือ ชิ้นงานอลูมิเนียม ซึ่ง ขั้วแคโทดควรมีพื้นที่ผิวมากกว่าชิ้นงานอย่างน้อย 2 เท่า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการชุบให้สูงที่สุด
      บริเวณที่จิ๊กจับชิ้นงานอลูมิเนียม จะไม่เกิดอโนไดซ์บริเวณพื้นผิวนั้น ควรจับชิ้นงานในบริเวณที่เป็นจุดซ่อนจากสายตา และควรลับคมบริเวณจิ๊กจับชิ้นงานกับผิวชิ้นงานเพื่อให้ผิวที่ไม่เกิดการอโนไดซ์มีน้อยที่สุด
      สารละลายอิเล็กโทรไลต์ใช้ กรดซัลฟิวริก ( H2SO ) ความเข้มข้น 15% และควรหล่อเย็นให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า 20 องศาเซลเซียสตลอดเวลา

      การควบคุมกระแสไฟฟ้า ใช้กระแสไฟฟ้า 4-12 แอมแปร์ต่อพื้นที่ผิวงาน 1 ตารางเซนติเมตร

การชุบสี ( Coloring )

จุ่มชิ้นงานที่อโนไดซ์เรียบร้อยแล้วลงในถังสีที่ทำความร้อนด้วย ฮีตเตอร์หลอดแก้ว ที่อุณหภูมิประมาณ 60 องศาเซลเซียส

การปิดผิว ( Sealing )

ปิดผิวด้วยสารละลายนิเกิลอะซิเตด ทำความร้อนด้วยฮีตเตอร์หลอดแก้ว ที่อุณหภูมิ 60-90 องศาเซลเซียส หรือ จะใช้กระบวนการปิดผิวแบบอื่นก็ได้ ตามรายละเอียดหัวข้อการปิดผิวด้านบน

สรุป

      การชุบอโนไดซ์นิยมใช้ชุบสีอลูมิเนียมเพื่อให้มีสีสันตามต้องการ และยังทนต่อการกัดกร่อนและการกระแทกมากขึ้นจากเดิมด้วย ซึ่งกระบวนการชุบต้องใช้อุปกรณ์และผู้ที่มีความชำนาญเพื่อให้งานออกมามีคุณภาพสูงสุด

Ref :

https://en.wikipedia.org/wiki/Anodizing

https://www.starrapid.com/blog/7-things-you-need-to-know-about-anodizing-aluminum/

https://www.3erp.com/blog/everything-about-anodizing-aluminum/https://www.youtube.com/watch?v=UKdm_hJdpQI

https://www.anoplate.com/finishes/anodizing/#:~:text=There%20are%20different%20types%20of,phosphoric%20acid%20and%20titanium%20anodize.