Bài báo trình bày kết quả  nghiên cứu  bước đầu công  nghệ anốt  hoá hợp kim nhôm  đúc áp lực A356.0…

Anodizing on die-cast  aluminum alloy  A356.0 

Nguyễn Thị Vân Thanh*, Phùng Thị Tố Hằng
Viện Khoa học  và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học  Bách khoa  Hà Nội, Số  1 Đại Cồ Việt, Hà Nội

Ngày nhận bài: 28/3/2016, Ngày duyệt đăng: 16/5/2016

TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả  nghiên cứu  bước đầu công  nghệ anốt  hoá hợp kim nhôm  đúc áp lực A356.0. Bằng thực  nghiệm đã xác lập công  nghệ anốt  hoá trên  hợp kim nhôm  đa pha  A356.0 sử dụng  dung  dịch 180g/l  H2SO4 nhiệt độ 14-15  oC. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong khoảng mật độ dòng  anốt  J = 1 – 3 A/dm2, chiều dày lớp anốt  hoá tăng theo  mật độ dòng,  nhưng độ cứng  tế vi lớp anốt  hoá bắt đầu giảm khi J = 3 A/dm2. Nghiên cứu trên tổ chức  tế vi của hợp kim cho thấy, sự hình thành, đặc tính của lớp anốt  hoá trên  hợp kim A356.0 phụ thuộc  mạnh vào sự phân bố và hình thái của pha Si trong tổ chức  tế vi của hợp kim trước khi anốt  hoá.
Từ khóa:  A356.0, anốt  hoá, hình thái Si, hợp kim nhôm  đúc, tổ chức  tế vi.

ABSTRACT

This  paper  presents an  initial study  of the  anodization  of die-cast aluminum alloy A356.0. Based on  experi- mental  results, the  technological  anodizing procedure for multi-phase aluminum alloy  A356.0 by  using  180g/l H2SO4 at 14-15  oC was  determined. The results  indicated  that  in the  range  of anodizing  current  density of 1-3 A/dm2the  anodized layer  thickness increases with  the  current  density, however, the  microhardness of  the anodized layer started  decreasing at J = 3  A/dm2. Analysis on microstructures of the  alloy showed that, the for- mation  and characteristics of the anodized layer on A356.0 depend strongly  on the distribution and morphology of Si phase in the microstructure of A356.0.
Key words: A356.0, Anodizing, Si morphologies, casting  aluminum alloys,  microstructures.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Anốt hóa  nhôm và hợp kim nhôm  là công nghệ tạo  ra  trên  chúng   một  lớp màng  ôxít  nhôm  có chiều dày  từ  vài  chục  đến  hàng  trăm   ìm  bằng phương pháp điện hóa. Tùy  theo chiều dày và tính chất của  lớp màng, lớp anốt  hóa  có các ứng dụng khác nhau. Với chiều dày nhỏ hơn 20 μm, lớp anốt hóa   được ứng  dụng   cho  các lớp phủ  bảo   vệ, nhuộm màu  trang  trí  như  khung  cửa,   nồi,  chảo chống dính, vỏ máy ảnh…  Lớp anốt  hóa  có  chiều dày  lớn hơn  20  μm  với  độ cứng  cao  được  ứng dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu ma sát, mài mòn như bộ đôi piston- xi lanh, bạc lót trong bơm thủy lực…

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc dạng tổ ong (hình lục giác) của lớp anốt  hóa trên  nhôm  và mặt cắt dọc của các cột ôxit nhôm  [1].

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc dạng tổ ong (hình lục giác) của lớp anốt  hóa trên  nhôm  và mặt cắt dọc của các cột ôxit nhôm  [1].

Lớp anốt  hóa  có cấu trục đặc biệt, tạo trên nền nhôm  hay  hợp kim nhôm,  dạng  tổ ong,  với  các thành là ôxít nhôm và rỗng  ở giữa (hình 1) [1]. Nhờ cấu trúc này lớp ôxít nhôm có thể hấp thụ các chất màu, tạo màu sắc và có khả  năng bảo  vệ chi tiết bằng nhôm hay hợp kim nhôm trong môi trường có hoạt  tính  hóa  học  trung  bình,  bảo  vệ chống mài mòn. Với lớp anốt  hóa   dày, nếu hấp thụ dầu có thể giảm hệ số ma sát và tăng thêm độ cứng nếu được vít màng  bằng  nước do phản  ứng  hydrat  hóa. Khi đó chi tiết sẽ có khả năng làm việc trong điều kiện chịu ma sát và mài mòn khá  khắc nghiệt.

Anốt  hóa   là  quá  trình  điện  hóa, do  vậy các thông  số ảnh  hưởng  đến  quá  trình này bao  gồm: mật độ  dòng,  dung  dịch điện  hóa, nhiệt  độ  của dung  dịch và thời gian.  Lớp  màng anốt  hóa  được tạo thành 2/3 từ nền và 1/3 mọc  thêm [1]. Do vậy, tính chất của  lớp anốt  hóa  phụ  thuộc  vào tổ chức tế vi của  bề mặt nền hợp kim nhôm  ban đầu. Anốt hóa   có  thể  áp  dụng  trên hầu  hết  các hợp kim nhôm,  dễ dàng nhất trên một số hệ hợp kim nhôm biến dạng như  hệ Al-Mg-Si, Al-Mg, khó  khăn hơn trên hợp kim Al-Cu, Al-Mn… Đặc biệt trên hợp kim nhôm  đúc, do tổ chức  tế vi đa pha,  quá trình anốt hóa  diễn ra  rất khó  khăn, thậm chí  có  thể không tạo được lớp anốt  hóa  nếu tổ chức tế vi không được xử lý tốt [2-3].

Hợp kim nhôm  đúc A356.0 là hợp kim Al-Si, với tổ chức  tế vi chủ yếu gồm  dung  dịch rắn của Al và Si tự do. Nếu được biến tính tốt khi đúc, Si có thể tồn  tại  dưới  dạng đa cạnh, nhỏ  mịn,  nếu  không được biến tính đầy đủ, có thể nhận được tinh thể Si ở dạng gậy, kim hoặc đa cạnh thô. Phôi nhôm sau đó  được  đúc  áp  lực thành  chi  tiết, dưới  tác dụng của  áp lực chi tiết sẽ ít khuyết tật hơn và phần nào cũng  hỗ  trợ để  Si tự do phân  tán  hơn [3-4]. Hình thái  tồn  tại  của  Si có  ảnh  hưởng đáng kể đến sự tạo thành lớp anốt  hóa  do sự cản trở sự di chuyển của  các ion nhôm  (Al3+) trong mạng tinh thể ra bề mặt tiếp giáp với dung  dịch điện phân để tạo nên Al2O3 [4-6]. Bài báo đề cập đến ảnh  hưởng của  tổ chức  tế vi (của  hợp  kim trước anốt  hóa), mật độ dòng  điện  đến  quá trình tạo màng  anốt  hóa  trên hợp kim nhôm  thông  qua  tổ chức  tế vi, chiều dày, sự đồng đều và độ cứng  của  màng.

2. THỰC NGHIỆM

Mẫu dùng trong  thí  nghiệm được cắt ra  từ chi tiết đúc áp lực của  một công  ty sản xuất phụ tùng ô tô xe máy  của  Việt Nam.  Bề mặt khảo  sát là bề mặt làm việc của chi tiết. Thành phần hóa  học  của hợp kim A356.0 được đưa ra trong bảng  1.

Dung  dịch anốt  hóa  được chọn  là H2SO4 180 g/l, với chế độ anốt  hóa  như sau: Nhiệt độ dung dịch  được duy  trì  trong  quá trình  anốt  hóa  trong khoảng 14-15  oC; mật độ dòng  anốt  hóa  (J) là 1; 1,5;  2;  2,5  và 3 A/dm2;  thời  gian  anốt  hóa  cho các mẫu  thí  nghiệm là  30  và 40  phút  tuỳ  mục đích thí  nghiệm.

Nguồn  điện sử dụng  trong quá trình anốt  hóa  là nguồn một chiều, ổn dòng  (tự động điều khiển ổn định  dòng  đặt  anốt  hóa). Các mẫu sau khi  anốt hóa  được quan  sát tổ chức  tế vi của  lớp anốt, độ đồng đều của  lớp anốt  trên hiển vi quang học Axiovert 25A, chiều dày và độ  cứng  tế vi của  lớp anốt  được đo trên máy đo độ cứng  tế vi Duramin.

Ảnh  hưởng của  sự  phân bố  Si ở bề mặt anốt  hóa cũng được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét (SEM) và được chọn  ở các vị trí khác nhau  trên chi tiết đúc áp lực với sự phân bố  và hình thái  khác  nhau  của  Si trên  nền dung dịch rắn.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng  đến chiều dày lớp anốt  hóa

Hình 2. Đồ thị biểu thị quan  hệ mật độ dòng và chiều dày lớp anốt  hóa (thời gian anốt  hoá: 40 phút)

Hình 2. Đồ thị biểu thị quan  hệ mật độ dòng và chiều dày lớp anốt  hóa (thời gian anốt  hoá: 40 phút)

Nghiên cứu  ảnh  hưởng của  mật độ dòng  điện đến  chiều dày lớp anốt  được  tiến hành  với  năm mật độ dòng  khác nhau  1; 1,5; 2; 2,5 và 3 A/dm2. Kết quả đo chiều dày trung bình của lớp anốt  theo mật độ dòng  được đưa ra trong  bảng  2 và đồ thị trên hình 2. Đồ thị hình 2 cho  thấy, trong  khoảng mật độ dòng  khảo  sát và sai số cho  phép, chiều dày lớp anốt  hoá tăng khi mật độ dòng  tăng. Với mật độ  dòng  càng  lớn, tốc  độ  phát triển màng càng  mạnh, chiều  dày lớp màng  anốt  hoá càng tăng. Theo  số liệu  thực  nghiệm trong  bảng  2,  ở vùng mật độ dòng  thấp (1 ÷ 2,5 A/dm2), chiều dày lớp anốt  hoá  tăng khá đều  đặn khoảng 4 μm/0,5 A/dm2. Tuy nhiên, với mật độ dòng  lớn hơn (2,5 ÷ 3  A/dm2),  chiều  dày  lớp anốt   hoá  tăng đến  8 μm/0,5  A/dm2.  ảnh  tổ chức  tế vi của  lớp anốt  hoá tại các mật độ dòng  đưa ra trong hình 3, khi chiều dày càng lớn thì bề mặt lớp anốt  hoá càng trở nên nhấp nhô  không  bằng  phẳng, có  nghĩa là sự dao động về chiều dày của  lớp anốt  hoá tăng khi mật độ dòng  tăng.

Màng  anốt   hóa   là kết quả  của  hai  quá trình ngược nhau  đó là: phản  ứng tạo màng ôxít nhôm, đồng thời là phản  ứng hòa  tan màng ôxít vừa được tạo thành  khi  dung  dịch  anốt   hóa   là dung  dịch H2SO4.  Tốc độ tạo màng Al2O3  phụ thuộc  vào mật độ dòng điện, trong khi phản  ứng hoà tan màng lại phụ thuộc  vào nhiệt độ và nồng  độ của  dung  dịch điện phân [7-9]. Các kết quả thí nghiệm nhận được cho thấy, trong khoảng mật độ dòng  khảo  sát, tốc độ  tạo màng  anốt  lớn  hơn tốc  độ  hoà tan  màng, dẫn đến chiều dày lớp anốt  hoá  tăng khi mật độ dòng tăng. Điều này cũng cho phép dự đoán rằng, với điều kiện anốt  hoá đã thực hiện, mật độ dòng tới hạn  (là mật độ  dòng  mà nếu  vượt  qua  giá  trị này, chiều dày màng không  tăng nữa  mà bắt đầu giảm dần [10]) của  hợp  kim A356.0  sẽ lớn  hơn 3 A/dm2.  Hay  nói  khác  đi,  ở  chế  độ  anốt  hoá này (dung  dịch anốt  180  g/l H2SO4,  nhiệt độ anốt  15-20 oC, J   3 A/dm2), để đạt được chiều dày lớn của lớp anốt  hóa  thì  nên  anốt  hoá  với  giá  trị  mật độ dòng  lớn. 

Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm  A356.0 nghiên cứu (% k.l.)

Si Fe Mg Mn Cu Sn Zn Ti Al
7,12 0,57 0,28 0,02 0,03 0,12 0,06 0,14 91,66

Bảng  2. Chiều dày lớp anốt  hoá ở các chế độ mật độ dòng  khác nhau

 Thời gian (phút) Mật độ dòng anốt (A/dm2)
1 1,5 2 2,5 3
Chiu dày (μm)
40 11±3,1 16±4,2 20±5,3 24±5,7 32±6,8

Khi  mật độ dòng  anốt   hóa   lớn  (J =  2,5  ÷  3 A/dm2),  tốc  độ  phát triển màng  lớn thì  nhiệt  giải phóng ra trong quá trình anốt  hoá cũng  sẽ lớn (do điện trở lớp màng  anốt  tăng, nhiệt sinh  ra từ các phản ứng hóa  học tạo thành ôxít nhôm là phản  ứng sinh nhiệt), dẫn đến làm tăng tốc độ của  phản  ứng hoà tan  màng bên trong  cột Al2O3  [7, 8]. Kết quả là kích thước các cột rỗng  của  lớp màng anốt  hóa tăng lên (thành của  các cột ôxít mỏng  đi như cấu trúc  đã  chỉ  ra  trên hình  1),  điều  này lại  làm khả năng tiếp xúc giữa dung  dịch anốt  hoá và bề mặt lớp  anốt  hoá  tăng, thúc  đẩy sự  trao  đổi  ion giữa hợp kim nhôm  và dung  dịch anốt  hóa, do vậy, tốc độ phát triển màng lớn hơn so với tốc độ phát triển màng  ở  giá  trị   mật  độ  dòng  nhỏ   (J =  1  ÷  2,5 A/dm2). Hơn nữa, với  giá  trị mật độ dòng  lớn đồng nghĩa  với điện  áp đặt vào lớp màng  càng  lớn, do đó, làm tăng tốc  độ di chuyển của  các ion O2-  và Al3+, thúc  đẩy tốc  độ phát triển màng  [8]. Khi tốc độ  hoà tan  màng  lớn  sẽ làm cho  sự  hoà tan  các pha  thứ hai cũng  trở nên đáng kể [6]. Do đó, lớp anốt  hoá trở nên xốp  hơn và chiều dày lớp màng anốt   bắt  đầu  có  sự  dao  động lớn dọc  theo  lớp màng anốt  hoá.

Hình 3. Tổ chức  tế vi của lớp anốt  hóa trong 40 phút ở các mật độ dòng  khác nhau  (a) J = 1 A/dm2, (b) J = 2 A/dm2,  (c) J = 3 A/dm2 (Màu sáng: nền hợp kim A356.0, màu nâu đậm: lớp anốt  hoá. Màu đen: Kẹp mẫu)

Hình 3. Tổ chức tế vi của lớp anốt hóa trong 40 phút ở các mật độ dòng khác nhau (a) J = 1 A/dm2, (b) J = 2 A/dm2, (c) J = 3 A/dm2 (Màu sáng: nền hợp kim A356.0, màu nâu đậm: lớp anốt hoá. Màu
đen: Kẹp mẫu)

3.2.  Ảnh hưởng của  mật độ dòng  đến độ cứng tế vi của  lớp anốt  hóa

Giá trị độ cứng  tế vi trung  bình của  màng anốt trên  các mẫu anốt  hóa  với  mật độ  dòng  thay  đổi được đưa ra trong bảng  3 và biểu diễn bằng  đồ thị trên hình 4. Có thể thấy rằng, không có sự thay đổi đáng kể về độ cứng  tế vi khi mật độ dòng  nhỏ (J = 1 ÷ 2,5 A/dm2), giá trị độ cứng tế vi dao động xung quanh (460 ÷ 470)  HV. Độ cứng  tế vi của  lớp anốt hoá chỉ giảm đáng kể (dao  động xung quanh 340 HV) khi anốt hoá với mật độ dòng tăng lên (J = 3 A/dm2). Độ cứng  tế vi có sự dao động khi được đo tại các vị trí khác nhau  trên cùng một mẫu. Sự dao động này càng đáng kể trên các mẫu anốt  hóa  với mật độ dòng  lớn (J = 2,5 và J = 3 A/dm2).

Cấu trúc Al2O3 dạng cột xốp được hình thành từ hai quá trình xảy ra liên tục: quá  trình hình thành Al2O3  tại  bề mặt Al/Al2O3  và bề mặt Al2O3/dung dịch  điện  phân và quá  trình hoà tan Al2O3  tại  bề mặt Al2O3/dung   dịch điện  phân  [7-9].  Sự   hình thành  và hoà tan Al2O3  tại đáy cột xốp (lớp  barrier) là quá trình quyết định đến tốc độ phát triển của màng  anốt   hoá  nhôm.  Dưới  tác dụng  của  dòng điện, ion O2-  từ dung  dịch điện phân sẽ di chuyển qua lớp barrier đến bề mặt Al/Al2O3 (lớp barrier) và ion Al3+ sẽ di chuyển từ nền nhôm  qua  lớp barrier đến  bề mặt Al2O3/dung  dịch  điện  phân  để tạo ra Al2O3  [8, 9]. Lớp  barrier  luôn được hình thành  và hoà tan đảm bảo cho lớp màng barrier  luôn duy trì ở một chiều dày nhất định, để đảm bảo sự vận chuyển các ion qua  màng  barrier  trong  quá  trình hình thành Al2O3 dạng xốp [7, 8]. Theo các nghiên cứu về nhiệt động học  của  quá trình hoà tan Al2O3 trong quá trình anốt  hoá [8], tốc độ hoà tan Al2O3 tại đáy của cột xốp chỉ phụ thuộc  vào mật độ dòng anốt  hoá (theo  quan  hệ tuyến tính), mật độ dòng anốt  hoá càng lớn, thì tốc độ hoà tan  màng ở đây càng lớn. Hay nói khác đi, mật độ dòng lớn sẽ thúc đẩy quá  trình kết hợp của  O2-  (từ dung  dịch điện phân)  và Al3+  (từ  nền  kim  loại)   để   hình thành Al2O3, do đó, tốc  độ phát triển của  lớp Al2O3  xốp càng  nhanh, chiều  dày lớp  màng  sẽ tăng nhanh. Mật độ dòng  càng lớn, tốc độ tạo Al2O3  xốp  càng lớn. Đồng thời với phản  ứng hoà tan  màng tại đáy cột  xốp  là phản  ứng  hoà  tan  màng  xảy  ra  trên thành  các cột  xốp.  Theo  các nghiên cứu về động học của quá trình hoà tan màng trên thành cột xốp [8], thì sự hoà tan ở đây lại phụ thuộc  chủ yếu vào  nhiệt độ và nồng  độ của  dung  dịch điện phân. Khi mật độ dòng  càng lớn, thì sự tăng cục bộ về nhiệt độ và nồng  độ của  dung  dịch điện phân trong cột xốp,  làm thúc  đẩy sự  hoà tan Al2O3  tại  thành  cột xốp.   Nếu nhiệt sinh  ra do quá trình tạo màng  tại đáy  cột  xốp  được  giải phóng hết (bằng  cách làm lạnh  dung   dịch điện  phân  và  khuấy  trộn  dung dịch), quá trình tạo màng lấn át quá trình hòa  tan màng trên thành cột xốp thì màng tiếp tục dày lên. Nếu nhiệt sinh ra trong phản  ứng tạo màng không được giải phóng ngay,  nhiệt độ  trong  cột  xốp  lớn hơn trong  dung  dịch, thúc  đẩy phản  ứng  hòa  tan màng anốt  trên thành cột xốp,  kết quả  là cấu trúc của  lớp anốt  hóa  trở nên xốp hơn [7].

Khi mật độ dòng  nhỏ,  tốc độ tạo màng nhỏ,  lớp anốt  hóa  mỏng, nhiệt sinh  ra  trong  lớp  anốt  hóa nhỏ  hơn  và do  vậy, phản  ứng  hòa  tan  màng  tại thành  cột  xốp  nhỏ  hơn, màng  tạo ra trong  trường hợp này có độ xốp nhỏ  hơn nên độ cứng  cao  hơn. Khi mật độ dòng  anốt  tăng lên, tốc  độ  tạo màng lớn, lớp anốt  hoá dày lên nhanh, nhiệt sinh ra làm phản  ứng  hòa  tan  màng  tại  thành  cột  xốp  tăng tăng. Mặc  dù  nhiệt  sinh  ra  trong  quá  trình tạo màng được giải phóng bởi sự tuần hoàn dung dịch, song cục  bộ  trên  ranh  giới  giữa  bề mặt anốt  và dung  dịch điện  phân, nhiệt độ vẫn cao  hơn trong bể anốt  nên vẫn thúc  đẩy phản  ứng  hòa  tan.  Kết quả lớp màng anốt  trở nên xốp hơn, mặc dù chiều dày lớn hơn, do vậy độ cứng  giảm đi.

Hình 4. Đồ thị biểu thị quan hệ mật độ dòng và độ cứng  lớp anốt  hóa (thời gian anốt  hoá: 40 phút)

Hình 4. Đồ thị biểu thị quan hệ mật độ dòng và độ cứng  lớp anốt  hóa (thời gian anốt  hoá: 40 phút)

Sự  giảm  độ  cứng  tế  vi khi  mật độ  dòng  tăng đối với các hợp kim nhôm đa pha  như A356.0 còn liên  quan   đến sự  có  mặt  của  các pha  thứ  hai trong  quá trình anốt  hoá. Trong  hợp kim A356.0, pha  thứ hai chủ  yếu là Si (nằm  trong  cùng tinh). Cùng với sự dày lên của  lớp màng Al2O3  xốp,  là sự dịch chuyển của  biên giới nền hợp kim/Al2O3 về phía nền hợp kim [7, 8]. Do đó, pha Si sẽ trong nền  nhôm  (không  đóng góp  trong  sự hình  thành lớp màng Al2O3) sẽ nằm lại trong lớp màng Al2O3 (vì nền Al đã bị ôxi hoá, tạo thành Al2O3). Sự hoà tan  lớp  Al2O3  trong  quá trình  anốt  hoá, sẽ làm pha Si này có thể bong vào dung dịch và để lại rỗ xốp  trong  lớp Al2O3 (barrier  và cột  xốp),  làm cho màng anốt  trở nên xốp hơn, độ cứng  của  lớp anốt giảm đi và không  đồng đều trên lớp anốt  hoá. Độ cứng  của  lớp màng anốt  là tổng độ cứng  của  các pha  có mặt trong lớp anốt  hóa, bao  gồm  độ cứng của  cột  ôxít  nhôm,  của  tinh  thể Si  còn  nằm  lại trong màng anốt  và của  các lỗ xốp do Si bị bong vào dung  dịch. Do vậy, sự  phân  bố  của  Si trong hợp  kim A356.0  có  vai  trò quan  trọng  và là một trong  những  yếu tố quyết định cơ tính của  màng anốt  hóa.

3.3. Ảnh hưởng của  sự phân bố,  hình thái  Si đến  sự  tạo  màng   anốt   hóa   trong   hợp kim A356.0

Để khảo  sát ảnh  hưởng của  sự phân bố và hình thái Si đến chiều  dày và tính đồng  đều của  màng anốt  hoá trên bề mặt của hợp kim nhôm đúc A356.0, chọn  hai bề mặt của mẫu nghiên cứu có sự phân bố và hình thái Si khác nhau, anốt  hoá ở cùng chế độ với  J = 2 A/dm2  trong  thời  gian  30  phút,  so sánh chiều dày lớp màng anốt  hoá nhận được. Hình 5 (a) và (b) là ảnh tổ chức  tế vi của  lớp anốt  hoá trên hai bề mặt có  sự phân bố  Si khác nhau. Kết quả  cho thấy, chiều dày của  lớp anốt  hoá có  sự khác nhau đáng kể. Bề mặt (a) tiếp giáp với thành khuôn nên Si ở  đây  có  dạng kim  với  kích  thước  khá  nhỏ  với  sự phân bố Si gần như vuông góc với bề mặt anốt  hóa. Khi anốt  hóa, sự khuếch tán của  các ion nhôm Al3+ từ dung  dịch rắn đến gặp ion O2-  từ dung  dịch anốt hóa tại vùng bề mặt anốt hóa ít bị cản trở hơn, do vậy lớp anốt  hóa  vẫn được tạo thành song bị chia cắt bởi pha Si [3, 5, 6]. Bề mặt (b) có sự phân bố Si dày đặc (do thiên tích trong quá trình đúc), Si trong cùng tinh có  dạng nhỏ  mịn  với mật độ cao.  Khi anốt  hóa, ở vùng bề mặt này, sự khuếch tán để tạo thành  ôxít nhôm khó khăn hơn nhiều khi đi qua khe hở giữa các tinh thể Si, đồng thời, quá trình anốt hóa phải tiêu tốn thêm một  lượng  điện năng cho  việc làm bong các tinh thể Si nhỏ mịn để làm tăng thêm sự tiếp xúc của dung  dịch  rắn  với  dung  dịch  anốt  hóa. Vì  vậy, lớp anốt  được tạo  thành  rất mỏng  (hoặc có  chiều  dày không  đáng kể), thậm chí có những  vị trí kích thước của pha Si quá lớn (hình 5b) đã cản trở sự hoàn toàn sự tạo  thành  lớp  màng  ôxít  và tại  đó  màng  anốt không được hình thành. Như vậy, sự phân bốvà hình  thái của Si không  chỉ ảnh hưởng đến chiều dày của lớp màng anốt  hoá (khả năng tạo thành màng anốt hóa)  mà còn ảnh  hưởng đến sự đồng đều về chiều dày của màng anốt  hóa  (hình 5c).

Hình 5. ảnh hưởng của sự phân bố,  hình thái Si đến sự tạo màng  anốt  hóa trong hợp kim A356.0.

Hình 5. ảnh hưởng của sự phân bố, hình thái Si đến sự tạo màng anốt hóa trong hợp kim A356.0.

Sự  tồn  tại  của  Si  cũng  như các pha  thứ  hai không hoà tan khác trong hợp kim còn làm tăng sự hình thành khuyết tật (rỗ xốp)  trên lớp màng anốt hoá, làm tăng độ xốp và do đó giảm độ cứng  tế vi của  lớp màng  anốt  hoá. Hình 5 (d) là ảnh  hiển vi điện tử quét trên bề mặt lớp anốt  hoá của  bề mặt mẫu của hình 5 (c). Có thể thấy rất nhiều pha Si bị bong  ra toàn bộ hoặc một phần và để lại trong lớp anốt  hoá các rỗ xốp. Thấy rất rõ ràng, Al2O3 xung quanh pha  Si nằm lại trong lớp Al2O3  cũng  bị hoà tan  (vì đó là vùng tập trung nhiều sai lệch mạng). Tuỳ thuộc  vào hình thái  của  pha  Si mà hình thái các rỗ xốp để lại trong lớp Al2O3 là khác nhau. Như vậy, ảnh hưởng của sự phân bố và hình thái của Si trong  hợp kim nhôm  đúc  đến  sự tạo màng  anốt hoá là một trong những  yếu tố làm cho công  nghệ anốt  hoá trên hệ hợp kim nhôm  này khó khăn hơn nhiều so với hệ hợp kim nhôm  biến dạng.

 4. KẾT LUẬN

Anốt hóa  trên hợp kim nhôm đúc áp lực A356.0 được  thực  hiện  trong  dung  dịch H2SO4  180  g/l, nhiệt độ trong  khoảng 14-15 oC, với  mật độ dòng trong khoảng 1 ÷ 3 A/dmcho thấy:

- Khả năng tạo màng  anốt  hóa  phụ  thuộc  vào mật độ dòng  anốt, mật độ dòng  càng cao,  tốc  độ tạo màng càng lớn, dao động chiều dày màng tạo thành càng lớn.

- Độ cứng  cao  nhất nhận  được  trong  khoảng mật độ dòng nhỏ (2,5 A/dm2), khi mật độ dòng cao (3 A/dm2), độ cứng  màng giảm.

- Màng anốt  hóa  tạo thành trên hợp kim nhôm đúc áp lực mỏng  và có chiều dày không đồng nhất (nhiều khuyết tật) và phụ thuộc  vào hình thái và sự phân bố của  pha  Si. Nơi có  pha  Si dày đặc hoặc hình thái  pha  Si  định  hướng  không  thuận  lợi  cho việc khuếch tán của  các ion nhôm  và ôxi sẽ khó tạo thành màng ôxít. Đây là lưu ý quan  trọng  cho các nhà sản  xuất các chi tiết bằng  hợp kim nhôm đúc áp lực mà sau đó muốn  anốt  hóa  bề mặt.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Taijma S., Anodic oxidation of aluminum, Advances in Corrosion science and technology, Vol 1, 1970, p. 143-230
  2. K. Labisz*, L. A. Dobrzanski, J. Konieczny, Anodization of cast aluminium  alloys produced by different  cast- ing methods, Archives of foundry  engineering, Vol. 8, 2008,  p. 45 – 50
  3. A. Forn, J. A. Picas, M. T. Baile, E. Martin, V. G. García, Microstructure and tribological properties of anodic oxide layer formed  on  Al-Si  alloy produced by semisolid processing, Surface & Coatings Technology, Vol 202,  2007,  p. 1139-1143
  4. L.E. Fratila-Apachitei, J. Duszczyk, L. Katgerman, AlSi(Cu) anodic oxide  layers formed  in H2SO4 at low tem- perature using  different  current  waveforms, Surface and Coatings Technology, Vol. 16, 2003,  p. 232-240
  5. L. E. Fratila-Apachitei, J. Duszczyk, L. Katgerman, Vickers microhardness of AlSi(Cu) anodic  oxide  layers formed  in H2SO4 at low temperature, Surface and Coatings Technology, Vol 165,  2003,  p. 309-315
  6. Jude Runge* and Larry Chesterfield, The science of successfully anodizing die cast  substrates, Aluminium International Today, Surface treatment, 2010,  p. 30-35
  7. J. W. Diggle, Thomas C. Downie, and C. W. Goulding, Anodic  oxide  films on aluminum, Chemical Reviews, Vol 69, 1969,  p. 365-405
  8. G. Patermarakis, P. Lenas, Ch. Karavassil 75 and G. Papayiannis, Kinetics of growth of porous anodic Al2Ofilms on Al metal,  Electrochimica Acta,  Vol. 36, 1991,  p. 709-725
  9. Zixue Su, Georg Hahner and  Wuzong Zhou,  Investigation of the pore formation  in anodic  aluminium  oxide, Journal of Materials Chemistry, Vol. 18, 2008,  p. 5787-5795
  10. 10. McCafferty, Introduction to Corrosion Science, Springer, New  York,  2010

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>