Оксидные и фосфатные защитные пленки

Особенности нанесения оксидной пленки на металлы

Сутью технологии оксидирования является принудительное окисление поверхности металла. Изделие или материал погружается в окислитель, после чего на нем образуется тонкая пленка. Состав окислителя определяется видом обрабатываемого металла. Далее я постараюсь ответить на вопросы, которые наиболее часто задают новички в металлообработке.

Назначение методы, особенности осуществления

Какова цель оксидирования?

• Придать изделию хорошие декоративные свойства.
• Защитить его от механических повреждений.
• Увеличить коррозийную стойкость металла.
• Окрасить поверхность в определенный оттенок.

Какие металлы можно подвергать оксидированию? Практически любые. Это нержавеющая сталь, чугун, алюминий, латунь, медь, бронза и серебро, никель и цинк. Для каждого металла существует собственный «рецепт» смеси для окраски. В зависимости от металла меняется не только состав, но и продолжительность обработки, температурный режим.

Существует строгая последовательность действий, указанная ниже:

1. Механическая предварительная обработка.

   

2. Обезжиривание поверхности органическими растворителями. Признаком качественного удаления мельчайших загрязнений является равномерная смачиваемость изделия водой.
3. Незначительное протравливание поверхности детали или изделия, так называемое декапирование. Это позволяет удалить остатки окислов.
4. Активация с помощью погружения максимум на 3 минуты в раствор с температурой от +18 до +30 градусов Цельсия.
5. Непосредственно оксидирование и последующее уплотнение.

После каждого этапа осуществляется промывка обрабатываемой детали в ванной с нижней подачей верхним сливом. Каждый этап оксидирования может иметь свою специфику, которая определяется видом металла.

Каким бывает оксидирование?

Технология реализуется термическим, химическим, электрохимическим и плазменным способом. Выбор того или иного метода определяется целью нанесения оксидной пленки и типом поверхности.

Например, если вам необходимо получить красивое декоративное покрытие, стоит воспользоваться термическим способом. Электрохимический метод (анодирование) чаще всего используют для алюминия и его сплавов. Плазменный метод позволяет получить покрытие, которое обладает защитными и декоративными свойствами в равной степени.Он чаще всего применяется в работе с деталями со сложными рельефами.

Видео Электрохимическое оксидирование металла в домашних условиях

Оксидные и фосфатные защитные пленки

Оксидирование стали

Естественные оксидные пленки образуются на поверхности металлов под влиянием кислорода воздуха. Такие пленки имеют незначительную тол- щину и поэтому не могут служить надежной защитой от коррозии.

Оксидные пленки большой толщины можно получить искусственным путем. Такие пленки могут защищать от коррозии. Оксидирование может осуществляться паротермическим, химическим и электрохимическим спосо- бами.

Оксидирование черных металлов нашло широкое применение в про- мышленности для защиты от атмосферной коррозии. Оксидную пленку на стали можно получить электрохимическим окислением в электролитах, пу- тем химической обработки в кислых или щелочных окислительных раство- рах, а также нагревом в атмосфере водяного пара. Наибольшее распростра- нение в промышленности получили химические методы щелочного и паро- термического оксидирования стали.

Паротермическое оксидирование производится в токе перегретого во- дяного пара при температуре 600°С. При этом образованная оксидная пленка состоит в основном из чистого магнетита Fe3O4.

Щелочное оксидирование проводят в щелочном нитрито-нитратном растворе состава (г/л):

гидроксид натрия — 700; нитрит натрия — 200; нитрат натрия — 50.

Оксидирование деталей ведут при температуре 136-142°С в течение 0,5-1,0 ч, предварительно проводят операции обезжиривания и травления по- верхности.

В растворе гидроксида натрия при достаточно высокой температуре железо на поверхности растворяется с выделением водорода и образованием гипоферрит-анионов:

Fe + 2OH– = FeO2 + H2­. В присутствии окислителей NO – и NO –
– 2–

образуются также и феррит-

–

анионы FeO2 . При наличии анионов FeO2

присутствуют также катионы Fe2+ и Fe3+:

и FeO2 в щелочном растворе

FeO2 + 2H2O = Fe + 4OH ; FeO2 + 2H2O = Fe + 4OH .
При достаточно высокой концентрации Fe2+ и Fe3+ образуется оксидная пленка, состоящая, главным образом, из магнетита Fe3O4.

После оксидирования изделия тщательно промывают горячей водой для удаления следов щелочи, обрабатывают в мыльном растворе для пасси- вирования, сушат и погружают в ванну с машинным или вазелиновым мас- лом, подогретым для лучшего заполнения пор до 100………-150°С…….

Оксидирование алюминия и его сплавов

Оксидирование алюминия и его сплавов осуществляют химическим или электрохимическим методами.

В результате химического оксидирования получают малопрочные пленки толщиной 1-2 мкм, поэтому этот процесс распространен в промыш- ленности недостаточно широко.

Электрохимическое оксидирование алюминия и его сплавов (анодиро- вание) применяется для защиты изделий от коррозии, для декоративной от- делки, придания электроизоляционных свойств, а также в целях подготовки под окраску. Анодирование осуществляется в сернокислых, хромовокислых и щавелевокислых электролитах. Анодирование в щавелевой кислоте при- меняется для получения оксидной пленки, обладающей электроизоляци- онными свойствами. В промышленности нашло широкое применение ано- дирование в серной кислоте с концентрацией 200 г/л. Процесс ведут при

анодной плотности тока 80-250 А/м2, комнатной температуре в течение 0,5 ч. Изделия завешивают на анодную штангу, а катодом служит листовой свинец.

Для повышения защитных свойств оксидная пленка наполняется со- единениями хрома путем обработки ее в растворе, содержащем 100 г/л хро- мата калия и 18 г/л карбоната калия, в течение 0,1-0,2 ч при температуре 90-95°С с последующей промывкой в воде и сушкой.

Для повышения качества отделки изделий применяют окрашивание оксидных пленок неорганическими соединениями или органическими краси- телями. Например, для получения синего цвета (берлинская лазурь) изделие с оксидной пленкой обрабатывается в растворе гексацианоферрата (II) калия (10-15 г/л) в течение 0,1-0,2 ч, затем в растворе хлорида железа (III). Для ок- рашивания под цвет золота применяют раствор, содержащий 1,0 г/л оранже- вого красителя, 0,1 г/л желтого и 0,1 г/л черного (кислотного). Окрашивание производят при температуре 20°C. Неорганические соединения дают более светостойкую окраску, чем органические, но при использовании органиче- ских красителей можно получить большее количество цветов и оттенков.

Фосфатирование стали

Фосфатирование – процесс получения на поверхности стали пленки фосфорнокислой соли железа и марганца. Толщина пленки, в зависимости от условий ее получения, колеблется от 5 до

15 мкм. Цвет черный или светло-серый.

Фосфатная пленка обладает высокими диэлектрическими свойствами, устойчива в керосине, смазочных маслах, жаростойка и морозостойка.

Механизм защиты железа фосфатной пленкой сводится к механичес- кому экранированию, т. е. изоляции поверхности железа от внешней корро- зионной среды. Вследствие пористости фосфатных пленок их защитное дей- ствие недостаточное, поэтому они, в основном, используются как грунт под окраску.

Для повышения защитных свойств фосфатной пленки ее обрабатывают пассивирующим хроматным раствором, содержащим 60-80 г/л хромата на- трия или калия, при температуре 70-80°С в течение 10-15с или пропитывают смазочными маслами при температуре 100-120°С.

Исходная соль для фосфатирования – препарат «мажеф» (сокращен- ное от марганца-железа-фосфата), который состоит из дигидроортофосфатов железа Fe(H2PO4)2 и марганца Mn(H2PO4)2.

В растворе дигидроортофосфатов образуются катионы этих металлов и анионы в результате диссоциации:

Me(H2PO4)2 = Me2+ + 2(H2PO4)-; (H2PO4)-= H+ + (HPO4)2-; (HPO4)2-= H+ + (PO4)3-.

Соли двух- и трехзамещенных фосфатов марганца и железа малорас- творимые, поэтому в процессе диссоциации соли «мажефа» в слое, гранича- щем с поверхностью изделия, образуется пересыщенный раствор этих солей, из которого происходит кристаллизация на поверхности железа фосфатного покрытия по реакциям:

Me2+ + (HPO4)2-= MeHPO4¯; 3Me2+ + 2PO4 = Me3(PO4)2¯,
где Ме – железо или марганец.

Фосфатирование производят в растворе, содержащем 30 г/л препарата

«мажеф» при температуре 90-98°С.

Процесс получения фосфатного покрытия на поверхности стальных изделий можно интенсифицировать, добавляя в раствор для фосфатирования окислители (нитрат натрия), растворы солей металлов, более благородных, чем фосфатируемые (например оксид меди). Для ускоренного фосфатирова- ния можно рекомендовать раствор, содержащий 30 г/л препарата «мажеф» и 0,3 г/л оксида меди.

Эмалевые покрытия

Эмаль представляет собой стекловидную массу, жаростойкую, устой- чивую во всех органических и минеральных кислотах, за исключением фто- ристоводородной кислоты и ее солей. Этот вид покрытия распространен в производстве аппаратов для химической промышленности и изделий до- машнего обихода.

Эмаль состоит из стеклообразующих и вспомогательных компонентов. Стеклообразующими материалами являются диоксид кремния в виде квар- цитов или речного песка, борный ангидрид, оксиды свинца, цинка, алюми- ния. К вспомогательным материалам относятся: окислители (нитраты натрия или калия, оксид марганца), оксиды, способствующие лучшему сцеплению эмали с металлом (оксиды натрия и никеля), глушители (фторид кальция, криолит), красящие вещества, приводящие эмаль в непрозрачное состояние (сульфид кадмия, оксиды кальция, алюминия, хрома и др.).

Высокая химическая стойкость эмалей обусловлена присутствием бу- ры и кремнезема, термостойкость обеспечивается близостью температурных коэффициентов линейного расширения покрытия и металла.

В химически агрессивной среде применяют покрытия кислотоупорной эмалью с содержанием диоксида кремния до 60% или щелочеупорной эма- лью с содержанием 50………-60% диоксида титана.

В таблице приведен примерный состав кислотоупорной эмали.

Эмалевую суспензию наносят на очищенную поверхность изделия по- гружением в расплав или пульверизацией. Затем производят сушку покры- тия и обжиг слоя эмали в муфельных или электрических печах при темпера- туре 880-1050°С.

⇐ Предыдущая21Следующая ⇒

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? — задался я вопросом…

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все…

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между…

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)…

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Свойства оксидных пленок

Свойства анодных оксидных пленок в основном определяются их строением и фазовым составом, т.е. структурой. Наблюдениями с помощью обычного оптического микроскопа было установлено, что утолщенные пленки являются пористыми и имеют волокнистую структуру. В зависимости от состава используемого электролита диаметр пор может колебаться в пределах нескольких сотен ангстрем, а их количество может доходить до 108 на квадратный сантиметр поверхности пленки.

Применение электронного микроскопа позволило построить идеализированную модель структуры оксидной пленки пористого типа. Келлер и ряд последователей по рельефу поверхности металла, с которого удалена пленка, установили, что оксид состоит из гексагональных ячеек, имеющих форму граненых карандашей, плотно прижатых друг к другу. Если у этих “карандашей” удалить грифели, то образуются поры, которые заполняются электролитом во время формовки оксида. Идеализированная структура по Келлеру в настоящее время принимается за основу и приводится во всех монографиях.

Установление фазового состава стало возможным благодаря применению методов электроно- и рентгенографии, а также инфракрасной спектроскопии. Было установлено, что анодная оксидная пленка может быть аморфной или кристаллической, а иногда содержания и ту и другую фазы. Обнаружено также, что пористость кристаллического анодного оксида может на два порядка превышать пористость пленки.

Способность оксидных пленок предохранять металл от воздействия окружающей среды была обнаружена сразу после открытия процесса анодирования. Анодное окисление металлов стало одним из методов защиты от коррозии в машиностроении и электронной промышленности. Первоначально от защиты от коррозии применялись только тонкие плотные пленки. В настоящее время стали применятся и пористые покрытия, так как они после уплотнения и наполнения не только повышают свои коррозионно-защитные свойства, но и приобретают декоративный вид.

Для оценки коррозионной стойкости часто применяются ускоренные испытания пробой ВИАМ, разработанной во Всесоюзном институте авиационного машиностроения (отсюда ее название). При этом капля пробы наносится на испытываемую анодированную поверхность и измеряется время, в течение которого она разъедает пленку до металла. Результат обнаруживается по изменению цвета капли, когда начинается реакция пробы с металлом.

К электрофизическим свойствам относятся сопротивление электрическому току, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность. Они достаточно хорошо изучены и отражены практически во всех монографиях, посвященных анодным покрытиям.

Применение оксидных пленок в качестве изоляции обусловлено их высоким сопротивлением электрическому току и большой механической прочностью. Основным преимуществом оксидной изоляции является то, что она сохраняет свои свойства при повышенных температурах. Электрическая прочность, т.е. пробивное напряжение при данной толщине, у разных пленок зависит от многих факторов. Чем плотнее пленка, тем выше ее электрическая прочность. Даже пористые пленки имеют электрическую прочность на порядок выше, чем у воздуха.

Наличие в оксидной пленке пор приводит к тому, что ее эффективная диэлектрическая проницаемость может изменяться в широких пределах при изменении свойств окружающей среды. Это влияние, связанное с конденсацией паров воды в порах пленки, используется при создании датчиков влажности.

Анодные оксидные пленки по своим механическим свойствам относятся к разряду веществ высокой твердости. Особенно большой твердостью обладают пленки оксида алюминия. Обычно для оценки механической прочности оксидной пленки измеряют ее микротвердость на поперечных шлифах. С помощью прибора ПМТ – 3 при небольших нагрузках (обычно 50 гс) установлено, что твердость пористой пленки постепенно убывает при удалении от металла к поверхности оксида. Кроме микротвердости механическую прочность оценивают по сопротивлению истирания к информационным нагрузкам. Исследование износостойкости производится на рабочих поверхностях деталей, используемых в парах трения. Хорошие результаты были получены при анодировании зубчатых колес из алюминиевых сплавов. При анодировании наблюдается не только повышение прочности, но и улучшение антифрикционных свойств, так как оксидный слой легко полируется и становится гладким и твердым.