Оксидирование металлов

Большая часть металлов в естественных условиях подвержена окислению. В агрессивных средах процесс ускоряется. Оксидная поверхностная пленка создает барьер, препятствующий контакту материала с окислителем. Искусственное создание такой защиты называют оксидированием металлов. 

Что такое оксидирование и зачем оно нужно 

Всем известно свойство серебряных изделий со временем приобретать благородную черноту. Также часто можно встретить, когда бронзовые монументы окрашиваются в зеленоватый цвет. Это признаки того, что верхний слой металла вступил в реакцию с атмосферным кислородом, и теперь на поверхности образовалась окисная пленка. Во многих случаях такая пленка предотвращает дальнейшее окисление, так как она изолирует материал от контакта со средой. 

Такие металлы, как магний и алюминий мгновенно окисляются на воздухе. От разрушения их защищает только появляющаяся пленка из оксида. При разрушении поверхности она мгновенно восстанавливается за счет реакции с кислородом. 

Для обеспечения более надежной защиты металлических деталей искусственно создают оксидную пленку, которая замедляет процесс естественного окисления. 

Оксидирование – это воздействие на поверхность металла кислотами, щелочами или атмосферным кислородом с целью получения верхнего слоя нужного химического состава и структуры. В процессе могут участвовать сложные составы из разных химических веществ.

Для чего нужно оксидирование:

• Придание необходимой химической стойкости поверхности деталей.
• Изменение физических свойств внешнего слоя.
• Декоративное окрашивание изделий.

Какие металлы подвержены оксидированию

Создавать оксидную пленку можно в том случае, когда возникающий защитный слой крепко держится на поверхности и не пропускает окислитель извне:

• На свинце и чистом железе слой оксида рыхлый и не выполняет защитную функцию. 
• На бронзовом или медном прокате оксиды держатся хорошо, но не оказывают существенное влияние на скорость окисления. 
• Алюминий и магний, напротив, не способны существовать в естественной среде без барьерной защиты.
• Для стали можно создать слой воронения. Это процесс пассивации с появлением пленки черного цвета с химической формулой Fe3O4.
• Нержавеющую сталь подвергают чернению (воронению) не только для изменения внешнего вида, но и для придания дополнительной устойчивости к воздействию агрессивных сред. 
• Титановый прокат подвергается оксидированию с целью упрочнения внешней поверхности и изменения цветовой гаммы. 
• Никель и его сплавы также позволяют создать оксидную пленку, чаще всего это делается в декоративных целях.

Виды оксидирования

В зависимости от химических свойств материала, его температуры плавления и тех целей, которых требуется достичь, используют 5 основных методов обработки:

• термический;
• химический;
• электрохимический;
• плазменный;
• лазерный. 

Термическое оксидирование

При нагреве металла в стандартной воздушной среде или в присутствии водяного пара ускоряются естественные процессы окисления металлов. Полученная таким путем оксидная пленка имеет отличное соединение с поверхностью материала и хорошие защитные свойства. Благодаря контролю за температурным режимом можно варьировать цвет покрытия. У таких металлов, как титан, цветовая гамма меняется от желтого до синего. Существует одно существенное ограничение – нагрев до высоких температур может привести к изменению внутренней структуры металла и, как следствие, к снижению прочностных характеристик. 

Химическое оксидирование

Защитную пленку со сложным составом получают воздействием на металл растворами или расплавами кислот или щелочей. В зависимости от требуемого результата происходит подбор ингредиентов и режимы обработки. Деталь погружают в ванну с составом и выдерживают определенное время при температуре от 30 до 100 градусов. В некоторых случаях расплав нагревают до 300 градусов. Для ускорения реакции используют катализаторы в виде хрома, калия или марганца. Часто деталь предварительно обрабатывают спецсоставом, например, оксидом брома. Способ хорош своей технологичностью. Он не требует больших энергетических затрат и сложного оборудования. Толщина пленки не изменяет геометрию деталей. Недостатком является то, что химические реагенты агрессивные и требуют особого отношения к процессу. 

Электрохимическое оксидирование или анодирование

Применение электрического тока позволяет ускорить процесс окисления и значительно разнообразить покрытие. Например, можно нанести гальваническим методом слой никеля, хрома, серебра и прочих металлов. Деталь погружают в ванну с электролитом, туда же опускают электрод. Далее подводят разные потенциалы от источника постоянного электрического тока. В зависимости от материала и свойств электролита происходит реакция взаимодействия химических элементов на поверхности металла. Таким способом можно сделать толстый оксидный слой или произвести осаждение нужного покрытия на поверхность детали. Из-за того, что структура изделия не имеет 100% однородности, то и покрытие будет неравномерным. Это может потребовать дальнейшей доработки. 

Плазменное оксидирование

При многих технологических процессах требуется нанести особый слой вещества на локальную область. Например, надо позолотить кончики контактов разъемов или обработать место для пайки. В этих случаях эффективно использовать плазменное оксидирование. Процесс по химии похож на электрохимический способ, только происходит в газовой среде, а перенос необходимого состава осуществляют потоком плазмы. 

Лазерное оксидирование

Термическая обработка ограниченного участка детали возможна нагреванием поверхности лазерным излучением. Специально созданная среда в точке воздействия пучка света вступает в реакцию благодаря нагреву. Метод позволяет производить оксидирование с высокой точностью. 

Оксидирование разных металлов в домашних условиях

Нанесение слоя из оксида на поверхность металла преследует две цели: улучшение антикоррозионных свойств и придание нужного декоративного эффекта. Каждый металл и сплав требует индивидуального подхода. Рассмотрим самые распространенные способы работы с разными металлическими деталями.

Оксидирование нержавейки

Нержавеющая сталь – это большая группа сплавов, где каждый имеет свои особенности при нанесении на него защитной пленки. Высоколегированные стали с большим содержанием хрома и никеля сложно поддаются оксидированию. Обычно такой операции не требуется, так как поверхность является устойчивой. 

Воронение применяют к нержавеющим сталям с низким процентным содержанием хрома и никеля. Для этого разработано несколько способов.

Травление кислотой и сульфидом натрия

Например, лист нержавеющий из стали AISI 201 можно окрасить в черный цвет следующим методом:

• Изделие обезжиривают спиртом или растворителем. 
• Далее протравливают слабым раствором щавелевой кислоты, приблизительно 10%.
• Промывают водой.
• Погружают в 1% раствор сульфида натрия на время, необходимое для требуемой степени почернения.
• Опять промывают и сушат. 

Операцию проводят при комнатной температуре. Подогретый раствор ускоряет процесс.

Обработка составом на основе едкого натра 

Трубу нержавеющую из стали AISI 304 погружают в ванну с реагентом. Раствор должен состоять из химических компонентов в следующих пропорциях: на 2 литра 50% едкого натра добавляют 60 г хлористого никеля и 100 г сульфида натрия. Работа производится при температуре 130 градусов. Изделие погружают на 3-5 минут. Следует помнить, что заниженная концентрация едкого натра не позволит нагреть раствор до необходимой температуры, так как он будет кипеть. 

Нанесение хроматов с помощью контакта с металлами, имеющими большой электрохимический потенциал 

Способ подходит для нержавеющих сталей с низким содержанием хрома и никеля. В роли контактного материала применяют обычную сталь. Заготовку, например, круг из нержавеющей стали помещают в раствор серной кислоты (подойдет обычный автомобильный электролит) и двухромового кислого натрия. Погружают так, чтобы часть контактирующей подвески из обычной стали тоже была в растворе. После этого состав нагревают до 115 градусов. В процессе осаждения в зависимости от времени на заготовке будет появлятся цвет от черного до коричневого. Далее деталь промывают, просушивают и отделяют от подвески. 

Разноцветное окрашивание нержавейки

Суть метода состоит в осаждении на поверхности материала цветного слоя из-за разности электрохимических потенциалов металлов. Деталь, например, полосу подвешивают в ванну со сложным раствором. Подвеску делают из активного металла, например, меди. Жидкость должна контактировать с изделием и подвеской в пропорции по площади 200:1. Обработка происходит при комнатной температуре. 

Для работы применяют следующие составы:

• По 10 грамм селеновой кислоты и сернокислой меди, 7 грамм концентрированного азота на 1 литр дистиллированной воды. В зависимости от времени выдержки получают цвет от желтого до темно-синего. 
• 100 грамм гипосульфита натрия, 10 грамм уксусно-кислого свинца, по 12 грамм сегнетовой соли и сернокислой меди на 1 литр воды. В результате можно получить такие цвета, как красный, фиолетовый, зеленый, розовый и разные оттенки. 

Оксидирование алюминия

Создание защитной пленки на поверхности металла возможно с помощью разных технологий:

• Химическое оксидирование. Заключается в погружении заготовки в раствор хромпика или других реагентов на время от 5 до 20 минут. Слой получается тонким. При использовании некоторых составов он имеет низкое сопротивление, что важно при обработке деталей, которые применяют в электротехнике. 
• Термическое оксидирование. При высокой температуре ускоряются процессы окисления. Создав необходимую газовую среду, можно контролировать и химические характеристики оксидного слоя. При температуре 200-300 градусов получают слой толщиной до 1-2 микронов. Так как пленка имеет очень высокую твердость, то деталь приобретает повышенную устойчивость к истиранию и царапанию. 
• Анодное оксидирование. Процесс окисления ускоряется подключением положительного потенциала к погруженной в серную кислоту алюминиевой заготовке. Таким способом получают толстый, но рыхлый защитный слой. Изделие приобретает повышенную коррозийную устойчивость. 

Оксидирование меди и ее сплавов

Оксидная пленка на меди, бронзе или латуни слабо влияет на антикоррозийные качества. Но технологию оксидирования часто применяют в декоративных целях. На поверхности делают покрытие в цветовой гаммой от зеленого до черного. Таким способом подчеркивают рельефность рисунков. 

Медь и сплавы активно реагируют с различными химическими реагентами. При необходимости можно ускорить процесс, используя разный потенциал электрического тока.  

Чернение серебра

Метод используют для выделения рисунка на серебряном изделии. Кроме того черненое серебро меньше вступает в реакцию с окружающей средой, то есть со временем оно не теряет цвет и не темнеет. 

Самостоятельно провести чернение можно следующим образом:

• Йодом. Метод не подходит для плоских изделий. Также для хорошей реакции необходимы яркие солнечные лучи, в пасмурную погоду проводить опыт не стоит. Ватную палочку надо опустить в пузырек с медицинским йодом. Тщательно обработать труднодоступные места изделия и положить на просушку под солнечные лучи. После высыхания на предмет нанести зубную пасту и протереть мягкой ветошью.
• Яйцами. Отделенные вареные желтки растолочь. Кашу положить в контейнер. Над ней подвесить серебряное украшение так, чтобы оно не соприкасалось с желтком. В противном случае металл почернеет неравномерно. Закрыть крышкой контейнер и оставить в таком состоянии на 1-3 суток.
• Серной мазью. Аптечное средство темного цвета надо нанести на изделие и прогреть феном. Во время нагрева металл сразу будет приобретать оттенки от синего до фиолетового. 

Оксидирование титана 

Термическая обработка металла преследует цель улучшения его эксплуатационных качеств. Нагрев позволяет создать оксидную пленку, которая защитит от коррозии титановую деталь на несколько лет.

В домашних условиях защитный слой можно нанести следующим образом:

• Устанавливаем горелку на небольшой газовой баллон.
• Шлифуем, например, титановый квадрат или круг.
• Поджигаем горелку, плоскогубцами захватываем деталь и равномерно ее нагреваем. Во время термообработки цвет будет меняться от желтого до голубого.
• Опускаем заготовку в воду до полного остывания. 

В результате получится насыщенный голубой цвет. Если необходимо добиться различных оттенков, то деталь нагревают неравномерно. 

Оксидирование металлов и нержавеющих сталей – это интересный процесс, который вполне можно выполнить в домашних условиях. Но стоит помнить о безопасности: подобрать помещение с вытяжкой, работать в защитном костюме и соблюдать пропорции химреагентов.