Термическое оксидирование стали уравнения реакций

Что такое химическое оксидирование металлов: технология оксидации

Воздействие окружающей среды на сталь – одно из самых пагубных после естественного износа. Именно из-за влажности и взаимодействия с кислородом происходят коррозийные процессы, теряется прочность поверхности. Чтобы это предупредить, производители-металлурги одним из завершающих этапов проводят металлообработку различными защитными составами. В этой статье мы поговорим про химическое оксидирование металлов, расскажем, что это такое и как его проводить.

В чем заключается метод оксидации

Большинство металлических веществ вступает в активную фазу с различными химикатами. В ряде случаев она происходит с выделением стороннего вещества, которое может стать защитой для основного изделия. В рассматриваемом способе возникает оксидная пленка после нанесения на поверхность специального раствора. Жидкость под влиянием окислительно-восстановительной реакции приводит к созданию верхнего слоя, который увеличивает коррозийную стойкость, а также декорирует плоскость. Следует отметить, что разновидностей процесса несколько, они выбираются в зависимости от того, какого эффекта нужно добиться, а также – какой материал подвергается обработке. Посмотрим более внимательно за видами.

Методы

Каждый из них обладает определенной популярностью, большинство применяется на заводах в определенных условиях. Но есть возможность самостоятельного проведения металлообработки. При этом стоит помнить о возможном негативном воздействии на организм и средствах защиты.

Химическое оксидирование стали, технология

На поверхность металлического изделия наносится жидкий раствор, сухая смесь или расплав. Затем между этими элементами происходит реакция (в определенных условиях, например, с доступом кислорода, при выставленном температурном режиме). Ее результатом становится образование неактивного верхнего слоя – эту процедуру называют пассивацией, то есть верхний слой делают пассивным по отношению к некоторым средам. Чаще всего для этих целей применяются окислы хрома. Заготовка закрепляется тем или иным образом и погружается в ванну с заготовленным раствором (это возможно при нескольких условиях – при соответствующих размерах объекта и резервуара и при стенках сосуда, которые не вступают в реакцию). Щелочной или кислотный состав создается заблаговременно и обладает определенным процентным соотношением. В зависимости от параметров определяется степень выдержки. Спустя необходимое время деталь достается, подвергается сушке, а затем проводятся финишные работы по металлообработке. При создании кислотной ванны с наибольшей вероятностью применяют такие кислоты, как соляная, азотная, ортофосфорная. Если добавить капсулы марганца, хрома или калия, то протекание будет ускорено. Обычно выбирается температурный режим в рамках от +30 до +100 градусов. Если в качестве основы соединения нитрата натрия и диоксида марганца, то можно говорить о применении щелочного раствора, который нагревается уже значительно сильнее – до 300 градусов. Также есть две разновидности, когда применяют дополнительные вещества, влияющие на качество полученного результата:

• бихромат калия позволяет закрепить итоговые достижения;
• масло – такой процесс называют оксидацией с промасливанием или химоксидированием, при котором удается не только добиться высокой устойчивости к ржавлению, но и получить черный глянцевый цвет поверхности.

Термическое оксидирование

Это аналогичный способ, в ходе которого образуется защитная оксидная пленка, но он проходит при повышенной температуре при непосредственном контакте с водяным паром или с кислородом. Для данного действия требуются специальные печи, которые могут поддерживать режим работы вплоть до 1200 градусов – для различных материалов характерны свои показатели. Если вы хотите улучшить эффект, рекомендуем предварительно погрузить деталь в мыльный раствор на несколько минут, а после этого высушить и залить ванночку машинным или трансформаторным маслом. Если произвести нагрев до 105 градусов и выше, то можно добиться равномерной, блестящей черной поверхности.

Анодная оксидация – что это

Ее также называют электрохимическим оксидированием или анодированием. Это еще один вариант, как можно достаточно быстро получить оксидную пленку в жидкости или сухой смеси. Основной процесс, который заложен в основе технологии – это электролиз, который, как известно, может проходить и в жидких, и в твердых средах. Элемент помещается в раствор. Между ним и жидкостью образуется разница потенциалов – у верхних слоев он изначально положительный, а у смеси – отрицательный. Следует отметить, что подача напряжения, а также использование активных реагентов приводит к тому, что процедура считается небезопасной, по крайней мере для домашнего воплощения. При анодировании достигается две задачи – декоративное оформление и создание защитного слоя. Чаще всего этому подвергается алюминий, который по своей природе не обладает достаточными характеристиками жесткости, прочности, устойчивости к механическим воздействиям. В зависимости от того, какая кислота используется, а также какие параметры напряжения выставлены, можно добиться полученной пленки различной толщины. Тонкими они будут, если применять B(OH)₃ (борную) или H₃PO₄ (ортофосфорную). Но если нужно придать интересный оттенок оксидированной стали, то следует использовать органические кислоты, например, щавелевую, малеиновую, сульфосалициловую. Используют также и слабощелочные составы, чтобы погружать в них детали и пропускать слабый переменный или импульсный ток. Данный процесс называется микродуговой обработкой и отличается тем, что можно достичь хороших результатов. Поверхность не только хорошо смотрится и не ржавеет, но и становится более теплостойкой, приобретает изоляционные качества. Особенный подход нужно применять к нержавеющей стали. Она является инертным, то есть нейтральным сплавом. Как можно понять, добиться разности потенциалов в таком случае достаточно сложно. Поэтому процедура становится двухступенчатой. Сперва проводится двойное анодирование – то есть в ванну с составом погружают не только нержавейку, но и еще один элемент, который по своим характеристикам больше подходит для процесса. Для этих целей годится никель, медь.

Второй этап – это уже самостоятельное оксидирование нержавеющей стали. Но чтобы повысить эффективность и ускорить достижение результата, рекомендовано наносить пассивирующие пасты. Их назначение – ускорение реакции.

Плазменный метод

Также его называют микродуговым. Его особенность в том, что создается плазма с большим содержанием кислорода. При этом она не нагревается, поддерживаются низкие температуры. Сама генерация потока происходит под воздействием зарядов, которые, в свою очередь, образуются под влиянием переменного или импульсного тока высокой или сверхвысокой частоты. Обычно способ применяется, когда нужно создать оксидную пленку с целью защиты на относительно небольшой поверхности изделия. Чаще всего используется технология в электронике и микроэлектронике, например, при производстве полупроводников, транзисторов, диодов, микросхем. Второе назначение – увеличение светочувствительности, поэтому применяют процедуру для повышения чувствительности в фотокатодах. Иногда все же более целесообразно делать плазму с повышенной температурой – до 430 градусов и выше. Качество при этом сильно повышается. К преимуществам микродугового оксидирования стоит отнести:

• Слой оксида может достигать до 70% вглубь основной заготовки.
• Толщина около 200 – 250 мкм.
• Очень хорошо обрабатывать элементы, имеющие сложный рельеф.
• Отличное поведение на магниевых и алюминиевых сплавах.

Лазерное

С целью увеличения коррозийной стойкости можно добиться образования оксидной пленки на сталь, используя установку лазера. Особенность процесса в том, что для его совершения обязательно нужна специализированный станок. Наиболее эффективно зарекомендовало себя применение волоконного лазера в инфракрасном диапазоне свечения. Можно использовать три методики:

• импульсное излучение;
• непрерывный световой поток;
• точечный нагрев материала.

Отметим, что технология требует достаточно высоких затрат, а также не подходит для больших металлических элементов конструкций. Хорошо применять для ограниченных плоскостей, используя станки с ЧПУ.

Оксидирование своими руками

Если нужно сделать оксидную пленку дома, то для хорошего результата следует строго следовать последовательности действий, а также придерживаться правил безопасности. Ниже мы более подробно расскажем о поэтапном проведении самостоятельной оксидации, но сперва обсудим – а зачем это делать?

Что дает процесс

Производители деталей из металла знают, что основная проблема, почему их продукция быстро выходит из строя, – это образование коррозии. Дело в том, что фактически любое вещество, обладающее металлическими свойствами, достаточно сильно подвергается влиянию внешней среды. Это влажность, температурные перепады, солнечное излучение, реакции с кислородом, а также загрязнения и естественный износ. Посмотрим, что дает оксидирование для производителей.

Антикоррозийные свойства

Даже при постоянном нахождении на улице под дождем и при контакте с воздухом не происходит ржавления. Это очень актуально для элементов корпуса автомобилей и других предметов, которые преимущественно эксплуатируются вне помещения.

Ограничение воздействия внешней среды

Есть некоторые средства, которые являются агрессорами по отношению к металлу. Проще говоря, они разрушают его поверхность и даже проникают более глубоко в структуру, нарушая целостность. Это пары химикатов или жидкости, а также самый обыкновенный ультрафиолет.

Электроизоляционные характеристики

Ряд деталей должен стать диэлектриком, то есть не пропускать электричество. С такой задачей отлично справляется создаваемый диэлектрический слой.

Придание оригинального декоративного вида

Это может быть черный глянцевый блеск или более экзотический перелив различных цветов. Смотрится очень красиво, причем практичность остается такой же высокой.

Хим оксидирование стали: преимущества

Теперь перечислим особенности, которых можно добиться, если использовать технологию создания оксидной пленки с помощью химикатов.

Надежное покрытие антикор

Стальная деталь фактически становится нержавейкой. То есть ржавление хоть и не полностью исключено, но очень значительно заторможено.

Хорошие электрические изоляторы

После химической обработки можно ожидать, что поверхность совсем или частично перестает проводить ток. Все будет зависеть от того, какой раствор был взят, в какой концентрации и пр.

Тонкий, но стойкий поверхностный слой

Интересно, что может быть достигнута пленочка, толщиной всего в 200 мкм. Но это не делает ее более восприимчивой к механическим или иным вредителям.

Оригинальная цветовая гамма

Это больше признак анодирования. Но мы отметим, что после процедуры можно получить не только черный цвет, но и переливчатые волны от желтого к темно-синему, как на фото.

Термическое оксидирование

Представим таблицу с некоторыми сплавами, которые наиболее часто подвергают оксидации:

Импульсное лазерное излучение

Когда нагрев происходит не в печи, как при термическом методе, а с помощью лазера, то результат получается хороший, хоть и процесс – более трудный. До настоящего момента проводятся исследования, какие материалы как следует подвергать воздействию луча, но одним из вариантов является импульсы – то есть короткая подача потока на участок с постепенным смещением головки установки.

Непрерывное излучение

В таком случае обрабатываются только прочные стали, которые не боятся перегрева под постоянным воздействием. На зону направляется луч, который непрерывно перемещается по всей области оксидирования. Соответственно, нагрев получается очень значительный.

Своими руками

Представленные выше способы применяются только на производстве, но если вы готовы к самостоятельным экспериментам, то нужно создать небольшую домашнюю лабораторию. Для эксперимента возьмите небольшую стальную деталь, которая без проблем поместится в трехлитровую банку.

Этапы работ

Выполняйте каждый из них последовательно и тщательно. Заранее подготовьте все необходимые инструменты.

Грубая зачистка

Возьмите щетку по стали или наждачку с крупным зерном. Вам нужно убрать всю ржавчину до основания, а также другие загрязнения. Лучше, если вы потом пройдетесь мелкозернистой наждачной бумаги для однородности поверхности.

Полировка

Отлично подойдут специальные пасты с мелким абразивом или диски на ручных шлифовальных машинках.

Снятие налета

Иными словам – избавьте элемент от жира, масляных следов, а также остатков полировальной пасты.

Обработка

Для этого наведите раствор серной кислоты с 5% содержанием вещества и поместите туда заготовку на 1 минуту.

Промывание

Сперва ополосните деталь в обычной проточной воде, а затем прокипятите ее в мыльном водном составе. Теперь в емкости сделайте 5% раствор едкого натра, поместите туда заготовку и нагрейте до 150 градусов, выдержите в течение 2 часов. Потом просто дайте ему остыть и оцените результат. У вас получилось оксидированное покрытие – это прекрасный эффект, достигнутый в домашних условиях. Чтобы уточнить интересующую вас информацию и приобрести ленточнопильные станки российского производства по металлу, свяжитесь с менеджерами компании «Рокта» по телефонам 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.

5 методов оксидирования стали: можно ли применить их в домашних условиях

Оксидирование стали — процесс образования неактивной защитной пленки на поверхности металла. Подробное знакомство с тонкостями проведения процедуры, поможет разобраться какую из них можно выполнить самому.

Промышленные способы

Образование оксидной пленки на металлических поверхностях требует соблюдения определенных условий, применения специальных реагентов и растворов. В промышленных масштабах проведение работ осуществляется согласно существующим технологиям.

Химический способ оксидирования стали

Процесс основан на прохождении окислительно-восстановительной реакции. Защитный слой образуется под действием щелочей и солей кислот, выступающих в роли окислителей. Обработка изделий проводится при высоких и низких температурных режимах.

Горячий метод

Образование пленки осуществляется щелочным или кислым способом. В отсутствие щелочей процесс протекает 30 минут при температуре 98 – 100°C. Реагентом служат смеси, состоящие из фосфорной кислоты и азотнокислых солей кальция или бария. Защитная пленка, образуется из оксида железа и фосфатов.

Щелочное химическое оксидирование проводится в горячих растворах щелочей с окислителями. Изделия выдерживаются в них от 10 до 60 минут при температуре 135-145°C . Состав металла влияет на толщину оксидной пленки и скорость ее образования. Малоуглеродистые стали вступают в реакцию медленнее высокоуглеродистых сортов. Поэтому растворы для их обработки содержат большое содержание щелочи.

Холодный метод

Чернение осуществляется путем погружения стали в раствор при 15-25 °C. С развитием современных технологий в процессе холодного оксидирования стали применяться неагрессивные, водорастворимые концентраты, не имеющие запаха. Благодаря этому холодный способ приобрел ряд преимуществ.

• Метод подходит для деталей из разных видов сталей и чугунов: углеродистых и легированных, холодного и горячего проката, после ковки или штамповки и порошковых металлов.
• Отсутствуют затраты на разогрев ванны и поддержание температурного режима, приобретение и установку контрольно-измерительных приборов и мощной вентиляции помещений.
• Сохраняются размеры и прочностные характеристики обрабатываемых деталей.
• Отсутствует темный легко удаляемый налет и улучшается товарный вид. Обрабатываемые поверхности приобретают насыщенный черный цвет.
• Высокий уровень антикоррозионной защиты.
• Увеличивается производительность за счет сокращения времени на оксидирование с 30 минут до 55 секунд.
• Корректировка концентрации рабочего раствора не требует остановки процесса.

После образования защитного слоя изделия хорошо промываются, сушатся и подвергаются промасливанию. Обработка маслом повышает антикоррозионные свойства, износостойкость покрытия и придает ему насыщенный черный цвет. Оксидное покрытие, не пропитанное маслами покрывают краской.

Анодное оксидирование стали

В основе метода лежит электрохимическая реакция. Образование оксидного слоя происходит благодаря анодной поляризации в жидких или твердых электролитах. В отличие от гальванической обработки при анодировании не применяются вспомогательные составы на основе цинка и хрома. Пленка образуется из элементов, входящих в состав обрабатываемой поверхности. Электрохимический способ поддается регулировке. Это позволяет создать прочное покрытие с одинаковой толщиной по всей площади.

Данная технология подходит для поверхностей с высокой адгезией. В результате анодирования получают два вида оксидных слоев. При использовании кислых электролитов образуется пористая пленка. На нее впоследствии наносят лакокрасочное покрытие. В нейтральных растворах получается барьерная защита, не требующая дополнительной обработки.

Способы анодирования

При проведении электрохимического оксидирования учитывается сорт стали и состав сплава. Создание защитного слоя проводится несколькими способами.

Теплый метод. Его можно отнести к подготовительному этапу, за которым последует дополнительная обработка. При температуре в пределах 50°C образуется пористая поверхность. Прочность и антикоррозионную стойкость она приобретает после нанесения слоя краски.

Холодный метод. Для поддержания температурного режима в пределах 5°C по всему объему электролита проводят непрерывную циркуляцию. К достоинствам способа относится высокая скорость образования оксидной пленки. На растворение металла требуется больше времени, что позволяет сохранить размеры обрабатываемых изделий.

Твердое анодирование. Особенность данного метода заключается в использовании нескольких электролитов. Состав повышает прочность пленки, стойкость стали к коррозии и к воздействию агрессивных сред.

Преимущества анодированного металла:

• Оксидная пленка надежно защищает от воздействия влаги, кислот и щелочей.
• Высокая прочность оксидного слоя повышает стойкость стали к механическим воздействиям
• Анодированное покрытие обладает диэлектрическими свойствами.
• Изделия из обработанного металла соответствуют всем нормам экологической безопасности.
• На посуде, обработанной данным способом, образуется не пригорающее покрытие.
• Анодирование повышает декоративные качества стали. Добавление в электролит солей позволяет изменить цвет металла. Окрашенные изделия приобретают глубокие ровные оттенки.
• Электрохимическое оксидирование позволяет скрыть царапины, потертости и другие дефекты поверхности металла.

Термический способ

Процесс протекает в специальных печах с использованием водяного пара или кислорода. Данный метод исключает использование химикатов. Обработка деталей производится при строгом соблюдении температурных режимов. Они зависят от химического состава металла и марки стали. Толщина образовавшегося защитного слоя не превышает 2 микрона.

Низколегированные марки стали, и железо выдерживают в печах при 300-350 °С. Данный метод подходит для воронения стрелкового оружия и декоративной отделки металла.

Легированные стали оксидируют при температуре 700 °С. в течение 60 минут. Толщина образованной защитной пленки составляет 1 — 1,5 микрона. Способ позволяет сохранить размеры обрабатываемых изделий.

Магнитные сплавы железа и никеля прокаливают в течение полутора часов при температуре от 400 до 800°С. Таким образом происходит образование диэлектрических плёнок полупроводников.

Термическим оксидированием создают защитный слой на изделиях из кремния, используемых в электронике. Процедура проводится при повышенном давлении и температуре от 800 до 1200 °С.

Плазменное электролитическое оксидирование

Процесс заключается в поверхностной обработке металлов и сплавов при низких температурах в кислородной среде. Он основан на традиционном анодировании. Отличием способа является действие микроразрядов высокой и сверхвысокой частоты на обрабатываемую поверхность. Их термическое и плазмохимическое влияние на используемый электролит приводит к формированию оксидного слоя.

Методика позволяет получить слой с многофункциональной защитой поверхностей. В результате обработки образуются оксидные пленки с высокими декоративными показателями, повышенной изоляционной, коррозионной и тепловой стойкостью.

Толщина покрытия составляет 200 – 250 мкм. Детали, обработанные плазменным способом, применяются в полупроводниковых соединениях, диодах, транзисторах и интегральных микросхемах. Их используют для повышения чувствительности в фотокатодах.

Лазерное оксидирование

Образование защитного слоя в данном случае происходит под воздействием лазерного луча. Изделие погружается под заданный слой воды. Плотность потока, продолжительность процесса и величина энергии лазерного излучения подбирается так, чтобы в процессе оксидирования нагрев поверхности металла не превысил температуру перехода воды в пар.

При обработке используют импульсный, непрерывный и точечный режим воздействия лучей на металл. Установки, используемые для оксидации, работают в инфракрасном диапазоне.

Преимущества этого способа:

• Метод позволяет регулировать толщину и сохранить технические характеристики деталей.
• В результате обработки повышается коррозионная стойкость, прочность и долговечность изделий.
• Значительно увеличиваются диэлектрические свойства и декоративные качества.
• Снижается коробление при обработке сложных по форме, тонкостенных и труднодоступных участков.
• Расширяется количество металлов и сплавов, пригодных для данного вида оксидирования.
• Повышается скорость процесса без приближения к критическим значениям температур.

Оксидирование стали в домашних условиях

Повысить прочность металлических изделий и улучшить их декоративные качества можно своими руками. Стоит учитывать, что покрытие будет уступать по качеству защитным слоям, полученным при промышленном процессе.

Подготовительные действия

Перед проведением процедуры необходимо подготовить рабочее место, требуемые препараты и инструменты. Для создания безопасных условий проводятся следующие мероприятия.

1. Обеспечивается хорошая приточно-вытяжная вентиляция. Над местом проведения работ рекомендуется установить зонд.
2. Подготавливается рабочая емкость для полного погружения детали.
3. Изготавливается емкость из стекла, пластика или фаянса. Она необходима для приготовления растворов, нейтрализующих кислоту и щелочь.
4. Приобретаются защитные средства: резиновые перчатки, респиратор, очки для работы с химреактивами, брезентовые фартук.

Соблюдение правил техники безопасности поможет провести оксидирование без травм, ожогов и убережет от вредного действия паров кислот и щелочей. Приобрести предметы индивидуальной защиты можно в магазинах рабочей одежды.

Щелочное оксидирование

Использование данного метода – самый простой способ нанесения оксидного слоя в домашних условиях. Для обработки изделия массой до 1 килограмма потребуется 100 г каустической соды и 30 г натриевой селитры.

Этапы проведения работ:

1. В 1 литре воды растворяют 1кг каустика и 300 г селитры. Пропорции меняются в зависимости от требуемого объема реагента.
2. Обрабатываемую деталь помещают в емкость с приготовленной смесью. В растворе, разогретом до 140⁰С, выдерживают изделие в течение 30 минут.
3. После завершения процедуры проводят промывку от остатков рабочей смеси.
4. Очищенную деталь пропитывают машинным маслом и протирают ветошью.

Для выполнения оксидирования можно использовать растворы едкого калия или натрия. Содержание реагента в 1 литре воды должно быть не меньше 700 граммов. Процедура проводится по аналогии.

Равномерный слой оксидной пленки можно получить, если обрабатываемое изделие полностью находится в растворе. Для этого необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости.

Кислотное оксидирование своими руками

Перед началом работ поверхность детали тщательно очищается, с нее удаляются все загрязнения и налет. После очистки проводится обезжиривание с помощью водки, чистого спирта или растворителя.

Поэтапное проведение работ.

1. Изделие помещают на 1 минуту в емкость с серной кислотой 5% концентрации. По истечении времени деталь промывают в кипяченой воде. Процедуру повторяют 2-3 раза.
2. Обрабатываемый материал несколько минут кипятят в растворе хозяйственного мыла.
3. Готовое изделие промывают, сушат и протирают машинным маслом. Его излишки удаляют ветошью.

После правильно выполненного оксидирования металлическая поверхность должна поменять цвет.

При отсутствии серной кислоты можно использовать смесь лимонной и щавелевой кислот. На 1 литр раствора берут по 2 грамма того и другого реагента. Кипячение в нем продолжают 20 минут. Обработанную деталь промывают слабощелочным раствором и пропитывают машинным маслом.

Заключение

Оксидирование – один из самых действенных методов повышения антикоррозионной стойкости стали. За счет образования плотного защитного увеличивается прочность и долговечность изделий, повышаются диэлектрические свойства и декоративные качества.

Существуют доступные способы проведения работы в домашних условиях. Соблюдение правил работы с агрессивными веществами, и выполнение инструкций поможет без проблем провести процедуру самостоятельно.

Используемая литература и источники:

• Справочник металлурга и химика цветной металлопромышленности. Часть вторая / Д. Лиддель. — М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии
• Окрашивание полимерных материалов / А. Мюллер. — М.: Профессия, 2007.
• Химическая технология переработки редкометального сырья Кольского полуострова. — М.: Наука
• Статья на Википедии

Оксидирование стали | Воронение стали | Чернение | Механизм и технология химического процесса

Содержание

1. Общие способы воронения металла. Обозначение и свойства холодного химического оксидирования стали.

Оксидирование — процесс создания на поверхности изделия тонкой пленки оксидов для придания функциональных свойств. Сталь оксидируют для умеренной защиты от коррозии (в этом случае пленку дополнительно пропитывают маслом) и придания декоративного черного цвета. В редких случаях оксидирование производят в качестве грунта под покраску.

Еще один плюс покрытия в том, что процесс практически не изменяет размеров деталей и не влияет на физико-химические свойства металла.

Оксидирование (черное воронение) стали производится термическим, химическим и электрохимическим методом.

Химическое можно разделить еще на два способа:

• холодное чернение;
• горячее — высокотемпературное и низкотемпературное.

Сегодня предпочтение часто отдается холодному химическому способу. Составы для него запатентованы, а растворы продаются в виде готовых, обычно двухкомпонентных, композиций.

Мы же рассмотрим подробнее второй вариант, являющийся классическим. Его часто используют при воронении стволов охотничьего ружья в домашних условиях.

Хим.окс — химическое оксидирование

Хим.окс.прм — химическое оксидирование с промасливанием.

2-4 мкм ( не нормируется)

Нет точных данных, з ависит от марки сплава материала-основы

Допустимая рабочая температура

2. Механизм горячего химического оксидирования стали.

Горячее химическое оксидирование делается в щелочных и не щелочных составах. Щелочное воронение производится в смеси щелочи с окислителями. В результате процесса на стали образуется пленка магнитной окиси железа Fe₃O₄.

Безщелочное воронение производится при более низких температурах и за меньшее время. Используется раствор, состоящий из фосфорной кислоты и окислителей — азотнокислых соединений кальция или бария. Такое оксидное покрытие состоит уже из фосфатов и оксида железа (оксидно-фосфатное).

Главной реакцией процесса воронения стали является ее взаимодействие со щелочью и окислителями. Растворяясь в горячем концентрированном щелочном растворе, железо дает соединение Na₂FeO₂. Под воздействием окислителей в растворе образуется соединение трехвалентного железа Na₂Fe₂O₄. В итоге при химическом оксидировании на поверхности металла возникает оксидная пленка по реакции:

Формирование оксидной пленки начинается с появления на поверхности металла кристаллических зародышей. По мере того как оксид покрывает металл, изолируя его от взаимодействия с раствором, уменьшается скорость растворения железа и формирования пленки.

Скорость роста покрытия и его толщина зависят от соотношения скоростей образования центров кристаллизации и роста отдельных кристаллов:

• При большой скорости образования зародышей их количество на поверхности металла быстро растет. Кристаллы смыкаются, образуя тонкую сплошную пленку.
• Если же скорость формирования зародышей относительно невелика, то до того, как они соединятся, создаются благоприятные условия для их роста и получения оксидной пленки большой толщины.

При химическом воронении стали процесс образования оксидной пленки определяется в первую очередь составом стали, составом раствора и температурой.

Стали, более легированные, чем 40Х, оксидируются труднее не в чисто черный цвет. Нержавеющие стали описанным способом не оксидируются в принципе. Скорость растворения железа зависит от ее химического состава и микроструктуры. Высокоуглеродистые стали оксидируются быстрее, чем малоуглеродистые. Поэтому при оксидировании малоуглеродистой стали применяются растворы с увеличенным содержанием щелочи. Состав стали оказывает влияние и на цвет оксидной пленки: на малоуглеродистых сталях она получается глубоко черного цвета, в то время как на высокоуглеродистых — черного с серым отливом.

При большой концентрации в растворе окислителя возрастает скорость образования зародышей оксида и, следовательно, уменьшается толщина формирующейся оксидной пленки. Уменьшение концентрации окислителя в растворе способствует росту толщины пленки, но в сильно концентрированных растворах на поверхности стали может выделиться рыхлый осадок гидроксида железа и защитные свойства покрытия уменьшаться.

Воронение без промасливания применяется редко ввиду значительной пористости, малой толщины и, следовательно, низкой коррозионной стойкости покрытия. Промасливание, впитываясь в поры, обеспечивает улучшение антикоррозионных характеристик, повышенную износостойкость и более глубокий черный цвет.

Промасленное покрытие на стали применяется для защиты деталей от коррозии, декоративной отделки, как антибликовое покрытие на инструменте.

Горячее высокотемпературное и низкотемпературное химическое воронение без промасливания может использоваться как грунт под покраску. Заметим, что холодное чернение применять как грунт нежелательно.