Холодное оксидирование как способ получения декоративного покрытия
Холодное оксидирование (воронение) стали как способ получения декоративного покрытия на деталях из углеродистой и малоуглеродистой стали
Защита углеродистых и малоуглеродистых сталей от коррозии различными методами находит достаточно широкое применение в промышленности. К таким методам защиты чаще всего относят покрытия, получаемые на поверхности обрабатываемых деталей электрохимическим способом – цинкованием, никелированием и др. Помимо защитных свойств к покрытиям очень часто предъявляются и требования по внешнему виду и декоративности.
Процессы получения покрытий, обладающих как декоративными, так и защитными свойствами на углеродистых сталях, в последнее время приобретают все большую актуальность. Большинство известных и общеприменяемых технологий получения подобного покрытия связаны с высокотемпературной обработкой деталей в высококонцентрированных щелочных растворах с добавлением нитрита или нитрата натрия при температуре до 150 °С. Очень часто такую операцию получения покрытия называют воронением или чернением, а получаемое покрытие имеет насыщенный черный цвет.
Недостатком такой технологии является применение агрессивных химических компонентов – щелочи и солей-окислителей железа, а также необходимость поддержания температурного режима выше 100 °С.
Альтернативой данному покрытию предлагается технология низкотемпературного химического оксидирования, позволяющая получать аналогичное по свойствам и внешнему виду глубоко насыщенного черного цвета покрытие, обладающее хорошими защитными и декоративными свойствами при условии их обязательного промасливания. Процесс холодного оксидирования осуществляется в специальном растворе, имеющем слабокислую среду, пленка сформированного покрытия не содержит токсичных элементов в своем составе. В настоящее время на рынке существует огромное количество коммерческих составов и композиций для холодного оксидирования, однако, большинство из них достаточно идентичны по компонентному составу. Холодное оксидирование при пониженной температуре в конечном счете не является настоящим процессом получения оксидной пленки на стали. Учитывая базовые компоненты растворов для холодного оксидирования – а чаще всего это соединения меди и селенистой кислоты, можно говорить о покрытии селенидом меди, который имеет насыщенный черный цвет. При этом рН растворов поддерживается и корректируется за счет добавления фосфорной кислоты. Износостойкость же получаемых таких покрытий ниже, чем у классического горячего оксидирования. Помимо всего, получаемое покрытие селенида меди не подходит для последующего окрашивания.
Принципиально в составы растворов для холодного оксидирования стали могут входить следующие компоненты: сульфат меди, диоксид селена, фосфат натрия, соли никеля, цитрат натрия (для связывания меди в комплекс), уксусная и фосфорная кислоты.
Предположительно существует два механизма холодного оксидирования стали с помощью медно-селеновой композиции. По первому механизму между железом и селенистой кислотой происходит окислительно-восстановительная реакция с образованием двухвалентных ионов селена и железа по реакции:
3Fe + SeO32-+ 6H+ → 3Fe2+ + Se2- + 3H2O
А уже в дальнейшем ионы двухвалентной меди, находящиеся в растворе, в области примыкающей к поверхности обрабатываемой детали, реагирует с образовавшимися по первой реакции ионами селена с образованием компактного черного осадка селенида меди по реакции:
Cu2+ + Se2-→ CuSe↓
Второй предполагаемый механизм образования пленки селенида меди черного цвета является двухстадийным. В соответствии с данным механизмом на первой стадии ионы меди взаимодействует с поверхностью обрабатываемой стальной детали по реакции цементации, а затем контактно выделившаяся на поверхности металлическая медь окисляется селенистой кислотой с образованием черного селенида меди.
Однако, как считают многие исследователи, второй механизм образования пленки является маловероятным, поскольку покрытие черного цвета селенида меди неоднократно было получено и на предварительно фосфатированной поверхности. Ввиду отсутствия возможности цементации меди поверх фосфатного покрытия, вероятность протекания второй стадии взаимодействия меди с селенистой кислотой минимальна, а следовательно, образование пленки в основном протекает по первому механизму.