Оксидирование

Микродуговое оксидирование

Микродуговое оксидирование (МДО) – метод получения многофункциональных оксидных слоев. Микродуговое оксидирование – походная от анодирования. Позволяет наносить слои с высокими защитными, коррозионными, теплостойкими, изоляционными, декоративными свойствами. По внешнему виду покрытие, полученное микродуговым способом, очень напоминает керамику.

Сейчас это один из самых перспективных и востребованных способов нанесения оксидных слоев, т.к. позволяет наносить сверхпрочные покрытия с уникальными характеристиками.

Процесс микродугового оксидирования ведется, в большинстве случаев, в слабощелочных электролитах при подаче импульсного либо переменного тока. Перед нанесением покрытия не требуется особой подготовки поверхности. Особенностью процесса является то. Что используется энергия от электрических микроразрядов, которые хаотично передвигаются по обрабатываемой поверхности. Эти микроразряды оказывают на покрытие и электролит плазмохимическое и термическое воздействие. Оксидный слой приблизительно на 70 % формируется вглубь основного металла. Только 30 % покрытия находится полностью снаружи изделия.

Толщина покрытий, полученных микродуговым способом, составляет около 200 – 250 мкм (достаточно толстое). Температура электролита может колебаться от 15 до 400 °С, и это не оказывает на процесс особого влияния.

Применяемые электролиты не оказывают вредного влияния на окружающую среду и их срок службы очень долгий. Оборудование – компактное, не занимает много места и просто в эксплуатации.

Рассеивающая способность используемых электролитов высока, что позволяет получать покрытия даже на сложнорельефных деталях.

Микродуговое оксидирование применяется для формирования покрытий в основном на магниевых и алюминиевых сплавах.

Термическое оксидирование

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

Название	Температура, °с	Особенности, назначение, использование
Низколегированные стали или железо	300-350	Второе название – воронение. Очень распространенный способ, основная его задача – декоративная металлообработка, так как деталь приобретает черный (вороной) цвет. Пример применения – создание стрелкового оружия. Еще одно преимущество – исходные размеры сохраняются, потому что оксидная пленка образуется очень тонкая, не более одного-полутора микрона.
Легированные стальные элементы	до 700	Нанесение состава занимает продолжительный период – не менее 1 часа.
Железоникелевые магнитные сплавы	400 – 800	Процесс длится на протяжении 0,5 – 1,5 часов. Возникает слой, который считается диэлектриком, поэтому от просто необходим при создании электрических полупроводников.
Кремний	800 – 1200	Процедура имеет название термокомпрессионной. Она проходит под большим давлением до 107 па. Подвергаемые ей изделия необходимы в электронике.

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.

Анодирование различных типов металла

Особенности анодирования меди и ее сплавов

Чаще всего анодирование меди и ее сплавов осуществляется химическим или электрохимическим способами. В результате поверхность материала в большинстве случаев приобретает цветное покрытия.

Для получения пленки из меди применяется кислая или цианистая жидкость. Медные сплавы, в состав которых входят легирующие металлы повергаются анодному окислению намного сложней.

Особенности анодирования серебра

Анодное окисление серебра позволяет придать изначально белому металлу черный, фиолетовый либо синий оттенок без изменения структуры и качественных характеристик обрабатываемого материала. Обработку серебряных изделий специалисты рекомендуют производить при помощи серной печени. При проведении анодирования серебро начинает менять цвет примерно через полчаса. После того, как изделие обретет необходимый цвет, его необходимо достать из жидкости и тщательно промыть сначала горячей, потом теплой и, наконец, холодной водой.

Особенности анодирования титана

Анодирование титана представляет собой обязательную процедуру, основное значение которой заключается в повышении показателя износоустойчивости данного металла. Наличие оксидной пленки придает изделию химическую прочность и изменяет цвет поверхности покрытия. Использоваться для анодного окисления титана могут хромовая, щавелевая или любая другая кислота.

Зависимость цвета оксидной пленки титана от напряжения тока при оксидировании.

Особенности анодирования алюминия

Анодное окисление алюминия требуется, независимо от того, что этот металл может отлично выглядеть и после экструзивной обработки. Связано это с тем, что алюминий в большой степени подвержен коррозии. К тому же он под воздействием целого ряда негативных внешних факторов легко разрушаться.

Цемент

Это самый долгий способ из представленных, но экологичный и дешевый.

Для начала подготавливают поверхность емкости обдирочной щеткой или наждачной бумагой. Смывают пыль от ошкуривания под напором воды и просушивают бочку. Цемент разводят водой до состояния сметаны для удобного для нанесения кистью. Покрывают бочку изнутри, тщательно проходя неровности, выступы и углубления. Затем наступает самый долгий этап — просушка. Бочку переворачивают и устанавливают на емкость с водой, чтобы цемент застывал во влажной среде и не растрескивался. Процедуры по нанесению раствора повторяют 2-3 раза. После полного высыхания защищенную бочку наполняют водой.

Цемент — неэластичный материал. Днём железо под воздействием солнечных лучей нагревается, а ночью остывает — происходит микродеформация бочки. Под воздействием температурных колебаний покрытие дает трещины к концу сезона. На следующий год все этапы придется повторить заново.

Оксидирование в домашних условиях

Процедуру можно произвести и в домашних условиях, при этом качество покрытия ничем не будет уступать заводским или фабричным аналогам. Воронением может заняться любой человек, у которого есть в наличии щелочь и окислитель. С помощью таких компонентов производится самое элементарное химическое оксидирование.

Статья по теме: Технология анодирования металла и ее особенности

Естественно, оксидированный в домашних условиях материал будет уступать своими защитными характеристиками, но значительно повысится его устойчивость в сравнении с первоначальными условиями. Кроме основных особенностей и эстетическая составляющая может значительно пострадать.

Алгоритм домашней обработки:

Сначала поверхность изделия полируется. Нужно убрать все инородные проявления и налет. Очистка должна быть тщательной и равномерной.
Производится декопирование с помощью раствора серной кислоты. Лучше использовать 5%-й состав. Изделие помещается в раствор на одну минуту.
Необходимо вытащить деталь из кислоты и промыть ее в кипяченой, слегка теплой воде. Процедуру при необходимости проделать несколько раз.
После производится пассирование. Деталь помещается в воду с небольшим количеством хозяйственного мыла. Прокипятить изделие в течение нескольких минут.
В эмалированную посуду, которая не имеет никаких нарушений поверхности, заливается вода. Сюда добавляется примерно 50 грамм едкого натра.
Аккуратно уложить изделие в емкость так, чтобы она была полностью покрыта раствором. Нагреть содержимое до 150 градусов. Кипячение производится около двух часов. Может потребоваться и больше времени. Все зависит от температуры нагрева. Только потом завершается процесс обработки.
Далее нужно выложить изделие на ровную поверхность и дать ему остыть. Желательно ограничить площадь соприкосновения элемента с поверхностью. Если изделие поменяло цвет, то металл поддался воронению.

Оксидированные детали существенно изменяют внешний вид и характеристики. Такое воронение соответствует химическому типу покрытия, которое наносится в заводских условиях.

Оксидирование алюминия и алюминиевых сплавов

Для эффективной защиты алюминия от коррозии наилучшим способом является создание на его поверхности оксидных слоев. Для этого применяют химическое, электрохимическое либо микродуговое оксидирование.

Анодирование (анодное оксидирование) алюминия

Покрытие может применяться как самостоятельная защита от атмосферной коррозии алюминия и его сплавов, или же, как основа под покраску. Оксидная пленка легок растворима в щелочах, но обладает достаточно высокой стойкостью в некоторым минеральным кислотам и воде.

Состав защитного слоя на алюминии: аморфный оксид алюминия, кристаллическая γ-модификация Al2O3.

Твердость оксидного слоя: на техническом алюминии — порядка 5000 – 6000 МПа, на сплавах алюминиевых от 2000 до 5000 МПа.

Слои, полученные методом оксидировании, отличаются хорошими электроизоляционными свойствами. Удельное электросопротивление составляет 1014 – 1015 Ом·м.

Анодированием можно получать на алюминии слои с различными заранее заданными свойствами. Можно получать твердые и мягкие защитные слои, безпористые, пористые, эластичные, хрупкие. Различные свойства получают при варьировании составом электролита и режимами электролиза.

При оксидировании алюминия в нейтральных или кислых электролитах (в большинстве растворов) поверхность алюминия почти моментально покрывается толстым слоем оксидов.

При электрохимическом оксидировании сначала образуется тонкий слой окислов, а потом кислород, проникает сквозь этот слой, упрочняя и утолщая его. Окисный слой достигает толщины около 0,01 – 0,1 мкм и прекращает свой рост. Этот слой называется барьерным. Для продолжения роста окислов необходимо увеличить напряжение на ванне.

Некоторые электролиты способны растворять оксид алюминия. Если электролит не растворяет оксидную пленку – она достигает толщины, отвечающей заданному напряжению. Это около 1 — 2 мкм. Такие пленки используются при производстве электрических конденсаторов, т.к. они не имеют пор, обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

При использовании электролитов, способных растворять оксидный слой, утолщение пленки зависит от двух процессов, которые протекают на аноде:

— растворения пленки под воздействием электролита;

— электрохимического окисления металла у основания пор.

Если скорость окисления алюминия выше скорости растворения окислов, то происходит утолщение окисного слоя. В начале процесса оксидирования скорость окисления больше, скорости растворения, но с течением процесса увеличивается скорость растворения оксидов. Рост пленки прекращается, когда эти две скорости уравниваются.

Толщина оксидной пленки, полученной при анодировании алюминия, зависит от растворяющей способности электролита. А она, в свою очередь, определяется концентрацией кислоты, температурой и другими факторами.

Толщина оксидного покрытия зависит также от состава алюминия и его сплавов. Химически чистый алюминий легче анодировать, чем его сплавы. С увеличение в составе сплава различных добавок труднее получить пленки с хорошими характеристиками. На алюминиевых сплавах, содержащих марганец, медь, железо, магний, покрытие получается шероховатым, неровным. Это объясняется высокой скоростью растворения интерметаллических соединений, в виде которых эти металлы присутствуют в алюминиевом сплаве.

Оксидные пленки на алюминии, полученные методом анодирования, состоят из двух слоев: первый слой, на границе с металлом, беспористый барьерный в толщину от 0,01 до 0,1 мкм; второй слой пористый и достаточно толстый (от 1 мкм до нескольких сотен мкм.). Рост окисного слоя происходит за счет утолщения внешнего слоя.

Химическое оксидирование алюминия

Химическое оксидирование алюминия – самый доступный, дешевый и простой способ получить оксидные пленки на алюминии и его сплавах. Метод химического оксидирования не требует подвода электрического тока. Процесс проводится в растворах хроматов и позволяет оксидировать большое количество деталей одновременно. По качеству полученные пленки уступают слоям, полученным методами, с использованием тока. Толщина оксидных слоев – около 2 – 3 мкм.

В связи с невысокими защитными свойствами окисных слоев, полученных химическим оксидированием, метод не нашел широкого применения (используется довольно редко).

Очень важно при химическом оксидировании алюминия и его сплавов постоянно контролировать температуру и состав электролита. При уменьшении концентрации щелочи в растворе для химического оксидирования – пленки получаются тонкие, а при увеличении и высокой температуре раствора — имеют рыхлую структуру

Технология оксидирования титана

Оксидирование титана обязательная необходимость по причине низкой износостойкости данного типа металла.

Получение оксидной пленки позволяет титановым изделиям приобрести химическую прочность, повысить фрикционные характеристики материала и изменить цвет поверхностного покрытия.

Чтобы провести оксидирование титана применяют чаще всего анодную обработку, так как титан плохо выдерживает воздействие химических растворов в процессе химического оксидирования.

Анодное оксидирование титана предусматривает использование щавелевой, хромовой и прочих кислот или их смесей, а также иных добавок.

Черная оксидная пленка способствует упрочнению поверхностной структуры титановых изделий, является результатом применения технологии анодирования 18-ти % раствором серной кислотой.

В зависимости от режима обработки, защитная пленка приобретает определенную толщину.

Например, если процесс выполняется при температуре 800С, плотность анодного тока составляет 0,5 Ампер с продолжительность обработки в течение 8 часов, пленочный слой будет составлять около 2,5 микрон.

При анодировании в режиме: 100ºС, продолжительность – 2 часа, плотность тока – 1 Ампер – толщина пленки будет равняться 1 микрону.

Суть и назначение технологии

В своей основе оксидирование стали имеет окислительно-восстановительную реакцию металла при его взаимодействии с кислородом воздуха, электролитом или специальными кислотно-щелочными растворами. В результате на поверхности детали образуется защитная пленка, повышающая технические характеристики металла:

увеличивает твердость;
снижает образование задиров;
повышает способность деталей к прирабатыванию;
увеличивает срок службы;
создает декоративное покрытие.

Покрытие оксидной пленкой применяют для различных материалов. В ювелирной промышленности и при создании бижутерии используют оксидирование многих металлов:

серебра;
алюминия;
меди;
титана;
латуни;
бронзы.

Сущность обработки – в увеличении прочности и придании дополнительной декоративности. Изделия из серебра хорошо держат форму. Это позволяет создавать украшения с острыми углами и тонким орнаментом. С помощью оксидов создается патина, имитирующая старину, и другие эффекты.

В зависимости от характеристик и свойств металла используют различные технологии создания сложных окислов на поверхности.

К положительным качествам оксидирования относится его распределение по поверхности тонкой пленкой в несколько микрон – тысячных долей миллиметра. При этом не меняются размеры деталей и посадочных мест сверху и на поверхности.

Анодирование в сернокислом электролите

Анодирование в серной кислоте позволяет получить полупрозрачные, бесцветные покрытия толщиной около 35 мк. Если процессу анодирования предшествует процесс глянцевания поверхности деталей, покрытия получают высокие декоративные качества (блестящее анодирование). В серной кислоте получают также пластичные анодные пленки, которые не разрушаются при формовке изделий.

Концентрация серной кислоты и температура электролита

Концентрация серной кислоты для анодирования в промышленных условиях принимается в диапазоне 8-35% (по массе). В концентрированном растворе анодная пленка получается мягкой и пористой, эластичность пленки высокая. Классической является концентрация 15% (по массе). Температуру в процессе анодирования задают в пределах от 18С до 25С. В большинстве случаев принимается температура в 20С. С применением серной кислоты получают также твердые анодные пленки, в этом случае процесс анодирования проводится при низких значениях температур (от -5 до +5 С).

Контроль температуры в процессе анодирования является обязательным, от температуры зависит плотность тока и скорость растворения пленки, что в свою очередь оказывает прямое влияние на качество и характеристики покрытия. Для того, чтобы избежать локального перегрева раствора электролита используют специальные перемешивающие устройства.

Напряжение и плотность тока

При анодировании в серной кислоте используется стандартный выпрямитель с выходным напряжением до 24 вольта. При стандартном режиме сила тока составляет 16 вольт при плотности тока 1,5 а/дм2. Для получения коррозионностойких пленок большой толщины напряжение силу тока поднимают до 18 вольт, а при обработке сплавов алюминия с кремнием до 22 вольт. В отдельных случаях, например, при анодировании рулонного материала или проволоки используется переменный ток. Использование пониженной плотности тока позволяет получать тонкие, прозрачные окисные пленки, превосходящие по прозрачности пленки аналогичной толщины, полученные при стандартных значениях плотности тока.

Длительность процесса

Продолжительность процесса анодирования зависит от требуемых значений толщины пленки, а также используемой плотности тока. Для чистого алюминия это соотношение можно предложить в виде:

Толщина пленки, мк. = (Плотность тока, а/дм2 Х Время, мин.)/3

Соотношение является приблизительным, т. к. на продолжительность процесса может зависеть от типа сплава и режима обработки.

Рабочий процесс

Технологический процесс анодирования отличается от процессов нанесения гальванических покрытий прежде всего тем, что рассеивающая способность электролитов анодирования значительно выше, чем у электролитов, использующихся при процессах хромирования, меднения, цинкования или никелирования металла. Эффективная рассеивающая способность при активном перемешивании позволяет получать равномерные по толщине пленки на всей поверхности изделий, включая внутренние поверхности отверстий и пазов.

В остальном технологический процесс анодирования аналогичен процессам электрохимического нанесения покрытий – изделия погружают в предварительно нагретый электролит на подвесах или зажимах, детали не соприкасаются друг с другом, расстояние до катода должно быть не менее 15 см. (для габаритных изделий значения выше). Затем включается перемешивание раствора и подается ток. В обычных условиях площадь катода должна быть равна площади анода, сечение катода должно быть достаточным для обеспечения требуемой плотности тока.

По окончании процесса прекращают подачу тока и незамедлительно извлекают изделия из гальванической ванны. Изделия промывают в проточной воде и сушат.

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.

Чего можно достичь воронением

В результате химической или термической обработки на поверхности стальной детали возникает слой окиси железа толщиной от 1 до 10 микрон. Толщина слоя определяется выбранной технологией обработки.

Воронение металла позволяет достичь две основные цели:

Повышение коррозионной стойкости изделия. Обработанные детали не ржавеют. Улучшение внешнего вида

Особенно важно для тех деталей, которые по условиям эксплуатации не подлежат покраске

Температурные режимы воронения

Обработка не влияет на другие свойства стали.

Воронение стали возможно не только в условиях производства, но и в домашних условиях. Существует много способов и составов, практически все они связаны с применением химически активных веществ, могущих причинить серьёзный вред здоровью. Для успешного и безопасного применения в домашних условиях этих веществ необходимо следовать правилам безопасности:

Использовать защитную маску и перчатки.
Обеспечить вентиляцию помещения, в котором проводят работы.
Применять посуду из нержавеющей стали.
Не превышать рекомендованную температуру обработки.

Методы борьбы с коррозией

Выбор подходящего способа защиты поверхности от образования ржавчины определяется условиями, в которых работает данная деталь или конструкция. Наиболее эффективны следующие методы:

Нанесение поверхностных атмосферостойких покрытий;
Поверхностная металлизация;
Легирование металла элементами, обладающими большей стойкостью к участию в окислительно-восстановительных реакциях;
Изменение химического состава окружающей среды.

Механические поверхностные покрытия

Поверхностная защита металла может быть выполнена его окрашиванием либо нанесением поверхностных плёнок, по своему составу нейтральных к воздействию кислорода. В быту, а также при обработке сравнительно больших площадей (главным образом, подземных трубопроводов) применяется окраска. Среди наиболее стойких красок – эмали и краски, содержащие алюминий. В первом случае эффект достигается перекрытием доступа кислороду к стальной поверхности, а во втором – нанесением алюминия на поверхность, который, являясь химически инертным металлом, предохраняет сталь от коррозионного разрушения.

Положительными особенностями данного способа защиты являются лёгкость его реализации и сравнительно небольшие финансовые затраты, поскольку процесс достаточно просто механизируется. Вместе с тем долговечность такого способа защиты невелика, поскольку, не обладая большой степенью сродства с основным металлом, такие покрытия через некоторое время начинают механически разрушаться.

Химические поверхностные покрытия

Коррозионная защита в данном случае происходит вследствие образования на поверхности обрабатываемого металла химической плёнки, состоящей из компонентов, стойких к воздействию кислорода, давлений, температур и влажности. Например, углеродистые стали обрабатывают фосфатированием. Процесс может выполняться как в холодном, так и в горячем состоянии, и заключается в формировании на поверхности металла слоя из фосфатных солей марганца и цинка. Аналогом фосфатированию выступает оксалатирование – процесс обработки металла солями щавелевой кислоты. Применением именно таких технологий повышают стойкость металлов от трибохимической коррозии.

Недостатком данных методов является трудоёмкость и сложность их применения, требующая наличия специального оборудования. Кроме того, конечная поверхность изменяет свой цвет, что не всегда приемлемо по эстетическим соображениям.

Легирование и металлизация

В отличие от предыдущих способов, здесь конечным результатом является образование слоя металла, химически инертного к воздействию кислорода. К числу таких металлов относятся те, которые на линии кислородной активности находятся возможно дальше от водорода. По мере возрастания эффективности этот ряд выглядит так: хром→медь→цинк→серебро→алюминий→платина. Различие в технологиях получения таких антикоррозионных слоёв состоит в способе их нанесения. При металлизации на поверхность направляется ионизированный дуговой поток мелкодисперсного напыляемого металла, а легирование реализуется в процессе выплавки металла, как следствие протекания металлургических реакций между основным металлом и вводимыми легирующими добавками.

Изменение состава окружающей среды

В некоторых случаях существенного снижения коррозии удаётся добиться изменением состава атмосферы, в которой работает защищаемая металлоконструкция. Это может быть вакуумирование (для сравнительно небольших объектов), или работа в среде инертных газов (аргон, неон, ксенон). Данный метод весьма эффективен, однако требует дополнительного оборудования — защитных камер, костюмов для обслуживающего персонала и т.д. Используется он главным образом, в научно-исследовательских лабораториях и опытных производствах, где специально поддерживается необходимый микроклимат.

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.