Фазлутдинов К.К.

03.04.2019 (обновленно 11.05.2021)

12084 просмотров

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

Содержание

1. Общие способы воронения металла

2. Механизм горячего химического оксидирования стали

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.

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:

Na₂FeO₂ + Na₂Fe₂O₄ + 2H₂O -> Fe₃O₄ + 4NaOH

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.