Химическая отделка поверхностей
Обезжиривание
Изделия, поступающие с металлорежущих станков, загрязнены смазочно-охлаждающей жидкостью, обычно — содержащей жирные вещества. Если поверхность изделия подлежит дальнейшей химической или гальванической отделочной обработке, то ее нужно очистить от загрязнений, в первую очередь от жиров. На практике детали обезжиривают органическими растворителями или щелочными растворами под действием электрического тока
Для обезжиривания применяются бензин, керосин, газойль или бензол. Все эти жидкости огнеопасны. В простейших случаях пожар тушат автоматическим закрытием ванны с горючими веществами
Из хлорированных углеводородов для обезжиривания пригодны тетрахлорметан, трихлорэтилен и тетрахлорэтилен; эти материалы не огнеопасны, и при работе с ними нет угрозы взрыва или воспламенения.
Однако они ядовиты, поэтому необходимо применять специальные технические предохранительные устройства, например, вытяжку паров. Хлорированные углеводороды дороже бензина и тому подобных веществ, но более эффективны
Из щелочных растворов для обезжиривания применяют едкий натр (NaOH), едкое кали (КОН), углекислый натрий (Na2CО3), углекислый калий (К2СО3), гидрат окиси кальция (Са (ОН)2), силикат натрия (Na2SiО3), фосфорнокислый натрий (Na3РO4*12Н2O), тетраборнокислый натрий (Na2B4O7* 10Н2О), ядровое мыло и некоторые соли и сложные эфиры органических сульфоновых кислот.
Кроме того, применяют цианистый натрий (NaCN) и цианистый калий (KCN). В отношении этих химикатов необходима особая осторожность, так как из них очень легко даже под действием совершенно слабых кислот выделяется сильно ядовитый газообразный цианистый водород
Из указанных средств обычно составляют обезжиривающие водные растворы того или иного состава, например, раствор натриевого щелока (2 — 8%) или соды (3 — 10%)
Для обезжиривания поверхностей изделий из стали, никелевых сплавов, меди и медных сплавов применяют более концентрированные растворы, а для изделий из олова, свинца и тому подобных металлов — менее концентрированные растворы
Для обезжиривания изделий из цинка и алюминия в раствор добавляют 0,5—1% жидкого стекла (силиката натрия)
Для обезжиривания изделий, на поверхности которых должно быть нанесено гальваническое покрытие, часть соды и щелока заменяют фосфатом натрия, причем 2% фосфата заменяют 1% соды
При обезжиривании изделий, которые до этого полировались пастами, в раствор добавляют 0,5% мыльного порошка. При обезжиривании медных и латунных изделий перед нанесением гальванического покрытия вводят в раствор 0,5 — 1% цианистого калия (или цианистого натрия)
Для обезжиривания поверхностей с остатками лака или осмолившимися жирами применяют обычно кипящий 10%-ный едкий натр. Примерный состав раствора для обезжиривания: 100 л воды, 1,3 кг едкого натра, 1,3 кг цианистого калия или цианистого натрия и 0,5 л силиката натрия (жидкого стекла)
Электролитическое обезжиривание
Электролитическое обезжиривание — электролиз постоянным током в щелочном растворе. Катодом являются обезжириваемые изделия, на которых осаждается концентрированный едкий натр или едкое кали и пузырьки водорода. Гидрат окиси омыляет жир, а водород способствует вымыванию частиц мыла. Если в раствор добавить металлическую соль, например, соль меди, то на всей поверхности предмета будет осаждаться тонкий слой меди, т. е. обезжиривание будет сопровождаться омеднением поверхности
Площадь анодов должна быть больше площади обезжириваемых поверхностей. Напряжение должно составлять 6 — 10 в, плотность тока 3 — 5 а/дм2, расстояние электрода от изделия не меньше 10 см. На поверхность раствора всплывают загрязнения, которые нужно удалять, перепуская верхний слой раствора через имеющуюся в ванне перегородку
Примерный состав раствора для электролитического обезжиривания: 100 л воды, 5 кг едкого натра, 5 кг едкого кали, 0,5 кг цианистого калия. Для изделий из цинковых и алюминиевых сплавов лучше подходит раствор более слабой концентрации: 100 л воды, 3 кг едкого натра, 3 кг углекислого калия и 3 кг гидрата окиси кальция (известкового молока). Благодаря прохождению электрического тока через раствор он нагревается; иногда раствор нагревают паровым отопительным змеевиком до температуры около 80° С. Примерный состав раствора для одновременного обезжиривания и омеднения: 100л воды, 5 кг едкого натра, 5 кг известковой воды, 1,5 кг цианистой меднокалиевой соли и 0,3—0,4 кг цианистого калия
Выбор метода обезжиривания. Для хромирования стальных кожухов и т. п. необходимы следующие подготовительные операции: обезжиривание в промывочной машине (нехлорированными или хлорированными углеводородами), электролитическое обезжиривание с омеднением (предварительное никелирование) и, наконец, обезжиривание бензином
Винты перед фосфатированием обезжиривают в щелочном растворе с добавкой пемзы или песка. Перед никелированием латунных изделий необходимо обезжиривание в трихлорэтилене, после никелирования их промывают в том же растворе. Изделия из листовой стали перед оцинкованием обезжиривают электролитическим способом без омеднения
Травление (декапирование)
Травлением очищают металлические поверхности от окислов и других соединений. Твердую окалину, оставшуюся на поверхности после прокатки, ковки и тому подобных операций, удаляют разбавленными кислотами. Для удаления тонкого слоя окислов, образовавшихся на поверхности при отжиге, применяют так называемое декапирование — обработку в разбавленных кислотах
Для удаления ржавчины применяется слабое травление. Травление применяют также для подготовки металлических поверхностей к отделке и при изготовлении точных заготовок (полуфабриката) с гладкой поверхностью, например, перед вытяжкой, штамповкой
Травление производят кислотами и солями с кислой реакцией или щелочами.
При разбавлении серной кислоты (H2SО4) надо лить ее в воду, а не наоборот; при этом необходимо быть в защитной одежде.
Соляная кислота (НСl). Пары этой кислоты вредны для металлических поверхностей; ее применяют для травления перед цинкованием и лужением.
Азотная кислота (HNO3). Сильно разъедает кожу. Используется для травления сплавов меди.
Ортофосфорная кислота (Н3РO4). Применяется для повторного травления, очистки от ржавчины и для фосфатирования
Плавиковая (фтористоводородная) кислота. Оказывает сильно разъедающее действие, ее пары вредны для здоровья. Применяется для травления отливок в литейных и в качестве добавки при травлении нержавеющих сталей.
Уксусная кислота СН3*CООН. Пригодна для повторного травления и удаления ржавчины, но применяется редко.
Щавелевая и винная кислоты иногда применяются для облегчения удаления ржавчины и для нейтрализации после обработки деталей в щелочных растворах
Оксидирование
Оксидирование применяется для защиты поверхностей деталей от влияния химических реагентов из окружающей среде
Оксидирование стали
Для получения коричневой или синей окраски стальные детали оксидируют путем нагрева до получения соответствующего цветного окисла. При нагревании до температуры свыше 240° С поверхность стального изделия покрывается слоем окисла, придающим ей бронзовую окраску. При несколько более высокой температуре окраска переходит в темно-коричневую, а при 290—310° С — в темно-синий цвет. При более высокой темературе синий цвет тускнеет. Перед оксидированием детали необходимо хорошо отполировать, чтобы образующиеся при оксидировании окраска и глянец получили эффектный оттенок. Оксидирование производится всухую в электрической печи или, например, в расплаве нитрата натрия (55 кг) и нитрата калия (45 кг); эта смесь солей имеет температуру плавления 220° С
В черный цвет сталь оксидируется в расплаве нитрита (80%) и нитрата натрия (20%); температура плавления смеси 250° С. Медленнее оксидируется сталь до получения черной окраски при обработке в концентрированных растворах едкого натра, нитратов и некоторых органических веществ. Пример: 100 л воды, 80 кг твердого едкого натра, 2 кг нитрата аммония, 1,5 кг нитрофенола
Сначала растворяют едкий натр в воде, в горячий раствор добавляют нитрат, а затем нитрофенол. Для оксидирования стали, содержащей до 8% никеля, нужно увеличить содержание едкого натра в ванне, чтобы температура кипения поднялась до 150—165° С. Нормальный раствор кипит при 130—140° С, а процесс оксидирования длится 10—20 мин
Электролитическим способом оксидируют сталь в холодном состоянии; специальные растворы для этого поставляют в готовом виде химические предприятия
Оксидирование до черного или коричневого цвета производится путем покрытия жидкими химическими реагентами. Пример состава такого покрытия для воронения: 100 л воды, 1,3 кг хлорной ртути (сулема— сильный яд), 0,5 кг сернокислой меди (медного купороса), 3 кг твердого хлорного железа, 0,85 кг диэтилэфира, 1,7 кг этилового спирта и 1,7 кг концентрированной азотной кислоты. Сначала растворяют в горячей воде хлорную ртуть; смешав полученный раствор с растворами остальных солей, ванну доливают холодной водой, а затем вводят азотную кислоту, спирт и эфир. Оксидированную поверхность нужно очень хорошо обезжирить, иначе она получится пятнистой
Оксидирование алюминия
В результате оксидирования на поверхности алюминия и алюминиевых сплавов образуется слой окиси алюминия сероватого цвета толщиной около 2 мк. Если этот слой однороден, то он защищает алюминий от дальнейшего окисления
Химический способ
На 100 л мягкой воды добавляют 5 кг безводной соды, 1,5 кг хромата натрия. Для сплавов с большим содержанием магния добавляют 1 кг едкого натра. Перед оксидированием изделия необходимо обезжирить. Рекомендуется травление в холодной азотной кислоте в течение 15—30 мин
Анодирование
Покрытия алюминия, наносимые методом анодирования
Элоксал GS — серная кислота 10 — 70% (в среднем 10 — 30%).
Постоянный ток напряжением 12—15 в, плотность тока 1—1,5 а/дм2 в течение 30—45 мин.
Рабочая температура около 20° С должна поддерживаться охлаждением, так как раствор нагревается электрическим током. Изделия подвешивают на аноде, катодом служат алюминиевые пластины. Переменный ток до 40 в в течение 20 мин
Элоксал GX — щавелевая кислота 7—10% с добавкой серной и хромовой кислот. Напряжение постоянного тока 30 — 60 в, плотность тока 1,5 а/дм2. Температура около 20° С поддерживается охлаждением.
Изделия подвешиваются на аноде, катодом служит алюминиевая пластина
Элоксал WX — переменный ток 40 — 50 в, плотность тока 2 — 4 а/дм2, температура 20° С, в течение 30 — 40 мин
Цвет покрытия изменяется в зависимости от того, какой процесс применяется. Белые прозрачные покрытия получаются в растворе серной и щавелевой кислот под действием постоянного тока. При применении переменного тока покрытия получаются желтоватыми. Хромовая кислота окрашивает покрытия в желтый цвет, а при переменном токе оттенок изменяется почти до золотистого. На сплавах с Сu, Mg и Si при постоянном токе получается более светлый цвет, при переменном токе — более темный
Фосфатирование
В результате фосфатирования на поверхности изделия образуется нерастворимый мелкокристаллический слой фосфатов, который при покрытии его маслом или лаком создает хорошую защиту от коррозии.
Однако фосфатный слой хрупок, поэтому изделия с таким покрытием не должны подвергаться какой-либо деформации; хотя этот слой довольно тверд, он все же поддается царапанью. Выдерживает температуру до 200° С без изменения свойств. При более высоких температурах слой окисляется
Состав препарата для быстрого фосфатирования (бондеризации): 1,62 л концентрированной азотной кислоты, 1,49 кг окиси цинка, 1,12 л фосфорной кислоты, 100 л воды; в этот раствор добавляют 1,5 кг нитрата меди, растворенного в небольшом количестве воды.
Быстродействующий состав (атраментол) 3,5% -ный раствор фосфорнокислого марганца с добавкой бисульфита натрия (100 г на 100 л раствора)
Электрофосфатирование производится действием переменного тока в растворах, содержащих также фосфорнокислый цинк. Благодаря этому процесс ускоряется, и можно применять раствор с более низкой температурой. Применяется трансформированный ток напряжением 10 — 12 в, плотностью 2,5—5 а/дм2.
Температура раствора 60 — 65° С обычно поддерживается сопротивлением самого раствора. Процесс длится 3—6 мин, толщина получаемого слоя 6—12 мк
Гранодин: 1,5 кг окиси цинка, растворенной в 6,87 л фосфорной кислоты и 4,17 л воды. Для получения ванны рабочего раствора объемом 100 л нужно смешать 8 л этого раствора и 2 л раствора из 400 г нитрита натрия с 90 л воды
Фосфатировать можно все виды стали, кроме нержавеющих и высоколегированных инструментальных, а также серый и ковкий чугун. До фосфатирования поверхность изделия должна быть очищена от загрязнений, ржавчины и покрытий из других металлов. Жир удаляется обычным способом обезжиривания, а окалина и ржавчина — травлением. Перед фосфатированием обязательна тщательная промывка изделия для удаления остатков щелочи после обезжиривания или кислоты после травления
Ванны для фосфатирования надо подогревать. Необходимо также уделять внимание способу погружения изделий в раствор, для того чтобы, например, выделяющиеся газы не экранировали отдельные части поверхности, и этим не замедляли процесс фосфатирования этих участков
Продолжительность фосфатирования составляет 25—60 мин. Крупные изделия, которые невозможно полностью погрузить в сравнительно небольшую ванну, можно фосфатировать пульверизацией; в этом случае применяют быстродействующие растворы, подогреваемые примерно до 85° С и наносимые на поверхность пульверизатором. Интенсивным распыливанием раствора можно продолжительность химической реакции значительно сократить
Лакирование металлов
Масляные лаки, содержащие олифу, сгущенное льняное масло, древесное масло, натуральные смолы. Разбавителем служит скипидар или бензин. Масляные лаки засыхают на воздухе медленно, поэтому сушку ускоряют, помещая покрытое лаком изделие в сушильную печь
Нитроцеллюлозные лаки, растворимые в ацетоне, амилацетате. На воздухе эти лаки засыхают очень быстро, поскольку их растворители очень быстро испаряются уже при нормальной температуре
Лаки из искусственных смол (синтетические). В искусственные смолы вводят разные добавки, например, нитроцеллюлозу в комбинации с лаками. Синтетические лаки сушат на воздухе или в печах. Они выдерживают высокую температуру, сохраняя свою эластичность
Асфальтовые, хлоркаучуковые, целлоновые, бензинцеллюлозные и тому подобные лаки. Эти лаки можно наносить на поверхность кистью или распылять из пистолета-пульверизатора. При нанесении этих лаков путем пульверизации иногда происходят большие потери от разбрызгивания лака мимо изделия. Для снижения потерь в распылительной камере создается электрическое поле с напряжением до 100 000 в (помнить об опасности взрыва при нарушении техники безопасности!)
Металлическое изделие служит электродом, притягивающим электрически заряженные частицы лака. Благодаря этому потери на разбрызгивание уменьшаются до минимума
При лакировании грубых необработанных поверхностей их нужно предварительно шпаклевать, чтобы сгладить неровности. Перед лакированием шпаклеванную поверхность шлифуют и полируют. После лакирования поверхность можно полировать, а в случае надобности — зачистить шкуркой. Новейшие лаки из искусственных смол уже сами по себе образуют достаточно блестящую поверхность, поэтому такие покрытия нет надобности полировать
Сушка после лакирования
Для быстрой сушки изделий после лакирования применяют сушилки, обогреваемые паром, газом или электричеством
| Температуры сушки различных покрытий | °С |
| Масляные лаки светлые | 50 — 60 |
| Масляные лаки темные | 60 — 80 |
| Нитроцеллюлозные лаки светлые | до 60 |
| Лаки из искусственных смол светлые | 100 — 110 |
| Лаки из искусственных смол темные | 120 |
| Синтетические лаки черные | 140 |
| Бакелитовые золотистые лаки | 180 |
| Битумные лаки | 160 — 240 |
| Изоляционные лаки | до 320 |
Желательно, чтобы в сушилке была обеспечена надлежащая циркуляция воздуха. Продолжительность сушки зависит от толщины покрытия и составляет от 0,5 до 2 ч
Сушка инфракрасными лучами значительно сокращает продолжительность сушки. Этим способом тонкие покрытия можно высушить за 8 мин. Обычно предусматривают расход мощности 20 — 100 вт на 1 дм2 поверхности
Важным требованием, предъявляемым ко всем устройствам для сушки лаковых покрытий, является абсолютное отсутствие пыли в системе сушилки
Эмалирование
Эмаль изготовляется плавлением полевого шпата, соды, кварца, буры и окислов в зависимости от требуемого цвета. Расплавленную эмаль гранулируют, выливая ее в воду, затем размалывают в шаровой мельнице и смешивают с водой в тонкую суспензию. Поверхности стальных изделий предварительно очищают пескоструйной обработкой или травлением в соляной кислоте, после чего покрывают суспензией эмали
После просушки изделие обжигают в муфельной печи сначала при ~850° С в течение короткого времени, затем второй раз — при температуре 1000° С. Эмаль химически очень стойка к кислотам, но мало стойка к щелочам