Глава 9 отделка орнаментальных художественных изделий

Отделку орнаментальных художественных изделий производят для улучшения декоративных свойств, повышения коррозионной стойкости и долговечности. Перед отделкой следует обработка деталей галтовкой, крацовкой, шлифовкой, травлением, виброобработкой и пр. Обработку выполняют качественно перед художественной отделкой. В последнее время находят применение новые технологические процессы, например для шлифовки и полировки поверхности проводят виброобработку в вибробарабанах тороидального типа.

Установки обеспечивают высокое качество обработки изделий, устраняя дефекты, остающиеся от ручной обработки или галтовки.

Для защиты от коррозии и улучшения декоративности обработанные изделия подвергают заключительной художественной отделке: шлифовке с полировкой, золочению, серебрению, хромированию, анодированию, лакированию.

Изделия после полировки, как правило электролитической, приобретают зеркальный блеск. Анодирование и воронение дают стойкую оксидную пленку и широкую цветовую гамму. Хромирование, меднение, золочение и серебрение — процессы нанесения химическим или электрохимическим путем декоративного и коррозионностойкого покрытия.

Для отделки применяют зернь, матирование, эмаль (финифть), чеканку, гравировку, накатку, насечку, чернь, травление.

Изделия из медных сплавов, изготовленные способом точного литья по выплавляемым моделям, не требуют существенных затрат на обработку и отделку поверхности. Основные виды отделки ограничиваются полированием, осветляющим отжигом, гальваническими, оксидными и лаковыми покрытиями.

Для изделий из нейзильбера применяют гальваническое серебрение. Это нужно для получения поверхности высокой коррозионной стойкости. Очень часто пользуются полированием для предотвращения растворения небольших количеств меди на поверхности изделий.

Часто с другими видами отделки широко применяется оксидирование поверхности художественных и ювелирных изделий как из нейзильбера, так и из латуни и бронзы.

Шероховатость поверхности, на которую наносят защитно-декоративное покрытие, должна составлять R_z × 2,5 мкм. Часто при обработке поверхности виброобработкой в раствор вводят ПАВ (поверхностно-активные вещества). Перед заключительным процессом на изделиях из сплавов меди проводят операции обезжиривания, травления и активации.

Обезжиривание проводят в щелочных растворах и ПАВ, а также в смесях щелочных растворов совместно с ПАВ. Для электрохимического обезжиривания, что тоже имеет частое применение, используют те же вещества, что и для химического, но в меньшей концентрации. Конкретно применяют (в граммах на литр): NaOH 30—40, тринатрий фосфат 50—60, углекислый натрий 20—30, жидкое стекло 8—10, синтанол DG10 1—2. Обезжиривание катодное. Плотность тока составляет 3—10 А/дм², температура 50—60 °С.

Кроме электрохимического и химического обезжиривания используют растворы для ультразвуковой очистки (обезжиривания) меди и латуни следующего состава (в граммах на литр): NaOH 5—10, карбонат натрия 15—30, тринатрий фосфат 30—60, моющее средство 5—7.

Травление — удаление с поверхности оксидов: окалины, продуктов коррозии металлов.

В настоящее время применяется совмещенный процесс обезжиривания с травлением в специальных растворах.

Для химического травления медных сплавов используют раствор H₂SO₄ в концентрации 130—170 г/л. Температура процесса 50—60 °С, продолжительность 3—5 мин. При химическом травлении оксиды металлов растворяются в серной кислоте по реакции: MeO + H₂SO₄ = MeSO₄ + Н₂O, где Me — ион двухвалентного металла, например меди или цинка.

Сплавы меди с небольшим оксидным слоем травят в серной кислоте. Так, свинцовую латунь ЛС59-1, латуни Л68 и Л63 травят в 15-процентной H₂SO₄ при температуре 70—80 °С в течение 0,5—2 и 0,5—1 мин соответственно.

Активирование (декапирование) — это удаление с поверхности оксидов — тончайших оксидных пленок, которые образуются на поверхности даже при непродолжительном хранении.

Для активации литых изделий из медных и медно-никелевых сплавов используют 5—10-процентный раствор серной или соляной кислот, либо их смесь той же концентрации.

Промывочные операции имеют большое значение для качества покрытий. Назначение промывок — удаление с поверхности изделий растворов и продуктов реакций. Плохая промывка приводит к образованию дефектов покрытий.

2.9.1. Гальванические покрытия

Для защитно-декоративной отделки бытовых предметов, в частности предметов сервировки стола, ювелирных изделий, используют серебрение. Оно стойко во влажной атмосфере, морской воде, практически не растворяется в соляной кислоте и щелочах, слабо корродирует в серной кислоте. Серебро не устойчиво под действием серных соединений: оно темнеет. Серебряные покрытия хорошо полируются и обладают хорошей отражательной способностью. Чаще других используют цианидные электролиты серебрения. Используют также нетоксичные электролиты, не содержащие свободного цианида.

Большое распространение в настоящее время находит дицианоаргентатный электролит серебрения. Электролит нетоксичный, содержит (в граммах на литр): дицианоаргентата калия 20—40, роданида калия 80—150, pH = 9—11 (доводят аммиаком). Режим осаждения: t = 18—25 °С, i_к = до 1 А/дм² без перемешивания и 4 А/дм² с перемешиванием электролита. Применяют и другие электролиты.

Для улучшения декоративного вида серебряных покрытий используют электролиты блестящего серебрения и блескообразователи — меркаптобензотиазол (0,5 г/л), селен элементарный (0,001—0,004 г/л), сульфит натрия (0,5—1 г/л), эльдин (1—4 г/л) и другие органические и неорганические добавки. Химическое пассивирование серебряного покрытия проводят в 1-процентном растворе бихромата калия при комнатной температуре в течение 20 мин. Хромовым ангидридом поддерживают pH = 3—4,5.

Образование темных пленок на серебре связано с присутствием в воздухе сернистых соединений. Незначительное содержание в воздухе H₂S вызывает потемнение.

Надежным и легким способом защиты серебряных покрытий от потемнения является нанесение на них лаковой пленки. Применяют прозрачные износостойкие лаки, например КПЭЦ.

В качестве коррозионностойких и декоративных покрытий на медные изделии наносят сплавы серебра (серебро — сурьма), медно-оловянные сплавы. Цвет мед нооловянных сплавов (бронз), содержащих 2—3 % Sn, близок к цвету меди, сплавов с 10—20 % Sn — золотисто-желтый, сплавов, содержащих более 35 % Sn, — серебристо-белый. Сплавы с 10—20 % и 40—45 % Sn известны под названием желтой и белой бронзы соответственно. Белую бронзу для декоративной отделки используют как заменитель серебра. Состав электролита следующий (в граммах на литр): сульфат меди 152 (в граммах на литр), хлорид олова 81, триполифосфат натрия 180—200; температура 18—25 °C, i_к = 0,5—1 А/дм². Электролит нетоксичен.

Покрытия сплавами серебро — сурьма характеризуются повышенной твердостью и износостойкостью. Состав электролита (в граммах на литр): дицианоаргентат калия 50—60, роданистый калий 100—120, сурьмяно-виннокислый калий 40—50,

блескообразующая добавка, содержащая селен, 0,002—0,01.

2.9.2. Осветляющий отжиг изделий из сплавов меди. Лаковые покрытия

Осветляющий отжиг можно рассматривать как разновидность отделки поверхности, при которой улучшаются эстетические свойства изделий, изготовленных из литейных сплавов меди с красивым цветом.

Чистую и неокисленную поверхность изделий перед последней операцией нанесения лакового покрытия можно получать либо травлением с химической, электрохимической полировкой, либо осветляющим отжигом в защитной (восстановительной) атмосфере. Этот отжиг имеет следующие достоинства: снижается загрязнение окружающей среды, сокращаются затраты на очистные сооружения. Кроме того, улучшаются качество осветленной поверхности и цвет вследствие более равномерного состава сплава после высокотемпературного отжига и протекающих при этом диффузионных процессов.

Медные сплавы в зависимости от состава и по предъявляемым требованиям к восстановительной атмосфере в печи можно разделить на следующие группы:

1) медь, бронзы оловянные, оловянно-цинковые, латуни Л96—Л90, медно-никелевые сплавы (типа мельхиора);

2) бронзы марганцевые, алюминиевые;

3) сплавы с содержанием более 20 % цинка (латуни, нейзильбер).

Нейзильбер МНЦ 15-20 — наиболее используемый в литье медно-никелевый сплав. Его лучше всего отжигать в среде диссоциированного аммиака, после чего изделия имеют чистую и блестящую поверхность серебристого цвета.

2.9.3. Оксидные защитно-декоративные покрытия

Оксидирование как заключительный этап отделки поверхности художественных и ювелирных отливок широко используется практически везде, где применяется литье сплавов меди по выплавляемым моделям.

Оксидирование (патинирование) — способ ускоренного образования оксидной пленки на поверхности изделий путем химической обработки в растворе с применением сульфидов, кислот, щелочей и других реактивов. Для получения оксидной пленки на поверхности изделий из медных сплавов может применяться один из двух методов — химический или электрохимический. Используя указанные методы, можно придать изделиям широкую цветовую гамму.

Известно много способов окрашивания меди и ее сплавов под цвет золота, в черный, коричневый, голубой цвета, цвет «зеленая патина» и др. В зависимости от состава сплава и требуемого цвета защитно-декоративной пленки состав электролита для оксидирования может меняться количественно и качественно.

2.9.4. Электрохимический метод

В специальной литературе по защитно-декоративным покрытиям приводится ряд составов электролитов для электрохимического окрашивания, которые могут использоваться для получения оксидных пленок художественных изделий из сплавов меди.

Электрохимическое окрашивание в черный цвет производят в едком натре (100— 200 г/л) при 60—70 °C (для латуни). Плотность тока i_a = 0,5—1,5 A/дм², U = 2—6 В, τ = 15—20 мин. Катод — коррозионностойкая сталь. Соотношение анодной и катодной поверхностей от 1 : 8 до 1 : 5. Для получения более черного цвета в раствор вводят 0,1—0,3 % молибдата натрия или аммония. Процесс начинается при плотности тока i_а = 0,1—0,5 A/дм² в течение 1—2 мин, после чего устанавливается рабочая плотность тока. Для получения равномерного цвета на латунных изделиях отработку ведут после обезжиривания в растворе, содержащем бихромат калия и серную кислоту по 100 г/л, а после соответствующей промывки изделия обрабатывают в 2-процентной серной кислоте.

Электрохимическое окрашивание меди и ее сплавов можно проводить также в электролите следующего состава: едкий калий 300 г/л, сульфат меди 70 г/л, сегнетова соль 160 г/л, температура 18—25 °С. Плотность тока на аноде — 3 А/дм², τ — 20 мин. Изменяя продолжительность, можно получать пленки с зеленоватым или красноватым оттенком. Электролит готовят так. В раствор сернокислой меди при перемешивании добавляют сегнетову соль до выпадения зеленовато-белого осадка, к смеси приливают раствор едкого калия и все тщательно перемешивают.

В черный цвет сплавы меди (Л96) окрашивают с предварительным обезжириванием, которое производится в растворе состава (в граммах на литр): NaOH 15—20, Na₂CO₃ 20—25, Na₃PO₄ 7—8, Na₂SO₃ 10—12, препарат ОП-7 0,8—1,0.

Режим обезжиривания: температура 70—80 °C, i_к = 3,5 A/дм², τ = 1—2 мин. После этого идет активация в растворе, содержащем бихромат натрия 200 г/л и H₂SO₄ 40 см³ .Оксидирование протекает в растворе состава: NaOH 180 г/л, молибдата натрии (аммония) 3,5—4 г/л; плотность тока i_к = 1,5 А/дм². Температура раствора 80—90 °C. Катоды — цинковые.

Для изделий из меди и томпака (с предварительной подготовкой поверхности) оксидная пленка бархатисто-черного цвета получается при использовании электролита состава: сода каустическая 150—200 г/л, молибденовокислый аммоний 10—15 г/л; температура процесса 80—90 °C, продолжительность 8—12 мин. Анодная плотность тока i_a = 0,8—1,5 A/дм². Катод из стали. Обезжиривание и декапировку осуществляют так же, как и для сплавов меди.

Кроме указанных способов медные сплавы можно окрасить в цвет «зеленой патины» в следующем электролите: сульфат магнии 100 г/л, гидроксид магния 20 г/л, бромид калия 20 г/л; температура = 18—25 °C, i_a = 0,04 A/дм², τ = 15 мин.

В голубой цвет отливки сплавов меди окрашивают в растворе ацетата меди (10—15 г/л) и желатины (3—4 г/л), i_к = 0,15—0,4 A/дм², температура = 20—25 °С. После обработки желатиновую пленку смывают водой и детали погружают в водный раствор сульфата меди (50 г/л) с последующей промывкой в воде. Условия окрашивания: раствор гипосульфита натрия (60 г/л) и ацетата свинца (30 г/л), температура 90—95 °C, продолжительность 30—60 с.

Добавка тартрата калия или лимонной кислоты позволяет вести процесс при 20 °C в течение 5—10 мин.

Для любых медных сплавов может быть произведена корректировка раствора электролита с тем, чтобы получать оксидные пленки хорошего декоративного вида и качества.

2.9.5. Химический метод

Отливки из медных сплавов покрывают оксидными пленками. Эти пленки придают деталям и различным изделиям декоративный вид. Химическое окрашивание, например в черный цвет, осуществляют в растворах щелочи и карбоната меди. В табл. 2.9.5.1 и 2.9.5.2 приведены составы растворов и режимы окрашивания.

Если взять состав бихромата калия 35 г/л и 25-процентный раствор аммиака 50 мл/л, то возможно провести пассивирование в течение 5—10 с. При этом повысится коррозионная стойкость пленки (табл. 2.9.5.1).

Табл. 2.9.5.1. Состав щелочных растворов и режимы окрашивания сплавов меди.

№	NaOH, г/л	H2S2O8, г/л	KMnO4, г/л	t, °C	Время τ, мин	Материал основы
1	50	—	10	100	5—10	Медные сплавы
2	50	5—8	—	60—65	10	Латунь

Оксидная пленка черного цвета может быть получена и в другом растворе: сода каустическая 50—60 г/л, персульфат калия 14—16 г/л в растворе, температура которого 60—65 °C, с выдержкой 5 мин.

На латунных отливках черный оксид с синеватым отливом может быть получен следующим образом. Сначала изделие обрабатывают в подкисленном растворе хромпика в течение 15—20 с. Затем, после промывки в воде, изделие декапируют в 5-процентном растворе H₂SO₄, повторно промывают и оксидируют в растворе: водный 25-процентный раствор аммиака 100—1000 мл/л, свежеосажденная углекислая медь 40—200 г при температуре оксидирования 25—45 °C в течение 25—30 мин. Составы растворов на основе карбоната меди приведены в таблице 2.9.5.2.

Табл. 2.9.5.2. Состав растворов на основе карбоната меди.

№	СuСO3, г/л	СаСO3 × × Cu(ОН)2, г/л	25-процентный раствор NH3, мл/л	t, °С	τ, мин	Материал основы
1	150-200	—	<1000	30—40	10—15	Бронза, сплавы меди
2	55	—	125	20—25	5—10	То же
3	—	30—50	350	18—25	2—3	Латунь
4	4	Na2CO3 — 2 г/л	30	85—90	5—10	Томпак

В коричневый цвет медь, бронзовые отливки и латуни можно окрасить в растворе СuСO₃ (200—250 г/л) и NH₄OH (10—15 г/л) при температуре 20—25 °C в течение 3—5 мин. После окрашивания и промывки в воде изделие 5—6 раз погружают в раствор сульфата меди.

Латунные детали можно выкрасить в коричневый цвет в растворе CuSO₄ ∙ 5Н₂O (100—120 г/л) и Na₂CO₃ (60—70 г/л) при температуре 85—100 °С.

Светло-коричневый оттенок бронзовых отливок можно получить погружением их на 3—5 мин при температуре 93—100 °C в раствор, содержащий 7,5 г/л K₂Мn₂O₇ и 60 г/л CuSO₄ ∙ 5Н₂O.

Химическое окрашивание латуни в голубой цвет осуществляют в растворе, содержащем (в граммах на литр): ацетата свинца 15—30, тиосульфата натрия 60, уксусной кислоты 30 г/л при 80 °C; в серый цвет — в электролите: As₂O₃ 100—110, FeCl₃ ∙ 6Н₂O 115—125, НСl 40—45. Температура процесса 20—30 °С, продолжительность операции погружения 5—10 с.

Изделия из нейзильбера (с камнями) для получения черной цветовой гаммы покрывают оксидной пленкой. Затем ее полируют.

Для создания оксида черного цвета используют раствор, содержащий едкий натр, гипосульфит и сульфид натрия. Процесс оксидирования проводят при 70—80 °C в течение 3—6 мин.

2.9.6. Литье в шликерные формы

Одним из разновидностей литья в единые гипсовые смеси является процесс литья в шликерные формы. Технологический процесс изготовления ювелирных отливок остается таким же, как и при литье по выплавляемым моделям эстрих-процессом. Исключением является применяемая формовочная смесь, используемая в процессе литья ювелирных изделий.

Шликерная формовочная смесь представляет собой систему тонко размельченного термостойкого материала (наполнителя), распределенного в жидкой среде (затворителе), т. е. суспензию порошка в жидкости. Наполнителями могут быть термостойкие материалы, применяемые в эстрих-процессе. Жидкой фазой шликерных смесей в большинстве случаев является дистиллированная вода.

В качестве примера изготовления шликерных смесей для литейных форм высокотемпературных сплавов, таких как сталь, сплавы платины и палладия, рассмотрим воднокварцевый шликер с микродобавками Al₂O₃; Na₂O; MgO; SO₃. Кварцевое стекло с указанными добавками подвергается дроблению до кусков размером 1—5 мм с последующим дроблением в керамической шаровой мельнице объемом 30 л.

Загружают 16 кг стекла фракции 1—5 мм, 25 кг уралитовых шаров и 4 л воды. Время помола 40 ч. Шликер считается готовым, если он отвечает следующим технологическим требованиям: гранулометрический состав 0,002 мм; влажность 20 %; плотность 18 кг/м³; вязкость по воронке ВЗ = 35 с, pH = 5,7.

Готовый шликер заливают в разъемную гипсовую форму, в которой помещается блок моделей. Гипс поглощает из шликера водную составляющую, а твердая фаза (мелкодисперсный наполнитель) осаживается на блоке моделей, образуя сырую керамическую форму. После отбора водной составляющей гипсовую форму открывают и извлекают сырую керамическую форму, которая подвергается сушке при комнатной температуре в течение 2,8—5 ч. Далее выплавляют модельный состав и производят обжиг керамической формы из кварцевого стекла при 900—950 °С.

Качество отливок, залитых в формы из шликерных смесей, как правило, хорошее. К недостаткам относят высокую трудоемкость при изготовлении шликера и разъемных гипсовых форм, а также трудность разрушения гипсовых форм при извлечении отливок: тонкие отливки при этом могут деформироваться.

Преимущества процесса:

а) высокая точность и малая шероховатость отливок;

б) минимальный припуск на механическую обработку и без нее;

в) получение отливки любой конфигурации;

г) неразъемные формы и модели;

д) изготовление тонкостенных отливок;

е) малые термические напряжения;

ж) возможность получения отливок с любой структурой.

Недостатки процесса:

а) большой объем ручного труда;

б) большая энергоемкость процесса подготовки шликера;

в) большая трудоемкость при подготовке шликера;

г) трудность при изготовлении гипсовых пресс-форм;

д) трудность при разрушении гипсовых форм при извлечении отливки;

е) тонкие отливки могут деформироваться.

Образцы отливок, полученных по выплавляемым моделям в оболочковые формы (ЛПВМ), показаны на фото 2.9.5.1—2.9.5.28 (дипломные работы выпускников кафедры «Компьютерный дизайн» МГУПИ, музей МГУПИ).