1.3.9 Розробка хіміко-технологічних методів зниження корозії та зношування

Процес отримання на металі оксидних плівок називається оксидуванням. В залежності від способу отримання плівок розрізняють:

– термічне оксидування (вороніння сталі) – це поверхнева взаємодія металу з органічними речовинами при високій температурі. При цьому отримується шар Fe₃O₄. Тони покриття від синього до чорного залежать від товщини шару плівки. Оксидована сталь добре утримує мастила;

– хімічне одержання оксидних плівок шляхом обробки виробів киплячим концентрованим розчином лугу NaOH з добавкою окислювачів NaNO₃, MnO2 та інших. Під дією сильних окислювачів поверхня деяких металів Al, Cr, Fe (покривається міцною невидимою плівкою оксидів, які захищають метал від корозії.

Найбільш поширене хімічне оксидування. Плівки товщиною 1,5 мкм, які при цьому утворюються служать захисно–декоративним покриттям. Захисна здатність плівок підвищується при просочуванні маслом або лаком.

Хімічне оксидування проводиться в киплячому концентрованому розчині NaOH, що містить окисники, або в розчині фосфатної кислоти. Оксидофосфатні плівки служать хорошим ґрунтом для лакофарбових покриттів.

При хімічному оксидуванні поверхня попередньо підготовляється, очищається від оксидів, жирів, іржі та інших забруднень. Оброблюється в киплячому 50-80% розчині каустичної соди, що містить в якості окислювача азотно- або азотистокислі солі NaNO₃, NaNO₂, KNO₃, KNO₂. Плівка, що утворюється, має чорний колір і захищає метал від корозії. Цей спосіб широко використовують для кінцевої обробки різних інструментів, гвинтів, ручок та інших товарів ширпотребу.

Процес утворення плівки проходить в декілька стадій:

1.Розчинення заліза в лугові:

Fe → Na₂FeO₃ – закисна сіль

2.Окислення закисної в окисну сіль:

Na₂FeO₂ → Na₂Fe₂O₄

3.Взаємодія цих солей з утворенням магнітного оксиду:

Na₂FeO₂ + Na₂Fe₂O₄ → Fe₃O₄

4.Гідроліз окисної солі заліза:

Na₂Fe₂O₄ + (m+1)H₂O → Fe₂O₃•mH₂O

5.Часткова дегідратація:

Fe₂O₃•mH₂O → Fe₂O₃•(m–n)H₂O

Загальна схема процесу:

Fe → Na₂FeO₂ → Na₂Fe₂O₄ → Fe₂O₃•mH₂O → Fe₂O₃•(m–n)H₂O

Fe2O3 – осад червоного кольору

Таким чином магнітний оксид заліза кристалізується на поверхні заліза з розчину [36, с.383].

Азотисті та азотні солі NO₃- і NO₂-, що використовуються в якості окислювачів, порізному забарвлюють оксидну плівку. В присутності азотнокислих солей лужних металів утворюються матові плівки чорного кольору, а в присутності азотистокислих солей – блискуча плівка з синюватим відтінком.

Режим оксидування (температура розчину і тривалість витримки) залежить як від складу ванни, так і від марки сталі. Товщина і структура плівки залежить від співвідношення швидкості утворення зародків, тобто центрів кристалізації, і росту окремих кристалів. Якщо переважає перше, то на поверхні швидко утворюється тонка щільна плівка, а якщо друге – товста рихла. При цьому можлива поява червоно–бурого нальоту гідрату оксиду заліза, який знижує якість покриття.

Тому товсті оксидні покриття (товщина 2-3 мкм), вільні від вказаного нальоту, можуть бути отримані оксидуванням виробів в двох розчинах: в першому концентрація лугу нижча звичайної; в ньому виріб покривається тонкою пасивуючою плівкою, яка сповільнює розчинення металу; а в другому концентрованому розчині продовжується ріст оксидної плівки без утворення гідроксиду заліза.

Виріб після оксидування ретельно промивають струменем води до повного видалення слідів лугу і подають на наступну обробку, яка проводиться так: вироби впродовж 3-5 хвилин обробляють в киплячому мильному розчині (20-30 г/л твердого мила), сушать при 100-110°С і занурюють на 5-7 хвилин в нагріте до 100-110°С масло (машинне, веретенне, вазелінове).

Колір оксидних плівок залежить від марки деталі і часу витримки і змінюється від солом'яно–жовтого до коричневого і далі до синьо-чорного.

Оксидування в кислих електролітах протікає при температурі біля 100°С протягом 40-45 хвилин. Ознакою припинення процесу є припинення бурхливого газовиділення.

Електрохімічне оксидування в NaOH 350-600 г/л при температурі 65-80°С і 3-5 А/дм² протягом 10-30 хв [30, с.16].

Фосфатування. Суть його полягає в створенні на поверхні металу, який захищають, плівки нерозчинних фосфатів заліза, марганцю або цинку. Фосфатні покриття володіють високим електричним опором і витримують напруги від 300 до 500 В.

За твердістю фосфатна плівка переважає мідь і латунь, але вона м'якша за сталь. Розчинність у воді при кімнатній температурі 1,5 мг/л, при 90°С – 10,6 мг/л.

Утворення фосфатної плівки – складний фізико-хімічний процес. Формування плівки починається з електрохімічного процесу, при якому на анодних ділянках поверхні залізо переходить в розчин у вигляді іонів, а на катодних ділянках виділяється водень:

на аноді:

Fe è Fe²⁺ + 2e^–; Fe²⁺ + HPO₄^2–è FeHPO₄

3Fe²⁺ + 2PO₄^3– èFe₃(PO₄)2

Zn²⁺ + HPO₄^2– è ZnHPO₄

3Zn²⁺ + 2PO₄^3– è Zn3(PO₄)₂

на катоді:

2H⁺ + 2e^– è H2

З часом росту фосфатної плівки швидкість процесу зменшується і після закриття всієї поверхні плівкою фосфатування припиняється і припиняється виділення водню.

Утворені двох- і трьохзаміщені фосфати створюють фосфатну плівку на поверхні металу. Між фосфатною плівкою і металом існує тісний кристалохімічний зв'язок – іони металу, який фосфатується, є складовою частиною фосфатної плівки.

Фосфатні покриття витримують короткочасне нагрівання до 400-500°С. Застосовуються фосфатні покриття (плівки) для захисту від корозії, для зменшення тертя для електроізоляції. Воно також є дуже добрим ґрунтом для нанесення лакофарбових покриттів [26, с.246].

Існує також хімічний та електрохімічний способи фосфатування чорних і кольорових металів як при кімнатній, так і при підвищених (до 65-70°С) температурах. Підвищення температури і густини струму скорочує час фосфатування до 5-8 хв.