pobieranie: 06_Powloki konwersyjne i barwienie metali
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: INŻYNIERIA POWIERZCHNI ĆWICZENIE nr 6 Temat: POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI 1.0 WSTĘP Warstwy powierzchniowe nieorganiczne wytwarzane metodami chemicznymi i elektrochemicznymi noszą nazwę powłok konwersyjnych. Powłoki konwersyjne otrzymuje się wskutek sztucznie wywołanego i kierowanego procesu korozji powierzchni metalu lub stopu przez obróbkę chemiczną lub elektrochemiczną. Na powierzchni metalu tworzy się powłoka (praktycznie nierozpuszczalna w wodzie i w środowisku wywołującym ten proces) ściśle związana z materiałem podłoża. Do powłok konwersyjnych zalicza się: powłoki fosforanowe, chromianowe, tlenkowe i szczawianowe. Powłoki tego typu powstają w wyniku reakcji atomów warstwy powierzchniowej metalu z anionami odpowiednio dobranego środowiska. Reakcję taką w sposób ogólny można przedstawić następująco: m Me + n A-z → Mem An + n z e np. Fe + HPO42- → Fe HPO4 + 2 e gdzie: Me – atom reagującego metalu, A-z – anion środowiska, z – stopień utlenienia anionu e – elektron, m, n – współczynniki stechiometryczne. Powłoki fosforanowe i chromianowe są stosowane przede wszystkim do zwiększania przyczepności powłok malarskich oraz do ochrony przed korozją po dodatkowym zaimpregnowaniu olejami lub smarami. Powłoki fosforanowe znalazły również zastosowanie w procesie ciągnienia i tłoczenia stali oraz do zmniejszania tarcia i zużycia części ślizgowych. Powłoki tlenkowe oprócz właściwości ochronnych podnoszą walory dekoracyjne wyrobów (oksydowanie stali, barwienie metali).
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
1
Fosforanowanie stali Proces fosforanowania stosuje się do wytwarzania powłok na stali, żeliwie, aluminium i magnezie. Powłoki fosforanowe powstają w wyniku zanurzenia (lub natrysku) metalu przeznaczonego do obróbki w roztworze zawierającym jednopodstawiony fosforan metalu dwuwartościowego i nadmiar kwasu fosforowego. Stężenia składników roztworu powinny być dobrane tak, aby w temperaturze reakcji już przy małym obniżeniu stężenia jonów wodorowych tworzyły się na powierzchni metalu nierozpuszczalne fosforany. W zależności od składu kąpieli i parametrów fosforanowania otrzymane powłoki różnią się strukturą krystaliczną, grubością, porowatością i składem chemicznym. Powłoki fosforanowe są wieloskładnikowe, o składzie zależnym od składu kąpieli i metalu podłoża. Wszystkie powłoki fosforanowe są w mniejszym lub większym stopniu porowate i mogą być uszczelniane przez odpowiednią obróbkę po fosforanowaniu. Proces fosforanowania składa się z trzech zasadniczych etapów: a) przygotowanie powierzchni pod powłokę, b) wytwarzanie powłoki, c) operacje wykańczające. 2.0 WYKONANIE ĆWICZENIA 2.1 PROCES FOSFORANOWANIA STALI 1. Ocena wyglądu zewnętrznego powierzchni próbki (podłoża). 2. Mechaniczne usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni oraz odtłuszczanie w rozpuszczalniku organicznym. 3. Trawienie (roztwór wodny HCl + H2SO4 ); temp. 30°C, czas 5 min. 4. Płukanie w zimnej wodzie i suszenie. 5. Fosforanowanie w kąpiel: temp. 95 ÷ 98°C, czas 40 ÷ 45 min. 6. Płukanie w zimnej wodzie oraz suszenie. 7. Ocena wyglądu zewnętrznego otrzymanej powłoki okiem nie uzbrojonym lub przy powiększeniu 5–krotnym: • barwa, • struktura, • równomierność powłoki. 8. Pomiar grubości powłoki fosforanowej metodą elektromagnetyczną.
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
2
2.2 BARWIENIE STALI NA CZARNO I NIEBIESKO Barwienie stali na kolor czarny można prowadzić w utleniających solach stopionych lub w stężonych roztworach soli utleniających. W wyniku reakcji utleniania powstaje czarnobrązowa powłoka tlenkowa, głównie o składzie Fe3O4 (magnetyt). Intensywność zabarwienia zależy od czasu i temperatury procesu. Szczególną uwagę należy zwrócić na przepisy BHP – stosować odzież i okulary ochronne oraz rękawice gumowe. 1. 2. 3. 4. Czernienie próbek stalowych przeprowadzić następująco: Usunąć zanieczyszczenia z powierzchni próbek oraz odtłuścić w rozpuszczalniku organicznym. Trawić lub polerować chemicznie. Płukać w zimnej wodzie oraz suszyć. Zanurzyć w kąpieli barwiącej o składzie:
NaOH 400 g NaNO3 10 g NaNO2 10 g H2O 600 cm3 temp. 120 ÷ 130°C czas 15 ÷ 30 min. 5. Płukać wodą i suszyć. 6. Ocenić wygląd zewnętrzny powierzchni próbek po barwieniu (barwa, równomierność). 2.2.2 BARWIENIE STALI NA NIEBIESKO Barwienie próbek stalowych na niebiesko przeprowadza się podobnie jak barwienie na czarno. Różnica polega tylko na tym, że zabieg prowadzony jest w kąpieli o innym składzie chemicznym. Skład kąpieli do barwienia stali na niebiesko: Na2S2O3 octan ołowiu kwas winowy H2O temp.80°C. czas 10 ÷ 45 min. 240-280 g/dm3 25 g/dm3 30 g/dm3 do 1 dm3
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
3
2.2.3 BARWIENIE STOPU MIEDZI Barwienie miedzi i jej stopów przeprowadza się w celu nadania przed-miotom wyglądu antyku (patynowanie). Patyną nazywamy zielony nalot (zasadowy węglan miedzi), tworzący się na powierzchni metalu lub stopu wskutek wieloletniego działania czynników atmosferycznych. Stopy miedzi można barwić chemicznie również na inne kolory, głównie w celach dekoracyjnych. Czernienie mosiądzu przeprowadzić w następujący sposób: 1. Powierzchnię próbki oczyścić i odtłuścić (jak przy barwieniu stali). 2. Wypolerować chemicznie w kąpieli do polerowania; temp. 35°C, czas 1 ÷ 2 min. 3. Płukać w zimnej wodzie i suszyć. 4. Zanurzyć w kąpieli barwiącej o składzie: Cu2(OH)2CO3 100 g NH4OH stęż. 250 cm3 H2O 750 cm3 temp.80°C; czas 1 ÷ 2 min. 5. Płukać wodą i suszyć po barwieniu. 6. Ocenić wygląd zewnętrzny próbki po procesie barwienia (barwa, równomierność). Literatura 1. Biestek T. i in. – Nowoczesne metody wytwarzania konwersyjnych i metalicznych powłok ochronnych. Nowa technika, Zeszyt 27, PWT, Warszawa 1960. 2. Poradnik galwanotechnika. Praca zbiorowa WNT, Warszawa 1973. 3. Praca zbiorowa. Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii powierzchni. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1966. 4. PN/H – 97016: 1994 r.
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
4
06_Powloki konwersyjne i barwienie metali
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: INŻYNIERIA POWIERZCHNI ĆWICZENIE nr 6 Temat: POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI 1.0 WSTĘP Warstwy powierzchniowe nieorganiczne wytwarzane metodami chemicznymi i elektrochemicznymi noszą nazwę powłok konwersyjnych. Powłoki konwersyjne otrzymuje się wskutek sztucznie wywołanego i kierowanego procesu korozji powierzchni metalu lub stopu przez obróbkę chemiczną lub elektrochemiczną. Na powierzchni metalu tworzy się powłoka (praktycznie nierozpuszczalna w wodzie i w środowisku wywołującym ten proces) ściśle związana z materiałem podłoża. Do powłok konwersyjnych zalicza się: powłoki fosforanowe, chromianowe, tlenkowe i szczawianowe. Powłoki tego typu powstają w wyniku reakcji atomów warstwy powierzchniowej metalu z anionami odpowiednio dobranego środowiska. Reakcję taką w sposób ogólny można przedstawić następująco: m Me + n A-z → Mem An + n z e np. Fe + HPO42- → Fe HPO4 + 2 e gdzie: Me – atom reagującego metalu, A-z – anion środowiska, z – stopień utlenienia anionu e – elektron, m, n – współczynniki stechiometryczne. Powłoki fosforanowe i chromianowe są stosowane przede wszystkim do zwiększania przyczepności powłok malarskich oraz do ochrony przed korozją po dodatkowym zaimpregnowaniu olejami lub smarami. Powłoki fosforanowe znalazły również zastosowanie w procesie ciągnienia i tłoczenia stali oraz do zmniejszania tarcia i zużycia części ślizgowych. Powłoki tlenkowe oprócz właściwości ochronnych podnoszą walory dekoracyjne wyrobów (oksydowanie stali, barwienie metali).
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
1
Fosforanowanie stali Proces fosforanowania stosuje się do wytwarzania powłok na stali, żeliwie, aluminium i magnezie. Powłoki fosforanowe powstają w wyniku zanurzenia (lub natrysku) metalu przeznaczonego do obróbki w roztworze zawierającym jednopodstawiony fosforan metalu dwuwartościowego i nadmiar kwasu fosforowego. Stężenia składników roztworu powinny być dobrane tak, aby w temperaturze reakcji już przy małym obniżeniu stężenia jonów wodorowych tworzyły się na powierzchni metalu nierozpuszczalne fosforany. W zależności od składu kąpieli i parametrów fosforanowania otrzymane powłoki różnią się strukturą krystaliczną, grubością, porowatością i składem chemicznym. Powłoki fosforanowe są wieloskładnikowe, o składzie zależnym od składu kąpieli i metalu podłoża. Wszystkie powłoki fosforanowe są w mniejszym lub większym stopniu porowate i mogą być uszczelniane przez odpowiednią obróbkę po fosforanowaniu. Proces fosforanowania składa się z trzech zasadniczych etapów: a) przygotowanie powierzchni pod powłokę, b) wytwarzanie powłoki, c) operacje wykańczające. 2.0 WYKONANIE ĆWICZENIA 2.1 PROCES FOSFORANOWANIA STALI 1. Ocena wyglądu zewnętrznego powierzchni próbki (podłoża). 2. Mechaniczne usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni oraz odtłuszczanie w rozpuszczalniku organicznym. 3. Trawienie (roztwór wodny HCl + H2SO4 ); temp. 30°C, czas 5 min. 4. Płukanie w zimnej wodzie i suszenie. 5. Fosforanowanie w kąpiel: temp. 95 ÷ 98°C, czas 40 ÷ 45 min. 6. Płukanie w zimnej wodzie oraz suszenie. 7. Ocena wyglądu zewnętrznego otrzymanej powłoki okiem nie uzbrojonym lub przy powiększeniu 5–krotnym: • barwa, • struktura, • równomierność powłoki. 8. Pomiar grubości powłoki fosforanowej metodą elektromagnetyczną.
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
2
2.2 BARWIENIE STALI NA CZARNO I NIEBIESKO Barwienie stali na kolor czarny można prowadzić w utleniających solach stopionych lub w stężonych roztworach soli utleniających. W wyniku reakcji utleniania powstaje czarnobrązowa powłoka tlenkowa, głównie o składzie Fe3O4 (magnetyt). Intensywność zabarwienia zależy od czasu i temperatury procesu. Szczególną uwagę należy zwrócić na przepisy BHP – stosować odzież i okulary ochronne oraz rękawice gumowe. 1. 2. 3. 4. Czernienie próbek stalowych przeprowadzić następująco: Usunąć zanieczyszczenia z powierzchni próbek oraz odtłuścić w rozpuszczalniku organicznym. Trawić lub polerować chemicznie. Płukać w zimnej wodzie oraz suszyć. Zanurzyć w kąpieli barwiącej o składzie:
NaOH 400 g NaNO3 10 g NaNO2 10 g H2O 600 cm3 temp. 120 ÷ 130°C czas 15 ÷ 30 min. 5. Płukać wodą i suszyć. 6. Ocenić wygląd zewnętrzny powierzchni próbek po barwieniu (barwa, równomierność). 2.2.2 BARWIENIE STALI NA NIEBIESKO Barwienie próbek stalowych na niebiesko przeprowadza się podobnie jak barwienie na czarno. Różnica polega tylko na tym, że zabieg prowadzony jest w kąpieli o innym składzie chemicznym. Skład kąpieli do barwienia stali na niebiesko: Na2S2O3 octan ołowiu kwas winowy H2O temp.80°C. czas 10 ÷ 45 min. 240-280 g/dm3 25 g/dm3 30 g/dm3 do 1 dm3
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
3
2.2.3 BARWIENIE STOPU MIEDZI Barwienie miedzi i jej stopów przeprowadza się w celu nadania przed-miotom wyglądu antyku (patynowanie). Patyną nazywamy zielony nalot (zasadowy węglan miedzi), tworzący się na powierzchni metalu lub stopu wskutek wieloletniego działania czynników atmosferycznych. Stopy miedzi można barwić chemicznie również na inne kolory, głównie w celach dekoracyjnych. Czernienie mosiądzu przeprowadzić w następujący sposób: 1. Powierzchnię próbki oczyścić i odtłuścić (jak przy barwieniu stali). 2. Wypolerować chemicznie w kąpieli do polerowania; temp. 35°C, czas 1 ÷ 2 min. 3. Płukać w zimnej wodzie i suszyć. 4. Zanurzyć w kąpieli barwiącej o składzie: Cu2(OH)2CO3 100 g NH4OH stęż. 250 cm3 H2O 750 cm3 temp.80°C; czas 1 ÷ 2 min. 5. Płukać wodą i suszyć po barwieniu. 6. Ocenić wygląd zewnętrzny próbki po procesie barwienia (barwa, równomierność). Literatura 1. Biestek T. i in. – Nowoczesne metody wytwarzania konwersyjnych i metalicznych powłok ochronnych. Nowa technika, Zeszyt 27, PWT, Warszawa 1960. 2. Poradnik galwanotechnika. Praca zbiorowa WNT, Warszawa 1973. 3. Praca zbiorowa. Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii powierzchni. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1966. 4. PN/H – 97016: 1994 r.
POWŁOKI KONWERSYJNE I BARWIENIE METALI – Inżynieria Powierzchni
4
