что такое пассировка металла
Технология пассивации металла, виды и составы
Пассивация — это защита металла стойкими к коррозии тонкими поверхностными пленками. Свойства и применение пассивированных металлов и сплавов. Виды пассивирования и состав электролитов. Особенности и поэтапное описание технологии.
Пассивация — это формирование на поверхности металла тонких оксидных или солевых пленок, которые защищают его от внешней коррозии. Такое покрытие препятствует контакту металла с кислородом и агрессивными средами. При пассивировании защитные пленки могут образовываться на металлической поверхности как естественным, так и искусственным путем. В первом случае они состоят из оксидов химических элементов, входящих в состав самого металла, а во втором могут включать в себя оксиды и соли других химических элементов. Например, чистый алюминий естественным способом образует очень стойкую оксидную пленку, поэтому устойчив к большинству видов коррозии. А вот изделия из его сплавов, содержащих химически активные компоненты, уже нуждаются в искусственной коррозионной защите и поэтому подвергаются пассивированию в солевых растворах.
Пассивацию широко применяют для защиты поверхностей изделий из стали, меди, никеля, алюминия и их сплавов. Даже защитные цинковые и кадмиевые покрытия пассивируют солями хрома для повышения их коррозионной и механической стойкости. Пассивирование металла вызывает образование на его поверхности слоя оксидов или солей толщиной в несколько микрон, что практически не влияет на геометрические размеры изделий. С другой стороны, такие пленки могут снижать контактную проводимость основного материала, но, как правило, в меньшей степени, чем слой корродированного металла.
Суть и описание процесса пассивации металла
При пассивировании поверхности металлических изделий обрабатывают растворами химических соединений, обладающих окислительными свойствами. В этой роли чаще всего выступают кислоты, нитриты и растворы солей хрома (реже — молибдена). Нанесение раствора на поверхность металлических заготовок производится методом погружения или вручную, с помощью специального оборудования. Применяемые при пассивировании растворы обычно состоят из основного реагента и нескольких добавок, ускоряющих и стабилизирующих процесс пассивации.
В общем виде процесс пассивирования состоит из следующих этапов:
Свойства пассивированного металла и его применение
Пассивация железа и его сплавов в виде конструкционных и специальных сталей обычно проводится по покрытию из никеля, цинка или кадмия с использованием солей хрома. Такое пассивирование укрепляет поверхностный слой и позволяет эксплуатировать стальные изделия в течение длительного периода без опасности коррозии, а в случае ее проявления обрабатывать только пораженные участки. Пассивирование меди и ее сплавов (бронзы и латуни) выполняется как в защитных, так и в декоративных целях с применением хроматных растворов. В этом случае на поверхности медного изделия образуется тонкая прозрачная пленка, предохраняющая металл от окисления и сохраняющая его товарный вид.
Пассивирование серебра проводят для этих же целей с применением аналогичных технологий.
Виды пассивирования
Химическое
Химическое пассивирование происходит в результате притяжения отрицательных ионов растворенных в воде солей к поверхности металла, атомы которого имеют положительный потенциал. Для этого металлические изделия, предварительно очищенные и обезжиренные, помещаются в специальную ванну, заполненную соответствующим раствором. Основным компонентом в таком электролите является соль металла, образующего защитную пленку на поверхности изделия. Химическая пассивация также может выполняться по месту установки изделия. В этом случае все процессы, начиная от очистки и заканчивая пассивацией, нейтрализацией и обмывкой, выполняются вручную с помощью специального оборудования.
Электрохимическое
Содержание составов для пассивации
Все соли хрома (особенно шестивалентного) очень токсичны. Поэтому проводить хромовую пассивацию металлических изделий можно только на специализированных производствах, имеющих соответствующие системы очистки и водоотведения, а также специально обученный персонал.
Нигде не пишут, каким образом выполняется пассивирование солями хрома непосредственно в местах установки оборудования. Как в этих случаях удаляют химические реагенты? Или при такой обработке применяют другие составы? Если кто-нибудь располагает информацией по данному вопросу, поделитесь, пожалуйста, в комментариях к нашей статье.
Пассивирование металла: назначение, технология, методы
Несмотря на то, что нержавеющая сталь отличается высокой устойчивостью к коррозии, дополнительная защита, которую позволяет получить такая технологическая операция, как пассивация, для нее желательна. В отдельных случаях, когда большому риску развития коррозии подвержены даже изделия, изготовленные из нержавеющей стали, необходимость в выполнении такой процедуры не вызывает сомнений.
Примеры нержавеющих поверхностей, подвергнутых коррозии, и результаты проведенной пассивации
Чем обусловлена высокая коррозионная устойчивость нержавеющих сталей
Суть такого явления, как коррозия, состоит в том, что поверхность металла под воздействием негативных внешних факторов и окружающей среды начинает разрушаться. Что характерно, коррозия из-за постоянного окисления поражает металл слой за слоем, постепенно разрушая внутреннюю структуру стали. Во многих случаях локализовать пораженные участки внутренней структуры металла уже не имеет смысла, поэтому стальные изделия приходится заменять на новые.
Пассивирование (или пассивация) как технология, позволяющая обеспечить надежную защиту стали от коррозии, лежит в основе создания такого уникального металла, каким является нержавеющая сталь. В химическом составе преимущественного большинства сталей, относящихся к нержавеющей категории, могут содержаться различные элементы:
Однако основным легирующим элементом таких сталей, количество которого в их составе может варьироваться в пределах 12–20%, является хром. Добавление различных легирующих элементов в состав нержавеющих сталей позволяет придать им требуемые физико-химические характеристики, но именно хром отвечает за коррозионную устойчивость стального сплава.
Влияние хрома на свойства нержавеющей стали
Нержавеющие стальные сплавы, в составе которых содержится 12% хрома, проявляют высокую коррозионную устойчивость только при взаимодействии с окружающим воздухом. Если количество хрома в химическом составе нержавеющей стали увеличить до 17%, то изделия из нее смогут спокойно взаимодействовать с азотной кислотой, не утрачивая при этом своих эксплуатационных характеристик.
Чтобы сделать металл устойчивым к еще более агрессивным средам, к числу которых относятся соляная, серная и другие кислоты, в нем не только увеличивают количественное содержание хрома, но и добавляют в его состав такие элементы, как медь, молибден, никель и др. Иными словами, выполняют пассивирование металла, то есть увеличивают его пассивность к коррозионным процессам.
В процессе пассивации зоны сварочного шва образуется прочная пленка
Пассивация, при которой в химический состав нержавеющей стали добавляют соответствующие легирующие элементы, – это не единственное условие высокой коррозионной устойчивости металла. Чтобы защитные свойства нержавеющей стали оставались на высоком уровне, оксидная пленка на ее поверхности, состоящая преимущественно из оксида хрома, должна быть целой, иметь однородный химический состав и толщину.
Причины возникновения коррозии
Несмотря на то, что в химическом составе нержавеющей стали должны содержаться пассиваторы, значительно повышающие ее коррозионную устойчивость, ее поверхность и внутренняя структура могут подвергаться коррозии.
Основной причиной, по которой нержавеющая сталь начинает разрушаться, является недостаточное или неравномерное содержание в ее химическом составе хрома. Вызвать коррозию также может контакт с металлом, который отличается значительно меньшей устойчивостью к окислению. Часто подвергаются разрушению изделия из нержавейки, которые были соединены между собой по технологии сварки.
Коррозия труб полотенцесушителя, возникшая по причине недобросовестного исполнения сварочного шва производителем
Что характерно, даже если нержавеющая сталь отличается очень высоким качеством, после сварки она может покрыться слоем ржавчины. Чтобы избежать таких негативных явлений, сварные швы, при помощи которых выполнено соединение изделий из нержавейки, необходимо тщательно зачищать и полировать. Такая процедура позволяет удалить с поверхности сварного шва и самих изделий из нержавейки остатки менее устойчивого к коррозии металла, который был использован для выполнения сварочных работ.
Очень часто на поверхность нержавейки частички менее устойчивого к коррозии металла попадают и в тех случаях, когда его обработка выполняется в непосредственной близости от стальных изделий. Так, если рядом пилят, шлифуют или выполняют другие виды обработки обычного металла, то его частички, попав на нержавеющую сталь, обязательно станут источниками ее коррозии. На нержавейке они могут появиться и в том случае, если вы решите выполнить ее обработку инструментом, который до этого взаимодействовал с обычным металлом. Именно поэтому инструменты, особенно относящиеся к режущему типу, желательно использовать для выполнения обработки только однотипных материалов.
Коррозия вытяжки из нержавеющей стали, произошедшая вследствие чистки изделия железной щеткой
Однако, конечно, наиболее критичным местом на поверхности изделий из нержавейки с точки зрения возникновения и развития коррозионных процессов является сварной шов. Именно поэтому важны не только тщательная зачистка, шлифовка и полировка места сформированного сварного соединения, но и его пассивация, для чего используются различные кислотные растворы.
Пассивация (химическое пассивирование), как правило, выполняется с применением раствора, основу которого составляет азотная кислота. Обработка таким раствором тщательно подготовленного участка изделия из нержавеющей стали позволяет сформировать оксидную пленку, отличающуюся высокой пассивностью к коррозионным процессам.
Обработка сварных соединений на нержавейке, после которой и выполняется химическое пассивирование, осуществляется при помощи металлической щетки и шлифовальной машинки. При этом, как уже говорилось выше, важно следить за тем, чтобы используемые при пассивации инструменты не реагировали до этого с обычным металлом, частички которого могут стать источником развития коррозионных процессов.
Чтобы проверить, не присутствует ли на поверхности нержавейки включений обычного металла, можно воспользоваться двумя способами.
Обработка водным раствором азотной кислоты и ферроцианида калия
Места на поверхности изделия, на которых присутствуют включения свободного железа, после выполнения такой обработки сразу окрасятся в синий цвет. Следует отметить, что такой способ проверки используют преимущественно в условиях производственных лабораторий.
Смачивание обычной водой
Изделие выдерживают в таком состоянии на протяжении нескольких часов. Если на нержавейке присутствуют включения свободного железа, то участки с такими включениями начнут покрываться ржавчиной.
Виды коррозии
Несмотря на то, что коррозионный процесс приводит практически к одинаковым последствиям, причины, ее вызывающие, могут быть различными. Наиболее частой причиной коррозии изделий из нержавейки, используемых в бытовых условиях, является применение для их чистки средств, содержащих в своем химическом составе значительное количество хлора. Такие средства активно способствуют разрушению оксидной пленки на металле, что приводит к развитию коррозионного процесса на всей его поверхности (т.е. общей коррозии).
Щелевая коррозия нержавейки возникает в тех случаях, когда детали из такого металла длительное время соприкасаются между собой. Коррозия данного типа, что характерно, часто начинает развиваться в местах крепежа. Различают также точечную коррозию, которую часто называют питтинговой. Она возникает в тех случаях, когда оксидная пленка на нержавейке повреждена механическим способом.
Коррозия нержавейки под водой проявляется в большей степени в местах соединения деталей
Если нержавейка контактирует с разнородным для нее металлом в токопроводящей среде, начинает развиваться коррозия, которая получила название гальванической. Этому процессу наиболее подвержены изделия из нержавеющих сталей, эксплуатируемые в морской воде и при этом контактирующие с металлами, отличающимися меньшей степенью легирования.
Межкристаллитная коррозия – очень распространенное явление, возникающее в тех случаях, когда изделие из нержавеющей стали было подвергнуто значительному перегреву. При сильном нагреве (свыше 500°) на границах кристаллической решетки нержавеющей стали формируются карбиды хрома и железа, которые и становятся причиной снижения прочности металла.
Коррозия нержавеющей стали может возникать из-за применения хлоросодержащих чистящих составов
Различают также эрозивную коррозию, которая возникает, если нержавейка постоянно находится под воздействием абразивной среды. Постоянно воздействуя на поверхность металла, частички такой среды разрушают защитную оксидную пленку, которая не успевает восстанавливаться.
Пассивирование нержавейки
Обеспечить такие условия эксплуатации изделий из нержавеющей стали, чтобы они не контактировали с другими металлами и агрессивными средами, а также не подвергались механическим повреждениям, практически невозможно. Именно поэтому необходима упомянутая выше технологическая операция – пассивирование. Дополнительную степень защиты, которую обеспечивает пассивирование (пассивация), часто стараются обеспечить:
Между тем пассивация не всегда целесообразна даже для изделий подобного назначения.
Пассивирование сварочного шва нержавейки
Пассивирование, хотя и является методом обработки нержавеющей стали, способным обеспечить ее дополнительной защитой от коррозии, во многих случаях является нецелесообразным и даже может ухудшить защитные свойства стали. Поэтому прежде чем выполнять пассивацию, следует проанализировать условия, в которых будет эксплуатироваться изделие, чтобы однозначно решить, нужна ли его поверхности дополнительная защита.
Пассивация, если решение о ее выполнении принято, должна обеспечивать получение цельного и равномерного по толщине защитного слоя, что достигается строгим соблюдением технологического процесса. Как правило, пассивацию выполняют в тех случаях, когда дополнительная защита необходима внешней, а не внутренней поверхности изделия из нержавеющей стали.
Суть такого процесса, как пассивация, заключается в том, что поверхность изделия из нержавеющей стали обрабатывают специальным раствором, основу которого составляет азотная, а в некоторых случаях и лимонная кислота. Иногда такой раствор могут дополнять незначительным количеством (2-6%) бихромата натрия. Химический состав такого раствора, а также такие параметры, как температура нагрева и время выдержки, зависят от марки обрабатываемой нержавеющей стали.
Пассивация металла
Одним из эффективных методов защиты поверхности металла от воздействия коррозии является обработка поверхности с помощью специальных химических растворов. При их взаимодействии с металлом протекает химическая реакция, в результате которой на поверхности образуется нейтральное (пассивное) соединение способное противостоять протеканию коррозийных процессов. Такая обработка называется пассивация металла. После завершения этого процесса на поверхности образуется оксидная плёнка. Она обладает химическими свойствами не вступать в реакцию окисления и тем самым предотвращает разрушение не только поверхностного слоя, но и всей детали.
Описание технологии
В основу пассивации положены принципы химического взаимодействия поверхностного слоя металла с различными растворами других металлов, в результате, которого, на поверхности образуется поверхностный слой с новыми физическими и химическими свойствами. Процесс пассивации предполагает создание абсорбционных (фазовых) слоёв, которые изменяют структуру первоначального металла. Слой пассивации создаёт надёжный барьер, который препятствует процессу окисления и служит надёжной защитой от коррозии.
Для проведения подобных химических реакций используется различный металл. Это зависит от состава исходного металла, из которого изготовлена деталь. Для придания ей специфических свойств могут применяться: хром, никель, кобальт, марганец, молибден и другие редкоземельные металлы. В зависимости от их процентного содержания готовят раствор для пассивации и выбирают необходимое оборудование.
При пассивации нержавеющей стали в процессе её производства в её состав добавляют различные легирующие металлы. Они обеспечивают лучшее взаимодействие с химическими элементами, входящих в состав пассивирующего раствора.
Например, для создания на поверхности стали надёжной антикоррозийной плёнки применяют оксид хрома. Производится операция хромирования.Она полностью меняет физико-химические свойства поверхностного слоя. При правильном проведении обработки получают ровный и одинаковый по плотности слой. Для проведения пассивации применяют различные кислоты. Чаще всего создаётся раствор на основе азотной кислоты. Именно созданные соли на основе этой кислоты создают на поверхности стали защитную плёнку с высокими защитными характеристиками.
После завершения технологического процесса проводят проверку качества полученного слоя. Это необходимо для оценки поверхности обработанной детали. На практике используют различные методы проверки. Например, используют химический метод: обрабатывают поверхность раствором ферроцианида калия в азотной кислоте. Такое воздействие позволяет визуально определить места некачественной обработки. В местах, где слой достаточно тонкий или отсутствует, то есть присутствует большое количество свободного железа, появиться характерный синий цвет. Этот способ применяется в заводских лабораториях. Им проверяют выборочные детали из готовой партии.
Более простым, но длительным считается способ помещения готового изделия в обычную воду. После длительного пребывания в воде, места с плохой обработкой покрываются ржавчиной.
Технология проведения пассивации цветных металлов практически не отличается от технологии обработки стали. Основным отличием является состав применяемых растворов. Например, для обработки алюминия, меди, никеля применяют хроматы калия и натрия или хромовый ангидрид. Ускорения процесса обработки осуществляется при добавлении в состав раствора различных солей и кислот. Пассивация меди производится в растворах серной кислоты, обработка поверхности меди производится в растворе фосфорной кислоты, цинка и кадмия в растворах соляной и азотной кислоты.
В некоторых случаях процесс взаимодействия раствора с металлом применяют для решения других важных технических задач.Процесс разложения металла под воздействием окислов применяется для изготовления печатных плат в радиотехнике. Эта процедура называется травление. В этом случае на поверхность металлизированной текстолитовой пластины наносится с помощью краски рисунок будущих токопроводящих полос и мест размещения радиодеталей. Затем пластину с нанесённым рисунком опускают в ванну с раствором, под воздействием которого происходит химическое удаление слоя металла с поверхности текстолита. В результате пассивации на поверхности остаётся только метал, защищённый краской. После этого пластину промывают в проточной воде и с помощью растворителей удаляют слой нанесённой краски. Результатом такой пассивации (травления) становиться готовая печатная плата для конкретного радиоэлектронного устройства.
Технология нанесения на основной слой изделия декоративного слоя не отличается от общего процесса пассивации. При создании ювелирных украшений на поверхность серебряной заготовки наносят тонкий слой золотой плёнки. Она формируется аналогичным образом. Таким образом, получают изделие с характерным золотым цветом.
Важным моментом для получения качественной плёнки при пассивации является финишная обработка. Во всех случаях необходимо после извлечении детали из ванны с раствором качественно её промыть. Это необходимо для того, чтобы прекратить процесс пассивации. Если оставить часть активного раствора или даже его разбавленные компоненты, будет нарушена технология и качество полученной плёнки значительно снижается. После тщательной промывки рекомендуется просушить готовую деталь. Это можно осуществить при естественной сушке или с применением специальных фенов. На производстве применяют сушильные камеры, которые обеспечивают равномерный поток тёплого воздуха. Качественная подготовка поверхности, соблюдение всех режимов обработки, соблюдение времени пассивации, качественная промывка исушка позволяют получить качественный равномерный защитный слой, способный прослужить достаточно длительный срок.
Применение пассивации
К основным задачам пассивации относятся:
Первая задача решается для большого количества металлов и их сплавов.Одним вариантов такой защиты является воронение. Во втором случае для создания прочного сварного соединения применяется пассивация анодов и конечная обработка полученного соединения после сварки. Проведение пассивации позволяет значительно повысить герметичность, полученных соединений. Это особенно важно припрокладке трубопроводов. Такая обработка очень полезна при проведении сварки трудно свариваемых металлов, например алюминия. Пассивация меди или латуни производится для создания временной защиты от потускнения поверхности изделия на определённый срок (обычно около месяца). Иногда это используется как временная консервация подготовленных деталей для хранения между операциями дальнейшей обработки или сборки.
Данный вид обработки необходим при эксплуатации изделий из металлов в следующих случаях:
Решение задач повышения электропроводности решается с помощью нанесения наповерхность изготовленных контактов тонкого слоя металл, обладающего повышенной электропроводностью, например золота или серебра.
Виды пассивации
Основными и наиболее хорошо отработанными видами пассивации являются:
Химическая
Химическая пассивацияпредполагает применение растворов солей различных металлов.Наиболее эффективно пассивация производится азотной кислотой. Кроме неё для формирования раствора пользуются серной кислотой или лимонной. Для повышения качества процесса в раствор добавляют небольшое количество бихромата натрия. Его количество не превышает 6% от общей массы. Состав раствора подбирается индивидуально и во многом зависит от марки обрабатываемого металла. Например, для пассивации железа применяют соли металлов, растворённые в серной кислоте высокой концентрации.
Сущность химической пассивации заключается в активном притяжении отрицательных ионов, которые присутствуют в растворе, к атомам металла.Это происходит благодаря наличию у них положительного заряда. В результате такой диффузии образуется поверхностный слой.
Для пассивации обязательно проводят предварительную подготовку поверхности изделия. Её тщательно зачищают механическими и химическими методами.От качества этой процедуры зависит конечный результат и надёжность образованной плёнки.Большое значение это имеет при пассивации цветных металлов: латуни, меди, бронзы.
Электрохимическая
Этот вид пассивации основан на принципах, заложенных в технике гальванической обработки изделий. Ускорение обработки осуществляется благодаря воздействию постоянного тока, который протекает через раствор, ускоряя химическую реакцию. Такая пассивация называется электрохимическая.
В состав такой установки кроме ванны, в котором размещают электролит, используется источник постоянного тока, соединительные провода и один электрод. Вторым электродом является сама деталь.Другим вариантом контактов являются один электрод и корпус ванной (она должна быть изготовлена из металла, стойкого к воздействию электролита и электрического тока). На практике применяют электрические установки с относительно невысоким уровнем напряжения. Его величина не превышает 12В.
В обоих случаях при включении установки через раствор пропускают электрический ток. Он является стимулятором протекания процесса пассивации на поверхности заготовки. На практике различаю анодную и катодную пассивацию.
При такой пассивации положительный потенциал подается на заготовку, а отрицательный — на корпус ванны. При использовании электрохимического способа защитная пленка образуется быстрее и получается более ровной. Но такая технология дороже химической пассивации, т. к. в ней применяется более сложное оборудование и происходит расход электроэнергии.Под его действием защитная пленка получается равномерной. Именно так формируется плёнка на поверхности медных заготовок. Ток пропускают через растворы с растворёнными в них солями хрома. Именно в них медь приобретает наибольшую стойкость к коррозии.
Важными параметрами в этом процессе является время протекания пассивации, плотность и состав электролита, критическая величина тока пассивации. Эти параметры рассчитаны для различных металлов и приведены в специальных таблицах. На основании этих данных рассчитывают допустимое время обработки.
Свойства металла после обработки
Основной задачей пассивации является улучшение физико-химических и механических характеристик поверхностного слоя материала, из которого изготовлена деталь. Остальные характеристики более глубоких слоёв сохраняются неизменными. Поэтому после завершения пассивации в поверхностном слое изменяются следующие свойства и характеристики:
Пассивация нержавеющей стали позволяет значительно повысить антикоррозийные свойства и придать готовой детали совершенно другой цвет. Применение хрома или никеля в составе пассивирующего раствора позволяет получить блестящий металлический цвет.
Пассивация железа близкими к нему химическими элементами позволяет создать достаточно стойкий к коррозии внешний слой. Таки образом расширяется область применения таких изделий. Их можно использовать даже в активных и агрессивных средах. Кроме различных марок стали пассивации подвергают чугун. Основной задачей является создание защитной плёнки от коррозии. В отдельных случаях при применении загущенного нитрата натрия поверхностный слой приобретает некоторую эластичность. В этом случае добиваются снижения хрупкости всей детали. Одним из видов стали является так называемое воронение. В результате обработки получается надёжный внешний слой чёрного цвета
Аналогичным образом изменяются свойства поверхностного слоя цветных металлов. В результате пассивации образуются определённой толщины адсорбционные или фазовые слои. Помещение заготовки из алюминия стимулирует процесс естественной пассивации поверхностного слоя этого металла. При воздействии кислотных растворов защитные свойства поверхностного слоя алюминия увеличиваются.