stringtranslate.com

Хромированное конверсионное покрытие

Конверсионное покрытие из хромата цинка на мелких стальных деталях.

Хроматное конверсионное покрытие или алодиновое покрытие — это тип конверсионного покрытия, используемого для пассивации стали , алюминия , цинка , кадмия , меди , серебра , титана , магния и сплавов олова . [1] : стр.1265  [2] Покрытие служит в качестве ингибитора коррозии , в качестве грунтовки для улучшения адгезии красок и клеев , [2] в качестве декоративной отделки или для сохранения электропроводности . Оно также обеспечивает некоторую устойчивость к истиранию и легкому химическому воздействию (например, грязные пальцы) на мягкие металлы. [2]

Хроматные конверсионные покрытия обычно наносятся на такие предметы, как винты , скобяные изделия и инструменты. Они обычно придают отчетливо переливающийся, зеленовато-желтый цвет в остальном белым или серым металлам. Покрытие имеет сложный состав, включающий соли хрома , и сложную структуру. [2]

Этот процесс иногда называют алодиновым покрытием, этот термин используется специально [2] в отношении зарегистрированного процесса Alodine компании Henkel Surface Technologies. [3]

Процесс

Хроматные конверсионные покрытия обычно наносятся путем погружения детали в химическую ванну до тех пор, пока не образуется пленка желаемой толщины, затем деталь вынимают, промывают и дают ей высохнуть. Процесс обычно проводится при комнатной температуре с погружением на несколько минут. В качестве альтернативы раствор можно распылять или деталь можно ненадолго погрузить в ванну, в этом случае реакции покрытия происходят, пока деталь еще влажная. [2]

Покрытие мягкое и желеобразное при первом нанесении, но затвердевает и становится гидрофобным по мере высыхания, обычно в течение 24 часов или меньше. [2] Отверждение можно ускорить, нагрев до 70 °C (158 °F), но более высокая температура постепенно повредит покрытие на стали.

Состав ванны

Состав ванны сильно варьируется в зависимости от покрываемого материала и желаемого эффекта. Большинство формул ванн являются запатентованными.

Формулы обычно содержат соединения шестивалентного хрома , такие как хроматы и дихроматы . [4]

Широко используемый процесс Кронака для цинка и кадмия состоит из 5–10 секунд погружения в раствор комнатной температуры, состоящий из 182 г / л дихромата натрия (Na2Cr2O7 · 2H2O ) и 6 мл / л концентрированной серной кислоты . [ 5]

Химия

Процесс хроматирования начинается с окислительно-восстановительной реакции между шестивалентным хромом и металлом. [2] В случае алюминия, например,

Кр6+
+ Al0 → Cr​3+
+ Эл3+

Образующиеся трехвалентные катионы реагируют с гидроксид- ионами в воде с образованием соответствующих гидроксидов или твердого раствора обоих гидроксидов:

Кр3+
+ 3 ОН−
→ Cr(ОН)
3
Эл3+
+ 3 ОН−
→ Al(ОН)
3

При соответствующих условиях эти гидроксиды конденсируются с удалением воды, образуя коллоидный золь из очень мелких частиц, которые осаждаются в виде гидрогеля на поверхности металла. Гель состоит из трехмерного твердого скелета оксидов и гидроксидов с наномасштабными элементами и пустотами, заключающими жидкую фазу. Структура геля зависит от концентрации ионов металла, pH и других ингредиентов раствора, таких как хелатирующие агенты и противоионы. [2]

Гелевая пленка сжимается по мере высыхания, сжимая скелет и заставляя его затвердевать. В конце концов усадка прекращается, и дальнейшее высыхание оставляет поры открытыми, но сухими, превращая пленку в ксерогель . В случае алюминия сухое покрытие состоит в основном из оксида хрома (III) Cr
2О
3, или смешанный оксид (III)/(VI), с очень небольшим количеством Al
2О
3. Обычно параметры процесса корректируются для получения сухого покрытия толщиной 200-300 нм . [2] [6] [7]

Покрытие сжимается по мере высыхания, что приводит к его растрескиванию на множество микроскопических чешуек, описываемых как «высохшая грязь». Захваченный раствор продолжает реагировать с любым металлом, который обнажается в трещинах, так что окончательное покрытие становится сплошным и покрывает всю поверхность. [2]

Хотя основные реакции превращают большую часть анионов хрома(VI) (хроматы и дихроматы) в осажденном геле в нерастворимые соединения хрома(III), небольшое их количество остается непрореагировавшим в высохшем покрытии. Например, в покрытии, сформированном на алюминии коммерческой ванной, было обнаружено, что около 23% атомов хрома являются шестивалентными Cr6+
, за исключением области, близкой к металлу. Эти остатки хрома (VI) могут мигрировать, когда покрытие смачивается, и, как полагают, играют роль в предотвращении коррозии в готовой детали — в частности, восстанавливая покрытие в любых новых микроскопических трещинах, где может начаться коррозия. [2] [6] [7]

Субстраты

Цинк

Хроматирование часто выполняется на оцинкованных деталях, чтобы сделать их более долговечными. Хроматное покрытие действует как краска, защищая цинк от белой коррозии , таким образом делая деталь значительно более долговечной, в зависимости от толщины хроматного слоя. [8] [9] [10]

Защитный эффект хроматных покрытий на цинке определяется цветом, который меняется от прозрачного/синего до желтого, золотого, оливково-серого и черного. Более темные покрытия обычно обеспечивают большую коррозионную стойкость. [11] Цвет покрытия также можно изменить с помощью красителей, поэтому цвет не является полным индикатором используемого процесса.

ISO 4520 определяет хроматные конверсионные покрытия на гальванических цинковых и кадмиевых покрытиях. ASTM B633 Тип II и III определяют цинковое покрытие плюс хроматное конверсионное покрытие на железных и стальных деталях. Недавние редакции ASTM B633 ссылаются на ASTM F1941 для цинкования механических крепежных деталей, таких как болты, гайки и т. д. 2019 год является текущей редакцией ASTM B633 (заменившей редакцию 2015 года), которая повысила требуемые пороговые значения растяжения при столкновении с проблемами водородной хрупкости и рассмотрела проблемы хрупкости в новом приложении.

Алюминий и его сплавы

Для алюминия ванна хроматного преобразования может быть просто раствором хромовой кислоты . Процесс быстрый (1–5 мин), требует одного технологического резервуара с температурой окружающей среды и соответствующей промывки и является относительно беспроблемным. [2]

По состоянию на 1995 год коммерческая формула Alodine 1200s компании Henkel для алюминия состояла из 50–60 % хромового ангидрида CrO
3, 20-30% тетрафторборат калия КБФ
4, 10-15% феррицианида калия K
3Fe(CN) , 5-10% гексафтороцирконат калия K
2ZrF
6, и 5-10% фторида натрия NaF по весу. Формула должна была растворяться в воде в концентрации 9,0 г/л, давая ванну с pH = 1,5. Она давала светло-золотистый цвет через 1 мин и золотисто-коричневую пленку через 3 мин. Средняя толщина варьировалась от 200 до 1000 нм. [6]

Iridite 14-2 — это хроматная конверсионная ванна для алюминия. В ее состав входят оксид хрома (IV) , нитрат бария , кремнефтористый натрий и феррицианид . [12] В алюминиевой промышленности этот процесс также называется химической пленкой [13] или желтым иридитом [13] . Коммерческие торговые наименования включают Iridite [13] и Bonderite [14] (ранее известный как Alodine или Alocrom в Великобритании). [15] Основными стандартами для хроматного конверсионного покрытия алюминия являются MIL-DTL-5541 в США и Def Stan 03/18 в Великобритании.

Магний

Алодин может также относиться к хроматным покрытиям магниевых сплавов . [3]

Сталь

Сталь и железо не могут быть хромированы напрямую. Сталь, покрытая цинком или цинково-алюминиевым сплавом, может быть хромирована. [9] [10] Хромирование оцинкованной стали не усиливает катодную защиту цинка от ржавчины . [5]

Фосфатные покрытия

Хроматные конверсионные покрытия можно наносить поверх фосфатных конверсионных покрытий, часто используемых на железных подложках. Этот процесс используется для улучшения фосфатного покрытия. [5]

Безопасность

Соединения шестивалентного хрома стали предметом пристального внимания со стороны работников и органов здравоохранения из-за их канцерогенности и стали строго регулироваться. [16]

В частности, опасения по поводу воздействия хроматов и дихроматов на рабочих при работе с иммерсионной ванной и влажными деталями, а также небольшие остатки этих анионов, которые остаются в покрытии, побудили к разработке альтернативных коммерческих составов ванн, не содержащих шестивалентный хром; [17] например, путем замены хроматов солями трехвалентного хрома , которые значительно менее токсичны и обеспечивают такую ​​же или лучшую коррозионную стойкость, как и традиционная конверсия шестивалентного хромата. [18]

В Европе директивы RoHS и REACH поощряют исключение шестивалентного хрома из широкого спектра промышленных применений и продуктов, включая процессы нанесения хроматных конверсионных покрытий.

Ссылки

  1. ^ KH Jürgen, Buschow, Robert W. Cahn, Merton C. Flemings, Bernhard Ilschner, Edward J. Kramer и Subhash Mahajan (2001): Энциклопедия материаловедения – Наука и технологии , Elsevier, Оксфорд, Великобритания.
  2. ^ abcdefghijklm Джозеф Х. Осборн (2001): "Наблюдения за хроматными конверсионными покрытиями с точки зрения золь-гель". Progress in Organic Coatings , том 41, выпуск 4, страницы 280-286. doi :10.1016/S0300-9440(01)00143-6
  3. ^ ab Домашняя страница продукции Henkel Alodine, дата обращения 27.03.2009
  4. ^ Роберт Питер Франкенталь (2002): Наука о коррозии: ретроспектива и современное состояние в честь Роберта П. Франкенталя Труды международного симпозиума. ISBN 9781566773355 
  5. ^ abc Эдвардс, Джозеф (1997). Системы покрытий и обработки поверхности для металлов . Finishing Publications Ltd. и ASM International. стр. 66–71. ISBN 0-904477-16-9.
  6. ^ abc FW Lytle, RB Greegor, GL Bibbins, KY Blohowiak, RE Smith и GD Tuss (1995): "Исследование структуры и химии поверхностного слоя, преобразованного в хром, на алюминии". Corrosion Science , том 31, выпуск 3, страницы 349-369. doi :10.1016/0010-938X(94)00101-B
  7. ^ ab J. Zhao, L. Xia, A. Sehgal, D. Lu, RL McCreery и GS Frankel (2001): "Влияние хромата и хроматных конверсионных покрытий на коррозию алюминиевого сплава 2024-T3". Surface and Coatings Technology , том 140, выпуск 1, страницы 51-57. doi :10.1016/S0257-8972(01)01003-9
  8. ^ MP Gigandet, J. Faucheu и M. Tachez (1997): "Формирование черных хроматных конверсионных покрытий на чистых и цинковых сплавах электролитических отложений: роль основных компонентов". Surface and Coatings Technology , том 89, выпуск 3, 1 стр. 285-291. doi :10.1016/S0257-8972(96)03013-7
  9. ^ ab AM Rocco, Tania MC Nogueira, Renata A. Simão и Wilma C. Lima (2004): "Оценка хроматной пассивации и хроматного конверсионного покрытия на стали с покрытием 55% Al–Zn". Surface and Coatings Technology , том 179, выпуски 2–3, страницы 135–144. doi :10.1016/S0257-8972(03)00847-8
  10. ^ ab ZL Long, YC Zhou и L. Xiao (2003): "Характеристика черного хроматного конверсионного покрытия на электроосажденном цинк-железном сплаве". Applied Surface Science , том 218, выпуски 1–4, страницы 124-137. doi :10.1016/S0169-4332(03)00572-5
  11. ^ Дегармо, Э. Пол; Блэк, Дж. Т.; Кохсер, Рональд А. (2003). Материалы и процессы в производстве (9-е изд.). Wiley. стр. 792. ISBN 0-471-65653-4.
  12. ^ Паспорт безопасности материала MacDermid для Iridite 14-2, номер продукта 178659.
  13. ^ abc "Спецификация Mil-C-5541 на конверсионное покрытие на основе иридитового хромата | Engineers Edge".
  14. ^ "Конструкции самолетов – покрытие Alodine". Специальный информационный бюллетень летной годности (SAIB): HQ-18-09 . FAA. 5 февраля 2018 г. Архивировано из оригинала (pdf) 15-08-2022 . Получено 03-04-2018 .
  15. ^ Новая обработка поверхности алюминия. Энтони, Дж. Железный век (1946), 158(23), 64-7.
  16. ^ Профессиональное воздействие шестивалентного хрома, Министерство труда США, Федеральный реестр OSHA # 71:10099-10385, 28 февраля 2006 г.
  17. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-02-05 . Получено 2010-09-15 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  18. ^ Eckles, William; Frischauf, Rob (18 сентября 2006 г.). «Альтернативы шестивалентным хроматам: эволюция технологий трехвалентных хроматов» (PDF) . Центр исследований окружающей среды в области поверхностных технологий . Совет по индустрии отделки поверхностей (SFIC) . Получено 28 июня 2024 г. .

Внешние ссылки