Черный оксид или чернение — это конверсионное покрытие для черных металлов, нержавеющей стали, меди и сплавов на ее основе, цинка , порошковых металлов и серебряного припоя . [1] Он используется для придания легкой коррозионной стойкости, улучшения внешнего вида и минимизации отражения света. [2] Для достижения максимальной коррозионной стойкости черный оксид необходимо пропитать маслом или воском. [3] Одним из его преимуществ перед другими покрытиями является минимальное налипание. [2]
Стандартным черным оксидом является магнетит (Fe 3 O 4 ), который более механически стабилен на поверхности и обеспечивает лучшую защиту от коррозии, чем красный оксид ( ржавчина ) Fe 2 O 3 . Современные промышленные подходы к образованию черного оксида включают описанные ниже горячие и среднетемпературные процессы. Традиционные методы описаны в статье о воронении . Они представляют исторический интерес, а также полезны любителям для безопасного образования черного оксида с использованием небольшого оборудования и без токсичных химикатов.
Низкотемпературный оксид, также описанный ниже, не является конверсионным покрытием — низкотемпературный процесс не окисляет железо, а осаждает соединение меди и селена.
Горячие ванны с гидроксидом натрия (NaOH), нитратами, такими как нитрат натрия ( Na NO
3) и/или нитриты , такие как нитрит натрия (NaNO 2 ) [3] при 141 °C (286 °F), используются для преобразования поверхности материала в магнетит (Fe 3 O 4 ). В ванну необходимо периодически добавлять воду, соблюдая соответствующие меры для предотвращения взрыва пара .
Горячее чернение предполагает погружение детали в различные емкости. Заготовку обычно окунают автоматические транспортеры деталей для транспортировки между резервуарами. Эти резервуары содержат по порядку щелочное моющее средство , воду, гидроксид натрия температурой 140,5 °C (284,9 °F) (чернеющий состав) и, наконец, герметик, которым обычно является масло.
NaOH (каустическая сода) и повышенная температура приводят к образованию на поверхности металла Fe 3 O 4 (черный оксид) вместо Fe 2 O 3 (красный оксид; ржавчина). Хотя он физически плотнее красного оксида, свежий черный оксид является пористым, поэтому в качестве последующей обработки на нагретую часть наносится масло, которое герметизирует его, «погружаясь» в него. Комбинация предотвращает коррозию заготовки. У чернения есть много преимуществ, среди которых:
Самая старая и наиболее широко используемая спецификация горячего черного оксида — MIL-DTL-13924, которая охватывает четыре класса процессов для различных подложек. Альтернативные спецификации включают AMS 2485, ASTM D769 и ISO 11408 .
Хлорид железа(III) (FeCl 3 ) также можно использовать для чернения стали, погружая кусок стали в горячую ванну с 50% раствором FeCl 3 , а затем в горячую кипящую воду. Обычно процесс повторяется несколько раз. [4] [ нужен неосновной источник ]
Подобно горячему черному оксиду, среднетемпературный черный оксид превращает поверхность металла в магнетит (Fe 3 O 4 ). Однако среднетемпературный черный оксид чернеет при температуре 90–120 ° C (194–248 ° F), [5] значительно меньше, чем горячий черный оксид. Это выгодно, поскольку температура кипения ниже точки кипения раствора, а это означает, что не образуются едкие пары. [ нужна цитата ]
Поскольку среднетемпературный черный оксид наиболее сопоставим с горячим черным оксидом, он также может соответствовать военной спецификации MIL-DTL-13924, а также AMS 2485 .
Холодный черный оксид, также известный как черный оксид комнатной температуры, наносится при температуре 20–30 ° C (68–86 ° F). [5] Это не оксидное конверсионное покрытие, а осажденное соединение селенида меди (Cu 2 Se). Холодный черный оксид удобен для собственного чернения. Это покрытие дает цвет, аналогичный цвету, который дает конверсия оксида, но имеет тенденцию легко стираться и обеспечивает меньшую стойкость к истиранию. Нанесение масла, воска или лака повышает устойчивость к коррозии до уровня высоких и средних температур. Применение процесса холодного черного оксидирования включает в себя инструментальную и архитектурную отделку стали. Его еще называют холодным воронением. [6]
Черный оксид меди , иногда известный под торговым названием Ebonol C , превращает поверхность меди в оксид меди . Чтобы процесс работал, поверхность должна содержать не менее 65% меди; медные поверхности с содержанием меди менее 90% должны быть предварительно обработаны активирующей обработкой. Готовое покрытие химически стабильно и обладает высокой адгезией. Он стабилен до 400 ° F (204 ° C); выше этой температуры покрытие разрушается из-за окисления базовой меди. Для повышения коррозионной стойкости поверхность можно покрыть маслом, лаком или воском . Его также используют в качестве предварительной обработки перед покраской или эмалированием . Поверхность обычно сатиновая , но ее можно сделать глянцевой, покрыв прозрачной глянцевой эмалью. [7]
В микроскопическом масштабе на поверхности образуются дендриты , которые улавливают свет и увеличивают поглощающую способность . Благодаря этому свойству покрытие используется в аэрокосмической промышленности , микроскопии и других оптических приложениях для минимизации отражения света. [7]
В печатных платах (PCB) использование черного оксида обеспечивает лучшую адгезию слоев ламината из стекловолокна. [8] ПХБ погружают в ванну, содержащую гидроксид, гипохлорит и купрат , которая обедняется всеми тремя компонентами. Это указывает на то, что черный оксид меди частично поступает из купрата, а частично из медной схемы печатной платы. При микроскопическом исследовании слой оксида меди(I) отсутствует.
Применимая военная спецификация США — MIL-F-495E. [9]
Горячий черный оксид нержавеющей стали представляет собой смесь едких, окислительных и сернистых солей. Он чернит серии 300 и 400, а также дисперсионно-твердеющие сплавы нержавеющей стали 17-4 PH. Раствор можно использовать на чугуне и мягкой низкоуглеродистой стали. Полученное покрытие соответствует военной спецификации MIL-DTL-13924D, класс 4, и обеспечивает стойкость к истиранию. Черное оксидное покрытие используется на хирургических инструментах в условиях интенсивного освещения для снижения усталости глаз. [ нужна цитата ]
Чернение нержавеющей стали при комнатной температуре происходит в результате автокаталитической реакции осаждения селенида меди на поверхности нержавеющей стали. Он обеспечивает меньшую стойкость к истиранию и такую же защиту от коррозии, как и процесс горячего чернения. [ нужна цитата ]
Черный оксид цинка также известен под торговым названием Ebonol Z. [10]