Хроматное конверсионное покрытие - Chromate conversion coating

Не путать с хромированием или диффузионным упрочнением .
Конверсионное покрытие хроматом цинка на мелких стальных деталях.

Хроматное конверсионное покрытие или алодиновое покрытие - это тип конверсионного покрытия, используемого для пассивирования сплавов стали , алюминия , цинка , кадмия , меди , серебра , титана , магния и олова . Покрытие служит ингибитором коррозии , грунтовкой для улучшения адгезии красок и клеев , декоративной отделкой или для сохранения электропроводности . Он также обеспечивает некоторую стойкость к истиранию и легкому химическому воздействию (например, от грязных пальцев) на мягкие металлы.

Хроматные конверсионные покрытия обычно наносят на предметы повседневного обихода, такие как винты , метизы и инструменты. Обычно они придают отчетливо переливающийся зеленовато-желтый цвет белым или серым металлам. Покрытие имеет сложный состав, включая соли хрома , и сложную структуру.

Этот процесс иногда называют алодиновым покрытием , этот термин используется специально в отношении зарегистрированного под торговой маркой процесса Alodine компании Henkel Surface Technologies.

Процесс

Хроматные конверсионные покрытия обычно наносят путем погружения детали в химическую ванну до образования пленки желаемой толщины, затем снимают деталь, промывают ее и дают высохнуть. Процесс обычно проводят при комнатной температуре с погружением на несколько минут. Как вариант, раствор можно распылить или деталь можно ненадолго погрузить в ванну; В этом случае реакции покрытия происходят, пока деталь еще влажная.

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

Состав ванны

Состав ванны сильно различается в зависимости от материала, на который наносится покрытие, и желаемого эффекта. Большинство формул для ванн являются собственными.

Составы обычно содержат соединения шестивалентного хрома , такие как хроматы и дихроматы .

Широко используемый процесс Cronak для цинка и кадмия состоит из 5–10 секунд погружения в раствор при комнатной температуре, состоящий из 182 г / л дихромата натрия (Na 2 Cr 2 O 7 · 2H 2 O) и 6 мл / л концентрированной серной кислоты. кислота .

Химия

Процесс покрытия хроматом начинается с окислительно-восстановительной реакции между шестивалентным хромом и металлом. В случае алюминия, например,

Cr6+
+ Al 0 → Cr3+
+ Al3+

Эти ионы реагируют с гидроксид- ионами в воде с образованием гидроксидов.

Cr3+
+ 3 НО-
→ Cr (ОН)
3
Al3+
+ 3 НО-
→ Al (ОН)
3

В соответствующих условиях эти гидроксиды будут конденсироваться с удалением воды с образованием коллоидного золя из очень мелких частиц, которые осаждаются в виде гидрогеля на поверхности металла. Гель состоит из трехмерного твердого каркаса из оксидов и гидроксидов, с элементами нанометрового размера и пустотами, заключающими в себе жидкую фазу. Структура геля зависит от концентрации ионов металлов, pH и других ингредиентов раствора, таких как хелатирующие агенты и противоионы.

Гелевая пленка сжимается по мере высыхания, сжимая скелет и заставляя его затвердеть. Со временем усадка прекращается, а при дальнейшем высыхании поры остаются открытыми, но высыхают, 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 содержанием Al
2О
3. Обычно параметры процесса регулируются для получения сухого покрытия толщиной 200-300 нм .

Покрытие сжимается по мере высыхания, что вызывает растрескивание на множество микроскопических чешуек, описываемых как узор «засохшей грязи». Однако захваченный раствор продолжает реагировать с любым металлом, который обнажается в трещинах, так что окончательное покрытие остается сплошным и покрывает всю поверхность.

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 в промышленной ванне, около 23% атомов хрома оказались Cr6+
, кроме области рядом с металлом. Эти остатки хрома (VI) могут мигрировать при смачивании покрытия и, как полагают, играют роль в предотвращении коррозии готовой детали, в частности, путем восстановления покрытия в любых новых микроскопических трещинах, где может начаться коррозия.

Субстраты

Цинк

«Желтый цинк» перенаправляется сюда. Цвет по шкале RAL см. В RAL 1018 Желтый цинк .

Хромирование часто проводят на оцинкованных деталях, чтобы сделать их более прочными. Хроматное покрытие действует как краска, защищая цинк от белой коррозии , что делает деталь значительно более долговечной, в зависимости от толщины слоя хромата.

О защитном действии хроматных покрытий на цинк свидетельствует цвет, изменяющийся от прозрачного / синего до желтого, золотого, оливково-серого и черного. Более темные покрытия обычно обеспечивают большую коррозионную стойкость. Однако цвет покрытия также можно изменить с помощью красителей, поэтому цвет не является полным показателем используемого процесса.

ISO 4520 определяет конверсионные хроматные покрытия на гальванических покрытиях из цинка и кадмия. ASTM B633 Тип II и III определяет цинкование и преобразование хроматом на железные и стальные детали. Недавние пересмотры ASTM B633 относятся к ASTM F1941 для оцинкования механических крепежных элементов, таких как болты, гайки и т. Д. 2019 - это текущая редакция ASTM B633 (заменившая редакцию 2015 года), которая повысила требуемые пороги растяжения при решении проблем водородной хрупкости и решена. проблемы хрупкости в новом приложении.

Алюминий и его сплавы

Для алюминия ванна для преобразования хромата может быть просто раствором хромовой кислоты . Процесс быстрый (1–5 мин), требует единственного технологического резервуара с температурой окружающей среды и соответствующей промывки и относительно безотказен.

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 KBF
4, 10-15% феррицианида калия К
3Fe (CN) , 5-10% гексафторцирконат калия K
2ZrF
6и 5-10% фторида натрия NaF по весу. Формула должна была растворяться в воде при концентрации 9,0 г / л, давая баню с pH = 1,5. Через 1 мин получился светло-золотой цвет, а через 3 мин - золотисто-коричневая пленка. Средняя толщина составляла от 200 до 1000 нм.

Иридит 14-2 представляет собой ванну для преобразования хромата алюминия. Его ингредиенты включают оксид хрома (IV) , нитрат бария , силикофторид натрия и феррицианид . В алюминиевой промышленности процесс также называется химический фильм или желтый iridite , Коммерческие названия включают торговую марку Iridite и Бондерит (ранее известный как Alodine или Alocrom в Великобритании). Основными стандартами для хроматного конверсионного покрытия алюминия являются MIL-DTL-5541 в США и Def Stan 03/18 в Великобритании.

Магний

Алодин также может относиться к магниевым сплавам с хроматным покрытием .

Сталь

Сталь и железо нельзя хромировать напрямую. Сталь, покрытая цинком или цинк-алюминиевым сплавом, может быть хромирована. Хромирование оцинкованной стали не улучшает катодную защиту цинка от ржавчины .

Фосфатные покрытия

Хроматные конверсионные покрытия можно наносить поверх фосфатных конверсионных покрытий, часто используемых на подложках из черных металлов . Процесс используется для усиления фосфатного покрытия.

Безопасность

Соединения шестивалентного хрома были предметом пристального внимания на рабочем месте и для общественного здравоохранения из-за их канцерогенности, и в результате стали жестко регулироваться.

В частности, опасения по поводу воздействия на рабочих хроматов и дихроматов при работе с иммерсионной ванной и влажными частями, а также небольшими остатками тех анионов, которые остаются захваченными в покрытии, побудили к разработке альтернативных коммерческих составов ванн, которые не содержат шестивалентного хрома; например, заменой хроматов солями трехвалентного хрома , которые значительно менее токсичны. Однако они, похоже, не обеспечивают долгосрочную защиту от коррозии, как традиционная формула.

В Европе директивы RoHS и REACH поощряют исключение шестивалентного хрома из широкого спектра промышленных приложений и продуктов, включая процессы нанесения покрытий с конверсионным хроматированием.

использованная литература

  1. ^ К. Х. Юрген, Бушоу, Роберт В. Кан, Мертон К. Флемингс, Бернхард Ильшнер, Эдвард Дж. Крамер и Субхаш Махаджан (2001): Энциклопедия материаловедения - науки и технологий , Эльзевир, Оксфорд, Великобритания.
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m Джозеф Х. Осборн (2001): «Наблюдения за преобразованием хроматных покрытий с золь-гель точки зрения». Прогресс в органических покрытиях , том 41, выпуск 4, страницы 280-286. DOI : 10.1016 / S0300-9440 (01) 00143-6
  3. ^ Б Henkel Alodine продукты домашней страницы , доступ 2009-03-27
  4. ^ Роберт Питер Франкенталь (2002): Наука о коррозии: ретроспектива и текущий статус в честь Роберта П. Франкенталя Труды международного симпозиума. ISBN  9781566773355
  5. ^ a b c Эдвардс, Джозеф (1997). Системы покрытий и обработки поверхности металлов . Finishing Publications Ltd. и ASM International. С. 66–71. ISBN 0-904477-16-9.
  6. ^ a b c Ф. В. Литл, Р. Б. Григор, Г. Л. Биббинс, К. Я. Блоховяк, Р. Е. Смит и Г. Д. Тусс (1995): "Исследование структуры и химии поверхностного слоя конверсии хрома на алюминии". Наука о коррозии , том 31, выпуск 3, страницы 349-369. DOI : 10.1016 / 0010-938X (94) 00101-B
  7. ^ a b c Дж. Чжао, Л. Ся, А. Сегал, Д. Лу, Р. Л. МакКрири и Г. С. Франкель (2001): «Влияние хроматных и конверсионных покрытий на коррозию алюминиевого сплава 2024-T3». Технология поверхностей и покрытий , том 140, выпуск 1, страницы 51-57. DOI : 10.1016 / S0257-8972 (01) 01003-9
  8. ^ МП Жиганда, Дж Faucheu, и М. Tachez (1997): «Формирование черных конверсионных покрытий на хромат чистых и цинковый сплав электролитических осадков: роль основных компонентов». Технология поверхностей и покрытий , том 89, выпуск 3, 1 стр. 285-291. DOI : 10.1016 / S0257-8972 (96) 03013-7
  9. ^ a b А. М. Рокко, Таня М. К. Ногейра, Рената А. Симау и Вильма К. Лима (2004): «Оценка хроматной пассивации и хроматного конверсионного покрытия на стали с покрытием 55% Al – Zn». Технология поверхностей и покрытий , том 179, выпуски 2–3, страницы 135–144. DOI : 10.1016 / S0257-8972 (03) 00847-8
  10. ^ a b З. Л. Лонг, Ю. К. Чжоу и Л. Сяо (2003): "Характеристика черного конверсионного хроматного покрытия на электроосажденном сплаве цинк-железо". Прикладная наука о поверхности , том 218, выпуски 1–4, страницы 124–137. DOI : 10.1016 / S0169-4332 (03) 00572-5
  11. ^ Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003). Материалы и процессы в производстве (9-е изд.). Вайли. п. 792. ISBN. 0-471-65653-4.
  12. ^ MacDermid MSDS для иридита 14-2, номер продукта 178659.
  13. ^ a b c «Конверсионное покрытие иридитового хромата по спецификации Mil-C-5541 | Engineers Edge» .
  14. ^ "Конструкции самолетов - покрытие алодином" (pdf) . Специальный бюллетень информации о летной годности (SAIB): HQ-18-09 . FAA. 5 февраля 2018 . Проверено 3 апреля 2018 .
  15. ^ Новая обработка поверхности алюминия. Энтони, Дж. Железный век (1946), 158 (23), 64-7.
  16. ^ Воздействие шестивалентного хрома на рабочем месте, Министерство труда США, Федеральный регистр OSHA № 71: 10099-10385, 28 февраля 2006 г.
  17. ^ http://www.epa.gov/nrmrl/std/mtb/pdf/web-powdercoatarticleversion1.pdf

внешние ссылки