Художественная обработка металла. Коррозия и термическая обработка металлов

 

Коррозия металла

Разрушение металлов и сплавов в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхность внешней коррозионной среды называется коррозией.

Причиной тут является химическое взаимодействие. Металлы вступают в окислительно-восстановительные реакции с веществами, находящимися в окружающей среде, при этом атомы металла окисляются и переходят в ионы.

Согласно статистики ежегодно от коррозии теряется 1-1.5% всего металла, накопленного используемого человечеством. При этом различают прямые и косвенные потери от коррозии.

Прямыми потерями называют стоимость потерянного металла, изготовления изделий, машин, оборудования, строительных сооружений, уменьшение срока службы механизмов. К прямым потерям относят и стоимость противокоррозионных мероприятий.

Косвенные потери связаны с выходом из строя оборудования и сооружений и его простоями, расходами на ремонт, получением некачественной продукции, увеличением расхода металла, нанесением ущерба окружающей среде. Косвенные потери в ряде случаев превосходят потери прямые.

Коррозионное разрушение является результатом взаимодействия металла с внешней средой, и интенсивность его зависит от свойств самого металла, а также от природы окружающей среды.

Разрушение металла усиливается при соприкосновении его с другим менее активным металлом, иначе говоря, расположенным в электрохимичеком ряду напряжений правее его.

Распоряжение металлов в соответствии с их электродным потенциалом.

Коррозия различается двумя типами: химическим и электрохимическим. Химическая коррозия – это взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают в одном акте.Химическая коррозия чаще всего наблюдается в тех случаях, когда коррозийная среда не является электролитом, при соприкосновении металлов с сухими газами при высоких температурах.Самой распространенной газовой средой является воздух, единственный окисляющий компонент которого – кислород, поэтому продуктами газовой коррозии обычно бывают оксиды.В качестве примера могут служить окисная пленка, которая появляется на поверхности металлических изделий в среде сухого воздуха в результате воздействия кислорода или окалина на раскаленной поверхности металла.Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов и сплавов при воздействии на них электролитов.Электрохимическая коррозия является наиболее распространенным типом коррозий. Для протекания электрохимической коррозии необходимы наличие двух разнородных металлов, контакт между ними и присутствие электролита.Электролиты – это вещества, которые в растворенном или расплавленном состоянии обладают ионной проводимостью и проводят электрический ток. К ним относятся большинство солей, кислот, щелочей.Электрохимическая коррозия происходит чаще всего от воздействия растворов электролитов. В воде это: соли, кислоты, щелочи. Вода в природе, технике, быту, вне зависимости от того, речная она, водопроводная, грунтовая, атмосферные осадки и т.д. – всегда является раствором электролита и вызывает электрохимическую коррозию. Поэтому различные металлические конструкции и изделия из металлов и их сплавов подвергаются главным образом электрохимической коррозии.При этом нужно знать, что с ростом конденсации электролита и температуры скорость коррозии увеличивается.

 

Методы защиты от коррозии

Коррозия наносит художественным изделиям из металла и особенно архитектурным деталям огромный вред. Затраты на ремонт или замену деталей порой превышают стоимость металла, из которого они изготовлены. Для предупреждения коррозии применяются различные виды защиты. Очень большое значение имеет борьба с коррозией в деле охраны и реставрации художественных памятников искусства – барельефов, статуй, оград, ворот и т.д.

Для защиты от коррозии применяют следующие методы: использование химически стойких сплавов; защита поверхности металла покрытиями; электрохимические методы; обработка коррозийной среды и др.

Из химически стойких сплавов наибольшее применение имеют нержавеющие и кислотоупорные стали. Нержавеющая сталь содержит около 13 процентов хрома, кислотоупорная – 18 процентов хрома и до 10 процентов никеля.

Покрытия подразделяются на металлические, неметаллические и образованные в результате химической или электрохимической обработки поверхности металла.

Для покрытия используют металлы, которые образуют на поверхности защитные пленки (хром, никель, цинк, кадмий, алюминий, золото, серебро, олово и некоторые другие). Наибольшее применение получил метод гальванотехники.

Неметаллическими покрытиями являются лаки, краски, эмали, формальдегидные и иные смолы. Для длительной защиты от атмосферной коррозии используют лакокрасочные покрытия.

При химической или электрохимической обработке металла покрытия представляют собой защитные оксидные или солевые пленки.

К электрохимическим методам относят катодную защиту и метод протекторов.

При катодной защите деталь или конструкция присоединяется к отрицательному полюсу источника электрического тока и становится катодом. В качестве анодов используются куски железа.

При соответствующей силе тока в цепи на защищаемом изделии происходит восстановление окислителя, процесс же окисления претерпевает вещество анода.

Метод протекторов заключается в присоединении к защищаемому изделию большего листа, изготовленного из другого, более активного металла – протектора (при защите стальных изделий используется цинк или сплавы на основе магния.

При хорошем контакте между металлами защищаемый металл (железо) и металл протектора (цинк) оказывают друг на друга поляризующее действие, в результате которого железо поляризуется катодно, а цинк – анодно. На железе идет процесс восстановления того окислителя, который присутствует в воде, а цинк окисляется. Протекторы и катодная защита возможны в средах, хорошо проводящих электроток.

Как правило, для защиты художественных изделий из металла применяют такие методы защиты от коррозии, которые одновременно являются и декоративной отделкой.

Поэтому благодаря применению того или иного приема защиты от коррозии художественные изделия не только не должны терять своего внешнего вида, а приобретать новые художественные качества, такие как блеск, цвет и др.

Одним из широко известных способов защиты художественных изделий являются сусальное золочение и серебрение, представляющее способ покрытия изделий драгоценными металлами.

Этот вид защиты заключается в том, что на поверхность изделия наклеиваются тончайшие листочки золота, серебра или двойника – двухслойного листочка из серебра и золота, а также потали – из серебра и меди.

В глубокой древности на Руси этим способом широко пользовались для золочения крыш, шпилей, церковных глав, крестов и других элементов архитектуры, выполненных из металлов, а также для золочения дерева и других неметаллических материалов.

Чтобы получить тончайшие листочки, золото или серебро расковывали между специальными прокладками, которые приготовляли из оболочки говяжьих внутренностей. Такие прокладки позволяли получать гладкие и очень тонкие листочки золота и серебра. Выделывание из золота тончайших листочков для золочения называли золотобойным мастерством, известно оно было с глубокой древности.

В изготовляемых "блокнотиках" или "книжечках" насчитывается 60 тончайших золотых листочков размером 6х12 см, между которыми проложена папиросная бумага, чтобы они не слипались между собой. Вес такой книжечки примерно 1,5 г. Золото можно довести до толщины, меньше 0,0001 мм и листок площадью в один квадратный дециметр будет весить всего 13 миллиграммов. Такое золото становится прозрачным и пропускает зеленые лучи, но для золочения оно применяется редко, так как становится непрочным. Обычно для получения желтого сусального золота применяется золото, лигатуренное медью от 930 до 990 пробы, но иногда для получения цветного зеленого золота, чтобы разнообразить оттенки позолоты, применяют 750 пробу, лигатуренную серебром.

Золочение может быть матовым морданным и блестящим полиментарным. Для того, чтобы получить матовую позолоту применяют специальный морданный лак, состоящий из старой натуральной олифы, мелко размолотого сурика и камеди (вишевого клея), который иногда разводят скипидаром. На подготовленное изделие наносят морданный лак, дают ему слегка просохнуть и на отлип кладут сусальное золото. Листочки берут при помощи специальной кисточки, слегка смазанной коровьим маслом. Золото пристает к кисточке, однако и к лаку липнет сильнее.

Чтобы получить блестящее золото, применяют полимент, состоящий из жирной, тщательно очищенной глины, пчелиного воска, мыла, сала, а иногда и яичного белка. Вся эта смесь варится и тщательно перемешивается.

Готовый полимент наносят ровным тонким слоем на изделие, подлежащее золочению, просушивают и тщательно шлифуют. Затем изделие смачивают и быстро накладывают золото.

В давние времена железные изделия перед золочением специально подготавливали, многократно покрывая поверхность железным суриком или охрой, разведенной на масле. Таким образом, между железной основой и золотым покрытием оказывался слой краски, исключающий возможность непосредственного контакта между золотом и железом, а значит, и невозможность возникновения гальванопары. Сусальное золочение по железу является очень прочным.

 

Термическая обработка металлов

 

Отжиг, нормализация, закалка и отпуск

Термическая обработка означает воздействие на металлы, которое изменяет их строение и свойства.

При механической обработке в металлах и сплавах возникают внутренние напряжения. Например, при обработке стали давлением, с повышением степени деформации внутреннее строение ее кристаллической решетки изменяется и кристаллы принимают неестественное напряженное состояние. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все кристаллы не вытянутся в виде волокон в направлении действия силы давления. Происходит это при холодной обработке металла. В результате изменяются его различные свойства – твердость и прочность повышаются, а удлинением понижаются. Если продолжать обработку, могут произойти трещины, разрывы. Чтобы вернуть стали первоначальные свойства, необходимо вывести структуры из напряженного состояния и придать им вновь устойчивое положение, иными словами, нужна рекристаллизация. Для этого необходима тепловая или термическая обработка металла.

При термической (тепловой) обработке необходимо нагревание металла до определенной температуры, выдержка при этой температуре и затем охлаждение с нужной скоростью. Различают несколько видов термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, химико-термическую обработку.

Отжигом называется вид термической обработки, при котором изделия нагревают до определенной температуры, выдерживают определенное время при этой температуре и затем медленно охлаждают, достигая устойчивой равновесной структуры стали.

Основное назначение отжига – получение равновесной структуры, поэтому при отжиге, как правило, детали охлаждают медленно. К примеру, углеродистые стали – со скоростью примерно 200°С, а легированных – 30-100°С/ч.

Отжиг улучшает обрабатываемость, повышает пластичность, уменьшает остаточные напряжения и т.д. Производят его в электрических печах. Обрабатываемый металл нагревают при температурах 650 – 720°С 2 – 3 часа, а затем охлаждают вместе с печью.

В случае нагрева изделия в кузнечном горне, самой хорошей средой охлаждения является сухая, просеянная зола, которую подогревают в горне и закапывают в нее охлаждаемое изделие. Для этой цели используют еще нагретый чистый песок.

В производстве художественных изделий отжиг применяют при ковке, штамповке, дифовке, чеканке.

Во время отжига нужно следить, чтобы не произошло пережога, который вызывает окисление и оплавление границ зерен, резкое падение крепости и пластичности. Иногда изделие совершенно рассыпается.

Структура металла при пережоге не поддается исправлению, изделие подлежит переплавке.

Нормализацией называется вид термической обработки, применяемой в основном для стальных изделий. Изделия нагревают и затем охлаждают на спокойном воздухе.

В зависимости от количества углерода, содержащегося в стали, нормализация вызывает различные измения ее свойств.

Для малоуглеродистых сталей нормализация заменяет отжиг, так как при этом структура получается почти такой же, как и после отжига, однако процесс протекает быстрее и поэтому он более экономичен.

Нормализацию производят для повышения механических свойств стали, а также для улучшения обрабатываемости резанием.

Для высокоуглеродистых, легированных сталей нормализация является по существу закалкой.

Закалкой называют вид термической обработки, при которой изделию придают высокую твердость, упругость и прочность. Однако при закалке с повышением твердости сталь становится более хрупкой. Процесс закалки заключается в нагреве изделия до высокой температуры (740 – 850°С), выдержке и быстром охлаждении до 400 – 450°С с разной скоростью в разных средах – масле, воде, соляных и иных растворах. Как правило, скорость охлаждения должна быть не меньше 150°С в секунду, т.е. охлаждение должно произойти за очень короткий интервал времени – 2 – 3 секунды. Охлаждение ниже 300°С может произойти при любой температуре, так как полученная при закалке структура достаточно устойчива и скорость дальнейшего охлаждения на нее не оказывает влияния.

В зависимости от цвета накала изменяется и приближенная температура стали. Так, при темно-коричневом цвете накала температура стали находится в пределах от 530 до 580°С, при коричнево-красном цвете – 580 – 650 градусов, при темно-вишневом – 650 – 730°С, при светло-красном – 830 – 980 градусов, при оранжевом – 900 – 1050°С, желтый цвет накала возникает при 1050 – 1150°С, светло-желтый – 1150 – 1250°С, ослепительно белый цвет накала возникает при 1250 – 1300°С.

Отпуском называется вид термической обработки, который осуществляют после закалки. Он смягчает действие закалки, повышает вязкость, уменьшает хрупкость и твердость изделия.

Охлаждение может осуществляться на воздухе или в воде. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

При низком отпуске закаленное изделие нагревают до 150 – 200°С, что снижает остаточное напряжение и хрупкость, оставляя прежней твердость. Применяется при изготовлении инструментов из углеродистой и легированной стали.

При среднем отпуске закаленное изделие нагревают до 350 – 450°С, что повышает пластичность и упругость, понижает твердость и внутренние напряжения. Используется для опуска пружин, рессор, ударного инструмента.

При высоком отпуске закаленное изделие нагревают до 450 – 650°С.

Для изделий из стали, чувствительной к скорости охлаждения, при изготовлении деталей из улучшенных конструкционных сталей, инструмента из быстрорежущей стали применяют ускоренное охлаждение в воде или масле.

При многократном опуске изделие два-четыре раза нагревают и охлаждают. Этот прием применяют при изготовлении инструмента из быстрорежущей стали.

Для определения температуры при отпуске инструментов пользуются цветами побежалости. Если очищенное от окалины стальное изделие нагреть, то, начиная с температуры 220°С, на нем образуются пленки окислов железа, которые придают изделию различные цвета от светло-желтого до серого.

При светло-желтом цвете побежалости температура изделия нагрева составляет 220°С, при желтом – 230°С, при темно-желтом – 240°С, при коричневом – 255°С, при коричнево-красном – 265°С, при фиолетовом – 285°С, при темно-синем – 300°С, при светло-синем – 325°С, при сером – 330°С.

 

Химико-термическая обработка черных металлов

Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой, твердой, жидкой или газообразной, в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя меняются также его фазовый состав и микроструктура.

Основные параметры химико-термической обработки – температура нагрева и продолжительность выдержки.

Химико-термическая обработка стали заключается в одновременном воздействии на ее поверхность различных химических реагентов и высокой температуры. В этом случае поверхностные слои изделий насыщаются углеродом, азотом и другими элементами.

Насыщение необходимо для увеличения твердости поверхности слоя с сохранением вязкой сердцевины изделия, повышения устойчивости ее против коррозии, приобретения новых декоративных свойств, жаростойкости и др.

Основными видами химико-термической являются цементация, азотирование, цианирование, диффузное хромирование, алитирование.

Цементацией называется химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается углеродом.

Цементация применяется, когда изделие должно иметь твердую поверхность при вязкой сердцевине.

Основана цементация на свойстве железа поглощать углерод при высокой температуре.

Изделия, подвергнутые цементации, приобретают повышенную твердость, износоустойчивость, прочность.

Проводят цементацию в смесях газов (газовая), в ванне из расплавленных солей (жидкая), и в электролите (электролизная).

Цементации подвергают малоуглеродистые стали (0,2 процента углерода), а также легированные стали с содержанием никеля, хрома и других веществ.

Азотированием называется химико-термическая обработка, при которой поверхностный слой детали насыщается азотом. При этом увеличиваются не только твердость и износостойкость, но повышается и коррозионная стойкость.

Азотирование углеродистых сталей применяется главным образом для повышения коррозийной стойкости и проводится в среде аммиака NH3, а также в расплаве солей на основе карбамида и цианита при температуре 500–600°C.

Цианированием называется химико-термическая обработка стальных изделий. Она заключается в одновременном поверхностном насыщении металла углеродом и азотом с целью повышения поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности.

Процесс обработки может протекать в твердых, жидких и газовых средах.

В зависимости от условий нагрева цианирование подразделяется на высокотемпературное, среднетемпературное и низкотемпературное.

Высокотемпературное цианирование ведется при температуре 920 – 960°С, при этом поверхностный слой насыщается углеродом (до 0,8 – 1,1 процента) и азотом (0,2 – 0,3 процента). В качестве цианирующей среды при жидкостном цианировании применяют ванны с цианидом натрия или калия и с цианидом кальция.

При газовом цианировании применяют смесь, состоящую из 75 – 80 процентов науглероженного газа и 20 – 30 процентов аммиака.

Среднетемпературное цианирование осуществляется при температуре 780 – 850°С в жидких или газообразных средах. Низкотемпературное цианирование применяется для повышения режущих свойств инструментов, изготовленных из высоколегированных марок стали. Процесс протекает при температуре 550 – 560°С в жидких и газовых средах или твердых смесях, содержащих углерод и азот. Совместное действие углерода и азота при цианировании ускоряет процесс одновременного насыщенная стали углеродом и азотом по сравнению с цементацией.

Алитирование является процессом диффузного насыщения поверхности стальных и чугунных изделий алюминием на глубину 20 мкм–1.2 мм.

Алитирование производят в твердой, газовой и жидкой средах. Алитирование производят с целью улучшения жаростойкости стали. Наибольшее применение в промышленности нашли способы насыщения в порошкообразных смесях и ваннах с расплавленным алюминием. В расплавленном алюминии процесс протекает при температуре 600 – 750°С, глубина слоя – 0,08 – 0,25 мм, продолжительность процесса – 50 – 60 минут.

Основными видами термической обработки чугуна являются: низкотемпературный отжиг, низкотемпературный графитизирующий отжиг, высокотемпературный графитизирующий отжиг, номализация и отпуск.

Низкотемпературный отжиг заключается в медленном нагреве отливок до температуры 550 – 600°С с выдержкой 10 – 12 часов и последующим медленным охлаждением вместе с печью. Одной из целей низкотемпературного отжига чугуна является снятие внутренних напряжений в отливках.

Низкотемпературный графитизирующий отжиг протекает при температуре 680 – 750°С с выдержкой и замедленным охлаждением до 280°С. Этот вид отжига улучшает обрабатываемость отливок, снижает твердость металла.

Для получения ковкого чугуна применяется высокотемпературный отжиг.

Кроме этого высокотемпературный отжиг применяется для снятия отбела в отливках из серого и высокопрочного чугуна. Процесс протекает в две стадии.

В первой стадии белый или отбеленный чугун нагревают при температуре 1050°С, серый – в интервале 850 – 950°С.

Вторая стадия представляет собой медленное охлаждение до температуры ниже критической точки или длительная выдержка при этой же температуре.

Нормализацией называется термическая обработка чугуна, которая заключается в его нагреве до температуры 750 – 950°С, выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Этот вид термической обработки повышает прочность серого чугуна.

Закалка предназначается для увеличения прочности, твердости и износостойкости. Температура закалки серого чугуна в масле 830 – 870°С, в воде – 800 – 820°С.

Отпуск – вид термической обработки чугуна, осуществляемый после закалки. Он представляет собой нагрев до температуры 400 – 600 градусов с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Применяется отпуск для уменьшения твердости, снятия внутренних напряжений, увеличения прочности и пластичности.

Изделия из чугуна требующие большой коррозийной стойкости, подвергаются диффузному хромированию, азотированию, силицированию.