Barwienie metali

galwanizernie • 15 Kwiecień 2017

1. Wstęp

Barwne warstwy na powierzchni metali mogą spełniać funkcje ochronną, jak i dekoracyjną lub obie równocześnie. O rodzaju warstwy decydują warunki użytkowania wyrobów poddawanych obróbce, ich charakter i przeznaczenia.

Warstwy dekoracyjne zazwyczaj są porowate i nieszczelne. Zaliczyć do nich można zielone powłoki zasadowych chlorków lub węglanów miedzi trwałych w warunkach wolnych od zanieczyszczeń zawartych w powietrzu atmosferycznym. Typowo dekoracyjne są również czarne i brunatne warstwy złożone z siarczków miedzi.

Warstwy dekoracyjno-ochronne charakteryzują się dobrą przyczepnością do metalu i szczelnością. Właściwości takie posiadają przede wszystkim powłoki tlenkowe i chromianowe na aluminium i cynku, które ponadto charakteryzują się wysoką twardością i odpornością na ścieranie.

Proces barwienia polega na powierzchniowej reakcji metalu ze składnikami preparatów z wytworzeniem produktów dobrze przylegających do podłoża i nie zmieniających się w czasie. Traktowanie preparatami może odbywać się w warunkach bezprądowych lub w procesie elektrochemicznym.

Najczęściej stosuje się barwienie powierzchni następujących metali:

Metal Barwa
Miedź i stopy
  • żółta
  • czerwona
  • pomarańczowa
  • zielona (różne odcienie)
  • niebieska (różne odcienie)
  • brązowa (różne odcienie)
  • czarna
Srebro
  • szara
Cynk i kadm
  • żółta
  • zielona
  • czarna
  • brązowa
  • czerwono-brązowa
Aluminium i stopy
  • żółta
  • pomarańczowa
  • brązowa
  • czarna
Stal nierdzewna
  • czarna
  • niebieska
Nikiel
  • czarna
  • brązowa
  • niebieska

2. Technologia wytwarzania barwnych warstw dekoracyjnych i ochronnych

Operacja wytwarzania barwnych warstw na metalu jest jednym z elementów procesu technologicznego, którego poszczególne etapy mają wpływ na efekt końcowy.

Ramowy proces technologiczny składa się następujących etapów:

  1. przygotowanie powierzchni,
  2. płukanie,
  3. nakładanie barwnej warstwy,
  4. płukanie,
  5. utrwalanie warstwy.
Przygotowanie powierzchni

Sposób przygotowania powierzchni zależy od jej stanu wyjściowego i od efektu jaki chcemy osiągnąć. Ma on decydujący wpływ na barwę powierzchni niekiedy z tego samego rodzaju kąpieli otrzymać można różne odcienie barwy lub niekiedy różne barwy na powierzchni gładkiej i chropowatej.

W przypadku powierzchni pokrytej produktami korozji lub zgorzeliną, podczas gdy chcemy uzyskać powłokę gładką i błyszczącą, wyroby należy poddać następującym alternatywnym operacjom przygotowawczym:

A. Obróbka mechaniczna:

  • szlifowanie,
  • polerowanie
  • odtłuszczanie,
  • płukanie,

lub

  • odtłuszczanie,
  • obróbka luźnymi kształtkami,
  • płukanie.

B. Obróbka chemiczna:

  • odtłuszczanie,
  • płukanie,
  • trawienie,
  • płukanie
  • polerowanie chemiczne,
  • płukanie.

W przypadku nieskorodowanych i gładkich powierzchni wyrobów sposób postępowania jest mniej skomplikowany i składa się z następujących operacji:

  • odtłuszczanie,
  • płukanie,
  • polerowanie (w zależności od wymaganego efektu końcowego),
  • płukanie.

Odtłuszczanie prowadzi się zazwyczaj w roztworach alkalicznych lub słabo alkalicznych metodą chemiczną lub elektrochemiczną. Parametry procesu zależą od rodzaju preparatu przy czym wskazane jest stosowanie roztworów nie powodujących rozpuszczania powierzchni i jej przebarwienia. Możliwe jest również stosowanie preparatów opartych na rozpuszczalnikach organicznych.

Płukanie jest ważną operacją w ciągu technologicznym; po każdej obróbce przygotowawczej i po barwieniu, o ile wymaga tego proces, wyroby powinny być co najmniej dwukrotnie płukane co zapewnia wymagany efekt barwienia.

W efekcie obróbki mechanicznej luźnymi kształtkami zazwyczaj otrzymuje się powierzchnię o mniejszym połysku niż w przypadku metody chemicznej. Wybór metody zależy od rodzaju wyrobów i wielkości produkcji.

Barwienie

Do barwienia metali stosować można zarówno kąpiele, których skład podano poniżej jak również preparaty handlowe. Zazwyczaj preparaty handlowe o opatentowanych składach zawierają składniki wspomagające proces ( katalizatory, przyspieszacze) pozwalające na uzyskanie wymaganych efektów w niższych temperaturach lub przy niższych stężeniach składników niż w przypadku klasycznych kąpieli opisanych w poradnikach.

W obu przypadkach należy zwracać szczególna uwagę na dokładne spełnianie warunków ich stosowania: przygotowania powierzchni, składu, temperatury, czasu, warunków płukania i innych operacji technologicznych oraz czynności międzyoperacyjnych.

Utrwalanie warstwy

Utrwalanie warstewek barwnych stosuje się w przypadku gdy:

  • warstwa jest nieodporna na wpływy zewnętrzne np. powłoki na srebrze,
  • wyroby przewidziane są do długotrwałego użytkowania przy ciężkich narażeniach korozyjnych np. pomniki,
  • wyroby narażone są na uszkodzenia mechaniczne np. ścieranie,
  • warstwa jest nieodporna na światło,
  • warstwa jest porowata i krucha.

3. Preparaty do barwienia metali

3.1. Barwienie miedzi i jej stopów

Miedź i mosiądze należą do metali, na powierzchni których można wytwarzać największą gamę barwnych warstw zarówno ochronnych jak i dekoracyjnych.

Tlenkowe warstwy koloru brązowego i czarnego mają właściwości dekoracyjne i ochronne.

Najszersze zastosowanie ma kąpiel o składzie:

Wodorotlenek sodu, NaOH 25-75 g/l
Nadsiarczan potasu, K2S2O8 2-10 g/l
Temperatura kąpieli 40-60°C
Czas operacji 10-15 min.

Stosunek zawartości obu składników kąpieli oraz jej temperatura mają wpływ na barwę warstwy. Przy takim samym składzie kąpieli, z podwyższeniem temperatury otrzymuje się ciemniejsza barwę. Również w wyniku zwiększenie stężenia składników powstaje w temperaturze 60°C warstwa ciemniejsza od brunatnej do czarnej

Powłoki koloru niebieskiego uzyskuje się z roztworu o składzie:

Tiosiarczan sodowy, Na2S2O3 50-75 g/l
Octan ołowiawy, Pb(CH3COO) 25 g/l
Temperatura 60-100°C
Czas 30-60 min.

W zależności od czasu trwania procesu i temperatury otrzymuje się zabarwienie od złotego przez czewono-fioletowe do błękitnego. Po dodaniu do kąpieli kwaśnego winianu potasowego lub kwasu cytrynowego w temperaturze ok.20°C w czasie 5-10 min. uzyskać można warstwy koloru niebiesko-zielonego.

Najbardziej rozpowszechnionym sposobem otrzymywania warstw koloru zielonego jest zwilżanie wyrobu stężonym roztworem azotanu miedziowego. Po każdym zwilżeniu przedmiot należy pozostawić do wyschnięcia po czym operację powtarzać kilkakrotnie do uzyskania właściwego efektu.

Bardziej trwałą powłokę uzyskuje się stosując międzyoperacyjne zwilżanie wodą utlenioną 33% do otrzymania pożądanej barwy powierzchni.

Metodą zanurzeniową barwne zielone warstwy można utworzyć z kąpieli o składzie:

Azotan miedziowy, Cu(NO3)2.3H2O 20 g/l
Siarczan cynkowy, ZnSO4.H2O 30 g/l
Chlorek rtęciowy, HgCl2 30 g/l

lub

Azotan miedziowy, Cu(NO3)2.3H2O 100 g/l
Chlorek amonowy, NH4Cl 100 g/l
Amoniak (ok. 40%), NH3 400 ml/l
Kwas octowy (ok. 6%) 400 ml/l
Temperatura otoczenia

Przedmioty zanurza się do kąpieli a następnie pozostawia do wyschnięcia bez płukania.

3.2. Barwienie srebra

Srebrne lub posrebrzane wyroby najczęściej poddawane są patynowaniu w celu uzyskania powierzchni odpornej na dalsze działanie czynników korozyjnych zawartych w powietrzu atmosferycznym.

Jako przykład może służyć kąpiel o składzie:

Siarczek potasu, K2Sx 50 g/l
Siarczek selenu, SeS2 50 g/l
Temperatura otoczenia
Czas 3-10 min.
3.3. Barwienie cynku i kadmu

Do barwienia cynku i kadmu stosowane mogą być te same kąpiele. Większość z nich ma charakter powłok konwersyjnych ochronnych.

Główne grupy to powłoki chromianowe otrzymywane z kąpieli zawierających chromiany lub kwas chromowy oraz powłoki fosforanowe antykorozyjne.

Warstewki dekoracyjne szare można uzyskać z kąpieli o składzie:

Azotan bizmutu, Bi(NO3)3 1 g/l
Kwas solny stężony, HCl 30 ml/
Woda utleniona 33%, H2O2 20 g/l
Temperatura otoczenia
Czas 20-30 s
3.4. Barwienie aluminium

Najlepsze efekty uzyskuje się stosując anodowy proces elektrochemiczny w kąpielach chromianowych, z których otrzymuje się warstwy barwy żółtej, złotej, pomarańczowej.

Bezbarwne cienkie warstwy tlenku aluminium mogą być barwione na wiele kolorów, których nie można uzyskać metodą chemiczną, metodą zanurzeniową w kąpielach barwiących na bazie barwników organicznych.

Powłoki barwy szarej i czarnej uzyskać można metodą zanurzeniową bezprądową w kąpieli o składzie:

Węglan sodowy, Na2CO3 50 g/l
Chromian sodowy, Na2CrO3 15 g/l
Temperatura 90-100°C
Czas 3-15 min.

Powłoki barwy niebieskiej można nakładać z kąpieli o składzie:

Chlorek żelaza, FeCl2 450 g/l
Żelazocyjanek potasu, K4Fe(CN)6 450 g/l
Temperatura 70°C
Czas 15-20 min.
3.5. Barwienie stali

Wyroby stalowe takie jak narzędzia, części maszyn, części broni i wyposażenia militarnego zazwyczaj są czernione. Proces odbywa się w roztworach silnie alkalicznych w wysokich temperaturach. Powłoki te mają charakter dekoracyjny i są porowate.

Przykład składu kąpieli:

Wodorotlenek sodu, NaOH 480 g/l
Azotan potasu, KNO3 300 g/l
Temperatura 140°C
Czas 10 min.

Warstwy o właściwościach dekoracyjno-ochronnych nakłada się w procesie fosforanowania. Mają one barwy od szarej do czarnej.

Kolorowe warstwy na stali nierdzewnej można nałożyć z kąpieli o składzie:

Kwas chromowy, CrO3 250 g/l
Kwas siarkowy, H2SO4 490 g/l
Temperatura 70°C
Czas 20-30 min.
3.6. Barwienie niklu

Barwienie niklu stosowane jest w celach dekoracyjnych. Znane są procesy i kąpiele do wytwarzania powłok niklowych barwy brązowej i czarnej otrzymywane metodą elektrochemiczną.

Kąpiel siarczanowa ma skład:

Siarczan niklawy, NiSO4. 6H2O 75 g/l
Siarczan amonowo-niklawy, NiSO4.(NH4)2SO4.6H2O 45 g/l
Siarczan cynkowy, ZnSO4.6H2O 38 g/l
Rodanek sodowy, NaCNS 15 g/l
Temperatura 50-55°C
Gęstość prądu 0,5-1,0A/dm²

Kąpiel chlorkowa ma następujący skład:

Chlorek niklawy, NiCl2.6H2O 75 g/l
Chlorek cynkowy, ZnCl2 30 g/l
Chlorek amonowy, NH4Cl 30 g/l
Rodanek sodowy, NaCNS 15 g/l
Temperatura 20-25°C

Utrwalanie barwnych warstw

Barwne warstwy na powierzchni metali mogą ulegać uszkodzeniu podczas użytkowaniu wyrobów lub utracić swoje walory w wyniku działania czynników atmosferycznych. Warstwy te można chronić różnymi metodami, których wybór zależy od: rodzaju wyrobu, sposobu ekspozycji lub użytkowania, rodzaju warstwy, założonego czasu trwałości.

Do wyboru jest kilka metod:

  • nakładanie warstwy olejowej,
  • woskowanie,
  • lakierowanie.

Impregnowanie nie schnącymi olejami stosuje się najczęściej do warstw nakładanych na mosiądzach do dużych obiektów budowlanych lub pomników oraz powłok fosforanowych i tlenkowych na stali np. broni. Są one mało trwałe, ale łatwe do nakładania i usuwania przy renowacji warstwy dekoracyjnej.

Woskowanie stosuje się powszechnie do zabezpieczania zarówno dużych obiektów np. pomników jak i eksponatów muzealnych wykonanych z mosiądzów. Zaletą tej metody jest możliwość uzyskania pięknego połysku o różnej intensywności w zależności od użytego wosku.

Lakierowanie stosuje się zazwyczaj do ochrony warstw naniesionych na przedmioty użytkowe mosiężne i srebrne w produkcji seryjnej np. okucia meblowe, galanteria budowlana, biżuteria, bibeloty, wyposażenie wnętrz. Stosuje się różne rodzaje lakierów w zależności od wymaganej trwałości zabezpieczenia i jakości wykonania. Najlepsze do tego celu są to lakiery akrylowe i poliuretanowe nie żółknące i schnące w temperaturze otoczenia. Bardziej trwałe są powłoki nakładane z lakierów schnących w temperaturze podwyższonej alkidowych lub epoksydowych.

Lakiery można nakładać różnymi sposobami : pędzlem, metodą natryskową, zanurzeniową, elektroforetyczną i napylania farb proszkowych elektrostatycznie lub fluidyzacyjnie zależnie od rozwinięcia powierzchni wyrobów, wielkości produkcji i rodzaju materiału lakierowego.

Powłoki najlepszej jakości pod względem dekoracyjnym jak i ochronnym uzyskuje się w procesie lakierowania kataforetycznego.