что такое пассивирует в химии

Что такое пассивация? Описание, особенности и применение пассивации

На заявление Фарадея не обратили внимание. Больше повезло Владимиру Кистяковскому. Это уже отечественный физик. Он высказался в поддержку английского коллеги из прошлого спустя 100 лет.

На фото физик Владимир Кистяковский

Кистяковский развил взгляды Фарадея, оформив в общеизвестную теорию. Однако, есть и вторая теория пассивации… Впрочем, для начала разберемся с самим понятием.

Что такое пассивация?

Пассивация металлов – это образование той же «ржавчины», но немного в другом виде. Поверхности покрывают не только оксидными пленками, но и фосфатными, сульфатными, хлоридными.

Их состав зависит от того, с каким металлом ведется работа. Химическая пассивация является резким уменьшением скорости его коррозии. С одной стороны, пленка на поверхности – итог разрушения материала. С другой, покрытие защищает нижние слои металла. Чтобы продлить его жизнь достаточно пленки толщиной в несколько десятков нанометров.

На фото процесс пассивации

Альтернативный взгляд на пассивацию поверхности сводится к абсорбции ею кислорода. Он погружается в поверхностные поры металла. При этом, увеличивается валентность его атомов. Это снижает их химическую активность. Кстати, кислород можно взять не только из атмосферы или воды. Далее, ознакомимся со средами для пассивации.

Среды для пассивации

Металл вступает в кратковременное взаимодействие с ними, но скорость реакции резко падает с образованием поверхностной пленки или же повышения валентности верхних атомов.

Коррозию последнего блокирует даже речная вода. Воздействовать ею на металл можно двумя способами. Первый – простой контакт, обмазывание или окунание поверхности.

Второй способ называется электрохимическим. В этом случае через раствор для пассивации пропускают ток. Под его действием защитная пленка получается равномерной.

Именно такую формирует, к примеру, пассивация меди. Ток пропускают через хромосодержащие растворы. Именно в них медь приобретает наибольшую стойкость к коррозии.

Медь после пассивации

Подготовка к пассивации

В случае электролитического процесса в подготовительные работы входит отлаживание нужной силы тока. Успешно пассивация латуни, хрома, железа и прочих металлов проходит при 12-градусной величине напряжения.

На фото оборудование для пассивации металлов

Пассивация электрохимическая осуществляется на специальных аппаратах. Они имеются в свободной продаже. Установки компактны, но дорогостоящи. Модели дешевле 100 000 рублей продают редко.

Применение пассивации

Нельзя допустить, чтобы из-под декоративно-защитного слоя проступила ржавчина. Поэтому, перед покраской осуществляется пассивация. Ряд растворов для нее не только дает пленку на поверхности деталей, но и обезжиривает их.

Некоторые пассиваторы, не смотря на свою эффективность, под запретом. В Евросоюзе, к примеру, запретили оксид хрома. Он токсичен. Однако, прочие пассиваторы уступают опасному соединению в эффективности.

На фото наглядно виден результат пассивации

Пассивация стали осуществляется на паровых турбинах. Оксид хрома здесь не нужен. Интерес в другом. Возникает вопрос, зачем нужна пассивация нержавеющей стали, она ведь нержавеющая.

Прибегают к имплантированию, когда зуб удален, не осталось даже корней. Так вот, нижний винт выполняется из надежных, но не драгоценных сплавов. Чтобы избежать их разрушения в челюсти, что может привести к заражению, проводят пассивацию.

На фото гаечный ключ без применения пассивации металла

Кстати, суть понятия сводится к «пассивности». Именно от этого существительного образован термин. Цель метода – сделать металлы химически пассивными, заставить их отказаться от вступления во взаимодействия с прочими веществами.

Источник

Электролитическое и химическое пассивирование металлов

Пассивирование, (или пассивация) металлов является особой обработкой, в ходе которой внешний слой материала приобретает новые свойства, делающие металлы похожим на благородные – то есть не поддающимися окислению и каким-либо другим негативно влияющим на него действиям.

В ходе обработки получаются оксидные плёнки на поверхности. И если эта плёнка не будет как-то нарушена грубым физическим воздействием, то любой метал, ранее требовавших особых условий эксплуатации, делается перед ними защищённым и стойким.

Суть и описание процесса

Для защиты от коррозии или других видов химических разрушений на поверхности металла формируют фазовый или адсорбционный слой (плёнку). Технически это выглядит как нанесение такого защитного покрытия с помощью специальных растворов (химическое пассивирование) или к созданию защитного барьера прибегают другими способами (электролитическая пассивация).

Электролитическая является более предпочтительной как химически более стойкая.

Целью процесса является снижение химической активности металлов с возможностью их сохранения. Ведь убытки от коррозии как от атмосферных воздействий, так и от реагентов в технологических процессах во всём мире может достигать величин десятков миллиардов долларов. И для защиты этих металлов практически к каждому из них придуман свой механизм нанесения защитных слоёв (потому что универсальных методов не существует, каждый металл требует своего подхода). На практике это вылилось в разработку особых режимов воздействия, уникальных составов электролитов и расчёта напряжения и силы тока для каждого конкретного случая нанесения плёнок на металл.

Пассивирование металла можно рассматривать как образование своего рода ржавчины на его поверхности. Только «ржавчина» эта рукотворная и с заранее заданными свойствами.

Химическая пассивация

Это обработка металлов растворами соединений, которые способны быстро образовать оксидную поверхность. Но чтобы процесс не пошёл вглубь, особенно активно разрушая слабые места в кристаллических решётках металлов. На определённой стадии его останавливают, применяя вещества-нейтрализаторы, а затем подвергая металл промывке в разных средах и при разной температуре.

При неудовлетворительном качестве полученных результатов процесс повторяют, начиная с абразивной зачистки.

Электролитическая пассивация

Основана на свойстве металлов переходить через электролит с приложенным напряжением на поверхность обрабатываемого металла. Для каждого конкретного вида металла подбирается присущий только ему электролит. А в качестве анода также используется металл, подходящий по своим физико-химическим показателям.

При анодной пассивации поляризующий ток должен превысить некоторую критическую величину, при которой природа металл, электролита, его температура и концентрация начинают работать на покрытие погружённого в ванну металла защитной плёнкой. Которая не даёт возникнуть обратному «ионному току». Этот момент и является началом образования «непробиваемого» оксидного слоя, перед которым оказываются бессильными вещества-окислители. Кроме самых агрессивных, для которых будут предусмотрены особые режимы пассивации и особые вещества для неё.

Пассивирование стали

Входящее в состав любых видов сталей железо, как её основа, подвержена коррозии больше, чем какой-бы то ни было металл. Лучшей защитой от коррозии для железосодержащих материалов является добавление легирующих добавок в железный расплав, которые делают сталь нержавеющей. Но нержавеющая сталь дорога. Поэтому защитить более простые марки стали от ржавчины можно обработкой их в электролитических ваннах с добавлением в электролит ингибиторных пигментов в виде суриков – железных или свинцовых.

При анодном же покрытии с помощью пигментов в пограничном обрабатываемом внешнем слое возникает высокая плотность тока в порах образуемой защитной плёнки. В железе как части стального сплава защитные оксидные плёнки в естественных условиях образоваться не могут, то пассивирование возможно только в случае включения в механизм покрытия пигментов-ингибиторов.

Но основное различие в образовании защитных слоёв на металле методами химической и электролитической пассивации заключается в скорости процесса и прочности образуемой фазовой плёнки. Ведь и в химической ванне, и в ней же, но с добавленным к процессу электрическим током и напряжением процесс образования оксидной или солевой плёнки идёт по одному сценарию.

Пассивация конструкционных и специальных сталей

Для надёжной пассивации сталей их желательно предварительно покрыть, все или частично (те их элементы, которые будут испытывать наибольшее воздействие неблагоприятных факторов) никелем, цинком или кадмием с использованием хромовых солей. Пассивирование этими солями выгодно тем, что после укрепления поверхностного слоя изделия эксплуатируются без опасности возникновения коррозий очень длительное время. А в случае начала ржавления отдельных участков их можно, не разбирая и не снимая с места конструкцию, пассивировать этим же составом с солями хрома прямо на месте, методом аппликации пропитанных растворами накладок.

Пассивация алюминия

Для стойкой защиты не обойтись без процесса анодирования, результатом которого бывает получение защитных плёнок толщиной от 5 до 20 мМк. А в отдельных режимах можно получить и сверхпрочные плёнки,(выдерживающие нагрузку до 1500 кг на мм, то есть выше, чем у инструментальной стали.

Пассивация серебра

Серебро относится к благородным металлам, несмотря на изменение его свойств на свету (оно темнеет). До наступления эры цифровой фотографии эта способность серебра использовалась в создании светочувствительных материалов (фотоплёнки и фотобумаги).

Но потемнение изделий из серебра в быту – процесс часто нежелательный, и для его предотвращения используют химические способы предохранения верхнего, пограничного с воздухом, слоя металла, от воздействия света и воздуха. Лучше же всего предотвращает такие изменения пассивация методом обработки серебра в хромпике – двухромовокислый калий K₂ Cr₂ O_7.

Для его осуществления хромпик в количестве 60 г разводят в 1 литре кипячёной нежёсткой воды. Рабочая температура раствора от 25 до 40 градусов, это не критично. Пассивацию проводят, просто погрузив серебряное изделие в ванну полностью на 20 минут и периодически перемешивать раствор. В случаях, когда разведённое количество хромпика не покрывает изделие полностью (статуэтка сложной формы или объёмный серебряный канделябр) попеременное обрабатывание поверхности частями лучше не практиковать, а развести реактив в необходимом для нормального объёма количестве воды.

Химическое пассивирование нержавейки

Несмотря на то, что нержавеющая сталь как в своей массе, так и в поверхностном слое уже инактивирована в смысле воздействия на неё неблагоприятных условий среды, иногда коррозия находит у этой стали слабые места.

Сталью железо делают легирующие добавки. А основной такой добавкой, делающей сталь нержавеющей, является хром. Но при его 12% в составе сплава он защитит сталь только от атмосферных воздействий. При 17% выдержит уже обработку азотной кислотой, одной из самых агрессивных кислот.

Дело ещё и в состоянии поверхности нержавеющего материала. И если поверхностный слой нарушен, если на нём есть глубокие царапины, задиры, микроскопические ударные кратеры, то даже легированный металл будет подвержен коррозии.

А иногда достаточно сварного шва на поверхности. И пусть сварка тоже выполняется специальными электродами и в специальном режиме, образующееся в шве чистое железо станет центром коррозии, которая примет цепной характер. Да что сварка? Даже если резать или пилить рядом с нержавеющей конструкцией обычную, нелегированную сталь, то опилки, стружки и любой формы частички от неё, попавшие на нержавейку, тоже быстро станут такими центрами.

Заключение

А в итоге, когда начинаешь разбирать причины появления ржавчины на нержавеющей стали, выясняется, что виной было уничтожение естественной для этого вида стали оксидной плёнки. Поэтому дополнительной защитой, которая нужная нержавейке – это обработка кислотами: серной, соляной, азотной с последующей нейтрализацией её остатков после того, как она уже образовала химически-нейтральный защитный слой на металле. И смыть остатки нейтрализатора водой, а потом вытереть насухо. Теперь только очередное грубое механическое нарушение оксидной плёнки способно запустить механизм коррозии.

По этой же причине домохозяйкам ни в ком случае не стоит чистить посуду из полированной нержавейки абразивными составами, да ещё с примесью хлора. Пример? «Комет». Очистит эффективно, это да. Но параллельно запустит процесс коррозии металла.

Источник

Пассивация металла

Одним из эффективных методов защиты поверхности металла от воздействия коррозии является обработка поверхности с помощью специальных химических растворов. При их взаимодействии с металлом протекает химическая реакция, в результате которой на поверхности образуется нейтральное (пассивное) соединение способное противостоять протеканию коррозийных процессов. Такая обработка называется пассивация металла. После завершения этого процесса на поверхности образуется оксидная плёнка. Она обладает химическими свойствами не вступать в реакцию окисления и тем самым предотвращает разрушение не только поверхностного слоя, но и всей детали.

Описание технологии

В основу пассивации положены принципы химического взаимодействия поверхностного слоя металла с различными растворами других металлов, в результате, которого, на поверхности образуется поверхностный слой с новыми физическими и химическими свойствами. Процесс пассивации предполагает создание абсорбционных (фазовых) слоёв, которые изменяют структуру первоначального металла. Слой пассивации создаёт надёжный барьер, который препятствует процессу окисления и служит надёжной защитой от коррозии.

Для проведения подобных химических реакций используется различный металл. Это зависит от состава исходного металла, из которого изготовлена деталь. Для придания ей специфических свойств могут применяться: хром, никель, кобальт, марганец, молибден и другие редкоземельные металлы. В зависимости от их процентного содержания готовят раствор для пассивации и выбирают необходимое оборудование.

При пассивации нержавеющей стали в процессе её производства в её состав добавляют различные легирующие металлы. Они обеспечивают лучшее взаимодействие с химическими элементами, входящих в состав пассивирующего раствора.

Например, для создания на поверхности стали надёжной антикоррозийной плёнки применяют оксид хрома. Производится операция хромирования.Она полностью меняет физико-химические свойства поверхностного слоя. При правильном проведении обработки получают ровный и одинаковый по плотности слой. Для проведения пассивации применяют различные кислоты. Чаще всего создаётся раствор на основе азотной кислоты. Именно созданные соли на основе этой кислоты создают на поверхности стали защитную плёнку с высокими защитными характеристиками.

После завершения технологического процесса проводят проверку качества полученного слоя. Это необходимо для оценки поверхности обработанной детали. На практике используют различные методы проверки. Например, используют химический метод: обрабатывают поверхность раствором ферроцианида калия в азотной кислоте. Такое воздействие позволяет визуально определить места некачественной обработки. В местах, где слой достаточно тонкий или отсутствует, то есть присутствует большое количество свободного железа, появиться характерный синий цвет. Этот способ применяется в заводских лабораториях. Им проверяют выборочные детали из готовой партии.

Более простым, но длительным считается способ помещения готового изделия в обычную воду. После длительного пребывания в воде, места с плохой обработкой покрываются ржавчиной.

Технология проведения пассивации цветных металлов практически не отличается от технологии обработки стали. Основным отличием является состав применяемых растворов. Например, для обработки алюминия, меди, никеля применяют хроматы калия и натрия или хромовый ангидрид. Ускорения процесса обработки осуществляется при добавлении в состав раствора различных солей и кислот. Пассивация меди производится в растворах серной кислоты, обработка поверхности меди производится в растворе фосфорной кислоты, цинка и кадмия в растворах соляной и азотной кислоты.

В некоторых случаях процесс взаимодействия раствора с металлом применяют для решения других важных технических задач.Процесс разложения металла под воздействием окислов применяется для изготовления печатных плат в радиотехнике. Эта процедура называется травление. В этом случае на поверхность металлизированной текстолитовой пластины наносится с помощью краски рисунок будущих токопроводящих полос и мест размещения радиодеталей. Затем пластину с нанесённым рисунком опускают в ванну с раствором, под воздействием которого происходит химическое удаление слоя металла с поверхности текстолита. В результате пассивации на поверхности остаётся только метал, защищённый краской. После этого пластину промывают в проточной воде и с помощью растворителей удаляют слой нанесённой краски. Результатом такой пассивации (травления) становиться готовая печатная плата для конкретного радиоэлектронного устройства.

Технология нанесения на основной слой изделия декоративного слоя не отличается от общего процесса пассивации. При создании ювелирных украшений на поверхность серебряной заготовки наносят тонкий слой золотой плёнки. Она формируется аналогичным образом. Таким образом, получают изделие с характерным золотым цветом.

Важным моментом для получения качественной плёнки при пассивации является финишная обработка. Во всех случаях необходимо после извлечении детали из ванны с раствором качественно её промыть. Это необходимо для того, чтобы прекратить процесс пассивации. Если оставить часть активного раствора или даже его разбавленные компоненты, будет нарушена технология и качество полученной плёнки значительно снижается. После тщательной промывки рекомендуется просушить готовую деталь. Это можно осуществить при естественной сушке или с применением специальных фенов. На производстве применяют сушильные камеры, которые обеспечивают равномерный поток тёплого воздуха. Качественная подготовка поверхности, соблюдение всех режимов обработки, соблюдение времени пассивации, качественная промывка исушка позволяют получить качественный равномерный защитный слой, способный прослужить достаточно длительный срок.

Применение пассивации

К основным задачам пассивации относятся:

Первая задача решается для большого количества металлов и их сплавов.Одним вариантов такой защиты является воронение. Во втором случае для создания прочного сварного соединения применяется пассивация анодов и конечная обработка полученного соединения после сварки. Проведение пассивации позволяет значительно повысить герметичность, полученных соединений. Это особенно важно припрокладке трубопроводов. Такая обработка очень полезна при проведении сварки трудно свариваемых металлов, например алюминия. Пассивация меди или латуни производится для создания временной защиты от потускнения поверхности изделия на определённый срок (обычно около месяца). Иногда это используется как временная консервация подготовленных деталей для хранения между операциями дальнейшей обработки или сборки.

Данный вид обработки необходим при эксплуатации изделий из металлов в следующих случаях:

Решение задач повышения электропроводности решается с помощью нанесения наповерхность изготовленных контактов тонкого слоя металл, обладающего повышенной электропроводностью, например золота или серебра.

Виды пассивации

Основными и наиболее хорошо отработанными видами пассивации являются:

Химическая

Химическая пассивацияпредполагает применение растворов солей различных металлов.Наиболее эффективно пассивация производится азотной кислотой. Кроме неё для формирования раствора пользуются серной кислотой или лимонной. Для повышения качества процесса в раствор добавляют небольшое количество бихромата натрия. Его количество не превышает 6% от общей массы. Состав раствора подбирается индивидуально и во многом зависит от марки обрабатываемого металла. Например, для пассивации железа применяют соли металлов, растворённые в серной кислоте высокой концентрации.

Сущность химической пассивации заключается в активном притяжении отрицательных ионов, которые присутствуют в растворе, к атомам металла.Это происходит благодаря наличию у них положительного заряда. В результате такой диффузии образуется поверхностный слой.

Для пассивации обязательно проводят предварительную подготовку поверхности изделия. Её тщательно зачищают механическими и химическими методами.От качества этой процедуры зависит конечный результат и надёжность образованной плёнки.Большое значение это имеет при пассивации цветных металлов: латуни, меди, бронзы.

Электрохимическая

Этот вид пассивации основан на принципах, заложенных в технике гальванической обработки изделий. Ускорение обработки осуществляется благодаря воздействию постоянного тока, который протекает через раствор, ускоряя химическую реакцию. Такая пассивация называется электрохимическая.

В состав такой установки кроме ванны, в котором размещают электролит, используется источник постоянного тока, соединительные провода и один электрод. Вторым электродом является сама деталь.Другим вариантом контактов являются один электрод и корпус ванной (она должна быть изготовлена из металла, стойкого к воздействию электролита и электрического тока). На практике применяют электрические установки с относительно невысоким уровнем напряжения. Его величина не превышает 12В.

В обоих случаях при включении установки через раствор пропускают электрический ток. Он является стимулятором протекания процесса пассивации на поверхности заготовки. На практике различаю анодную и катодную пассивацию.

При такой пассивации положительный потенциал подается на заготовку, а отрицательный — на корпус ванны. При использовании электрохимического способа защитная пленка образуется быстрее и получается более ровной. Но такая технология дороже химической пассивации, т. к. в ней применяется более сложное оборудование и происходит расход электроэнергии.Под его действием защитная пленка получается равномерной. Именно так формируется плёнка на поверхности медных заготовок. Ток пропускают через растворы с растворёнными в них солями хрома. Именно в них медь приобретает наибольшую стойкость к коррозии.

Важными параметрами в этом процессе является время протекания пассивации, плотность и состав электролита, критическая величина тока пассивации. Эти параметры рассчитаны для различных металлов и приведены в специальных таблицах. На основании этих данных рассчитывают допустимое время обработки.

Свойства металла после обработки

Основной задачей пассивации является улучшение физико-химических и механических характеристик поверхностного слоя материала, из которого изготовлена деталь. Остальные характеристики более глубоких слоёв сохраняются неизменными. Поэтому после завершения пассивации в поверхностном слое изменяются следующие свойства и характеристики:

Пассивация нержавеющей стали позволяет значительно повысить антикоррозийные свойства и придать готовой детали совершенно другой цвет. Применение хрома или никеля в составе пассивирующего раствора позволяет получить блестящий металлический цвет.

Пассивация железа близкими к нему химическими элементами позволяет создать достаточно стойкий к коррозии внешний слой. Таки образом расширяется область применения таких изделий. Их можно использовать даже в активных и агрессивных средах. Кроме различных марок стали пассивации подвергают чугун. Основной задачей является создание защитной плёнки от коррозии. В отдельных случаях при применении загущенного нитрата натрия поверхностный слой приобретает некоторую эластичность. В этом случае добиваются снижения хрупкости всей детали. Одним из видов стали является так называемое воронение. В результате обработки получается надёжный внешний слой чёрного цвета

Аналогичным образом изменяются свойства поверхностного слоя цветных металлов. В результате пассивации образуются определённой толщины адсорбционные или фазовые слои. Помещение заготовки из алюминия стимулирует процесс естественной пассивации поверхностного слоя этого металла. При воздействии кислотных растворов защитные свойства поверхностного слоя алюминия увеличиваются.

Источник