Химическая металлообработка:
методы и применение

Что такое химическая металлообработка

Химическая металлообработка объединяет процессы, где нужный эффект на поверхности детали даёт химическая реакция металла с раствором: кислотой, щёлочью или солью. Металл либо растворяется в заданных местах, либо на нём вырастает новая плёнка оксида или другого металла. Внешнее воздействие ограничивается температурой ванны, временем выдержки и составом раствора, механической силы или электрического тока в чисто химическом процессе нет.

Это отличает химическую обработку от двух соседних групп. Механическая обработка снимает металл резцом, кругом или абразивом, то есть меняет форму детали физически. Гальваническая, или электрохимическая, обработка тоже идёт в растворе, но через него пропускают ток: он либо растворяет металл детали (электрополирование, анодное травление), либо переносит металл с анода на деталь (гальваническое покрытие). Химический процесс всегда возможен без источника тока в принципе, хотя на практике часть операций, например анодирование, всё же ведут электрохимически ради скорости и управляемости.

На практике многие цеха и заказчики называют «химией» вообще любую обработку в ваннах, включая гальванику, и путаницу это не устраняет. В статье мы разделяем методы по принципу действия и отдельно оговариваем, где процесс формально электрохимический. Смежная тема, гальванические покрытия, разобрана отдельно на странице что такое гальваническое покрытие, здесь мы её не дублируем.

Травление металла: виды и что оно даёт

Травление, это управляемое растворение поверхностного слоя металла в кислоте или щёлочи. За этим словом скрывается несколько разных по цели процессов.

• Травление окалины и ржавчины (пикелевание). Подготовительная операция перед покрытием, сваркой или дальнейшей обработкой: снимает окалину после проката или термообработки и продукты коррозии.
• Декоративное и матовое травление. Даёт равномерную матовую или узорчатую поверхность, применяется на нержавейке и латуни в декоративных изделиях.
• Травление для выявления структуры металла (макро- и микрошлифы). Лабораторный метод: реактив проявляет зёрна, границы, дефекты литья и сварные швы для визуального и микроскопического контроля.
• Химическое фрезерование (chemical milling). Контролируемое травление большой площади для снятия слоя заданной толщины, подробнее в разделе 7.

Общий принцип для всех видов один: скорость реакции зависит от концентрации раствора, его температуры и времени контакта, поэтому результат нормируют именно этими тремя параметрами, а не «на глаз». Для стали типичный пикель, это соляная или серная кислота, для нержавейки добавляют плавиковую или азотную кислоту, для алюминия чаще применяют щелочные растворы на основе едкого натра.

Пассивация и оксидирование стали

Пассивация нержавеющей стали, это обработка в кислотном растворе, чаще на основе азотной или лимонной кислоты, которая растворяет свободное железо, оставшееся на поверхности после резания, сварки или шлифования. Именно эти микрочастицы железа, а не сам сплав, становятся очагами ржавых пятен на «нержавеющей» детали. После пассивации на поверхности быстрее и полнее формируется естественная защитная оксидная плёнка на основе хрома, ради которой нержавейку и выбирают.

Химическое оксидирование углеродистой и низколегированной стали, в обиходе воронение, даёт на поверхности плотную плёнку магнетита чёрного или тёмно-синего цвета. Она тоньше и менее прочна механически, чем гальваническое покрытие, зато не меняет размер детали и держится на резьбе и в пазах, куда толстое покрытие не проходит. Воронение используют на инструменте, крепеже и деталях, где важен декоративный чёрный цвет без заметного наращивания размера.

Анодирование алюминия

Анодирование формально относится к электрохимическим процессам: деталь из алюминия служит анодом, через электролит на основе серной или хромовой кислоты пропускают ток, и на поверхности растёт собственный оксид алюминия, гораздо более твёрдый и толстый, чем естественная плёнка на воздухе. Мы разбираем его в этой статье рядом с чисто химическими методами, потому что по сути и по месту в производственной цепочке это тот же принцип: не покрытие металлом, а превращение поверхностного слоя самой детали.

Анодируют в основном алюминий и его сплавы, реже титан и магний, для остальных металлов процесс либо не применяют, либо он идёт по другому принципу. Толщину и цвет плёнки, если нужен декоративный оттенок, задают параметрами процесса и последующим окрашиванием пор перед их запечатыванием.

Химическое никелирование

Химическое, или электролизное, никелирование, это осаждение никель-фосфорного покрытия за счёт химической реакции восстановления без внешнего источника тока: в растворе есть восстановитель, обычно гипофосфит натрия, который сам переносит никель на поверхность детали. Отсюда и практическая ценность метода: толщина покрытия получается одинаковой на всей поверхности, включая внутренние полости, резьбу и глухие отверстия, куда электрическое поле в гальванической ванне не проникает равномерно.

Гальваническое, электролитическое никелирование устроено иначе: ток идёт от анода через электролит к детали-катоду, и плотность тока на выступающих кромках всегда выше, чем во впадинах, отсюда неравномерная толщина на сложном профиле. Для плоских и простых деталей это некритично и часто дешевле, для сложной геометрии выбирают химический способ. Оба варианта, включая доступные у нас гальванические покрытия, разобраны на странице покрытия металла.

Химическое полирование и глянцевание

Химическое полирование сглаживает микронеровности поверхности за счёт неравномерного растворения металла: выступы травятся быстрее впадин, и поверхность выравнивается без механического воздействия абразивом. Метод применяют на алюминии, меди и латуни, где нужен устойчивый зеркальный блеск на сложной форме, например на отражателях, декоративной фурнитуре и мелких деталях, которые неудобно полировать кругом.

У метода есть ограничения: он снимает только тонкий слой и не убирает крупные риски и следы резца, поэтому исходная механическая обработка должна быть достаточно чистой ещё до химической ванны. Для деталей с крупными задирами быстрее и дешевле довести поверхность механическим полированием, а химию оставить для финишного глянца.

Химическое фрезерование в авиастроении

Химическое фрезерование, chemical milling, это управляемое травление большой площади заготовки для снятия металла на заданную глубину без станка. Технологию отработали в авиастроении для крупных панелей обшивки: участки, которые должны остаться толстыми, например рёбра жёсткости, закрывают химически стойким составом, маскантом, а открытые зоны протравливают на нужную глубину, снижая массу панели там, где прочность не нужна в полном сечении.

Преимущество перед механическим фрезерованием, это отсутствие механических напряжений от резца на тонкой и уже частично сформированной панели сложной кривизны, а также возможность обрабатывать сразу большую площадь в одной ванне. Метод специализированный и требует своей оснастки под маскирование, в общем машиностроении применяется реже, чем в авиационной и аэрокосмической отрасли.

Растворы и реагенты для разных металлов

Состав раствора всегда подбирают под конкретный металл и задачу, единого «травителя на все случаи» не существует.

Концентрацию, температуру ванны и время выдержки под конкретный сплав значения назначаем по документации на деталь, справочные диапазоны у разных производителей реагентов и марок сплавов заметно различаются, а неверно подобранный режим быстрее всего портит именно тонкостенную или уже почти готовую деталь.

Подготовка поверхности перед обработкой

Качество результата в химической обработке определяется в первую очередь подготовкой, а не самим травителем. Загрязнённая или неровная после резца поверхность реагирует неравномерно, и брак закладывается ещё до ванны.

Глухие отверстия и резьбовые полости должны свободно заполняться и опустошаться раствором, иначе внутри остаётся воздушный пузырь и участок вообще не обрабатывается. Это учитывают ещё на этапе проектирования оснастки и подвесов для загрузки в ванну.

Типичные дефекты и брак

Наводороживание стоит отдельного внимания: атомарный водород при травлении в кислоте частично проникает вглубь металла вместо того, чтобы уйти газом. Для мягкой стали это некритично, а для пружин, крепежа высокой прочности и деталей после закалки повышает риск замедленного растрескивания под нагрузкой спустя часы после обработки. Такие детали после травления отправляют на обезводороживающий отпуск при невысокой температуре.

Экология и безопасность процесса

Работа с кислотами, щелочами и солями тяжёлых металлов относится к вредным производствам и жёстко регулируется. Отработанные растворы содержат соли металлов и не подлежат сливу в канализацию без нейтрализации и очистки, участок химической обработки обязан иметь систему сбора и обезвреживания стоков, вытяжную вентиляцию над ваннами и средства индивидуальной защиты персонала: кислотостойкую одежду, перчатки, средства защиты органов дыхания и глаз.

Классы опасности реагентов и нормативы по вентиляции и утилизации устанавливают действующие санитарные и экологические регламенты, конкретные значения уточняем при расчёте. На практике это значит: участок химической обработки, это лицензируемое производство со своими требованиями к помещению, а не пара тазов в углу цеха.

Что делаем мы и куда обращаться

Собственного участка травления, пассивации, оксидирования или химического никелирования на нашей площадке нет, это отдельное лицензируемое производство. Мы делаем то, что стоит по обе стороны от химической обработки: изготавливаем деталь по чертежу или образцу, доводим её механически до нужного размера и чистоты поверхности, а после химической обработки при необходимости выполняем финишную доработку и наносим собственные гальванические покрытия.

• Механическая обработка под будущую химическую обработку: точение, фрезерование, шлифование до заданной шероховатости.
• Термообработка до или после химической обработки, включая обезводороживающий отпуск для ответственных деталей.
• Хромирование и цинкование собственными силами как альтернатива или дополнение к химическому покрытию.
• Хонингование и притирка посадочных поверхностей после снятия слоя травлением.
• Подбор материала под задачу, если изделие изначально проектируется под последующую пассивацию или анодирование, подробнее на странице детали из нержавейки, алюминия и титана.

Перед расчётом спрашиваем: марку металла, чертёж или образец, требуемый вид последующей обработки поверхности, требования по шероховатости и допускам. Общий перечень наших работ на странице изделия из металла, заказ детали под ключ на странице изготовление деталей на заказ.

Вопросы и ответы