Органическое покрытие

Конверсионные покрытия применяются главным образом в качестве основы для последующего нанесения органических веществ, в частности красок и лаков. В случае с листовым алюминием данный процесс обычно осуществляется в катушкахи состоит из последовательной очистки аэрозолем и конверсионного покрытия, за которым следует нанесение краски или лака. Обычно применяются безпромывочные или не содержащие хрома конверсионные покрытия, а среди основных изделий, подвергающихся подобной обработке, можно назвать крашенные листы, используемые в архитектуре и при изготовлении фургонов, для изготовления лакированных полос для металлической тары, а также фольги для ламинирования . Другие изделия из алюминия, например, экструзии или литьё, обычно обрабатываются навалом в растворах хроматов или хроматов и фосфатов.274Корпуса автомобилей, в которых
алюминий содержится вместе с другими металлами, типа стали, перед покраской обычно подлежит обработке фосфатами. Нанесение хроматных и фосфатных покрытий применяется также перед покраской компьютеров и счётных машин.275Обработка растворами хроматов и особенно хроматов-фосфатов применяется для алюминиевых изделий с порошковым покрытием или покрытием, нанесённым методом электроосаждения.

В архитектуре полученные химическим путём плёнки окислов, хроматов и фосфатов используются для придания серого, зелёного и оранжево-коричневого оттенков кровле, стенам, потолку, черепице и наружной обшивке стен. При наружном использовании конверсионное покрытие иногда защищают тонким покрытием из метакрилата
или бутирата ацетилцеллюлозы, которое усиливает сопротивление погодным условиям и облегчает очистку,однако в данном случае серьёзную опасность представляет нитевидная коррозия под лаком. В США для придания синевато-серого оттенка алюминиевому кровельному гонту используют обработку M.B.V. , а в Швеции для создания зелёного покрытия крыш деревенских домов часто применяют обработку хроматами-фосфатами. В промышленности облицовочные и кровельные материалы также производятся из алюминия с конверсионным покрытием, однако появление предварительно окрашенноголистового материала уменьшило из распространение.

В настоящее время в рамках экспериментальных программ по созданию соединений для различных структур проводится много испытаний направленных на изучение способов химической предварительная обработкой для структур с адгезионнымсоединением. Растворы хроматов-фосфатов и некоторые другие растворы на основе хроматов применялись для адгезионной обработки листового алюминия, который использовался при производстве экспериментальных алюминиевых транспортных средств. Первые подобные машины являлись копиями стандартных моделей, обычно производившихся из стали, и были собраны из штампованных обычным образом алюминиевых деталей.Сначала конструкции скреплялись при помощи небольшого количества сварных швов, однако основным способом соединения деталей было адгезионное сцепление. Таккак подобные детали выдавливались из плоского, предварительно обработанного листа, то предварительная обработка должна быть способна обеспечить эффективную основу для адгезива
после того, как тот находился под воздействием механического напряжения во время штамповки. Такие машины успешно прошли все стандартные испытания, применяющиеся в машиностроении (тесты на дорожном покрытии, тесты на коррозию, испытание столкновением с препятствием, выбоинами и т. д.). Теперь эта технология используется в производстве автомобилей.

Предварительная обработка хроматами-фосфатами помогает увеличить силу сцепления затвердевшего адгезива с алюминиевой поверхностью, хотя это происходит не всегда, а наибольшее значение для адгезии имеет степень сохранения прочности клеевого соединения во влажной или коррозийной среде.Сохранение прочностисцепления наблюдается как под воздействием механического напряжения, так и без него. Растворы, содержащие хроматы и фосфаты, а также некоторые другие растворы для предварительной обработки на основе хроматов можно хранить в течение длительного периода времени перед их применением, и это не будет отрицательно сказываться на адгезионном
сцеплении. Первоначальнаяпрочность клеевого соединения и сохранение прочности при испытании в солевом тумане в данном случае сравнимы с теми, которые наблюдаются при использовании анодирования фосфорной кислотой, метода, разработанного для самолёта Боинг 555 и являющего стандартом адгезионной предварительной обработки в авиационной промышленности. Тем не менее, следует отметить, что в авиационной промышленности грунтовка обработанной поверхности перед нанесением адгезива стала обычной практикой, и это сильно влияет на свойства образуемого адгезионного соединения. Было установлено, что предварительная обработка хроматами (Alocrom 1200) может по-разному влиять на эффективность использования адгезивов. В некоторых случаяхначальная сила сцепления при обработке может быть гораздо меньшей, чем на необработанных поверхностях, однако она остаётся неизменной при длительном воздействии коррозийной среды. Причиной малой прочности сцепления может быть разрыв клеевого соединения по межфазной поверхности между слишком толстой плёнкой и металлическим субстратом.284Такие плёнки также дают слабую степень защиты от коррозии. Нанесение слоёв частиц различного размератакже может приводить к тому, что подобные плёнки будут обладать низкой когезионной
прочностью. Тем не менее, испытания краски показали, что плёнки, образованные при обработке раствором "Alocrom1200", все же могут обладать хорошими
адгезионными свойствами.

Существует немного безпромывочных или не содержащих хрома растворов для предварительной обработки. Однако, в процессе испытаний механическим напряжением и влажностью было установлено, что раствор циркония, фтора и фосфата Bonderite 777 и экспериментальный раствор циркония, фтора и фосфата EP2472обладают адгезионной эффективностью, которая эквивалентна или даже выше, чем у системы хроматы-фосфаты (Bonderite705).

Конверсионное покрытие является альтернативой анодированию в тех случаях, когда речь идёт об обработке литейных сплавов алюминия с вкраплениями тяжёлых металлов. Подобные материалы могут быть подвергнуты анодированию, только в том случае, когда вкрапления металла покрыты маскировочным слоем. В противном случае при прохождении тока через вкрапления произойдёт короткое замыкание, в результате чего плотность тока при прохождении через поверхность алюминия снизится настолько, что анодирование станет невозможным. Вкрапления могут так же быть подверженыя
точечной коррозии и растворению.

Маскирование – это дополнительная операция, которая должна проводиться отдельно для каждого изделия и может оказаться довольно дорогостоящей. Подобные проблемы не возникают, если поверхность покрыта конверсионным покрытием, однако при условии, что поверхность вкрапления намного меньше поверхности алюминия. Наиболее эффективное предохранение смешанных металлических поверхностей с высоким содержанием тяжёлых металлов по отношению к алюминию осуществляется путем применения обработки фосфатами. Изделия из алюминиевых сплавов с болтами из углеродистой стали, гайками и прокладками, оцинкованными или кадмированными, можно подвергать предварительной обработке по системе Алрок. При испытаниях обрабатываемых таким образом изделий из алюминия в солевом тумане была выявлена лишь лёгкая степень коррозии.

При предварительной обработке хроматами-фосфатами на поверхности образуется покрытие с коррозионной стойкостью, достаточной для защиты алюминиевых носителей информации. Цинково-фосфатные покрытия могут вступать в реакцию со стеаратом натрия и образовывать смазочный материал, подходящий для холодной экструзии деталей, сделанных из различных алюминиевых сплавов.Для обработки алюминиевых тормозных цилиндров используется автоматическая установка для хромирования цилиндров, где цилиндры из нержавеющей стали механическим способом передаются из резервуара в резервуар.

В будущем возможно применение конверсионных покрытий в космической промышленности.Статистический анализ коэффициентов скольжения перехлестных соединений, являющийся источником данных для эскизного проектирования резьбовых болтовых перехлестных соединений, типичных для космических конструкций, показал, что хромированные и анодированные детали из алюминия обладают большим сопротивлением скольжению, чем необработанный металл.

Многие из известных процессов нанесения конверсионного покрытия позволяют наносить на металлическую поверхность цветные покрытия . Натуральные красители позволяют получить оттенки серого, зелёного, жёлтого или коричневого цветов, однако соответствующие конверсионные покрытия можно впоследствии подкрашивать при помощи абсорбции красителей или пигментов. Конечно, в общем и целом, подобные изделия имеют не слишком привлекательный внешний вид, так как имеют достаточно мутную расцветку. Для получения цветного покрытия на алюминиевых поверхностях без использования краски в первую очередь следует рассмотреть окрашивание методом нанесения анодных оксидных покрытий

Чёрные и некоторые другие декоративные покрытия можно получать прямо на алюминиевой поверхности путём химической обработки. Чёрный цвет можно получить при погружении металлического изделия на 20-30 минут в раствор, содержащий:

Перманганат калия – 5-10 г/л

Гексагидрат нитрата меди – 20-25 г/л

Азотная кислота – 2-4 мг/л

при температуре 80ºС и выше. Во время обработки также может возникнуть необходимость очистки проволочными щётками. При снижении содержания в растворе гексагидрата нитрата меди за 10-15 минут обработки можно получить тусклый коричневый цвет. Для получения чёрного покрытия на алюминиевых поверхностях также можно использовать растворы, содержащие молибден. Насыщенный чёрный цвет можно получить при обработке изделия в течение 1-2 минут в кипящем растворе, содержащем 10-20 г/л молибденовокислого аммония и 15 г/л нашатырного спирта. Был запатентован еще один похожий раствор для чернения, только с добавлением сернистого соединения и органического восстановителя.Похожий способ обработки был разработан компанией Алусуис и назван «Хемалор-С» (Chemalor-S). В него был включён начальный этап травления в 2-15%(от массы) растворе хлористого железа при температуре 70-95ºС, за которым следует чернение в течение 2-8 минут в растворе, содержащем 40-60 г/л семивалентного молибдата аммония и 40-80 г/л хлористого алюминия при уровне рН 2-3 и температуре 90ºС. Затем чернённый алюминий погружается на 0.5-3 минуты в щелочной хроматный раствор, содержащий 13-17 г/л хромата натрия и 40-50 г/л карбоната натрия, при температуре 85-92ºС. В результате образуется светостойкое покрытие толщиной 2-4 микрона, обладающее хорошим сопротивлением истиранию, коррозийной стойкостью и стойкостью к химическому воздействию.Эта обработка применяется для радиаторов и деталей фотоаппаратов.

Другие типычёрного покрытия можно получить в растворах, содержащих карбонат натрия, хромат натрия, красную кровяную соль и свинцовую сольили нитрит натрия, силикат натрия, цинковый купорос и хлорид кальция или магния, или хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты поваренной соли, катализатор и соединения для поддержания уровня рН, достаточного для протекания реакции.

Недавно начали использовать чёрные конверсионные покрытия в области производства установок для выработки солнечной энергии, и многие компании разработали для этого собственные системы. Компания «Алкоа» («Alcoa») предлагает использовать обработку изделий в растворе силикатов-боратов при температуре 66-100ºС и уровне рН 8-10. Данный тип обработки предназначен для создания на алюминиевом коллекторе солнечной энергии поверхности с высокой поглотительной и низкой излучательной способностью. Покрытие обладает хорошей коррозийной стойкостью, однако в процессе эксплуатации наблюдаются некоторые потери в поглотительной способности и снижение излучательной способности, которые до сих пор не были полностью оценены. Компания Рейнольдс («Reynolds») предлагает использовать хромистое покрытие с содержанием окиси меди, изменённой перманганатом, компания «Сумитомо» (Sumitomo) предлагает использовать хромато-фосфатные покрытия, которые впоследствии окисляются при температуре 400-600ºС для образования на поверхности оксидного покрытия. Можно получить полный спектр цветов, от охры до фиолетового через коричневато-красный, путем обработки конверсионного покрытия переменным током в водном электролите с добавлением таких элементов, как селен и теллур.Также был разработан раствор для голубого бронзирования, содержащий по 5 г/л красной кровяной соли и дихлорида железа.

Серый цвет, похожий на цвет железа, можно получить на алюминии при помощи обработки изделия в растворе, содержащем 25 г/л сернистого калия и 1 г/л сульфата ванадия, при температуре 80-90ºС; результативный цвет можно изменять, добавляя в раствор определённые органические и неорганические красители, таким образом можно добиться получения коричневого, золотистого и даже красного оттенков.

Красноватый коричневый цвет можно получить путем использованияследующего раствора:

Перманганат калия – 320 г/л

Азотнокислый кадмий – 100 г/л

Дихлорид железа – 20 г/л

Азотная кислота – 20 г/л

В общем, полученные в результате химического окрашивания покрытия, имеют худшие эксплуатационные качества, они менее прочные, чем покрытия, полученные путем покраски анодных оксидных плёнок покрытия. Однако,
химическое окрашивание может оказаться более эффективным, чем анодирование и крашение в тех случаях, если окрашиваемое изделие содержит вкрапления тяжёлых металлов, которые трудно замаскировать при применении анодирования. Также одноцветные покрытия на основе окрашенных неорганических веществ зачастую имеют более светлый оттенок, чем красочное покрытие.

При разработке процесса Декорал (Decoral) компанией «Ли Мануфэкчуринг»(LeaMfg.Co.) были совмещены конверсионное покрытие и крашение органическими веществами. В результате получилось покрытие, обладающие ярким светлым цветом. При подобной обработке очищенные алюминиевые детали помещают в щелочной раствор соединения ферроцианида , содержащий 0.1-0.5 молей на литр железосинеродистого калия, 0.1-0.5 молей на литр карбоната калия и 0.1-0.5 молей на литр тринатрийфосфата при уровне рН 11-12.Обычно для покраски требовалась обработка в таком растворе в течение 5-20 минут при температуре 25-35ºС.Полученное покрытие можно было окрашивать целым рядом органических красителей, похожих на используемые для окрашивания изделий из анодированного алюминия, а на покрашенную поверхность обычно наносилось лакокрасочное, восковое или смоляное покрытие. В ещё одном похожем растворе для нанесения конверсионного покрытия железосинеродистый калий
заменялся на азотнокислое железо.Полученное покрытие имело толщину до 2.5 микрон, обладало хорошей термостойкостью и коррозийной стойкостью и являлось альтернативой тонким, декоративным анодным покрытиям. Главное его преимущество заключалось в мелких деталях, которые могли быть обработаны барабанным методом - технология, применение которой очень ограничено при анодировании. В результате такие изделия, как металлические наконечники для карандашей или петельки для обуви, часто обрабатываются именно этим способом.

Несмотря на то, что в данном случае речь идет не о конверсионные покрытия, однако следует заметить, что в некоторых похожих видах обработки для предохранения или декорации поверхности применяются фосфатные или силикатные покрытия. Компания I.C.I. разработала несколько металлоорганических фосфатных покрытий для нанесения на целый ряд субстратов, включая органические полимеры, стекло и металлы, в том числе и алюминий. В результате нанесения на алюминиевые, а особенно на анодированные алюминиевые поверхности, фосфатов хрома и/или железа, на поверхности осаждались стекловидные фосфаты хрома и железа.Это снижало тенденцию к образованию грязи при экспозиции и снижало уровень загрязнения, а после нанесения окрашенных покрытий так же улучшалась стойкость покрытий к воздействию ультрафиолета. Трудности возникали при нанесении покрытий на комплексные профили, полученные выдавливанием. Более широко используемый способ обработки был разработан компанией«Дау-корнинг» (Dow-Corning) и запатентован под названием«Вестар» (Vestar).В результате подобной обработки на алюминиевой поверхности образовывалось кремниевое покрытие. Раствор содержал рассеянные маленькие частицы кремния, обработанные в кремниевой матрице. Утонченное с помощью спирта покрытие можно было обрабатывать, как обычное органическое покрытие, а наносить на очищенную алюминиевую поверхность можно было обычным методом иммерсии или напылением.

Полученные плёнки высушивались при температуре 150-200ºС, при этом на алюминиевой поверхности оставалось практически неорганическое покрытие (всего 9% углерода). Это покрытие было абсолютно чистым и, таким образом, особенно хорошо подходило для защиты полированных алюминиевых поверхностей таких деталей, как рефлекторы, отделка салонов автомобилей и опорные катков. Оно обладало хорошей термостойкостью, коррозийной стойкостью и сопротивлением истиранию, однако сам по себе раствор для нанесения покрытия обладал ограниченной устойчивостью.