СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧЕРНЫХ ЗАЩИТНЫХ ДЕКОРАТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗДЕЛИЯХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2024 года по МПК C25D11/18 C25D11/08 

Изобретение относится к области поверхностной обработки изделий из алюминиевых сплавов, предназначено для улучшения декоративных и защитных свойств этих изделий и может применяться в машиностроении и смежных отраслях промышленности.

Многие производители техники часто используют в линейке своей продукции черный цвет, поскольку он характеризуется простотой, строгостью, универсальностью и сочетаемостью с другими цветами. По этой причине для производственной практики представляет большой интерес разработка способов получения черных декоративных покрытий, в том числе и с хорошими защитными свойствами, на изделиях из разных материалов, включая и алюминиевые сплавы.

Особенностью изделий из алюминиевых сплавов является то, что их поверхности покрыты тонкими плотными естественными оксидными пленками, адгезия лакокрасочных материалов к которым является довольно низкой. Поэтому лакокрасочные покрытия, наносимые на поверхности изделий из алюминиевых сплавов, не отличаются высокой долговечностью [1]. Однако с помощью обработки простым и доступным методом анодирования естественные оксидные пленки на поверхностях изделий из алюминиевых сплавов могут быть преобразованы в прочные долговечные оксидные покрытия с защитными свойствами и широкой цветовой гаммой, которую можно существенно расширить путем заполнения пор покрытий красителями [2]. Тем не менее, при эксплуатации анодные покрытия с красителями из-за вымывания и выгорания красителей имеют склонность к изменению цвета и потере его насыщенности. Это в полной мере относится и к черным покрытиям. В данной связи для производственной практики необходимы новые способы получения черных защитных декоративных покрытий на изделиях из алюминиевых сплавов, характеризующихся высокой долговечностью и способностью сохранять цвет при эксплуатации, в том числе на открытом воздухе.

Из источников патентной информации известен способ анодирования алюминия и его сплавов в растворе серной кислоты с наполнением сформированных анодированием оксидных слоев (покрытий) черным анилиновым красителем и последующей термической обработкой [Патент SU 263360. Способ анодирования алюминия и его сплавов / Гнюбкина Н.И., Куделин Н.А., Андреева О.И. - Бюл. №704 от 11.1970]. Однако данный способ позволяет получать цвета от светло-желтого до темного медно-красного. А при эксплуатации изделий на открытом воздухе в течение нескольких месяцев за счет выгорания и вымывания красителя из пор оксидных слоев происходит значимое снижение насыщенности их цвета.

Также из источников патентной информации известен способ получения покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов анодированием в кислых растворах с последующим кипячением в слабощелочных растворах и нагревом [Патент RU 2354759. Способ получения покрытий / Чуфистов О.Е., Демин С.Б., Чуфистов Е.А., Борисков Д.Е., Холудинцев П.А. - Бюлл. №13 от 10.05.2009]. Однако данный способ, обеспечивая высокие физико-механические и защитные свойства покрытий, не может гарантировать их стабильного насыщенного черного цвета.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу является способ окрашивания изделий из алюминия и его сплавов после анодирования в черный цвет путем наполнения в растворе с красителем [Справочник по электрохимии / Под ред. A.M. Сухотина. - Л.: Химия, 1981. - 488 с.]. Однако при окрашивании данным способом покрытия могут иметь черный цвет с синим или коричневым оттенком. А при эксплуатации изделий на открытом воздухе в течение нескольких месяцев за счет выгорания и вымывания красителя из пор покрытий опять же происходит значимое снижение насыщенности их цвета, в результате чего покрытия тускнеют и приобретают темно-серый цвет и иногда с цветными оттенками.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного способа получения на изделиях из алюминиевых сплавов декоративных защитных покрытий стабильного черного цвета, сохраняющегося при эксплуатации на открытом воздухе.

Технический результат решения поставленной задачи заключается в разработке способа получения на изделиях из алюминиевых сплавов декоративных защитных покрытий стабильного глубокого черного цвета, сохраняющегося при эксплуатации на открытом воздухе, как минимум, в течение 12 месяцев.

Поставленная задача решается в способе получения черных защитных декоративных покрытий на изделиях из алюминиевых сплавов, включающем анодирование в сернокислом растворе и последующее окрашивание сформированных оксидных покрытий в черный цвет в растворах с красителем, причем, сначала изделия подвергают анодированию в растворе серной кислоты 150-250 г/л при его температуре 15-25°С и плотности тока на поверхностях изделий 1-2 А/дм² в течение 20-40 минут, затем изделия нагревают от 200 до 500°С со скоростью 10-15°С/мин, далее окрашивают их в растворе с черным красителем, потом высушивают, наполняют отработанным минеральным моторным маслом и выдерживают при 110-150°С в течение 5-20 минут.

Способ реализуется следующим образом. Сначала изделия из алюминиевого сплава обезжиривают или протравливают, промывают и подвергают анодированию в водном растворе серной кислоты 150-250 г/л при его температуре 15-25°С и плотности тока на поверхностях изделия 1-2 А/дм² в течение 20-40 минут.

По окончании анодирования изделия промывают и помещают в камеру термического шкафа или печи, прогретую до 200°С и нагревают до 500°С со средней скоростью увеличения температуры в камере на 10-15°С/мин.

После выдержки в камере термического шкафа или печи изделия извлекают, охлаждают на воздухе и на подвесе помещают в водный раствор с черным красителем для анодных оксидных покрытий и выдерживают в нем 5-10 минут, поворачивая изделия в растворе через 1-2 минуты. При этом температура раствора и содержание в нем красителя должны соответствовать рекомендациям производителя красителя. При необходимости можно использовать и черный анилиновый краситель для тканей.

После выдержки в растворе с красителем изделия извлекают и на подвесе высушивают на воздухе или в камере термического шкафа или печи при температуре 50-100°С, затем анодные оксидные покрытия наполняют отработанным минеральным моторным маслом путем окунания, обливания, тампонирования и т.п., дают возможность излишкам масла стечь, удаляют с наружных поверхностей покрытий излишки масла, не впитавшегося в поры покрытий, с помощью обтирочной ткани или губки, помещают изделия в печь и выдерживают 5-20 минут при температуре 110-150°С, а потом извлекают и охлаждают на воздухе.

Анодирование в растворе серной кислоты 150-250 г/л при его температуре 15-25°С и плотности тока на поверхностях изделий 1-2 А/дм² в течение 20-40 минут обеспечивает формирование на поверхностях изделий из алюминиевых сплавов оксидных покрытий преимущественно серого цвета толщиной от 13 до 65 мкм с большим количеством равномерно распределенных малых пор, обусловливающих хорошую пригодность покрытий к окрашиванию. Концентрация серной кислоты 150-250 г/л обеспечивает рациональное сочетание толщины оксидного покрытия и его пористости, при меньшем содержании серной кислоты покрытия получаются более толстыми, но менее пористыми, а при большем содержании серной кислоты - менее толстыми и с излишней пористостью и дажерастравливаниями. Длительность анодирования 20-40 минут при использовании профессионального оборудования является наиболее рациональной для получения оксидных покрытий с хорошим сочетанием толщины и пористости, при меньшей длительности оксидные покрытия имеют малую толщину и малую пористость и поэтому плохо поддаются окрашиванию и наполнению, а при большей длительности увеличивается общее время обработки и появляется вероятность возникновения на поверхностях оксидных покрытий локальных растравливаний. Плотность тока 1-2 А/дм² обеспечивает рациональное соотношение производительности анодирования и качества формируемых оксидных покрытий, при меньшей плотности тока толщина оксидных покрытий увеличивается слишком медленно, а при большей плотности тока появляется вероятность возникновения искровых разрядов с локальными разрушениями оксидных покрытий, которые невозможно нивелировать ни окрашиванием, ни последующим наполнением. Температура сернокислого раствора 15-25°С также является наиболее рациональной, поскольку ее технологически просто обеспечить без использования специальных охлаждающих систем и при этом она способствует хорошему сочетанию толщины и пористости оксидных покрытий, при меньшей температуре покрытия получаются более толстыми и менее пористыми, поэтому хуже поддаются окрашиванию и наполнению, а при большей температуре опять же появляется вероятность возникновения на поверхностях оксидных покрытий локальных растравливаний.

Нагрев от 200 до 500°С обеспечивает переход гидроксидов алюминия в оксид с потерей адсорбированной влаги и дополнительным равномерным раскрытием пор на глубине и около наружных поверхностей оксидных покрытий [6]. Скорость нагрева 10-15°С/мин обеспечивает постепенное медленное протекание структурных изменений в оксидных покрытиях, исключая возникновение в них микроразрушений [4]. При нагреве до 180-190°С значимых изменений в структуре покрытий не происходит [6], поэтому нагрев целесообразнее начинать нагрев с 200°С.

Выдержка изделий после анодирования и нагрева в растворе с черным красителем, имеющем температуру и состав в соответствии с рекомендациями производителя, с периодическим переворачиванием изделий позволяет красителю проникнуть в поры оксидных покрытий по всем поверхностям изделий, обеспечивая их равномерное окрашивание в черный цвет. Благодаря предварительному нагреву, способствующему дополнительному раскрытию пор, краситель проникает в оксидные покрытия на большую глубину и распределяется в них более равномерно, обеспечивая более однородный и насыщенный черный цвет изделий.

Наполнение отработанным минеральным моторным маслом обеспечивает заполнение пор оксидного покрытия с оставшимися в них частицами красителя. Благодаря содержанию мирокрочастиц окалины отработанное моторное масло не снижает насыщенности черного цвета изделий. Выдержка изделий после наполнения при температуре 110-150°С в течение 5-20 минут способствует загустению моторного масла в порах покрытий, благодаря чему черный цвет изделий становится еще более насыщенным, а густой остаток масла лучше удерживается в порах оксидных покрытий. Нагрев до более высоких температур может привести к изменению цвета красителя в порах покрытий и снижению насыщенности черного цвета изделий или появлению оттенков других цветов, а нагрев до меньших температур, как минимум, приводит к существенному замедлению загустения остатка в порах оксидных покрытий. При этом, густой остаток моторного масла в порах покрытий одновременно защищает черный краситель от выгорания и вымывания, способствуя лучшему сохранению насыщенного черного цвета изделий во времени, а также предотвращает попадание в поры оксидных покрытий влаги и различных веществ из внешней среды, обеспечивая повышение коррозионной стойкости и долговечности не только оксидных покрытий, но и изделий в целом.

Важно отметить, что для наполнения оксидных покрытий лучше использовать минеральное отработанное моторное масло, поскольку оно быстрее густеет при нагреве, чем полусинтетическое и синтетическое масло. И свежее масло использовать не следует, поскольку по сравнению с отработанным оно значительно дороже стоит и не обеспечивает столь насыщенного черного цвета.

Пример. Четыре группы корпусных деталей датчиковой аппаратуры из сплава АМг3 и четыре группы таких же деталей из сплава Д16 подвергали обработке в частичном и полном соответствии предлагаемому способу. Первые группы деталей подвергали анодированию и окрашиванию. Вторые группы деталей подвергали анодированию, нагреву и окрашиванию. Третьи группы деталей подвергали анодированию, нагреву, окрашиванию и наполнению водой. Четверные группы деталей подвергали анодированию, нагреву, окрашиванию и наполнению отработанным моторным маслом.

Анодирование проводили в растворе серной кислоты 175 г/л при его средней температуре 22°С и плотности тока на поверхностях деталей 1,5 А/дм² в течение 30 минут. Нагрев деталей после анодирования проводили камере муфельной печи от 200 до 500°С в течение 30 минут со средней скоростью 12°С/мин. Окрашивание осуществляли в растворе с черным красителем для анодированного алюминия 15 г/л в течение 8 минут с переворачиванием изделий относительно горизонтальной и вертикальной осей на 90° каждые 2 минуты. Наполнение оксидных покрытий деталей водой осуществляли путем выдержки деталей в кипящей дистиллированной воде в течение 10 минут. Наполнение оксидных покрытий деталей отработанным моторным маслом осуществляли и использованием минерального масла с изначальной вязкостью 15W-40 с помощью тампона с последующей обтиркой ветошью и дальнейшей выдержкой в камере муфельной печи при температуре 115°С в течение 10 минут.

После обработки на поверхностях деталей первых групп получились матовые покрытия темно-серого цвета (88-92% черного) со едва заметным синим оттенком. На поверхностях деталей вторых групп получились матовые покрытия черного цвета без оттенков. На поверхностях деталей третьих групп получились покрытия черного цвета с небольшой матовостью без оттенков. На поверхностях деталей четвертых групп получились глянцевые покрытия глубокого насыщенного черного цвета без оттенков.

После выдержки на открытом воздухе в течение 12 месяцев покрытия на деталях первых, вторых и третьих групп стали заметно светлее и приобрели темно-серый цвет (73-82% черного), при этом синий оттенок перестал быть заметным, но покрытия на деталях из Д16 приобрели слабый коричневый оттенок, и на них проявились следы коррозии. Покрытия на деталях четвертых групп также стали немного светлее (95-99% черного), частично утратили глянец, но не приобрели коричневого оттенка, и на них не проявились следы коррозии.

Таким образом, можно утверждать, что предлагаемый способ успешно решает все поставленные задачи и обеспечивает возможность получения на изделиях из алюминиевых сплавов черных защитных покрытий, с повышенной цветовой насыщенностью и долговечностью.

Источники информации:

1. Маттссон Э. Электрохимическая коррозия. - М.: Металлургия, 1991. - 156 с.

2. Денкер И.И., Гольдберг М.М. Защита изделий из алюминия и его сплавов лакокрасочными покрытиями. - М.: Химия, 1975. - 176 с.

3. Патент SU 263360. Способ анодирования алюминия и его сплавов / Гнюбкина Н.И., Куделин Н.А., Андреева О.И. - 04.11.1970, бюл. №7.

4. Патент RU 2354759. Способ получения покрытий / Чуфистов О.Е., Демин С.Б., Чуфистов Е.А., Борисков Д.Е., Холудинцев П.А. - Бюлл. №13 от 10.05.2009.

5. Справочник по электрохимии / Под ред. A.M. Сухотина. - Л.: Химия, 1981. - 488 с.

6. Tchufistov О.Е., Tchufistov Е.А. Effect study of MAO-coatings heat treatment on their structure, phase composition, physical and mechanical properties. Journal of Physics: Conference Series. 1399 (2019) 055097.

Изобретение относится к области поверхностной обработки и может использоваться в машиностроении и смежных отраслях промышленности. Способ включает анодирование изделий из алюминиевых сплавов в растворе серной кислоты 150-250 г/л при температуре 15-25°С и плотности тока на поверхностях изделий 1-2 А/дм² в течение 20-40 минут для образования оксидных покрытий с равномерной пористостью. Затем постепенно нагревают от 200 до 500°С и далее окрашивают в растворе с черным красителем, сушат и наполняют поры покрытий отработанным минеральным моторным маслом, после чего выдерживают изделия при 110-150°С в течение 5-20 минут. Способ обеспечивает получение на изделиях из алюминиевых сплавов декоративных защитных покрытий стабильного глубокого черного цвета, сохраняющегося при эксплуатации на открытом воздухе, как минимум, в течение 12 месяцев. 1 пр.

Способ получения черных защитных декоративных покрытий на изделиях из алюминиевых сплавов, включающий анодирование в сернокислом растворе и последующее окрашивание сформированных оксидных покрытий в черный цвет в растворах с красителем, отличающийся тем, что сначала изделия подвергают анодированию в растворе серной кислоты 150-250 г/л при его температуре 15-25°С и плотности тока на поверхностях изделий 1-2 А/дм² в течение 20-40 минут, затем изделия нагревают от 200 до 500°С со скоростью 10-15°С/мин, далее окрашивают их в растворе с черным красителем, потом высушивают, наполняют покрытия отработанным минеральным моторным маслом и выдерживают при 110-150°С в течение 5-20 минут.