Под электрохимическим и химическим декорированием металлических поверхностей принято понимать определённый набор операций:
- полирование и глянцевание с целью снижения микрошероховатости и придания высокой отражательной способности и блеска;
- травление с целью придания определённой шероховатости или фактуры (сатинирование и фактурирование);
- маркирование – анодное или химическое локальное (в виде знаков, рисунков, надписей) травление с оксидированием через специальные, пропитанные электролитом токопроводящие прокладки;
- сквозное или полостное фрезерование по заданному контуру с целью создания рисунков и надписей, как правило, с использованием различных трафаретов (может проводиться под последующее инкрустирование другими металлами);
- формирование конверсионных покрытий (оксидных, солевых или смешанных), обладающих определёнными физико-механическими и колористическими свойствами;
- нанесение защитно-декоративных металлических и композиционных покрытий, обладающих определённой фактурой, отражательной способностью, цветом или оттенком;
- анодное и катодное электрофоретическое нанесение покрытий (анодофорез и катофорез).
Преимущества ЭХО и ХО по сравнению с традиционной механической обработкой известны технологам-металлообработчикам достаточно давно и не вызывают сомнений:
- возможность обработки любых металлов и сплавов, независимо от их физико-механических свойств (твёрдости, вязкости, хрупкости);
- отсутствие расходуемого дорогостоящего инструмента;
- возможность обработки деталей любой конфигурации;
- меньший расход металла и возможности простой утилизации шламов практически без потерь, что особенно важно при обработке драгоценных металлов и сплавов.
К недостаткам можно отнести повышенные энергозатраты (в случае ЭХО), необходимость использования вытяжной вентиляции для отвода летучих продуктов реакции из зоны обработки и специфические требования к технике безопасности.
ХО по сравнению с ЭХО проще в исполнении, не требует внешних источников питания. Однако при её использовании трудно регулировать скорость обработки и величину съёма металла с поверхности, необходимо строгое соблюдение режимов, подбор состава электролита для конкретного металла или сплава и частая смена дорогостоящих растворов, требующих последующей утилизации.
Использование электротехнологий в обработке сложнопрофилированных, сложнофактурированных, перекрывающих и экранирующих друг друга поверхностей, поверхностей тонкостенных и тонких деталей и изделий, а также при создании широкой гаммы конверсионных декоративных покрытий позволяет по-новому взглянуть на проектирование изделий и значительно расширяет возможности дизайнера-проектировщика.
Полирование и глянцевание. Химическое полирование (ХП) и глянцевание поверхности металлов и сплавов, а также электрохимическое полирование (ЭХП) и глянцевание при изготовлении ЮХИ и бижутерии на отечественных предприятиях используется весьма ограниченно. Примерами могут являться:
- электрохимическое снятие обогащённого слоя с золотых отливок после литья по выплавляемым моделям в растворах тиомочевины и серной кислоты со всевозможными добавками. В некоторых случаях этот процесс и оборудование итальянского производства выдают за процесс ЭХП;
- «бомбинг» для полирования поверхности ювелирных изделий из сплавов золота и серебра в смеси цианидов и пероксида водорода, ограниченно используемый из-за проблем с охраной труда;
- электрохимическое полирование поверхности меди и сплавов на её основе при изготовлении бижутерии и изделий малой пластики в растворах ортофосфорной кислоты с различными добавками;
- система шлифовки и полировки серебра PMG, разработанная ООО «Современные Ювелирные Технологии», использующая совмещённую электрохимико-абразивную обработку и ограниченно применяемая в промышленности из-за больших габаритов и низкой производительности;
- ряд других установок и процессов отечественного и зарубежного изготовления, применяемых весьма фрагментарно.
В КГТУ нами достаточно подробно изучены процессы ЭХП различных металлов и сплавов с использованием униполярных и биполярных импульсов тока: сталей 20Х13, 40Х13, 60Г, У8; меди и сплавов на её основе; серебра и сплавов 925 пробы; различных сплавов золота 585 пробы. Предложены технологические процессы полирования и соответствующее оборудование.
Особенностью процесса ЭХП является необходимость поддержания обрабатываемой металлической поверхности в определённых стабильных условиях в узком диапазоне режимов, обеспечивающих баланс между анодным растворением выступов и пассивацией металла во впадинах. В этом случае наблюдается сглаживание микронеровностей поверхности. Предпочтительно использование биполярных импульсов тока, так как это обеспечивает воспроизводство оптимальных условий полирования от импульса к импульсу и поддержание их постоянными в течение всего процесса обработки.
Интересен факт, что электрохимически обработанная в таких условиях поверхность обладает бóльшей отражательной способностью (блеском) по сравнению с обработанной механическим способом и обладающей аналогичной микрошероховатостью. Это объясняется бóльшей геометрической однородностью электрохимически сформированных микровыступов по высоте. Зёрна используемого при обработке свободного или связанного абразива полидисперсны по размерам и оказывают соответствующее различное воздействие на поверхность. В результате при общем аналогичном среднем размере и одинаковых значениях микрошероховатости разброс по высоте сформированных микровыступов значительно больше, что неизбежно уменьшает отражательную способность (блеск) отполированной поверхности. Кроме того, чем меньше затронута исходная поверхность предварительной механической обработкой, тем качественнее результат ЭХП.
Эффективность ЭХП, выражающаяся в отношении уменьшения высоты микронеровностей к массе удалённого металла, возрастает в ряду:
постоянный ток < импульсный униполярный < импульсный биполярный.
То есть при использовании биполярных импульсов тока определённых амплитудно-временных параметров эффект полирования проявляется быстрее при меньшем удалении металла. А при использовании постоянного тока зачастую невозможно добиться высоких параметров полированной поверхности, что не позволяет в ряде случаев рассматривать ЭХП на постоянном токе как финишную операцию.
Травление, фактурирование (текстурирование). На отечественных предприятиях, как правило, для фактурирования гладких поверхностей используются:
- механические устройства формирования алмазной грани;
- пескоструйные аппараты;
- ручное формирование фактур штихелями или другим механическим инструментом.
Алмазная грань имеет специфический внешний вид и характеризуется мелкими светоотражающими гранями, создающими эффект переливчатости. Пескоструйными аппаратами создаётся только мелкая матовая фактура, так называемое сатинирование. Ручное фактурирование весьма трудоёмко, особенно поверхностей больших площадей и на деталях малых толщин, и применяется, в основном, в эксклюзивных и малосерийных изделиях.
ЭХО и ХО поверхности металлов позволяют подбором составов электролитов и режимов электролиза регулировать процесс растворения в широких пределах, создавая фактуры различного профиля и внешнего вида. При этом возможно фактурирование любых сложнопрофилированных поверхностей, сочетание многих фактур на различных участках, обработка широкой гаммы материалов, независимо от их физико-механических свойств, без использования дорогостоящего оборудования.
Нами разработаны технологические процессы фактурирования поверхности широкой гаммы ювелирно-художественных металлов и сплавов как с использованием постоянного, так и импульсного тока. Причём получение крупной, средней, мелкой фактур и полированной поверхности при необходимости возможно в электролите одного состава при варьировании параметрами электролиза и амплитудно-временными параметрами импульсов тока.
Большое внимание при этом должно уделяться предыстории обрабатываемого металла, то есть необходимо контролировать ряд предварительных процессов его обработки. Результат поверхностной декоративной ХО и ЭХО во многом определяется размерами и формой зёрен, а также состоянием межзёренных границ. Выявлена непосредственная связь предварительной механической и термической обработки, проведения её в окислительной или безокислительной среде на качество полирования и величину фактуры поверхности.
Фрезерование (гравирование). Очень часто в ЮХИ используется сквозное или полостное фрезерование по заданному контуру. Это могут быть всевозможные рисунки и надписи, формируемые на гладких поверхностях, например, на поверхности лезвий ножей, оформление окладов икон, формирование полостей под последующее эмалирование или инкрустирование и многое другое. Операция производится, как правило, с использованием различных трафаретов. Выбор технологии формирования или нанесения трафарета во многом определяет не только качество и чёткость воспроизведения получаемого рисунка, но и возможность процесса в целом. Выделяющиеся в результате химических и электрохимических реакций газы и тепло разрушают трафаретную плёнку, происходит её отслаивание как на краях, так и по границам пор. Определяющим здесь становится сплошность материала трафарета, его адгезия к поверхности металла, а также устойчивость под действием температуры, электролита и образующихся химических веществ.
Подбором составов электролитов и режимов обработки можно формировать полости не только заданной формы и размера, но и с заданной шероховатостью и текстурой внутренних поверхностей. Это позволяет увеличивать сцепляемость эмалей с поверхностью, создавать эффекты гильошировки и контраста поверхностей на выступах и впадинах гравированного рисунка, улучшать эксплуатационные характеристики инкрустированного рисунка и др.
Конверсионные покрытия
Конверсионные покрытия различных цветов и оттенков очень часто используются для декорирования поверхности алюминия, титана, циркония, ниобия, никеля, серебра, меди и сплавов на их основе. Эти плёнки могут иметь окраску вследствие определённого состава и толщины, или она формируется при пропитке пор плёнки различными красящими веществами, как, например, на алюминии и ряде его сплавов. На ряде металлов (титан, цирконий, ниобий, никель и др.) конверсионные плёнки можно создавать термообработкой при фиксированных температурах. Однако в этом случае покрытия обладают ограниченной цветовой гаммой.
Исследования показывают зависимость свойств химически и электрохимически формируемых конверсионных плёнок от состава и микроструктуры сплава, режимов электролиза, состава электролита, амплитудно-времен-ных параметров импульсов тока. Их последующее цветовое восприятие существенно определяется микрошероховатостью и фактурированностью поверхности, спектром освещения. Многие покрытия недостаточно устойчивы при атмосферных условиях и требуют защиты прозрачными лаками, что также изменяет их цветовое восприятие. Поэтому при использовании таких плёнок необходим учёт целого ряда взаимозависимых факторов ещё на этапе проектирования ювелирно-художественных изделий.