CHEMISCH ZWARTEN: ZOWEL COSMETISCH ALS BESCHERMEND
Koud of warm proces? In-house of uitbesteden?
Chemisch zwarten, ook wel eens bruneren genoemd, is een oeroud oppervlaktebehandelingsproces. Vandaag zijn er niet meer zo veel bedrijven die de activiteit nog aanbieden. Is de techniek overbodig geworden of heeft ze nog steeds bestaansrecht? In dit artikel gaan we dieper in op de verschillende methodes en technieken van chemisch zwarten en bespreken we de voor- en nadelen, materialen en evoluties. Aan de hand van enkele toepassingsvoorbeelden stellen we de vraag of het nog de moeite loont om het chemisch zwarten in eigen huis uit te voeren of dat het proces beter aan een gespecialiseerd bedrijf wordt toevertrouwd.
CHEMISCH ZWARTEN
Chemisch zwarten is een oppervlaktebehandelingsproces voor ferrometalen. Het wordt toegepast om verschillende soorten stalen onderdelen een mooie en glanzende zwarte kleur te geven. Daarnaast beschermt chemisch zwarten het onderdeel gedeeltelijk tegen corrosie. In de volksmond staat het proces ook gekend als bruneren, al wordt die term enkel gebruikt bij het warme chemisch zwarten volgens de normen EN ISO 11408 en DIN 50938.
Meerdere technieken
Er bestaan verschillende technieken in het proces van chemisch zwarten. Je hebt zowel een warm als een koud proces. Die eerste wordt nog veelvuldig uitgevoerd en gebeurt in een zoutbad van zo’n 140-145 °C. Het koud proces is minder courant en wordt uitgevoerd op kamertemperatuur. De twee processen worden beiden gecatalogeerd als chemisch zwarten, maar zijn wel heel verschillend qua procesvoering en laagconfiguratie.
HET PROCES
Warm chemisch zwarten
Om een onderdeel chemisch te zwarten, moeten er verschillende stappen worden gevolgd. Te beginnen met het ontvetten van de onderdelen. Dit gebeurt door het onderdeel onder te dompelen in een alkalische water-zeepoplossing op een temperatuur van 80 °C. Daarna dient het verscheidene keren te worden nagespoeld in een waterbad. Een veelvoorkomende tussenstap is het het beitsen van het onderdeel. Vervolgens wordt het onderdeel ondergedompeld in een kokende oxiderende alkalische oplossing, van ongeveer 140-145 °C.
De alkalische oplossing is een mengeling van zouten, meestal natriumhydroxide, natriumnitraat, nitraat en oppervlakte-actieve stoffen en stabilisatoren. Dat zoutbad veroorzaakt een reactie dat ervoor zorgt dat het metaal van het onderdeel verandert in ijzeroxide (Fe₃O₄). Daardoor krijgt het onderdeel een mooie zwarte kleur. Na het zoutbad wordt het gezwarte onderdeel nog eens goed gespoeld met proper water of heet gedemineraliseerd water. Ten slotte wordt er (meestal) nog een waterafstotende en corrosiewerende olie op het werkstuk gesmeerd, zodat de levensduur van het onderdeel verlengt.
Koud chemisch zwarten
Koud chemisch zwarten is over het algemeen een verbinding op basis van seleendioxide (SeO2). Dat proces zorgt ervoor dat staal verkleurt naar zwart of – wat vaker het geval is – donkergrijs. Koud zwarten wordt toegepast op kamertemperatuur. Er wordt geen oxidelaag gevormd, maar wel een afgezette koperen seleenverbinding. De coating die ontstaat bij het koude proces produceert een gelijkaardige kleur als die van de oxideconversie bij het warme chemisch zwarten, maar heeft de neiging om snel en gemakkelijk af te wrijven. Bovendien biedt het minder slijtvastheid. Het aanbrengen van olie, was of lak kan ervoor zorgen dat de corrosiebestendigheid verbetert. Koud chemisch zwarten is voornamelijk geschikt voor kleine en snelle reparaties van onderdelen.
Het chemisch zwarten kan toegepast worden op alle soorten staal en ijzer en sinds kort ook op roestvast staal.
MATERIALEN
Het chemisch zwarten kan toegepast worden op alle soorten staal en ijzer en sinds kort ook op roestvast staal. De resultaten zijn optimaal bij zuivere oppervlakken, vrij van een wals- of oxidehuid. Het proces werkt niet op non-ferro materialen zoals aluminium, brons, polymeren of geschilderde en behandelde onderdelen. Ook gietijzer kan worden gezwart, al is de kleur dan wel eerder bruin of een mengeling van bruin en zwart. Die kleur maakt de andere naam van chemisch zwarten, bruneren, dan ook helemaal waar.
TOEPASSINGEN
Chemisch zwarten wordt nog steeds veelvuldig gebruikt in de machinebouw. Er zijn ontelbaar veel voorwerpen die kunnen worden gezwart. Zo heb je componenten van diverse machines zoals weefgetouwen en verpakkingsmachines, bevestigingsmaterialen, allerlei soorten gereedschappen, lassamenstellingen, enz. Soms worden ook interieur- en designonderdelen gezwart omwille van de esthetiek en zelfs wapens zoals geweren en pistolen worden vaak chemisch gezwart. De bovenstaande toepassingen zijn voorbeelden van het warme proces van chemisch zwarten. Een veelgebruikte toepassing voor het koude proces is de architecturale afwerking van staal.
VOORDELEN
Het zwarten van onderdelen kent heel wat voordelen. Het geeft onderdelen niet alleen een mooi, glanzend zwart uitzicht, het is ook volledig maatvast, omdat er geen laagopbouw is. Het warme proces betekent met andere woorden geen veranderingen in de structuur van het onderdeel. De gevormde oxidelaag is namelijk een conversielaag, in tegenstelling tot het koud zwarten. Dat maakt het eenvoudiger naar ontwerp en samenstellingen toe. Bovendien kan het proces goedkoop en snel uitgevoerd worden, wat het dus een betere keuze maakt dan vergelijkbare corrosiebeschermingssystemen zoals een verflaag of galvanisatie.
Chemisch zwarten is bovendien flexibel: het kan worden uitgevoerd op werkstukken van zowat alle afmetingen, klein of groot. Op dat vlak heeft het met andere woorden weinig beperkingen. Een ander voordeel van het chemisch zwarten is dat het in grote batches kan gedaan worden, wat het ook ideaal maakt voor kleine onderdelen. Een gebruneerd onderdeel heeft ten slotte ook een zekere corrosiebestendigheid, hetzij beperkt.
NADELEN
Chemisch zwarten is dan wel een goedkoop en snel proces, het omvat ook enkele nadelen. Zo heeft het een beperkte corrosiebestendigheid, waardoor het dus minimale bescherming aanbiedt. Bij koud zwarten is de beschermingslaag zelfs nog zwakker dan bij het warme proces. Zo is de laag bijzonder gevoelig aan frictie. Het is tevens niet gemakkelijk om het koude proces gelijkmatig aan te brengen op een onderdelen. Bovendien vergt het koude proces veel energie wat betreft opvolging. Om een constante kwaliteit te garanderen, dienen alle procesparameters strikt te worden opgevolgd en binnen de vastgelegde waarden te worden gehouden. De minste afwijking in bepaalde concentraties zou er toe leiden dat niet het gewenste resultaat wordt bereikt.
Door de hoge temperaturen die moeten worden gehaald in het warme proces moet er ook voorzichtig te werk worden gegaan. Datzelfde geldt voor het werken met de zouten in het zoutbad. Er is namelijk altijd risico op brandwonden. Voorzichtigheid is dus de moeder van de porseleinkast.
ZELF DOEN OF UITBESTEDEN?
Chemisch zwarten is dan wel een snel en goedkoop proces, toch wordt het niet door veel bedrijven uitgevoerd. Blijkt dat het leeuwendeel van de bedrijven het proces liever aan een gespecialiseerde firma overlaat, eerder dan in eigen huis chemisch te zwarten. De strenge milieuwetgeving maakt het namelijk niet eenvoudig om chemisch zwarten conform de normen uit te voeren. Omdat de prijs relatief laag ligt, de doorlooptijden kort zijn en er specialistische chemie komt bij kijken, is het vaak beter om het proces uit te besteden bij specialisten.
EVOLUTIES
Hoewel chemisch zwarten een oeroud proces is, zijn er de laatste jaren enkele evoluties geweest die hun impact hebben gehad op de wereld van het chemisch zwarten. Een van die toepassingen is het koude proces, dat al uitvoerig is besproken. Een andere evolutie is de toepassing van het proces op roestvast staal, wat vroeger niet mogelijk was. Voor het bruneren van roestvast staal wordt er een mengeling van bijtende, oxiderende en zwavelhoudende zouten gebruikt. Het resultaat is, net als bij andere ferromaterialen, een mooie zwarte laag.
CONCLUSIE
Chemisch zwarten laat heel wat voordelen voor zich spreken, zoals snelheid en een relatief goedkope prijs. Door het specialistische karakter van het bruneren en de lage kostprijs wordt er echter wel aangewezen op het uitbesteden van het proces aan specialisten dan het proces zelf uit te voeren.
Met dank aan Ventec en CZL Tilburg
