Кольори мінливості

• Що таке кольори мінливості?
• Як виникають кольори мінливості?
• Метод вимірювання температур за кольорами мінливості
  • Шкала кольорів мінливості сталі
  • Шкала кольоров мінливості титану
• Як штучно створити кольори мінливості металу?
  • Термичний спосіб
  • Хімічний спосіб
• Де і як застосовують інфільтраційні відтінки

Для людей, чия сфера діяльності далека від металообробки, словосполучення «кольори мінливості» не тільки нічого не говорить, але й містить навіть якусь загадку. Дійсно, що ж інтригуючого та незвичного приховує дане поняття?

Насправді все набагато прозаїчніше і  досить буденно, а сліди мінливості бачила практично кожна доросла людина. Давайте ж розберемося в цьому питанні.

Що таке кольори мінливості?

Це кольори веселкового спектру, що утворюються на гладкій або полірованій поверхні матеріалів. Найбільш виразно проявляється мінливість металів і сплавів з сірим кольором, хоча вона також досить часто утворюється на поверхні міді, бронзи та латуні, а також на кристалах мінералів, наприклад, халькопіриту, борніту, вісмуту. А дану термінологію найчастіше використовують люди, чия професія так чи інакше пов'язана з різними видами обробки сталей та інших металів і сплавів:

• зварюванням й наплавленням;
• термічною обробкою;
• токарною й фрезерною обробкою.

Кольори мінливості дозволяють їм ще до інструментального контролю орієнтовно визначити температуру впливу на метал, адже особливість цього фізичного явища – часткова незворотність. Тобто, якщо кольори мінливості вже проявилися на металі, то або їх взагалі не можна видалити, або видалення потребує застосування механічної, хімічної або термічної обробки. Так чи інакше, в більшості випадків вдається їх позбутися, однак досвідчений фахівець, як правило, безпомилково визначає сліди такої додаткової обробки. Проте поява райдужного забарвлення на металовиробах не завжди є ознакою дефекту, таку особливість металів використовують в ювелірній справі, при виготовленні вогнепальної й холодної зброї та в інших областях.

Кольори мінливості

Як виникають кольори мінливості?

Райдужний перелив або окремі кольори мінливості виникають через перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення декількох світлових хвиль. Подібна інтерференція світла виникає в мікроскопічних прозорих плівках оксиди, що утворюються на відображальних поверхнях, а оксидування металів відбувається в результаті впливу певних хімічних реагентів або теплової енергії. Чим менша температура нагріву, тим тонша оксидна плівка, відповідно більше спектральних складових у відбивальних променях і світліше колір мінливості. І навпаки, чим сильніше нагрівається метал, тим товща оксидна плівка і темніший її відтінок через поглинання довгих світлових хвиль.

Наявність райдужного переливу не завжди, але досить часто є дефектом або свідчить про порушення технології металообробки. Наприклад, при токарній обробці вихід темно-синьої стружки говорить про те, що явно був перевищений швидкісний режим різання або не застосовувалася мастильно-охолоджуюча рідина (МОР). А ось кольори мінливості при загартуванні металовиробів вважаються нормою. Більш того, саме по відтінках можна, нехай і приблизно, судити щодо інтенсивності теплового впливу.

При відсутності інструментального контролю такі дефекти структури, як окрихчування та перегрів, що виникають при електродуговому та контактному зварюванні, багато фахівців також визначають при зовнішньому огляді виробу, вивчаючи сліди мінливості. Так, показником правильної технології та хорошим захистом металу зварного шва нержавіючої сталі вважаються сріблясті відтінки. Райдужні відтінки синьо-фіолетового спектра говорять про порушення технології, а виникають вони через інтенсивне поширення теплоти від центральної частини плями нагріву і говорять про зниження пластичності та ударної в'язкості сталі.

Метал, що прилягає до електрично активної плями, нагрівається переважно внаслідок променистого теплообміну зі стовпом дуги та конвекційного теплообміну з гарячими газами. Розподіл питомого теплового потоку по радіусу плями нагрівання можна приблизно описати законом розподілу ймовірності Гауса:

• де q2max – найбільший питомий тепловий потік в центрі плями нагрівання;
• k – коефіцієнт зосередженості питомого потоку дуги, см^-2;
• r – відстань від осі джерела, см.

З підвищенням струму при постійній напрузі дуги q_2max збільшується, а при підвищенні напруги (подовження дуги) та постійному струмі питомий тепловий потік зменшується, а його розподіл стає менш зосередженим. Використання флюсів та газозахисних сумішей дозволяє зосередити тепловий потік в меншій області й тим самим уникнути появи сіньоламкості – зниження пластичності сталі з одночасним підвищенням міцності та проявом синіх відтінків мінливості.

Розподіл питомого теплового потоку q₂ (кал/см²*с) по плямі нагріву сталі: відкритою дугою – графік чорного кольору, під флюсом – графік червоного кольору.

Таким чином, чим менше зона термічного впливу дуги, тим менше структурних змін в металі та надійніше зварене з'єднання. Але знову-таки дане твердження має узагальнений характер, бо при зварюванні та наплавленні металовиробів з різних сталей необхідно враховувати хімічні та фізико-механічні властивості конкретної марки, товщину стінки та просторове положення шва. 

Метод вимірювання температур за кольорами мінливості

У різних металів і сплавів кольори мінливості при нагріванні проявляються райдужними відтінками різного ступеня насиченості й з'являються при різному температурному впливі. Виходячи з того, що надмірний нагрів може критично вплинути на фізико-механічні властивості, то подібні знання допоможуть будувати висновки про характер термічної обробки або про якість виконаних зварювальних робіт.

Залишається тільки визначити переливний колір металу і робити це краще в умовах природної інсоляції, бо деякі електричні джерела світла мають схильність до часткового викривлення передачі кольору. Ну, а оскільки вивчити відразу дану інформацію проблематично, а стандартні шаблони з палітрою інтерференційних відтінків не завжди можна придбати в продажу, ми скомпілювали в один масив всі кольори мінливості й таблиця спростить ідентифікацію температури нагріву і гарту.

Шкала кольорів мінливості сталі

Кольори мінливості сталі вуглецевої

Дані, наведені в таблиці, актуальні тільки для вуглецевих марок сталі. На високолегованих, в тому числі корозійностійких й жароміцних сталях кольори мінливості можуть проявлятися під впливом більш високих температур.

Кольори мінливості нержавіючої сталі AISI 304

Ділянки з солом'яним і синім відтінком на виробах і конструкціях з нержавіючих сталей зачищають металевою щіткою або із застосуванням спеціальних хімічних паст і аерозолів. А наплавлений метал темного і попелясто-сірого відтінку зрізають абразивним кругом до повного видалення окисненого шару з наступною обробкою поверхні шляхом шрабління й обробкою плавиковою кислотою, полірувальними пастами або гелями.

Шкала кольорів мінливості титану

Цей метал сріблясто-білого кольору відмінно обробляється тиском в гарячому стані й добре зварюється. А на його поверхні також часто виявляються відтінки мінливості. Але, на відміну від сталей, у титану проявляється висока хімічна активність щодо газів, які містяться в повітрі, й підвищена схильність до зростання зерна при температурах вище 800°С. Тому поява райдужного переливу на титанових виробах вкрай небажана, і всі кольори, що виникають при зварюванні, крім сріблястого і солом'яного, говорять про порушення технології та про неефективний захист металу зварної ванни.

Кольори мінливості на титані

Кольори мінливості можна викликати на загартованих і незагартованих сталях, ковкому залозі та чавуні, титані й вольфрамі, при цьому хімічний склад металу та наявність в ньому домішок можуть істотно вплинути на відтінки, що проявляються. Тому суворого збігу по всіх таблицях шукати не варто, бо якісна оцінка кольору – справа суб'єктивна. До того ж на забарвлення також може впливати тривалість теплового впливу.

Як штучно створити кольори мінливості металу?

Отже, отримати різні відтінки мінливості на сталі, титані, міді та бронзі можна термічним і хімічним способом. Перший впливає на структуру і фізико-механічні властивості оброблюваного металу, другий по суті є хімічним фарбуванням, в процесі якого може брати участь і речовина фарбувального виробу.

Термічний спосіб

Для отримання потрібного відтінку вироби поміщають в муфельну піч або нагрівають газовим пальником. В результаті інтенсивного теплового впливу на металевій поверхні досить швидко почнуть змінюватися кольори й і тут головне – припинити нагрівання в той момент, коли на виробі буде отримано необхідний колір.

Хімічний спосіб

Використовуючи різні хімічні речовини і сполуки, можна домогтися утворення плівок, що викликають появу інтерференційних кольорів і при цьому отримати дуже яскраві і різноманітні відтінки не тільки на титані і сталях, а й на сріблі, нікелі, міді, а також бронзі та латуні. Інша справа, що перші кольори на мідних і бронзових поверхнях злегка змінені через колір самого металу й дещо відрізняються від кольорів на титанових та залізовмісних сплавах.

Кольори мінливості на кольорових металах

* Для отримання кольорів вищого порядку необхідні слабоокиснювальні умови.

Якщо в побуті необхідно отримати на металевій поверхні різні кольори мінливості і як зробити їх ви не знаєте, то краще звернутися до досвідченого фахівця або в профільну майстерню. Виконуючи таку роботу, не маючи досвіду, можна критично змінити не тільки декоративні властивості виробів, але і фізико-механічні властивості металу, а також отримати термічні або хімічні опіки.

Де і як застосовують інфільтраційні відтінки

Практика приблизного визначення температури нагріву металу за кольорами мінливості має дуже глибоке коріння. І навіть після винаходу термопар і пірометрів до такого способу оцінки теплового впливу на металовироби широко вдаються і сьогодні. Наприклад, для сталевих загартованих ресор, пружин, свердел, ножів і медичного інструменту інтерференційне забарвлення часто поєднують з відпуском.

Красиві райдужні переливи й градієнти різноманітних відтінків виглядають дуже ефектно. З огляду на високу декоративність мінливості, її часто створюють штучно. Наприклад, при виготовленні:

• карбованих виробів;
• стінних металевих панно;
• малих архітектурних форм та арт-об'єктів.

Після введення моди на металеву біжутерію хімічним способом отримують різні кольори мінливості на кільцях, браслетах, сережках та кулонах. Великий перелік хімічних реагентів дозволяє створювати неймовірно красиві та ефектні прикраси в самих різних стилях та варіаціях. Така технологія використовується при виробництві столових приладів і посуду з нержавіючих сталей і з яскравими інтерференційними відтінками, а для поліпшення естетики й експлуатаційних властивостей холодної та вогнепальної зброї найчастіше застосовують термохімічну обробку сталі і кольорових сплавів.

Чоловіча каблучка з нержавіючої сталі

Можливо, найближчим часом хіміки в тандемі з металургами та інженерами розроблять нові технології надання металовиробам різних інтерференційних відтінків і більш ефективні способи усунення слідів мінливості в області зварного шва. Ну а поки компанія «Метінвест-СМЦ» пропонує купити сертифікований металопрокат, якість якого дозволить максимально ефективно втілити в життя будь-які проекти, в тому числі і з виробництва міцних і надійних зварних металоконструкцій або різних арт-об'єктів зі слідами мінливості.