ZAREGISTROVAT   |  PŘIHLÁSIT   |
PROHLEDAT
Article Details
Anodizování titanu
17.6.2007, Milan
Titan je moderní materiál hodný obdivu. Tento ušlechtilý kov je absolutně nerezový, antimagnetický a antialergenní. Má podobnou pevnost jako ocel, je ale o polovinu lehčí.

Titan je drahý materiál pro nože – především, když zazáří v pestrých barvách. A jak vlastně barva vznikne? Řekneme Vám, jak to jde.

Titan je moderní materiál hodný obdivu. Tento ušlechtilý kov je absolutně nerezový, antimagnetický a antialergenní. Má podobnou pevnost jako ocel, je ale o polovinu lehčí. Žádný div, že se používá stále více jako materiál pro nože, především pro zavírací. Přitom se obyčejně z titanu nezhotovují čepele, ale platina a lícnice.

Ačkoliv byl titan v oxidové formě objeven už v roce 1791 anglickým badatelem Williamem Gregorem, trvalo až do roku 1910, než byl titan poprvé vyroben jako kov. Název „titanium“ naznačuje Titány z řeckého světa pověstí (druh nadbohů) a byl vytvořen němcem Heinrichem Klaprothem. Titan byl prvně průmyslově vyroben ve dvacátých letech, ale byl sotva používán, až do doby boomu astronautiky v šedesátých letech, kdy se inicializovala větší poptávka. Dneska se titan používá v mnoha uplatněních. Je to například preferovaný materiál pro protézy.

U nožů byl titan poprvé použit v osmdesátých letech americkými tvůrci nožů Bobem Terzuolou a Michaelem Walkerem. Především s velkým rozšířením aretace zámkových vložek nastoupil titan své triumfální tažení, protože právě pro ně je ideálním materiálem (pohyblivá platina).

Přitom ovšem nebyl titan vyráběn v čisté podobě, ale jako slitina. Obyčejně se používá titan 6A14V nebo titan 6A16V, dvě slitiny, které obsahují hliník (okolo šesti procent) a vanad ( čtyři nebo šest procent). Tyto slitiny mají potřebnou pružnost. Čistý titan oproti tomu poskytuje jen minimální pružné vlastnosti. Čistý titan nabízí oproti tomu jen minimální pružné vlastnosti.

Titan má jen jednu chybu: nevypadá vůbec dobře. Matný povrch titanu působí apaticky a šedě a leštění je velmi namáhavé. K tomu reaguje leštěný titan opravdu citlivě na dotyk prstů. Přesto se nabízí možnost nechat titan zazářit v pestrých barvách, která byla poprvé použita v Anglii na konci sedmdesátých let a dnes je velmi rozšířena:anodická oxidace.

Fyzikální základy

Matoucí na procesu anodické oxidace je, že se při něm nepoužívá žádná barva. Netvoří se žádná vrstva laku nebo barevného pigmentu. Místo toho se využije fyzikální úkaz: optická interference. Ta vzniká, když je světlo mnohonásobně odráženo.

Tento úkaz známe ze všedních dnů: olejová skvrna v louži vody se leskne v barvách duhy. A proč se tak děje? K tomu jen malý výlet do fyziky: světlo považujeme většinou za elektromagnetické vlnění.Takovéto vlny mají svoji amplitudu (výška vlny) a svoji frekvenci (délka vlny, což je rozpětí mezi vlnami). Světlo viditelné člověkem leží v okruhu vlnových délek mezi 380 nm (fialová) a 760 nm (červená). Bílé světlo sestává ze směsi mnoha vlnových délek v tomto okruhu.

Když je světlo na povrchu předmětu dvakrát odraženo, může dojít k posunu fází. Dvojité odražení známe například z každého zrcadla. Hledí-li člověk šikmo ze strany na plochu zrcadla, vidí „dvojitý“ obraz. Ten vzniká, protože příchozí světlo je odraženo jednou na skleněném povrchu a podruhé na po ním ležícím kovovém povrchu. Přitom musí odražené světlo urazit různě dlouhou cestu. To je rozhodující.

Interference pak vždycky vzniká, když se světelné vlny stejné frekvence překrývají a přitom vzájemně ovlivňují. Tak se mohou světelné vlny navzájem zesílit nebo vymazat, podle měřítka posunutí fáze. Posunutí celé vlnové délky vede k zesílení amlitudy (dvě vlny se překrývají), posunutí o polovinu vlnové délky vede k vymazání (překrývá se nejvyšší a nejnižší bod). Výsledek interference je „obarvení“ světla. Pro oči člověka tím dostane předmět, který odráží světlo, určitou barvu. U naší olejové skvrny vzniká celé spektrum barev.

Jestli při dvojitém odrazu dojde k interferenci, záleží na tom, jak velký je rozstup mezi oběma reflexními plochami. Musí být velmi malý, obyčejně ne větší než dvě vlnové délky. Efekt optické interference vystoupí jen na velmi tenké, transparentní vrstvě.

A přesně taková vrstva se nachází na každém titanovém povrchu. Titan totiž reaguje se vzdušným kyslíkem a tvoří tenoučkou, průsvitnou oxidovou vrstvu. Tato vrstva přilne jako ochranný film na povrch, chrání titan před další oxidací a dělá jej tak antikorozním. Příchozí světlo je nejprve odráženo touto vrstvou oxidu a pak ještě jednou povrchem kovu. Normálně je ovšem vrstva tak tenká, že nevystupuje žádný interferenční efekt. Aby se ho docílilo, musí se tomu trochu pomoci.

Teorie anodické oxidace

Aby se dosáhlo optické interference a tím barevného účinku, musí být oxidová vrstva na titanu silnější. Jsou dvě možnosti: příslušný zpracovávaný kus se může zahřát nebo vystavit elektrickému napětí. Při zahřátí získají atomy titanu vyšší energii a mohou tak lépe proniknout „izolací“ tenké oxidové vrstvy. Výsledkem je o něco tlustější oxidová vrstva, ale tento děj se dá jen těžko kontrolovat. Mnohem vhodnější je použití elektrického napětí, tak se ujal děj anodické oxidace.

Anodická oxidace a eloxování je to samé. V běžné řeči se v souvislosti s titanem  prosadil anglický zažitý pojem anodická oxidace, zatímco u hliníku se obyčejně mluví o eloxování. V obou případech se jedná o stejnou anodickou oxidaci. Princip tohoto děje je jednoduchý: když proudí elektřina vodivou vodnatou kapalinou (elektrolytem), tvoří se na pozitivní elektrodě (takzvaná anoda) kyslík a na negativní elektrodě (katoda) vodík. Vytvořený kyslík je velmi reaktivní a reaguje proto okamžitě s každou vhodnou kovovou anodou do oxidu kovu. Takto vzniklý oxidový film je pevně spojený s povrchem titanové anody. Protože tento film nevede proud, končí tok elektřiny automaticky hned, jak je dosaženo určité tloušťky vrstvy. Přitom platí: čím vyšší je vytvořené napětí, tím je tlustější vrstva. Aplikovatelný okruh napětí leží teoreticky mezi 3 a 180 V, přičemž se obyčejně používá jen napětí do 30 V.

Tloušťka oxidové vrstvy rozhoduje o barvě, kterou optickou interferencí získá zpracovávaný kus. Přehled barevného spektra v závislosti na vytvořeném napětí je v tabulce na další straně. Tento přehled je ovšem jenom vodítko, neboť skutečná barva je závislá také na použité titanové slitině, na charakteru povrchu (hrubý nebo hladký), na elektrolytu a na konstrukci technického zařízení.

Příprava dílny

Jeden z prvních německých výrobců nožů, kteří anodicky oxidovali titan, byl Christian Wimpff. Těžili jsme z dlouholetých zkušeností nejznámějšího výrobce nožů a nechali jsme si od něho dát praktické tipy k anodické oxidaci.

Aby se mohly zpracovávané kousky titanu anodicky oxidovat, je potřeba především vhodná nádoba. Měla by být ze skla nebo z plexiskla. Pokud se pracuje jen s napětím do 30 V, může být použita i vanička z ušlechtilé oceli (například nerezová salátová miska). Pak slouží samotná vanička jako katoda. U nádoby ze skla je potřeba pravá katoda, která je zhotovena z titanu. Měla být mít přinejmenším stejnou velikost povrchu, jak opracovávaný kus, který má být anodicky oxidován.

Jako elektrolyt se hodí řada kapalin, například roztoky síry a  fosforu nebo jiné alkalické roztoky. Obzvlášť se osvědčilo smíchání vody s desetiprocentním síranem amonným, fosforečnanem sodným nebo uhličitanem sodným. Také pětiprocentní kyselina sírová funguje dobře. To není žádný vtip: také vychlazená Coca-Cola se výborně hodí. Christian Wimpff používá nejraději síran amonný (10%) v destilované vodě s kapkou promývacího prostředku. Promývací prostředek odstraňuje povrchové napětí elektrolytu a pomáhá vyvarovat se nepěkným barevným okrajům. Až na Colu jsou všechny jmenované elektrolyty dobře udržitelné. Elektrolyt by měl být obnoven, když se přebarvuje nebo když reakce probíhá příliš pomalu.

Dále je potřeba zdroj napětí. K tomu slouží regulovaný usměrňovač, který vyrábí jednosměrný proud. Protože napětí pod 30 V jsou v zásadě bezpečná, doporučuje se pracovat jen v okruhu do 30 V a pořídit si usměrňovač, který nevyrábí napětí vyšší. Toto zařízení se nachází skoro v každém zlatotepectví, kde se používá ke zlacení, stříbření a rhodiování. Důležité je, aby proud uvnitř napěťového okruhu měl nejméně dva ampéry.

Pokud se používají vyšší napětí, musí být elektrické zařízení odborně izolováno a mělo by být také bezpodmínečně od odborníka přezkoušeno. Pro jistotu se doporučuje nosit při práci gumové rukavice. V každém případě se smí anodicky oxidovat jen v dobře odvětrávané místnosti , neboť během procesu vznikají nebezpečné výbušné plyny. Také kouření by se měl člověk vzdát, pokud nechce celou dílnu vyhodit do povětří.

Anodická oxidace v praxi

Titanový kousek musí být před anodickou oxidací pořádně očištěn a odmaštěn. K tomu se hodí prakticky všechny odmašťovací prostředky jako chloretylen, metanol nebo aceton. Nakonec se pracovní kousky opláchnou v destilované vodě (a už se jich více nedotýkáme prsty). Titanový kousek se upevní na vodič nebo na sponu (zhotovenou rovněž z titanu) a ponoří se zcela do elektrolytu. Takový kousek už nesmí být spojen s dalším kovem. Musí se dávat pozor, aby rozestup mezi anodou (opracovávaný kus) a katodou byl co největší, aby se vytvořila rovnoměrná oxidová vrstva.

Teprve nyní se zapne zdroj a napětí se pomalu zvyšuje maximálně do 10 V. V zásadě by se mělo po každém zvýšení napětí počkat, až neteče žádný proud, než se napětí zvýší na další úroveň. Dá se to poznat buď podle ampérmetru (pokud byl zapojen do okruhu), nebo jednoduše podle toho, že se na anodě netvoří žádné plynové bublinky.

Konkávní nebo konvexní předměty by se měly v elektrolytu lehce pohybovat, aby se mohla vytvořit rovnoměrná vrstva. Pokud je kousek silně klenutý, měla by být katoda zformována stejně, aby vzdálenost mezi povrchy zůstala konstantní. U dutého nebo trubkovitě formovaného kousku se umístí prutovitá katoda správným způsobem dovnitř předmětu.

Aby se na zpracovávaném kuse dosáhlo různých barev, zpracují se nejdříve plochy, které vyžadují nejvyšší pracovní napětí. Zbylé části se ochrání nejlépe nátěrem. Když potom člověk v dalších krocích pracuje s nižším napětím, zůstanou dříve opracované plochy neporušené.

I barevné průniky jsou možné. K tomu se používá malý trik: elektrolytický kondenzátor s nejvyšším napětím, který je důležitý k požadovanému barevnému průniku. Zdroj napětí se potom vypne a kousek se pomalu ponoří do elektrolytu. Protože teď teče jenom proud, napětí rovnoměrně klesá, a tvořící se oxidová vrstva se slábne, čím více se kousek ponořuje. Barva se pak mění stejnoměrně. Kapacita kondenzátoru se upraví podle plochy, která má být oxidována.

Tímto způsobem se dá vytvořit na titanovém kousku pestrý kaleidoskop barev – skoro jako duha. Bohužel – tyto barvy nejsou chráněny před prchavostí. Oxidová vrstva na titanu je docela tvrdá, ale ne nezničitelná: šrámy a mechanické opotřebení doléhají na vrstvu trvale. Když se ztenčí, mění se i barva. Při pokračující zátěži se někdy úplně ztratí – jako optická iluze.

Děkujeme Christianu Wimpffovi (Stuttgart) a “Mistru Titanovi“ Danu Klarmannovi (http://mrtitanium.com) za informace, které poskytli k tomuto článku. Dále děkujeme Sigi Rinkesovi z Markt Erlbachu (u Norimberka), který pro nás různé kousky titanu anodicky oxidoval, takže jsme mohli jednotlivé pracovní kroky zachytit fotoaparátem.

MALÉ BAREVNÉ POUČENÍ

Barvy titanu v závislosti na velikosti elektrického napětí a tloušťce oxidové vrstvy

Napětí ve voltech

Tloušťka vrstvy v 10-10 m

Barva

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

28

30

32

75

80

85

nad 100

15

25

105

132

160

180

207

242

254

260

272

349

364

469

610

715

Stříbrná

Stříbrná

Sotva patrná zlatá

Velmi světle zlatá

Světle zlatá

Střední zlatá

Sytě zlatá

Tmavě zlatá

Tmavě zlatá s purpurovým nádechem

Tmavě zlatá / purpurová

Purpurová se zlatým nádechem

Modrá / purpurová

Tmavě modrá

Středně modrá

Světle modrá

Bledě modrá

Oranžová

Purpurová, také možná zelená

Intenzivní lila

šedohnědá

Zdroj: Pietro Pedeferri: „Disegni si Titanio“ s doplněním od Christiana Wimpffa

10-10 m = desetimiliontina milimetru


  
Podmínky používání | Prohlášení o soukromí | Copyright 2006 by Milan Pokorný | Vaše připomínky pište na info@knife.cz Powered by Progris