История травления: искусство художественной гравировки и обработка ржавых деталей

Травление металла — технология, немного напоминающая удаление у человека татуировки. Сфера применения огромна — от обработки металлоизделий до создания предметов искусства. Эрудированный человек вспомнит, что Рембрандт, Блейк и Дюрер создавали офорты, используя травление металлических пластин. Сюжет рисунка автор и зритель могут воспринимать по-разному, а вот с технической точки зрения художественное травление является таким же строгим алгоритмом, как и работа с ржавой металлической пластиной.

Расцвет технологии пришёлся на XVI и XVII столетия. Безусловно, в те годы речь шла только о химической обработке. Электролитические методы, а тем более ионно-плазменное травление, появились значительно позже. До наших дней сохранились не только изящные гравюры на металле, но и бытовые предметы той эпохи. Средневековые ремесленники украшали различные изделия:

• наносили гравировку на оружие — арбалеты, кинжалы;
• превращали рыцарские латы в произведение искусства;
• выполняли индивидуальный дизайн замков и ключей.

В начале XVIII века на Кавказе вышла на новый уровень гравировка ружейных стволов. Её выполняли художники-оружейники, а для сборки украшенные детали отправляли к другим мастерам. Такое разделение позволило добиться высокого уровня на каждом этапе работы с настоящей дамасской сталью. Впрочем, как и в большинстве изобретений, европейцы лишь усовершенствовали старые методы: ещё до нашей эры технологии травления применялись в различных уголках мира, хотя обработке подвергались чаще всего не металлы, а органические предметы, например, раковины. Но принцип был тот же — использовался материал, противостоящий травлению (смола или битум), а травильными веществами служил растительный едкий сок.

В то время как художники изготавливали восхитительные гравировки, практичные мастера выполняли заказы самого различного характера. В музеях Европы выставлены изделия с гравировкой, чернением и золочением:

• шлемы рыцарей;
• изящные шкатулки;
• подсвечники.

Но гравировка наносилась и на такие утилитарные предметы, как рабочие инструменты ремесленников. Один из них получил известность не только на своей Родине в Германии, но и во всём мире из-за довольно фривольного стихотворения, которое гравировщик выполнил на орудии труда бондаря. Лезвие тесака украшено незамысловатым узором, поэтическим шедевром сомнительного достоинства и шуткой о величии мастеров, изготавливающих бочки.

Задачи и технологии

Процесс погружения в ванночку с кислотой, солью или щёлочью может занимать от одной минуты до двух часов. Используется и многоступенчатая поэтапная обработка.

Цели травления (промышленного или домашнего) могут быть самые различные: 

• устранить ржавчину или окалину;
• уточнить параметры поверхности;
• выявить межкристаллическую коррозию;
• нанести дорожки на микросхемы и платы;
• усилить адгезию — на очищенную поверхность прочно наносится любое покрытие, включая гальваническое;
• выполнить химическую полировку поверхности;
• создать изображение — рельефный рисунок или надпись;
• подготовить стальные изделия к процессу горячего цинкования;
• удалить оксидную плёнку или оксиды, возникшие в результате термической обработки металла;
• уменьшить толщину пластины;
• избавиться от верхнего покрытия (тонкого слоя другого вещества на поверхности металла). 

На практике эта процедура чаще всего требуется при подготовке металлических деталей к обработке антикоррозийными веществами или покрытию лакокрасочными средствами.

Важно: при работе с нержавеющей сталью потребуются два технологических процесса одновременно — травление и пассивация. Травление устранит частицы ржавчины и окалины, а пассивация заключается в создании оксидной плёнки, которая предотвратит возвращение этих проблем при последующей эксплуатации.

Методы травления

При всём разнообразии технологий методы травления разделены на три категории:

1. Химический — при воздействии кислоты (H₂SO₄, HNOз, HCl) и щёлочи. Именно этот способ применяется для удаления окалины или ржавчины.
2. Электролитический — в этом случае пластина (на которой мы хотим создать рисунок) погружается в электролит.
3. Ионно-плазменный — поверхность металла подвергается воздействию инертных газов, исключая их химическое взаимодействие с обрабатываемым металлом. Используется и другое название этого метода — сухое травление. Такой способ позволяет выполнять насечки и пазы с точностью порядка 10 нм. Безусловно, этот метод не для домашнего использования, основное его применение — микроэлектроника.

Обрабатываемые металлы	Травители и реактивы для обработки
Углеродистая сталь	Р-р HCl 10–20%-ный. H₂SO₄ 8–20%-ный р-р.
Нержавеющая сталь	12%-ной HCl. 1%-ной HNO₃. Обработка 20%-ным раствором HCl и 20–40%-ным HNO₃.
Нержавеющая сталь (толстый слой окалины)	75–85%-ный р-р NaOH плюс 20–25%-ный NaNO₃. 15–20%-ный р-р HNO₃ для удаления оксидов.
Медь	Обработка перекисью водорода, H2CrO4 и солями (CuCl2, FeCl3, NH4).
Титан	NaOH, раствор HF либо H₂SO₄ плюс HNO₃.
Алюминий	10–20%-ная щёлочь. Дополнительно — NaCl и NaF для равномерного процесса.

Домашнее травление

В домашних условиях используется химический метод, реже — электрохимическая технология. Чаще всего кустарное производство — это обработка ножей, охотничьих и декоративных. Здесь могут пригодиться орнаменты тульских оружейников: переплетённые лентами розы, эмблемы, знамёна. Очень интересны и узоры, традиционные для мастеров Златоуста. Специалисты высокого класса наносят рисунки не только на холодное оружие, но и на церковную утварь, не говоря уже о разнообразных предметах быта:

• подносы;

• подстаканники;

• столовые приборы.

Безусловно, обычному мастеру вряд ли удастся повторить профессиональные узоры: для этого требуется не только обширный опыт и специальный инструмент, но в большинстве случаев индивидуальные эскизы художников. А вот стандартные рисунки выполняют многие рукодельники. Что потребуется мастеру:

1. Обезжиривающий реагент для подготовки поверхности.

2. Кислота.

3. Неметаллическая ёмкость, материал которой инертен к используемым химикатам.

4. Средства для непосредственной прорисовки эскиза (скотч, трафарет, лак, грунтовка).

5. При электрохимической обработке дополнительно нужно приготовить:

• поваренную соль; 

• маломощный аккумулятор на 5-12 Вольт;

• соединительные провода. 

Внимание: при использовании трафарета (особенно, если речь идёт о надписи) не забывайте: изображение будет зеркальным.

Для нанесения изображения необходимо защитить участки металла с помощью материалов, которые не вступают в химическую реакцию с реагентами, используемыми для травления. Большинство мастеров применяет для защиты поверхности маскирующий лак, но домашние умельцы используют крайне широкий арсенал — от скотча до маникюрного лака. 

Затем на поверхность наносится травильный грунт. Следующий этап — создать рисунок, используя стилусы, иглы, специальный инструментарий. При помощи травления можно выполнять и очень тонкую работу:

• украшать высококачественное стекло;

• наносить узоры на оружие;

• обрабатывать ювелирные изделия.

В этих случаях травильная жидкость подбирается мастером индивидуально — для обработки фарфора или серебра, латуни или камня требуются абсолютно различные вещества. Основной алгоритм:

• изделие покрывается лаком или грунтовкой;

• пауза до полного высыхания нанесённого слоя;

• нанесение контура (можно использовать гелевую ручку или очень тонкий маркер);

• острым концом латунного или медного прутка прочерчивают на грунтовке контуры изображения;

• при необходимости придают различную глубину участкам рисунка, тогда травление выполняют в несколько этапов.

Совет начинающему мастеру — сначала потренироваться на ненужной детали. Если взять пруток слишком твёрдый или неподходящего диаметра, поверхность будет безвозвратно повреждена. Не забывайте: кислоту добавляют в воду, а не наоборот! 

Техника безопасности

Травление нельзя назвать процессом экологически чистым и абсолютно безопасным для здоровья мастера. Даже при соблюдении технологии и стандартных мер безопасности органы дыхания подвергаются достаточно высокой опасности. Каждый из используемых реагентов негативно воздействует на человека:

1. Хромовая кислота — не просто сильный очиститель, она обладает высоким уровнем токсичности и к тому же канцерогенна. 

2. У азотной кислоты резкий и удушливый запах.

3. Фтороводород относится ко второму классу опасности.

4. Соляная кислота — не только разъедает кожу, органические материалы и металл, но и способна в концентрированном виде взаимодействовать с обычным воздухом, создавая едкие пары.

5. Серная кислота огнеопасна, при попадании её паров в органы дыхания развивается не просто раздражение, а хронический пневмонит, не говоря уже об ожогах.

В домашней мастерской трудно создать условия, полностью отвечающие требованиям безопасности. Но и кустарному мастеру, и специалистам на производстве необходимо проверять исправность инструмента: трещины, сколы, неправильно насаженный молоток — это не только бракованная работа, но и реальная угроза для здоровья мастера.

Основные риски процесса:

• высокая загазованность парами опасных реагентов;

• раскалённая поверхность металла;

• вероятность поражения электрическим током;

• брызги агрессивных химикатов;

• возможность возгорания, а в ряде случаев и взрыва.

Процесс регламентируется Инструкцией Министерства труда от 2 июля 2002 года. Чётко определено возрастное ограничение: травление на производстве не могут выполнять лица, не достигшие 18-летнего возраста.

Дополнительные требования к защите мастера:

• ограждение для подвижных деталей;

• использование защитной блокировки;

• наличие заземления;

• защита токоведущей аппаратуры;

• средства пожаротушения.

Внимание: регламент строго указывает на запрет работы при неисправности вентиляции в производственном помещении. Категорически воспрещается работать без средств индивидуальной защиты:

• плотная спецодежда;

• резиновые перчатки;

• фартук;

• респиратор;

• не помешает и защитный щиток для лица.

Если кислота попала на экипировку, опасно надеяться на крепость спецодежды, её нужно немедленно снять. Существует и другое правило, невероятно простое, но его не всегда выполняют — ёмкости с химикатами должны стоять на полочках, расположенных намного ниже уровня лица. Необходимо позаботиться и об аптечке. Нужны под рукой и простые, но проверенные средства. Но главное — не перепутайте:

1. При попадании на кожу любой кислоты необходимо обработать повреждённый участок мыльной холодной водой либо раствором соды (на стакан воды чайная ложна).
2. Если вы пострадали от воздействия плавиковой кислоты, то кожу нужно промывать проточной водой в течение 2-3 часов (не минут!!!).
3. При воздействии фосфора также потребуется срочно промыть проточной водой или хотя бы опустить руку в ёмкость с водой, но учтите — фосфор вспыхивает на воздухе.
4. Нельзя дотрагиваться до повреждённого участка руками.
5. При ожоге щёлочью кожу нужно сперва промыть (проточной водой), а затем для обработки можно использовать несколько вариантов:

• столовый уксус, разбавленный в пропорции 1:1 обычной холодной водой;
• лимонная кислота — пол чайной ложки на стакан воды;
• борная кислота — также 0,5 чайной ложки порошка на стакан воды.

Оказав себе или товарищу первую помощь, не раздумывайте, надо ли обратиться к врачу. Надо — и не завтра, а сразу же. Последствия кислотного и щелочного ожога слишком серьёзны, чтобы можно было самостоятельно обезопасить человека за две минуты.