Почнемо здалеку. Поверхня багатьох металів і сплавів під зовнішнім впливом піддається певним змінам. Дуже часто це стосується кольору. Наприклад, мідь і латунь на відкритому повітрі вкриваються тонкою оксидною плівкою зеленого кольору, змінюючи зовнішній вигляд пам'ятників або дахів. Цей шар називається патина, він утворюється завдяки хімічній реакції на поверхні металів і захищає їх від подальшого руйнування.
Залізо і сталь, в більшості випадків, на відкритому повітрі корродують.Цей процес може стати неконтрольованим і привести до повного руйнування сталевих виробів через іржу.
Крім впливу навколишнього середовища, колір металів і сплавів можна регулювати шляхом додавання легуючих елементів, а також термічної, хімічної та електрохімічної обробкою. Іноді це робиться виключно з декоративною метою, але частіше за все зміна кольору стає побічним ефектом в процесі отримання специфічного комплексу властивостей поверхні або виробу в цілому.
Сплави, в основі яких є залізо, теж можна «перефарбувати». Якщо не брати до уваги природне іржавіння, найбільш популярним способом обробки поверхні є так зване вороніння або оксидування. В українській та російській мові також поширений термін чорніння. А ось англійською цей процес може називатися blackening (чорніння) або bluing (синіння).
З наукової точки зору, вороніння - це отримання шару оксидів заліза на поверхні вуглецевої або низьколегованої сталі або чавуну. Причому в результаті окисної хімічної реакції утворюється магнетит або чорний оксид заліза Fe3О4, шар якого товщиною від 0,5 мкм до декількох міліметрів і додає поверхні чорного, темно-сірого або темно-синього забарвлення. Крім ефектного виду, такі оксидні плівки забезпечують деякий захист від впливу атмосфери, але за товщини більше 2-3 мкм вони схильні до відшаровування і руйнування. Тому зазвичай зверху вороніння наносять додатковий шар масел або воску.
Сьогодні існує величезна кількість більш ефективних засобів захисту масових сталевих виробів від іржі, тому в сучасному світі чорніння, як правило, використовується виключно для декоративного оздоблення. Така обробка є популярною серед зброярів і виробників знаряддя і металовиробів, бо надає їх творінням особливого шарму.
Існують як промислові способи оксидування сталі, так і побутові, які відносно легко застосовувати в домашніх умовах. Найбільш поширеними є три способи чорніння:
- лужне;
- кислотне
- термічне або теплове.
Лужне вороніння сталі здійснюється шляхом занурення сталевих деталей в розчин нітрату калію, гідроксиду натрію і води, нагрітий до 135-154°C. Цей спосіб є стандартним для вороніння зброї, тому що забезпечує відносну стійкість до утворення іржі і захист відкритих частин металів.
Кислотне вороніння сталі сьогодні застосовують переважно в домашніх умовах. Для цього на сталеві деталі наносять кислотний розчин, щоб вони рівномірно вкрилися іржею. Використовуються, наприклад, азотна і соляна кислота, розбавлені водою. У домашніх умовах застосовують менш небезпечні дубильну або виннокам'яну кислоти. Потім вироби занурюють у киплячу воду, щоб перетворити червоний оксид Fe2О3 (іржу) на чорний оксид Fe3О4, який служить захистом. Кипляча вода також видаляє будь-які залишки нанесеного розчину кислоти. Цю процедуру можна повторювати кілька разів до отримання бажаного кольору. Даний спосіб застосовується і для усунення дрібних подряпин на поверхні чорненої сталі, через які може початися неконтрольована корозія.
Термічне вороніння сталі здійснюється за високих температур. У дрібносерійному виробництві і побутових умовах сталеву поверхню вкривають тонким шаром асфальтового або масляного лаку. Потім нагрівають в одному з робочих середовищ. Зазвичай, це пари аміачно-спиртової суміші, нагріті до 520-880°C, розплавлені солі за температури 400-600°C або ж повітря, розігріте до 310-450°C.
Але є і специфічні способи вороніння. Наприклад, browning (від англійського слова brown - коричневий). Це створення плівки червоного оксиду заліза. Також цей спосіб відомий як «сливове» або «сливово-коричневе» вороніння. Для нього застосовуються спеціальні хімічні розчини.
Якщо говорити про промислове оксидування, то на заводах хімічне і електрохімічне оксидування використовують насамперед для готових сталевих виробів - ножів, ланцюгів, металовиробів, різного озброєння. Основним способом оксидування металопрокату є відпал у термічних печах з контрольованою окислювальною атмосферою.
Наприклад, холоднопровальцьовані рулони піддають термічній обробці в спеціалізованих агрегатах безперервного відпалу. Вальцювання розмотується, проходить через різні температурні зони печі, набуваючи необхідний склад поверхневих оксидів і, відповідно, забарвлення, після чого змотується на виході з агрегату. Після такого «чорного відпалу» холоднопровальцьована продукція використовується у виробництві труб і профілів, обшивці промислових печей, виготовленні металоконструкцій і товарів народного споживання.
Існує ще один спосіб обробки металів, що дає візуальну подібність до вороніння, але не є ним. Це масляний відпал, який раніше був дуже поширений. Деталь промаслюють, а потім обпалюють лютувальною лампою. Під час повільного розігріву до 200-400°С легкі фракції масел випаровуються. На поверхні металу утворюється щільна масляна плівка, яка при подальшому нагріванні отримує коричневе, а потім і чорне забарвлення, яке неможливо видалити. Серед переваг відпалу - відсутність виділення шкідливих речовин, дешевина і достатня ефективність в плані захисту від корозії.
Але повернемося до оксидування, запорука успішного вороніння сталі - це тотальна чистота поверхні металу. Причому очищення потрібно виконувати безпосередньо перед хімічною обробкою, щоб мінімізувати контакт з повітрям. А під час занурення в хімреактиви потрібно переконатися, що вся поверхня виробу повністю вкрита ними.
Але остаточну ефектність вороненій сталі надає особлива механічна обробка поверхні - натирання та крацювання. Завдяки їм метал отримує той самий чорний блиск, описаний в книгах.