Очистка поверхностей изделий

В процессе хранения и обработки материалов на их поверхности появляются многочисленные дефекты и загрязнения: заусенцы, вмятины, царапины, окисные пленки, остатки флюсов, следы масла и т. п.

Основными видами загрязнения черных металлов являются ржав­чина и окалина. Ржавчина (Fe₂O₃∙H₂O)—продукт коррозии железа под действием кислорода в присутствии воды. Окалина образуется в результате горячей обработки металла (прокатки, штамповки) и состоит из безводных окислов FeO, Fe₃O₄ и Fe₂O₃.

Поверхностные дефекты и загрязнения ухудшают качество сварки и пайки, способствуют развитию коррозии и не позволяют нанести качественные антикоррозионные и лакокрасочные покрытия.

Поверхность может быть очищена следующими способами:

а) химическим обезжириванием и травлением;

б) газопламенной очисткой;

в) механической обработкой.

Выбор способа очистки поверхностей. Выбор того или иного способа очистки зависит от характера и количества загрязнений, а также от целей подготовки поверхностей (подготовка под сварку, пайку, склеивание, окраску, эмалирование, металлизацию и т. п.).

Удаление окалины, ржавчины и старой краски успешно осуще­ствляется тепловой обработкой. Царапины, неровности, заусенцы и другие механические дефекты лучше всего устранять крацеванием или обработкой абразивными кругами.

В зависимости от применяемого способа очистки достигается различная чистота поверхности. Так, например, для нанесения лакокрасочных и фосфатных покрытий необходима обработка по 4—6-му классам чистоты, что достигается травлением или песко­струйной очисткой, чистота же поверхности 5—8-го классов, необ­ходимая для оксидирования, может быть получена только с помощью абразивного инструмента.

Обезжиривание. Обезжириванием называют процесс растворения или эмульгирования жира и масел с помощью химически активных веществ. К таким веществам относятся органические растворители и щелочные растворы.

При обезжиривании органическими растворителями чаще всего применяют хлоросодержащие вещества: дихлорэтан, трихлорэтан, тетрахлорэтилен, четыреххлористый углерод. Эти вещества невзрыво­опасны, не воспламеняются при повышенной температуре и хорошо растворяют жиры и масла.

В некоторых случаях по экономическим соображениям или по характеру эксплуатации аппаратов в производстве в качестве растворителей применяют этиловый и метиловый спирты, бензин, керосин и скипидар.

Для обезжиривания металлов, не растворимых в щелочах (стали, никеля, меди), применяют растворы щелочных солей (углекислый натрий, фосфорнокислый натрий, углекислый калий, растворимое стекло, мыло и др.).

Для обезжиривания мелких металлических изделий успешно применяют вытяжку суперфосфата, которая позволяет не только вести обезжиривание, но и производить легкое фосфатирование и удаление незначительных налетов ржавчины. Вытяжка представ­ляет собой прозрачную, слегка желтоватую жидкость, не имеющую запаха и безопасную в пожарном отношении. Способ ее приготовления состоит в следующем: одну весовую часть суперфосфата смешивают с двумя частями воды и кипятят при перемешивании в течение трех-четырех часов до выпаривания осадка.

Для ускорения процесс обезжиривания можно проводить в галь­ванических ваннах. При электрохимическом обезжиривании при­меняют растворы такого же состава, как и при химическом. Электро­дами служат стальные или никелевые пластины; температура электролита 60—85° С; плотность тока в ваннах 3—10 а/дм²; напря­жение до 12 в.

Обезжиривание мелких деталей производят в ваннах или во вра­щающихся барабанах, в которые залит растворитель.

Крупные изделия обезжиривают путем заливки растворителя во внутреннюю полость герметически закрытого аппарата или обрабатывают парами. Внешнюю поверхность крупногабаритных аппаратов можно обезжиривать путем протирки ветошью, смоченной растворителем, или распылением растворителя.

После щелочного обезжиривания должна быть произведена тща­тельная промывка деталей и изделий водой и сушка их. Ввиду ток­сичности большинства растворителей все работы по обезжириванию должны проводиться в закрытых помещениях или камерах, обору­дованных вытяжной вентиляцией.

Травление. Травлением называют обработку металлических изде­лий в растворах кислот, кислых солей или щелочей с целью удаления с поверхности деталей и изделий различных окислов.

Для удаления окалины и ржавчины с поверхности черных метал­лов применяют растворы серной и соляной кислот. Наибольшая скорость травления достигается в 25%-ной серной кислоте и 20%-ной соляной кислоте.

Скорость травления увеличивается с повышением температуры растворов. Кислота проникает под слой окалины или ржавчины и образует наряду с окислами свободный водород, который механи­чески отрывает разрыхленные слои окислов.

При травлении черных металлов в серной и соляной кислотах наряду с очисткой поверхностей деталей от окислов теряется часть металла и в результате наводороживания поверхности ухудшаются его механические свойства. Для предотвращения указанных дефектов в травильные ванны добавляют специальные присадки—замедлители. Замедлители адсорбируются на поверхности изделий и затрудняют переход частичек металла в раствор.

Замедлителями могут быть смолы, белковые вещества, сульфитные щелочи, клей, отходы сахарного производства и специальные при­садки, известные под названием «Уникол».

Слой ржавчины с деталей, которые должны быть покрыты краской, удаляют слабым раствором фосфорной кислоты, нагретой до 50—80° С. При этом на поверхности изделий образуется нерастворимая пленка фосфата железа, на которую лучше ложатся краски и лаки.

Высоколегированные стали рекомендуется травить азотной кис­лотой. Цветные металлы хорошо очищаются смесью азотной и соля­ной кислот. Для удаления кремнезема (песка), который может содер­жаться в отливках, используют слабый раствор плавиковой кислоты (2,5% HF).

В табл. 31 приведены рецепты травителей для некоторых метал­лов.

Таблица 31

Рецепты травителей для некоторых металлов

Материалы

Рецепты травителей

Углеродистая сталь Нержавеющая сталь Техническая медь Латунь Алюминиевые бронзы .... Бериллиевые бронзы .... Кремнистые бронзы Технический никель Монель Алюминий Технический цинк

5—10%-ный раствор H2SO4+10—15%-ный раствор НС1 5%-ный раствор H2SO4 5—10%-ный раствор Н 25О4+5—10%-ный раствор HNO3 10%-ный раствор H 2SO4 8—12%-ный раствор H2SO4 10%-ный раствор H2SO4+5%-ный раствор хромпика 15%-ный раствор H2SO4+6%-ный раствор хромпика или 10%-ный раствор H2SO4+ 20%-ный раствор НNОз+5%-ный раствор HF 20%-ный раствор H2SO4+20-ный рас-твор НNОз 20% -ный раствор H2SO4+Fe2 (SO4)3 3%-ный раствор НС1, или 5—10%-ный рас­твор НзРО4 или 5—10%-ный раствор NaOH 3%-ный раствор НС1, или 5—10%-ный рас­твор НзРО4, или 5—10%-ный раствор NaOH, или 5—10%-ный раствор КОН

Для ускорения процесса травления и сокращения расхода кис­лоты проводят электрохимическое травление. Существуют два способа электрохимического травления: анодное и катодное. При анодном травлении электролитом являются растворы кислот и солей, а катодом — свинец, медь, железо. При катодном травлении само изделие служит катодом, а анодом — сплав свинца с сурьмой (6—10% Sb) или кремнистый чугун (20—24% Si).

Недостатком анодного травления является возможность сильного разъедания основного металла изделий. Катодное травление приводит к наводороживанию металлов. Недостатки катодного травления могут быть устранены применением электролитов, создающих высокое перенапряжение водорода (электролиты, содержащие ионы свинца или ионы олова).

Очистку внутренних поверхностей длинных труб малого диаметра можно производить с помощью электрополирования, при котором ока­лина снимается с внутренней поверхности труб током, пропускаемым через электролит, заливаемый внутрь трубы. Анодом служит труба, катодом специальный стержень, устанавливаемый в центре трубы.

Технология травления состоит из следующих операций:

а) погружение деталей или изделий в кислотную ванну;

б) промывка холодной водой;

в) нейтрализация щелочным раствором (известковым молоком);

г) промывка горячей водой (температура 70—80° С).

При травлении выделяются газы, вредно действующие па организм обслуживающего персонала и разрушающие оборудование и металли­ческие конструкции зданий. В связи с этим травильные работы можно производить лишь в специальных помещениях, построенных в соот­ветствии с правилами техники безопасности.

Для проведения травления изготовляют комплексные агрегаты, состоящие из ванн для обезжиривания, травления, промывки и ней­трализации. Ванны устанавливают последовательно в соответствии с технологическим процессом. Размеры ванн должны быть несколько больше габаритных размеров наиболее крупных деталей, подлежащих травлению. Мелкие детали при травлении погружают в ванны в специальных корзинах.

Все ванны обычно изготовляют из металла. Кислотные ванны изготовляют пластмассовыми или стальными с обязательной изоля­цией и облицовкой внутри керамическими плитками. Кислотные ванны должны обязательно иметь местную вытяжную вентиляцию (фиг. 98). Ванны, работающие с подогревом жидкости, а также сушильные камеры изолируют теплоизоляционным материалом. Змеевики, предназначенные для подогрева кислотных ванн, изго­товляют из нержавеющих стальных труб или из кислотостойкой пластмассы.

Очистка с применением гидрида натрия. Окалина хорошо уда­ляется с поверхности изделий водородистым натрием при темпера­туре 350—370^С. Водородистый натрий является сильным восста­новителем, вступая в реакцию со многими окислами металлов он совершенно не действует на металл, находящийся под окисной плен­кой.

Очистку проводят в ваннах, заполненных каустической содой и металлическим натрием, который при рабочей температуре нахо­дится на поверхности в виде жидкого слоя (фиг. 99). Под слой рас­плавленного натрия по трубочкам в ванну подается водород, вступаю­щий при соприкосновении с натрием в реакцию с образованием водо­родистого натрия.

Фиг. 98. Ванна, оборудованная бортовой вытяжной вентиляцией.

Материал, с которого необходимо удалить окалину, погружают в ванну. Под действием водородистого натрия окалина очень быстро восстанавливается в порошковый металл. Обработке водородистым натрием могут подвергаться конструкционные и нержавеющие стали, а также медь, никель, алюминий и их сплавы

М еталлический порошок с изде­лий удаляют при мгновенном их погружении в ванны со смесью соля­ной и азотной кислоты с последую­щей промывкой.

Фиг. 99. Схема очистки деталей гидритом натрия.

Применение ультразвука при обез­жиривании и травлении. Ультразвук значительно ускоряет процесс обез­жиривания и травления, обеспечивая при этом высокое качество очистки. Применение ультразвуковых колеба­ний сокращает время травления на 50—80% и значительно уменьшает Целесообразно применять ультразвук для очистки деталей сложной конфигурации.

Получение ультразвуковых колебаний осуществляется путем преобразования электрической энергии в механические колебания. Источниками колебаний служат различные типы преобразователей, основанные на пьезоэлектрической или магнитострикционной систе­мах преобразования.

В пьезоэлектрических вибраторах основным элементом являются пластинки из кварца или титаната бария (ВаТiO₃), кристаллы которых обладают пьезоэлектрическим эффектом. При пропускании через пластинки переменного электрического тока происходит периоди­ческое сжатие и растяжение кристаллов.

С помощью пьезоэлектрических пластин удается получить ультра­звуки с частотой более 10 млн. колебаний в секунду. Практически для травления используют колебания с частотой от 100 кгц до 2 Мгц.

В магнитострикционных вибраторах источниками колебаний являются ферромагнитные материалы — никель или его сплавы, обладающие свойством значительно изменять свои размеры под действием магнитного поля.

В травильные ванны вибраторы устанавливают обычно в кор­пусах из кислотостойкого сплава в которых имеются отверстия для передачи ультразвуковых колебаний заполняющей ванну кислоте.

Газопламенная очистка. Способ газопламенной очистки основан на принципе тепловой обработки поверхностей. Нагрев поверхности металла производят многопламенной ацетилено-кислородной горел­кой, смонтированной на роликовых опорах. Во избежание каких-либо структурных превращений в металле поверхность нагревают до температуры 150° С.

Примерный режим: скорость перемещения 0,0025—0,1 м/сек; угол наклона пламени 45° при расположении наконечников горелки от поверхности металла на 50 мм. Отделение окалины при газопла­менной обработке происходит вследствие различия коэффициентов линейного расширения стали и ее окислов. В результате терми­ческого воздействия окалина растрескивается и легко отслаивается вместе с ржавчиной. Остатки окислов удаляют металлическими щет­ками.

Во избежание коробления и деформации металла газопламенную очистку применяют только для изделий, имеющих толщину не менее 5 мм.

Механическая очистка поверхностей. Механическую очистку поверхностей производят: а) кварцеванием; б) галтовкой; в) очи­сткой на пескоструйных, дробеструйных и дробеметных установках.

К р а ц е в а н и е. Крацевание заключается в механической очистке поверхностей с помощью вращающихся дисковых проволоч­ных щеток. Вращение щеток осуществляется от электромоторов через гибкие шланги или от переносных шлифовальных машинок.

Крацевание стальных изделий производят щетками из стальной проволоки (диаметр проволоки 0,2—0,4 мм); цветные металлы обра­батывают щетками, изготовленными из медной или латунной про­волоки.

Во время крацевания щетку или поверхность изделия рекомен­дуется смачивать мыльной водой или слабым раствором соды, поташа, тринатрийфосфата или взмученной в воде пемзой. Можно применять меловой раствор.

Для получения более чистой поверхности следует использовать щетки с тонкой проволокой, увеличивать число оборотов, не прижи­мая сильно щетки к изделию.

Механическую очистку поверхностей можно производить ручными щетками, скребками, ножами или шпателями, а также различными обдирочными и шлифовальными инструментами.

Галтовка. Очистку и сглаживание поверхности мелких однотипных деталей производят с помощью галтовки. При этом виде обработки детали в течение нескольких часов, беспорядочно переме­щаясь во вращающемся барабане, трутся друг о друга, очищая при этом свои поверхности от окис

Фиг. 100. Галтовочный барабан:

/ — барабан, 2 — зубчатый сегмент; 3 — штурвал для изменения оси наклона барабана; 4 — передаточный "механизм;

5 — электродвигатель.

Фиг.101 Станок для галтовки баллонов

лов и загрязнений. Для ускорения процесса очистки в барабаны вместе с деталями загружают извест­няк, гравий, песок, обрезки кожи или опилки. В некоторых случаях, в зависимости от свойств обрабатываемого материала, в барабан вводят небольшие количества слабых растворов кислот, щелочей или мыльной воды.

Галтовку производят в галтовочных барабанах (фиг. 100) диа­метром 600—900 мм, длиной 750 — 1500 мм. Сечение барабана обычно представляет собой правильный восьмигранник.

Галтовка с успехом может быть применена для очистки внутрен­них поверхностей баллонов и других узких сосудов. В этом случае внутрь обрабатываемых изделий вводят каменную мелочь, гранитные осколки, окись алюминия или стальные элементы, которые много­численными ударами и трением о поверхность очищают ее от окалины, окислов и загрязнений. Схема станка для галтовки баллонов пока­зана на фиг. 101.

Пескоструйная очистка. Сущность процесса песко­струйной очистки состоит в механической обработке поверхностей струей сжатого воздуха, в которой находятся частички кварцевого песка.

Величина давления песка на поверхность зависит от давления сжатого воздуха и расстояния сопла от поверхности изделия. Численно она должна быть равной: а) для стальных изделий 1,8—2,2 кг/см²; б) для медных и латунных 1,4—1,8 кг/см²; в) для алюминиевых 1 —1,5 кг/см².

Скорость струи при истечении из сопла распыливающего аппарата достигает 350 м/сек.

Поверхность изделий после обработки песком приобретает равно­мерную шероховатость и становится матовой. Такая поверхность хорошо принимает лакокрасочные покрытия, однако легко корро­дирует и загрязняется

пылью и жировыми следами, поэтому следует максимально снижать промежуток времени между проведением очи­стки и антикоррозионным покрытием.

Пескоструйные установки состоят из следующих основных частей:

а) камеры для обрабатываемых деталей с расположенными в ней механизмами подачи;

б) распылительной головки и дозатора;

в) емкости для хранения песка;

г) механизма возврата отработанного песка в емкость;

д) пылеотделительного аппарата.

В зависимости от способа подачи песка различают два типа распыливающих устройств: а) инжекционные, работающие по прин­ципу всасывания в струю сжатого воздуха частичек твердого вещества; б) нагнетательные, в которых смесь воздуха и абразивного материала подается под давлением из емкости через шланг в сопло рас­пылительной головки.

Давление воздуха в пескоструйных установках 2—3 am. Воздух с большим давлением не применяют вследствие разрушения кварце­вого песка. Расход воздуха зависит от диаметра сопла, давления и соотношения воздуха и песка в струе.

Песок, применяемый для очистки, должен быть тщательно промыт, просушен и просеян. Размеры частичек выбирают в пределах 0,5— 2 мм.

Пескоструйные установки изготовляют периодического и непре­рывного действия.

Установками периодического действия являются вращающиеся барабаны. Детали в них загружают через люки, а воздушно-песочная струя подается через сопла в центральные отверстия, расположен­ные в днищах барабана. Во время вращения барабана детали перево­рачиваются, при этом все поверхности обрабатываются равномерно. Отработанный песок ссыпается через перфорированную оболочку или находится внутри барабана до полной обработки деталей.

Крупным недостатком пескоструйной очистки является образо­вание во время очистки большого количества пыли, вредно влияю­щей на здоровье обслуживающего персонала. Этот недостаток в неко­торой степени устраняется применением гидропескоструйной очистки.

Гидропескоструйная очистка. В гидропескоструйных аппаратах очистку поверхностей производят пульпой — смесью песка с водой. Смесь находится в смесительной камере и перед подачей в шланг перемешивается (фиг. 102).

В эксплуатации надежнее аппараты, в которых песок и вода посту­пают в сопло не в смеси, а раздельно и смешиваются при выходе из сопла.

К таким аппаратам относится так называемый «пистолет», у кото­рого вокруг подаваемой им струи песка создается водяной конус, образуемый водой, поступающей под большим давлением. В таких пистолетах на 40—50 л песка расходуется 4—5 м³ воздуха и 0,6 м³ воды в час.

Фиг. 102. Схема гидропескоструйной очистки

1 - компрессор, 2,3 — баки для пульпы; 4 — камера.

С целью создания пассивированной поверхности изделий рекомендуется добавлять в воду небольшие количества защитных веществ, например 1—5 г/л нитрита натрия или 5 г/л хромпика или 10— 15%-ный раствор фосфорной кислоты.

Дробеструйная очистка. Вместо кварцевого песка для очистки изделий применяют мелкую чугунную или стальную дробь.

Технология производства чугунной дроби состоит из грануля­ции жидкого металла с последующим разломом ее в шаровых мельницах или на валковых дробилках.

Гранулированную размельченную дробь просеивают и сортируют. Для дробеструйной очистки лучше применять дробь, имеющую раз­меры от 0,5 до 2 мм.

Дробь изготовляют также из тонкой стальной проволоки, разре­зая ее на кусочки длиной 2—3 мм. Полученная таким образом дробь закаливается. Дробь из стального проката меньше крошится, чем литая.

Дробеструйные установки по своему устройству не отличаются от пескоструйных. Давление воздуха в дробеструйных установках 5—б am. Расход дроби по весу в 30—35 раз меньше расхода песка.

Дробеметная очистка. Вместо пневматических распыли­тельных устройств применяют дробеметные установки, в которых струя абразивного материала обра­зуется под действием центробеж­ной силы, возникающей при вра­щении турбинки. Турбинка состоит из двух параллельных дисков диа­метром 200—500 мм с радиально расположенными плоскими лопат­ками. Абразивный материал через воронку подается в центральное отверстие, попадает на лопатки рабочего колеса и выбрасывается из него с большой скоростью (60—70 м/сек при 2000—2500 об/мин рабочего колеса).

Расход мощности на вращение турбинки в 5—6 раз меньше, чем на создание воздушной струи при дробеструйной очистке.

Д робеметная установка для очистки мелких и средних деталей (фиг. 103) состоит из камеры 1, в которой размещают обрабатываемые детали, элеватора 2 для подъема дроби, сепаратора 3 и механизма для разброса дроби 4.

В камерах устанавливают специальные устройства для подачи и переворачивания деталей. Эти устройства представляют собой пла­стинчатые цепные транспортеры, верхняя ветвь которых благодаря провисанию образует углубления, в которые загружают обрабаты­ваемые детали.

Фиг. 103. Схема установки для дро­беметнои очистки изделий.

Цепь приводится в движение ведущей звездочкой через червяч­ный редуктор от реверсивного электромотора. При движении цепи вверх происходит переворачивание деталей в зоне дробеметной обра­ботки. При движении в обратную сторону детали выгружаются из камеры.

Вместо цепей могут быть использованы вращающиеся столы. Дробеметная установка должна иметь вентиляционную систему для отсоса металлической пыли.