Травление
Общие положения
При изготовлении, транспортировке, хранении металлические изделия подвергаются воздействию окружающей среды, в результате чего их поверхность покрывается окалиной (термообработка) и продуктами коррозии. Этот инородный слой не только ухудшает внешний вид изделия, но и препятствует выполнению последующих технологических операций.
Состав оксидного слоя на металле неодинаков по толщине. Внешний слой обычно обогащен высшими окислами, а на границе с металлом находиться преимущественно низшие оксиды. Так, окалина на железе состоит из (от металла к внешнему слою): FeO, Fe2O3. На меди: Cu2O, CuO.
Окалину удаляют механическим способом (шлифование, полирование, пескоструйная обработка и др.), химическим травлением в кислотах, безкислотное травление, электролитическое травление.
Один из способов удаления окалины – травление – растворение оксидов в растворах кислот или щелочей. Реакция травления для двухвалентного металла:
МеО + 2Н+ = Ме2+ + Н2О.
Так как слой окалины пористый и неравномерный по толщине, а на отдельных участках может отсутствовать, то при травлении вместе с оксидами происходить частичное растворение металла, что нежелательно:
Ме + 2Н+ = Ме2+ + Н2↑
Травление черных металлов. Химический способ
Для травления черных металлов используют в основном растворы соляной и серной кислот. Скорость растворения в них оксидов зависит от концентрации и температуры раствора. До 5 %-й концентрации скорость растворения Fe3O4 в обеих кислотах почти одинаковая. При концентрации свыше 40 % окалина лучше растворяется в соляной, чем в серной кислоте. В серной кислоте окалина удаляется в значительной мере благодаря нарушению ее связи с металлом в результате подтравливания и разрыхления окалины выделяющимся водородом. Скорость травления в серной кислоте максимальна при 25 %-й концентрации.
При повышении температуры до 60 °С скорость травления возрастает в 10–15 раз, но и скорость протравливания тоже возрастает. Поэтому чаще применяют холодные растворы кислот, что оправдано и с экономической точки зрения.
В соляной кислоте удаление окалины преимущественно происходит за счет ее химического растворения. Повышение температуры не оказывает большого влияния на скорость травления в соляной кислоте.
Независимо от того, в какой кислоте происходит травление, оно сопровождается побочным растворением металла, которое сопровождается выделением водорода. Это, в свою очередь, приводит к наводораживанию металла, ухудшению его механических свойств – значительно повышается хрупкость металла, уменьшается вязкость, ухудшаются упругие характеристики. Особенно это влияние сказывается при использовании знакопеременных нагрузок.
При травлении в серной кислоте сильнее наводораживание, чем в соляной (при одинаковых концентрации и температуре).
Для устранения наводораживания проводят прогрев деталей при 200–250 °С в течение 2–3 часов. Обработку лучше проводить как можно быстрее, так как с течением времени десорбция водорода становить хуже. Однако полностью удалить сорбированный водород таким способом не удается. Поэтому необходимо применять меры по предотвращению наводораживания металла непосредственно в процессе травления.
С этой целью в травильные растворы вводят ингибиторы коррозии и наводораживания, которыми служат некоторые соли и органические соединения.
Например: добавка к серной кислоте небольшого количества хлористого натрия увеличивает скорость растворения окалины и тормозит процесс наводораживания металла. Ионы брома и йода, добавленные к кислотам, способствуют пассивации железа и замедляют его растворение.
Наиболее сильное ингибирующее действие оказывают органические соединения – смолы, алифатические амины, производные ароматических и гетероциклических соединений, спирты, сульфитные щелока. Предполагается, что торможение процесса растворения металла происходит в результате адсорбции ингибитора на его поверхности. Широко распространен ингибитор уротропин, катапин. Он подходит и для серной, и для соляной кислот.
Концентрации ингибиторов – единицы г/л. повышение их концентрации приводит к ухудшению сцепления покрытий с основой. Причиной снижения прочности сцепления, по-видимому, является то, что на поверхности металла остается адсорбированный слой ингибитора, который плохо смывается водой.
Поэтому при подготовке поверхности следует принимать меры для удаления такого слоя: качественная промывка, активация поверхности.
Помимо серной и соляной кислот для травления черных металлов используют фосфорную и плавиковую кислоты. Первую применяют, главным образом, при подготовке деталей перед нанесением ЛКП. Для удаления тонкого оксидного слоя применяют 2 %-ю фосфорную кислоту, нагретую до 70–80 °С. После обработки в кислоте детали сушат без промывки. На поверхности металла образуется слой фосфатов, который служит грунтом под ЛКП.
Для удаления значительного слоя окалины используют 15 %-й раствор фосфорной кислоты при 40-50 °С. Изделия промывают водой и обрабатывают в 0,5-1 %-м растворе фосфорной кислоты, сушат без промывки как и в предыдущем случае.
Плавиковая кислота – одна из немногих кислот, способных растворять кремнезем, который может остаться на поверхности деталей, изготавливаемых литьем. Поэтому ее применяют в качестве добавки в кислые растворы для травления отливок. При обработке чугуна применяют 2 %-й раствор плавиковой кислоты или смесь, содержащую 1 часть плавиковой и 3 части серной кислоты.
Для безкислотного травления используют расплавленную едкую щелочь, в которую добавляют 1–2 % гидрида натрия. Оксиды железа, никеля, меди, кобальта восстанавливаются гидридом натрия до металла, а трехокись хрома – до закиси. На очищаемую поверхность металла рабочая среда не оказывает влияния, и наводораживание стали не происходит. Этот процесс наиболее эффективен при обработке точных стальных изделий, деталей из коррозионностойких сталей, быстрорезов, чугуна.