Обезжиривание, травление и полирование металлов

Грилихес С.Я.

Машиностроение, 1983 г.

13. Электрохимическое обезжиривание

Растворы, используемые для электрохимического обезжиривания, содержат в основном те же компоненты, что и растворы, применяемые при химической очистке. Но учитывая активную роль, которую играют в электрохимическом  процессе выделяющиеся на электроде пузырьки газов, содержание компонентов в этом случае может быть значительно понижено. Выделяющиеся пузырьки не только способствуют отрыву слон загрязнений от поверхности металла, но и облегчают их эмульгирование. Подбирая состав электролита, следует принять меры для получения высокой электропроводности его, что позволит увеличить плотность тока на ванне, снизить напряжение, уменьшить затраты электроэнергии.

Электропроводность раствора определяется главным образом концентрацией в нем едкой щелочи и углекислого натрия. Последний применяют преимущественно в электролитах для очистки мало загрязненных деталей. Фосфаты облегчают смываемость загрязнений, причем повышение их концентрации значительно улучшает работу электролита. Эмульгирующее действие оказывает метасиликат натрия

Поверхностно-активные вещества не вводят в электролиты или вводят в небольшом количестве. Содержание ПАВ, принятое для растворов химического обезжиривания, неприемлемо при электрохимическом процессе, так как наблюдается образование большого количества пены на поверхности ванны. Обильная пена затрудняет удаление выделяющихся иа электродах газов, что может привести к образованию взрывоопасной газовой смеси, поэтому в качестве эмульгаторов чаще используют метасиликат натрия, а органические ПАВ, если и вводят, то их содержание в три — пять раз меньше, чем при химическом обезжиривании. Для устранения ценообразования можно добавлять в электролит кремнийоргаиическую жидкость ПМС-200, как в процессах химической очистки.

Электрохимическое обезжиривание целесообразно применять для снятия с поверхности металла небольшого слоя жира. Обычно этому процессу в гальваническом цехе предшествует химическое обезжиривание, которое удаляет основную массу загрязнений. По сравнению с химическим электрохимическое обезжиривание дает более тщательную подготовку поверхности металла перед осаждением гальванических покрытий.

Обработку деталей из цветных металлов ведут на катоде. Подобная обработка черных металлов, в особенности если она длительная, может привести к их наводороживанию, что ухудшает механические свойства деталей. Электрохимическое обезжиривание черных металлов начинают при катодной поляризации, но незадолго до окончания процесса изменяют полярность.

15. Обезжиривание с применением ультразвука

Использование ультразвукового излучения в процессе химического обезжиривания в отличие от других способов позволяет достигнуть высокого качества очистки поверхности от химических и механических загрязнений. По литературным сведениям, ультразвуковая обработка в специально подобранных моющих средах позволяет удалять загрязнения до 10~9 г/см2. Особенно большое значение это имеет в точном приборостроении, электронной технике и некоторых других отраслях промышленности. Применение ультразвука позволяет удалять загрязнения с труднодоступных участков поверхности — узких щелей, глухих отверстий. В несколько раз возрастает скорость обезжиривания.

Эффективность ультразвуковой очистки поверхности определяется удельной акустической мощностью, частотой колебаний, составом рабочего раствора. Интенсивность очистки уменьшается с повышением частоты колебаний. При частоте 20—25 кГц высокое давление распространяется на расстоянии 7—8 см от источника излучения и в этой зоне процесс идет наиболее эффективно. С повышением частоты колебаний зона высокого давления расширяется до 10—15 см от источника ультразвука, но интенсивность очистки снижается из-за низкой амплитуды колебаний.

Наиболее часто применяемый режим ультразвуковой очистки: частота 20—40 кГц, удельная мощность 1—3 Вт/см2. Для обработки мелких деталей, имеющих небольшие узкие зазоры или отверстия малого диаметра, частоту повышают до 200—500 кГц. Повышение удельной мощности ускоряет процесс удаления загрязнений с поверхности металла. Оптимальное значение ее устанавливают с учетом размера и конфигурации обрабатываемых деталей, конструкции ванны и расположения в ней источников излучения. При обработке в органических растворителях акустическая мощность может быть несколько ниже, чем при. использовании водных моющих растворов.

Увеличение температуры рабочего раствора приводит к повышению качества и скорости ультразвуковой очистки. Оптимальная температура зависит от характера загрязнений и состава рабочей среды. Для очистки изделий в водных растворах от следов невязких минеральных масел целесообразен нагрев до 55—60°С,

Отечественная промышленность выпускает целый ряд органических ингибиторов, представляющих собой продукты конденсации органических соединений. Эффективность их действия зависит от температуры и состава травильного раствора. Для соляной кислоты рекомендуются: катапин, продукты конденсации анилина с уротропином ПБ-5, бензил амина с уротропином БА-6, И-1-А, И-1-В, КПИ; для серной кислоты — смесь хинолииовых оснований — ЧМ, БА-6, катапин, уротропин. С увеличением концентрации соляной кислоты возрастает ингибирующее действие добавок БА-6, КПИ, катапина.

Применение добавок ингибиторов в травильные растворы позволяет улучшить качество обработки поверхности изделий, снизить расход кислоты, уменьшить съем металла. Однако адсорбционная природа ингибирующего действия добавок сказывается на состоянии поверхности металла, что может повлиять на качество гальванических покрытий. Как показали исследования, при травлениистали 65Г и Ст10 в солянокислом растворе увеличение концентрации кислоты повышает прочность сцепления цинкового покрытия с основой. Введение в раствор 5 г/л катапина, независимо от концентрации кислоты, снижает прочность сцепления покрытия со сталью. Добавка ингибитора И-1-В к солянокислому раствору, в котором обрабатывали сталь, также приводит к снижению прочности сцепления ее с нанесенным в дальнейшем никелевым покрытием. Причиной этих явлений, по-видимому, является то, что осаждение гальванических покрытий происходит на поверхность металла, частично покрытую адсорбционным слоем ингибитора. Это обстоятельство необходимо учитывать и принимать меры для удаления такого слоя, что может быть достигнуто активированием поверхности металла в соответствующих растворах.

Помимо серной и соляной кислот для травления черных металлов используют фосфорную и плавиковую кислоты. Первую из них расходуют, главным образом, при подготовке деталей перед нанесением лакокрасочных покрытий. В этом случае для удаления тонкого слоя ржавчины применяют 2%-ный раствор ортофосфорной кислоты Н3РО4, которую в дальнейшем будем называть фосфорной кислотой, нагретый до 70—80°С. После обработки детали сушат, не промывая в воде. Образующийся на поверхности металла тонкий слой фосфатов служит своеобразным грунтом, способствующим повышению прочности сцепления лакокрасочного покрытия с основой. Если изделие покрыто значительным слоем ржавчины, для травления используют 15%-ный раствор фосфорной кислоты при 40—50°С, после чего промывают в воде, затем погружают в 0,5—1,0%-ный раствор   этой  же   кислоты   и   сушат,   как   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 кислотные растворы для травления отливок. При обработке чугуна применяют 2%-ный раствор плавиковой кислоты или смесь, содержащую 1 часть плавиковой и 3 части серной кислот.

Для бескислотного травления пригодна расплавленная едкая щелочь, в которую добавляют 1—2% гидрида натрия. Окислы железа, никеля, меди, кобальта восстанавливаются гидридом натрия до металла, а трехокись хрома — до закиси, причем на очищенную поверхность рабочая среда не оказывает влияния и наводороживания

24. Химическое и электрохимическое снятие покрытий

Для снятия с поверхности деталей недоброкачественных покрытий используют методы химического или электрохимического анодного растворения. Составы соответствующих растворов подбирают с таким расчетом, чтобы они, активно воздействуя на покрытие, не реагировали или слабо реагировали с металлом основы, на которую это покрытие нанесено. Практически почти полного отсутствия этих нежелательных реакций удается получить при анодном растворении хромового, оловянного, свинцового покрытий на стали в растворе щелочи, химического растворения цинкового покрытия на алюминии в азотной кислоте и окисного анодизацион-иого покрытия на алюминии в фосфорнохромовокислом растворе. В других случаях 'может происходить небольшое подтравливание основного металла.

В табл. 19 приведены составы ряда растворов для химического и анодного снятия покрытий. В тех случаях, когда содержание в растворе серной, соляной, азотной и фосфорной кислот дано в литрах, миллилитрах, частях по объему или процентах по объему, плотности их приняты 1,84; 1,19; 1,41; 1,60, соответственно.

IV. ХИМИЧЕСКОЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОЛИРОВАНИЕ

25. Способы полирования

Способы химического и электрохимического полирования различаются составом применяемых электролитов, что непосредственно связано с природой обрабатываемого металла. Для того чтобы обоснованно подойти к выбору того или иного способа полирования, следует кратко рассмотреть современные представления о механизме процесса.

Непосредственным результатом химического или электрохимического полирования является возникновение блеска поверхности металла. Одновременно происходит растворение его внешнего слоя и, в большинстве случаев, сглаживание микрошероховатостей. Увеличение блеска связано, прежде всего, с предотвращением травления металла, которое является наиболее доступным путем реализации анодного процесса. Торможение травящего действия электролита на металл происходит в результате образования на его поверхности пассивирующей пленки окисной природы. Такая пленка может возникнуть как под влиянием взаимодействия растворяющегося металла с компонентами электролита, так и в результате непосредственного окисления металла при определенных значениях анодного потенциала.

Образование на металле оксидных пленок при анодной обработке имеет место в ряде процессов промышленного электролиза, например, при анодировании алюминия. Однако процесс анодирования не приводит к повышению блеска поверхности металла. Хотя оксидные пленки, возникающие при анодировании и полировании, имеют общую природу, они существенно отличаются по своим характеристикам. Результат анодной обработки металла, протекающей в условиях возможного образования оксидной пленки, зависит от соотношения скоростей формирования пленки и ее растворения в электролите. Преобладание первой из них приводит к оксидированию, второй — к травлению металла. Наибольший блеск поверхности достигается при минимальной толщине оксидной пленки, которая должна быть достаточной, чтобы предотвратить травящее действие электролита на металл. Для этого необходимо, чтобы скорости электрохимического процесса формирования пленки и химического процесса ее растворения были не только близки, но чтобы и скорости обоих процессов были высокими. Известно, что процессы электрохимического полирования протекают в весьма агрессивных средах при высоких значениях потенциала и плотности тока. Это подтверждает указанные соображения о механизме процесса. Образование на аноде пассивирующей пленки приводит к повышению электрохимической однородности поверхности металла, так как преимущественное растворение происходит на участках химических, структурных и микрогеометрических неоднородностей, где пассивирующий слон менее совершенен, благодаря чему повышается блеск поверхности металла.

Сглаживание микрошероховатостей поверхности при анодном полировании также связано с наличием на металле пассивирующей пленки, если шероховатости эти минимальны и находятся на уровне субмикрорельефа. Сглаживание шероховатости поверхности определяется, в основном, количеством электричества, пропущенного через электролит, и следовательно, количественными изменениями в прианодном слое. Помимо этого в ходе электролиза наблюдается уменьшение высоты микровыступов и округление их вершин с переходом к волнообразному микрорельефу. В этом случае сглаживание шероховатостей при электрохимическом полировании вызывается неравномерностью вторичного распределения тока по микрорельефу поверхности и концентрационными изменениями в прианодном слое электролита.

С учетом указанных представлений о механизме электрохимического полирования можно рассматривать и вопрос о составе электролитов на примере обработки меди. В растворе фосфорной кислоты блеск поверхности меди достигается в очень узком диапазоне плотностей тока и потенциалах, близких началу выделении кислорода. При большой плотности тока, хотя поверхность металла и получается, блестящей, на ней образуются мелкие точечные углубления, напоминающие питтинг. Добавление в электролит хромового ангидрида заметно изменяет ход процесса — эффект полирования достигается в широком диапазоне плотностей тока, одинаково хорошо полируются не только медь, но и большинство ее сплавов. В последнее время в отечественной и зарубежной практике начинают применяться электролиты, содержащие добавки некоторых органических соединений, которые также улучшают качество обработки поверхности металла.