Файл: Соголовская А.Г. Прогрессивные методы горячего цинкования.pdf

и магнетит — труднорастворимые при травлении. Следо­ вательно, наилучшей сталью для цинкования является хо­ лоднокатаная, но из-за более высокой стоимости эта сталь при горячем цинковании не применяется. Для изготовления оцинкованной кровельной стали применяется наиболее дешевое кровельное железо (ГОСТ 1393—47). Для изготовле­ ния сшивной оцинкованной посуды также применяется поч­ ти всегда кровельное железо, хотя применение декапиро­ ванной (более дорогой) стали позволило бы улучшить качество посуды, уменьшить расход кислоты на травление, увеличить пропускную способность травильных ванн за счет уменьшения времени травления.

Обезжиривание поверхности стали. При изготовлении из стальных листов различных изделий способом вырубки или штамповки, при сборке изделий из отдельных деталей, при волочении проволоки или холодной прокатке стальной лен­ ты возможно загрязнение поверхности различными смазоч­ ными материалами или маслами. Поскольку загрязненные жирами участки поверхности при травлении не будут сма­ чиваться кислотой, необходимо провести обезжиривание этих участков.

Обезжиривание можно производить химическим или электрохимическим способом в щелочных растворах [2], путем отжига на воздухе или в парах аммония, а также по­ средством протирки загрязненных жирами участков рас­ творителями: трихлорэтиленом и тетрахлорэтиленом.

Травление металла. Травление перед цинкованием про­ изводится для очистки поверхности стали от прочно при­ ставшей окалины или ржавчины. Травление производится, в основном, в водных растворах серной и соляной кислот. За рубежом в последнее время широко применяется травле­ ние в фосфорной кислоте и некоторых органических кис­ лотах.

20

Процесс травления основан на химическом взаимодей­ ствии между кислотой, окалиной и металлом. Помимо про­ цессов химического растворения (см. уравнения реакций) при травлении протекают процессы, связанные с переносом электрических зарядов, в которых участвует выделяющийся в реакциях водород [1 ]:

FeO + H2S04 —»FeS04 -f- H20 ;

Fe30 4 + 4H2S04 - FeS04 + Fe2 (S04)3 + 4H20 ;

Fe20 3 + 3H2S04 ->■ Fe2 (S04)3 + 3H20 ;

Fe + H2S04 -» FeS04 + H t .

(Реакции взаимодействия окалины и железа с соляной кисло­ той аналогичны; в результате их в растворе накапливается двухлористое железо).

Водород, выделяющийся под слоем окалины, своим дав­ лением отслаивает последнюю; кроме того, водород в момент выделения способен восстанавливать высшие окислы железа до FeO, т. е. переводить их в растворимое состояние (как указывалось выше, FeO легко растворяется в кислотах, Fe30 3 — значительно труднее).

По мере растворения окалины обнажается железная основа и начинается интенсивное растворение ее. В первую треть времени, затрачиваемого на травление, освобождает­ ся от окалины 80% поверхности, а в последующее время растворяется лишь 20% окалины и 80% железной основы.

Механизм травления стали в соляной и серной кислотах различен. В 10%-ной и более соляной кислоте* происходит химическое растворение окислов железа; при этом поверх­ ность железа не растравливается. В соляной кислоте концен-

'* Во всем тексте брошюры концентрации растворов, содержания металлов и их примесей, а также составы железо-цинковых сплавов даны в весовых процентах.

21

трации ниже 10% и в серной кислоте любых концентраций окислы железа растворяются слабо; кислота проникает через рыхлый слой окалины к железу и взаимодействует с ним. Выделяющийся при этом водород механически отрыва­ ет окалину, но в то же время разрушается основной металл. Для серной кислоты отношение общего количества отде­ ленной окалины к растворенной равно 4,5, для соляной — 1,5. Это значит, что для удаления одного и того же количе­ ства окалины с поверхности стали серной кислоты требуется меньше, чем соляной. Поскольку механизм травления стали

всерной и соляной кислотах различен, условия травления

вэтих кислотах также различны. Влияние концентрации и температуры растворов этих кислот на продолжительность травления показано на рис. 7 и 8 [10].

Серная кислота сильно растворяет металл, причем рас­ творение увеличивается с повышением концентрации кисло­ ты, поэтому не рекомендуется применять, серную кислоту концентрацией выше 20%. Но при малых концентрациях кислоты возрастает продолжительность травления. Повы­ шение - температуры раствора снижает продолжительность травления; при 60° С и выше продолжительность травления

всерной и соляной кислотах, при.равных концентрациях,

практически равна, тогда как при комнатной температуре (рис. 7) травление в серной кислоте происходит значительно медленнее, чем в соляной. Однако чрезмерное повышение температуры растворов приводит к неравномерности трав­ ления, увеличению потерь железа и кислот. Потери соляной кислоты (за счет испарения и уноса брызг с парами) больше, чем серной. Поэтому для каждой кислоты установлены оп­ тимальные температуры травильных растворов: для серно­ кислого .— 60—70° С, для солянокислого — 30—40° С.

В процессе травления растворы обогащаются солями железа (FeS04 или FeCL). С повышением концентрации

22

FeS04 в растворе продолжительность* травления возрастает. Сульфат железа плохо растворяется в серной кислоте, поэто­ му он быстро насыщает раствор и в виде шлама осаждается на поверхности изделий, загрязняя их и ухудшая доступ кислоты. Но, вместе с тем, было установлено [42], что сульфат закиси железа, по-

23

водорода [43, 49J, т. е. ускоряет перевод окиси железа в закись. Поскольку хлористое железо хорошо растворяется в соля­ ной кислоте, в растворе почти нет шлама, и поверхность из­ делий после травления оказывается более чистой, чем при травлении в серной кислоте.

Различный механизм травления в серной и соляной кис­ лотах позволяет сделать вывод, что наиболее целесообраз­ ным было бы травление в смеси этих кислот, особенно при наличии толстого рыхлого слоя окалины. Этот вывод был подтвержден исследованиями, проведенными на Северском металлургическом заводе [16] (табл. 2). При работе на смеси кислот рекомендуется через каждые 7—8 ч работы вводить в раствор поваренную соль (20 г/л).

Температура раствора должна быть равна 55—65° С, время травления — 6—7 мин. Как видно из таблицы, при­ менение для травления чистой серной кислоты приводит к

24

сильному растравливанию основного металла при слабом растворении окалины. При травлении в соляной кислоте основной металл растворяется значительно слабее и очень хорошо растворяется окалина. Оказалось, что оптимальны­ ми являются растворы, содержащие H2S04 и НС1 в отно­ шении 1 : 1 по концентрации. Но даже при этих оптималь­ ных составах растворимость железа в травильных растворах оказывается высокой.

Растворимость железа зависит от химического состава и качества стали, состояния поверхности и наличия различных включений. Увеличение количества фосфора в стали уве­ личивает растворимость железа в серной кислоте; при­ меси меди, наоборот, уменьшают растворимость железа [8]. Кремний действует так же, как и медь. Влияние углерода сказывается лишь при высоком содержании (больше0,9%), а сталь# и проволока, подлежащие цинкованию, содержат значительно меньшее количество его. Неметаллические включения в стали, шероховатая поверхность также способ­ ствуют более сильному растворению железа в кислоте. Сталь или изделия, прошедшие отжиг после всех видов ме­ ханической обработки, не имеют внутренних напряжений и, по законам термодинамики, обладают большей стойкостью к растворяющему действию кислот. Изделия, не прошедшие отжиг, обладают большим запасом энергии и, находясь по­ этому в метастабильном (неустойчивом) состоянии, облада­ ют большей растворимостью.

В результате растворения железа в кислоте выделяется атомарный водород, который легко поглощается металлом, образуя гидриды железа. После насыщения металла ато­ марным водородом начинается разложение гидридов железа под действием кислоты, в результате которого выделяется молекулярный водород, заполняющий поры и пустоты в металле. При нагревании металла в процессе цинкования

25

этот водород расширяется, создавая большие давления. В результате на оцинкованной поверхности возникает «тра­ вильный пузырь». Насыщение водородом металла происхо­ дит тем интенсивнее, чем более рыхлая структура стали, чем больше развита ее поверхность, чем выше температура раствора и продолжительность травления.

Для уменьшения растворения железа и выделения водо­ рода, а также для снижения расхода кислоты применяют замедлители травления (травильные присадки, или инги­ биторы травления). Замедляя растворение железа, они не препятствуют растворению окислов железа. Ингибиторами травления могут служить многие органические соединения как естественного происхождения (столярный клей, крах­ мал, декстрин, жмыхи, пшеничные отруби), так и синтети­ ческие (тиомочевина, дибензилсульфоксид, триамиламин). Эффективными регуляторами травления являются присад­ ки «Уникол», КС, ПБ, ЧМ, МН. Присадки вводятся в

количестве 0,05—3% по отношению к травильному раствору. Температура травильных растворов, содержащих ингибито­ ры травления, колеблется от 18 до 80° С [29],

На отечественных предприятиях наиболее широкое рас­ пространение получили присадки марки ПБ, КС и ЧМ. Присадки ПБ, ПБ-5 вводятся в количестве 0,4% в растворы соляной кислоты; температура растворов — 20—40° С. Присадки КС (кровь сульфированная) и ЧМ вводятся в рас­ творы серной кислоты при температуре 60° С в следующих количествах: КС—0,4%, ЧМ —■0,2%. Присадка ЧМ со­ стоит из ингибитора Р и пенообразователя П. Пенообразо­ ватель препятствует образованию кислотного тумана над травильной ванной. Соотношение компонентов П и Р в при­ садке ЧМ подбирают с таким расчетом, чтобы на 1 м1 по­ верхности травильного раствора приходилось 0,5—1 кг пенообразователя.

2.6