不锈钢酸洗钝化原理

2019-03-0810:40:30不锈钢酸洗钝化原理已关闭评论

不锈钢的酸洗和钝化虽然不属于真正意义上的热处理,但是,可视为不锈钢热处理的预处理和后处理过程,是保证不锈钢质量的重要环节。下面金利恒旺就为您讲解一下不锈钢酸洗钝化的原理,配方和操作方法。

一、不锈钢的酸洗

不锈钢在生产制造过程中,尤其在热加工生产过程中,如铸造、锻造、热轧、热处理、焊接等,在无保护条件下加热和保温,会在工件表面生成不同程度的氧化物,严重的是氧化皮,轻微的有氧化膜。这些氧化物中依钢种不同,含有铁、铬、镍、钼、碳等元素。常见的有FeO、Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、NiO、SiO2等,这些氧化物不仅对工件外观产生影响,还会影响后序加工,降低耐腐蚀性能,表面氧化层与基体的密度和热膨胀系数不同,还会使工件表面存在应力等。所以,不锈钢表面的氧化物应予以去除。依据不同的情况,可采用机械法、喷沙、酸洗等方法去除不锈钢表面的氧化物。下面主要介绍不锈钢的酸洗。

1.酸洗的基本原理

目前,常见的酸洗用酸有硫酸(H2 SO4)、盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)、氢氟酸(HF)等。根据不同的情况,有多种配方。除加入某些酸外,还有的应加入缓蚀剂等。以盐酸为例说明酸洗的原理。

FeO+ 2HCl═══FeCl2+H2O

Fe3O4+8HCl═══2FeCl3+ FeCl2+4H2O

Fe2O3+6HCl═══2FeCl3+3H2O

Fe+2HCl═══FeCl2+H2

前三个化学反应的结果是使铁的氧化物与酸作用,生成可溶于水的盐类(FeCl3和FeCl2),而最后一个反应的结果是酸与基体作用产生氢气(H2),氢气生成在钢的基体与氧化物之间,可促使氧化物与钢的基体分离而剥落。

硝酸除有去除氧化物的作用外,还会起到生成钝化膜的作用。

氢氟酸只适用于奥氏体不锈钢的酸洗,不适用于马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的酸洗。

2.不锈钢酸洗的常见酸洗液配方

不锈钢的酸洗,应依据不锈钢种类的不同及氧化物的形态,采用不同的酸洗液。下面介绍几种常见的不锈钢酸洗液成分配方。

①盐酸—硝酸—氢氟酸溶液(低浓度型)。

盐酸(HCl,比重1.19): 50mL/L

硝酸(HNO3,浓度65%): 95mL/L

氢氟酸(HF,浓度40%): 22mL/L

六次甲基四胺[(CH2)6 N4]: 2g/L

水(H2 O)余量

使用温度:<40℃

酸洗时间: 3~10min

加入六次甲基四胺可起到缓蚀的作用。

适用于经过热压、焊接加工,有较厚氧化层的不锈钢件的酸洗。但不适用于马氏体不锈钢和铁素体不锈钢。

②盐酸—硝酸—氢氟酸溶液(高浓度型)。

盐酸(HCl,比重1.19): 100mL

硝酸(HNO3浓度65%): 100mL

氢氟酸(HF浓度40%): 50~60mL

水(H2 O): 50mL

使用温度: 15~40℃

酸洗时间: 0.3~0.5min

这个溶液酸的比例较高,无缓蚀剂,所以作用比较强烈,适用于铸造不锈钢的酸洗。因为不锈钢铸件表面的氧化物中含有氧化硅、氧化铬、氧化镍等,在强酸溶液的作用下可以很好地起到清理的作用。

③盐酸—硫酸溶液。

盐酸(HCl,比重1.19): 300mL/L

硫酸(H2 SO4,比重1.84): 210mL/L

乙醇(C2 H5 OH): 120mL/L

六次甲基四胺[(CH2)6 N4]: 2~3g/L

双氧水(30% H2 O2): 260mL/L

水(H2O):余量

使用温度: 15~30℃

酸洗时间: 3~5min

适用于不锈钢表面存在一层薄而致密的氧化物膜的酸洗。溶液中含有硫酸和盐酸,所以比单一酸的酸洗效果好。加入六次甲基四胺可起到缓蚀的作用,加入双氧水有利于氧化膜的溶解和去除。乙醇的作用是稳定双氧水,使其充分发挥作用。

④对于含铬量较低的Cr13型马氏体不锈钢,氧化物中主要含有铬的氧化物,这种氧化物是酸性的,而且比奥氏体不锈钢产生的氧化层更厚,所以,有的采用硫酸—盐酸预酸洗,再用稀硝酸清洗的双重工序。

a.预酸洗。

硫酸(H2 SO4,比重1.84): 27mL/L

盐酸(HCl、比重1.19): 310mL/L

六次甲基四胺[(CH2)6 N4]: 3~5g/L

水(H2 O):余量

使用温度:室温

酸洗时间: 15~30min

此溶液中含有缓蚀剂,且盐酸的比例较大,对氧化物的去除作用较强,可有效地疏松钢表面的氧化物。

b.漂白酸洗。

硝酸(HNO3,比重1.55): 60mL/L

水(H2O):余量

使用温度:室温~50℃

通过漂白酸洗,可以使反应物较容易地从工件表面除去。

硝酸是一种很强的氧化性酸,在反应过程中放出的氧原子使不锈钢表面重新形成三氧化二铬(Cr2O3)薄膜,使工件表面洁净且提高其耐蚀性能。从漂白酸洗的原理和结果可见,这实际上是一个不锈钢的钝化过程。

3.不锈钢酸洗应注意的问题

①酸洗液的选择。为保证对不锈钢表面氧化物的酸洗效果,减少酸洗后的副作用,应根据不锈钢的种类和氧化的程度、酸洗的主要目的等合理选择酸洗液。

对于马氏体不锈钢和铁素体不锈钢,不要采用含氢氟酸成分的酸洗溶液,以防过腐蚀,可选择含有缓蚀剂(六次甲基四胺等)的酸洗液,可减小或防止过腐蚀的产生。

对于需清除严重的、厚层氧化物时,可采用浓度较大的酸液,反之采用浓度较小的酸液。

如果初次采取不锈钢酸洗工艺方法,最好先进行试验对比,以确定最合适的酸洗方法。

②这里只着重介绍了不锈钢酸洗的情况,在实际酸洗操作中,还应在酸洗前对工件表面进行清理、水洗除油等程序,在酸洗后还应进行水洗,甚至进行中和处理等,以保证酸洗后的工件表面无残留酸液或其他有碍工件表面质量的残留物。

③酸洗不是对任何不锈钢、任何状态都适用的。比如,经淬火硬化的不锈钢,淬火-回火的马氏体不锈钢,经氮化处理的不锈钢,经过耐磨堆焊的不锈钢,带细小孔洞的不锈钢(酸洗液可能滞留孔洞中造成以后的腐蚀)等状态均不适合采用酸洗。

④不锈钢在酸洗过程中,会有一定量的氢原子吸附在金属基体内,易形成氢脆现象,所以,对于高强度不锈钢或有特殊要求时,在酸洗后应采取除氢处理。

⑤各类酸均有较强的腐蚀性和挥发性,所以,在配制酸洗液和使用时,均应注意执行操作程序和采取安全防护措施,以保证人身和设备的安全。

二、不锈钢的钝化

不锈钢及其制品在生产、加工、热处理及包装运输过程中,都有可能破坏表面的钝化膜,从而降低不锈钢的耐点腐蚀、晶间腐蚀、磨耗腐蚀的能力。特别是用在极其重要设备上的不锈钢零件,要严格保持表面的纯净度,防止污染。这些问题都可以用钝化来解决。钝化的目的是在不锈钢及其零件表面形成均匀的、致密的钝化膜。

1.不锈钢钝化机理及影响因素

不锈钢钝化理论有薄膜理论和吸附理论。薄膜理论认为是金属与介质作用,生成很薄的保护膜;吸附理论认为是离子吸附所引起的金属表面化学活泼性减少。薄膜或吸附层的存在,阻碍了腐蚀过程的进行,提高了金属的化学稳定性。在合金元素中,铬、镍都是可钝化性强的元素,所以,不锈钢,特别是铬含量、镍含量越高的不锈钢可钝化性越强。具有单相组织的奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢,因组织单一且均匀,可钝化性强。马氏体不锈钢热处理强化后具有多相组织,可钝化性差。

2.不锈钢常见钝化方法及化学法钝化工艺

不锈钢钝化的方法很多,有化学法钝化和电化学法钝化方法,还有比较简单的常温自然钝化法、高温钝化法等。化学法钝化又依采用钝化介质的不同,分为硝酸型介质钝化法、硫酸型介质钝化法、双氧水型介质钝化法及碱液型介质钝化法等。

(1)硝酸型介质钝化。目前,企业较普遍采用的是硝酸型化学钝化法。采用硝酸溶液的原因是因为硝酸是强氧化性酸,与不锈钢反应后,可形成质量优良的含铬元素的氧化膜。

不同国家、不同企业选用的硝酸溶液浓度和钝化时间、温度等条件略有区别。下面介绍其中两种。

①硝酸型介质钝化。

硝酸(HNO3,浓度70%): 10%~20%(按容积)

水(H2 O):其余

使用温度: 20~50℃

浸泡时间: 10~30min

这是比较通用的钝化方法,特别适用于含铬量≥17%的不锈钢。

②硝酸-重铬酸盐型介质钝化。

硝酸(HNO3,浓度70%): 20%~30%(按容积)

重铬酸钠(Na2 Cr2 O7·2H2 O): 2%(按重量)

水(H2O):其余

使用温度: 20~50℃

浸泡时间: 10~30min

在硝酸溶液中加入重铬酸盐可增强钝化能力,适用于含铬量<17%的各种不锈钢,但不适用于易切削的高硫、高硒不锈钢。易切削不锈钢钝化时,上述配方中的硝酸比例应提高至40%(按容积)。

(2)碱性溶液钝化。Cr13型的马氏体不锈钢耐腐蚀性较差,用酸性钝化液难以取得好的效果,可以用碱性溶液钝化。

氢氧化钠(NaOH): 14%(重量比)

磷酸钠(Na3 PO4·12H2O): 3%(重量比)

亚硝酸钠(NaNO2): 2g/L

水(H2O):其余

使用温度: 100~110℃

浸泡时间: 20~30min

3.不锈钢钝化应注意的问题

(1)为保证不锈钢的钝化效果,在钝化前应对工件表面进行清理、除油、酸洗,甚至是抛光,使工件显露出新鲜的金属基体。

(2)钝化后的工件最好再进行一次补充后处理。

①奥氏体不锈钢在酸性介质钝化后,最好在1%的氢氧化钠溶液中进行短时间的中和处理。

②铁素体不锈钢钝化后,应在5%(重量比)的重铬酸钾(K2 Cr2 O7)中浸泡处理。

③马氏体不锈钢钝化后,可在5%(重量比)的重铬酸钠(Na2 Cr2O7)溶液中补充处理,也可在稀氢氧化钠(NaOH)溶液中进行短时浸泡处理。

(3)不锈钢钝化后,应注意清理表面,保证表面洁净。

(4)不锈钢的钝化效果、质量与钢种、成分、选用配方、温度、时间等因素有关,大批量首次采用钝化处理时,应试验后进行。

(5)不锈钢的酸性或碱性钝化液均具有一定的腐蚀性,在配制和使用时应注意操作安全和防护。

4.不锈钢酸洗与钝化的解说

从上述内容可知,不锈钢的酸洗和钝化都是保证和提高不锈钢质量(主要是表面质量)的主要手段,二者之间有联系又互为补充和制约。

酸洗是以清理工件表面,便于后续加工或还要进行的其他处理为目的,是要去除工件表面的氧化物,活化表面金属的过程,也是不锈钢钝化处理前的预处理过程。而经过活化的不锈钢最终还要采取钝化处理。

钝化是以提高不锈钢表面的耐腐蚀性能为主要目的,是在工件表面形成氧化膜的过程,是钝化表面金属的过程。钝化前要采用酸洗处理作为预处理,而经过酸洗的不锈钢一般还要进行最后的钝化处理。

某些情况下,在一种介质中会出现两种处理的效果,比如,在硝酸钝化溶液中加入氢氟酸后,此种溶液便具有先浸蚀氧化物再进行钝化的作用。

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