Виды загрязнений поверхности и существующие способы очистки

1. Виды загрязнений поверхности и существующие способы очистки

Состояние поверхности металлов и сплавов оказывает большое влияние на эксплуатационные качества готовых изделий. Важную роль играет под готовка поверхности на промежуточных операциях, поскольку вносимые при их проведении загрязнения могут дать дефекты, исправление которых на дальнейших стадиях изготовления продукции весьма затруднительно.

Встречающиеся на поверхности стальных изделий загрязнения можно разбить на три основные группы:

1) твердые окисные и солевые образования (окалина, ржавчина, про­дукты травления и т. д.),

2) масляные, жировые и эмульсионные пленки, наносимые специально при прокатке и штамповке в качестве смазки,

3) твердые и жидкие загрязнения случайного характера (пыль, металли­ческие частицы и т. д.).

Загрязнения первой группы почти нерастворимы в воде, щелочных и органических растворителях, но хорошо растворяются в кислотах. Мине­ральные масла растворяются в органических растворителях (бензине, бен­золе, эфире и т. д.). В щелочной среде они диспергируются и образуют

эмульсии, отделяющиеся от поверхности металла: Животные и раститель­ные масла сравнительно легко омыляются щелочами, растворяются в орга­нических растворителях и образуют водорастворимые соединения с некото­рыми кислотами.

Продукты взаимодействия животных и растительных жиров с применя­емыми для очистки растворами также могут быть эмульгированы. Часть из них растворима в воде, часть реагирует со щелочами с образованием водорастворимых соединений.

Масла и жиры при нагреве в окислительной среде сгорают, а в восста­новительной и нейтральной - разлагаются, перегоняются и испаряются.

При определенных условиях на поверхности металла может остаться твердый остаток, удаление которого весьма затруднительно.

Загрязнения третьей группы обычно удаляются техническими способами (щетками, сильной струёй воды, действием ультразвуковых колебаний).

Существенную роль в процессах очистки играет состав стали и состояние ее поверхности. Содержащиеся в стали легирующие элементы и примеси сильно влияют на состав и структуру окисных пленок, образующихся на поверхности.

Разнообразная природа загрязнений поверхности приводит к необходи­мости выполнять различные операции очистки в определенной последова­тельности. При этом за каждой химической операцией должна следовать соответствующая промывка поверхности. ^:

При химическом обезжиривании очищающая жидкость должна хорошо смачивать поверхность металла. Только в этом случае можно достичь такого контакта, при котором может произойти либо растворение загрязнения, либо его отрыв от поверхности. Это происходит в том случае, если коэффи­циент поверхностного натяжения (или поверхностная энергия) на границе металл - газ превышает сумму соответствующих аналогичных характери­стик на границах металл - жидкость и жидкость - газ. При большой величине поверхностной энергии границы металл - жидкость наблюдается явление полного несмачивания. Промежуточное состояние характеризуется определенной величиной краевого угла смачивания (угла между поверхно­стью металла и касательной к поверхности жидкость - газ в точке сопри­косновения трех сред).

Жидкое загрязнение удаляется с поверхности при помощи нерастворя­ющейся жидкости в том случае, если она способна образовывать на границе с металлом краевой угол, меньше краевого угла, образуемого жидким

загрязнением» При этом очищающая жидкость должна прника-пь через

тонкую пленку жидкого загрязнения непосредственно к поверхности металла.

Вытеснение пленки очищающей жидкостью почти всегда сопровожда­ется химическим взаимодействием их компонентов. Последнее играет ре­шающую роль при растворении загрязнений органическими растворителя­ми. Интенсификация этих процессов достигается применением поверхно­стно-активных веществ (ПАВ), которые помогают отделить частицы загряз­нения от поверхности металла с образованием эмульсии и удерживают в ней частицы, не давая им возможности повторно осесть. Для интенсификации процессов при химическом обезжиривании часто применяют ультразвук.

Электрохимическое обезжиривание в щелочных растворах протекает быстрее, чем химическое. В качестве электролитов используются растворы тех же веществ (МаОН, КОН, МазР04, Nа2СОз, Ма2&Юз), что и при химическом обезжиривании. Механизм процесса электрохимического обез­жиривания сводится, в основном, к эмульгированию жиров пузырьками водорода (на катоде) или кислорода (на аноде).

При погружении загрязненного металла в щелочной раствор наблюдает­ся разрыв масляной пленки и собирание ее в капли. При поляризации металла прилипание масляной пленки к металлической поверхности умепь шается. Газовые пузырьки, отрываясь от электрода около капли масла, задерживаются на ней. По мере увеличения их размеров масляные капли вытягиваются, силы сцепления их с поверхностью металла уменьшаются, и они отрываются от поверхности.

При использовании постоянного тока на катоде выделяется в два рааа больше газа, чем на аноде. Поэтому катодное обезжиривание является болей эффективным. При одинаковом количестве выделяющегося газа более эффективным является обезжиривание выделяющимся кислородом. Это может быть объяснено частичным гидрированием смазки (взаимодействием с водородом) с образованием более вязких продуктов, которые труднее удаляются с поверхности.

Обычно применяемая плотность тока в стационарных ваннах не превы шает 0,03...0,1 А/см², при обезжиривании быстро перемещающихся полос и проволоки плотность тока увеличивают до 0,25...0,50 А/см .

Наиболее простым способом удаления с поверхности всех органических веществ является обезжиривающий отжиг. Для предотвращения образова­ния на поверхности слоя окислов его обычно проводят в защитной атмос­фере. Это усложняет конструкцию соответствующих агрегатов и повышает стоимость данной технологической операции. Поэтому его применяют в тех случаях, когда наряду с обезжириванием требуется термическая обработка. Полного испарения масел и жиров с поверхности обычно не происходит.

При нагреве в воздушной атмосфере это связывают с окислением ком­понентов смазочных материалов. При недостатке кислорода вместо полного сгорания смазки может происходить процесс сухой перегонки, сопровож­дающийся образованием твердого углеродистого остатка.

Удаление с поверхности окислов обычно проводят с использованием химического и электрохимического травления. При химическом травлении на поверхности протекают сложные физико-химические процессы: смачи­вание окалины растворами кислот, проникновение их в поры, сопровожда­ющееся началом химического взаимодействия. Этому моменту соответству­ет наибольшая скорость процесса. При насыщении раствора продуктами взаимодействия наблюдается спад скорости растворения окислов.

Применение электрохимического травления позволяет интенсифициро­вать процесс удаления окислов. В качестве электролитов используют рас­творы кислот, щелочей, солей, а также их смеси. Стальные изделия могут быть как катодом, так и анодом.

При катодном травлении в растворах кислот выделяется водород, кото­рый имеет большую восстановительную способность и может восстанавли­вать высшие окислы металлов до низших, растворимых в кислоте. Кроме того, выделение водорода способствует разрыхлению и отрыву окалины.

При анодном травлении удаление окислов сопровождается образованием пассивной пленки, препятствующей растворению основного металла.

Для очистки поверхности от окислов применяются и другие методы; в частности механические: обработка металлическими щетками, абразивами, дробеструйная и пескоструйная очистка.