Раствор для одновременного травления и обезжиривания металлов

 

Изобретение относится к химической обработке металлов, в частности для травления и обезжиривания черных металлов, а также меди, алюминия и их сплавов, и может быть использовано в сварочном, окрасочном и гальванотехническом производстве машиностроения и в других отраслях промышленности. Раствор для одновременного травления и обезжиривания металлов содержит, мас.%: ортофосфорная кислота (d - 1,7 г/см³) 8,3 - 12 ,3; поверхностно-активное вещество 0,1 - 0,5; комплексообразующая добавка 0,01 - 0,5; сульфосалициловая кислота 0,1 - 1,5; ацетон 4,0 - 10,0; гидроокись аммония 0,2 - 0,6; азотнокислый цинк 0,2 - 1,0 и вода остальное. В качестве комплексообразующей добавки раствор может содержать лимонную кислоту. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к химической обработке металлов и может быть использовано для травления и обезжиривания преимущественно черных металлов, а также меди, алюминия и их сплавов, и имеет применение в сварочном, окрасочном и гальвано-техническом производстве машиностроения и в других отраслях промышленности.

В настоящее время проблема создания растворов для одновременного травления и обезжиривания черных металлов, используемых также для травления и обезжиривания меди, алюминия и их сплавов, встала достаточно остро в связи с необходимостью создания коррозионно-стойкой очищенной поверхности после завершения травления обрабатываемого металла. Известные растворы не защищают достаточно эффективно очищенную поверхность металла как от следов раствора после извлечения изделия, что требует дополнительной его очистки, например водой, так и от дальнейшего воздействия неблагоприятных климатических факторов.

Известен раствор для очистки поверхности черных металлов, содержащий ортофосфорную кислоту, поверхностно-активное вещество, сульфосалициловую кислоту, ацетон, азотнокислый аммоний и воду [1] Однако известный раствор не позволяет очищать медь, алюминий и их сплавы, а очистка черных металлов является недостаточно эффективной из-за отсутствия комплексообразующих добавок, позволяющих производить эффективное удаление в виде комплексов продукты травления металлических изделий. Кроме этого, обезжиривание металлов от органических примесей также недостаточно эффективно из-за отсутствия возможности омыления части из них.

Известный раствор также не защищает достаточно эффективно очищенную поверхность от коррозии после очистки от воздействия неблагоприятных климатических факторов.

Наиболее близким к предлагаемому является раствор для одновременного травления и обезжиривания металлов, содержащий ортофосфорную кислоту, соляную кислоту, поверхностно-активное вещество, комплексообразующую добавку, сульфосалициловую кислоту, ацетон и воду [2] Однако известный раствор не защищает достаточно эффективно очищенную поверхность как от воздействия следов раствора (соляной и ортофосфорной кислот, находящихся в избытке) после извлечения изделия, что требует дополнительной очистки последнего, например водой, для избежания дальнейшей коррозии, а также от дальнейшего воздействия неблагоприятных климатических факторов. Кроме этого, обезжиривание металлов от органических примесей также недостаточно эффективно из-за отсутствия возможности омыления некоторых типов из них. Используемые комплексообразующие добавки недостаточно эффективны для обрабатываемых металлов.

Цель изобретения повышение качества образующейся пассивирующей пленки и очищающих свойств раствора.

Цель достигается тем, что в раствор для одновременного травления и обезжиривания металлов, содержащий ортофосфорную кислоту, поверхностно-активное вещество, комплексообразующую добавку, сульфосалициловую кислоту, ацетон и воду, в отличие от прототипа, введены гидроксид аммония и азотнокислый цинк при следующем соотношении компонентов, мас.

Ортофосфорная кислота (d 1,7 г/см³) 8,3 12,3 Поверхностно-ак- тивновное вещество 0,1 0,5 Комплексообразу- ющая добавка 0,01 0,5 Сульфосалициловая кислота 0,1 1,5
Ацетон 4,0 10,0
Гидроксид аммония
(25 мас.) 0,2 0,6
Азотнокислый цинк 0,2 1,0
Вода Остальное
В качестве комплексообразующей добавки может быть использована лимонная кислота.

Раствор для одновременного травления и обезжиривания металлов готовят следующим образом.

Производят растворение в воде при комнатной температуре компонентов, г/л:
Ортофосфорная
кислота (d 1,7 г/см³) 83 123
Поверхностно-актив-
ное вещество 1 5
Комплексообразу-
ющая добавка 0,1 5
Сульфосалициловая
кислота 1 15
Ацетон 40 100
Гидроксид аммония
(25 мас.) 2 6
Азотнокислый цинк 2 10
В качестве поверхностно-активного вещества могут быть использованы синтанол ОП-2, ОП-7, ОП-10, сульфонол и т.п. В качестве комплексообразующей добавки могут быть использованы, кроме лимонной кислоты, также винная, нитрилуксусная, пропионовая, щавелевая кислоты и их соли, глюконаты, сульфамиды, уротропин, трилон Б и т.п.

Приготовленным раствором обрабатывают поверхность металлического изделия из черных металлов, а также меди, алюминия или их сплавов, например, деталей ходовой части изделия. Поверхность изделия имеет сплошное загрязнение техническими минеральными маслами, жировыми соединениями, эмульсолом и следы атмосферной коррозии.

При этом наблюдают две стадии процесса. Сначала происходит обезжиривание поверхности металла, сопровождающееся эмульгированием жиров и слабым газовыделением. После обезжиривания поверхности идет интенсивное травление с обильным газовыделением и в ряде случаев некоторым повышением температуры раствора. По мере травления поверхности металла выявляется кристаллическая структура обрабатываемой поверхности с характерным рисунком.

Эффект одновременного обезжиривания и травления достигается следующим образом. Обезжиривающее действие раствора обеспечивается эмульгирующим действием поверхностно-активного вещества, например, синтанола ОП-7, омылением части жиров гидроксидом аммония и растворением оставшихся масел и других органических примесей ацетоном.

Травящее действие раствора обеспечивается действием ортофосфорной и сульфосалициловой кислоты. Роль сульфосалициловой кислоты заключается в создании промежуточных внутрикомплексных солей с А⁺³, Cu⁺², Fe⁺². Для улучшения качества травления раствор содержит комплексообразующую добавку преимущественно лимонную кислоту, которая связывает в прочное соединение примеси сплавов алюминия, меди и железа, подвергаемых травлению. Причем лимонная кислота является наиболее эффективной из применяемых комплексообразующих добавок, образуя три связи с травимым материалом типа:
Fe-OOC-H)CH₂COO-Fe в отличие, например, от щавелевой кислоты, образующей только две такие связи.

Наличие азотнокислого цинка в растворе позволяет повысить антикоррозионную стойкость образующейся в результате очистки обрабатываемой поверхности металла пассивирующей фосфатной пленки за счет образования с азотнокислым цинком более устойчивой мелкозернистой (в отличие от довольно крупнозернистой по прототипу) фосфатной пленки по реакции:
Zn(NO₃)₂+2H₃PO₄ Zn(H₂PO₄)₂+2HNO₃
Zn(H₂PO₄)₂ ZnHPO₄+H₃PO₄
3ZnHPO₄ Zn₃(PO₄)₂+H₃PO₄
Таким образом, происходит осаждение на очищенной поверхности фосфорнокислого цинка, а свободную фосфорную кислоту связывает травимый металл, например железо.

После обезжиривания и травления осуществляют сушку металлического изделия на воздухе до образования сплошной мелкозернистой пассивирующей пленки фосфорнокислого цинка на поверхности металла.

Обработанная поверхность изделия не нуждается в дополнительной обработке, например, в промывке в воде для удаления ржавчины и избытка кислот, как практически всегда требуется в прототипе.

Затем осуществляют контроль качества обработки. После чего грунтуют, окрашивают, сушат и контролируют лакокрасочное покрытие. Причем адгезия лакокрасочного покрытия при наличии мелкозернистого покрытия фосфорнокислого цинка значительно выше, чем адгезия такого покрытия при обработке металлического изделия раствором по прототипу. Проверка качества сцепления лакокрасочного покрытия согласно ГОСТ 15140-89 показала повышение ее адгезии по сравнению с прототипом не менее, чем на 2 балла.

Результаты испытаний раствора стальных изделий Ст.10,40Х,38хС, а также изделий из меди марки МОб, сплава меди БрЦр, алюминия Ал-9, Ал-2, Ал-24, сплава алюминия АМг-6, АД-16, АД-1, АДС-М посредством их обработки в течение 10-15 мин представлены в таблице.

Как показали результаты испытаний, в процессе обработки металлических изделий одновременно происходит обезжиривание и травление (активация) металла. При этом после очистки на поверхности металла образуется пассивирующая защитная мелкозернистая пленка фосфорнокислого цинка, обеспечивающая эффективную межоперационную защиту очищенного металла, превышающего срок хранения изделия (пример NN 1 б-е), по сравнению с защитной пленкой по прототипу (пример N 2), не менее чем в 2 раза.

Предлагаемый раствор позволяет обрабатывать одновременно черные металлы, алюминий, медь и их сплавы. Широкий диапазон применения раствора в технологии машиностроения позволяет обрабатывать алюминиевые сплавы АДС-М, АМГ-6, АД-1, Д-16 в качестве подготовительных операций под сварку, окраску, а литьевые сплавы АЛ-3В, Ал-2, Ал-9, Ал-24 под окраску. Медные сплавы обрабатывают при подготовительных операциях под сварку, пайку, а также для удаления термических окислов.

Использование раствора при следующем соотношении компонентов, г/л: ортофосфорная кислота 83,0-123,0; поверхност- но-активное вещество 1,0-5,0; комплексообразующая добавка 0,1-5,0; сульфосалициловая кислота 1,0-15,0; ацетон 40,0-100,0; гидроксид аммония 2,0-6,0; азотнокислый цинк 2,0-10,0 при разведении водой компонентов до 1 л обусловлено тем, что при содержании компонентов меньше указанных (пример N 1а) операция травления и обезжиривания не осуществляется до конца из-за недостатка компонентов кислот и поверхностно-активных веществ, ацетона и гидроксида аммония, а недостаток азотнокислого цинка при наличии неудаленных жиров и следов ржавчины также не позволяет образовывать эффективную защитную мелкозернистую пассивирующую пленку.

При превышении концентрации компонентов в растворе выше допустимой (пример N1ж) после завершения процесса травления на поверхности обрабатываемого металла остаются следы сильноконцентрированных кислот ортофосфорной, сульфосалициловой и лимонной, наличие которых после извлечения изделия может приводить к дальнейшему неконтролируемому разрушению изделия, и для удаления которых требуется дополнительная операция промывки, что часто имеет место в прототипе (пример N 2). Причем при избыточной концентрации сульфосалициловой кислоты, а также азотнокислого цинка на поверхности изделия образуется избыток солей, в том числе цинковых, приводящих к ухудшению качества образующейся защитной пассивирующей пленки фосфорнокислого цинка, в том числе другого состава, и как следствие, к ухудшению адгезии наносимого лакокрасочного покрытия.

При превышении содержания гидроксида аммония (пример N1ж) уменьшается травящее действие раствора за счет повышения его рН и уменьшения содержания свободных кислот.

При превышении содержания ацетона выше избыточного (пример N1ж) раствор может становиться пожароопасным за счет возможного образования при этом пероксидных соединений ацетона с кислородом ортофосфорной кислоты.

Превышение содержания ПАВ выше допустимого (пример N 1ж) приводит к избыточному пенообразованию и эмульгированию в растворе, что ухудшает его технологичность при использовании, может повышаться при этом рН раствора, что снижает его травящее действие.

Таким образом, предлагаемый раствор обладает комбинированным действием при очистке различных металлов, позволяет сократить цикл обработки, обеспечивает минимальный выброс вредных веществ в атмосферу, позволяет производить обработку поверхностей протиркой, окунанием, струйным обливом. Кроме этого, повышается качество образующейся пассивирующей пленки фосфонокислого цинка по сравнению с защитной пленкой по прототипу не менее чем на 0,5 порядка при повышении очищающих свойств не менее чем на 10%
Предлагаемый раствор позволяет механизировать процесс травления за счет использования его в струйных моечных машинах проходного типа, на поточно-механических линиях, для локальной подготовки поверхностей под сварку и под лакокрасочные покрытия, например, на крупногабаритных деталях.

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом заявляемого раствора для одновременного травления и обезжиривания является: повышение качества образующейся пассивирующей пленки не менее чем на 0,5 порядка за счет обеспечения возможности образования на очищаемой поверхности металла мелкозернистой пленки фосфорнокислого цинка с высокими прочностными и антикоррозионными свойствами; повышаются очищающие свойства раствора не менее чем на 10% за счет повышения обезжиривающего действия посредством введения гидроксида аммония и травящего действия за счет использования в качестве комплексообразующей добавки лимонной кислоты; не требуется дополнительной промывки водой поверхности изделия после его извлечения из раствора; раствор является комбинированным при очистке изделий из черных металлов и, прежде всего, стали, а также алюминия, меди и их сплавов, и его применение под сварку и окраску таких изделий позволяет улучшить условия труда работающих за счет исключения применения легковоспламеняющихся жидкостей (бензин, ацетон, уайт-спирит) для обезжиривания металлических поверхностей.

Формула изобретения

1. Раствор для одновременного травления и обезжиривания металлов, содержащий ортофосфорную кислоту, поверхностно-активное вещество, комплексообразующую добавку, сульфосалициловую кислоту, ацетон и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гидроксид аммония и азотнокислый цинк при следующем соотношении компонентов, мас.

Ортофосфорная кислота (d 1,7 г/см³) 8,3 12,3
Поверхностно-активное вещество 0,1 0,5
Комплексообразующая добавка 0,01 0,5
Сульфосалициловая кислота 0,1 1,5
Ацетон 4 10
Гидроксид аммония (25%-ный) 0,2 0,6
Азотнокислый цинк 0,2 1,0
Вода Остальное
2. Раствор по п.1, отличающийся тем, что в качестве комплексообразующей добавки он содержит лимонную кислоту.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3