Лако-красочные материалы — производство

Окисные пленки, возникающие на углеродистых и низколегиро­ванных сталях, содержат несколько слоев, отличающихся по свое­му составу (рис. 7,1). По Эвансу [1, с. 128], нижний слой «высо­котемпературной» окалины имеет состав, приближающийся к за­киси железа FeO; следующий состоит из магнетита Fe304 и на­ружный— из гематита Fe203. «Низкотемпературная» окалина состо­ит из Fe304 и Fe203. При температурах ниже 575 °С закись железа неустойчива, поэтому она в «низкотемпературной» окалине отсут­ствует. По Богоявленской [139], «низкотемпературная» окалина имеет более сложный состав: кроме гематита и магнетита она со­держит третий слой, прилегающий непосредственно к металлу и

состоящий из вюстита (твердый раствор Fe304 и FeO), включений высокодисперсного металлическо­го железа и FeO. «Высокотемпе­ратурная» окалина состоит лишь из двух слоев — гематита и маг­нетита.

Закись железа хорошо рас­творяется в кислотах, поэтому она стравливается в первую оче­редь, способствуя отслаиванию верхних слоев. Окислы Fe304 и Fe203, как было выше показано, растворяются в кислотах гораз­до хуже. Их удаление с поверх­ности в значительной степени обусловлено действием локаль­ных коррозионных элементов, возникающих при самопроизволь­ном разрыве пленки

Железо (анод) | кислота |

окисел Fe3+ (катод)

На катоде окись Fe3+ восстанавливается до окиси Fe2+, которая переходит в раствор. Это явление известно под названием вос­становительного растворения. Этот механизм, связывающий уда­ление окислов высшей валентности с поверхности металла не с непосредственным растворением гематита и магнетита кислотой, а с восстановительным растворением, был убедительно доказан Прайэром и Эвансом [140, с. 14]. Изучая растворимость окис­ла РегОз, авторы нашли, что непосредственное действие кислоты было медленным, а в растворе было обнаружено много ионов Fe2+, хотя окисел формально состоял из Fe203. Изучение модели корот­козамкнутого элемента, составленного из окисла железа РеаОз и Fe, подтвердило, что железо является анодом, а окисел — ка­тодом. При этом наблюдалось очень сильное растворение окисла с накоплением в катодном пространстве Fe2+. Таким образом, ка­тодная реакция — может рассматриваться как процесс образования дефектов структуры в решетке окисла Fe3+ (увеличение концент­рации Fe2+). Поскольку растворение окиси происходит предпочти­тельнее в дефектах структуры, то появление Fe2+ в растворе по­нятно.

Для травления углеродистых и низколегированых сталей при­меняют в основном H2SO4 и НС1. Взаимодействие H2SO4 с окис­лами железа описывается следующими уравнениями:

FeO + H2S04 = FeS04 + Н20 (7,1)

Fe203 + 3H2S04 = Fe2(S04)3 + 3H20 (7,2)

Fe304 + 4H2S04 FeS04 + Fe2(S04)3 + 4H20 (7,3)

Fe + H2S04 = FeS04 + H2 (7,4)

В 10%-ной H2S04 (40 °С), обычно применяемой в ЧССР для травления стали, растворяется в 6 раз больше железа, чем закиси железа, образующей наибольшую часть пленки окалины [141, с. 237]. Из общего количества расходуемой 10%-ной серной кисло­ты на химическое растворение окалины падает лишь 5% (рис. 7,2).

При травлении сплавов в соляной кислоте протекают следую­щие реакции:

В соляной кислоте за счет непосредственного химического рас­творения удаляется около 40% окалины [142, с. И, 72, 100], по­этому потери металла ниже. Кроме того, їв НС1 окалина удаляется быстрее. В этом отношении НС1 имеет преимущества перед H2S04. Однако в металлургической промышленности она применяется ограниченно, поскольку из-за малой ее концентрации (20—25%) необходимо иметь большие коррозионно-стойкие емкости для ее хранения и перевозки.

Оптимальной концентрацией серной кислоты для травления сталей в металлургической промышленности считают 20—22%, а соляной—18—20%. Обе эти кислоты должны применяться с

ингибиторами коррозии.

При травлении изделий в машиностроительной промышленно­сти также применяют серную и соляную кислоты. Оптимальные концентрации выбираются в зависимости от природы и толщины

окалины (табл. 7,1). В качестве ин­гибиторов применяют ЧМ, КС, ПБ-5, ПБ-8, МН-10 [143, с. 57].

Удаление окалины с низколеги­рованных сталей происходит труд­нее, поскольку окалина имеет более сложный состав и содержит элемен­ты, которые трудно растворяются в кислотах. Однако этот процесс мож­но ускорить добавлением к серной кислоте хлористого натрия.

По данным ‘[142], травление ле­гированных сталей марок ШХ6, ШХ9, ШХ15, Н12ХГ лучше вести в 15—18%-ной H2S04, содержащей

3% NaCl и 0,1% ЧМ.- Температуру поддерживают вначале на уровне 60—70 °С, а при снижении концент­рации кислоты до 5% поднимают до 80—90 °С.

Как видно из рис. 7,2 и экспери­ментальных результатов, изложенных выше, больше половины кислоты при травлении сталей расходуется на растворении метал­ла. Считают, что при травлении теряется 2—4% (масс.) протрав­ливаемой стали [141, с. 237]. Если учесть объем производства ста­ли в нашей стране (~150 млн. т/год) и долю металла, іподвергаю — щегося травлению, можно представить, какое количество металла теряется при травлении. Правда, на металлургических заводах при регенерации травильных растворов часть железа извлекается в ви­де железных пигментов, однако потери все же огромны.

Применение ингибиторов кислотной коррозии позволяет резко сократить потери металла и, кроме того, предотвратить наводоро — живание стали, (возникающее при растворении металла по реак­циям (7,4) и (7,8). При травлении сталей в H2S04 на наших за­водах в качестве ингибиторов применяют в основном присадки ЧМ(Р)—0,1% и пенообразователь ЧМ(П) из расчета 0,1 кг на 1 м2 зеркала ванны. Находят применение и ингибиторы КС и ка — тапин. При травлении в соляной кислоте применяют ингибиторы ПБ-5, БА-6, ПБ-8 и катании. При травлении проволоки использо­вание ингибитора ЧМ(Р) нежелательно, так как он образует на проволоке пленку, ухудшающую адгезию смазки, что увеличивает износ (волочильного инструмента. В этом случае рекомендуется применять присадку КС (0,15%) или отруби.

В работе [139, с. 83] сообщается об успешном применении на Ярославском моторном заводе при травлении черных металлов в серной кислоте ингибитора И-1-В (3 г/л) совместно с пенообразо­вателем ЧМ(П). Рекомендуют [139, с. 88] использовать в качест­ве ингибито-ров коррозии и отходы коксохимического производства.

Отмечается относительно высокий защитный эффект (у = 3-М0) ■ингибиторов КХ-2 (смесь веществ, содержащихся в сточной бесфе­нольной аммиачной воде) и КХК (концентрат) при добавлении к 20%-ной H2SO4 для травления катанки. При повышенных тем­пературах защитные свойства ингибитора КХК выше, чем у ЧМ. Скорость снятия окалины в присутствии этих ингибиторов несколь­ко ниже, чем в чистой H2S04, но такого же порядка, как в при­сутствии ЧМ(Р).

По данным [139, с. 94], при травлении образцов трубных ста­лей (ЭП756; 12ХМФ; 20П; 14X15; ЗОХГСА) в 20% H2S04 значи­тельные преимущества перед присадкой ЧМ(Р) имеет ингибитор катапин К. Он позволяет сократить продолжительность удаления окалины в 1,5—2,5 раза.

Эффективность действия ингибиторов сильно зависит от тем­пературы, что можно видеть из данных, приведенных в табл. 7,2 [139, с. 80]. Ингибитор ЧМ, в основном применяющийся в настоя­щее время на наших заводах, теряет свои защитные свойства уже при 70 °С и поэтому не может обеспечить быстрое удаление ока­лины. В порядке возрастания эффективности при высоких темпе­ратурах ингибиторы располагаются в следующий ряд: ЧМ<уро- тропин<БА-6<И-1-А<тиокарбамид<катапин К<катапин А. Наилучшим ингибитором при высоких температурах является ка­тапин А.

В заключение отметим, что Днепропетровская испытательная станция в результате многолетнего изучения большого числа инги­биторов рекомендует в настоящее время к промышленному при­менению при травлении в НС1 и H2S04 малоуглеродистых сталей следующие ингибиторы: И-1-В, И-2-В, ПКУ, ХОСП-Ю. (При трав­лении в H2S04 рекомендуется также еще и ингибитор С-5.)