Химическое травление деталей

При взаимодействии металлов с кислородом на их поверхности образуются оксиды, а при взаимодействии с агрессивными промышленными газами, загрязняющими атмосферу, — различные химические соединения (хлориды, сульфиды, сульфаты, карбонаты и т.д.).

Процесс химического разрушения металлов и сплавов под воздействием загрязненного атмосферного воздуха называется атмосферной коррозией.

Скорость коррозии значительно увеличивается при повышении влажности воздуха. Водяные пары конденсируются на металлических деталях (особенно если температура детали ниже комнатной) и образуют на их поверхности водяную пленку. Сама водяная пленка обычно не коррозирует металл, но обладает большой сорбционной емкостью: усиленно поглощает (адсорбирует) загрязненного воздуха агрессивные промышленные газы, например хлор, фтор, диоксид серы, диоксид углерода, которые легко вступают в химическое взаимодействие с поверхностью детали.

Поэтому даже очень влажный воздух, если он чист, не настолько опасен в отношении коррозии, как загрязненный воздух промышленных предприятий.

Некоторые металлы и сплавы, например алюминий, никель, свинец, олово, цинк, вольфрам, хром, молибден, ковар, константан, алюминированное железо, в чистом влажном воздухе вообще не подвергаются коррозии. У этих металлов и сплавов процесс взаимодействия с кислородом воздуха протекает почти мгновенно — при этом на поверхности металла образуется тонкая сплошная плотная оксидная пленка. Эта оксидная пленка называется «пассивирующей» (от слова пассивный), она не пропускает кислород и другие газы и пары во внутренние слои металла и защищает их от коррозии. В загрязненном промышленном воздухе агрессивные газы химически разрушают пассивирующую пленку. При этом изменяется цвет поверхности детали, на ней появляются темные и цветные пятна и т.д. Повышение температуры увеличивает скорость разрушения пассивирующей оксидной пленки, а солнечный свет, наоборот, препятствует ее разрушению.

Коррозия усиливается также при контакте металла с другими металлами или вообще твердыми телами и при сильной механической деформации детали, а также при наличии на поверхности детали или в атмосферном воздухе пыли.

Для ускорения образования пассивирующих оксидных пленок и закрепления их очищенные детали часто обрабатывают специальными пассивирующими растворами, обладающими окисляющими свойствами. Например, пассивирующие растворы бихромата калия (хромпика) и хромового ангидрида снабжают металлическую поверхность детали кислородом, необходимым для создания защитной оксидной пленки. К пассиваторам относятся также растворы тринатрийфосфата и силикатов, создающие на поверхности металлов соответственно защитные фосфатные и силикатные пленки.

Пассивирующая оксидная пленка на поверхностях деталей должна иметь очень малую толщину (не более 10 — 15 мкм). Только в этом случае она почти не изменяет электрические механические и вакуумные свойства металлических деталей.

Толщина оксидной пленки увеличивается с повышением температуры окружающего воздуха. При высокой температуре в процессе прокатки, протяжки, вварки в стекло на поверхности детали образуются толстые оксидные пленки. Например, если при комнатной температуре поверхность детали из нержавеющей стали покрывается невидимой невооруженным глазом оксидной пленкой толщиной всего 1 — 5 мкм, то при 200 — 500°С толщина этой пленки составляет уже 40 — 120 мкм. Пленка становится видимой и по мере увеличения толщины приобретает соответственно желтый, оранжевый, красный, пурпурный и синий цвета. Наиболее толстые пленки (в несколько микрон), имеют фиолетовый и черный цвета. Эти пленки изменяют физико-химические свойства материала, и их необходимо удалять путем травления деталей.

Операция процесса травления складывается из двух стадий: 1) дробление и разрыхление слоев оксидов или других химических загрязнений; 2) растворение разрыхленных слоев оксидов и удаление их вместе с поверхностными слоями самого металла детали и растворенными в них газами.

Химическое травление производится в растворах кислот, щелочей, кислых солей или в расплавах этих соединений.

Кислота и особенно ее пары (образующиеся при нагревании травящего раствора) через поры и неоднородности в слое оксида проникают к поверхности металла. Между металлом и кислотой происходит химическая реакция:

Металл + Кислота (или пары Кислот) — Соль Металла + Водород

Выделяющиеся пузырьки водорода разрыхляют слой оксида. Разрыхление уменьшает силы сцепления оксида 2 с поверхностью детали 7, увеличивает площадь взаимного соприкосновения оксида с кислотой и соответственно повышает скорость его растворения в кислоте (рис. 12.1).

При травлении в кислотных растворах наряду с растворением оксидной пленки происходит растворение поверхностных слоев самого металла, причем скорость растворения чистого металла в несколько раз больше скорости растворения оксида металла. Это основной недостаток кислотного травления, приводящий к изменению структуры, геометрической формы и размеров детали.

Повышение температуры раствора увеличивает скорость травления. Однако с образованием паров кислоты увеличивается вероятность перетравливания и наводороживания металла: чем более летуча кислота (т. е. чем ниже температура кипения кислоты), тем ниже допустимая температура ее применения. Например, нелетучую серную кислоту можно нагревать до гораздо более высоких температур, чем легколетучие— уксусную, плавиковую и соляную.

В процессе травления может иметь место местное локальное Перетравливание одних участков детали, в то время как на других участках остаются еще недотравленные следы оксидов — это объясняется различием в химическом составе, толщине и пористости слоя оксида на участках детали, а также степенью нагартованности материала самой детали. Например, более деформированные и соответственно более тонкие участки детали травятся быстрее, чем менее деформированные и соответственно более толстые участки: поэтому химическое травление увеличивает разностенность деталей. На мелкозернистой структуре слои оксидов удерживаются более прочно, чем на крупнозернистой, и для их удаления требуется большая продолжительность травления.

Для предотвращения перетравливания и наводороживания деталей в травильные растворы вводят специальные составы — ингибиторы травления (уротропин, уникод). Ингибиторы не осаждаются на оксидах, но обладают способностью осаждаться на очищенных участках поверхности: как только какой-нибудь участок детали освобождается от оксида, на нем немедленно оседает пленка ингибитора, которая не пропускает травящий раствор к очищенной металлической поверхности и предохраняет ее от перетравливания.

Выбор состава раствора для химического травления зависит от материала детали, толщины слоя оксида и допустимых пределов изменения структуры поверхности, размеров и формы деталей. Как правило, применяются смеси, состоящие из двух кислот:

одна кислота непосредственно реагирует с оксидированной деталью — с образованием солей или каких-либо соединений, имеющих слабое сцепление с поверхностью металла детали;

другая кислота растворяет образующиеся соли и соединения, Удаляет их и очищает поверхность до чистого металла.

Смеси из азотной и серной кислот применяют для травления деталей из никеля, молибдена, цинка, платинита, сплава Н47ХБ. Азотная кислота через поры и неоднородности в слое оксида проникает к поверхности металла и растворяет его. При этом в газообразном состоянии выделяются только оксиды азота (травление платинита), либо водород и оксиды азота (травление никеля), либо только водород (травление молибдена). Выделяющиеся пузырьки газа разрыхляют и дробят слой оксида и облегчают его растворение в серной кислоте. Например, при травлении платинита происходит реакция:

Серная кислота выполняет следующие функции.

1) Химически взаимодействует с разрыхленными слоями оксидов и переводит их в легкорастворимые сернокислые соли (т. е. растворяет оксиды):

Образующиеся новые порции азотной кислоты снова расходуются на растворение поверхностных слоев металла и разрыхление слоя оксида на поверхности детали.

Смесь растворов муравьиной кислоты и пероксида водорода применяется для травления деталей из стали, меди, ковара, вольфрама, молибдена, никеля, а также для травления выводов ножек приборов. Эта смесь не оказывает вредного действия на организм человека и легко удаляется с поверхности деталей. Муравьиная кислота — самая сильная из органических кислот. Она взаимодействует с большинством металлов и образует легкорастворимые соли. Пероксид водорода разлагается в смеси с выделением пузырьков газа (кислорода), газ механически удаляет загрязнения с деталей. Кроме того, пероксид окисляет органические загрязнения, при этом образуются растворимые в воде вещества.

Например, керны катодов из никеля НМ, НИКА, НИВО-3 обычно травят в 10%-ном растворе уксусной кислоты, нагретой до 70 — 80°С (соляную кислоту для травления кернов катодов обычно не применяют, так как даже малейшие следы неотмытого хлора приводят к резкому уменьшению эмиссии оксидного слоя). Никелевые керны часто обрабатывают 10%-ным раствором Очищаемую деталь подвешивают или подсоединяют к одному из электродов: аноду или катоду, которые погружены в раствор кислоты или щелочи. Для электрохимического обезжиривания обычно применяют растворы едкого кали, соды, тринатрийфосфата, поверхностно-активных веществ, а для электрохимического травления — растворы серной кислоты.

2) Осуществляет круговой цикл регенерации в смеси образованием азотной кислоты: