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关于“氢脆”的预防及消除铁锈应该如何去除

更新时间:2021-10-11 07:51:13点击:

钢铁制品的腐蚀过程是一系类复杂的化学反应过程。钢铁由铁、碳等元素组成,铁与空气中的氧气、水等发生化学反应而被腐蚀。铁锈不但会影响钢铁制品的质量,还会影响焊接、喷漆等工艺操作。除此之外,铁锈(主要成分Fe2O3·nH2O)表面疏松多孔,不能阻碍内部的铁与氧气、水蒸气等接触,如不及时处理,最终会导致钢铁全部被腐蚀。

你知道应如何除去铁表面的锈迹吗?

常用的除铁锈方法可以分为物理方法和化学方法两类。物理方法主要是利用打磨的方式除去铁锈,例如用砂纸、砂轮、钢丝刷、钢丝球等进行打磨。化学方法主要是利用酸与铁锈发生化学反应,从而达到除锈的目的。

生活中常见的除锈剂主要成分为盐酸、稀硫酸,它们能与氧化铁反应,反应原理为:Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O、 Fe2O3+ 3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O。除锈剂沿着锈层和杂质层的裂痕渗透至钢铁制品表面,对锈层和杂质层产生溶解、剥落作用,从而使锈层、杂质和氧化皮从钢铁制品表面脱落。但是酸具有一定的腐蚀性,因此,在除锈时需要身穿防护服。另外,酸与铁会产生氢气,遇明火会发生爆炸,所以,除锈操作时需要禁止烟火。

在热处理产业链上,多道工序需要酸洗,如淬火后回火前的酸洗、回火后喷砂前酸洗、蒸汽处理或氧氮化前酸洗、TiN等表面强化前的酸洗以及电镀前的酸洗等。酸洗在不同阶段其目的是不一样的,有的是为了去除氧化皮,有的是为了提高工件表面活性,有的是为了缩小尺寸等。传统的酸洗工艺繁琐、流程长、成本高、能耗大、污染严重、劳动条件差等,更为可怕的是对钢材内在质量产生很大的危害——氢脆。为此,改进酸洗工艺,采取防渗氢措施,已成为几代人关注的问题。

(1)酸洗工艺的改进

钢铁表面的锈蚀主要是铁的氧化物和氢氧化物等,清除这些锈蚀主要是酸类组分借助表面活性剂等的协同作用来完成的,其作用过程大致是溶解和剥落。为了克服常规酸洗带来的缺陷,可作如下改进。

首先,降低酸浓度。一般钢铁件采用30%~35%HC1(质量分数),除去氧化皮的速度快,但耗量大,酸雾重,对基体的过腐蚀也强,难以保证产品质量。如用低浓度酸洗工艺对降低酸液消耗,改善环境,提高工件表面质量有明显的经济效益和社会效益。该工艺利用氧化皮的多孔性,在润湿剂的作用下使酸液迅速渗透到基体与氧化皮的界面上发生Fe+2HC1==2FeC12+H2↑化学反应,利用氢气的机械剥落作用,达到除去氧化皮清洁表面的作用。由于氧化物在稀酸中的反应缓慢,尿素等缓蚀剂对裸露基体的吸附力强,防止了过腐蚀,降低了酸的无用消耗,同时亦减轻了工件渗氢数量。

其次,利用混合酸液的综合特性。生产上常用盐酸或硫酸液除锈,但两者的性能各异,若将盐酸与硫酸按适当比例配制成混合液,能兼有两者的功能,既能提高除锈速度,又降低了操作温度。

再次,采用多功能的高效除油除锈剂。近年来出现了“二合一”等多种除油除锈剂和快速除锈剂应用较普遍,这是钢铁酸洗工艺的一大进步。

最后,采用特殊的酸洗工艺。针对不同工件的形状、用途、热处理状态采取不同的酸洗工艺,就是说酸洗工艺也应该个性化。

(2)防止氢脆的措施

关于“氢脆”的预防及消除铁锈应该如何去除(图1)

酸洗过程的渗氢是一个相当复杂的过程,即涉及腐蚀的共轭步骤,又涉及氢在金属表吸附和析出的以及浸入金属内部的并、串联步骤,还涉及到应力腐蚀的深层次问题。研究表明,在酸洗条件下,直接进行渗氢的电化学测量是研究酸洗过程渗氢行为的可行方法。为减轻钢铁件渗氢程度,可采取如下一些防渗氢措施。

盐酸、稀硫酸都能与氧化铁反应,选择哪种酸进行工业除锈更好呢?在选择时主要考虑四个因素:除锈效果、酸的生产成本、酸的运输储存、使用安全环保。

盐酸、硫酸哪一个除锈能力强?我们将带锈的铁钉分别放置于等体积、等氢离子浓度的盐酸和硫酸中,最后发现盐酸的除锈效果更好。通过实验也可说明当其它条件相同时,稀硫酸与金属氧化物的反应速率比盐酸慢。

第一,引入多功能的缓抑制。多功能的缓抑剂具有缓蚀与抑雾功能,不仅酸洗速度快,而且阻抑渗氢的功能较强,缓蚀率高。

那么从生产、运输以及安全使用方面比较,盐酸、硫酸哪一个更占优势?盐酸的工业制备是通过电解饱和食盐水先得到氢气和氯气,两种气体反应后生成氯化氢气体,经过水吸收形成了盐酸,氯化氢气体并不能无限制地溶解在水中,因此浓盐酸的溶质质量分数最多在37%左右。而硫酸是通过高温煅烧硫铁矿先制得二氧化硫,二氧化硫与氧气反应后生成三氧化硫,三氧化硫被浓硫酸吸收成为焦硫酸,焦硫酸加水转成硫酸。因此,从原料、制备过程以及对环境的影响上,盐酸优于硫酸。浓盐酸需要密封储存在玻璃瓶或塑料桶中,运输则需要内部衬有橡胶的特制钢罐车。浓硫酸的质量分数最高可以达到98%,它的储存与运输都可以用钢制或铝制的容器。在这方面,硫酸强于盐酸。

溶质质量分数较大的盐酸具有挥发性,挥发出的氯化氢气体对人体有强烈的刺激和腐蚀作用,而溶质质量分数低的盐酸却相对比较稳定。浓硫酸在使用前需要进行稀释,稀释会产生大量的热,容易造成烫伤,并且浓硫酸的腐蚀性要远强于浓盐酸。由此可以看出盐酸的使用较为安全。

根据以上信息,显然盐酸的除锈效果更好,成本更低,使用更加安全。

第二,控制酸洗条件。钢铁在酸洗液中的渗氢量与酸度关系不太大,但与酸洗温度成正比,与酸洗时间的平方根成正比,建议采用酸液浓度较高、酸洗时间很短的酸洗方法。高速钢淬火件等高强度钢酸洗更要注意这个问题。具体生产单位,应制订严谨工艺,控制好酸的浓度、酸液温度、酸洗时间三大要素。

第三,关注应力腐蚀问题。应力腐蚀开裂是指工件在受到静载拉应力和特定的腐蚀环境联合作用下,导致材料发生脆性开裂的过程。经过校直的淬火件,不管是正击还是反击,凡经校直过的工件一定先去应力再酸洗,否定氢脆致裂或变脆的几率相当大,很多单位都有深刻的教训,但并没有引起足够的重视。

第四,防止金属杂质污染酸洗液。业已查明,当酸洗液中含有P、As、Sn、Hg、Pb、Zn、Cd等金属杂质时,会促进渗氢量增加,加剧氢脆断裂倾向。

第五,驱氢处理。是凡经过酸洗工件,最好进行180~200℃×3~4h驱氢处理。

                                              本文源于热处理生态圈

另外,在化学实验室中我们还可以自制相对比较环保的除锈剂。第一步,先将柠檬酸18g、糊精0.8g、钼酸钠3g、磷酸1.1g和水60g放入混合罐内,室温下匀速搅拌30 min。第二步,在混合溶液中加入甘油8g,室温下匀速搅拌10 min,搅拌转速为25 r/min。第三步,在混合溶液中加入添加剂碘化钠0.06g,室温下匀速搅拌30min,搅拌转速为25r/min。

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用柠檬酸代替盐酸、稀硫酸可以解决目前除锈剂污染环境的弊端,甘油可以加强除锈剂在金属表面的附着性能。而且这种除锈剂除了除锈功能外,还具有防锈功能。

作者: 张旭忠 科普中国 来源:新华网

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