鈦合金酸洗工藝與設(shè)備的研究

李佳云

摘要：酸洗也稱為除灰、除漬及光化處理。鈦合金工件在在鑄造過(guò)程中會(huì)在工件表面形成一層不溶性的氧化物層，這層氧化物，只是附著在工件表面上的一層疏松組織，必須采用酸洗的方法將其清除。酸洗也可稱為酸出光，在很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都是采用酸出光這一稱謂。本文首先對(duì)酸洗的理論進(jìn)行概述，其次提出一種鈦合金的酸洗工藝，并結(jié)合該酸洗工藝對(duì)酸洗設(shè)備進(jìn)行研究與分析，最后分析酸洗過(guò)程中易出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：酸洗；鈦合金；酸洗工藝；酸洗設(shè)備；酸氣處理

1.酸洗的理論概述

1.1.酸洗的內(nèi)涵

酸洗包括：酸浸、酸洗和酸沾。

1.1.1.酸浸：將金屬浸泡在酸液中，長(zhǎng)時(shí)間浸泡，清除較厚的氧化物。如冷軋前熱軋鋼板酸浸脫除軋制過(guò)程中產(chǎn)生的鱗皮和氧化皮。

1.1.2.酸洗：用于金屬設(shè)備除垢，也用于不需要長(zhǎng)時(shí)間用酸浸泡，就可以清除的金屬氧化物。如進(jìn)行電鍍、涂裝、磷化前氧化皮和銹的清除，鈦表層氧化物的去除。

1.1.3.酸沾：金屬件在加工和短時(shí)存放過(guò)程中，可能在表面生成一層很薄的氧化物層，這時(shí)只需要用濃度較小的酸溶液在金屬表面擦拭就可除去氧化物層。如焊接或熱加工而在金屬表面產(chǎn)生的變色部分和氧化皮的清除。

1.2.酸洗原理

1.2.1.溶解作用

金屬表面氧化層中各種溶于酸的氧化物與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成溶于水的金屬鹽而溶解于酸溶液內(nèi)從而去除氧化層表皮，這種作用，一般稱作溶解作用。

1.2.2.機(jī)械剝離作用

金屬表面氧化層中除各種氧化物外，還夾雜著部分的金屬單質(zhì)，并且氧化層具有多孔性，酸溶液通過(guò)氧化層的孔隙和裂縫與氧化層中的金屬單質(zhì)或基體單質(zhì)作用，并相應(yīng)產(chǎn)生大量的氫氣。由這部分氫氣產(chǎn)生的膨脹壓力，就可以把氧化層從金屬表面上剝離下來(lái)。這種通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的膨脹壓力把氧化層剝離下來(lái)的作用，一般稱為機(jī)械剝離作用。

1.2.3.還原作用

金屬與酸作用時(shí)，首先產(chǎn)生氫原子。一部分氫原子相互結(jié)合成為氫分子，促使氧化層的剝離；另一部分氫原子靠其化學(xué)活潑性及很強(qiáng)的還原能力，將高價(jià)金屬的氧化物和高價(jià)金屬鹽還原成易溶于酸溶液的低價(jià)金屬氧化物及低價(jià)鹽。

2.鈦合金的酸洗工藝及設(shè)備

鈦及鈦合金由于其具有良好的耐腐蝕性、較高的工作溫度范圍、比強(qiáng)度高，鑄造可直接形成各種形狀和尺寸的近凈尺寸或凈尺寸的結(jié)構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于航空航天，化工等行業(yè)。

2.1.鈦合金的酸洗工藝

由于鈦及鈦合金零件在生產(chǎn)過(guò)程中表面會(huì)出現(xiàn)氧化層或其它污物，并且零件表面的氧化層對(duì)零件的性能可靠性也有一定的影響，所以一般在噴砂工序后鑄件需進(jìn)行酸洗。酸洗不僅能去除鈦及鈦合金零件表面的氧化層和其它污物，還可以根據(jù)技術(shù)要求的壁厚去除少量的鈦和鈦合金材料[5]。如果酸洗質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期的要求，會(huì)給后續(xù)加工帶來(lái)極大的影響。所以，酸洗過(guò)程必須嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行處理。

鈦可與鹽酸、硝酸、氫氟酸等各種酸發(fā)生反應(yīng)，由于硝酸鹽溶解度大，同時(shí)硝酸又具有一定的氧化性，因此它對(duì)氧化物的溶解性較強(qiáng)。一些用鹽酸溶不了的金屬氧化物和垢物，常用硝酸溶液來(lái)進(jìn)行酸洗。所以鈦合金的酸洗選用硝酸配氫氟酸來(lái)進(jìn)行。酸洗液中硝酸與氫氟酸的配比要達(dá)到15：1以上[5]。鈦與酸反應(yīng)公式如下：

3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO （1）

3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO （2）

Ti+8HNO3=Ti（NO3）4+4NO2+4H2O （3）

Ti+4HNO3=Ti（NO3）2+2NO2+2H2O （4）

Ti+6HNO3=TiO（NO3）2+4NO2+3H2O （5）

Ti+4HF=TiF4+2H2 （6）

2Ti+6HF=2TiF4+3H2 TiF4+2F-=[TiF6]2- （7）

鈦合金酸洗中酸洗時(shí)間和酸洗溫度是比較重要的工藝參數(shù)，酸洗過(guò)程中根據(jù)合金的成分和需酸洗的金屬量，要嚴(yán)格控制好酸洗的時(shí)間和溫度，不能超過(guò)規(guī)定的參數(shù)范圍，以免鑄件吸氫[5]。酸洗時(shí)間需根據(jù)零件工藝需要來(lái)確定。

酸洗時(shí)把鑄件放入特定的酸洗框中，框的材料一般為PVC材料。為了達(dá)到酸洗的效果，有時(shí)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鑄件還需設(shè)計(jì)不同的酸洗工裝用來(lái)懸掛或支撐鈦合金鑄件，然后用升降機(jī)吊入酸洗槽中進(jìn)行酸洗。酸洗過(guò)后一般要進(jìn)行水沖洗和水浸洗，同時(shí)伴有壓縮空氣攪拌，以洗掉酸洗時(shí)鈦合金鑄件表面的酸液和殘留物。為了使鑄件水洗時(shí)洗的干凈徹底，可以把水沖洗槽和水浸洗槽設(shè)計(jì)成逆流漂洗（見(jiàn)圖1）。由于水源從B槽進(jìn)入，A槽排出，所以逆流漂洗時(shí)先把鑄件放入A槽清洗，再進(jìn)入B槽浸洗。水浸洗過(guò)后還需進(jìn)行一道去離子水清洗工序，以免自來(lái)水中的存在的有機(jī)物離子與鈦發(fā)生反應(yīng)生成沉淀。

圖1 逆流漂洗

2.2.鈦合金的酸洗設(shè)備

由于酸洗的特殊性，酸洗一般在特定的酸洗槽中進(jìn)行，也可在特制的塑料滾筒中進(jìn)行。酸洗槽的尺寸設(shè)計(jì)要根據(jù)酸洗產(chǎn)品的形狀大小和數(shù)量來(lái)進(jìn)行，一般設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體槽體（如圖2），槽子內(nèi)部材料一般為耐酸塑料材質(zhì)，外部包裹不銹鋼并噴涂防酸漆。

由于酸洗要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，而鈦合金鑄件在酸洗過(guò)程中會(huì)逐漸升溫，所以槽體內(nèi)還需布置加熱、冷卻和溫控裝置（如圖3）。水清洗槽的加熱裝置可選用不銹鋼加熱管，酸洗槽的加熱裝置由于其特殊性，需選用特制的耐酸材料加熱管，可選用石英、陶瓷、四氟等材料；冷卻方式根據(jù)工藝條件可選用適合功率的水冷或風(fēng)冷來(lái)進(jìn)行；溫控裝置一般在槽體內(nèi)部安裝鉑電阻并連接溫控表對(duì)其進(jìn)行溫度顯示及控制。

滾筒式酸洗即酸洗時(shí)，工件放入特制的塑料滾筒中，再放入酸洗槽中，酸洗時(shí)滾筒在酸洗槽中緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鑄件不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可使酸洗反應(yīng)生成氣體形成的氣泡不會(huì)附著在鑄件表面上，保證酸洗過(guò)程的均勻性[5]。

酸洗時(shí)，由于鈦合金與酸發(fā)生反應(yīng)，因而會(huì)產(chǎn)生鈦末等一些殘?jiān)鼜U棄物，這些殘?jiān)谒嵯催^(guò)后便存在在酸洗槽底部，時(shí)間一長(zhǎng)，容易使管道堵塞。對(duì)此，可以采用過(guò)濾的方法來(lái)解決。如圖4所示，采用A、B槽的方式，A槽為鑄件酸洗槽，B槽為過(guò)濾槽。在B槽中管道進(jìn)酸口安裝過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾時(shí)，將A槽中空氣攪拌打開(kāi)，使殘?jiān)c酸液混合，A槽中酸液經(jīng)管道流入B槽，進(jìn)入B槽時(shí)先通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，再進(jìn)入B槽槽體中，最后，過(guò)濾后的酸液再由泵打回A槽。這樣大部分殘?jiān)懔粼谶^(guò)濾網(wǎng)上，清理時(shí)只需清理過(guò)濾網(wǎng)即可。

2.3.酸氣的凈化

在酸洗過(guò)程中，由于有時(shí)酸洗液需要加熱，并且酸洗過(guò)程中酸液本身也會(huì)升溫，因而會(huì)產(chǎn)生大量的酸氣。這些酸氣在排入大氣前，必須進(jìn)行凈化處理，達(dá)到環(huán)境排放要求才可排放，否則會(huì)對(duì)空氣造成污染。

酸洗產(chǎn)生的廢氣主要為氮氧化物，在常溫下可以單獨(dú)存在的主要是NO2和N2O4。氮氧化物中對(duì)人體危害較大的主要是NO2和N2O4。NO2是一種棕紅色有窒息性氣味的氣體，具有強(qiáng)烈的刺激性，毒性是NO的3-4倍，N2O4的毒性與NO2相似。 這些廢氣的凈化的方法主要有活性炭吸附法?；钚蕴课降趸锏臋C(jī)理是依靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的分子運(yùn)動(dòng)力、化學(xué)鍵力與靜電引力，形成物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附。物理吸附存在于活性炭的表面；化學(xué)吸附需要在高溫條件下才能進(jìn)行解析，使飽和狀態(tài)下的活性炭活化；交換吸附附集在吸附劑表面帶電點(diǎn)上，吸附過(guò)程中伴隨著等量的離子交換。廢氣凈化設(shè)備的處理能力需要根據(jù)酸氣的排放量核算，選擇一級(jí)或二級(jí)凈化器，從而達(dá)到凈化要求。

3.結(jié)束語(yǔ)

鈦合金酸洗由于其揮發(fā)腐蝕等特殊性，在生產(chǎn)過(guò)程中仍存在諸如設(shè)備腐蝕，酸氣揮發(fā)等很多亟待解決的問(wèn)題，期待在以后的研究中繼續(xù)探討。

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