Раствор и способ химического полирования поверхности нержавеющей стали - RU2086700C1

Описание

Изобретение относится к области химической обработки металлов. Предметом настоящего изобретения является состав ванн для химической полировки поверхностей из нержавеющей стали.

Химическая полировка металлических поверхностей является хорошо известным методом. Она заключается в обработке металлических поверхностей, подлежащих полированию, при помощи окисляющих ванн. Для химической полировки аустенитных нержавеющих сталей применяют обычно ванны, содержащие смесь хлороводородной, фосфорной и азотной кислот в водном растворе [1] Для улучшения качества полировки обычным является введение в эти ванны соответствующих добавок, таких как поверхностно-активные агенты, регуляторы вязкости и агенты для придания блеска. Известен состав ванны для химической полировки поверхностей из нержавеющей стали [2] содержащий в водном растворе смесь хлороводородной кислоты, азотной кислоты и фосфорной кислоты, регулятор вязкости, выбираемый среди водорастворимых полимеров, поверхностно-активное вещество и сульфосалициловую кислоту в качестве агента для придания блеска.

Эти известные ванны для полировки имеют особенность атаковать металл с очень большой скоростью. Обработка для полирования поверхности из нержавеющей стали при помощи таких ванн не может обычно превышать несколько минут, чтобы не вызвать местной коррозии. Эта большая скорость воздействия известных ванн для полировки является недостатком, т.к. она делает их непригодными в некоторых случаях, особенно для полировки внутренней поверхности перегородок в баках больших размеров, таких как перегонные кубы (котлы), автоклавы или кристаллизаторы. Поскольку время, необходимое для заполнения и опорожнения таких баков, обычно значительно превышает продолжительность обработки для оптимальной химической полировки, то действительно становится невозможным получить однородную полировку перегородки, причем некоторые области последней являются недостаточно полированными, другие же являются сильно корродированными. Большая скорость воздействия известных ванн для химической полировки делает, с другой стороны, трудным контроль за полировкой.

Известны также ванны для химической полировки с очень медленным воздействием, которое тем самым избегает указанных выше недостатков. Эти известные ванны содержат в водном растворе смесь хлороводородной, азотной и фосфорной кислот, сульфосалициловую кислоту, алкилпиридинийхлорид и метилцеллюлозу. Эти известные ванны для полировки с медленным воздействием задуманы для работы при температурах, по меньшей мере равных 40^o C, а обычно 45 100^oC [3]
Целью изобретения является разработка ванн, предназначенных для осуществления медленного и эффективного химического полирования поверхностей из нержавеющей стали при рабочих температурах, меньших 50^oC.

Следовательно, изобретение относится к ваннам для химического полирования поверхностей из нержавеющей стали, содержащим в водном растворе смесь хлороводородной кислоты, азотной кислоты и фосфорной кислоты, гидроксибензойную кислоту, в случае необходимости замещенную, и растворимый в воде амин.

В ваннах по изобретению гидроксибензойная кислота служит в качестве агента для придания блеска. Она может быть незамещенной, такой как салициловая кислота, или замещенной, такой как сульфосалициловая кислота. Салициловая кислота является предпочтительной.

Амин может выбираться среди первичных аминов, вторичных аминов и третичных аминов. Предпочитают амины, молекула которых содержит более 10 атомов углерода, например 11 20 атомов углерода. Первичные алкиламины, содержащие от 11 до 16 атомов углерода в своей молекуле, являются предпочтительными. Ванны в соответствии с изобретением могут содержать смесь аминов. Оптимальное содержание амина зависит от природы выбранного амина. В общем случае оно находится между 0,001 и 1 г на литр водного раствора.

В частном варианте осуществления изобретения водный раствор ванны содержит помимо амина добавку, выбираемую среди хлорной кислоты и растворимых в воде солей хлорной кислоты. Оптимальное содержание этой добавки 0,001 0,5 моль на литр водного раствора.

В другом варианте осуществления ванн в соответствии с изобретением водный раствор содержит растворимую в воде добавку, способную разлагать азотистую кислоту. Эта добавка имеет назначение разлагать по меньшей мере часть азотистой кислоты, которая образуется в ходе полировки стальной поверхности вследствие окисления ионов двухвалентного железа, выделяемых в ванну в ходе полировки. Она выбирается предпочтительно среди мочевины и ее производных, таких как тиомочевина и диалкилмочевины, а ее оптимальное содержание 0,01 5 г на литр водного раствора. Ванны, соответствующие этому варианту осуществления изобретения, особенно пригодны для обработок полированием, в которых отношение поверхности контакта с ванной и объема последней превышает 10 м^-1.

Весовые количества, соответствующие различным компонентам ванн в соответствии с изобретением, зависят от вида нержавеющей стали, подвергаемой полированию, а также от условий полирования, особенно от профиля стального изделия, подвергаемого полированию, от его объема, от объема ванны, от его температуры и от встряхивания, которому его подвергают, в случае необходимости. Тем самым, они должны определяться в каждом частном случае в результате обычных опытов в лаборатории. Примеры ванн, соответствующих изобретению, пригодных для полировки аустенитных нержавеющих сталей, содержащих хром и никель, при температурах 20 50^oC, содержат на литр водного раствора: 0,5 5 моль хлороводородной кислоты (предпочтительно 1 3 моль), 0,005 1 моль азотной кислоты (предпочтительно 0,05 0,5 моль), 0,005 1 моль фосфорной кислоты (предпочтительно 0,01 0,5 моль), 0,001 5 г гидроксибензойной кислоты, замещенной или незамещенной (предпочтительно 0,005 0,3 г, в случае незамещенной кислоты), 0,001 1 г амина (предпочтительно 0,005 0,300 г), 0 0,5 моль добавки, выбираемой среди хлорной кислоты и растворимых в воде солей хлорной кислоты (предпочтительно 0,001 0,2 моль), 0 5 г добавки, способной разлагать азотистую кислоту (предпочтительно 0,01 и 5 г).

Ванны для полировки в соответствии с изобретением могут, в случае необходимости, содержать добавки, обычно присутствующие в известных ваннах для химической полировки металлов, например поверхностно-активные агенты, спирты и регуляторы вязкости. Они могут, в частности, содержать растворимое в воде абиетиновое соединение, которое является химическим соединением, содержащим абиетильный радикал с общей формулой:

или гидроабиетильный, или дегидроабиетильный радикал.

В соответствии с изобретением абиетиновое соединение должно быть растворимо в водном растворе.

Абиетамины, особенно рекомендуемые для ванн в соответствии с изобретением, являются соединениями общей формулой:

где R₁ обозначает абиетильный, гидроабиетильный или дегидроабиетильный радикал, определенный выше;
X₁ обозначает радикал, содержащий по меньшей мере одну карбонильную группу;
X₂ обозначает атом водорода или радикал, содержащий по меньшей мере одну карбонильную группу.

Примерами таких абиетаминов, которые хорошо подходят для ванн в соответствии с изобретением, являются абиетамины, в которых по меньшей мере один из радикалов X₁ и X₂ является радикалом с общей формулой:
-CH₂-R₂
где R₂ обозначает алкильный радикал, линейный или циклический, замещенный или незамещенный, насыщенный или ненасыщенный, содержащий по меньшей мере одну карбоксильную группу. Среди этих соединений предпочитают те, в которых группа -CH₂- соединена с карбонильной группой радикала R₂ посредством атома углерода, имеющего по меньшей мере один атом водорода. Примерами абиетаминов этого типа, пригодных для ванн в соответствии с изобретением, являются такие, в которых алкильный радикал R₂ выбирается среди ацетонильного, 2-кетобутильного, 4-метил-2-кето-3-пентенильного, 4-гидрокси-4-метил-2-кетопентильного, 2-кето-циклопентильного, 4-гидрокси-2-кето-3-пентенильного, 2-кетоциклогексильного, 2,5-дикетогексильного и 2-фенил-2-кетоэтильного радикалов.

Ванны в соответствии с изобретением могут также содержать продукты с маркой DEHYQUART (Henkel), которые являются поверхностно-активными агентами, выбираемыми среди солей алкилпиридиния и солей четвертичного аммония, содержащих алкильный, фенильный или бензильный радикалы, замещенные или незамещенные.

Ванны в соответствии с изобретением подходят для химической полировки любых поверхностей из аустенитной нержавеющей стали. Они особенно приспособлены для полировки аустенитных сталей, содержащих 16 26 мас. хрома и 6 22 мас. никеля, таких как стали сортов 18/8 и 18/10, содержащие в случае необходимости молибден (например, стали A1 S 1-304, 304L, 316 и 316L). Ванны в соответствии с изобретением имеют особенность осуществления полировки таких сталей с медленной скоростью, требующей обычно времени контакта 3 12 ч. Они могут применяться при любых температурах, заключенных между 20^oC и температурой кипения. Однако они обладают замечательной особенностью, заключающейся в проявлении превосходной эффективности при температурах, меньших 50^oC, обычно при 35 45^oC, при нормальном атмосферном давлении, что облегчает их применение и упрощает принимаемые меры для обеспечения охраны здоровья в цехах полировки. Ванны в соответствии с изобретением имеют дополнительное преимущество при осуществлении полировки хорошего качества для спаяных соединений в соответствии с техническими требованиями.

Изобретение относится к способу для полировки поверхности из нержавеющей стали, согласно которому приводят в соприкосновение поверхность с ванной для химической полировки в соответствии с изобретением.

При осуществлении способа в соответствии с изобретением приведение в контакт металлической поверхности с ванной может быть реализовано любым подходящим способом, например путем погружения. Время контакта поверхности, подлежащей полированию, с ванной должно быть достаточным для осуществления эффективной полировки поверхности. Однако оно не может превышать критического значения, выше которого ванна теряет свои полирующие свойства.

Оптимальное время контакта зависит от многочисленных параметров, таких как сорт стали, конфигурация и начальная шероховатость поверхности, подлежащей полированию, состав ванны, рабочая температура, перемешивание ванны при контакте с поверхностью, отношение между площадью полируемой поверхности и объемом ванны, оно должно быть определено в каждом частном случае в результате обычной работы в лаборатории.

В предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с изобретением ванна применяется при температуре 20 65^oC, предпочтительно 35 50^oC, при нормальном атмосферном давлении, и выдерживают полируемую поверхность в контакте с ванной в течение 5 12 ч. Преимущество изобретения будет выявлено при рассмотрении примеров, приведенных ниже.

В примерах, описание которых приведено ниже, использованы пластинки из нержавеющей стали сорта 18/10 (сталь с добавками хрома (18,0%), и никеля (10,0%) и свободная от молибдена).

В каждом примере пластинка погружалась в ванну для полировки, выдерживалась при температуре практически постоянной и подвергалась умеренному встряхиванию. По окончании стадии погружения пластинка извлекалась из ванны, ополаскивалась деминерализованной водой и сушилась. Измеряли следующие параметры:
средняя глубина атаки металла, определяемая отношением:

где S обозначает площадь пластинки, см²,
d удельный вес металла, г/см³,
ΔP потеря веса пластинки в воде погружения в ванну, г,
Δe глубина атаки, мкм;
средняя арифметическая шероховатость R_a, которая является средним отклонением по отношению к средней поверхности пластинки:

причем измерения осуществляются при помощи щупа, снабженного острием, имеющим радиус кривизны 5 мкм, и калькулятора, работающего со значением шага, равным 0,25 мм;
блеск поверхности под углом падения 20^o (в соответствии со стандартом ASTM D523).

Первая серия примеров примеры, соответствующие изобретению.

Пример 1. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,3 моль хлороводородной кислоты, 0,25 моль азотной кислоты, 0,15 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,1 г трипентиламина, 0,005 моль хлорной кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полированию, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 3 ч 30 мин.

Получили следующие результаты:
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,29 мкм, после полировки 0,21 мкм,
блеск 12%
Пример 2. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,5 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,075 г триоктиламина, 0,005 моль хлорной кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полированию, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 3 ч 15 мин.

Получили следующие результаты:
глубина атаки 31,3 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,29 мкм, после полировки 0,18 мкм,
блеск 17%
Пример 3. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,5 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0, 075 г дигексиламина, 0,005 моль хлорной кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 3 ч 25 мин.

Получили следующие результаты:
глубина атаки 27,1 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,31 мкм, после полировки 0,22 мкм,
блеск 13%
Пример 4. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,5 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,075 г лауриламина.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 3 ч 50 мин.

Получили следующие результаты:
глубина атаки 25,1 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,28 мкм, после полировки 0,09 мкм,
блеск 36%
Пример 5. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,5 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,075 г лауриламина, 0,005 моль хлорной кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 4 ч.

Получили следующие результаты:
глубина атаки 27, 3 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,27 мкм, после полировки 0,08 мкм,
блеск 38%
Пример 6. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,5 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,075 г лауралимина, 0,005 хлорной кислоты (моль), 0,1 г мочевины.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 725 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 4 ч.

Получили следующие результаты:
глубина атаки 26,2 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,22 мкм, после полировки 0,07 мкм,
блеск 37%
Пример 7. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,3 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,1 моль фосфорной кислоты, 0,2 г салициловой кислоты, 0,1 г тридециламина, 0,005 моль хлорной кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 930 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 84 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 4 ч 50 мин.

Получили следующие результаты:
средняя глубина атаки 38,6 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,25 мкм, после полировки 0, 10 мкм,
блеск 33%
Пример 8. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,6 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,075 г додециламина, 0,005 моль хлорной кислоты, 0,5 г мочевины.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 1050 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 63 см²,
температура 35^oC,
продолжительность погружения 8 ч 40 мин.

Получили следующие результаты:
средняя глубина атаки 30 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,25 мкм, после полировки 0,09 мкм,
блеск 28%
Пример 9. Использовали ванну для полировки в соответствии с изобретением, содержащую на литр: 1,7 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,25 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,050 г миристиламина, 0,005 моль хлорной кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 3 ч 50 мин.

Получили следующие результаты:
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,22 мкм, после полировки 0,11 мкм,
блеск 21%
Вторая серия прмеров примеры сравнения. Эта серия примеров относится к опытам, которые были проведены с ваннами, не соответствующими изобретению.

Пример 10. Использовали ванну для полировки, содержащую на литр: 1,5 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 3 ч.

Получили следующие результаты:
глубина атаки 29 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,26 мкм, после полировки 0,23 мкм,
блеск 7%
Пример 11. Использовали ванну для полировки, содержащую на литр: 1,5 моль хлороводородной кислоты, 0,2 моль азотной кислоты, 0,2 моль фосфорной кислоты, 0,1 г салициловой кислоты, 0,005 моль хлорной кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем ванны 970 см³,
площадь поверхности, подвергнутой полировке, 87,3 см²,
температура 45^oC,
продолжительность погружения 3 ч.

Получили следующие результаты:
глубина атаки 31,2 мкм,
средняя арифметическая шероховатость: до полировки 0,24 мкм, после полировки 0,22 мкм,
блеск 8%
Сравнение результатов, полученных в примерах 1 9, с результатами, полученными в примерах 10, 11, показывает прогресс, обусловленный изобретением, в отношении того, что касается шероховатости и блеска, полученных по окончании полировки.

Реферат

Изобретение относится к химической обработке металлов, в частности к химическому полированию поверхностей из нержавеющих сталей. Сущность изобретения: раствор для химического полирования поверхности нержавеющей стали содержит: соляная кислота 0,5 - 5,0 моль, азотная кислота 0,005 - 1,0 моль, фосфорная кислота 0,005 - 1,0 моль, гидроксибензойная кислота 0,001 - 5,0 г, первичный амин, включающий более 10 атомов углерода, 0,001 - 1,0 г и вода - до 1 л. Первичный амин имеет число атомов углерода 11 - 20, предпочтительно 12 - 18. Раствор дополнительно содержит 0,5 моль/л хлорной кислоты или ее растворимых солей, а также 0,5 г/л добавки, способной разлагать азотистую кислоту, выбранную из мочевины и ее производных. Способ химического полирования поверхности нержавеющей стали включает обработку поверхности вышеуказанными растворами при температуре 20 - 65^oC. 2 c. и 5 з.п. ф-лы.

Формула