Раствор и способ химического полирования поверхности из нержавеющей стали - RU2060302C1

Описание

Изобретение относится к составам растворов для химического полирования поверхностей из нержавеющей стали.

Химическое полирование металлических поверхностей является хорошо известным способом. Оно заключается в обработке металлических поверхностей, подлежащих полированию, при помощи окислительных обрабатывающих растворов. Для химического полирования нержавеющих аустенитных сталей используют обычно обрабатывающие растворы, содержащие смесь хлороводородной, фосфорной и азотной кислот в водном растворе.

Для улучшения качества полирования обычно вводят в эти обрабатывающие растворы адекватные добавки, такие как поверхностно-активные вещества, регуляторы вязкости и агенты для глянцевания.

Известен состав обрабатывающего раствора для химического полирования поверхностей из нержавеющей стали, содержащего в водном растворе смесь хлороводородной кислоты, азотной кислоты и фосфорной кислоты, регулятор вязкости, выбираемый среди водорастворимых полимеров. Поверхностно-активное вещество (ПАВ) и сульфосалициловую кислоту используют в качестве агента для глянцевания. Известные обрабатывающие растворы для полирования обладают особенностью корродировать металл с очень большой скоростью. Полирующая обработка поверхности из нержавеющей стали при помощи таких обрабатывающих растворов обычно не может превышать нескольких минут в связи с угрозой вызвать локальную коррозию. Большая скорость воздействия известных обрабатывающих растворов для полирования является недостатком, т.к. она делает их не пригодными для некоторых видов применения, в частности для полирования внутренней поверхности стенок резервуаров больших размеров, таких как котлы (реакторы), автоклавы или кристаллизаторы. Поскольку время, требуемое для заполнения и опорожнения таких резервуаров, обычно значительно превышает оптимальную продолжительность обработки для химического полирования, то становится невозможным получить равномерную полировку стенки, причем некоторые зоны последней недостаточно полированы, а другие сильно корродированными. Большая скорость воздействия известных обрабатывающих растворов для химического полирования делает трудным контроль полирования.

Известны обрабатывающие растворы для химического полирования с очень медленным действием, которые избегают указанных выше недостатков. Эти известные обрабатывающие растворы содержат в водном растворе смесь хлороводородной, азотной и фосфорной кислоты, сульфосалициловую кислоту и абиетиновое соединение, такое, как абиетамин. Эти растворы для полирования с медленным действием разработаны для работы при температурах, превышающих 50^оС, обычно 60-80^оС.

Цель изобретения разработка растворов, которые осуществляли бы медленное и эффективное химическое полирование поверхностей из нержавеющей стали при рабочих температурах меньше 50^оС.

Эта цель достигается раствором, содержащим в водном растворе смесь хлороводородной, азотной и фосфорной кислот, гидроксибензойную кислоту, замещенную в случае необходимости, абиетиновое соединение, отличительной особенностью которого является добавка, выбираемая из хлорной кислоты и водорастворимых солей хлорной кислоты.

В обрабатывающих растворах по изобретению гидроксибензойная кислота служит агентом для глянцевания. Она может быть незамещенной, такой как салициловая кислота, или замещенной, такой как сульфосалициловая кислота. Салициловая кислота является предпочтительной.

В рамках изобретения абинтиновыми соединениями являются химические соединения, содержащие абиетильный радикал, с общей формулой:

или гидроабиетильный, или дегидроабиетильный радикал.

Абиетиновое соединение должно быть растворимым в водном растворе. Абиетиновые соединения, пригодные для обрабатывающих растворов по изобретению, являются абиетаминами.

Абиетаминами, специально рекомендуемыми для обрабатывающих растворов по изобретению, являются абиетамины с общей формулой:
R₁N

в которой:
-R₁ абиетильный, гидроабиетильный или дегидроабиетильный радикал, определенный выше;
-X₁ радикал, содержащий по меньшей мере одну карбонильную группу;
-Х₂ атом водорода или радикал, содержащий по меньшей мере одну карбонилькую группу.

Примерами абиетаминов, которые хорошо подходят для обрабатывающих растворов по изобретению, являются абиетамины, в которых по меньшей мере один из радикалов Х₁ и Х₂ является радикалом с общей формулой:
-СН₂-R₂, в которой R₂ обозначает алкильный остаток, линейный или циклический, замещенный или незамещенный, насыщенный или ненасыщенный, который содержит, по меньшей мере одну карбонильную группу. Среди этих соединений предпочитают такие, в которых группа -CH₂- связана с карбонильной группой остатка R₂ посредством атома углерода, несущего по меньшей мере один атом водорода. Примерами абиетаминов этого типа, пригодными для обрабатывающих растворов по изобретению, являются абиетамины, в которых алкильный остаток R₂ выбирается среди ацетонильного, 2-кетобутильного, 4-метил-2-кето-3-пентенильного, 4-гидрокси-4-метил-2-кетопентильного, 2-кетоциклопентильного, 4-гидрокси-2-кето-3-пентенильного, 2-кетоциклогексильного, 2,5-дикетогексильного и 2-фенил-2-кетоэтильного остатков.

В обрабатывающих растворах по изобретению надо, чтобы соответствующие количества абиетинового соединения, с одной стороны, и добавки, выбираемой среди хлорной кислоты и ее водорастворимых солей, с другой стороны, регулировались таким образом, чтобы сделать возможной их совместную адсорбцию на поверхности стали, подлежащей полированию, полностью избегая превышения их произведения растворимости. В общем случае благоприятным является, чтобы обрабатывающие растворы по изобретению содержали на один литр 0,005-1 г абиетинового соединения и 0,001-0,5 моль добавки, выбираемой среди хлорной кислоты и ее водорастворимых солей.

Адекватные весовые количества различных компонентов обрабатывающих растворов зависят от сорта нержавеющей стали, подвергаемой полированию, а также от условий полирования, в частности от профиля стального объекта, подвергаемого полированию, от его объема, от объема обрабатывающего раствора, от его температуры и от перемешивания, которому его подвергают в случае необходимости. Они должны определяться в каждом частном случае при помощи обычных испытаний в лаборатории. Примеры обрабатывающих растворов по изобретению, адаптированных к полированию нержавеющих аустенитных сталей, легированных хромом и никелем, при температурах 25-50^о С, содержат на литр водного раствора:
0,5-5 моль хлороводородной кислоты (предпочтительно 0,5-3 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);
0,0005-0,5 моль добавки, выбираемой среди хлорной кислоты и ее водорастворимых солей (предпочтительно 0,001-0,2 моль);
0, 001-5 г замещенной или незамещенной гидроксибензойной кислоты (предпочтительно 0,005-0, 3 г в случае незамещенной кислоты);
0,005-1 г абиетинового соединения (предпочтительно 0,01-0,5 г).

Обрабатывающие растворы для полирования могут в случае необходимости содержать добавки, обычно присутствующие в известных обрабатывающих растворах для химического полирования металлов, например поверхностно-активные вещества, спирты и регуляторы вязкости. Они могут, в частности содержать продукты марки DEHYQU ART (HENKEL), которые являются ПАВ, выбираемыми среди солей алкилпиридиния и солей четвертичного аммония, которые содержат алкильный, фенильный или бензильный радикалы, замещенные или незамещенные.

Обрабатывающие растворы по изобретению подходят для химического полирования любых поверхностей из нержавеющей аустенитной стали. Они являются специально адаптированными для полирования аустенитных сталей, содержащих 16-26 мас. хрома и 6-22 мас. никеля, таких как стали сортов 18/8 и 18/10, свободных от молибдена (стали А1S1-304-304L). Обрабатывающие растворы по изобретению имеют особенность осуществлять полирование таких сталей с медленной скоростью, требующей обычно время контакта, заключенное 2-20 ч, обычно 5-12 ч. Они могут использоваться при любых темпеpатурах, заключенных между 20^оС и температурой кипения. Однако они проявляют замечательную особенность, которая заключается в том, что они имеют превосходную эффективность при температурах ниже 50^оС, обычно 35-45^оС, при нормальном атмосферном давлении, что облегчает их использование и упрощает меры, которые необходимо принимать, чтобы обеспечить безвредность полировальных цехов. Обрабатывающие растворы по изобретению имеют дополнительное преимущество, которое заключается в осуществлении высококачественного полирования сварных соединений в соответствии с техническими требованиями.

Изобретение относится также к способу для полирования поверхности из нержавеющей стали, в соответствии с которым осуществляют контакт поверхности с обрабатывающим раствором для химического полирования по изобретению. При выполнении способа по изобретению осуществление контакта металлической поверхности к обрабатывающим раствором может проводиться любым адекватным образом, например путем погружения. Время контакта полируемой поверхности с обрабатывающим раствором должно быть достаточным для того, чтобы провести эффективное полирование поверхности. Однако оно не может превышать критического значения, за которым обрабатывающий раствор теряет свои полирующие свойства. Оптимальное время контакта зависит от многочисленных параметров, таких как сорт стали, конфигурация и исходная неровность поверхности для полирования, состав обрабатывающего раствора, рабочая температура, возможное перемешивание обрабатывающего раствора при контакте с поверхностью, соотношение между площадью полируемой поверхности и объемом обрабатывающего раствора. Оно должно определяться в каждом конкретном случае путем обычного лабораторного исследования.

В предпочтительном варианте осуществления способа обрабатывающий раствор используется при температуре 20-50^оС, предпочтительно 35-45^оС, под нормальным атмосферным давлением, и полируемая поверхность выдерживается в контакте с обрабатывающим раствором в течение 5-12 ч.

В примерах использовали пластинки из нержавеющей стали сорта 18/10 (сталь, легированная хромом (18,0%) и никелем (10,0%) и освобожденная от молибдена). В каждом примере пластинка погружалась в обрабатывающий раствор для полирования, выдерживалась при практически постоянной температуре и подвергалась умеренному перемешиванию.

По окончании периода погружения пластинка извлекалась из обрабатывающего раствора, споласкивалась деминерализованной водой и сушилась. Измерялись следующие параметры:
средняя глубина коррозии металла, определяемая соотношением:
Δe

•ΔP где S площадь пластинки, в см²;
d удельная масса металла, в г/см³;
Δ Р потеря веса пластинки в ходе погружения в обрабатывающий раствор, г;
Δ е глубина коррозии, мкм;
средняя арифметическая шероховатость R_a, которая представляет собой среднее отклонение относительно средней поверхности пластинки (Мichael B. Bever. Encyclopedia of Materials Science and Engineering. Pergamon Press, 1986, Vol. 6, p.4806-4808):
R_a= (y(x))dx
Измерения осуществляются при помощи щупа, снабженного наконечником с диаметром 5 мкм и соответствующего значению профиля, равного 0,25 мм;
блеск поверхности.

П р и м е р 1 (соответствующий изобретению). Использовали обрабатывающий раствор для полирования по изобретению, содержащий на литр:
0,2 моль хлороводородной кислоты;
0,2 моль азотной кислоты;
0,2 моль фосфорной кислоты;
0,1 моль хлорной кислоты;
0,1 г сульфосалициловой кислоты;
0,1 г продукта ROD1NE 213, который представляет собой смесь замещенных абиетаминов, изопропанола и ПАВ (ROD1NE является фабричной маркой фирмы "AMCHEM PRODUCTS Inc.").

Экспериментальные условия были следующими:
объем обрабатывающего раствора 1940 см³;
площадь поверхности, подвергаемой полированию 87 см² ;
температура 35^оС;
продолжительность погружения 11 ч.

Получили следующие результаты:
средняя глубина коррозии 27 мкм;
средняя арифметическая шероховатость
до полирования 0,3 ± 0,1 мкм;
после полирования 0,11 ± 0, 02 мкм.

Внешний вид лощеная поверхность.

П р и м е р 2 (соответствующий изобретению). Использовали обрабатывающий раствор для полирования по изобретению, содержащий на литр:
1,5 моль хлороводородной кислоты;
0,1 моль азотной кислоты;
0,2 моль фосфорной кислоты;
0,02 моль хлорной кислоты;
0,1 г салициловой кислоты;
-0,15 г продукта ROD1NE 213, определенного в примере 1. Экспериментальные условия были следующими:
объем обрабатывающего раствора 970 см³;
площадь поверхности, подвергаемой полированию, 43 см²;
температура 35^оС;
продолжительность погружения 12 ч.

Получили следующие результаты:
средняя глубина коррозии 25 мкм;
средняя арифметическая шероховатость
до полирования 0,3 мкм;
после полирования 0,11 мкм;
блеск под углом 30^о (по стандарту ASTME 430) 23%
П р и м е р 3 (сравнительный опыт). Повторили опыт из примера 2 с обрабатывающим раствором для полирования, не соответствующим изобретению, который не содержит хлорную кислоту и абетиновое соединение.

Обрабатывающий раствор содержал на литр:
1,5 моля хлороводородной кислоты;
0,1 моль азотной кислоты;
0,2 моль фосфорной кислоты;
0,1 г салициловой кислоты.

Экспериментальные условия были следующими:
объем обрабатывающего раствора 970 см³;
площадь поверхности, подвергаемой полированию, 43 см²;
температура 35^оС;
продолжительность погружения 9 ч 30 мин.

Получили следующие результаты:
средняя глубина коррозии 25 мкм;
средняя арифметическая шероховатость
до полирования 0,23 мкм;
после полирования 0,27 мкм.

Наблюдают увеличение шероховатости.

Реферат

Использование: для химического полирования поверхности нержавеющей стали. Сущность изобретения: раствор для химического полирования содержит соляную кислоту 0,5 - 5,0 моль, азотную кислоту 0,005 - 1,0 моль, фосфорную кислоту 0,005 - 1,0 моль, гидроксибензойную кислоту 0,001 - 5,0 г, хлорную кислоту или ее водорастворимую соль 0, 0005 - 0,5 моль, абиетиновое соединение 0,005 - 1,0 г и воду до 1 л. В качестве гидроксибензойной кислоты раствор содержит салициловую или сульфосалициловую кислоту. В качестве абиетинового соединения - замещенный абиетамин с общей формулой

,
где R₁ - абиетильный, гидроабиетильный или дигидроабиетильный радикал, X₁ - радикал, содержащий по меньшей мере одну карбонильную группу, X₂ - атом водорода или радикал, содержащий по меньщей мере одну карбонильную группу. Один из радикалов X₁ и X₂ являются радикалом с общей формулой - CH₂ - R₂, где R₂ - алкильный остаток, линейный или циклический, замещенный или незамещенный, насыщенный или ненасыщенный, содержит по меньщей мере одну карбонильную группу. R₂ выбирают среди ацетонильного, 2 - кетобутильного, 4 - метил - 2 - кето - 3 - пентильного, 4 - гидрокси - 4 метил - 2 - кетопентильного, 2 - кетоциклопентильного, 4 - гидрокси - 2 - кето - 3 - пентильного, 2 - кетоциклогексильного, 2,5 - дикетогексильного и 2 - фенил - 2 - кетоэтильного остатков. Способ химического полирования включает обработку поверхности вышеуказанным раствором при температуре 20 - 50^oС. 2 с. и 5 з. п. ф-лы.

Формула