金属的表面预处理技术之浸蚀

浸蚀的目的是除去工件表面的锈层，氧化皮（铸、锻、轧及热处理过程中形成）和其他腐蚀产物。通常采用酸溶液，这是因为它们有很强的溶解金属氧化物的能力，故浸蚀又称为酸洗，有些有色金属采用碱浸蚀。清除大量氧化物和不良表层组织的工序叫作强浸蚀，而在电镀前清除工件表面薄氧化膜以得到活化表面的工序叫作弱浸蚀。

钢铁酸洗用酸为无机酸和有机酸，无机酸如硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、氢氟酸等；有机酸如醋酸、脂肪酸、柠檬酸等。有机酸作用缓和，残酸无严重后患，不易重新锈蚀，工件处理后表面干净；但有机酸费用高、除锈效率低，故多用于清理动力设备容器内部的锈垢以及其他特殊要求的构件。无机酸除锈效率高、速度快、原料来源广、价格低廉，但缺点是如浓度控制不当，会使金属“过蚀”而且残酸腐蚀性很强，酸液清洗不彻底，会影响涂镀效果。为了减缓对金属的腐蚀和氢脆，在除锈液中需加适量缓冲剂。如若丁、乌洛托品、硫脲等。

1、钢铁制品的酸洗

（1）酸洗原理

酸洗中酸的作用包括对工件表面氧化物的化学溶解和机械剥离两个方面。以硫酸为例，硫酸与铁的氧化物（FeO、Fe3O4）反应生成硫酸亚铁和硫酸铁。硫酸通过氧化皮的间隙与基体铁反应造成铁的溶解和析出氢气。

硫酸与基体铁反应的有利方面是新生原子态氢能将溶解度小的硫酸铁还原为溶解度大的硫酸亚铁，加快化学溶解速度；在氧化皮下面生成的氢气又能对氧化皮产生机械顶裂和剥离作用，这些都可以提高酸洗效率。不利方面是硫酸与基体铁的反应可能造成基体的过腐蚀，使工件尺寸改变；析氢也可能造成工件渗氢，从而引起氢脆问题。

盐酸的作用主要是对氧化物的化学溶解。盐酸与铁的氧化物反应生成氯化亚铁和氯化铁，它们的溶解度都很大，所以盐酸浸蚀时机械剥离作用比硫酸小。对疏松氧化皮，盐酸浸蚀速度快，基体腐蚀和渗氢少；但对比较紧密的氧化皮，单独使用盐酸酸洗时酸的消耗量大，最好使用盐酸与硫酸的混合酸洗液，发挥析出氢气的机械剥离作用。

硝酸主要用于高合金钢的处理，常与盐酸混合用于有色金属处理。硝酸溶解铁氧化物的能力极强，生成的硝酸亚铁和硝酸铁溶解度也很大，析氢反应较小。硝酸用于不锈钢，由于其钝化作用不会造成基体腐蚀，但用于碳素钢，必须解决对基体的腐蚀问题。

氢氟酸主要用于清除含Si的化合物，如某些不锈钢、合金钢中的合金元素，焊缝中的夹杂焊渣，以及铸件表面残留型砂。

氢氟酸和硝酸的混合液多用于处理不锈钢，但氢氟酸腐蚀性很强，硝酸会放出有毒的氮化物，也难以处理，所以在应用时要特别注意，防止对人体的侵害。

磷酸对铁氧化物有良好的溶解性能，而且对金属的腐蚀较小，因为它能够在金属表面产生一层不溶于水的磷酸盐层（磷化膜），可防止锈蚀，同时也是涂漆时良好的底层，一般用于精密零件除锈，但磷酸价格较高。采用磷酸除锈时，主要作用是把氧化皮和铁锈变成为易溶于水的Fe(H2PO4)3和难溶于水及不溶于水的FeHPO4,Fe3(PO4)2,氢的扩散现象微弱。磷酸酸洗时产生的氢为盐酸或硫酸酸洗时的1/10~1/5，氢扩散渗透速度为后者的1/2。

对于不锈钢和合金钢，氧化皮的成分很复杂，往往结构致密，在普通碳素钢的除锈液中难以除去，生产上都采用混酸。含钛的合金钢酸洗，还要加入氢氟酸。热处理产生的厚而致密的氧化皮，要先在含强氧化剂的热浓碱溶液中进行“松动”，然后在盐酸加硝酸，或硫酸加硝酸的混酸中浸蚀。

（2）酸洗添加剂

酸洗液中必须采用缓蚀剂，一般认为缓蚀剂在酸液中能在基体金属表面形成一层吸附膜或难溶的保护膜。膜的形成在于金属铁开始和酸接触时就产生电化学反应使金属表面带电，而缓蚀剂是极性分子，被吸引到金属的表面形成保护膜，从而阻止酸与铁继续作用而达到缓蚀的目的。从电化学的观点来看，所形成的保护膜能大大阻滞阳极极化过程，同时也促进阴极极化，抑制氢气的产生，使腐蚀过程显著减慢。氧化皮和铁锈不会吸附缓蚀剂极性分子而成膜，因为它们与酸作用是通过普通的化学作用使铁锈溶解，在其表面是不带电荷的。因此，在除锈液中加入一定量的缓蚀剂并不影响除锈效率。

评价各种缓蚀剂的作用，最重要的是确定缓蚀效率。可通过比较在同一介质中相同条件下，有、无缓蚀剂时试样的失重［g/(m2·h)]，求出缓蚀效率。不同的缓蚀剂在各种酸液中的加入量都有一规定数值。随着酸洗液温度的增加，缓蚀剂缓蚀效率也会降低，甚至会完全失效。因此，每一种缓蚀剂都有一定的允许使用温度。

酸洗液中所采用的润湿剂，大多是非离子型和阴离子型表面活性剂，通常不使用阳离子型表面活性剂。这是由于非离子表面活性剂在强酸介质中稳定，阴离子表面活性剂只能采用磺酸型一种。利用表面活性剂所具有的润湿、渗透、乳化、分散、增溶和去污等作用，能大大改善酸洗过程缩短酸洗的时间。

为了减小基体的腐蚀损失和渗氢的影响，减少酸雾改善操作环境，酸洗液中还应加入高效的缓蚀抑雾剂。但需注意，缓蚀剂可能在工件表面形成薄膜，需要认真清洗干净，而且缓蚀剂可降低析氢反应的机械剥离作用。

（3）酸洗用酸的种类、浓度及温度的选择

要根据工件材质、表面锈层和氧化皮的情况，以及对表面清理质量要求确定。对钢铁工件，常用硫酸、盐酸以及二者的混酸。为了溶解铸件表面的含硅化合物，需要在硫酸或盐酸中加入氢氟酸。硫酸浓度一般为20％左右，此浓度下对氧化皮的浸蚀速度快而基体损失小。盐酸浓度一般在15％以下，因为大于20％时会发烟。随着盐酸浓度的增大，酸洗速度加快，时间缩短。表4是相同锈蚀程度的钢铁工件在盐酸和硫酸中的酸洗时间与酸浓度的关系。

随温度增大，酸洗速度也加快，时间缩短。表5是相同锈蚀程度的钢铁工件在盐酸和硫酸中的酸洗时间与温度的关系。

（4）钢铁工件酸洗工艺

酸洗除锈方法有浸渍酸洗、喷射酸洗以及酸膏除锈等。浸渍酸洗的金属经脱脂处理后，放在酸槽内，待氧化皮及铁锈浸蚀掉，用水洗净后，再用碱进行中和处理，得到适合于涂漆的表面。

2、电化学浸蚀

电化学浸蚀是指在酸或碱溶液中以工件作阳极或阴极进行电解剥离，或由于阴极析氢而搅动溶液和不断更新工件表面浸蚀液而加速除去表面锈层的方法。

根据工件极性的不同，电化学除锈分为阳极浸蚀和阴极浸蚀两种。阳极浸蚀时，通过工件金属的化学溶解和电化学溶解，以及析出氧气的机械剥离作用来除去氧化皮。阴极浸蚀时，借助于大量析氢对氧化皮的机械剥离作用，以及初生原子态氢对氧化物的还原作用除去氧化皮。阳极浸蚀时析出的氧气泡大而数量少，机械剥离作用较小，时间长了则容易造成基体金属的过度腐蚀。阴极浸蚀时金属基体几乎不会腐蚀，工件尺寸不会改变，但可能带来渗氢和挂灰问题。

阳极浸蚀虽然不会使工件产生氢脆现象，但速度慢，对基体金属有腐蚀作用，只适用于薄氧化皮工件。阴极浸蚀不会使工件产生过腐蚀，速度快，也可适用于厚层氧化皮工件，但有使工件产生渗氢的缺点。国内目前采用的多是阳极浸蚀或阴极一阳极联合浸蚀法。电化学浸蚀，既用于强浸蚀也用于弱浸蚀。

与化学浸蚀方法相比，电化学浸蚀更容易迅速除去金属表面粘接牢固的氧化皮，即使酸液浓度有些变化也不会显著影响浸蚀效果，且对基体腐蚀小，操作管理容易，但此法需要专门设备，要增加挂具作业，且有氧化皮溶解不均的现象。电化学浸蚀的优点是浸蚀速度快，耗酸少，溶液中铁离子含量对浸蚀能力影响小。但需要电源设备和消耗电能。由于分散能力差，形状复杂的工件不容易除尽。当氧化皮厚而致密时，应先用硫酸化学强浸蚀，使氧化皮疏松后再进行电化学浸蚀。

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