Trawienie metali

Trawienie jest to metoda oczyszczania powierzchni metali z produktów korozji polegająca na usuwaniu ich z podłoża w kąpielach trawiących. Zależnie od rodzaju podłoża (stal, miedź, mosiądz, aluminium itp.) i rodzaju produktów korozji dobiera się składy kąpieli i parametry procesu. W galwanizerniach, trawienie prowadzi się zazwyczaj w kwasie solnym lub siarkowym, bądź w mieszaninach tych kwasów. Inne kwasy stosuje się rzadziej i tylko dla specjalnych gatunków podłoża. Wyjątkowo aluminium trawi się w kąpielach alkalicznych. W praktyce, najczęściej trawieniu poddaje się wyroby wykonane ze stali (stopów żelaza), których produkty korozji, zależnie od warunków w jakich powstały, mają postać:

• Zgorzeliny (zendry) – tlenki FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ produkty utleniania żelaza w wysokich temperaturach w procesie wytwórczym.
• Rdzy – tlenki, wodorotlenki i zasadowe sole żelaza, produkty korozji atmosferycznej, powstające na skutek oddziaływania powietrza i wody.

Do trawienia stali najczęściej stosuje się kąpiele oparte na kwasie solnym lub siarkowym, do trawienia metali nieżelaznych – kompozycje tych kwasów, często z dodatkiem kwasu azotowego. Do trawienia aluminium stosuje się kąpiele oparte na NaOH.

Podczas trawienia produkty korozji są usuwane z powierzchni metalu w różny sposób:

• ulegają rozpuszczeniu w kwasie ( np. produkty korozji atmosferycznej w kwasie solnym),
• Są odrywane od podłoża przez wydzielający się wodór (np. zgorzelina w kwasie siarkowym).

Po odsłonięciu podłoża rozpuszczeniu ulega metal. Rozpuszczanie metalu zachodzi również na skutek przenikania roztworu kwasu do metalicznego podłoża poprzez pory i pęknięcia w warstwie produktów korozji. Reakcji rozpuszczania metalu towarzyszy proces wydzielania wodoru.

Przykłady reakcji zachodzących podczas trawienia:

FeO + H₂SO₄ → Fe SO₄ + H₂O

Fe₃O₄ + 4H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + FeSO₄ + 4H₂O

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

Fe + 2HCl → FeCl₂ + 2H (atomowy w żelazie) lub … → H₂

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + 2H (atomowy w żelazie) lub … → H₂

Rozpuszczanie metalu w procesie trawienia jest niepożądane z następujących powodów:

• pogarsza jakość wyrobu (ubytki masy, kruchość wodorowa),
• zwiększa zużycie kwasu,
• pogarsza warunki pracy (wydzielający się wodór jest polny i wybuchowy),
• zwiększa ilość zrzutów zużytej kąpieli, a przez to i zasolenie ścieków potrawiennych.

W celu zapobieżenia tym szkodliwym zjawiskom do kąpieli trawiących wprowadza się inhibitory trawienia.

Proces trawienia w przypadku obróbki wyrobów zatłuszczonych powinien być poprzedzony procesem odtłuszczenia. Odtłuszczenie można prowadzić w kąpielach wodnych albo za pomocą rozpuszczalników organicznych. Jeśli zanieczyszczenia tłuszczowo-olejowe nie są zbyt duże, można do kąpieli trawiącej wprowadzić odpowiednie kompozycje środków powierzchniowo czynnych (spc), odpornych na działanie kwasów i proces przeprowadzić jednozabiegowo (trawienie z jednoczesnym odtłuszczeniem). Często taki proces jest prowadzony elektrolitycznie.

Szybkość trawienia (usuwania produktów korozji) zależy od stężenia kwasu w kąpieli i temperatury kąpieli. Podczas procesu trawienia spada stężenie kwasu i wzrasta stężenie soli żelaza, powodując spadek szybkości trawienia. Kąpiel można uzupełniać stężonym kwasem i inhibitorem. Gdy sole żelaza osiągną graniczne stężenie, kąpiel należy wymienić.

Do trawienia w galwanizerniach najczęściej są stosowane dwa kwasy nieorganiczne:

• kwas solny,
• kwas siarkowy.

W galwanizerniach z zasady nie używa się do trawienia kwasu fosforowego. Wytwarza on na metalicznym podłożu amorficzną warstwę fosforanów, która utrudniałaby wytworzenie powłoki galwanicznej.

Trawienie w kwasie solnym

Kwas solny HCl handlowy (d = 1,18 g/cm³, ok. 36% wag.) jest cieczą barwy żółtej. Jego pary zmieszane z wilgocią tworzą “mgłę”. Opary te działają szkodliwie na błony śluzowe i silnie korodująco na aparaturę i urządzenia. Kwas solny jest agresywniejszy od kwasu siarkowego, bardziej równomiernie rozpuszcza produkty korozji i szybciej trawi podłoże. Przedmioty trawione w kwasie solnym wykazują lepszy stan powierzchni i mniejsze nawodorowanie. Chlorki żelaza dają się łatwo spłukać z powierzchni. Ich niedokładne wypłukanie może spowodować powstanie ognisk korozji.

Kwas solny należy transportować i magazynować w pojemnikach wykonanych ze szkła, ceramiki, tworzywa sztucznego. Nie może być przechowywany w pojemnikach metalowych.

Sporządzanie kąpieli

Kąpiele o roboczym stężeniu sporządza się przez mieszanie stężonego kwasu i wody. Ze względu na bezpieczeństwo pracy, do wanny w pierwszej kolejności wprowadza się wodę, a następnie, bardzo ostrożnie, handlowy stężony kwas. Do kąpieli wprowadza się inhibitor i kompozycję spc. Przy pracy ze stężonym kwasem pracownicy powinni być wyposażeni w sprzęt i odzież ochronną.

Warunki pracy

Proces trawienia w kwasie solnym w zbiorniku otwartym (wanna) należy prowadzić w temperaturze otoczenia 20-30°C. Podczas eksploatacji kąpieli należy sprawdzać stężenie kwasu i w razie potrzeby uzupełniać, wprowadzając nowe porcje kwasu z dodatkiem odpowiedniej ilości inhibitora. Kąpiel należy wymienić gdy stężenie żelaza w kąpieli osiągnie graniczną wartość 120 g/dm³ (kąpiel traci zdolność trawienia).

Trawienie w kwasie siarkowym

Kwas siarkowy H₂SO₄ handlowy (d = 1,84 g/cm³, ok. 98% wag.) jest cieczą o oleistej konsystencji. Mgły kwasu siarkowego są rakotwórcze. Przedmioty trawione w kwasie siarkowym wykazują powierzchnię nierównomiernie wytrawioną i większe nawodorowanie. Siarczany są trudniejsze do spłukania z powierzchni niż chlorki. Przy trawieniu kwas siarkowy wykazuje mniejsze zużycie niż kwas solny.

Sporządzanie kąpieli

Kąpiele z kwasu siarkowego sporządza się w analogiczny sposób jak kąpiele z kwasu solnego.

Warunki pracy

Proces trawienia w kwasie siarkowym w wannie można prowadzić w temperaturze otoczenia lub w temperaturze podwyższonej do 60-70°C. Podwyższenie temperatury przyśpiesza proces trawienia. Dla zwiększenia szybkości trawienia w kwasie siarkowym stosuje się niekiedy trawienie elektrolityczne, katodowe lub anodowe. Zaleca się gęstość prądu 5-10 A/dm² dla stali, 3-7 A/dm² dla miedzi, 2-4 A/dm² dla mosiądzu. Trawienie można przyśpieszyć dodając do kąpieli (10-15 g/dm³) NaCl. Podczas eksploatacji kąpieli należy sprawdzać stężenie kwasu i w razie potrzeby kąpiel uzupełniać, wprowadzając nowe porcje kwasu z dodatkiem odpowiedniej ilości inhibitora. Kąpiel należy wymieniać, gdy stężenie żelaza w kąpieli osiągnie graniczną wartość 90 g/dm³.

Inhibitory trawienia

Inhibitory trawienia dodawane są do kąpieli trawiących w celu zahamowania reakcji kwasu z metalem. W wyniku zastosowania inhibitora uzyskuje się następujące efekty:

• zmniejszenie zużycia kwasu,
• poprawę jakości wyrobu (zmniejszenie ubytku masy metalu, zmniejszenie nawodorowania metalu),
• zmniejszenie ilości zrzutów zużytej kąpieli, a przez to i zasolenia ścieków,
• poprawę warunków pracy.

Na rynku dostępnych jest wiele inhibitorów trawienia.Dobre inhibitory charakteryzują się zdolnością hamowania reakcji kwasu z metalem, H_r równym ok. 80-95%, gdzie:

• m_A – ubytek masy próbki wytrawionej w roztworze bez inhibitora, g
• m_B – ubytek masy próbki wytrawionej w roztworze z inhibitorem, g

Trawienie stali nierdzewnych i kwasoodpornych

Trawienie stali uszlachetnionych jest trudniejsze ze względu na obecność dodatków stopowych odpornych na działanie kwasów. Do trawienia używa się mieszaniny kwasów, przy czym są to zwykle mieszaniny kwasu siarkowego lub solnego z dodatkiem kwasu utleniającego, np. HNO3.

Przykłady roztworów i parametry pracy stosowanych przy trawieniu stali nierdzewnych. Zawartość w mieszaninie % obj.

Trawienie stali nierdzewnych i kwasoodpornych

Trawienie stali uszlachetnionych jest trudniejsze ze względu na obecność dodatków stopowych odpornych na działanie kwasów. Do trawienia używa się mieszaniny kwasów, przy czym są to zwykle mieszaniny kwasu siarkowego lub solnego z dodatkiem kwasu utleniającego, np. HNO₃.

Trawienie miedzi i jej stopów

Produkty korozji miedzi są rozpuszczalne w 10% kwasie siarkowym, jednak trawienie takie nie jest wystarczające. Najbardziej efektywne trawienie uzyskuje się przy stosowaniu kwasu azotowego. Proces przebiega szybko i równomiernie, jednak powierzchnia wygląda nieestetycznie i podczas procesu wydzielają się duże ilości szkodliwych tlenków azotu. Dlatego też, najczęściej, stosuje się roztwory kwasu siarkowego z dodatkiem kwasu azotowego lub innych związków utleniających np. H₂O₂, CrO₂ itp.

Trawienie cynku i kadmu

Cynk i kadm zwykle trawi się w rozcieńczonych kwasach, solnym 5-10% lub siarkowym 2-7%. Trawienie prowadzi się zanurzając przedmiot na krótko przy stałej obserwacji powierzchni. Trawienie z równoczesnym wybłyszczaniem powierzchni prowadzi się w mieszankach kwasu siarkowego i azotowego (1:1) w ciągu kilku sekund. Trawienie stopów cynku (znale) prowadzi się w 1-2% roztworze H₂SO₄ w temperaturze otoczenia, w czasie 1-2 minuty. Przedmioty po trawieniu należy dodatkowo spłukać i osuszyć.

Trawienie aluminium

Aluminium trawi się w 5-10% roztworach NaOH w temperaturze 50-60°C w ciągu 2-3 minut. Trawienie można prowadzić w temperaturze otoczenia, wówczas proces trwa dłużej. Niekiedy podczas trawienia aluminium występuje zmiana barwy powierzchni ze srebrzystobiałej na szarą lub czarną. Rozjaśnienie powierzchni można przeprowadzić w 30% HNO₃.