金属清洗 金属清洗与防锈——钢铁和不锈钢的清洗

金属材料表面常见的污垢有油脂有机物、表面氧化膜和氧化皮。例如，各种矿物油、动植物油和润滑油经常粘附在金属表面。在加工过程中，表面经常会形成氧化膜。例如，在900 ~ 1000℃的高温下，钢表面会形成一层厚度为0.02 ~ 0.05毫米的氧化膜。薄膜由外向内分为三层，其成分为Fe2O3、Fe3O4和FeO，其中氧化亚铁层约占90%，而FeO在低温形成的氧化物中所占比例较低。这些氧化膜俗称铁锈，对钢材的性能有一定影响，应该清除。现在只讨论去除金属表面氧化膜和脱脂清洗的概况。

钢和不锈钢的清洗

1钢的除锈和清洗

钢材价格便宜，强度高，加工性好，但是表面容易氧化生锈，需要清洗。钢铁除锈清洗的方法有酸蚀和酸洗，酸洗的方法是用来去除污垢。

一个

酸蚀处理

酸蚀处理是指用强酸去除钢在热处理过程中产生的厚氧化膜(铁锈)的方法。硫酸和盐酸是廉价的强酸，广泛用于酸蚀刻。

硫酸的功能包括以下化学反应:

Fe+H2SO4===FeSO4+H2

FeO+H2SO4===FeSO4+H2O

Fe2O3+2H2SO4+H2===2FeSO4+3H2O

Fe3O4+3H2SO4+H2===3FeSO4+4H2O

钢铁表面的铁锈(各种氧化铁)溶解在硫酸中，而钢铁材料本身的铁在酸中腐蚀产生氢气，氢气产生的压力促进表面氧化层的剥离，使氧化物发生还原反应而溶解。在与硫酸反应的过程中，约20%的氧化层通过化学反应被溶解(如果使用盐酸，40%的氧化层被溶解)，剩余的氧化层以残留物的形式从金属表面分离并被去除。常用的酸浓度不宜过大，如盐酸浓度小于15%，而硫酸可以用稍高的浓度。使用盐酸时，应控制酸的浓度，因为氢气过多会引起金属“氢脆”，即金属吸收氢气后变硬变脆的现象。各种高低碳钢和金属中的锌特别容易氢脆。

为防止氢脆，应采取以下措施:

(a)尽可能缩短和控制酸洗时间；

(b)盐酸酸浸应在常温下进行，以减少生成的氢气向钢内层的渗透和扩散；

(c)向酸洗溶液中加入可与氢气反应的硝酸和铬酸；

(d)添加金属氢脆抑制剂；

(e)对于容易氢脆的金属，最好用碱处理或用阳极电解酸洗。

对于经历过氢脆的金属，可采用阳极电解或金属在100 ~ 200℃下加热1 ~ 5h，恢复其原有性能。

在酸蚀清洗中，硫酸和盐酸的对比表明，盐酸比硫酸具有更强的溶解金属氧化物的能力，因此一般使用5% ~ 10%的盐酸。由于盐酸在高温下容易挥发，酸蚀通常在40℃以下进行。

硫酸中氢脆少于盐酸，特点是高温高浓度酸蚀。而硫酸酸蚀后产生的硫酸亚铁在酸性溶液中溶解度略低，达到饱和溶解度时，硫酸失去酸蚀效果。因此，为了充分发挥硫酸的酸蚀能力，工厂采用多槽连续酸蚀清洗工艺，并相应改变清洗槽的组成。表1列出了硫酸逆流连续清洗槽的组成变化。

表1硫酸蚀刻清洗槽成分变化

由于硫酸洗液的逆流运动，可以最大限度的起到除锈的作用。通常1t钢板消耗15 ~ 20kg硫酸。

铸钢中经常含有硅酸盐杂质。为了去除这种杂质，应该在酸蚀刻溶液中加入少量氢氟酸。为了防止金属纹理在酸蚀处理过程中被腐蚀，应该在酸蚀液中加入缓蚀剂。这些抑制剂可以吸附在干净的金属表面，抑制金属的化学反应，可以防止金属表面因与酸反应而变得粗糙或凹陷，减少和抑制氢气和酸雾的产生。常用的缓蚀剂有淀粉、明胶、羧甲基纤维素等高分子化合物。最近的研究表明，一些含有氮和硫的有机化合物(如苯基硫脲)也有这种作用。

2

浸渍酸

用弱酸溶液去除金属加工中形成的薄氧化膜的方法称为酸洗。酸蚀的原理和酸蚀一样，都是利用酸的腐蚀来去除氧化膜。不同的是，酸洗是用弱酸短时间进行的，以去除薄的氧化层。一般采用稀硫酸低温短时浸泡，或采用弱磷酸高浓度高温短时浸泡。当使用磷酸时，还可以形成具有防锈作用的磷酸铁保护膜。

用酸清洗金属时，特别是使用酸洗法时，如果表面有油污，会阻碍酸的清洗效果，所以酸洗前要进行脱脂处理。

三

酸洗

这是指用酸去除附着在金属表面的外部污垢的方法，称为酸洗。例如，酸用于去除锅炉和传热水管中形成的钙盐垢。清洗锅炉和管道水垢最经济的方法是使用盐酸溶液进行酸洗。酸洗前，用1%的碱剂进行高温循环脱脂清洗。碱性水溶液从管道中排出后，用清水冲洗，然后用酸冲洗。

在50℃以下，用含适当缓蚀剂的2%以下盐酸溶液在锅炉管道中循环，以溶解水垢。在清洗过程中，会产生一些氢气，腐蚀锅炉底座和水管。为了防止这种情况的过度发生，清洗时应定期取出样品进行分析，并以样品中钙离子和铁离子的含量作为检测指标。一般来说，酸洗开始时，洗涤液中的钙离子含量会逐渐增加，然后钙离子溶解的增加趋势会逐渐减缓，而铁离子溶解的增加趋势会明显加快。可以认为钙离子溶解的增加趋势减缓，铁离子溶解明显增加，是判断水垢溶解基本完成的转折点。酸洗后，应充分水洗，中和防锈，每次清洗时间为20 ~ 40分钟。

由于盐酸腐蚀性太强，目前锅炉和管道清洗一直采用氨基磺酸、草酸、硫酸氢钠(NaHSO4)等弱酸有机酸。

不锈钢表面的清洁

不锈钢表面的氧化铬保护膜对除盐酸以外的各种无机酸都有耐蚀性，所以常采用硝酸和氢氟酸的混合溶液去除不锈钢表面的各种无机或有机污垢。此时硝酸可以氧化分解有机污垢，钝化不锈钢，而氢氟酸可以温和溶解无机污垢。

在硝酸和氢氟酸的混合溶液中，35.5%氢氟酸占2% ~ 4%，63%浓硝酸占10% ~ 15%。一般在50℃以下温度下浸泡或浸泡搅拌20分钟左右。有时0.1% ~ 0.2%的缓蚀剂，如磷酸盐、铬酸盐、硅酸盐、吡啶、醛类化合物等。，加入到混合溶液中。但是硝酸和氢氟酸对健康和环境危害很大，所以目前正在开发由硫酸、磷酸、有机酸和各种氧化剂制成的替代清洗剂。几种不锈钢清洗剂的配方如下。

①不锈钢重垢清洗剂配方

质量份数组成

浓硫酸(相对密度1.84)100

饱和重铬酸钠溶液(Na2Cr2O770%+H2O 30%)30

将不锈钢浸入(70±5)℃的清洗液中15分钟，然后用清水彻底清洗。

②不锈钢轻垢清洗剂配方1

不锈钢在(70±5)℃下处理10分钟，然后用清水彻底冲洗。

③不锈钢轻垢清洗剂配方2

④不锈钢轻垢清洗剂配方3

3金属脱脂和清洗

除了氧化层，金属表面最常见的污垢是油脂。为了去除金属表面的油污，可以使用有机溶剂、表面活性剂溶液和碱性溶液进行清洗，其中碱性试剂是最经济的方法。采用的方法可以是浸泡、喷雾或电解。采用浸泡法时，碱性洗涤剂的质量分数一般为3% ~ 8%，而采用喷雾法时，碱性洗涤剂的质量分数约为1%。

钢材耐碱性强，更适合用碱脱脂清洗。表2为钢铁脱脂清洗用碱剂配方，洗液配制质量分数为2% ~ 8%。

表2钢铁脱脂清洗用碱剂配方(质量分数)单位:%

通常在清洗剂中加入少量表面活性剂，在清洗液中加入0.1% ~ 0.2%的表面活性剂，不仅可以大大降低溶液的表面张力，还可以充分发挥碱的清洗效果。但是各种表面活性剂的作用是不一样的。例如，当使用4%的偏硅酸钠溶液时，脱脂率为11.5%，3%的偏硅酸钠溶液添加1%的烷基苯磺酸钠、脂肪醇硫酸盐和烷基酚聚氧乙烯醚时，脱脂率分别提高到35%、48%和99.6%。

4电镀前金属材料的清洗

电镀加工的金属材料不仅要求表面高度清洁，还要求表面光滑光亮，有利于被镀金属在被镀零件表面的紧密附着。因此，电镀前必须清洗电镀部分。清洗过程因电镀材料类型、电镀金属类型和产品用途而异。电镀前清洗镀钢零件的主要过程如图1所示。



图1电镀前钢板零件的清洗过程

有时括号中的步骤可以省略

各种流程的功能如下。

研磨 通过机械研磨把钢铁材料表面氧化层和污染层的大部分去除，使表面变得平滑。溶剂脱脂 用有机溶剂去除金属表面油脂、矿物油等油性污垢，当金属表面油脂少时，这一工艺可略去。碱脱脂 使用碱剂去除金属表面油脂、矿物油等油性污垢。这是最普遍采用的脱脂方法。电解脱脂和研磨 对于需要特别洁净的金属表面需要这一工艺。电解脱脂的原理是利用电解时在电极金属表面产生的氢气和氧气泡的冲击作用，去除金属表面的油污和微量吸附的其他污垢。根据被脱脂的金属材料所连的电极不同，分为阳极电解脱脂和阴极电解脱脂。电解脱脂使用的电解液是导电性良好的碱液，一般使用硅酸钠。钢铁材料只能用阳极电解脱脂，利用阳极附近产生的氧气去除油脂，而不会因吸附氢气而产生氢脆。有色金属电解脱脂时可采用阴极电解脱脂，阴极产生的氢气量是阳极产生氧气量的2倍，产生气体量多脱脂效率高，而且一般有色金属不会因吸收氢气而产生氢脆。浸酸 电镀前普遍采用的工艺，它不仅可以去除金属表面的氧化膜，也把碱洗过程中带入的碱除去。