李佳云

摘要：酸洗也稱為除灰、除漬及光化處理。鈦合金工件在在鑄造過程中會在工件表面形成一層不溶性的氧化物層，這層氧化物，只是附著在工件表面上的一層疏松組織，必須采用酸洗的方法將其清除。酸洗也可稱為酸出光，在很多行業(yè)標準中都是采用酸出光這一稱謂。本文首先對酸洗的理論進行概述，其次提出一種鈦合金的酸洗工藝，并結(jié)合該酸洗工藝對酸洗設備進行研究與分析，最后分析酸洗過程中易出現(xiàn)的問題，并提出相應的解決辦法。

關鍵詞：酸洗；鈦合金；酸洗工藝；酸洗設備；酸氣處理

1.酸洗的理論概述

1.1.酸洗的內(nèi)涵

酸洗包括：酸浸、酸洗和酸沾。

1.1.1.酸浸：將金屬浸泡在酸液中，長時間浸泡，清除較厚的氧化物。如冷軋前熱軋鋼板酸浸脫除軋制過程中產(chǎn)生的鱗皮和氧化皮。

1.1.2.酸洗：用于金屬設備除垢，也用于不需要長時間用酸浸泡，就可以清除的金屬氧化物。如進行電鍍、涂裝、磷化前氧化皮和銹的清除，鈦表層氧化物的去除。

1.1.3.酸沾：金屬件在加工和短時存放過程中，可能在表面生成一層很薄的氧化物層，這時只需要用濃度較小的酸溶液在金屬表面擦拭就可除去氧化物層。如焊接或熱加工而在金屬表面產(chǎn)生的變色部分和氧化皮的清除。

1.2.酸洗原理

1.2.1.溶解作用

金屬表面氧化層中各種溶于酸的氧化物與酸發(fā)生化學反應，生成溶于水的金屬鹽而溶解于酸溶液內(nèi)從而去除氧化層表皮，這種作用，一般稱作溶解作用。

1.2.2.機械剝離作用

金屬表面氧化層中除各種氧化物外，還夾雜著部分的金屬單質(zhì)，并且氧化層具有多孔性，酸溶液通過氧化層的孔隙和裂縫與氧化層中的金屬單質(zhì)或基體單質(zhì)作用，并相應產(chǎn)生大量的氫氣。由這部分氫氣產(chǎn)生的膨脹壓力，就可以把氧化層從金屬表面上剝離下來。這種通過反應產(chǎn)生氫氣的膨脹壓力把氧化層剝離下來的作用，一般稱為機械剝離作用。

1.2.3.還原作用

金屬與酸作用時，首先產(chǎn)生氫原子。一部分氫原子相互結(jié)合成為氫分子，促使氧化層的剝離；另一部分氫原子靠其化學活潑性及很強的還原能力，將高價金屬的氧化物和高價金屬鹽還原成易溶于酸溶液的低價金屬氧化物及低價鹽。

2.鈦合金的酸洗工藝及設備

鈦及鈦合金由于其具有良好的耐腐蝕性、較高的工作溫度范圍、比強度高，鑄造可直接形成各種形狀和尺寸的近凈尺寸或凈尺寸的結(jié)構(gòu)件等優(yōu)點，其廣泛應用于航空航天，化工等行業(yè)。

2.1.鈦合金的酸洗工藝

由于鈦及鈦合金零件在生產(chǎn)過程中表面會出現(xiàn)氧化層或其它污物，并且零件表面的氧化層對零件的性能可靠性也有一定的影響，所以一般在噴砂工序后鑄件需進行酸洗。酸洗不僅能去除鈦及鈦合金零件表面的氧化層和其它污物，還可以根據(jù)技術(shù)要求的壁厚去除少量的鈦和鈦合金材料[5]。如果酸洗質(zhì)量達不到預期的要求，會給后續(xù)加工帶來極大的影響。所以，酸洗過程必須嚴格按照工藝要求進行處理。

鈦可與鹽酸、硝酸、氫氟酸等各種酸發(fā)生反應，由于硝酸鹽溶解度大，同時硝酸又具有一定的氧化性，因此它對氧化物的溶解性較強。一些用鹽酸溶不了的金屬氧化物和垢物，常用硝酸溶液來進行酸洗。所以鈦合金的酸洗選用硝酸配氫氟酸來進行。酸洗液中硝酸與氫氟酸的配比要達到15：1以上[5]。鈦與酸反應公式如下：

3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO （1）

3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO （2）

Ti+8HNO3=Ti（NO3）4+4NO2+4H2O （3）

Ti+4HNO3=Ti（NO3）2+2NO2+2H2O （4）

Ti+6HNO3=TiO（NO3）2+4NO2+3H2O （5）

Ti+4HF=TiF4+2H2 （6）

2Ti+6HF=2TiF4+3H2 TiF4+2F-=[TiF6]2- （7）

鈦合金酸洗中酸洗時間和酸洗溫度是比較重要的工藝參數(shù)，酸洗過程中根據(jù)合金的成分和需酸洗的金屬量，要嚴格控制好酸洗的時間和溫度，不能超過規(guī)定的參數(shù)范圍，以免鑄件吸氫[5]。酸洗時間需根據(jù)零件工藝需要來確定。

酸洗時把鑄件放入特定的酸洗框中，框的材料一般為PVC材料。為了達到酸洗的效果，有時根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鑄件還需設計不同的酸洗工裝用來懸掛或支撐鈦合金鑄件，然后用升降機吊入酸洗槽中進行酸洗。酸洗過后一般要進行水沖洗和水浸洗，同時伴有壓縮空氣攪拌，以洗掉酸洗時鈦合金鑄件表面的酸液和殘留物。為了使鑄件水洗時洗的干凈徹底，可以把水沖洗槽和水浸洗槽設計成逆流漂洗（見圖1）。由于水源從B槽進入，A槽排出，所以逆流漂洗時先把鑄件放入A槽清洗，再進入B槽浸洗。水浸洗過后還需進行一道去離子水清洗工序，以免自來水中的存在的有機物離子與鈦發(fā)生反應生成沉淀。

圖1 逆流漂洗

2.2.鈦合金的酸洗設備

由于酸洗的特殊性，酸洗一般在特定的酸洗槽中進行，也可在特制的塑料滾筒中進行。酸洗槽的尺寸設計要根據(jù)酸洗產(chǎn)品的形狀大小和數(shù)量來進行，一般設計成長方體槽體（如圖2），槽子內(nèi)部材料一般為耐酸塑料材質(zhì)，外部包裹不銹鋼并噴涂防酸漆。

由于酸洗要在一定的溫度范圍內(nèi)進行，而鈦合金鑄件在酸洗過程中會逐漸升溫，所以槽體內(nèi)還需布置加熱、冷卻和溫控裝置（如圖3）。水清洗槽的加熱裝置可選用不銹鋼加熱管，酸洗槽的加熱裝置由于其特殊性，需選用特制的耐酸材料加熱管，可選用石英、陶瓷、四氟等材料；冷卻方式根據(jù)工藝條件可選用適合功率的水冷或風冷來進行；溫控裝置一般在槽體內(nèi)部安裝鉑電阻并連接溫控表對其進行溫度顯示及控制。

滾筒式酸洗即酸洗時，工件放入特制的塑料滾筒中，再放入酸洗槽中，酸洗時滾筒在酸洗槽中緩慢轉(zhuǎn)動，從而帶動鑄件不斷轉(zhuǎn)動，這樣可使酸洗反應生成氣體形成的氣泡不會附著在鑄件表面上，保證酸洗過程的均勻性[5]。

酸洗時，由于鈦合金與酸發(fā)生反應，因而會產(chǎn)生鈦末等一些殘渣廢棄物，這些殘渣在酸洗過后便存在在酸洗槽底部，時間一長，容易使管道堵塞。對此，可以采用過濾的方法來解決。如圖4所示，采用A、B槽的方式，A槽為鑄件酸洗槽，B槽為過濾槽。在B槽中管道進酸口安裝過濾網(wǎng)，過濾時，將A槽中空氣攪拌打開，使殘渣與酸液混合，A槽中酸液經(jīng)管道流入B槽，進入B槽時先通過過濾網(wǎng)，再進入B槽槽體中，最后，過濾后的酸液再由泵打回A槽。這樣大部分殘渣便留在過濾網(wǎng)上，清理時只需清理過濾網(wǎng)即可。

2.3.酸氣的凈化

在酸洗過程中，由于有時酸洗液需要加熱，并且酸洗過程中酸液本身也會升溫，因而會產(chǎn)生大量的酸氣。這些酸氣在排入大氣前，必須進行凈化處理，達到環(huán)境排放要求才可排放，否則會對空氣造成污染。

酸洗產(chǎn)生的廢氣主要為氮氧化物，在常溫下可以單獨存在的主要是NO2和N2O4。氮氧化物中對人體危害較大的主要是NO2和N2O4。NO2是一種棕紅色有窒息性氣味的氣體，具有強烈的刺激性，毒性是NO的3-4倍，N2O4的毒性與NO2相似。 這些廢氣的凈化的方法主要有活性炭吸附法。活性炭吸附氮氧化物的機理是依靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的分子運動力、化學鍵力與靜電引力，形成物理吸附、化學吸附和交換吸附。物理吸附存在于活性炭的表面；化學吸附需要在高溫條件下才能進行解析，使飽和狀態(tài)下的活性炭活化；交換吸附附集在吸附劑表面帶電點上，吸附過程中伴隨著等量的離子交換。廢氣凈化設備的處理能力需要根據(jù)酸氣的排放量核算，選擇一級或二級凈化器，從而達到凈化要求。

3.結(jié)束語

鈦合金酸洗由于其揮發(fā)腐蝕等特殊性，在生產(chǎn)過程中仍存在諸如設備腐蝕，酸氣揮發(fā)等很多亟待解決的問題，期待在以后的研究中繼續(xù)探討。

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