Состав и способ виброхимической обработки поверхности изделий из черных металлов

 

Изобретение относится к области виброхимической обработки поверхности черных металлов, в частности, виброхимического шлифования и полирования, и может быть использовано при подготовке поверхности изделий из черных металлов к последующему нанесению гальванических покрытий. Состав для виброхимического шлифования и полирования изделий содержит, вес. %: щавелевая кислота 8-40, растворимый неорганический фосфат 6-30, моноэтаноламин 2-20, поверхностноактивное вещество 0,1-2,0 и гранулированный абсорбент диатомовая земля 5-30, причем соотношение щавелевой кислоты и растворимого неорганического фосфата составляет (0,3 - 2,0) : 1. В качестве растворимого неорганического фосфата состав содержит фосфаты, триполифосфаты щелочных металлов или пирофосфат тетранатрия. Способ виброхимического шлифования и полирования изделий включает обработку изделий, помещенных в емкость приведенным составом, который смешивают с водой в соотношении 60 - 90 кг состава на 1 м³ воды и подают в емкость на обрабатываемые изделия со скоростью циркуляции 0,95 - 3,78 л/час на 28,3 л объема емкости, а рН 3,5 - 7,0 регулируют добавлением моноэтаноламина.

Это изобретение касается составов и способов применения таких составов в подготовке изделий из черных металлов к последующему нанесению на их поверхность покрытия посредством электролитического осаждения, которые заключаются в приготовлении раствора, содержащего кислоту и пассиваторы, погружении изделий и полирующей среды в раствор и перемешивании изделий и полирующей среды, причем изделия и полирующую среду поддерживают в погруженном состоянии. Подобная технология известна, например, из патента США N 2890944 на имя Хейз, серии патентов США N 2940838, 2981610, 3052582 и 3061494, а также патента 4431500 на имя Мичада и другие.

Согласно усовершенствованию предложенного технического решения составы присутствуют в сухой гранулированной форме. Состав в сухой гранулированной форме имеет в весовых примерно 40% кристаллов щавелевой кислоты; 30% кристаллического фосфорного пассиватора, причем отношение по массе кристаллов щавелевой кислоты к кристаллам пассиватора находится в пределах от примерно 2: 1 до примерно 0,4:1; количество жидкого аминового агента для насыщения аммиаком достаточно и эффективно для регулирования рН раствора, образованного при растворении состава в воде до примерно 3,5; количество непенящегося неионного поверхностно-активного вещества достаточно и эффективно для смачивания состава; а количество гранулированного абсорбента достаточно для приготовления остального состава и эффективно для поглощения жидкого аминового агента для насыщения аммиаком и служит в качестве носителя.

Известно, что при изготовлении изделий из черных металлов электролитическое осаждение покрытия на таких изделиях выполняет двойную функцию, а именно защищает черный материал от ржавчины или другой порчи и улучшает его внешний вид. По этим причинам обычно на ручные инструменты, например, гаечные ключи, и т.п. наносят блестящие гальванические покрытия. При подготовке изделий к нанесению таких покрытий важно, чтобы поверхности, на которые должны наноситься покрытия, имели определенную степень гладкости и иногда важно, чтобы они были полированными. Хотя такое полирование осуществляют различными способами, однако химические способы удаления металла достигли некоторый успех и признание, причем обычно следуют способам, раскрытым в упомянутых патентах.

В способах описанного типа постоянно взвешивают факторы шероховатости и производительности. В попытках достичь высокой производительности и сократить время использования оборудования некоторые пытались применять сильнокислые растворы. Другие пытались применять менее кислые растворы с целью достижения требуемой чистовой отделки поверхности. В обоих случаях могут возникнуть проблемы с истощением применяемых растворов и образованием сточных вод. Попытки продлить полезность растворов включали в себя применение пассиваторов для предупреждения истощения рабочих растворов.

Краткое описание изобретения.

С учетом усилий, предпринятых в прошлом и возникающих в связи с этим проблем, настоящее изобретение ставит своей целью получить химически полированные поверхности для приема блестящих гальванических покрытий за оптимальный отрезок времени обработки и с минимальным выходом нежелательных сточных вод.

Для достижения этой цели изобретения описаний кратко обычный способ улучшили посредством применения раствора органической кислоты, что позволило получить контролируемый съем металла с требуемой скоростью. При применении предложенного решения производственные возможности улучшились в сравнении с теми, которые достигались при использовании более сильных растворов, причем стоки из процесса почти приближаются к химически нейтральным отходам.

Целью изобретения является получение составов, которые можно приготовить и применять в виде сухого гранулированного материала, затем его можно смешать с водой для приготовления необходимого рабочего раствора, когда это потребуется. Для достижения этой цели изобретения транспортировка и приготовление рабочих химикалий, используемых в кратко описанном способе, упрощаются для тех потребителей, кто может предпочесть применение сухого гранулированного материала для этой цели.

Подробное описание изобретения.

Другие цели изобретения станут очевидными из последующего описания. Хотя изобретение будет описано более подробно, тем не менее должно быть ясно из описания, которое следует вначале, что специалисты в данной области техники могут усовершенствовать описанное изобретение и при этом получить благоприятные результаты этого изобретения. Следовательно, описание, которое последует, необходимо понимать в широком аспекте, а не как ограничивающее настоящее изобретение.

В общем, как было указано, предложенные составы представляют собой гранулированные сухие составы, которые можно смешивать с водой и использовать в устройстве для абразивной обработки черных металлов мокрым способом, например, во вращающемся барабане для полирования изделий или т.п. Сухой состав содержит в весовых процентах примерно 40% кристаллов щавелевой кислоты, примерно 30% кристаллического фосфорного пассиватора, причем отношение по массе кристаллов щавелевой кислоты к кристаллам пассиватора находится в пределах от примерно 2:1 до примерно 0,4:1; количество жидкого аминового агента для насыщения аммиаком достаточно и эффективно для регулирования до примерно 3,5 рН раствора, образованного при растворении состава в воде, количество непенящегося неионного поверхностно-активного вещества достаточно и эффективно для достижения смачивания состава, а количество гранулированного абсорбента достаточно для приготовления остального свежего состава и эффективно для поглощения жидкого аминового агента, применяемого для насыщения аммиаком, и служит в качестве носителя.

Фосфорным пассиватором может быть любой из неорганических фосфатов, которые демонстрируют свойство блокировать ионы черного металла, и/или многие органические фосфаты, которые обладают такими свойствами. Те, которые, как было обнаружено, действуют лучше в предложенных составах, представлены пирофосфатами, триполифосфатами и фосфонатами. Наиболее предпочтителен и тетранатрийпирофосфат.

Буферными агентами и/или агентами для насыщения аммиаком может быть любой материал, выделяющий или образующий аммиак, который имеет эффект делать умеренным значение рН раствора. Было найдено, что комбинированный эффект кислотной составляющей в съеме металла и пассиватора в удержании ионов металла в растворе и предупреждении их повторного осаждения на изделиях в процессе нанесения гальванического покрытия зависит от значения рН, причем он не будет начинаться и/или действовать соответственно при уровнях рН ниже примерно 3,5. Таким образом в составах и способах согласно изобретению важно контролировать этот фактор. Предпочтительным материалом для достижения такого контроля является моноэтаноламин. Моноэтаноламин это жидкость, и чтобы ее можно было использовать в сухом гранулированном материале согласно изобретению, необходимо применять носитель для жидкости. Это достигается с помощью абсорбента и предпочтительным материалом является диатомовая земля, которая является по существу химически инертной для целей предложенного состава и способов, в которых применяют этот состав.

Для того, чтобы предложенные составы более легко входили в раствор с водой, которую примешивают во время применения, желательно применять смачивающий агент в форме поверхностно-активного вещества. Предпочтительным поверхностно-активным веществом является непенящийся неионный материал, причем также предпочтительно, чтобы такой материал имел низкое значение HLВ.

Отношение содержания щавелевой кислоты к содержанию пассиватора важно для уравновешивания скорости съема металла для достижения чистовой обработки поверхности в зависимости от травления из-за чрезмерного съема агрессивного металла, поскольку оба эти применяемые материала вносят свой вклад в удаление металла. Эксперименты с различными отношениями содержания кислоты к пассиватору показали, что обычно увеличение количества пассиватора по отношению к количеству кислоты приводит к увеличению скорости удаления металла и, кроме того, увеличивается вероятность, что съем металла будет приводить к характерному внешнему виду в форме "ледяного узора", который, как считают, является следствием травления, причем опыт показал, что для достижения удовлетворительного нанесения покрытия необходимо прежде полировать поверхность. Хотя механизм, приводящий к таким результатам, не совсем понятен, тем не менее полагают,что возможно изменение концентрации вызывает изменение степени эффективности съема металла на микроскопическом уровне и "повышение и понижение" или шероховатости на изделиях. Там, где съем металла является по существу одинаковым на обоих участках, получают отделку с шероховатостью. В тех случаях, когда больше металла снимают с высоких точек, достигается значительная гладкость поверхности и обработанное изделие становится более приемлемым. В зависимости частично от специального сплава черных металлов, который должен обрабатываться, отношение содержания кислоты к содержанию агента в пределах от примерно 2 части:1 части до примерно 0,3:1 является приемлемым, как было обнаружено, и они находятся в соответствии с этим изобретением. Предпочтительным пределом является отношение примерно 1,4:1.

Во время применения составы согласно изобретению можно использовать в любом известном типе оборудования для мокрой абразивной обработки, способном выдерживать корродирующее действие дисперсией, которые образуются. Примеры такого оборудования представлены в перечисленных патентах и могут включать в себя открытые и закрытые галтовочные барабаны, центробежные, вибрационные и шпиндельные машины. Такое оборудование может обрабатывать партиями, непрерывно, поточно или тем и другим способами.Применяемые растворы могут единовременно загружаться или могут рециркулировать. Выбор талого оборудования составлен на усмотрение специалиста. Однако, как будет подробно описано, в предпочтительном способе применяют устройство, предназначенное для рециркуляции раствора.

Как уже кратно упоминалось, способ подготовки изделий из черных металлов для последующего нанесения на их поверхность гальванического покрытия в соответствии с изобретением включает в себя известные стадии приготовления раствора, содержащего кислоту и пассиватор, погружение элементов и шлифующую среду в раствор и перемешивание изделий и шлифующей среды, причем элементы и среду поддерживают в погруженном в раствор состоянии.

Следует отметить, что явным фактором в успешной работе составов, приготовленных в соответствии с изобретением является различная растворимость оксалатов натрия и аммония, и оксалатов натрий/аммоний-железо [3] и железо [2] которые образуются, когда составы добавляют в емкости, в которых обрабатывают изделия из черных металлов. Последние материалы более значительно растворяются в воде, внося свой вклад в полирование, осуществляемое согласно изобретению.

Усовершенствование согласно изобретению с применением сухого гранулированного состава заключается в стадии приготовления раствора посредством смешивания с водой примерно от 8 до 12 унций на галлон воды указанного сухого гранулированного состава, регулирование значения рН раствора во время перемешивания изделий и полирующей среды и реагирования на отрегулированные уровни рН раствора посредством добавки щелочи и следовательно регулирования уровня рН раствора для поддержания такого значения рН в пределах от примерно 4,5 до примерно 5,0 на всем протяжении перемешивания изделий и полирующей среды. Предпочтительно перемешивание продолжается до тех пор, пока на поверхности изделий из черных металлов, не образуется слегка черная пленка. Эксперименты показали, что оптимальная производительность достигается в способе циркуляционного типа и с раствором, рециркулирующим со скоростью потока в пределах от примерно 0,25 до 1,0 галлон в час на кубический фут объема в емкости, заполненной дисперсией, изделиями и полирующей средой.

Некоторые эксперименты, проведенные при создании настоящего изобретения, отображены в следующих примерах.

Пример 1.

Применяя лабораторный закрытый галтовочный барабан и небольшую партию патронов для патронных ключей, приготовили раствор из воды и сухого гранулированного состава. Состав содержал в равных частях по массе кристаллы щавелевой кислоты и фосфата и его смешали с водой в соотношении 8 унций на галлон воды. В раствор добавили обычный аммиак для бытовых целей в количестве, достаточном для регулирования рН до примерно 4. Изделия из черного металла обрабатывали в галтовочном барабане в течение 8 часов, затем удалили и промыли. Было отмечено, что поверхности патронов были гладкими, и что на них образовалась серая пленка. Патроны имели поверхности, пригодные для нанесения гальванического покрытия.

Пример 2.

Применяя галтовочный барабан из примера 1 и аналогичное количество изделий из черного металла, приготовили раствор аналогичным образом при отношении содержания щавелевой кислоты к содержанию фосфата 0,30:1. В качестве агента для насыщения аммиаком использовали аммиак, обычно применяемый в быту для очистки. Было обнаружено, что обработанные изделия имеют внешний вид поверхности с "ледяным узором", указывающий на неправильный съем металла. Хотя они и являются приемлемыми для гальванического покрытия, однако изделия с покрытием менее привлекательны визуально, чем изделия из примера 1.

Пример 3.

Сухой гранулированный состав приготовили, применяя кристаллы щавелевой кислоты и тетранатрий-пирофосфат в соотношении 2:1. Моноэтаноламин смешивали с диатомовой землей в соотношении примерно 0,33:1, пока диатомовая земля не поглотила жидкий амин. Затем кислоту и фосфат смешали с аминовым носителем в соотношении примерно 1,5: 1 для получения сухого гранулированного состава. Сухой гранулированный состав из кислоты, фосфата, амина и носителя смешали с водой в соотношении 12 унций на каждый галлон воды и применили в устройстве промышленного типа с вибрирующим барабаном для полирования большого количества изделий. Изделия обрабатывали в течение 4 часов и затем было обнаружено, что они имеют приемлемую отделку и черную пленку в виде сажи.

Пример 4.

Приготовили сухой состав, подобный составу из примера 3, с добавкой примерно 1 вес. непенящегося неионного поверхностно-активного вещества. Состав смешивали с водой в соотношении 10 унций на каждый галлон воды. Было отмечено, что смешивание жидкого полирующего состава было улучшено в сравнении с составом из примера 3. Полирующую смесь применяли в открытом галтовочном барабане в системе с рециркуляцией потока для обработки ручных инструментов. Было отмечено, что удаление металла начинается примерно спустя 15 мин. и что удовлетворительная отделка поверхности достигается примерно за 6 часов.

Пример 5.

Применяя кристаллы щавелевой кислоты и тетранатрийпирофосфат фосфат в соотношении 1,4:1, приготовили сухой гранулированный состав. Моноэтаноламин смешивали с диатомовой землей в соотношении примерно 0,4:1, пока диатомовая земля не поглощала жидкий амин. Затем кислоту и фосфат смешивали с аминовым носителем в соотношении примерно 1,5:1 для образования сухого гранулированного состава. После этого сухой гранулированный состав из кислоты, фосфата, амина и носителя смешивали с водой в соотношении 10 унций на каждый галлон воды и использовали в устройстве промышленного типа с вибрирующим барабаном и рециркулирующим потоком для полирования большого количества изделий. Изделия обрабатывали в течение 5 часов при скорости рециркуляции потока 0,8 галлон/час на кубический фут рабочего объема машины и было обнаружено, что изделия имеют приемлемую отделку и черную пленку.

Хотя включенные примеры отражают параметры, которые изменяли во время проведения экспериментов, однако предпочтительными формами изобретения в этом описании является сухой гранулированный состав, который содержит в качестве его компонентов по весу: 38% кристаллов щавелевой кислоты, 28% абсорбента для жидкого агента для насыщения аммиаком, предпочтительно диатомная земля; 25% кристаллического фосфора, предпочтительно тетранатрий-пирофосфат; 11% агента для насыщения аммиаком, предпочтительно моноэтаноламин; и 1% непенящегося неионного поверхностно-активного вещества.

В описании раскрыты предпочтительные примеры воплощения изобретения и, хотя применяются специальные термины, однако терминология применяется только в общей и описательной форме, а не для ограничения изобретения.

Формула изобретения

1. Состав для виброхимической обработки поверхности изделий из черных металлов, преимущественно виброхимического шлифования и полирования изделий перед нанесением гальванических покрытий, содержащий щавелевую кислоту, поверхностно-активное вещество, фосфатсодержащее и аминсодержащее вещество, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гранулированные абсорбент-диатомовую землю, в качестве аминсодержащего вещества - моноэтаноламин, а в качестве фосфатсодержащего вещества растворимый неорганический фосфат при следующем соотношении компонентов, мас.

Щавелевая кислота 8-40 Растворимый неорганический фосфат 6-30 Моноэтаноламин 2-20 Поверхностно-активное вещество 0,1-2,0 Диатомовая земля 5-30, причем соотношение щавелевой кислоты и растворимого неорганического фосфата составляет (0,3-2,0):1.

2.Состав по п.1, отличающийся тем, что он в качестве растворимого неорганического фосфата содержит фосфаты, триполифосфаты щелочных металлов или пирофосфат тетранатрия.

3. Способ виброхимической обработки поверхности изделий из черных металлов, преимущественно виброхимического шлифования и полирования изделий перед нанесением гальванических покрытий, включающий обработку изделий, помещенных в емкость, химическим составом, отличающийся тем, что в качестве химического состава используют состав, содержащий, мас.

Щавелевую кислоту 8-40 Растворимый неорганический фосфат 6-30 Моноэтаноламин 2-20 Поверхностно-активное вещество 0,1-2,0
Гранулированный абсорбент диатомовая земля 5-30
который смешивают с водой в соотношении 60-90 кг состава на 1м³ воды и подают в емкость на обрабатываемые изделия со скоростью циркуляции 0,95-3,78 л/ч на 28,3 л объема емкости, а рН устанавливают путем добавления моноэтаноламина до величины 3,5-7,0.