CN1078000A - 金属表面周期反向脉冲电化学清洗 - Google Patents

Abstract

本发明是一种金属表面周期反向脉冲电化学清 洗，是在碱性水溶液中用周期反向脉冲电流或周期反 向脉冲电压对金属表面的油污进行除油、清洗。金属 在清洗过程中被连续交替地作为阴极和阳极，同时金 属表面交替析出氢气和氧气，这一方法的清洗效果优 于直流电化学清洗，且可控制电化学清洗中的金属渗 氢，可用于金属电镀、涂装、转化膜和防锈等表面处理 前的预处理。

Description

本发明涉及金属表面清洗，是一种金属表面周期反向脉冲电化学清洗。

现有的电化学清洗，大多都属于直流电化学清洗，主要靠电极极化和析出的气体清洗金属表面，它分为阴极电化学清洗、阳极电化学清洗以及阴极电化学清洗与阳极电化学清洗的结合处理。阴极电化学清洗是将被清洗的金属作为阴极，置于碱性溶液中通以直流电，阴极上析出氢气。阳极电化学清洗是将被清洗的金属作为阳极，置于碱性溶液中通以直流电，阳极上析出氧气。因阴极电化学清洗会造成氢渗入金属而导致氢脆。氢鼓泡，故有时在长时间阴极电化学清洗后，再短时间阳极电化学清洗，以扩散出部分渗入金属的氢。作阳极电化学清洗时，阳极上产生的氧常会使金属表面形成氧化膜或转变为钝态，此钝化膜在某些情况下，还要用酸洗去除以活化金属表面。美国LTV钢铁公司的自动化镀锌生产线上，冷轧钢板在电解槽中的清洗过程平均分为两段，当成卷的钢板连续不断输入电解槽时，每一截钢板在槽内清洗时间为4秒钟，或者开始2秒是阴极以后2秒作为阳极，或者先作为阳极2秒钟再作为阴极2秒钟。生产线共两个清洗电解槽，从第一个电解槽出来的钢板在空气中运行不到2秒钟进入第二个电解槽，第二次清洗过程阴极与阳极处理的次序正好与第一次清洗次序相反。即电清洗次序循着：阴极-阳极-停顿（空气中运行）-阳极-阴极-结束清洗;或者阳极-阴极-停顿-阴极-阳极-结束清洗。显然对钢卷来说，处理是不均一的，渗氢多寡也不一样。表面分析（XPS）和电化学分析（循环伏安法）的结果表明，LTV公司的方法与阴极或阳极电清洗的方法效果差不多。

本发明的目的就是要提供一种连续的周期反向脉冲电化学清洗，以克服现有电化学清洗技术除油不够彻底，清洗效果不太理想，以及广泛使用的阴极电清洗造成大量渗氢等缺点和不足，从而大大提高金属表面清洗的洁净程度，控制和减少电清洗中的渗氢，使金属表面镀层、覆层和转化膜的质量提高。

本发明的目的是这样实现的：本发明所提出的连续周期反向脉冲电化学清洗系采用连续的矩形周期反向脉冲电流或矩形周期反向脉冲电位在碱性水溶液中对金属材料或零部件进行清洗，在清洗过程中被清洗的工件被连续交替地作为阴极和阳极若干周期（至少两周以上），同时在工件表面周期性地析氢和析氧。这种连续交替地阴极-阳极极化本身具有十分重要的意义和作用，它造成在电解液和金属表面反复建立电荷极性相反的双电层，于是每半个周期出现一次：电极电位增加，双电层电荷密度提高-由于同号电荷相斥，双电层面积沿电极表面扩大-表面张力降低，电解液与金属接触面增大，浸润同时夹在双电层之间的油被挤掉。在清洗过程中，这种反复极化产生的挤迫作用，再配合上气泡的作用，导致了非常好的除油、清洗效果。同时，电极电位的周期连续交替变化，还导致了渗氢量的减少。每次当被清洗的金属从阴极转变为阳极时，金属表面的“吸附氢”脱离金属表面而成为“解吸氢”，已渗入金属的“吸收氢”则向金属外扩散。

本发明所用的矩形周期反向脉冲，其脉冲正负半周的幅值可以相等或不相等，正负半周的脉冲宽度也可以相等或不相等，均可根据需要调整。脉冲频率范围是0.5赫兹到100赫兹。采用脉冲电流时，电流密度从10毫安/平方厘米到400毫安/平方厘米。采用脉冲电位时，峰值电压为5伏特至200伏特。所用的碱性水溶液其PH值从PH9到PH15。碱性水溶液可能含有氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠、磷酸三钠等物质，还可能有少量合成洗涤剂、湿润剂等表面活性剂。清洗溶液温度从25℃到90℃。清洗时间可根据需要从0.1秒钟到60秒钟。

本发明的效果：与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、除油彻底，清洗效果好。

用循环伏安法测试经过清洗的钢表面，其结果表明，在电流密度、清洗溶液、清洗温度、通电时间等条件都相同下，低频连续脉冲电流清洗的效果明显优于现有技术直流电清洗的结果，X-射线光电子能谱（XPS）的分析结果也证实了同样的结论。

2、有效地控制了电化学清洗过程中的氢渗透，减少了氢脆、氢鼓泡危害的可能性。

3、低频连续脉冲电化学清洗可以通过正负脉冲幅值的调整，正负脉冲宽度的调整和频率的变化，从电解槽外部控制电极表面的反应，以达到预期的目的，而这是直流电化学清洗无法实现的。

4、可以使类似LTV钢铁公司的自动化生产流水线上被清洗的板材，带材、线材受到均匀的处理。

下面具体描述本发明的具体实施例。

实现本发明的最好方式是使用周期反向脉冲电流。使用脉冲电流（或称恒电流脉冲）实践上简单易行。参数选择合适时，可瞬间达到最大值。周期反向脉冲的正负半周脉冲的幅值和脉宽可根据实际需要调整。例如降低正脉冲的幅值或减少正脉冲的脉宽都可以减少被加工件表面的氧化，这对一些有色金属是很适用的。

使用的脉冲频率范围是0.5赫兹到100赫兹，优先使用1赫兹到50赫兹。使用的脉冲电流密度范围是10毫安/平方厘米到400毫安/平方厘米，优先使用30毫安/平方厘米到250毫安/平方厘米。所用碱性清洗液的PH值范围是PH9到PH15。清洗钢铁类宜用强碱性溶液，可能会有氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠、磷酸三钠等，PH12到PH15。清洗非铁类金属宜用弱碱性溶液，可能会有磷酸三钠、碳酸钠、硅酸钠等，PH9至PH12。碱性溶液中可以加入少量合成洗涤剂、湿润剂，均应是低泡的或无泡的。溶液温度为25℃至90℃，优先选择45℃-80℃，清洗时间视清洗对象和其他参数而定，一般在0.1秒至60秒，优先选择0.5秒至15秒。

现具体举例说明：

例1，清洗冷轧低碳钢板，强碱性水溶液的组成为氢氧化钠10克/升，碳酸钠20克/升，磷酸三钠30克/升，硅酸钠5克/升，其余是水。溶液温度为65℃，通以频率为10赫兹，电流密度为100毫安/平方厘米的周期反向脉冲电流，正负脉冲宽度比1∶1，另一电极采用DSA，通电时间4秒钟即可达到清洗效果。

例2，清洗碳素钢零件，强碱性水溶液的组成为氢氧化钠15克/升，碳酸钠25克/升，磷酸三钠30克/升，水玻璃3克/升，湿润剂为2毫升/升，其余水。溶液温度70℃，通以频率为20赫兹，电流密度150毫安/平方厘米的周期反向脉冲电流，正负脉冲宽度比1∶1，通电时间3秒。另一电极为DSA。

例3，清洗薄铝板。弱碱性溶液的组成为磷酸三钠30克/升，碳酸钠40克/升，硅酸钠3克/升，湿润剂为2毫升/升，其余为水。溶液温度70℃。通以频率为10赫兹，电流密度为50毫安/平方厘米的周期反向脉冲电流。脉冲宽度比：正脉冲宽度∶负脉冲宽度＝1∶2。通电时间5秒。另一电极为DSA。

例4，清洗黄铜零件。弱碱性溶液的组成为碳酸钠50克/升，磷酸三钠30克/升，硅酸钠10克/升，其余为水。溶液温度75℃，通以频率为15赫兹，电流密度为80毫安/平方厘米的周期反向脉冲电流，脉冲宽度比：正脉冲宽度∶负脉冲宽度＝1∶2.5。通电时间4秒。另一电极为DSA。

Claims (3)

1、金属表面周期反向脉冲电化学清洗，其特征在于它是采用连续的矩形周期反向脉冲电流或矩形周期反向脉冲电位在碱性水溶液中对金属材料或零部件进行清洗，在清洗过程中被清洗的工件被连续交替地作阴极和阳极至少两个周期以上，同时在工件表面周期性地析氢和析氧，其脉冲频率范围从0.5赫兹到100赫兹，使用电流脉冲时，其脉冲电流密度范围为10毫安/平方厘米至400毫安/平方厘米，使用电压脉冲时，其脉冲电压幅值为5伏至200伏。

2、根据权利要求1所述的金属表面周期反向脉冲电化学清洗，其特征在于优先使用电流脉冲，频率优先使用1赫兹至50赫兹，脉冲电流密度优先选用30毫安/平方厘米到250毫安/平方厘米，其正负脉冲幅值和宽度可以相等，也可以不相等。

3、根据权利要求1或2所述的金属表面周期反向脉冲电化学清洗，其特征在于：碱性溶液可能含有氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠、磷酸三钠等物质，还可能含有少量合成洗涤剂、湿润剂等低泡或无泡表面活性剂，碱性溶液的PH值在PH9至PH12之间，碱性溶液的工作温度从25℃至90℃，优先选择45℃至80℃。