DE69013447T2 - Process for acid pickling metal objects containing titanium or a chemical element of the titanium group. - Google Patents
Process for acid pickling metal objects containing titanium or a chemical element of the titanium group.Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Säurebeizen in einem Säurebad von Metallgegenständen auf der Grundlage eines Metalls, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Tantal und Uran enthält.The present invention relates to a method for acid pickling in an acid bath of metal objects based on a metal selected from the group containing titanium, vanadium, zirconium, niobium, tantalum and uranium.
Auf dem Gebiet der Metallurgie ist es bekannt, daß sich bei der Erarbeitung von metallischen Produkten oder metallischen Legierungen an deren Oberfläche während der Schweißung und der Wärmebehandlung eine Zunderschicht ausbildet. Im Hinblick auf die Notwendigkeit, an den Endprodukten eine gute Oberflächenqualität zu erzielen, muß daher die gesamte ausgebildete Zunderschicht durch Abbeizen entfernt werden.In the field of metallurgy, it is known that during the manufacture of metallic products or metallic alloys, a layer of scale forms on their surface during welding and heat treatment. In view of the need to achieve a good surface quality on the final products, the entire layer of scale formed must therefore be removed by pickling.
Nach einem bekannten Verfahren besteht das Abbeizen darin, daß die Endprodukte in Bäder getaucht werden, die aus Salpetersäure HNO&sub3; und Fluorwasserstoffsäure HF in einem Verhältnis von 6 bis 16 % HNO&sub3; und 1 bis 5 % HF pro Liter bestehen, wobei die Einsatztemperatur der Bäder zwischen 40º C und 60º C liegt.According to a known process, stripping consists in immersing the finished products in baths consisting of nitric acid HNO3 and hydrofluoric acid HF in a ratio of 6 to 16% HNO3 and 1 to 5% HF per litre, the temperature of use of the baths being between 40ºC and 60ºC.
Eines der Bäder, das am häufigsten für das Abbeizen von Titan verwendet wird, basiert auf Salpetersäure, einer Säure, die einen NO&sub2;-Dampf erzeugt, der besonders toxisch ist, und nitrierten Produkten in den Effluenten (Nitrite und Nitrate). Wenn auch der zulässige maximale Nitratgehalt relativ hoch ist, so ist dagegen der zulässige Gehalt an Nitriten sehr viel niedriger, da Nitrite Nitrosamine bilden, die schädliche Substanzen darstellen.One of the baths most commonly used for stripping titanium is based on nitric acid, an acid that produces a particularly toxic NO2 vapor, and nitrated products in the effluents (nitrites and nitrates). Although the maximum permissible nitrate content is relatively high, the permissible nitrite content is much lower, since nitrites form nitrosamines, which are harmful substances.
Es ist ebenfalls ein Verfahren für das Abbeizen von metallischen Gegenständen auf der Basis von Titan bekannt, bei dem ein Bad verwendet wird, welches aus einer Mischung aus halogenisierten Säuren besteht, die hauptsächlich Salzsäure HCl und Flußsäure HF enthalten.A process for pickling metal objects based on titanium is also known, which uses a bath consisting of a mixture of halogenated acids, mainly containing hydrochloric acid HCl and hydrofluoric acid HF.
Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß das sich auf lösende Titan auf die Valenz III reduziert wird und flüchtige Verbindungen bildet.The disadvantage of this process is that the dissolving titanium is reduced to valence III and forms volatile compounds.
Bei seiner Auflösung in der Salzsäure verwandelt sich das Titan in TiCl&sub3;, das sich bereits bei 80º C sublimiert. Vor der Sublimation zersetzt sich das TiCl&sub3; in TiCl&sub4; + TiCl&sub2; nach folgender Gleichung:When dissolved in hydrochloric acid, titanium turns into TiCl₃, which sublimates at 80ºC. Before sublimation, TiCl₃ decomposes into TiCl₄ + TiCl₂ according to the following equation:
2 TiCl3 TiCl&sub4; + TiCl&sub2; (I)2 TiCl3 TiCl&sub4; + TiCl2 (I)
Das TiCl&sub4; ist stark flüchtig, seine Dampfspannung bei 50º C beträgt 43 mm Hg.TiCl4 is highly volatile, its vapor tension at 50ºC is 43 mm Hg.
Das Dokument Patent Abstracts of Japan, Vol. 11, nº 11, nº 322 (C453) [2769] beschreibt die Vorbehandlung einer Platte auf der Basis von Titan mit Hilfe einer Mischung, die 0,3 bis 5 % HF und mindestens 0,7 % H&sub2;O&sub2; enthält.The document Patent Abstracts of Japan, Vol. 11, nº 11, nº 322 (C453) [2769] describes the pretreatment of a titanium-based plate using a mixture containing 0.3 to 5% HF and at least 0.7% H₂O₂.
Die US-A-3 258 429 beschreibt Lösungsmittel für die Dekontaminierung von Kühlsystemen in Kernreaktoren. Diese Lösungen enthalten Oxalsäue und Wasserstoffperoxid.US-A-3 258 429 describes solvents for the decontamination of cooling systems in nuclear reactors. These solutions contain oxalic acid and hydrogen peroxide.
Chemical Abstracts, Vol. 107, nº 26, Seite 82, Zusammenfassung nº 241263w, beschreibt das Abbeizen eines Titanbleches in einem Säurebad (HF und HNO&sub3;), in das Luft eingeblasen wird.Chemical Abstracts, Vol. 107, nº 26, page 82, Abstract nº 241263w, describes the pickling of a titanium sheet in an acid bath (HF and HNO3) into which air is blown.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Beizverfahren in einem sauren Medium für metallische Gegenstände auf der Basis eines Metalls anzubieten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Tantal und Uran umfaßt, ein Verfahren, bei dem man in das Säurebad einen Oxidator einleitet, der die Nachteile der oben beschriebenen Beizverfahren vermeidet, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß für die Beschleunigung des kinetischen Ablaufs der Säurebeizung mindestens eine peroxidverbindung des in dem abzubeizenden Produkt enthaltenen Metalls gebildet wird, wobei das gewählte Metall mit einer höheren Valenz ionisiert ist, und daß die Ausbildung der Peroxidverbindung durch eine Messung des Redoxpotentials kontrolliert wird, und daß die Menge des Oxidationsmittels so begrenzt wird, daß ein Potential der Oxireduktion erhalten bleibt, welches über dem Potential der passivierung des metallischen Gegenstandes liegt.The present invention aims to provide a pickling process in an acidic medium for metallic objects based on a metal selected from the group comprising titanium, vanadium, zirconium, niobium, tantalum and uranium, a process in which an oxidizer is introduced into the acid bath which avoids the disadvantages of the pickling processes described above and which is characterized in that, in order to accelerate the kinetics of the acid pickling, at least one peroxide compound of the metal contained in the product to be pickled is formed, the selected metal being ionized with a higher valence, and that the formation of the peroxide compound is controlled by measuring the redox potential and that the amount of oxidizing agent is limited so as to maintain an oxyreduction potential which is higher than the passivation potential of the metallic object.
Ein solches Verfahren beruht auf der Tatsache, daß die peroxigenisierten Verbindungen des Metalls gegenüber dem Metall selbst und gegen seine auf eine geringere Valenz ionisierten Oxiden aggressiv sind.Such a process is based on the fact that the peroxygenated compounds of the metal are aggressive towards the metal itself and towards its oxides ionized to a lower valence.
Vorzugsweise ist das säurebad für das Abbeizen ein Bad, das hauptsächlich eine Säure enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Fluorwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure und Ameisensäure enthält, man kann jedoch auch eine andere Säure verwenden, die das oxidierte Titan abbeizen kann, oder aber eine Mischung aus mineralischen Säuren, wie zum Beispiel HF-H&sub2;SO&sub4;.Preferably, the acid bath for pickling is a bath containing mainly an acid selected from the group consisting of hydrofluoric acid, sulphuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid and formic acid, but it is also possible to use another acid capable of pickling the oxidised titanium or a mixture of mineral acids such as HF-H₂SO₄.
Um die Kinematik des Abbeizens einzuleiten, wird in das Säurebad ein stark oxidierendes Agens eingegeben, welches die Ausbildung von mindestens einer Peroxidverbindung des Metalls bewirkt.In order to initiate the kinematics of pickling, a strongly oxidizing agent is added to the acid bath, which causes the formation of at least one peroxide compound of the metal.
Es ist zu beachten, daß ein Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Tantal und Uran enthält, mit den axidatoren oxigenisierte Verbindungen bildet. Je nach dem erreichten Grad der Oxidation, erhält man Verbindungen folgender Art: It should be noted that a metal selected from the group consisting of titanium, vanadium, zirconium, niobium, tantalum and uranium can be oxygenated with the oxidizers. Depending on the degree of oxidation achieved, the following types of compounds are obtained:
darin ist M ein Metal, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Tantal und Uran umfaßt. Diese Verbindungen bilden Persalze, das heißt, stark oxidierende Substanzen.where M is a metal selected from the group comprising titanium, vanadium, zirconium, niobium, tantalum and uranium. These compounds form persalts, i.e. strongly oxidizing substances.
Vorzugsweise wird der Oxidator aus der Gruppe ausgewählt, welche Wasserstoffperoxid, Harnstoffperoxid oder ein Gas, wie zum Beispiel Ozon oder Sauerstoff, enthält.Preferably, the oxidizer is selected from the group consisting of hydrogen peroxide, urea peroxide or a gas such as ozone or oxygen.
Das Wasserstoffperoxid wird direkt in das Säurebad in einer Menge eingegeben, die unter 0,5 Gew.-% liegt. Es kann ebenfalls in Form eines Persalzes oder einer Persäure eingegeben werden, die sich durch Zersetzung in saurer Umgebung in Wasserstoffperoxid verwandeln. Das Harnstoffperoxid kann in einer Menge von weniger als 1,2 Gew.-% eingesetzt werden.The hydrogen peroxide is added directly to the acid bath in an amount of less than 0.5% by weight. It can also be added in the form of a persalt or a peracid, which convert into hydrogen peroxide by decomposition in an acidic environment. The urea peroxide can be used in an amount of less than 1.2% by weight.
Anhand der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung besser verständlich:The invention will be better understood from the following description:
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfahren für das Abbeizen im Säurebad von Gegenständen aus Metall oder Metallegierungen, die ein Metall enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Tantal oder Uran umfaßt.The method according to the invention relates to a method for the pickling in an acid bath of objects made of metal or metal alloys containing a metal selected from the group comprising titanium, vanadium, zirconium, niobium, tantalum or uranium.
Der Mechanismus der Abbeizreaktion ist für die verschiedenen genannten Metalle und die Legierungen gleich.The mechanism of the pickling reaction is the same for the various metals and alloys mentioned.
Als Beispiel werden die Einzelheiten eines Verfahrens für das Abbeizen von Titan beschrieben.As an example, the details of a process for pickling titanium are described.
Das Basissäurebad ist vorzugsweise ein Bad aus Fluorwasserstoffsäure, deren Konzentration zwischen 0,2 - 10 Gew.-% liegt. Es können auch andere Säuren eingesetzt werden, wie zum Beispiel Schwefelsäure, vorausgesetzt sie enthalten eine peroxigenisierte Form des metallischen Elementes, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Tantal und Uran umfaßt, das in dem abzubeizenden Produkt enthalten ist.The basic acid bath is preferably a bath of hydrofluoric acid, the concentration of which is between 0.2 - 10% by weight. Other acids may also be used, such as sulphuric acid, provided they contain a peroxygenated form of the metallic element selected from the group comprising titanium, vanadium, zirconium, niobium, tantalum and uranium contained in the product to be pickled.
In dem Beispiel für das Abbeizen von Titan haben Laborversuche gezeigt, daß das oxidierte Titan von der Fluorwasserstoffsäure nach folgender Reaktion angegriffen wird:In the example of pickling titanium, laboratory tests have shown that the oxidized titanium is attacked by the hydrofluoric acid according to the following reaction:
2Ti + 6HF ---T 2TiF&sub3; + 3H (II)2Ti + 6HF ---T 2TiF&sub3; + 3H (II)
Das Titantrifluor verwandelt sich in Tetrafluor TiF&sub4; in Gegenwart eines Überschusses an HF.Titanium trifluorine transforms into tetrafluorine TiF4 in the presence of an excess of HF.
Um die Kinematik des Abbeizens zu erhöhen, besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß mindestens eine peroxigenisierte Verbindung des Metalls gebildet wird, und im Fall des Abbeizens von Titan eine peroxigenisierte Verbindung von Titan, nämlich das Pertitanat, welches gegenüber dem Titan und seinen Oxiden besonders aggressiv ist.In order to increase the kinematics of the pickling, the process according to the invention consists in forming at least one peroxygenated compound of the metal and, in the case of the pickling of titanium, a peroxygenated compound of titanium, namely pertitanate, which is particularly aggressive towards titanium and its oxides.
Die Ausbildung von Pertitanat wird zum Beispiel durch die Wirkung von Wasserstoffperoxid auf das Titanfluor nach folgenden Reaktionen erzielt:The formation of pertitanate is achieved, for example, by the effect of hydrogen peroxide on the titanium fluorine according to the following reactions:
Ti&sup4;&spplus; + H&sub2;O&sub2; + 2H&sub2;O -T TiO&sub4;²&supmin; + 6H&spplus; (III)Ti⁴⁺⁺ + H₂O₂ + 2H₂O -TTiO₄²⊃min; + 6H&spplus; (III)
2TiO&sub4;²&supmin; + Ti + 16 H&spplus; -T 3Ti&sup4;&spplus; + 8H&sub2;O (IV)2TiO₄²⊃min; + Ti + 16 H&spplus; -T 3Ti&sup4;&spplus; + 8H₂O (IV)
In der Reaktion (IV) gibt es kein überschüssiges H&spplus; mehr, sondern es entsteht H&sub2;o, was die Wirkung der Einleitung von H&spplus; in die Maschen des kristallinen Netzes des abzubeizenden Metalls oder der abzubeizenden Legierung und damit die Sprödigkeit des abgebeizten Gegenstandes verringert.In reaction (IV) there is no longer any excess H+, but H₂o is produced, which reduces the effect of the introduction of H⁺ into the meshes of the crystalline network of the metal or alloy to be pickled and thus the brittleness of the pickled object.
Das Pertitanat kann auch durch die Wirkung des Harnstoffperoxids erzielt werden, welches durch Zersetzung Wasserstoffperoxid ergibt. Diese Verbindung ist stabil und daher leichter transportierbar.Pertitanate can also be obtained through the action of urea peroxide, which decomposes to produce hydrogen peroxide. This compound is stable and therefore easier to transport.
In einer anderen Weise kann die Ausbildung von Pertitanat errreicht werden, wenn man Ozon in das Bad einspritzt. die Reaktion für die Ausbildung des Pertitanats sind dann folgende:In another way, the formation of pertitanate can be achieved by injecting ozone into the bath. The reactions for the formation of pertitanate are then as follows:
Ti&sup4;&spplus; + O&sub3; + H&sub2;O -T TiO&sub4;²&supmin; + &sub2;H&spplus; (V)Ti⁴⁺⁺ + O3 + H₂O -T TiO₄²⊃min; + 2H+ (V)
2TiO&sub4;²&supmin; + Ti + 16 H&spplus; -T 3Ti&sup4;&spplus; + 8H&sub2;O (VI)2TiO₄²⊃min; + Ti + 16 H&spplus; -T 3Ti&sup4;&spplus; + 8H₂O (VI)
Das Ozon kann auch durch Sauerstoff ersetzt werden.The ozone can also be replaced by oxygen.
Es ist bekannt, daß die Einleitung eines Persalzes in ein saures Medium aufgrund der Zersetzung ein Wasserstoffperoxid ergibt. Persalze, die hierfür verwendet werden können, sind insbesondere: Perborsäure, Pertitansäure, Perethansäure und Perschwefelsäure, die im wesentlichen Säuren sind, die in anderen Industriebereichen eingesetzt werden. Daher kann die Persäure die Persäure des Metalls sein, das in dem abzubeizenden Gegenstand enthalten ist.It is known that the introduction of a persalt into an acid medium produces a hydrogen peroxide due to decomposition. Persalts that can be used for this purpose are in particular: perboric acid, pertitanic acid, perethanoic acid and persulphuric acid, which are essentially acids used in other industrial sectors. Therefore, the peracid can be the peracid of the metal contained in the object to be pickled.
Die Ausbildung der TiO&sub4;²&supmin;-Ionen wird durch Messung des Potentials der Oxidoreduktion des Beizbades kontrolliert. Das REDOX-Potential ist der unterschied des zwischen einer nicht korrodierenden Elektrode (zum Beispiel aus Platin) und einer Bezugselektrode (zum Beispiel aus Ag/AgCl oder gesättigtem Kalomel) gemessenen potentials, wobei beide Elektroden in das zu untersuchende Bad eingetaucht sind. Der gemessene Wert erlaubt es, einerseits die Oxidationskraft des Beizbades zu charakterisieren und andererseits das Bad durch Einleitung von chemischen Verbindungen zu reajustieren, um eine bestimmte Oxidationskraft des Bades aufrechtzuerhalten. Für das Abbeizen von Titan oder einer Titanverbindung liegt das Potential der Oxidoreaktion in folgendem Intervall:The formation of TiO₄²⊃min; ions is controlled by measuring the oxidation reduction potential of the pickling bath. The REDOX potential is the difference between a non-corrosive electrode (for example platinum) and a reference electrode (for example Ag/AgCl or saturated calomel), both electrodes immersed in the bath to be tested. The measured value makes it possible to characterise the oxidising power of the pickling bath and to readjust the bath by introducing chemical compounds in order to maintain a certain oxidising power of the bath. For the pickling of titanium or a titanium compound, the potential of the oxidation reaction lies in the following range:
(+ 150, - 350) mV/Ag/AgCl.(+ 150, - 350) mV/Ag/AgCl.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Wirksamkeit des Beizvorganges der ausgewählten Metalle und ihrer Legierungen, und zwar mit Hilfe eines Basisbades, welches vorzugsweise nur eine Säure enthält, das heißt, ein Oxydationsbad, dessen hauptsächlicher Oxidator eine peroxigenisierte Verbindung eines ausgewählten Metalls ist.The process according to the invention improves the effectiveness of the pickling process of the selected metals and their alloys, using a base bath which preferably contains only one acid, that is to say an oxidation bath whose main oxidizer is a peroxygenated compound of a selected metal.
In einem Ausführungsbeispiel für das Abbeizen von Titan nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt der Gewichtsverlust von flachen Gegenständen 40 bis 80 g/m². Der erzielte Oberflächenzustand ist vergleichbar mit demjenigen, der mit dem Nitrofluorwasserstoffverfahren erzielt wird. Es wird keine Überbeizwirkung erzeugt. Die Verwendung von Wasserstoffperoxid ergibt eine behandelte gebleichte Oberfläche, die einen schönen und esthetische Anblick bietet.In an embodiment of the pickling of titanium according to the process of the invention, the weight loss of flat objects is 40 to 80 g/m². The surface finish achieved is comparable to that achieved with the nitrofluorohydrogen process. No overpickling effect is produced. The use of hydrogen peroxide results in a treated bleached surface that offers a beautiful and aesthetic appearance.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt insbesondere darin, daß der Oxidator "in situ" erzeugt wird, ohne daß toxische oder verunreinigende Substanzen beigegeben werden müssen.The advantage of the process according to the invention lies in particular in the fact that the oxidizer is produced "in situ" without the need to add toxic or contaminating substances.
Da die Abbeizreaktion hauptsächlich durch das Pertitanat und/oder ein Peroxid der gewählten Metalle erzielt wird, wird der Verbrauch von Florwasserstoffsäure reduziert.Since the stripping reaction is mainly achieved by the pertitanate and/or a peroxide of the selected metals, the consumption of hydrofluoric acid is reduced.
Dieses Verfahren verursacht keine Verunreinigung der Atmosphäre. Die Effluenten können außerdem behandelt und wiederaufbereitet werden, wodurch eine erhöhte Lebensdauer der Beizbäder erreicht wird.This process does not cause any pollution of the atmosphere. The effluents can also be treated and recycled, thus increasing the service life of the pickling baths.
Die Ausbildung von peroxigenisierten Verbindungen (Pertitanate, Perzirkonate, Pertantalate, Perniobate Peruranate, Pervanadate) erfordert die Beimischung von H&sub2;O&sub2;, eine Substanz, die in ökologischer Hinsicht besonders interessant ist, da sie sich in H&sub2;O und O&sub2; zersetzt, eine für die Biogenese günstige Tatsache.The formation of peroxygenated compounds (pertitanates, perzirconates, pertantalates, perniobates peruranates, pervanadates) requires the addition of H₂O₂, a substance that is particularly interesting from an ecological point of view since it decomposes into H₂O and O₂, a fact favorable for biogenesis.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt also zu einer Verringerung oder sogar Vermeidung von toxischen Substanzen in der Atmosphäre und in den Effluenten.The process according to the invention therefore leads to a reduction or even avoidance of toxic substances in the atmosphere and in the effluents.
Die Aufbereitung der Effluenten und verbrauchten Bäder geschieht in Übereinstimmung der ministeriellen Vorschriften von Industrieländern. Zum Beispiel führt eine Behandlung mit Kalkmilch zur Ausfällung der metallischen Hydroxide ohne Ausstoß von toxisichen anionischen Formen, was bei Nitraten nicht der Fall ist, da sie alle in Wasser löslich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher ein sauberes und ökologisches Verfahren.The treatment of the effluents and spent baths is carried out in accordance with the ministerial regulations of industrialized countries. For example, treatment with milk of lime leads to the precipitation of the metallic hydroxides without the emission of toxic anionic forms, which is not the case with nitrates, since they are all soluble in water. The process according to the invention is therefore a clean and ecological process.
Die Verwendung eines oxidierenden Bades, ohne überschussigen Wasserstoff, vermeidet die Diffusion des Wasserstoffes in den Maschen des Metallnetzes des abgebeizten Gegenstandes, wie sie zum Beispiel in einem Reduktionsbad auftritt. Auf diese Weise wird die Sprödigkeit der abgebeizten Teile reduziert.The use of an oxidizing bath, without excess hydrogen, avoids the diffusion of hydrogen in the mesh of the metal net of the pickled object, as occurs, for example, in a reducing bath. In this way, the brittleness of the pickled parts is reduced.
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