鋯合金板材表面酸洗工藝試驗(yàn)研究

鋯合金由于其具有熱中子吸收截面小、密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為重要的核電站應(yīng)用材料[1] 。此外，鋯合金還可用于強(qiáng)耐蝕結(jié)構(gòu)材料及生物醫(yī)學(xué)材料，甚至在石油化工、兵器冶金及造紙等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用[2] 。在鋯合金板材的生產(chǎn)過程中，酸洗工序是工業(yè)生產(chǎn)中很重要的一個環(huán)節(jié)，主要目的是①去除熱處理板 坯表面殘留的氧化皮 ；②暴露板材表面的缺陷便以加工 ；③獲得表面一致、亮度均一的成品板材；④控制產(chǎn)品厚度尺寸。鋯合金耐腐蝕性較好，但與氫氟酸易產(chǎn)生反應(yīng)，在批量 化生產(chǎn)過程中既要保證鋯合金產(chǎn)品表面清潔、光亮，均勻一致，也要控制其尺寸精度。因此研究鋯合金板材酸液參數(shù)對酸洗效果的影響有著非常重要的意義[3] 。本次試驗(yàn)采用單一變量法摸索出適宜的酸液配比參數(shù)范圍，為鋯合金板材批量化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料、酸液試劑及儀器

（1）試驗(yàn)材料。本試驗(yàn)采用材料為鋯合金板材，化學(xué)成分如表1所示。試樣狀態(tài)為再結(jié)晶退火態(tài)，規(guī)格為δ2.5mm×90mm×50mm（見圖1所示）。

（2）?酸洗試劑。工業(yè)氫氟酸（50.9%）和工業(yè)硝酸（50.2%）。

（3）計(jì)量器具及儀器。測溫槍、板厚千分尺、秒表、“O、N、H分析儀”。

2、試驗(yàn)過程與方法

酸洗過程中影響酸洗速率及板材表面質(zhì)量的主要因素是氫氟酸和硝酸的濃度，本次試驗(yàn)在保證鋯合金板材表面質(zhì)量的前提條件下，通過對比酸液配比、酸洗時間等對鋯合金板材的影響，摸索出適宜鋯合金板材酸洗的工藝參數(shù)范圍。

此試驗(yàn)在室溫下設(shè)置了2組方案進(jìn)行對比分析，即不同氫氟酸濃度、不同硝酸濃度，具體試驗(yàn)方案見表2、表3。

3、酸洗工藝流程

酸洗→冷水漂洗→熱水燙干

4、試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同氫氟酸濃度試驗(yàn)結(jié)果分析

我們在實(shí)驗(yàn)室條件下根據(jù)方案I不同的配比，按照3項(xiàng)設(shè)計(jì)的酸洗工藝流程燙干后，不同酸洗時間下鋯合金板材酸洗去除量見表4，在不同的酸洗時間下觀察鋯合金板材表面現(xiàn)象，其結(jié)果見表5。

由表4可以看出，在相同硝酸濃度下，隨著氫氟酸濃度的增加，同一時間鋯合金板材酸洗去除量增加，即酸洗速率越快 ；在同一氫氟酸、硝酸濃度條件下，隨著酸洗時間的增加，板材酸洗去除量也增加，且在酸洗后期，板材酸洗去除量逐漸減少。由表5可以看出，濃度為2％的氫氟酸酸液酸洗后的鋯合金板表面干凈但不光亮 ；氫氟酸濃度在4％以上時，酸洗后的鋯合金板材表面干凈光亮。從酸洗速率來看，當(dāng)氫氟酸濃度為2-5％進(jìn)行酸洗時，鋯合金板材表面被氣泡覆蓋，隨著氫氟酸濃度/酸洗時間的增加，酸液溫度升高，反應(yīng)速率加快。濃度為7-8％的氫氟酸酸洗時，板材表面氣泡增多，酸洗速率較快，隨著酸洗的進(jìn)行，酸液溫度迅速升高，氣泡急劇增多，反應(yīng)劇烈且后期有大量紅棕色氣體生成，反應(yīng)不可控，尺寸精度難以控制。實(shí)際批量生產(chǎn)的過程中，為控制酸洗速率及鋯合金板材尺寸精度，酸液溫度不宜太高[4-5] ，應(yīng)該控制在 40℃以下，否則容易造成過度酸洗。在酸洗作業(yè)過程中隨著反應(yīng)的繼續(xù)，酸洗去除量減少，酸洗速率放緩，酸液濃度在不斷地降低，因此氫氟酸的濃度是一個范圍而不是一個確定的值。

鋯與氫氟酸會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)方程式為 ：

高濃度的氫氟酸易導(dǎo)致板材表面吸氫量增加，導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生，影響板材性能。綜上所述，濃度約為4％的氫氟酸酸洗液酸洗鋯合金板材效果較好。

4.2 不同硝酸濃度試驗(yàn)結(jié)果與分析

硝酸的濃度也是影響酸洗效率和酸洗效果的關(guān)鍵因素，在酸液中起到控制反應(yīng)速率及吸氫量的作用，化學(xué)反應(yīng)方程式為 ：

在室溫條件下，使用濃度為4％的氫氟酸，采用6種不同濃度的硝酸進(jìn)行酸洗試驗(yàn)，不同酸洗時間下鋯合金板材酸洗去除量，試驗(yàn)結(jié)果見表6，觀察其表面質(zhì)量變化，其結(jié)果見表7。

使用6種濃度的硝酸酸洗鋯合金板材時，隨著酸洗時間的增加，酸液溫度升高（T＜40℃），酸洗速率平穩(wěn)加快，酸洗后的板材表面干凈光亮。對酸洗3min/5min后的鋯合金板材進(jìn)行氫含量分析，結(jié)果見表8。

從表中可以看出 ：當(dāng)硝酸濃度一定時，隨著氫氟酸濃度/酸洗時間的增加，板材表面H含量呈上升趨勢 ；當(dāng)氫氟酸濃度恒定時，隨著硝酸濃度的增加，板材表面H含量呈先上升后又下降的趨勢，但遠(yuǎn)低于0.0025％的標(biāo)準(zhǔn)值。研究表明 ：硝酸的含量與H含量呈指數(shù)關(guān)系[4] ，當(dāng)硝酸濃度＞35％時，所產(chǎn)生的吸氫作用大大減小，由于本試驗(yàn)是以鋯合金板材表面質(zhì)量為前提條件的，且酸洗時間較短，根據(jù)試驗(yàn)效果，鋯合金板成品酸洗硝酸最佳濃度范圍為40%~50%。

方案II試驗(yàn)的另外一個目的是在保證鋯合金板材表面酸洗質(zhì)量的前提條件下，盡可能的減少鋯材的損失，防止過酸洗現(xiàn)象，因此酸洗時間以1-3min為宜。

5、結(jié)論

①酸洗過程中，氫氟酸主要起腐蝕作用，當(dāng)氫氟酸濃度較低時，板材表面不光亮，氫氟酸濃度過高時，隨著酸洗的進(jìn)行，酸液溫度迅速升高，反應(yīng)不可控。而硝酸起控制反應(yīng)速率和吸氫量的作用，反應(yīng)速率與溫度呈正比關(guān)系，隨酸液溫度升高反應(yīng)劇烈，硝酸揮發(fā)產(chǎn)生大量的紅棕色氣體，板材尺寸精度不可控。②在保證鋯合金板材酸洗表面質(zhì)量的前提條件下，酸液配比按氫氟酸 ：硝酸 ：水≈4％ ：40％ -50％ ：余量進(jìn)行配比，酸液溫度＜40℃的條件下酸洗1-3min為宜。③批量生產(chǎn)過程中應(yīng)及時補(bǔ)充酸液并控制酸洗溫度低于40℃。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 趙義，任妍利.鈦板材生產(chǎn)過程中表面酸洗的試驗(yàn)研究[J].甘肅冶金，2011，33(2) ：45-47.