TW201414884A

TW201414884A - 去除鋼材之銹皮的方法

Info

Publication number: TW201414884A
Application number: TW101136907A
Authority: TW
Inventors: Yi-Jin Zhou; Tai-Long Zhou
Original assignee: Yi-Jin Zhou; Tai-Long Zhou
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本發明提供一種去除鋼材之銹皮的方法，包含使一表面含有銹皮之鋼材進行至少兩次的除銹處理，該除銹處理是由步驟(a)及步驟(b)所組成；步驟(a)是將該鋼材置於一處理試劑中，並利用化學浸漬法或化學電解法，使該銹皮自該鋼材表面鬆動但不脫離該鋼材；及步驟(b)是將該鋼材自該處理試劑中移出，利用機械方法，使已鬆動的銹皮自該鋼材表面脫離。本發明透過步驟(a)及步驟(b)進行至少兩次的除銹處理，可以將銹皮自鋼材表面完全移除。

Description

去除鋼材之銹皮的方法

本發明是有關於一種去除鋼材之銹皮的方法，特別是指一種可延長處理試劑的使用壽命的去除鋼材之銹皮的方法。

鋼材的生產過程所包括的退火、淬火、焊接、鍛造及熱處理過程，會使鋼材表面產生一層不期望的黑色的氧化物質，即是一般所稱之「銹皮」。銹皮的存在不僅影響鋼鐵表面品質，同時會對後續的加工效果及成品品質產生不良影響，因此必須去除。

目前，如碳鋼、不鏽鋼及高合金鋼等鋼材一般採用酸洗方法去除銹皮，利用酸將不鏽鋼表面之銹皮溶解，使銹皮與鋼材分離，具體的作法是在60至75℃環境下，以硝酸(HNO₃)及氫氟酸(HF)的混合物作為酸洗液，進行酸洗約15至30分鐘。

但，酸洗液所含之氫氟酸為管制品，酸洗後銹皮落入酸洗液中並逐漸溶解，使得酸洗液因含有高濃度的鐵、鉻及鎳等重金屬離子而必須更換。酸洗廢液需進行特殊處理將重金屬離子去除，但即使是經處理後的酸洗廢液仍無法再使用；目前是採用酸鹼中和法使酸洗廢液中含金屬離子的汙泥沉降，分離並固化乾燥後再以掩埋法處理，但可供掩埋的區域有限，且勢必造成土壤汙染。

此外，含硝酸之酸洗液於使用過程中會產生氮氧化物 (NO_x)，如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)。雖然於酸洗液中添加如過氧化氫(H₂O₂)等氧化劑有助於降低硝酸之使用量並減少氮氧化物生成，但仍無法解決酸洗廢液所造成的汙染問題。

由上述可知，酸洗液本身及其廢液對環境及人體健康皆造成重大危害，因此，應以環保綠色技術做為目標，開發一種降低酸洗液使用量的去除銹皮的方法。

因此，本發明之目的，即在提供一種去除鋼材之銹皮的方法。

於是，本發明去除鋼材之銹皮的方法，包含：使一表面含有銹皮之鋼材進行至少兩次的除銹處理，該除銹處理是由步驟(a)及步驟(b)所組成：步驟(a)將該鋼材置於一處理試劑中，並利用化學浸漬法或化學電解法，使該銹皮自該鋼材表面鬆動但不脫離該鋼材；及步驟(b)將該鋼材自該處理試劑中移出，利用機械方法，使已鬆動的銹皮自該鋼材表面脫離。

本發明方法主要透過步驟(a)及步驟(b)將鋼材表面之銹皮去除，且步驟(a)不會使該銹皮落入或溶解於該處理試劑中，因此可延長該處理試劑的使用壽命，確實減少處理試劑的用量。

本發明去除鋼材之銹皮的方法，包含：使一表面含有銹皮之鋼材進行至少兩次的除銹處理，該除銹處理是由步驟(a)及步驟(b)所組成：步驟(a)將該鋼材置於一處理試劑中，並利用化學浸漬法或化學電解法，使該銹皮自該鋼材表面鬆動但不脫離該鋼材；及步驟(b)將該鋼材自該處理試劑中移出，利用機械方法，使已鬆動的銹皮自該鋼材表面脫離。

當步驟(a)使該銹皮結構受到破壞並產生穿孔或裂縫等缺損，使該處理試劑可以滲入該銹皮組織中與銹皮作用，甚至穿透銹皮與銹皮下方局部與銹皮鄰接的極少量鋼材發生反應，而使銹皮自該鋼材表面鬆動但不脫離該鋼材。

步驟(b)之機械除銹不限於任何方法或設備，只要可提供直接接觸或藉由介質接觸該鋼材表面已鬆動之銹皮的機械力均適用。較佳地，該機械力為刷磨或研磨。

習知技術曾在鋼材與該處理試劑反應的同時啟用超音波去除銹皮的作法，但此舉會使銹皮脫落且逐漸溶解於處理試劑中，造成該處理試劑的金屬離子濃度提高，而無法再使用。本發明的機械處理並非於處理試劑中，而是於獨立區域使銹皮自鋼材表面脫落，以避免銹皮脫落污染該處理試劑，同時延長該處理試劑的使用壽命。

由於鋼材本身的成分及其製造條件會導致銹皮的組成、結構，及銹皮與鋼材的結合強度大不相同，本發明方法對表面含有銹皮之鋼材進行除銹處理的次數及處理條件需視該鋼材之種類、製造條件以及銹皮狀況的不同而調整，以防止因過度進行除銹處理致使該鋼材耗損，並達到徹底將銹皮移除且不損傷該鋼材的的理想效果。

此外，由於步驟(a)使銹皮自該鋼材表面鬆動但不脫離該鋼材，是故本發明並不會因為重覆進行除銹處理而造成該處理試劑中的金屬離子濃度提高，該處理試劑經多次使用仍可以具有良好的鬆動銹皮的效果；因此，建議步驟(a)重複使用該處理試劑，不需每次更換，將有助於大幅地減少處理試劑的用量，提升除銹效率並節約成本。

較佳地，該鋼材是選自於碳鋼、不鏽鋼或高合金鋼。

雖然碳鋼表面之銹皮的主要成分為氧化鐵，若僅透過機械除鏽方式除銹，可以將銹皮去除大部分，但無法將銹根(scale root)完全去除，因此一般採用酸洗方法處理，但又易造成有過度酸洗的情形發生。不鏽鋼表面之銹皮成分包括NIO₂、Cr₂O₃、FeO．Cr₂O₃、FeO．Cr₂O₃．3Fe₂O₃等緻密的尖晶石型氧化物，與鋼材結合得相當牢固，適用於碳鋼除銹的方法無法將不鏽鋼銹皮去除；而高合金鋼含有更高比例的鎳和鉻元素，其銹皮與鋼材間的結合更為緊密。不過，上述鋼材經由本發明方法之至少兩次除銹處理後，皆可透過使用少量的處理試劑，將銹皮有效去除。

較佳地，該化學電解法是選自於直接接觸該鋼材的導電方式，或非直接接觸該鋼材的變極方式。

較佳地，該處理試劑包含一含水溶液，該含水溶液是選自於硫酸水溶液、硫酸鈉水溶液、磷酸鈉水溶液、磷酸三鈉水溶液、氯化鈉水溶液、氯酸水溶液、硫酸銨水溶液，及磷酸銨水溶液。本發明所選用之含水溶液不包含硝酸和氫氟酸，不會產生造成工安和環保問題的含氮氧化物。

又較佳地，該含水溶液是選自於硫酸鈉水溶液、磷酸鈉水溶液、磷酸三鈉水溶液、氯化鈉水溶液、氯酸水溶液、硫酸銨水溶液，及磷酸銨水溶液。由於鋼材加工過程中可能有油脂或潤滑劑等物質附著於鋼材表面，影響除銹效果，造成銹皮較難以去除甚至無法完全去除。前述含水溶液具有清潔該鋼材表面的效果，有助於將附著於鋼材表面的油脂或潤滑劑去除，使除銹效果更為理想。

更佳地，該含水溶液是選自於0.5~10 M硫酸水溶液、0.1~2 M硫酸鈉水溶液、0.1~2 M磷酸鈉水溶液、0.1~2 M磷酸三鈉水溶液、0.1~5 M氯化鈉水溶液、0.1~2 M氯酸水溶液，及0.1~2 M硫酸銨水溶液，及0.1~2 M磷酸銨水溶液。雖然該含水溶液之濃度上限則與該含水溶液所包含之化學品的溶解度有關，但是當該含水溶液之濃度過低，則導電性不足，處理效率不佳；而濃度過高，則無法使化學品溶解或於低溫時有結晶產生。

將該鋼材置於該處理試劑中的時間需依據實際狀況而定，一般來說時間不需太長，只要銹皮結構已受到初步破壞且自該鋼材表面鬆動即可。本發明透過反覆進行並調整步驟(a)及步驟(b)之操作參數，使得控制銹皮鬆動程度變得可行。若為第一次進行除銹處理，建議進行步驟(a)處理選擇同時具有清潔鋼材表面效果的中性或鹼性的處理試劑，且避免銹皮過度鬆動，即可進行步驟(b)；若為第二次或第二次以上進行除銹處理，則建議進行步驟(a)處理之處理試劑選用容易滲透到銹皮下層者(具體作法可例如添加界面活性劑，使處理試劑的表面張力降低)，但仍須避免銹皮過度鬆動，再進行步驟(b)。

較佳地，該化學浸漬法的處理時間為10至30分鐘。

較佳地，該化學電解法的處理時間為1至120秒，電流密度為10至400安培/平方公吋。若電流密度太低，則銹皮去除效果不佳；電流密度太高，則電極將產生過多氫氣及氧氣，操作上較為不便，且造成不必要的電力消耗。

較佳地，該化學電解法之陰極材料為可導電之任何金屬材料，或導電非金屬材料(如石墨等)；陽極材料為表面不會產生絕緣氧化層之金屬材料或導電非金屬材料，例如鉛、石墨、鉑、鉑的氧化物，或其他貴金屬族或其氧化物等。

較佳地，該步驟(a)是在0至90℃進行。此溫度範圍係考量該處理試劑包含一含水溶液，需確保步驟(a)在該含水溶液不結冰的情況下即可以進行。

較佳地，該處理試劑還包含一氧化劑。

更佳地，該氧化劑的濃度為0.1~2 M，是選自於過氧化氫、氯酸、次氯酸、過氯酸，或其鹽類。

本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

<化學品及材料>

鋼材：為表面含有銹皮之不鏽鋼熱軋線材，購自於華新不鏽鋼公司，型號「304 J3」，直徑6.5 mm，銹皮厚約5 μm。

刷磨材料：由3M公司生產，表面含金鋼砂。

<實施例1至6及比較例1> [實施例1] 除銹處理

實施例1之除銹處理是依序進行以下2次除銹處理：

第一次除銹處理

步驟(a)-配製0.5M之硫酸鈉水溶液作為處理試劑，採用化學電解法，即於30℃下將該表面含有銹皮之鋼材浸漬於該硫酸水溶液中進行陽極電解24秒，電流密度為50安培/平方公吋。

步驟(b)-將該鋼材自該處理試劑取出並去除表面多餘的硫酸水溶液，再以該刷磨材料對該鋼材進行刷磨，使已鬆動的銹皮自該鋼材表面脫離。

第二次除銹處理

步驟(a)-配製0.5M之硫酸鈉水溶液作為處理試劑，採用化學電解法，即於50℃下將該表面含有銹皮之鋼材浸漬於該硫酸水溶液中進行陽極電解12秒，電流密度為200安培/平方公吋。

實施例1之除銹處理條件及各項操作參數詳細記載於表1。

除銹效果評估

觀察實施例1經除銹處理2次之後的鋼材表面，判斷其銹皮去除之程度，並以下記方式將評估結果詳細記載於表1。

◎：表示30倍放大觀察鋼材表面銹皮完全去除

○：表示目視觀察鋼材表面銹皮完全去除

△：表示鋼材表面仍有銹皮殘留

[實施例2至4]

實施例2至4是以與實施例1類似的作法來去除鋼材之銹皮，不同的地方在於：改變除銹處理的次數、處理試劑的種類及濃度、化學電解法的操作參數及除銹處理的次數，該處理試劑、操作參數及處理次數如表1所示。

將該等經去除銹皮的鋼材表面進行與實施例1相同的除銹效果評估，結果如表1所示。

[實施例5]

實施例5之除銹處理是依序進行以下步驟(a)及步驟(b)，且需重複進行該除銹處理2次，其中步驟(a)的處理試劑不需更換。

步驟(a)-配製0.5 M之硫酸水溶液作為處理試劑，並使該處理試劑還包含0.5 M之過氧化氫。採用化學浸漬法於50℃下將該表面含有銹皮之鋼材浸漬於該處理試劑中15 分鐘，使銹皮鬆動。

步驟(b)-將該鋼材自該處理試劑取出並去除表面多餘的處理試劑，再以該刷磨材料對該鋼材進行刷磨，使已鬆動的銹皮自該鋼材表面脫離。

實施例5之除銹處理條件及各項操作參數詳細記載於表1，並將該經去除銹皮的鋼材表面進行與實施例1相同的除銹效果評估，結果如表1所示。

[實施例6]

實施例6是以與實施例5類似的作法來去除鋼材之銹皮，即重複進行除銹處理2次，且步驟(a)的處理試劑不需更換；不同的地方在於：改變處理試劑的種類及濃度及化學浸漬法的操作參數，該處理試劑、操作參數及處理次數如表1所示。

將實施例6經去除銹皮的鋼材表面進行與實施例1相同的除銹效果評估，結果如表1所示。

[比較例1]

比較例1之除銹處理僅進行1次，方法如下：

第一次除銹處理

步驟(a)-配製0.5 M之硫酸鈉水溶液作為處理試劑，採用化學電解法於30℃下將該表面含有銹皮之鋼材浸漬於該硫酸水溶液中進行陽極電解60秒，電流密度為100安培/平方公吋。

比較例1之除銹處理條件及各項操作參數詳細記載於表1，並將該經去除銹皮的鋼材表面進行與實施例1相同的除銹效果評估，結果如表1所示。

由表1可知，實施例1至6均進行至少兩次的除銹處理，是透過化學電解法或化學浸漬法使銹皮自鋼材表面鬆動，再搭配機械除銹，都可以將銹皮完全移除，除銹效果良好。其中，實施例5及實施例6之第一次及第二次除銹處理所用的處理試劑分別為同一處理試劑，並未更換，大幅地減少了處理試劑的用量。

反觀僅進行1次除銹處理的比較例1，是採用化學電解法及機械除銹，即使化學電解時間明顯較實施例1之兩次化學電解之總時間長，且電流密度為實施例1的兩倍，仍無法完全將銹皮自鋼材表面移除。

由上述可知，採用單次除銹處理且步驟(a)之處理時間長的方式[比較例1]，其效果比多次除銹處理且步驟(a)之處理時間短[實施例1]的差；此外，步驟(a)的處理時間越長，銹皮可能脫落或溶解於該處理試劑的機會增加，恐會造成處理試劑無法重複使用而必須更換，因此，透過縮短步驟(a)的處理時間並增加除銹處理的次數，可以有效地維持該處理試劑之效力。

綜上所述，本發明透過步驟(a)之化學電解法或化學浸漬法及步驟(b)之機械除銹進行至少兩次的除銹處理，可以將銹皮在不損傷鋼材的情況下自鋼材表面完全移除，且可延長該處理試劑的使用壽命，大幅地降低將嚴重汙染環境的處理試劑廢液產量。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims

一種去除鋼材之銹皮的方法，包含：使一表面含有銹皮之鋼材進行至少兩次的除銹處理，該除銹處理是由步驟(a)及步驟(b)所組成：步驟(a)將該鋼材置於一處理試劑中，並利用化學浸漬法或化學電解法，使該銹皮自該鋼材表面鬆動但不脫離該鋼材；及步驟(b)將該鋼材自該處理試劑中移出，利用機械方法，使已鬆動的銹皮自該鋼材表面脫離。
根據申請專利範圍第1項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該鋼材是選自於碳鋼、不鏽鋼或高合金鋼。
根據申請專利範圍第1項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該化學電解法是選自於直接接觸該鋼材的導電方式，或非直接接觸該鋼材的變極方式。
根據申請專利範圍第1項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該處理試劑包含一含水溶液，該含水溶液是選自於硫酸水溶液、硫酸鈉水溶液、磷酸鈉水溶液、磷酸三鈉水溶液、氯化鈉水溶液、氯酸水溶液、硫酸銨水溶液，及磷酸銨水溶液。
根據申請專利範圍第4項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該含水溶液是選自於0.5~10 M硫酸水溶液、0.1~2 M硫酸鈉水溶液、0.1~2 M磷酸鈉水溶液、0.1~2 M磷酸三鈉水溶液、0.1~5 M氯化鈉水溶液、0.1~2 M氯酸水溶液，及0.1~2 M硫酸銨水溶液，及0.1~2 M磷酸銨水溶液。
根據申請專利範圍第1項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該化學浸漬法的處理時間為10至30分鐘。
根據申請專利範圍第1項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該化學電解法的處理時間為1至120秒，電流密度為10至400安培/平方公吋。
根據申請專利範圍第1項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該步驟(a)是在0至90℃進行。
根據申請專利範圍第4項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該處理試劑還包含一氧化劑。
根據申請專利範圍第9項所述之去除鋼材之銹皮的方法，其中，該氧化劑的濃度為0.1~2 M，且選自於過氧化氫、氯酸、次氯酸、過氯酸，或其鹽類。