Немного химии для понимания процесса образования ржавчины на металле
Ржавчина – это продукт окисления железа. Чаще всего он представляет собой химическое соединение Fe₂O₃. Этот окисел придает рыжеватый оттенок. Однако часто можно наблюдать и темные вкрапления.
Они свидетельствуют о том, что у металла имеются не только трехвалентные свойства, а также и двухвалентное. Поэтому окись запишется химической формулой FeO.
На основании многочисленных исследований установлено, что превалирует Fe₂O₃. Оно встречается в 85…88 % случаев.
Информация для любознательных. Железо выплавляется из руды. Ее принято обозначать в виде соединения Fe₃O₄, но эта формула не дает реальной картины. В природе соединение возникает в доменных печах при температуре выше 850 ⁰С.
Железо на открытом воздухе активно взаимодействует с кислородом воздуха. Поэтому окисная пленка образуется довольно быстро. На практике для предотвращения окислительных процессов производят защиту поверхности металла.
Плотность пленки окислов может быть различной. Если стальной предмет в течение длительного времени находился на открытом воздухе, то металл может быть весь пронизан дырами, состоящими из окисла (ржавчины). Фактически полностью теряет свои свойства.
Предметы, недавно оказавшиеся без дополнительной защиты, покрываются только тонким налетом. Толщина окисной пленки измеряется микронами. В подобном случае прочность ее сцепления незначительная. Она легко снимается с поверхности.
Внимание! Окись железа FeO считается защитной. Если на поверхности имеется именно это соединение, то оно не позволяет распространяться рыжей ржавчине (Fe₂O₃). Двухвалентное окисление происходит при нагревании металла свыше 250…270 ⁰С.
При выплавке железа из руды под действием высокой температуры протекают процессы восстановления металла углеродом и водородом:
- 3Fe₂O₃ CO = 2Fe₃O₄ CO₂;
- Fe₃O₄ CO = 3FeO CO₂;
- FeO CO = Fe CO₂;
- 3Fe₂O₃ H₂ = 2Fe₃O₄ H₂O;
- Fe₃O₄ H₂ = 3FeO H₂O;
- FeO H₂ = FeO H₂O
Кроме образования чистого железа Fe, в доменном процессе образуется карбид железа Fe₃C. Реакция его образования происходит при температуре 950…1000 ⁰С.
3Fe 2СО = Fe₃C СO₂.
В дымовом газе присутствуют окись углерода СO₂ и водяной пар H₂O. При температуре 1536 ⁰С происходит плавление железа Fe.
В природе происходит обратный процесс. При этом чугун из-за высокого содержания карбида железа окисляется в несколько раз медленнее, чем сталь.
Важно! Сталью считают механическое соединение железа с углеродом при условии содержания не более 2,14%. При увеличении содержания углерода сплав представляет собой чугун.
Способы удаления ржавчины с поверхности металла
Удалить ржавчину металла можно разными способами:
- Механическим путем очистить ржавчину стараются, используя щетки или абразивные материалы. Сравнительно невысокое сцепление окислов со сталью позволяет довольно эффективно их устранять с поверхности разных изделий.
- Химическими реагентами растворяют окислы. В результате взаимодействия Fe₂O₃ и FeO с кислотами образуются соли железа. Таким способом легко избавиться от окисной пленки.
- Термической обработкой добиваются нагрева всего изделия. Коэффициент теплового расширения металла и окислов различны, поэтому происходит отслоение поверхностного слоя ржавчины. Охлаждая металлическое изделие в потоке жидкости или воздуха, добиваются разрушения окисляющих покрытий. Они сами осыпаются вниз.
Реализуются способы с помощью разных устройств и реагентов.
Химическое смывание ржавчины основано на растворении окислов железа кислотами. В дальнейшем происходит смыв растворенных частиц с поверхности деталей.
Уксусная кислота относится к органическим соединениям. В концентрации 5…10 % она активно растворяет окислы металлов. При использовании концентрированной кислоты реакция происходит довольно бурно. Замечен даже небольшой нагрев в зоне контакта. Однако, рекомендуется использовать разведенную уксусную кислоту. Раствор медленно, но качественно проникает вглубь ржавого слоя.
Используют разные способы подвода активного компонента к металлу:
- Окунание применяют при небольших размерах детали и наличии емкости, где можно налить кислоту. Необязательно даже полностью погружать изделие в раствор. По мере удаления окислов поворачивают заготовку, позволяя разным частям контактировать с раствором. После проведения растворения окислов нужно только отмыть поверхности от остатков кислоты.
- Если размеры не позволяют опустить изделие в емкость, то применяют способ протирания влажными губками. Намачивают кубку в кислоте и протирают поверхность. Здесь совмещается механическое удаление с химическим растворением. Для сбора раствора подставляют небольшие емкости, куда и стекает отработавшая жидкость.
- Небольшой подогрев до температуры 40…50 ⁰С позволяет активизировать процесс. Проще нагревать металл, используют электрический фен. Потом на нагретую поверхность наливают кислоту. Небольшая разность температур помогает быстрее отшелушить частицы ржавчины и растворить их.
Внимание! Обрабатывая металл кислотой, следует помнить, что пары уксуса раздражают дыхательные пути и могут вызвать отравление. Работу нужно проводить в проветриваемом месте или при наличии эффективной вытяжки.
Лимонная кислота
На практике растворяют лимонную кислоту в воде. Полученным раствором протирают детали. На практике используют сравнительно слабые растворы, концентрация не более 5 %.
Чтобы активизировать процесс удаления ржавчины, дополнительно используют поваренную соль. Ее кристаллы помогают механическому отшелушиванию фрагментов окислов. Некоторое повышение плотности жидкости (соль растворяется при выполнении процесса) помогает выносить частицы ржавчины из неровностей и впадин.
Как и в случае с уксусной кислотой можно воспользоваться разными способами смывания ржавчины с поверхности изделий. При работе с лимонной кислотой выделяется гораздо меньше вредных газов, поэтому в помещении чаще применяют именно ее.
Некоторые мастера не готовят специальные растворы, а используют натуральный лимон.
- Разрезают его пополам.
- Смачивают поверхность детали соком фрукта.
- Протирают ветошью или самим фруктом.
- Добавляют соль, чтобы очистить поверхность быстрее.
По утверждению мастеров этот способ эффективнее многих других.
Пищевая сода относится к щелочам. Но ее довольно часто используют, чтобы растворять железные окислы. Объясняется довольно просто. В соде присутствует натрий. Он химически более активен, чем железо. Поэтому происходит преобразование окисла в гидроксид железа (Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃). Это вещество растворяется в воде и выносится из зоны обработки.
Как показывает практика, лучше всего готовить не раствор, а пасту. В пищевую соду добавляют небольшое количество воды. В результате получается масса с высокой концентрацией активного вещества.
Будучи нанесенной на металлическую поверхность, эта паста довольно эффективно растворяет ржавчину. Остается механическим путем удалить остатки, а затем смыть химические реактивы водой.
Применение сырого картофеля для удаления ржавчины
В составе картофеля имеется щавелевая кислота. Она также довольно неплохо растворяет окислы железа.
Процедура выполняется довольно просто.
- Разрезают картофелину пополам.
- Одной из половинок протирают поверхность детали, имеющей ржавый слой.
- По мере загрязнения картофеля срезают слои или берут другую половинку. Иногда приходится брать несколько картофелин для полной очистки детали. Добавляют поваренную соль, ее крупинки служат в качестве дополнительного абразива.
Серная кислота
Внимание! Серная кислота реализуется в виде концентрированного раствора. Ее следует использовать, только растворив до плотности 1,10…1,12 г/см³. При более высокой концентрации она не действует на железо.
Используют серную кислоту, также как и уксусную. Меры безопасности гораздо строже. Нужны защитная маска, респиратор и резиновые перчатки.
Обычная газированная вода – это довольно слабая угольная кислота. Но некоторые газированные напитки довольно успешно растворяют металлические окислы: Фанта, Кока-кола, Пепси-кола, – растворяют окись железа.
Для успешного растворения нужно залить напиток и дать возможность ему находится в контакте примерно 18….24 часа с очищаемой деталью. Потом останется удалить остатки рыхлого слоя. Бывает достаточно промыть под струей воды из моечной установки высокого давления, используемой для мойки автомобилей.
На многих предприятиях используют ортофосфорную кислоту для обработки ржавых деталей. В результате обработки окислы превращаются в тонкую пленку фосфатного железа.
Для обработки нужно удалить механическим путем рыхлую ржавчину. В дальнейшем из краскопульта наносится слой кислоты (концентрация 10…15 %). Высыхая на поверхности, возникает пленка. Она и служит защитой железа от последующего окисления.
На многих заводах, где требуется последующая окраска деталей, используют ортофосфорную кислоту с разными добавками, повышающими ее активность. В дальнейшем пленка Fe₃(PO₄)₃ служит в качестве грунта для красок.
Получается, что этот тип кислоты помогает не только избавиться от окиси железа, он помогает защитить металл от ржавчины.
Удаляем ржавчину с металла
Итак для начала подготовим очищаемую поверхность, а именно просто протираем её спиртом. Теперь готовим смесь. В посуду сыпем большую ложку пищевой соды и туда же выдавливаем из тюбика чайную ложечку зубной пасты. Теперь вливаем моющее средство для посуды и размешиваем, доводим смесь до консистенции жидкой сметаны.
Дальше наносим ваткой эту смесь на поверхность, очищаемую от ржавчины.
Оставляем на один час.
За это время поверхностно активные вещества (ПАВ), содержащиеся в моющем средстве разъедят ржавчину, а смесь превратится в тонкую корочку, покрывающую очищаемую поверхность. По истечении указанного времени, растираем (с усилием!) мягкой тканью или ваткой эту корочку по поражённым участкам.
Растираем её, пока вся смесь вместе со ржавчиной не останутся на тряпке.Итак, ржавчину мы удалили, но осталась небольшая проблема: на местах удалённой ржавчины остались тёмные пятна. Для их удаления берём шлифмашинку, закрепляем на ней войлочный диск, с предварительно нанесённой на него пастой гои и тщательно шлифуем поверхность.
Кроме того: паста гои, оставшаяся на поверхности после шлифовки, на какое-то время защищает эту поверхность от влаги и, как следствие, ржавчины.А чтоб впредь избежать появления ржавчины, просто, хотя бы раз в месяц, протирайте поверхность оружейным маслом. Или маслом для швейной машинки, эти масла почти идентичны.
ИСТОЧНИК
Механическое удаление ржавчины
С проблемой наличия ржавчины постоянно сталкиваются на заводах металлоконструкций.
Хранение металлопроката на базах происходит на открытом воздухе. Сырье подвергается воздействию влаги и воздуха, ржавый след образуется довольно быстро.
При небольших объемах производства используют самые простые щетки с металлическим ворсом. Они различаются по жесткости щетины (проволоки), а также способу крепления в рукоятке.
Некоторые металлические щетки имеют покрытие на поверхности щетины из латуни. При обработке возникает эффект переноса медно-цинкового сплава на обрабатываемую деталь. Образующая пленка в дальнейшем защищает деталь от окисления.
Длительность процесса зависит от сложности обрабатываемой детали, наличия внутренних полостей и размеров. Сравнительно простые изделия обрабатываются в течение нескольких секунд. Для других требуются значительные затраты времени.
Для безопасного выполнения работы детали фиксируют на верстаках в специальных приспособлениях или в тисках. Обязательно надевают защитные очки или маски. На руки надевают перчатки.
При наличии электроинструмента или устройств с пневматическим приводом используют механические щетки. Их изготавливают в радиальном и торцевом исполнении.
Для установки в патрон электродрели или шуруповерта щетки оснащают цилиндрическим хвостовиком. При использовании углошлифовальной машинки (УШМ) на инструменте создается резьба М14. Ее наворачивают на приводной вал.
При кажущейся простоте работать с механическими щетками довольно сложно. Инструмент старается вырваться из рук. Поэтому используют специальные оправки и направляющие, они помогают рабочему удерживать в руках сложное техническое устройство.
При необходимости обрабатывать заготовку со всех сторон приходится ее позиционировать в разных положениях. Специальные фиксаторы позволяют жестко закреплять деталь на рабочем столе. Инструмент подносится к поверхности детали разными способами, что помогает вывести фрагменты ржавой пленки за пределы зоны обработки. Скорость воздействия может достигать нескольких метров в секунду.
Внимание! При механическом удалении ржавчины образуется большое количество металлической пыли. Поэтому необходимо защищать органы дыхания от ее попадания. Подразумевается, что у рабочего защищено лицо и руки.
В крупносерийном и массовом производстве для обработки большого количества изделий и полуфабрикатов применяют пескоструйные аппараты. В качестве рабочего тела используется песок. Он направляется на поверхность деталей с высокой скоростью мощным воздушным потоком.
Песчинки ударяются о поверхность. Присутствующая ржавчина отлетает небольшими фрагментами. Так как скорость ударного воздействия довольно высокая, то процесс происходит довольно быстро. В течение нескольких секунд очищаются значительные площади. Деталь после подобной обработки приобретает металлический блеск.
Отработавший песок собирается в емкость. В нем присутствуют сбитые частицы ржавчины, они тоже используются в последующих процессах очищения стальных деталей.
На многих предприятиях очистку изделий и заготовки от ржавчины производят в грохотах. Это специальные машины (чаще всего ротационного типа), в них детали контактируют с абразивом (песком). В результате с поверхности оттирается ржавчина.
Обрабатываемые детали находятся внутри сетчатых вращающихся цилиндров. При вращении происходит скатывание деталей по поверхности. Высота падения зависит от диаметра, и угловой скорости вращения.
Механические ударения между собой и с абразивом позволяет оттирать с поверхности имеющиеся покрытия. Очищается не только ржавчина. В подобных установках добиваются снятия красок, образующих довольно прочное сцепление с поверхностью.
Производительность грохотов измеряется десятками тонн заготовок в течение часа. В домашних условиях изготавливают вибрационные столы. На них детали и абразив взаимодействуют между собой. Производительность ниже, но для условий домашнего производства достаточная.
