Powierzchnie metalowe mocno zanieczyszczone olejami technologicznymi, spieczonymi smarami i nagarami oraz emulsjami obróbczymi są stałym elementem zakładów przemysłowych i linii produkcyjnych. Niezależnie więc od tego, jakim dalszym procesom technologicznym będzie poddawany metal i jakiego rodzaju powłoka będzie na niego nanoszona, niezbędne jest zapewnienie jego powierzchni określonego poziomu czystości. Ta prosta zasada jest wciąż uniwersalna: jeśli podłoże metalu nie zostanie odpowiednio przygotowane, na nic się zdadzą nawet najbardziej wyrafinowane zabiegi lakiernicze – nie zdołają one zapewnić odpowiedniej trwałości pokrycia.

Tłuszczom dziękujemy

Chemiczna obróbka wstępna polegająca na oczyszczaniu i odtłuszczaniu skutecznie usuwa zadziory i nierówności, nadaje powierzchni materiału niezbędną gładkość, poprawia przyczepność powłok malarskich i zapewnia zachowanie optymalnych właściwości kolejnych nakładanych warstw. Do procesów produkcyjnych wymagających bardzo wysokiej jakości oczyszczania należy dekoracyjno-ochronne lakierowanie samochodów, jednak odtłuszczanie i czyszczenie jest niezbędne w praktycznie każdym procesie wytwórstwa przemysłowego z udziałem metali.

Duże znaczenie zabiegów czyszczących w przygotowaniu stali, aluminium, miedzi czy ołowiu do dalszej obróbki sprawia, że oferta rynku środków odtłuszczających jest szeroka. Przy doborze odpowiedniego środka warto wziąć pod uwagę właściwości przedmiotu, który ma zostać oczyszczony – ważne są wielkość, kształt oraz rodzaj metalu. Istotne znaczenie mają również warunki eksploatacji. Powierzchnie, które będą narażone na agresywne środowisko korozyjne, wymagają bowiem specjalnego przygotowania. Jednak elementem decydującym jest charakter zanieczyszczeń – skład preparatu chemicznego musi być odpowiednio dobrany w zależności od tego, czy powierzchnia elementu zanieczyszczona jest olejami maszynowymi, ciężkimi frakcjami ropy naftowej, smarami na bazie mydeł litowych, pastami szlifierskimi czy starą powłoką malarsko-lakierniczą.

W oparach rozpuszczalnika

Nie bez znaczenia jest też forma odtłuszczania. Powszechną metodę aplikacji środków odtłuszczających stanowią kąpiele wodne, w których wykorzystuje się techniki zanurzeniowe oraz formy natryskowe i ultradźwiękowe. Preparaty chemiczne dostępne są najczęściej w postaci koncentratów wymagających rozcieńczenia lub preparatów sypkich – w obu przypadkach o skuteczności zabiegów przesądza określone w danej technologii stężenie robocze substancji. Warto też mieć na uwadze, że preparaty do obróbki powierzchni metali są opracowywane dla konkretnych zastosowań i przy takim właśnie sprofilowanym wykorzystaniu ich skuteczność jest największa.

Jednym z najczęściej stosowanych środków odtłuszczających są rozpuszczalniki organiczne, które świetnie radzą sobie z olejami i smarami węglowodorowymi. Cenioną metodą odtłuszczania za pomocą rozpuszczalników jest jednoczesne działanie cieczy i pary. Operacja przebiega w specjalnym agregacie, gdzie elementy zanurzane są kolejno we wrzącym rozpuszczalniku i pozostawiane w jego parach.

Na szczególną uwagę zasługują bezpieczne niepalne zamienniki rozpuszczalników chlorowych, idealne do mycia powierzchni metali w pomieszczeniach narażonych na niebezpieczeństwo pożaru: elektrowniach, kopalniach czy rafineriach ropy. Przydatne są również w przypadku odtłuszczania metalowych części elektrycznych znajdujących się pod napięciem.

Chłodna kąpiel z alkaliów

Popularną metodą czyszczącą w warunkach przemysłowych jest odtłuszczanie z udziałem preparatów alkalicznych, składających się m.in. z takich substancji jak soda kaustyczna i kalcynowana, polifosforany sodowe czy fosforan trójsodowy. Alkaliczne kąpiele z zastosowaniem preparatów zawierających mieszaniny tych związków są częstym etapem przed dalszą obróbką polegającą na fosforanowaniu czy trawieniu. Tłuszcze poddane zmydlającemu działaniu alkaliów ulegają rozpuszczeniu, a pozostałe nietłuste zanieczyszczenia są w sposób mechaniczny usuwane przez przepływającą wodę w alkalicznej kąpieli lub pod natryskiem.

Czas odtłuszczania i skład kąpieli dobierane są w zależności od rodzaju i ilości zanieczyszczeń, które trzeba usunąć. Ciekawym rozwiązaniem, opracowanym przez Pracownię Chemicznej Obróbki Powierzchni Instytutu Mechaniki Precyzyjnej, która specjalizuje się w metodach uszlachetniania wyrobów metalowych poprzez zwiększenie ich odporności korozyjnej, są alkaliczne preparaty niskotemperaturowe. To środki myjące efektywne w obniżonych temperaturach, których stosowanie przynosi wymierne oszczędności energetyczne. Jak szacują specjaliści z pracowni, obniżenie temperatury kąpieli o 20 stopni przekłada się na obniżenie zużycia energii na poziomie ok. 40%. Dlatego rozwiązanie to ma istotne walory ekologiczne – kąpiele nowego typu pozwalają zaoszczędzić surowce i wodę, a także ograniczyć ilości ścieków.

Metal bez rdzy

Elementy metalowe pokryte lekką rdzą i zanieczyszczone niewielką ilością olejów mogą być skutecznie oczyszczone za pomocą środków fosforowych. Kwas fosforowy ma cenną zdolność rozpuszczania świeżej rdzy nalotowej i reaguje z metalem, tworząc cienką warstewkę fosforanów. Chroni ona materiał przed dalszym działaniem kwasu i korozją. Preparaty na bazie kwasu fosforowego są często wzbogacone rozpuszczalnikami organicznymi, które usuwają zanieczyszczenia tłuszczowe, a także substancjami zwilżającymi pomagającymi w procesie emulgacji.

Dobrym rozwiązaniem są preparaty do fosforanowania amorficznego, które pozwalają podczas jednego zabiegu technologicznego odtłuścić powierzchnię i wytworzyć na niej amorficzną powłokę fosforanową, co skutecznie przygotowuje ją do wstępnej obróbki przed malowaniem proszkowym. Istotny atut stanowią właściwości ekologiczne takich środków: są one wydajne, proste w użyciu, niepalne, nietoksyczne, nieobciążające środowiska.

Zabiegi oczyszczająco-odrdzewiające polegają najczęściej na zanurzeniu części metalowych w kąpieli. Mogą być prowadzone w formie natrysku lub poprzez zwilżanie powierzchni metali szczotkami z twardym włosiem i szmatami. Niezbędnym etapem jest przepłukanie detali strumieniami wody i wysuszenie gorącym powietrzem.

Walka z korozją

Dużo bardziej rozbudowane są procesy fosforanowania krystalicznego, obejmujące serie do kilkunastu zabiegów, składające się z odtłuszczania, wielokrotnego płukania, trawienia, fosforanowania i suszenia. Przykładem wykorzystania takiej wieloetapowej technologii jest obróbka stali z nalotem korozyjnym. Liczba etapów zależy od stanu wyjściowego powierzchni i rodzaju wytworzonej powłoki fosforanowej.

Aktywująco-pasywujące preparaty do fosforanowania krystalicznego znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle. Są cenionym rozwiązaniem w branży motoryzacyjnej i zbrojeniówce, gdzie pozwalają na przygotowanie części do obróbki plastycznej na zimno jako warstwy przeciwcierne, umożliwiające mniejsze zużycie podczas tarcia. Preparaty na bazie fosforanów cynkowych, cynkowo-manganawych i magnezowo-cynkowych są też często stosowane do ochrony metalowych przedmiotów w czasie magazynowania i transportu.

Bardzo częsty problem, dotyczący głównie wyrobów ze stali (stopów żelaza), stanowi korozja. Jest ona zjawiskiem niepożądanym – i nie chodzi tu tylko o słabsze walory wizualne skorodowanych elementów, ale przede wszystkim o obniżone parametry mechaniczne materiału, tj. mniejszą wytrzymałość i trwałość. Stąd tak duża popularność preparatów trawiących, które doskonale radzą sobie nie tylko ze zgorzelinami (zendrą), czyli produktami utleniania żelaza w wysokich temperaturach, ale także z powstającą na skutek oddziaływania powietrza i wody rdzą. Głównymi składnikami kąpieli trawiących są przeważnie kwas solny i siarkowy oraz ich mieszaniny.

Mniej chemii w chemii

Ambicją technologów jest ograniczenie liczby zabiegów obróbki metali z kilkunastu w technologiach klasycznych do kilku, co pozwoliłoby na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych, a dałoby podobny efekt końcowy. Zamiar ten pozwalają osiągnąć nowoczesne preparaty o kompleksowym działaniu, które łączą w sobie wiele właściwości: czyszczące, alkalizujące, odtłuszczające, rozpuszczające rdzę, trawiące, zapobiegające tworzeniu się kolejnych ognisk korozji, usuwające topniki, osady mineralne i opiłki. Redukują one liczbę kąpieli, zanurzeń i natrysków, pozwalają na mniejsze zużycie chemikaliów, wody i energii oraz – co ważne – są mniej szkodliwe dla środowiska.

Dbałość o ekologiczne walory chemii służącej do obróbki metali jest wyraźną tendencją ostatnich lat. W skład produkowanych środków coraz rzadziej wchodzą związki chemiczne groźne dla zdrowia i natury, klasyfikowane jako ciecze niebezpieczne. Zasada, według której do walki z najtrudniejszymi zanieczyszczeniami trzeba zaprząc najsilniej żrące i drażniące substancje, odchodzi do lamusa. Przykładem jest choćby zastępowanie preparatów zawierających kilkudziesięcioprocentowe roztwory sody kaustycznej, które stanowią istotne zagrożenie dla załogi, specjalnie dobranymi mieszaninami substancji powierzchniowo-czynnych. Usuwają one poważne zanieczyszczenia w czasie podobnym do uzyskiwanego przy użyciu sody kaustycznej, jednak ich roztwory są dużo bardziej delikatne i pozbawione agresywnych właściwości. W chemii służącej do obróbki metali jest coraz mniej substancji toksycznych, wywołujących niepożądane następstwa zdrowotne lub niszczących środowisko. W składzie preparatów coraz rzadziej znajdują się związki o działaniu narkotycznym czy rakotwórczym albo takie, które generują trudne do utylizacji i niebezpieczne odpady przemysłowe.

Nie znaczy to, że ścieki powstałe po kąpielach trawiących czy fosforanujących nie stanowią już problemu. Coraz częściej jednak pojawiają się też rozwiązania technologiczne ograniczające ilości niebezpiecznych emulsji wodno-olejowych. Na uwagę zasługują zabiegi regenerujące ścieki poprzez mikro- lub ultrafiltrację. Zastosowanie takich technologii pozwala bowiem na oczyszczenie kąpieli i ponowne wykorzystanie jej w obiegu technologicznym.