鋯合金由于其具有熱中子吸收截面小、密度低、比強度高、耐腐蝕、加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)，現在已經(jīng)成為重要的核電站應用材料[1]。此外，鋯合金還可用于強耐蝕結構材料及生物醫學(xué)材料，甚至在石油化工、兵器冶金及造紙等工業(yè)中有廣泛的應用[2]。在鋯合金板材的生產(chǎn)過(guò)程中，酸洗工序是工業(yè)生產(chǎn)中很重要的一個(gè)環(huán)節，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，在批量化生產(chǎn)過(guò)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對酸洗效果的影響有著(zhù)非常重要的意義[3]。本次試驗采用單一變量法摸索出適宜的酸液配比參數范圍，為鋯合金板材批量化生產(chǎn)提供理論依據。
1、試驗材料、酸液試劑及儀器
（1）試驗材料。本試驗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)為再結晶退火態(tài)，規格為δ2.5mm×90mm×50mm（見(jiàn)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、試驗過(guò)程與方法
酸洗過(guò)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，本次試驗在保證鋯合金板材表面質(zhì)量的前提條件下，通過(guò)對比酸液配比、酸洗時(shí)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范圍。此試驗在室溫下設置了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，具體試驗方案見(jiàn)表2、表3。
3、酸洗工藝流程
酸洗→冷水漂洗→熱水燙干
4、試驗結果與分析
4.1不同氫氟酸濃度試驗結果分析
我們在實(shí)驗室條件下根據方案I不同的配比，按照3項設計的酸洗工藝流程燙干后，不同酸洗時(shí)間下鋯合金板材酸洗去除量見(jiàn)表4，在不同的酸洗時(shí)間下觀(guān)察鋯合金板材表面現象，其結果見(jiàn)表5。
由表4可以看出，在相同硝酸濃度下，隨著(zhù)氫氟酸濃度的增加，同一時(shí)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(zhù)酸洗時(shí)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(shí)，酸洗后的鋯合金板材表面干凈光亮。從酸洗速率來(lái)看，當氫氟酸濃度為2-5％進(jìn)行酸洗時(shí)，鋯合金板材表面被氣泡覆蓋，隨著(zhù)氫氟酸濃度/酸洗時(shí)間的增加，酸液溫度升高，反應速率加快。濃度為7-8％的氫氟酸酸洗時(shí)，板材表面氣泡增多，酸洗速率較快，隨著(zhù)酸洗的進(jìn)行，酸液溫度迅速升高，氣泡急劇增多，反應劇烈且后期有大量紅棕色氣體生成，反應不可控，尺寸精度難以控制。實(shí)際批量生產(chǎn)的過(guò)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]，應該控制在40℃以下，否則容易造成過(guò)度酸洗。在酸洗作業(yè)過(guò)程中隨著(zhù)反應的繼續，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(gè)范圍而不是一個(gè)確定的值。鋯與氫氟酸會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，化學(xué)反應方程式為：
高濃度的氫氟酸易導致板材表面吸氫量增加，導致冷裂紋的產(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不同硝酸濃度試驗結果與分析
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速率及吸氫量的作用，化學(xué)反應方程式為：
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，不同酸洗時(shí)間下鋯合金板材酸洗去除量，試驗結果見(jiàn)表6，觀(guān)察其表面質(zhì)量變化，其結果見(jiàn)表7。
使用6種濃度的硝酸酸洗鋯合金板材時(shí)，隨著(zhù)酸洗時(shí)間的增加，酸液溫度升高（T＜40℃），酸洗速率平穩加快，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，結果見(jiàn)表8。
從表中可以看出：當硝酸濃度一定時(shí)，隨著(zhù)氫氟酸濃度/酸洗時(shí)間的增加，板材表面H含量呈上升趨勢；當氫氟酸濃度恒定時(shí)，隨著(zhù)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，但遠低于0.0025％的標準值。研究表明：硝酸的含量與H含量呈指數關(guān)系[4]，當硝酸濃度＞35％時(shí)，所產(chǎn)生的吸氫作用大大減小，由于本試驗是以鋯合金板材表面質(zhì)量為前提條件的，且酸洗時(shí)間較短，根據試驗效果，鋯合金板成品酸洗硝酸最佳濃度范圍為40%~50%。方案II試驗的另外一個(gè)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(guò)酸洗現象，因此酸洗時(shí)間以1-3min為宜。
5、結論
①酸洗過(guò)程中，氫氟酸主要起腐蝕作用，當氫氟酸濃度較低時(shí)，板材表面不光亮，氫氟酸濃度過(guò)高時(shí)，隨著(zhù)酸洗的進(jìn)行，酸液溫度迅速升高，反應不可控。而硝酸起控制反應速率和吸氫量的作用，反應速率與溫度呈正比關(guān)系，隨酸液溫度升高反應劇烈，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(guò)程中應及時(shí)補充酸液并控制酸洗溫度低于40℃。
參考文獻：
[1]劉承新.鋯合金在核工業(yè)中的應用現狀及發(fā)展前景[J].稀有金屬快報.2004，23（5）.
[2]李獻軍.鋯及鋯合金概述[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(1).
[3]渠靜雯，李新意.N18合金板材酸洗工藝試驗研究[J].新工藝新技術(shù)，2016（4）:46-48.
[4]鄭峰，程挺宇，張巧云.鈦及鈦合金的酸洗技術(shù)[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2009,37（3）:26-28.
[5]趙義，任妍利.鈦板材生產(chǎn)過(guò)程中表面酸洗的試驗研究[J].甘肅冶金，2011，33(2)：45-47.
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