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La présente invention est relative à un nouveau composé d'attaque, plus spécialement à un composé convenant pour attaquer les métaux qui sont solubles dans l'acide fluorhydrique.
Des procédés sont connus en pratique pour attaquer différents métaux. Un problème se présente, cependant, dans le cas de métaux qui ne sont pas facilement réactifs envers les acides et les bases ordinaires, notamment, le titane, le tantale et le zirconium. On a utilisé des acides, tels que l'acide fluorhydrique et un mélange d'acide fluorhydrique et d'acide nitrique pour attaquer et polir ces métaux. Cependant, on a trouvé que ces acides ne conviennent pas pour l'obtention d'une surface lisse, uniformément attaquée. Une surface lisse et unie est spécialement importante lorsqu'un métal est attaqué pour produire une structure métallique à parois minces avec des aires de renforcement saillantes, pour réaliser une répartition de la charge dans l'entièreté de la structure.
Les parois minces d'une telle structure ont une surface unie et lisse afin qu'une quantité maximum prédéterminée de métal puisse être enlevée d'aires choisies, pour réaliser un panneau de rapport résistance/poids élevé. Des milieux d'attaque, tels que l'acide fluorhydrique seul ou une combinaison de celui-ci et d'acide nitrique, etc, ne produisent pas les résultats désirés. Il est donc nécessaire de disposer d'un meilleur composé d'attaque pour l'utilisation avec des métaux qui sont dissous par l'acide fluorhydrique.
Un but de la présente invention est, par conséquent, de procurer un nouveau composé d'attaque.
Un autre but de la présente invention est de procurer un composé qui attaque le métal à une vitesse qui puisse être facilement contrôlée.
Un autre but encore de la présente invention est de procurer un composé d'attaque qui produise une surface unie et lisse.
Un but de la présente invention est encore de procurer un composé d'attaque pour attaquer des métaux qui sont dissous par l'acide fluorhydri# que.
Un autre but de la présente invention est de procurer un procédé pour attaquer à une vitesse uniforme des métaux qui sont dissous par 1' acide fluorhydrique.
Un but de la présente invention est également de procurer un procédé pour attaquer des métaux, dans lequel les composants du composé d'attaque sont maintenus à une concentration quasi constante.
Un autre but de la présente invention est de procurer un procédé pour attaquer des métaux, qui donne un minimum d'absorption d'hydrogène par le métal.
Les buts ci-avant et d'autres encore de la présente invention sont atteints en prévoyant un composé d'attaque, comprenant une solution aqueuse comportant 7 à 25% en poids d'acide fluorhydrique et une quantité telle d'anhydride chromique que le rapport molaire acide fluorhydrique/anhydride chromique soit de 6/1 à environ 3,5/1, le restant étant constitué essentiellement d'eau. On a trouvé qu'au moins 7% en poids d'acide fluorhydrique sont nécessaires avec un rapport molaire acide fluorhydrique/anhydride chromique de la gamme donnée ci-avant, pour assurer une vitesse d'attaque mesurable satisfaisante, de même qu'une surface attaquée uniformément et lisse.
Il n'y a pas un avantage particulier à utiliser une quantité d'acide fluorhydrique supérieure à 25% en poids, car aucun intérêt supplémentaire n'en découle. Du reste, si une quantité de HF supérieure à 25% en poids était utilisée, il faudrait utiliser une plus grande quantité de CrO3 que oelle
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spécifiée ci-avant, afin de réaliser un composé qui ne dissolve pas le métal à une vitesse contrôlable. A des concentrations de HF supérieures à 25% en poids, il est nécessaire de mener la réaction à une température élevée, afin qu'une quantité suffisante de CrO3 puisse être dissoute pour donner une vitesse d'attaque contrôlable.
L'anhydride chromique CrO3 peut être sous la forme de l'anhydride lui-même ou sous la forme des sels d'acide chromique de métaux alcalins, tels que, par exemple, le chromate de sodium Na2CrO4' le bichromate de sodium Na2Cr2O7' etc.
Une forme de réalisation préférée de la présente invention con- siste en un composé d'attaque du type développé ci-avant, dans lequel l'aci- de fluorhydrique se trouve en solution en une quantité de 8 à environ 20%.
On trouve que cette dernière gamme de pourcentages de HF donne de meilleurs résultats en ce qui concerne la vitesse d'attaque, le contrôle de la réac- tion, et l'uniformité de la surface attaquée.
Une autre forme de réalisation de la présente invention consiste en une solution d'attaque aqueuse, telle que développée ci-avant, qui, en plus des composants HF et CrO , contient 0,01 à 3% en poids d'un composé choisi dans le groupe comprenant: un dérivé hydrocarboné d'acide sul- furique ayant un groupe OM directement attaché à l'atome de soufre et dans lequel 0 représente de l'oxygène et M est choisi dans le groupe formé de l'hydrogène et des métaux alcalins du groupe lA; et des éthers glycoliques hydrocarbonés, le nombre d'atomes de carbone dans ces dérivés d'acide sul- furique et les éthers glycoliques étant de 6 à environ 22.
Des exemples de dérivés hydrocarbonés d'acide sulfurique sont l'éthylbenzène-sulfonate de sodium, le naphtylsulfonate de potassium, l'acide actylanthrylsulfonique, le sel de sodium de 1-carboxylate de sodium-2-N-octadécylcarbonamide éthyl- sulfonate CH2(CONHC18H37) CH(COONa)SO3Na, le sel de sodium de l-éthyl-7- éthyl-4-undécylsulfate, etc. On peut donc voir que les dérivés hydrocarbo- nés d'acide sulfurique peuvent être un acide sulfonique, un sulfate ou un sulfonate, et également qu'il peut y avoir d'autres substituants sur la partie hydrocarbonée de la molécule, comme, par exemple,-COONa, -CONHC18H37.
Des exemples non limitatifs d'éthers, glycoliques sont l'éther phé- nyléthylique de glycol diéthylénique, le 1,2-diéthoxyéthane, l'éther dimé- thylphénylique de glycol tétraéthylénique. Lorsque de tels dérivés hydrocar- bonés d'acide sulfurique et/ou de tels éthers glycoliques sont employés dans le présent procédé, on trouve qu'on obtient une. surface beaucoup plus lisse qu'en l'absence de ces composants. L'effet de ces additifs est spé- cialement remarqué lorsqu'on attaque un spécimen de métal n'ayant seulement qu'une portion d'une surface, exposée à la solution d'attaque, le restant de la surface étant masqué par une matière résistante convenable.
Lorsque la solution d'attaque dissout le métal de la surface non masquée, l'action d'attaque est plus énergique au bord du masque, en amenant la formation d'une rainure dans la surface exposée à ce point. L'addition des dérivés d'acide .sulfurique et des éthers glycoliques ci-avant empêche la formation de cette rainure. On ne devrait pas utiliser des quantités de l'additif, excédant la gamme spécifiée ci-avant, car elles auraient pour effet de lais- ser une crête dans la surface attaquée juste à l'intérieur du bord de la partie masquée.
Des composés autres que ceux donnés ci-avant, tels que, par exemple, les sels d'octadécylamine et de guanidine d'acide octadécylcar- bonique, n'ont pas d'effet sur l'uniformité de la surface attaquée, ce qui illustre le caractère remarquable des dérivés d'acide sulfurique et des éthers glycoliques, utilisés dans la présente invention.
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Une des formes de réalisation préférées de la présente invention consiste en l'utilisation des dérivés hydrocarbonés d'acide sulfurique et/ ou des éthers glycoliques hydrocarbonés, en des quantités de 0,08 à environ 0,15% en poids, car on a trouvé que la réaction peut être plus facilement contrôlée lorsqu'on utilise une quantité de 0,08%, tandis que l'addition des composants en des quantités supérieures à 0,15% en poids n'améliore pas la réaction de façon appréciable.
On a trouvé que le composé d'attaque de la présente invention est spécialement efficace pour des métaux, tels que le silicium, le germanium et les métaux des groupes IV-B et V-B de la Table Périodique des Eléments, ayant des poids atomiques de 28 à 181; le procédé d'attaque de ces métaux avec le composé de l'invention constitue une autre forme de réalisation de celle-ci.Par exemple, on peut attaquer du titane par un procédé comprenant la mise en contact du métal avec un composé d'attaque constitué par une solution contenant 12% en poids d'acide fluorhydrique, 10% en poids d'anhydride chromique et 0,1% d'acide dodécylbenzène sulfonique, le restant étant constitué essentiellement par de l'eau.
Une forme de réalisation préférée de la présente invention est constituée par le procédé pour attaquer un métal choisi dans le groupe comprenant le silicium, le germanium, les métaux des groupes IV-B et V-B de la Table Périodique des Eléments, ayant des poids atomiques de 28 à 181, procédé comprenant la mise en contact de ce métal avec une solution aqueuse comportant 7 à 25 en poids d'acide fluorhydrique et une quantité d'anhydride chromique telle que le rapport molaire acide fluorhydrique/anhydride chromique est de 6/1 à environ 3,5/1, et l'addition de fluorure de potassium à la solution d'attaque durant le développement du procédé, en une quantité telle que le rapport molaire KF ajouté/métal en solution soit de 1/5 à 2/le pour précipiter le métal dissous durant le cours de l'attaque.
Lorsque le procédé est mis en oeuvre de cette manière , la vitesse d'attaque est maintenue pratiquement constante. Ceci est un avantage sur le procédé n'utilisant pas le KF, car on a trouvé que, lorsque la concentration du métal qui est attaqué devient trop élevée dans la solution, la vitesse ralentit et atteint éventuellement un point auquel il devient impraticable de continuer l'attaque, avec le désavantage supplémentaire que l'attaque devient sans uniformité. Cette forme de réalisation de la présente invention est spécialement préférée lorsqu'on attaque des spécimens de titane, et on préfère particulièrement ajouter une quantité de fluorure de potassium, telle que le rapport molaire KF/Ti en solution soit de 2/5 à 1,5/1.
Des quantités de KF suffisantes pour précipiter énergiquement tout le titane de la solution peuvent être ajoutées. Cependant, on préfère ne pas ajouter un excès de KF afin d'éviter tous les effets désavantageux que l'ion potassium peut avoir sur le procédé d'attaque. Une méthode convenable pour précipiter le titane, de la solution, consiste à enlever une partie de la solution, du récipient d'attaque, à traiter cette solution avec du KF, à enlever par filtration le composé de titane précipité qui est habituellement le K2TiF6, et à renvoyer le filtrat au récipient. De cette manière, le titane peut être continuellement enlevé de la solution d'attaque avec recyclage du filtrat.
Il est inattendu que l'addition de KF enlève, de préférence, du Ti dissous, d'une solution contenant également du CrF3 qui est probablement formé dans la solution d'attaque suivant l'équation globale: 3 OHF + 4CrO3 + 3 Ti-3H2TiF6 + 4CrF + 12H 0 car il est connu que le KF réagit avec le CrF pour donner le produit insoluble K2CRF5' Le CrF3 est précipité de la solution d'attaque lorsque la
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concentration de ce fluorure atteint des proportions de saturation, et en conséquence il n'est pas nécessaire d'ajouter un agent précipitant pour ce composé.
On peut également employer d'autres fluorures de métaux alca- lins au lieu de KF. Cependant, lorsqu'on emploie du NaF, tout le CrFest précipité d'abord sous forme de NaCrF5'Ceci demande une plus grande quan- tité de réactif qui ce n'est le cas lorsqu 'on utilise du KF, ce qui consti- tue un déchet non nécessaire, car le CrF peut être précipité d'une solution saturée. Le procédé au fluorure de potassium de précipitation de titane dissous à l'avantage supplémentaire d'assurer une séparation du chrome, d'avec le titane. Un autre avantage de l'utilisation de fluorure de potas- sium est qu'une quantité maximum de titane est précipitée avec une quantité minimum d'ions potassium restant en solution, ce qui réduit au minimum les effets désavantageux que les ions de métaux alcalins peuvent avoir sur le procédé.
De l'acide fluorhydrique peut être continuellement ajouté à la so- lution d'attaque pour remplacer celui qui est consommé dans le procédé. La vitesse constante ainsi atteinte donne une attaque plus uniforme du spéci- men, de même qu'un procédé plus facilement contrôlé.En outre, un avantage économique est assuré du fait du recyclage ou de la réutilisation du compo- sé d'attaque.
L'utilisation du nouveau composé d'attaque de la présente invention non seulement procure un moyen pour contrôler la vitesse d'enlèvement du métal et l'uniformité'de la surface attaquée, mais également a pour résultat un minimum d'absorption d'hydrogène dans le métal. L'hydrogène est formé dans l'attaque du métal par le composé d'attaque. Dans le cas du titane, cette formation peut être exprimée par l'équation.
6HF + Ti H2TiF6 + 2H2 Le problème de l'hydrogène absorbé est spécialement important dans les mé- taux, tels que le titane, qui absorbent de l'hydrogène, en provoquant fa- cilement une fragilité et, en conséquence, une perte de résistance structu- relle. L'utilisation des composés d'attaque de la présente invention permet l'utilisation d'un procédé d'attaque des métaux du type spécifié ci-avant pour produire un spécimen de métal avec un minimum d'hydrogène absorbé.
Comme signalé ci-avant,la vitesse d'attaque par un composé de la présente invention peut être facilement contrôlée. Ceci est un avantage im- portant sur les compositions, telles qu'une solution aqueuse de HF seule ou une combinaison de HF et de HNO2.Par exemple, une solution aqueuse de 12% de HF attaque le titane à une vitesse de 70 millièmes de pouce par heure à 110 F, et à une vitesse de 100 millièmes de pouce par heure à 120 F, La réac- tion est exothermique, ce qui chauffe la solution. Ceci augmente rapidement la vitesse qui est une fonction de la température ; dece fait, il est diffi- cile d'empêcher la réaction d'échapper au contrôle.
Une augmentation même plus grande de la vitesse est observée avec une solu- tion aqueuse contenant 7,5% en poids de HF et 12,5% en poids de HNO3' qui attaque le titane à une vitesse de 40 millièmes de pouce par heure a 100 F qui augmente jusqu'à 200 millièmes de pouce par heure à 120 F. D'autre part, une combinaison de HF et de CrO2 en des proportions respectivement de 12 et 10% en poids dans de l'eau donne une vitesse d'attaque de 42 millièmes de pouce par heure à 110 F et de 52 millièmes de pouce par heure à 120 F.
Ceci ne constitue qu'un tiers de l'augmentation de vitesse notée avec une solution aqueuse de HF seule, pour une augmentation de température de 10 F et seulement un seizième de l'augmentation notée avec un mélange HF-HNO3' ce qui rend donc la réaction plus facile à contrôler.
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L'invention est plus complètement expliquée jpar les exemples sui- vants dans lesquels le nouveau composé d'attaque est utilisé pour enlever des quantités prédéterminées de métal, de divers objets métalliques. Les proportions sont données en parties en poids à moins d'autres indications.
Exemple I.
A un récipient revêtu d'un composé de chlorure de polyvinyle non plastifié, qui est résistant à l'attaque par acide, et équipé de moyens de chauffage et de refroidissement, et de moyens d'agitation, on ajoutait 780 parties d'eau, 100 parties d'anhydride chromique et 120 parties d'acide fluorhydrique.Cette composition représente une solution contenant 78% en poids d'eau, 12% en poids de HF et 10% en poids de CrO3' par rapport au poids total du mélange. Le rapport molaire HF/CrO est de 6/1. Le contenu du récipient de réaction était alors énergiquemen mélangé par les moyens d'agitation, jusqu'à ce que la solution soit une composition homogène.
La température du mélange était amenée à environ 150 F par les moyens de chauf-, fage, et ensuite un spécimen d'alliage de titane contenant 5% de manganèse,/ ayant des dimensions de 2 x 4 x 0,125 pouces,était immergé et maintenu en position verticale grâce à. des fils revêtus de matière plastique vinylique.
On laissait agir le composé d'attaque sur le spécimen de titane pendant une période de 20 minutes; à la fin de cette période, le titane était enlevé du composé d'attaque et lavé avec de l'eau. On trouvait qu'une quantité de ti- tane équivalent à une épaisseur de 59 millièmes de pouce avait été enlevée, en laissant un fini lisse et uni. La vitesse d'attaque était ainsi de 177 millièmes de pouce par heure.
Des résultats similaires étaient obtenus lorsque le processus de l'exemple I était répété avec 100% de titane métallique ; obtient aussi une surface unie et lisse.
Exemple II.
En suivant le processus de l'exemple I, on réalisait un composé d'attaque contenant 872 parties d'eau, 70 parties d'acide fluorhydrique, 58 parties d'anhydride chromique, et 0,1 partie d'acide hexane sulfonique.
Cette composition représente 7% en poids de HF, 5,8% en poids de CrO3 et 0,01% en poids d'acide hexane sulfonique, par rapport au poids total de la solution, et contient un rapport molâire HF/CrO- de 6/1. Un spécimen de vanadium mesurant 3 x 5 x 0,2 pouces et masqué sur une face par un compo- sé plastique vinylique, de même que sur ses bords, et présentant une marge masquée de 1/4 pouce sur la surface exposée, est immergé dans la solution pendant une période de 20 heures à une température de 30 F. Lorsqu'on l'en- lève de la solution, le spécimen a une surface attaquée lisse et unie.
Des résultats similaires sont obtenus lorsque du tantale, du sili- cium et du germanium sont attaqués suivant le processus de l'exemple II.
Exemple III.
Le processus de l'exemple 1 est répété avec un spécimen de ziroo- nium, en utilisant un composé d'attaque contenant 854 parties d'eau, 80 par- ties de HF, 66 parties de CrO3 et 0,8 partie de dodécylnaphtyl sulfonate de sodium,- ce qui représente une solution contenant 8% en poids de HF, 6,6% en poids de CrO et 0,08% en poids du sulfonate. t'attaque est réalisée à une température 3de 210 F et, après 5 minutes, la surface exposée du zirconium métallique est uniformément attaquée à une profondeur uniforme.
On obtient des résultats également bons lorsque l'exemple III est répété, lorsqu'on remplace le dodécylnaphtyl sulfonate par du 2-éthylhexyl sulfate de sodium, le sel de sodium de 1-carboxylate de sodium-2-N-octadécyl-
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carbonamide éthyl-sulfonate CH 2(CONHC ]-.8- H37 )CH-(COONa)SO3Na, et le sel de sodium de 1-më:hyl-7- éthyl-4-undéoylsulfate.
Exemple IV.
Le processus de l'exemple I était répétée en utilisant un composé d'attaque contenant 780 parties d'eau, 120 parties de HF, 100 parties de Cr O3et 1 partie d'acide dodécylbenzène sulfonique. Un spécimen' ; de titane masqué par une bande garnie de plomb sur une face, sur les bords et sur une marge de 1/4 de pouce sur la surface exposée était suspendu en position horizontale et soumis à l'action du composé d'attaque à une température d' environ 155 F pendant une période de 30 minutes ; cette période, le spécimen était enlevé et énergiquement lavé. On trouvait que le spécimen était attaqué jusqu'à une profondeur de 62 millièmes de pouce, ce qui indiquait que la vitesse d'attaque était de 124 millièmes de pouce par heure.
La surface était entièrement lisse en unie.
Exemple V.
Le procédé de l'exemple I était répété en utilisant 620 parties d'eau, 180 parties de HF, 200 parties de CrO3 et 0,1 partie d'acide dodé-
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cylbenzène sulfonique. Le rapport HF/CrO 3 était de 4 5/l Un spécimen de titane du type décrit à l'exemple IV était immergé en position horizontale dans la solution d'attaque pendant une période d'une heure.,pendant qu'on maintenait la température à 130 F La vitesse d'attaque était, dans ce cas, de 50 millièmes de pouce par heure, en laissant une surface lisse unie.
Exemple VI.
En suivant le processus de l'exemple I, un spécimen de titane préparé comme à l'exemple IV, était suspendu en position horizontale dans un composé d'attaque comprenant 765 parties d'eau, 120 parties de HF, 50 par-
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ties de Cru 65 parties de IapCr¯0 et 1 partie d'acide dodécylbenzène sulfonique. Le rapport HF/CrO était de 6/1 dans le composéo Le spécimen de titane était soumis à l'action de la solution d'attaque pendant une pé- riode de 1 heure et demie à une température de 150 F. On trouvait que, pen- dant cette période, la.solution attaquait le titane à la vitesse de 65 mil- lièmes de pouce par heure, en produisant un excellent fini.
Exemple VII.
Le processus de l'exemple VI était répété, sauf que la température était maintenue à 110 F. Dans ce cas, on trouvait que l'attaque se dévelop- pait à une vitesse de 43 millièmes de pouces par heure et avait pour résul- tat une surface unie sans rugosités.
Exemple VIII.
Le processus de l'exemple I est suivi, en utilisant 633 parties d'eau, 200 parties de HF, 167 parties de CrO et 1 partie d'éther phényl- éthylique de glycol diéthylénique à une température de 130 F, pour obtenir une surface uniformément attaquée à une vitesse contrôlable.
On obtient des résultats également bons lorsque l'exemple IX est répété en remplaçant l'éther phényléthylique de glycol diéthylénique par du
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1,2-diéthoxy éthane, du l*-éthoxy-2-isopropoxy-3-éthylphénoxy propane, et de l'éther diméthylphényliauede glycol tétraéthyléniqueo
L'attaque est également obtenue, lorsque le processus de l'exemple VIII est employé avec un composé contenant 20% en poids de HF et 28,6% en poids de CrO3
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Exemple IX.
Dans ce cas, le processus de l'exemple I était également suivi, en employant une solution comprenant 730 parties d'eau, 120 parties de HF et 150 parties de CrO Le spécimen de titane était soumis à l'action de la solution pendant une période de 1 heure et demie à une température de 190 F. La vitesse d'attaque était examinée périodiquement et on trouvait qu'elle variait de 42 millièmes de pouce par heure au début de la période d'attaque à 12 millièmes de pouce par heure après la première demi-heure.
Le rapport HF/Cr03 était dans ce cas de 4/1.
De même, le métal est attaqué avec une solution contenant 25% en poids de HF et 30% en poids de CrO3 avec un rapport molaire:. HF/Cr03 de 4,2/1.
Exemple X.
Le processus de l'exemple 1 était suivi avec la variante qu'après une période d'opération durant laquelle la concentration de titane dans la solution sous forme d'acide fluotitanique a atteint une valeur d'environ 48 g par litre, une partie de la solution était enlevée, et 60 g de fluorure de potassium était ajoutés par litre de solution à une température de 100 F, en précipitant le titane sous forme de K2TiF6. Le rapport KF ajouté/Ti en solution était de 1/1 dans ce cas. Le fluotitanate de potassium était filtré de la solution, et le filtrat était recyclé au récipient d'attaque.
De cette manière, la quantité de titane dans la solution était maintenue à une concentration telle qu'elle n'affectait pas la vitesse d'attaque.
L'exemple X est répété,en ajoutant du KF à 80 F en une quantité telle que le rapport KF ajouté/Ti en solution est de 1/5, ce qui donne de bons résultats. On obtient des résultats également bons, lorsque le rapport KF ajouté/Ti en solution est de 2/1, l'addition de KF étant réalisée à 160 F.
On obtient également de bons résultats lorsque la concentration du titane dans la solution d'attaque est de 0,1 mole par litre, et de même lorsque la concentration de Ti est de 3 moles par litre et plus. Une gamme préférée de concentration de Ti dans le composé d'attaque va jusqu'à 80 gr par litre, afin de maintenir une vitesse plus pratique et une attaque plus uniforme.
Des résultats semblables sont obtenus lorsque le processus de 1' exemple X est suivi dans l'attaque de Si, de Ge et de métaux des groupes IV-B et V-B de la Table Périodique des Eléments, lorsque la concentration du métal en solution est de 0,1 à 3 moles, et que la quantité de fluorure de métal alcalin ajouté est telle que le rapport du fluorure ajouté au métal en solution est de 1/5 à 2/1 à des températures de 80 F à 160 F.
Les exemples ci-avant montrent que la concentration d'acide fluor- hydrique peut varier de 7 à 25% en poids, tandis que la quantité d'anhydride chromique est présente en des quantités telles que le rapport acide fluorhy- drique/anhydride chromique est de 6/1 à environ 3,5/1' Comme illustré par les exemples, cependant, on voit que les meilleurs résultats en ce qui con- cerne la vitesse sont obtenus lorsque le rapport HF/CrO est dans la gamme de 6/1 à 4,5/1, et que les concentrations correspondantes de HF sont de 7 à 20% en poids.
Les spécimens métalliques qui sont soumis à l'action du composé d' attaque peuvent être suspendus dans la solution en position horizontale ou en position verticale, comme indiqué dans les exemples. La vitesse d'attaque est plus grande lorsque le spécimen est suspendu verticalement, que lorsqu' il est suspendu horizontalement. Dans les deux cas, cependant, l'attaque se
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déroule pour donner un fini lisse uni.
Les éléments utilisés pour masquer dans les exemples précédents consistaient en une bande doublée de plomb et en un revêtement plastique vinylique ; cependant, d'autres moyens quelconques de revêtement des sur- faces qui ne doivent pas être attaquées peuvent également être utilisés dans la mise en oeuvre de la présente invention. Par exemple, du polyéthy- lène sur une bande de coton avec un adhésif caoutchouteux au silicium peut être utilisé comme substance pour masquer. De même, une peinture de caout- chouc néoprène est un bon élément résistant pour couvrir des surfaces qui doivent être protégées de l'action de la solution d'attaque.
La période de temps, durant laquelle le métal est soumis à l'action de la solution, dépend de la concentration d'acide fluorhydrique et d'anhy- dride chromique dans cette solution, de même que de la profondeur à laquelle les surfaces exposées doivent être attaquées. C'est ainsi que des spécimens métalliques peuvent être exposés au nouveau composé d'attaque de la présen- te invention pendant des périodes allant d'environ 5 minutes à 20 heures ou plus.
Des composés qui produisent du HF in situ peuvent être utilisés pour remplacer le HF, par exemple le HBF4'le H TiF , le H2SiF6' etc. Dans de tels cas, cependant, il est habituellement nécessaire d'élever la tem- pérature de réaction pour obtenir une attaque satisfaisante. On a trouvé également que la vie de la solution d'attaque est beaucoup plus courte.
Bien que l'invention ait été décrite et illustrée en détails:, on comprendra qu'il ne s'agit que d'une description non limitative.
REVENDICATIONS.
1. Un composé d'attaque pour métaux, consistant en une solution aqueuse comportant 7 à 25% en poids d'acide fluorhydrique et une quantité d'anhydride chromique telle que le rapport molaire acide fluor hydrique/anhy- dride chromique soit de 6/1 a environ 3,5/1.
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The present invention relates to a novel attack compound, more especially to a compound suitable for attacking metals which are soluble in hydrofluoric acid.
Methods are known in the art for attacking various metals. A problem arises, however, with metals which are not readily reactive with ordinary acids and bases, notably, titanium, tantalum and zirconium. Acids, such as hydrofluoric acid and a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid have been used to etch and polish these metals. However, it has been found that these acids are not suitable for obtaining a smooth, uniformly etched surface. A smooth, even surface is especially important when a metal is etched to produce a thin-walled metal structure with protruding reinforcing areas, to achieve load distribution throughout the structure.
The thin walls of such a structure have a even and smooth surface so that a predetermined maximum amount of metal can be removed from selected areas, to achieve a high strength to weight ratio panel. Etching media, such as hydrofluoric acid alone or a combination thereof and nitric acid, etc., do not produce the desired results. It is therefore necessary to have a better etchant for use with metals which are dissolved by hydrofluoric acid.
An object of the present invention is therefore to provide a new attack compound.
Another object of the present invention is to provide a compound which attacks metal at a rate which can be easily controlled.
Yet another object of the present invention is to provide an etchant which produces a even and smooth surface.
It is still an object of the present invention to provide an attacking compound for attacking metals which are dissolved by fluorhydric acid.
Another object of the present invention is to provide a method for etching at a uniform rate metals which are dissolved by hydrofluoric acid.
It is also an object of the present invention to provide a method for etching metals, in which the components of the etching compound are maintained at an almost constant concentration.
Another object of the present invention is to provide a process for etching metals which results in minimal absorption of hydrogen by the metal.
The above and still other objects of the present invention are achieved by providing an attacking compound comprising an aqueous solution comprising 7 to 25% by weight of hydrofluoric acid and such an amount of chromic anhydride as the ratio molar hydrofluoric acid / chromic anhydride is from 6/1 to about 3.5 / 1, the remainder consisting essentially of water. It has been found that at least 7% by weight of hydrofluoric acid is necessary with a molar ratio of hydrofluoric acid / chromic anhydride of the range given above, to ensure a satisfactory measurable etching rate, as well as a surface area. attacked evenly and smooth.
There is no particular advantage in using an amount of hydrofluoric acid greater than 25% by weight, since no additional benefit results therefrom. Moreover, if an amount of HF greater than 25% by weight was used, it would be necessary to use a greater amount of CrO3 than it is.
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specified above, in order to achieve a compound which does not dissolve metal at a controllable rate. At HF concentrations greater than 25% by weight, it is necessary to carry out the reaction at an elevated temperature, so that a sufficient amount of CrO3 can be dissolved to give a controllable rate of attack.
Chromic anhydride CrO3 can be in the form of the anhydride itself or in the form of chromic acid salts of alkali metals, such as, for example, sodium chromate Na2CrO4 'sodium dichromate Na2Cr2O7' etc. .
A preferred embodiment of the present invention consists of an etchant of the type discussed above, in which the hydrofluoric acid is in solution in an amount of 8 to about 20%.
This latter range of percentages of HF has been found to give better results with respect to etch rate, reaction control, and uniformity of etched surface.
Another embodiment of the present invention consists of an aqueous etchant solution, as discussed above, which, in addition to the HF and CrO components, contains 0.01 to 3% by weight of a compound selected from the group comprising: a hydrocarbon derivative of sulfuric acid having an OM group directly attached to the sulfur atom and in which 0 represents oxygen and M is selected from the group consisting of hydrogen and alkali metals of group 1A; and hydrocarbon glycol ethers, the number of carbon atoms in these sulfuric acid derivatives and glycol ethers being from 6 to about 22.
Examples of hydrocarbon derivatives of sulfuric acid are sodium ethylbenzenesulphonate, potassium naphthylsulphonate, actylanthrylsulphonic acid, sodium salt of sodium 1-carboxylate-2-N-octadecylcarbonamide ethylsulphonate CH2 (CONHC18H37 ) CH (COONa) SO3Na, sodium salt of 1-ethyl-7-ethyl-4-undecylsulfate, etc. It can therefore be seen that the hydrocarbon derivatives of sulfuric acid can be a sulfonic acid, a sulfate or a sulfonate, and also that there can be other substituents on the hydrocarbon part of the molecule, such as, for example , -COONa, -CONHC18H37.
Non-limiting examples of glycol ethers are phenylethyl ether of diethylenic glycol, 1,2-diethoxyethane, dimethylphenyl ether of tetraethylenic glycol. When such hydrocarbon derivatives of sulfuric acid and / or such glycol ethers are employed in the present process, it is found that a. much smoother surface than without these components. The effect of these additives is especially noticed when etching a metal specimen having only a portion of one surface exposed to the etching solution, the remainder of the surface being obscured by material. resistant suitable.
As the etching solution dissolves the metal of the unmasked surface, the etching action is more forceful at the edge of the mask, causing a groove to form in the exposed surface at that point. The addition of the above-mentioned sulfuric acid derivatives and glycol ethers prevents the formation of this groove. Amounts of the additive should not be used in excess of the range specified above as they would have the effect of leaving a ridge in the etched area just inside the edge of the masked portion.
Compounds other than those given above, such as, for example, the octadecylamine and guanidine salts of octadecylcarbonic acid, have no effect on the uniformity of the etched surface, which illustrates the remarkable character of the sulfuric acid derivatives and glycol ethers used in the present invention.
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One of the preferred embodiments of the present invention is the use of the hydrocarbon derivatives of sulfuric acid and / or the hydrocarbon glycol ethers, in amounts of 0.08 to about 0.15% by weight, as it has been found that the reaction can be more easily controlled when an amount of 0.08% is used, while the addition of the components in amounts greater than 0.15% by weight does not improve the reaction appreciably.
The etchant of the present invention has been found to be especially effective for metals, such as silicon, germanium, and metals of Groups IV-B and VB of the Periodic Table of the Elements, having atomic weights of 28. to 181; another embodiment thereof is the method of etching these metals with the compound of the invention. For example, titanium can be etched by a method comprising contacting the metal with an etching compound consisting of a solution containing 12% by weight of hydrofluoric acid, 10% by weight of chromic anhydride and 0.1% of dodecylbenzene sulfonic acid, the remainder consisting essentially of water.
A preferred embodiment of the present invention is the process for etching a metal selected from the group consisting of silicon, germanium, metals of Groups IV-B and VB of the Periodic Table of the Elements, having atomic weights of 28 to 181, process comprising bringing this metal into contact with an aqueous solution comprising 7 to 25 by weight of hydrofluoric acid and an amount of chromic anhydride such that the molar ratio of hydrofluoric acid / chromic anhydride is 6/1 to approximately 3.5 / 1, and the addition of potassium fluoride to the etching solution during the development of the process, in an amount such that the molar ratio KF added / metal in solution is 1/5 to 2 / le to precipitate the dissolved metal during the course of the attack.
When the process is carried out in this manner, the etching rate is kept substantially constant. This is an advantage over the process not using KF, since it has been found that when the concentration of the metal which is attacked becomes too high in the solution, the rate slows down and eventually reaches a point at which it becomes impractical to continue the process. attack, with the added disadvantage that the attack becomes uneven. This embodiment of the present invention is especially preferred when etching titanium specimens, and it is particularly preferred to add an amount of potassium fluoride, such that the KF / Ti molar ratio in solution is 2/5 to 1, 5/1.
Amounts of KF sufficient to vigorously precipitate all of the titanium from solution can be added. However, it is preferred not to add an excess of KF in order to avoid any disadvantageous effects that the potassium ion may have on the etching process. A suitable method of precipitating titanium from solution consists of removing part of the solution from the attack vessel, treating this solution with KF, removing by filtration the precipitated titanium compound which is usually K2TiF6, and returning the filtrate to the container. In this way, the titanium can be continuously removed from the etchant solution with recycling of the filtrate.
It is unexpected that the addition of KF preferably removes dissolved Ti, from a solution also containing CrF3 which is probably formed in the etching solution according to the overall equation: 3 OHF + 4CrO3 + 3 Ti 3H2TiF6 + 4CrF + 12H 0 because it is known that KF reacts with CrF to give the insoluble product K2CRF5 'CrF3 is precipitated from the etching solution when the
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concentration of this fluoride reaches saturation proportions, and therefore it is not necessary to add a precipitating agent for this compound.
Other alkali metal fluorides can also be used instead of KF. However, when NaF is used, all of the CrF is precipitated first as NaCrF5 '. This requires a larger amount of reagent than is the case when KF is used, which constitutes. unnecessary waste, as CrF can be precipitated from saturated solution. The potassium fluoride process of dissolved titanium precipitation has the additional advantage of separating the chromium from the titanium. Another advantage of using potassium fluoride is that a maximum amount of titanium is precipitated with a minimum amount of potassium ions remaining in solution, which minimizes the disadvantageous effects that alkali metal ions can. have on the process.
Hydrofluoric acid can be continuously added to the etching solution to replace that consumed in the process. The constant speed thus achieved results in a more uniform attack of the specimen, as well as a more easily controlled process. In addition, an economic advantage is provided by recycling or re-using the attack compound.
The use of the novel etchant of the present invention not only provides a means to control the rate of metal removal and the uniformity of the etched surface, but also results in minimal hydrogen uptake. in metal. Hydrogen is formed in the attack of the metal by the attack compound. In the case of titanium, this formation can be expressed by the equation.
6HF + Ti H2TiF6 + 2H2 The problem of absorbed hydrogen is especially important in metals, such as titanium, which absorb hydrogen, easily causing brittleness and hence loss of strength. structural. The use of the etchant compounds of the present invention allows the use of a metal etchant method of the type specified above to produce a metal specimen with a minimum of absorbed hydrogen.
As noted above, the rate of attack by a compound of the present invention can be easily controlled. This is an important advantage over compositions, such as an aqueous solution of HF alone or a combination of HF and HNO2. For example, a 12% aqueous solution of HF attacks titanium at a rate of 70 mils. inch per hour at 110 F, and at a rate of 100 thousandths of an inch per hour at 120 F, the reaction is exothermic, which heats the solution. This rapidly increases the speed which is a function of the temperature; therefore, it is difficult to prevent the reaction from escaping control.
An even greater increase in rate is seen with an aqueous solution containing 7.5 wt% HF and 12.5 wt% HNO3 which attacks titanium at a rate of 40 thousandths of an inch per hour. 100 F which increases up to 200 thousandths of an inch per hour at 120 F. On the other hand, a combination of HF and CrO2 in proportions of 12 and 10% by weight respectively in water gives a speed of attack 42 thousandths of an inch per hour at 110 F and 52 thousandths of an inch per hour at 120 F.
This constitutes only one third of the increase in speed noted with an aqueous solution of HF alone, for a temperature increase of 10 F and only one sixteenth of the increase noted with an HF-HNO3 'mixture, which therefore makes the reaction easier to control.
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The invention is more fully explained by the following examples in which the novel etchant is used to remove predetermined amounts of metal from various metal objects. Proportions are given in parts by weight unless otherwise indicated.
Example I.
To a vessel coated with an unplasticized polyvinyl chloride compound, which is resistant to acid attack, and equipped with heating and cooling means, and stirring means, was added 780 parts of water, 100 parts of chromic anhydride and 120 parts of hydrofluoric acid. This composition represents a solution containing 78% by weight of water, 12% by weight of HF and 10% by weight of CrO3 'relative to the total weight of the mixture. The HF / CrO molar ratio is 6/1. The contents of the reaction vessel were then vigorously mixed by the stirring means, until the solution was a homogeneous composition.
The temperature of the mixture was brought to about 150 F by the heating means, and then a specimen of titanium alloy containing 5% manganese, / having dimensions of 2 x 4 x 0.125 inches, was immersed and held. in vertical position thanks to. wires coated with vinyl plastic.
The etchant was allowed to act on the titanium specimen for a period of 20 minutes; at the end of this period, the titanium was removed from the etchant and washed with water. It was found that an amount of titanium equivalent to a thickness of 59 thousandths of an inch had been removed, leaving a smooth and even finish. The attack speed was thus 177 thousandths of an inch per hour.
Similar results were obtained when the process of Example I was repeated with 100% metallic titanium; also obtains a smooth, even surface.
Example II.
Following the procedure of Example I, there was provided an etchant containing 872 parts of water, 70 parts of hydrofluoric acid, 58 parts of chromic anhydride, and 0.1 part of hexanesulfonic acid.
This composition represents 7% by weight of HF, 5.8% by weight of CrO3 and 0.01% by weight of hexanesulfonic acid, relative to the total weight of the solution, and contains an HF / CrO- molar ratio of 6/1. A specimen of vanadium measuring 3 x 5 x 0.2 inches and masked on one side by vinyl plastics, as well as on its edges, and having a masked margin of 1/4 inch on the exposed surface, is immersed in solution for a period of 20 hours at a temperature of 30 F. When removed from solution, the specimen has a smooth and even etched surface.
Similar results are obtained when tantalum, silicon and germanium are etched following the procedure of Example II.
Example III.
The procedure of Example 1 is repeated with a specimen of ziroonium, using an etchant containing 854 parts of water, 80 parts of HF, 66 parts of CrO3 and 0.8 part of dodecylnaphthyl sulfonate. sodium, - which represents a solution containing 8% by weight of HF, 6.6% by weight of CrO and 0.08% by weight of the sulfonate. The etching is carried out at a temperature of 210 F and, after 5 minutes, the exposed surface of the metallic zirconium is evenly etched to a uniform depth.
Also good results are obtained when Example III is repeated, when the dodecylnaphthyl sulfonate is replaced by sodium 2-ethylhexyl sulfate, the sodium salt of sodium-2-N-octadecyl-1-carboxylate.
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carbonamide ethyl-sulfonate CH 2 (CONHC] -. 8- H37) CH- (COONa) SO3Na, and the sodium salt of 1-më: hyl-7-ethyl-4-undeoylsulfate.
Example IV.
The procedure of Example I was repeated using an attacking compound containing 780 parts of water, 120 parts of HF, 100 parts of Cr O3, and 1 part of dodecylbenzene sulfonic acid. A specimen '; of titanium masked by a lead-lined strip on one side, at the edges and a 1/4 inch margin on the exposed surface was suspended in a horizontal position and subjected to the action of the etchant at a temperature of d about 155 F over a 30 minute period; during this period the specimen was removed and vigorously washed. The specimen was found to be etched to a depth of 62 thousandths of an inch, indicating that the attack speed was 124 thousandths of an inch per hour.
The surface was completely smooth in plain.
Example V.
The procedure of Example I was repeated using 620 parts of water, 180 parts of HF, 200 parts of CrO3, and 0.1 part of dodecid.
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cylbenzene sulfonic. The HF / CrO 3 ratio was 45 / l. A titanium specimen of the type described in Example IV was immersed in a horizontal position in the etching solution for a period of one hour, while the titanium was maintained. temperature at 130 F The etching rate in this case was 50 thousandths of an inch per hour, leaving a smooth, even surface.
Example VI.
Following the procedure of Example I, a titanium specimen prepared as in Example IV was suspended in a horizontal position in an etching compound comprising 765 parts of water, 120 parts of HF, 50 per-
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parts of Cru 65 parts of IapCr¯0 and 1 part of dodecylbenzene sulfonic acid. The HF / CrO ratio was 6/1 in the compound. The titanium specimen was subjected to the action of the etching solution for a period of 1.5 hours at a temperature of 150 F. It was found that, During this period the solution attacked the titanium at a rate of 65 thousandths of an inch per hour, producing an excellent finish.
Example VII.
The process of Example VI was repeated except that the temperature was maintained at 110 F. In this case, the attack was found to develop at a rate of 43 thousandths of an inch per hour and resulted in a smooth surface without roughness.
Example VIII.
The process of Example I is followed, using 633 parts of water, 200 parts of HF, 167 parts of CrO and 1 part of phenyl-ethyl ether of diethylene glycol at a temperature of 130 F, to obtain a surface uniformly attacked at a controllable speed.
Also good results are obtained when Example IX is repeated, replacing the phenylethyl ether of diethylenic glycol by
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1,2-diethoxy ethane, 1 * -ethoxy-2-isopropoxy-3-ethylphenoxy propane, and tetraethylenic glycol dimethylphenyl ether
The attack is also obtained, when the process of Example VIII is employed with a compound containing 20% by weight of HF and 28.6% by weight of CrO3
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Example IX.
In this case, the procedure of Example I was also followed, employing a solution comprising 730 parts of water, 120 parts of HF and 150 parts of CrO. The titanium specimen was subjected to the action of the solution for a period of time. 1.5 hour period at a temperature of 190 F. The etching rate was examined periodically and was found to vary from 42 thousandths of an inch per hour at the start of the etching period to 12 thousandths of an inch per hour after the first half hour.
The HF / Cr03 ratio was in this case 4/1.
Likewise, the metal is attacked with a solution containing 25% by weight of HF and 30% by weight of CrO3 with a molar ratio :. HF / Cr03 of 4.2 / 1.
Example X.
The process of Example 1 was followed with the variant only after a period of operation during which the concentration of titanium in the solution in the form of fluotitanic acid reached a value of about 48 g per liter, part of the solution was removed, and 60 g of potassium fluoride was added per liter of solution at a temperature of 100 F, precipitating the titanium in the form of K2TiF6. The KF added / Ti in solution ratio was 1/1 in this case. Potassium fluotitanate was filtered from the solution, and the filtrate was recycled to the attack vessel.
In this way, the amount of titanium in the solution was kept at a concentration such that it did not affect the etching rate.
Example X is repeated, adding KF at 80 F in an amount such that the KF added / Ti in solution ratio is 1/5, which gives good results. Also good results are obtained when the KF added / Ti in solution ratio is 2/1, the addition of KF being carried out at 160 F.
Good results are also obtained when the concentration of titanium in the etching solution is 0.1 moles per liter, and likewise when the concentration of Ti is 3 moles per liter and more. A preferred range of Ti concentration in the etching compound is up to 80 grams per liter, in order to maintain a more convenient speed and a more uniform etching.
Similar results are obtained when the process of Example X is followed in the attack of Si, Ge and metals of Groups IV-B and VB of the Periodic Table of the Elements, when the concentration of the metal in solution is. 0.1 to 3 moles, and the amount of alkali metal fluoride added is such that the ratio of fluoride added to metal in solution is 1/5 to 2/1 at temperatures of 80 F to 160 F.
The above examples show that the concentration of hydrofluoric acid can vary from 7 to 25% by weight, while the amount of chromic anhydride is present in amounts such that the hydrofluoric acid / chromic anhydride ratio is. from 6/1 to about 3.5 / 1 'As illustrated by the examples, however, it is seen that the best speed results are obtained when the HF / CrO ratio is in the range of 6/1. to 4.5 / 1, and the corresponding concentrations of HF are 7 to 20% by weight.
The metallic specimens which are subjected to the action of the etchant can be suspended in the solution in a horizontal position or in a vertical position, as shown in the examples. The attack speed is greater when the specimen is suspended vertically, than when it is suspended horizontally. In both cases, however, the attack
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unrolls to give a smooth, even finish.
The elements used for masking in the previous examples consisted of a lead lined tape and a vinyl plastic coating; however, any other means of coating surfaces which are not to be etched can also be used in the practice of the present invention. For example, polyethylene on a cotton strip with a rubbery silicon adhesive can be used as a masking substance. Likewise, a neoprene rubber paint is a good resistant element for covering surfaces which must be protected from the action of the etching solution.
The period of time during which the metal is subjected to the action of the solution depends on the concentration of hydrofluoric acid and chromic anhydride in this solution, as well as on the depth to which the exposed surfaces must. be attacked. Thus, metallic specimens can be exposed to the novel etchant of the present invention for periods ranging from about 5 minutes to 20 hours or more.
Compounds which produce HF in situ can be used to replace HF eg HBF4 ', H TiF, H2SiF6' etc. In such cases, however, it is usually necessary to raise the reaction temperature to obtain satisfactory attack. It has also been found that the life of the attack solution is much shorter.
Although the invention has been described and illustrated in detail: it will be understood that this is only a non-limiting description.
CLAIMS.
1. An attack compound for metals, consisting of an aqueous solution comprising 7 to 25% by weight of hydrofluoric acid and an amount of chromic anhydride such that the molar ratio of hydrofluoric acid / chromic anhydride is 6 / 1 has about 3.5 / 1.