DE2935131A1 - Verfahren zum entfernen von oberflaechenmaterial - Google Patents

Verfahren zum entfernen von oberflaechenmaterial

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DE2935131A1
DE2935131A1 DE19792935131 DE2935131A DE2935131A1 DE 2935131 A1 DE2935131 A1 DE 2935131A1 DE 19792935131 DE19792935131 DE 19792935131 DE 2935131 A DE2935131 A DE 2935131A DE 2935131 A1 DE2935131 A1 DE 2935131A1
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John Harold Frederick Notton
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Johnson Matthey PLC
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25FPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F5/00Electrolytic stripping of metallic layers or coatings

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  • Cleaning And De-Greasing Of Metallic Materials By Chemical Methods (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Entfernung von Oberflächenmaterial und im Besonderen auf die Entfernung von Metall- und Legierungsbeschichtungen.
Es tritt bei der Herstellung von z.B. mit Metall oder einer Legierung platinierten oder beschichteten Gegenständen häufig auf, daß ein Teil von ihnen verworfen werden muß wegen Fehlern in der Beschichtung und/oder aus anderen Gründen. Wenn die Beschichtung aus wertvollem Metall besteht, wie Gold oder Platin, ist es im allgemeinen aus ökonomischen Gründen der Mühe wert, dieses Metall von den verworfenen Gegenständen zu entfernen, und in den Fällen, wo die beschichteten Gegenstände einen relativ geringen eigenen Wert haben, kann das durch einfaches Auflösen der beschichteten Gegenstände geschehen, so daß das Material der Beschichtung im wesentlichen unverletzt bleibt.
In anderen Fällen jedoch können die beschichteten Gegenstände selbst einen beträchtlichen Wert haben entweder wegen der Kosten des Materials, aus dem sie hergestellt sind, oder wegen bestimmter maschineller oder herstellungstechnischer Manipulationen, denen sie vor der Beschichtung unterworfen wurden, oder wegen beidem. In solchen Fällen ist es unökonomisch,
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die Beschichtung durch Auflösen der beschichteten Gegenstände v/iederzugewinnen, und, wenn das Material von diesen Beschichtungen entfernt werden soll, müssen Mittel angewendet werden, um die Beschichtung von den beschichteten Gegenständen zu entfernen, ohne diese zu zerstören. Des weiteren müssen diese Mittel in den meisten Fällen so beschaffen sein, daß insbesondere kein wesentlicher Schaden an den Oberflächen der beschichteten Gegenstände erfolgt.
Ein Beispiel, aber keineswegs das einzige Beispiel von Gegenständen, die wegen ihrer maschinellen Bearbeitung einen hohen Eigenwert haben, sind Turbinenschaufeln von Flugzeugmotoren, speziell solche mit komplexer Innenkühlung. Solche Turbinenschaufeln können z.B. aus Wickel oder aus auf Kobalt basierenden Superlegierungen hergestellt sein und als Teil eines Verfahrens zur Erhöhung ihrer Korrosionsresistenz mit Platin beschichtet sein.
Immer wenn die Beschichtung auf Schaufeln, die auf diese Weise behandelt xvurden, bestimmte geforderte Normen nicht erfüllen, ist es notwendig, sie wieder zu entfernen und die Schaufel erneut mit Platin zu beschichten. Beim Entfernen der Beschichtung ist es sehr wichtig, eine mechanische Beschädigung der Schaufel sowie eine Änderung ihrer Werkstoffzusammensetzung zu vermeiden und die Eigenschaften der Oberflächen der
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beschichteten Schaufeln zu erhalten. Es ist natürlich auch sehr wünschenswert, alles Platin wiederzugewinnen, das auf diese Weite entfernt wurde.
Die vorliegende Erfindung ergibt sich aus einer Reihe von Versuchen, ein Verfahren für die Entfernung von Platinbeschichtungen von Gegenständen aus nickelhaltigen Superlegierungen insbesondere von Turbinenschaufeln von Flugzeugmotoren zu entwickeln, das die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt.
Eine Anzahl von Annäherungen an das Problem wurden überlegt und. getestet, wenn sie praktikabel erschienen. Unter den betrachteten Methoden waren:
a) mechanisches Abarbeiten,
b) die Anwendung von chemisch entmetallisierenden Agentien,
c) elektrolysisches Entmetallisieren und
d) die Verwendung von flüssigen Metallbädern.
Mechanisches Abarbeiten wurde als zu kostspielig erachtet und zu schwierig zu kontrollieren wegen der komplexen Form, von der die Platinschicht entfernt werden soll. Des weiteren ist ein vollständiges Abarbeiten der Beschichtung unmöglich, wenn sich Platin auch in den inneren Kühlkanälen niedergeschlagen hat.
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Es war bekannt, daß chemische entmetallisierende Agentien verwendet werden können, um Platinbeschichtungen zu entfernen, wenn sie zuerst aluminisiert werden, d.h., wenn Aluminium zuerst in sie hineindiffundieren kann« Ein Nachteil dieses Verfahrens sind jedoch die Kosten und die schiere Unmöglichkeit, zu vermeiden,, daß das Aluminium in die Oberfläche der beschichteten Schaufeln hineindiffundiert. Das bedeutet, daß diese Oberflächen auch, bis zu einem gewissen Ausmaß, durch das entmetallisierende Agens angegriffen werden würde, so daß in nicht vertretbarem Ausmaß auch Metall der Schaufeln selbst abgearbeitet werden müßte.
Es ist schwierig, ein chemisches Reagenz ins Auge zu fassen, das Platin auflösen kann und auf Nickel oder Kobalt basierende Superlegierungen unberührt läßt. Experimente mit Königswasser und anderen Säuren zeigten, daß diese bevorzugt die Gsenzflache der platinhaltigen Superlegierung angreifen würden. Sie werden das Platin nur wirksam entfernen, nachdem auch wesentliche Mengen an Superlegierung aufgelöst wurden.
Elektrolytische Entmetallisierung wurde in dem Bad von geschmolzenem KCN und NaCN versucht, wie es für die Beschichtung der Schaufeln verwendet wird, außer daß das Bad nicht den normalen Zusatz von Platinsalz hatte, wobei die Schaufeln in diesem Fall natürlich in dem Bad zur Anode gemacht wurden»
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Das erwies sich als nicht erfolgreich, weil die bloßen Superlegierungsoberflächen, von denen der Platinbelag entfernt worden war, durch das Cyanid angegriffen wurden und dabei ein gehärteter äußerer Belag entstand, der nicht zufriedenstellend wieder beschichtet werden könnte.
Demgemäß wurde die Auf merks amice it der Anwendung von flüssigen Metallbädern für das Entmetallisieren des Platins von den beschichteten Turbinenschaufeln zugewendet. Es wurde überlegt, daß Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, die aus den Phasendiagrammen zur Legierung mit Platin entnehmbar sind, dazu verwendet werden könnten, um das Platin bei einer geeigneten Temperatur zu entfernen, vorausgesetzt, daß sie nicht chemisch oder metallurgisch mit den beschichteten Schaufeln selbst reagieren.
Die Metalle Blei, Zinn, Indium, Cadmium, Zink, Wismut, Quecksilber, die Alkalimetalle und die Erdalkalimetalle schienen geeignet, obwohl keine Information über die Möglichkeit vorlagen, ob und wie diese Metalle die Superlegierung der Schaufeln selbst angreifen würden.
In diesem Fall wurden Cadmium, Blei und Quecksilber nicht geprüft, weil ihre Handhabung bestimmte toxische Zwischenfälle einschließen könnte, aber geschmolzenes Zinn, Indium
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Zink und Wismut wurden alle für wirksam befunden, bei Temperaturen unter 500° C die Entfernung von Platin zu bewirken, wie die Ergebnisse zeigen, die in der beigefügten Tabelle 1 angegeben sind. Die Temperatur von 500° C wurde gewählt, um den Angriff auf die Superlegierungsschaufeln minimal zu halten und Änderungen in ihrem Verhalten bei Hochtemperaturbehandlung zu vermeiden. Ein Nachteil bei der Verwendung dieser Metalle war, daß sie alle in die Superlegierungsschaufeln in mehr oder weniger großem Ausmaß diffundierten, und in der Praxis müßten die sich ergebenden Diffusionszonen von den Blättern entfernt werden, und das würde eine nicht tragbar groß dimensionierte Änderung der Schaufeln ergeben.
Die Alkalimetalle wurden als Nächstes betrachtet, und weil Bäder von geschmolzenem Alkalimetall, selbst unter dem Schutz von inertem Gas, sehr gefährlich sind, wurde entschieden, ein Alkalimetall zu verwenden, das durch Elektrolyse hergestellt wurde. Natrium wurde gewählt, und das Verfahren erwies sich als sehr erfolgreich. Nachfolgende Tests haben gezeigt, daß das Verfahren auch mit anderen Metallen als Natrium durchzuführen ist und auf andere MetalIbeSchichtungen und Substrate als Platin und Superlegierungen angewendet werden kann.
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Demgemäß wird ein Verfahren für die Entfernung von Metall oder einer Legierung von einer Oberfläche vorgeschlagen, das die Stufe der Zuordnung eines weiteren Metalles oder mehrerer weiterer Metalle zu der Oberfläche einschließt, das bzw. die auf der Oberfläche eine Legierung mit dem zuerst erwähnten Metall oder der Legierung eingeht bzw. eingehen.
Insbesondere ist das zuerst erwähnte Metall oder die Legierung eine Beschichtung oder Umhüllung auf der Oberfläche eines Gegenstandes, der von einem zweiten Metall oder einer Legierung gebildet wird.
Vorzugsweise ist das Verfahren so ausgestaltet, daß jede Legierung, die als Ergebnis von Reaktionen zwischen dem erwähnten weiteren Metall oder den erwähnten mehreren weiteren Metallen und dem erwähnten ersten Metall oder der Legierung gebildet wird,
I von dem Körper während des Verfahrens abgelöst wird, oder leicht davon zu entfernen ist, oder daß dies anschließend geschieht; und
II dem ersten Metall oder den Komponenten der ersten Legierung gestattet, daß sie leicht davon entfernt werden können.
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Auch werden das erwähnte weitere Metall oder die erwähnten mehreren Metalle vorzugsweise
I durch Elektrolyse nahe bei oder in Kontakt mit der erwähnten Beschichtung oder Platinierung gebildet;
II durch Elektrolyse dadurch gebildet, daß der erwähnte Körper zur Kathode wird in einer elektrolysierbaren Schmelze einer Verbindung oder von Verbindungen aus diesem einen oder mehreren anderen Metallen; und
III bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt von jeder Legierung gebildet, die sie mit dem ersten Metall oder der ersten Legierung bildet oder bilden.
Wenn das Material, das entfernt werden soll, eine Beschichtung oder Platinierung auf einem Körper aus einem anderen Material ist, ist das erwähnte eine Metall bzw. sind die erwähnten mehreren anderen Metalle vorzugsweise so, daß sie nicht mit dem zweiten Metall oder der Legierung eine Legierung eingehen oder es nur in sehr begrenztem Ausmaß tun; und der Vorgang kann fortgesetzt werden, bis die gesamte erwähnte Beschichtung, Platinierung oder Umhüllung von der Oberfläche des erwähnten Gegenstandes entfernt ist.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung wird nun an Hand von einem Beispiel und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, die in einem Diagramm eine Form von einem erhitzten Schmelz-
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tiegel 1 zeigt, der 7,5 cm Durchmesser und 50 cm Tiefe hat und in einem Ofen 2 mit einer Heizdrahtwicklung untergebracht ist. Der Schmelztiegel ist mit einem Asbestdeckel 3 versehen, durch den ein Stab 4 geht, der auf- und abbewegt werden kann und der an seinem unteren Ende in einem Haken 5 endet, an dem der Gegenstand 6, der entmetallisiert werden soll, aufgehängt werden kann. Auch passiert den Deckel 3 eine Röhre 7, die dazu verwendet werden kann, um in den Schmelztiegel ein inertes Schutzgas wie Argon oder Stickstoff zu leiten. Des weiteren werden hochschmelzende Purox-Abteilungen 8, die einen Purox-Schmelztiegel Typ XN 250 und eine Länge von einer Purox-Röhre mit 4 cm Durchmesser enthalten, zwischen den Gegenstand 6 und die Wand des Nickelschmelztiegels 1 gestellt.
In der Praxis wird eine 1,5 kg schwere Ladung von festem Natriumhydroxid in den Schmelztiegel eingeführt, inertes Gas wird durch die Röhre 7 zugeführt, der Ofen 2 wird eingeschaltet und die Ladung geschmolzen und der Gegenstand, der behandelt werden soll, z.B. eine mit Platin beschichtete Turbinenschaufel, hineingesenkt. Schließlich wird elektrischer Strom durch die Zelle geschickt, wodurch der Gegenstand zur Kathode und der Schmelztiegel zur Anode werden, wie in Figur 1 gezeigt. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die gesamte Platinbeschichtung entfernt ist. Daraufhin wird das Exemplar aus der geschmolzenen Natriumhydroxidladung herausgehoben, der Strom
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versorgt die Zelle, und der Ofen 2 wird abgeschaltet und die Ladung wird abkühlen gelassen.
Nachdem das Platin von dem Exemplar entfernt wurde, erscheint es in Form einer Platin-Natriumlegierung mit Zusätzen von Aluminiumoxid und Nickeloxid aus den Puroxabteilungen bzw. des Schmelztiegels als schwarzes Pulver, das sich am Boden der geschmolzenen Natriumhydroxidschmelze absetzt und am weiteren Verfahren nicht teilnimmt. Es kann leicht durch Filtration entfernt werden, nachdem die abgekühlte und verfestigte Schmelze am Ende des Vorganges in Wasser aufgelöst wurde. Das Platin kann dann leicht aus dem Pulver extrahiert werden durch irgendeinen geeigneten metallurgischen Raffinations- oder einen anderen Prozeß.
Wenn Turbinenschaufeln von Flugzeugmotoren mit Platinbeschichtung in der eben beschriebenen Weise behandelt worden waren, konnte kein Natrium auf der Oberfläche der entmetallisierten Schaufeln durch Mikroskopanalyse entdeckt werden, und die metallurgische Probe zeigte keinen Angriff auf z.B. die Korngrenzen.
Die Gewichtsverluste von den entschichteten Schaufeln waren nur sehr wenig größer, als man auf Grund des bekannten Gewichtes des Platins in der entfernten Beschichtung erwarten konnte.
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Des weiteren stiegen die Gewichtsverluste nicht wesentlich an durch die Wiederholung der Entschichtungsbehandlung an bereits früher entschichteten Schaufeln. Bei solchen Schaufeln
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mit einer Oberfläche von 34 cm betrug der durch die Entschichtung eingetretene Gewichtsverlust pro Schaufel etwa 0,05 g. Das bedeutet, daß über die gesamte Fläche jeder Schaufel weniger als 2 ,u Basismetall abgearbeitet worden war. Es kann das Ausmaß der Zwischendiffusion zwischen dem Platin und der Superlegierung darstellen, die während des Beschichtungsvorganges mit geschmolzenem Salz auftritt. Einschließlich des Sandstrahlens zur Vorbereitung der Schaufeln zur erneuten Beschichtung ergab sich der Gesamtgewichtsverlust für etwa 0,25 g je Schaufel, was der Entfernung von 8 ,u über die gesamte Fläche jeder Schaufel entspricht.
Eine Anzahl von Tests wurde mit zwei Gruppen von Schaufeln mit Platinbeschichtung durchgeführt, die im Folgenden als "A"-Schaufeln und "B"-Schaufeln bezeichnet werden. Die Tests wurden in der Absicht durchgeführt, die Abhängigkeit zwischen den Zeiten für die Gesamtentfernung einer Beschichtung auf der einen Seite und der entschichteten Fläche sowie dem verwendeten Entschichtungsstrom andererseits zu bestimmen, Das Ziel war, einen Weg zu finden, die Gesamtzeit zu berechnen, die erforderlich ist, um eine Schaufel zu entschichten. Die experimentellen Ergebnisse sind in der beigefügten Tabelle aufgeführt.
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Aus den erhaltenen und erwarteten Ergebnissen war es ersichtlich, daß es bei derselben Stromstärke länger dauert, eine große Schaufel zu entschichten, als eine kleine. Für eine vorgegebene Schaufel ist jedoch das Maß der entfernten Schicht nicht direkt proportional der Zeit* dem Strom oder den Amperestunden. Der Grund dafür wird bei der Prüfung von teilweise entschichteten Schaufeln ersichtlich,.. die bare Flächen auf den Schaufeln offenbarten und zeigten, daß das Entschichten alles andere als ebene Flächen ergab.
Das ließ daran denken, daß die Platxnbeschichtung in einer ersten Annäherung als keilförmig oder als eine Folge von keilförmigen Bereichen angesehen werden kann. Für die Zwecke der Annäherung an das Problem nimmt man an, daß die Platinbeschichtung am Anfang der Fläche oder jedes Bereiches, die bzw. der entschichtet werden soll, sehr dünn ist mit einem gleichmäßigen Ansteigen der Dicke vom Anfang zum Ende der Fläche oder jedes Bereiches. Des weiteren nimmt man an, daß das Natrium über die ganze Fläche der Schaufel gleichförmig gebildet wird und das Platin gleichmäßig entfernt wird. Das bedeutet, daß eine oder mehrere entschichtete Flächen gebildet werden und progressiv in der Größe wachsen, so wie das Platin entfernt wird. Die Nettorate der Platinentfernung nimmt in dem Maße progressiv ab wie die Angriffsfläche abnimmt.
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ORIGINAL INSPECTED
Die Gesamtentschichtungszeit (T) für jeden Test, über den in Tabelle 2 berichtet wird, wurde auf der Basis von diesem Keilmodell (mit Ausnahme von Test B2) berechnet und Log T gegen Log I aufgetragen, wobei I der Entschichtungsstrom ist. Die erhaltenen geraden Linien legten eine Beziehung
nahe:
T = K1 A.l"K2
wobei T und I die Bedeutung haben, die ihnen kürzlich gegeben wurde. A ist die Fläche, die entschichtet werden soll.
Die Ergebnisse für die "A" und "B" Schaufeln gaben die folgenden Werte für die Konstanten:
K1 K2
A 0.3 0.9"
B 0.28 0.88
Es will jedoch scheinen, daß der Ausdruck
T = 0.3A i"1
wobei K. =0.3 und K2 = 1 sind, ausreichend genau für viele Zwecke wäre.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit dem Entschichten von Platin von Turbinenschaufeln von Flugmotoren mit
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Platinbeschichtung beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Sie kann z.B. für die Entfernung von rietall von der äußeren Oberfläche eines Körpers verwendet werden, um seine Größe zu reduzieren, oder zu dem Zweck, die Beschichtung von Metallen, die andere als Platin sind, von Gegenständen zu entfernen, die andere als Turbinenschaufeln sind, vorausgesetzt eines oder mehrere Metalle können an oder nahe bei der äußeren Oberfläche des Gegenstandes gebildet werden, unter der Bedingung, daß es oder sie mit dem Material der erwähnten äußeren Oberfläche so reagieren, daß eine Legierung gebildet wird, die sich spontan ablöst oder die leicht vom Gegenstand entfernt werden kann.
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Tabelle
Entmetallisieren mit flüssigen Metallen
Metallbad
m.p.t. Bade Temp. Wirksamkeit
0C 0C Platinentfernung Angriff einer Superlegierung
Zinn
232
300
3001 Indium 156 4UU
250
ο

O
Wismuth 271 350
400
Zink 419 450
fast vollständig
vollständig
angelöst aber nicht sehr entfernt
fast vollständig
fast vollständig vollständig Ja, feststellbar mit einem Elektronenmikroskop für Probenanalyse
schwerer Angriff
kein Angriff Schwerer Angriff
wobei Pt entfernt wurde geringer Angriff schwerer Angriff
Tabelle
„"Α"-Schaufeln: Oberfläche = 10 cm*
P 226 O •Test No. ι Temp. Γ"1 — Ρ LAT I N 1 Strom (I) Geit Gesamt-
Entschich-
Log I Log T
VA*
O
0C I
Gew.
Gew. Gew. amps. h tungszeit
(T)h
O 1 380 g Verlust
y
Verlust 0.5 1 5.71 -0.30 0. 76
laOept.) 480 0.1640 0.0523 31.9 4 0.42 ι 0.51 0.60 -0. 29
-* 2 380 0.1117 0.1060 94.9 1 1.5 2.5 0 0. 40
O 3 380 0.1720 0.1438 83.6 2 0.92 1.42 0.30 0. 15

JS*
4 380 0.1690 0.1478 87.5 4 0.33 0.89 0.60 -0. 05
0.1800 0.1108 61.6
."B"-Schaufeln: Oberfläche = 34 cm2
la(rept,)
380
380
380
330
480
0.6440
0.4741
0.5840
0.5052
0.7038
0.1699 0.3375 0.6040 0.4892 0.6212
26.4
■71.2
>100
96.8
88.3
0.5
0.5
21.
2 2
14.2
4.3
21.3
2.3
3.0
-0.30 0.60
-0.30 0.60
Ό. 60
1.15 0.63 1.32 0.36 0.48

Claims (1)

  1. Titel: Verfahren zum Entfernen von Oberflächenmaterial Patentansprüche
    iiy Verfahren zum Entfernen von '-ie ta 11 oder einer Legierung von einer Oberfläche, gekennzeichnet durch die Bildung eines oder mehrerer weiterer vletalle auf oder nahe dar Oberfläche, die mit dem zuerst genannten, zu entfernenden Metall bzw. dieser Legierung auf der Oberfläche eine Legierung bildet bzw. bilden, die von der Oberfläche abzulösen ist.
    2. Verfahren gercäJ3 »nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zuerst genannte Metall die Beschichtung der Oberfläche eines Gegenstandes ist, der von einem zweiten ietall oder einer Legierung gebildet wird, wobei ä.3.3 erwähnte weitere Iletall bzw. die erwähnten weiteren Ietalle mit dou zweiten Metall oder der Legierung in wesentlichen Ausmaß keine Legierung eingehen, wobai das Verfahren so lange fortgesetzt werden kann, bis in wesentliehen die gesamte Beschichtung entfernt ist.
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    3. Verfahren gsir.äß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Metall bzw. die v/eiteren Metalle durch Elektrolyse gebildet werden.
    4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche zur Bildung des weiteren Metalles oder der weiteren Metalle in einer elektrolysierbaren Schmelze einer Verbindung oder von Verbindungen der weiteren Metalle bzw. des v/eiteren Metalles zur Kathode gemacht wird.
    5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch: • gekennzeichnet, daß das weitere Metall oder die weiteren Metalle bei einer Temperatur vorliegen, die über dem Schmelzpunkt jeder Legierung liegt, die es oder sie mit dem zuerst genannten Metall oder der Legierung bilden.
    6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zuerst genannte Metall Platin ist und das weitere Metall Natrium, das durch Elektrolyse durch einen Gegenstand gebildet wird, der mit Platin beschichtet ist, das in einem von einem elektrischen Strom durchflossenen Bad aus geschmolzenem Natriumhydroxid gehalten wird, wobei der Gegenstand als Kathode dient.
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    03001 1 /0840
    7„ Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
    gekennzeichnet durch die Durchführung unter Inertgas-Atmoshäre.
    J 21 P 226 29.8.79
    030011/0
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