Обесцинкование¶

Обесцинкование — это процесс удаления цинка из сплавов на основе меди (латуней), а также из цинксодержащих покрытий и полуфабрикатов. В металлургии и материаловедении термин обозначает два различных по природе явления: селективную коррозию латуней в агрессивных средах и технологическую операцию переработки вторичного сырья или рафинирования металлов.

В наиболее распространённом значении обесцинкование — это коррозионный процесс, при котором цинк из латуни избирательно переходит в раствор или в виде оксида удаляется с поверхности, оставляя пористый, рыхлый слой, обогащённый медью. В технологическом аспекте обесцинкование применяют для извлечения цинка из отходов латуни, а также для очистки расплавов от цинка при переработке лома.

¶Сущность процесса

¶Коррозионное обесцинкование

При контакте латуни с водой, особенно морской, или с кислыми средами происходит электрохимическое растворение. Поскольку цинк имеет более отрицательный электродный потенциал, чем медь, он анодно растворяется. Медь при этом остаётся на поверхности в виде губчатого слоя, который не защищает металл от дальнейшей коррозии, а наоборот, способствует её ускорению за счёт образования гальванической пары между медным остатком и нижележащей латунью.

Различают два механизма обесцинкования:

Селективное растворение — цинк переходит в раствор, а медь остаётся на месте, перестраиваясь в пористую структуру.
Растворение сплава с последующим осаждением — латунь растворяется целиком, а медь осаждается обратно из раствора на поверхность.

Оба механизма приводят к одинаковому результату: материал теряет прочность, пластичность и приобретает склонность к растрескиванию. Обесцинкование характерно для латуней с содержанием цинка более 15 %, особенно для сплавов с высоким содержанием цинка (томпаков и полутомпаков).

¶Технологическое обесцинкование

В металлургии вторичных цветных металлов обесцинкование — это пирометаллургический или гидрометаллургический процесс удаления цинка из медных сплавов. При переплавке латунного лома цинк испаряется при высоких температурах (температура кипения цинка — 907 °C), что позволяет получать медь с низким содержанием цинка. В вакуумных печах или при продувке инертным газом процесс ускоряется. Также применяют электролитическое рафинирование, при котором цинк переходит в электролит, а медь осаждается на катоде.

¶Факторы, влияющие на коррозионное обесцинкование

Интенсивность обесцинкования зависит от нескольких параметров:

Состав сплава: чем выше содержание цинка, тем быстрее идёт процесс. Добавки мышьяка (0,02–0,06 %), сурьмы или фосфора в небольших количествах значительно замедляют обесцинкование, что используется при производстве морских латуней.
Среда: морская вода, хлоридные растворы, кислые среды (серная, соляная кислоты) стимулируют процесс. Пресная вода и щелочные растворы менее агрессивны.
Температура: повышение температуры ускоряет коррозию.
Скорость движения среды: перемешивание усиливает диффузию и удаление продуктов коррозии, ускоряя процесс.
Наличие кислорода: кислород depolarises катодный процесс, увеличивая скорость коррозии.

¶Классификация латуней по стойкости

По устойчивости к обесцинкованию латуни делят на три группы:

Стойкие — латуни с добавками мышьяка, сурьмы, фосфора или никеля. Используются в судостроении, теплообменниках, конденсаторных трубах.
Умеренно стойкие — двухфазные латуни (например, ЛС59-1) с содержанием цинка до 40 %, применяемые в арматуре и крепеже. Требуют защитных покрытий.
Нестойкие — высокоцинковые латуни (свыше 40 % цинка), которые быстро разрушаются в агрессивных средах и не применяются для ответственных деталей.

¶Методы защиты от обесцинкования

Для предотвращения коррозионного разрушения применяют следующие меры:

Легирование — введение мышьяка (до 0,1 %), сурьмы, олова или никеля в состав сплава. Наиболее эффективным считается мышьяк, который блокирует анодный процесс.
Защитные покрытия — нанесение лаков, красок, цинковых или никелевых покрытий на поверхность латунных изделий.
Катодная защита — подключение изделия к протектору (например, цинковому или алюминиевому) в электролитической среде.
Контроль среды — снижение кислотности, удаление хлоридов и кислорода из воды, использование ингибиторов коррозии (например, бензотриазола).
Оптимизация состава — использование латуней с содержанием цинка менее 15 % или применение бронз вместо латуней в особо агрессивных условиях.

¶Применение в промышленности

¶Утилизация латунного лома

Обесцинкование — ключевая стадия переработки латунных отходов (стружки, гильз, арматуры). В пирометаллургических печах при температуре 1000–1200 °C цинк испаряется и улавливается в виде оксида цинка (цинковых возгонов), который затем используется в производстве красок, резины или как сырьё для получения металлического цинка. Оставшаяся медь после рафинирования пригодна для литья.

¶Производство меди высокой чистоты

В электролитическом рафинировании черновой меди обесцинкование происходит на стадии анодного растворения. Цинк, имеющий более отрицательный потенциал, переходит в электролит, а на катоде осаждается чистая медь. Это позволяет получать медь марки М0к с содержанием примесей менее 0,001 %.

¶Гальванотехника

В процессах цинкования стальных изделий обесцинкование может быть нежелательным побочным эффектом при снятии покрытий. Однако в некоторых технологиях (например, при регенерации отработанных травильных растворов) обесцинкование используют для извлечения цинка из растворов методом цементации или электролиза.

¶Обесцинкование в бытовых условиях

В быту обесцинкование наблюдается на латунных смесителях, дверных ручках, сантехнической арматуре при контакте с жёсткой водой или чистящими средствами, содержащими кислоты. Признаки процесса — появление красновато-медного налёта, шероховатости и пятен. При длительном воздействии изделие может потерять герметичность или разрушиться.

¶Экологические аспекты

Продукты обесцинкования (соли цинка) попадают в сточные воды и могут оказывать токсическое действие на водные организмы. В связи с этим на предприятиях, перерабатывающих латунь, предусмотрены системы очистки стоков от ионов цинка (осаждение гидроксидов, ионный обмен). В Российской Федерации предельно допустимая концентрация цинка в воде водных объектов хозяйственно-питьевого назначения составляет 1 мг/л.

¶Интересные факты

Обесцинкование было впервые описано в XIX веке при исследовании разрушения латунных конденсаторных труб паровых котлов на морских судах.
Латунь с добавкой 0,02 % мышьяка используется в конденсаторах атомных электростанций, где срок службы труб достигает 40 лет.
В древности мастера не знали о процессе, но заметили, что латунные изделия, долго лежавшие в земле, становятся красными и хрупкими — это результат обесцинкования.
Оксид цинка, получаемый при пирометаллургическом обесцинковании, называют «философской шерстью» из-за его лёгкости и белого цвета.

¶Источники

Жук Н. П. «Курс теории коррозии и защиты металлов». — М.: Металлургия, 1976.
Улиг Г. Г., Реви Р. У. «Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику». — СПб.: НОТ, 2011.
ГОСТ 15527-2004 «Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки».
Справочник «Медь и её сплавы» под ред. О. Е. Осинцева. — Екатеринбург: УрО РАН, 2012.