Розчин для хімічного полірування ніобію

Изобретение относится к химической обработке металлов, в частности к полированию ниобия, и может найти применение в химическом полировании различных частей ускорителей элементарных частиц с целью придания зеркальности их поверхности. Известны электролиты для химического полирования ниобиевых поверхностей, основой которых является фтористоводородная кислота HF в сочетании с другими кислотами, например, с молочной и концентрированной серной кислотой [1], или азотной кислотой [2]. Недостатком этих электролитов является незначительный съем металла с поверхности обрабатываемого изделия. В качестве прототипа выбран электролит, состоящий из смеси фтористоводородной, серной, азотной кислот и воды [3]. Недостатком при его использовании является необходимость строгого поддержания технологических режимов, что на практике довольно сложно. Полирование рекомендуется проводить при температуре от 40 до 70°С. При температуре до и выше 70°С происходит повышенная потеря летучи х компонентов, вследствие этого ухудшаются полирующие свойства самого электролита и, следовательно, происходит неравномерный съем металла и травление. Кроме того, скорость съема деформированных поверхностей незначительна. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования состава раствора для химического полирования ниобия за счет введения нового компонента - карбамида, что повышает стабильность раствора, и в результате упрощает соблюдение технологического режима, а также приводит к увеличению скорости съема деформированного слоя и улучшению качества полирования. Поставленная задача решается тем, что в раствор для химического полирования ниобия, содержащий фтористоводородную, серную, азотную кислоты и воду, согласно изобретению, дополнительно вводят карбамид при следующем соотношении компонентов: HF (40%) 5,6...6,2 мас.% H2SO4 (98%) 46,3...46,9 мас.% HNO3 (69%) 25,2...25,7 мас.% карбамид 0,5...1,5 мас.% вода 20,8...21,3 мас.%. В водный раствор фтористоводородной и азотной кислот вводится карбамид, а затем небольшими порциями прибавляется серная кислота, после чего раствор термостатируется. Эксперименты проводили в термостатируемой тефлоновой ячейке при периодическом подъеме полируемого образца. Периодичность подъема -15 с. Время полного цикла - 15 мин. Контроль за съемом металла вели по замерам линейных размеров Dm и потере массы. Расчет массы производили по формуле: Dh = , d×S где Dh - изменение толщины удаляемого с поверхности металла (см), S - площадь поверхности металла (см 2), Dm - изменение массы металла (г), d - плотность ниобия (8,57 г/см 3). Во всех случаях в качестве образцов для полирования использованы ниобиевые пластины (прокат) S=14 см 2. Химическое полирование проведено в следующи х растворах при температуре 40, 50, 60 и 70°С. Используемые компоненты должны соответствовать: HF - фтористоводородная кислота -"ХЧ", ГОСТ 10484-78. (NH2)2CO - карбамид "Ч" ГОСТ 6691-67 (двойная перекристаллизация). H2SО4 - серная кислота, "ЧДА", ТУ 6-09-3881-75. НNО3 - азотная кислота "Ч", ГОСТ 4461-67, Раствор № 1 (прототип) содержит компоненты: 5,9 мас.% HF; 25,5 мас.% НNО3. 47,3 мас.% H2SO4 и 21,3 мас.%. Н2O. Раствор № 2 содержит компоненты: НF (40%) - 5,9мас.%; Н2SO4 (98%) - 46,9 мас.%; НNО3 (69%) - 25,5 мас.%; карбамид - 0,5 мас.% и вода - 21,2 мас.%. Раствор № 3 содержит компоненты: НF (40%) – 6,2мас.%; Н2SO4 (98%) - 46,4 мас.%; НNО3 (69%) - 25,2 мас.%; карбамид - 0,9 мас.% и вода - 21,3 мас.%. Раствор № 4 содержит компоненты: НF (40%) - 5,9мас.%; Н2SO4 (98%) - 46,6 мас.%; НNО3 (69%) - 25,5 мас.%; карбамид - 1,0 мас.% и вода - 21,0 мас.%. Раствор № 5 содержит компоненты: НF (40%) - 5,6мас.%; Н2SO4 (98%) - 46,6 мас.%; НNО3 (69%) - 25,7 мас.%; карбамид - 1,1 мас.% и вода - 21,0 мас.%. Раствор № 6 содержит компоненты: НF (40%) - 5,9мас.%; Н2SO4 (98%) - 46,3 мас.%; НNО3 (69%) - 25,5 мас.%; карбамид - 1,5 мас.% и вода - 20,8 мас.%. Изобретение иллюстрируется несколькими примерами, представленными в таблицах 1-6, где приведены результаты полировки ниобиевых пластин. Пример 1. Раствор №1 (прототип) объемом 100 мл термостатирован при температурах (40±0,5)°С, (50±0,6)°С, (60±0,8)°С и (70±1,0)°С, затем в него помещены пластины для химической обработки в течение 15, 30, 45, 60 и 75 мин. Растворение ниобия в зависимости от температуры электролита происходит практически линейно, табл. 1. При изменении температуры от 40°С до 70°С растворимость увеличилась в 1,3,..1,75 раза. Шероховатость поверхности достигнута Ra=0,38...0,22. Пример 2. Раствор №2, условия те же, что и для раствора № 1. В растворе № 2 по сравнению с прототипом (раствор № 1) растворимость увеличилась при 40°С в 1,5 раза, при 50°С - в 1,7 раза, при 60°С - в 1,7 раза и при 70°С - в 1,3 раза. Шероховатость поверхности достигнута Ra=0,35...0,29. Пример 3. Раствор №3 (условия испытаний те же). По сравнению с прототипом растворимость увеличилась при 40°С в 1,20 раза, при 50°С - в 1,90 раза, при 60°С - в 2,00 раза, при 70°С - в 2,19 раза. Шероховатость поверхности достигнута Ra=0,33...0,25. Пример 4. Раствор №4, условия испытаний те же. По сравнению с прототипом растворимость ниобия увеличилась при 40°С в 1,2 раза, при 50°С - в 1,9 раза, при 60°С - в 2,09 раза и при 70°С - в 3,2 раза. Шероховатость поверхности достигнута Ra=0,28...0,20. Пример 5. Раствор №5, условия испытаний те же. По сравнению с прототипом растворимость ниобия увеличилась при 40°С в 1,27раза, при50°С – в 1,91 раза, при 60°С - в 1,98 раза, при 70°С - в 2,82 раза. Шероховатость поверхности достигнута Ra=0,34...0,26. Пример 6. Раствор №6, условия испытаний те же. По сравнению с прототипом растворимость ниобия увеличилась при 40°С в 1,5 раза, при 50°С - в 1,8 раза, при 60°С - в 1,6 раза и при 70°С - в 1,3 раза. Шероховатость поверхности достигнута Ra =0,35...0,28. Характер протекания процесса полирования по изобретению и прототипу графически на фиг. 1-4 для соответствующи х температур и количественного содержания карбамида. Фиг. 1 - съем (h.104 см) ниобия при 40°С в электролитах с добавлением карбамида (г): ·- 0,5; +- 0.9; о- 1,0; ▲- 1,1; х- 1,5; D - в растворе прототипа. Фиг. 2 - съем (h.104 см) ниобия при 50°С в электролитах с добавлением карбамида. Условные обозначения те же, что и на фиг. 1. Фиг. 3 - съем (h.104 см) ниобия при 60°С в электролитах с добавлением карбамида. Условные обозначения, как на фиг. 1. Фиг. 4 - съем (h.104 см) ниобия при 70°С с добавлением карбамида. Условные обозначения, как на фиг. 1. Предлагаемый раствор прост в приготовлении и позволяет осуществлять химическое полирование с уменьшением шероховатости поверхности ниобия. Добавляемый компонент - карбамид - доступен. Съем металла по сравнению с прототипом увеличивается в 3,2 раза. Оптимальный вариант реализации способа следует проводить в растворе №3 при температурах 50-55°С вместо 70°С, тем самым снижается токсичность газовой среды из-за понижения летучести компонентов. Таблица 6 Съем (Dh.104 см) ниобия проката в зависимости от температуры и наличия 1,5 г карбамида (раствор №6) Время (t), мин 0 15 30 45 Dh t=40°C 1,92 3,44 4,85 t=50°C 2,73 4,92 6,51 t=60°C 3,00 4,86 6,32 t=70°C 2,70 5,00 6,45 60 75 5,98 7,10 7,94 9,25 7,46 8,43 7,59 8,44