金屬材料表面的污垢，常見的是油脂有機物、表面氧化膜以及水垢。例如金屬表面常黏附上各種礦物油、動植物油脂以及潤滑油等。而加工過程中表面常形成氧化膜，如鋼鐵在900～1000℃高溫下表面會形成厚度為0.02～0.05mm的氧化膜，此膜由外向內(nèi)分為三層，其成分分別為Fe2O3、Fe3O4、FeO，其中氧化亞鐵層約占90%，而在低溫下形成的氧化物中FeO所占比例低一些。這些氧化膜俗稱鐵銹，對鋼鐵性能有一定影響，應(yīng)加以清除。現(xiàn)只討論金屬表面氧化膜的去除與脫脂清洗概況。
鋼鐵價格便宜，強度高，加工性能良好，但其表面易被氧化而生銹，需要清洗。鋼鐵去銹清洗的方法有酸蝕法和浸酸法，去除污垢有酸洗法。
酸蝕處理是指用強酸去除鋼鐵在熱處理過程中生成的有一層厚度的氧化膜（鐵銹）的方法。硫酸和鹽酸是被廣泛應(yīng)用于酸蝕的價格便宜的強酸。
硫酸的作用包括以下幾個化學反應(yīng)：
Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑
FeO+H2SO4===FeSO4+H2O
Fe2O3+2H2SO4+H2===2FeSO4+3H2O
Fe3O4+3H2SO4+H2===3FeSO4+4H2O
鋼鐵表面上的鐵銹（各種氧化鐵）在硫酸中被溶解，而鋼鐵材料本身的鐵在酸中也被腐蝕產(chǎn)生氫氣，此氫氣產(chǎn)生的氣壓促使表面氧化層剝離并使氧化物發(fā)生還原反應(yīng)而被溶解。在與硫酸的反應(yīng)過程中，約有20%的氧化層是經(jīng)化學反應(yīng)而被溶解（若使用鹽酸則有40%氧化層被溶解）的，其余的氧化層則以殘渣的形式從金屬表面脫離而被去除。通常使用的酸濃度不宜過大，如常用鹽酸濃度小于15%為宜，而硫酸則可使用稍高一點的濃度。使用鹽酸時更應(yīng)控制酸濃度，因為產(chǎn)生氫氣過多會造成金屬“氫脆”，即金屬吸收氫氣后變硬、變脆的現(xiàn)象。金屬中各種高、低碳鋼和鋅特別容易發(fā)生氫脆。
（a）盡量縮短和控制好浸酸時間；（b）用鹽酸浸酸時應(yīng)在常溫下進行，以減少所產(chǎn)生的氫氣向鋼鐵內(nèi)層的滲透擴散；（c）在浸酸處理液中加入硝酸、鉻酸這類能與氫氣發(fā)生反應(yīng)的氧化性酸；（d）加入金屬氫脆抑制劑；（e）對于易發(fā)生氫脆的金屬可改用堿劑處理或用陽極電解酸洗效果較好。
對于已發(fā)生氫脆的金屬可用陽極電解處理或使金屬在100～200℃高溫下加熱1～5h使其恢復(fù)原有性質(zhì)。
在酸蝕清洗中，硫酸與鹽酸處理情況的對比表明，鹽酸比硫酸溶解金屬氧化物的能力強，因此一般使用5%～10%的鹽酸。由于高溫時鹽酸容易揮發(fā)，通常在40℃以下的溫度進行酸蝕。
硫酸發(fā)生氫脆現(xiàn)象比鹽酸少，并以高溫高濃度下進行酸蝕為其特色。但硫酸進行酸蝕后產(chǎn)生的硫酸亞鐵在酸液中溶解度稍低，達到其飽和溶解度時，硫酸即失去酸蝕作用。因此為了充分發(fā)揮硫酸的酸蝕能力，工廠使用多槽連續(xù)酸蝕清洗工藝，并相應(yīng)改變洗槽的組成。表1列出了硫酸逆流式連續(xù)清洗槽的組成變化情況。
表1 硫酸酸蝕清洗槽的組成變化
由于硫酸洗液的逆流運動，使得其最大限度地發(fā)揮去銹作用。通常1t鋼板需耗15～20kg硫酸。
在鑄造的鋼材中往往含有硅酸鹽雜質(zhì)，為了去除這種雜質(zhì)，在酸蝕液中要加入少量氫氟酸。為防止酸蝕處理過程中金屬質(zhì)地被腐蝕，在酸蝕液中要加入腐蝕抑制劑。這些抑制劑能吸附在清潔的金屬質(zhì)地表面而抑制金屬發(fā)生化學反應(yīng)，既可防止金屬表面與酸反應(yīng)而變得粗糙不平或出現(xiàn)坑凹，也減少和抑制氫氣和酸霧的產(chǎn)生。通常使用的腐蝕抑制劑有淀粉、明膠、羧甲基纖維素等高分子化合物。最近研究表明，一些含氮含硫的有機化合物（如苯硫脲）也有這種效果。
用較弱的酸溶液去除在金屬加工過程中形成的薄氧化膜的方法叫浸酸。浸酸與酸蝕原理相同，都是利用酸的腐蝕作用去除氧化膜。區(qū)別在于浸酸用較弱的酸進行短時間浸泡以去除薄的氧化層。一般使用稀硫酸在低溫下進行短時間浸泡，或用較弱的磷酸在較高濃度和較高溫度下進行短時間浸泡。在使用磷酸時，還能生成有防銹效果的磷酸鐵薄層保護膜。
用酸清洗金屬時，特別是用浸酸法時，如果表面上有油性污垢，酸的清洗作用將受到阻礙，因此這時在酸洗之前要進行脫脂處理。
這是指用酸把金屬表面附著的、來源于外部的污垢去除的方法，稱為酸洗。如用酸將鍋爐和傳熱水管中形成的鈣鹽水垢去除。鍋爐及管道水垢的清洗，最經(jīng)濟的方法是用鹽酸溶液進行酸洗。在酸洗之前用1%的堿劑在高溫條件下進行循環(huán)脫脂清洗。堿水溶液從管道中排出后用清水沖洗，再用酸洗。
用加有適量腐蝕抑制劑的2%以下的鹽酸溶液在50℃以下在鍋爐管道中循環(huán)，使水垢溶解。在清洗過程中會有一些氫氣產(chǎn)生使鍋爐及水管的基底受到腐蝕。為防止這種情況過度發(fā)生，在清洗時要定時取出樣品進行分析，把樣品中鈣、鐵離子的含量作為檢測的指標。一般情況是，酸洗開始階段洗液中鈣離子的含量會逐漸增大，隨后鈣離子溶解量增大趨勢逐漸轉(zhuǎn)慢，而鐵離子溶解量增加的趨勢明顯加快。可以把鈣離子溶解量增加趨勢變緩，鐵離子溶解量明顯增加，作為判斷水垢溶解基本完全的轉(zhuǎn)折點。酸洗之后要用水充分沖洗并進行中和防銹處理，每次清洗共需進行20～40min。
由于鹽酸腐蝕性太強，目前清洗鍋爐及管道已改用酸性較弱的氨基磺酸、草酸等有機酸和硫酸氫鈉（NaHSO4）等。
不銹鋼表面有氧化鉻保護膜，它對鹽酸以外的各種無機酸有耐蝕性，因此常用硝酸和氫氟酸混合液去除不銹鋼表面的各種無機或有機污垢。此時硝酸的作用是使有機污垢氧化分解并使不銹鋼鈍化，氫氟酸則對無機污垢有溫和的溶解作用。
在硝酸-氫氟酸混合液中，35.5%的氫氟酸占2%～4%，63%的濃硝酸占10%～15%，一般在50℃以下溫度進行浸泡或者浸泡并攪拌，處理時間大約20min。在混合液中有時加入0.1%～0.2%的腐蝕抑制劑，如磷酸鹽、鉻酸鹽、硅酸鹽、吡啶、醛類化合物等。但是硝酸和氫氟酸都是對健康和環(huán)境非常有害的物質(zhì)，因此目前正在研制以硫酸、磷酸、有機酸及各種氧化劑配成的替代清洗劑。幾種不銹鋼清洗劑的配方如下。
組成 質(zhì)量份
濃硫酸（相對密度1.84）100
飽和重鉻酸鈉溶液（Na2Cr2O7 70%+H2O 30%）30
把不銹鋼放入（70±5）℃的清洗液中浸泡15min，再用清水充分沖洗。
在（70±5）℃處理不銹鋼10min，再用清水充分沖洗干凈。
金屬表面的污垢除了氧化層，最常見的污垢是油脂。脫除金屬表面的油脂污垢，可以用有機溶劑、表面活性劑溶液和堿溶液清洗，其中最經(jīng)濟的方法是使用堿劑。采用的方法可以用浸泡，也可以用噴射或電解的方法。當用浸泡法時，堿洗劑質(zhì)量分數(shù)一般在3%～8%，而用噴射方法清洗時，堿洗劑質(zhì)量分數(shù)約為1%。
鋼鐵耐堿性強，更適合用堿劑進行脫脂清洗。表2是鋼鐵脫脂清洗用的堿劑配方，洗劑配成2%～8%質(zhì)量分數(shù)使用。
表2 鋼鐵脫脂清洗用的堿劑配方（質(zhì)量分數(shù)）單位：%
通常在清洗劑中配合加入少量表面活性劑，清洗液中加入0.1%～0.2%質(zhì)量分數(shù)的表面活性劑時，不僅可使溶液表面張力大為降低，而且也使堿劑的清洗作用充分發(fā)揮。但是，各種表面活性劑的作用是不相同的。如使用4%質(zhì)量分數(shù)的偏硅酸鈉溶液的脫脂率為11.5%，而用3%質(zhì)量分數(shù)的偏硅酸鈉溶液分別加入1%質(zhì)量分數(shù)的烷基苯磺酸鈉、脂肪醇硫酸酯鹽和烷基酚聚氧乙烯醚，結(jié)果脫脂率分別提高為35%、48%和99.6%。
電鍍加工的金屬材料不僅要求表面高度潔凈，而且要求表面平滑光亮，有利于電鍍時所鍍金屬在鍍件表面緊密附著，因此電鍍之前鍍件必須進行清洗處理。清洗處理工藝根據(jù)被鍍材料的種類、所鍍金屬的種類以及制品用途而不同。鋼鐵材料鍍件在電鍍前的清洗過程的主要工藝如圖1所示。
圖1 電鍍前鋼鐵材料鍍件的清洗工藝括號內(nèi)的步驟有時可以省略
各種工藝的作用如下。
通過機械研磨把鋼鐵材料表面氧化層和污染層的大部分去除，使表面變得平滑。
用有機溶劑去除金屬表面油脂、礦物油等油性污垢，當金屬表面油脂少時，這一工藝可略去。
堿脫脂使用堿劑去除金屬表面油脂、礦物油等油性污垢。這是最普遍采用的脫脂方法。
對于需要特別潔凈的金屬表面需要這一工藝。電解脫脂的原理是利用電解時在電極金屬表面產(chǎn)生的氫氣和氧氣泡的沖擊作用，去除金屬表面的油污和微量吸附的其他污垢。根據(jù)被脫脂的金屬材料所連的電極不同，分為陽極電解脫脂和陰極電解脫脂。電解脫脂使用的電解液是導電性良好的堿液，一般使用硅酸鈉。鋼鐵材料只能用陽極電解脫脂，利用陽極附近產(chǎn)生的氧氣去除油脂，而不會因吸附氫氣而產(chǎn)生氫脆。有色金屬電解脫脂時可采用陰極電解脫脂，陰極產(chǎn)生的氫氣量是陽極產(chǎn)生氧氣量的2倍，產(chǎn)生氣體量多脫脂效率高，而且一般有色金屬不會因吸收氫氣而產(chǎn)生氫脆。
電鍍前普遍采用的工藝，它不僅可以去除金屬表面的氧化膜，也把堿洗過程中帶入的堿除去。
