СПОСОБ УДАЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ С ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ РАДИОАКТИВНОГО ХИМИЧЕСКИ АКТИВНОГО МЕТАЛЛА

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной техники, в частности к способам удаления комбинированных гальванических покрытий путем химической очистки и дезактивации поверхностей радиоактивных (РА) материалов.

Актуальность решаемой изобретением проблемы утилизации отходов, содержащих ядерные материалы с нанесенными на них различными функциональными покрытиями, на современном этапе высока в связи с необходимостью очистки ядерных материалов от этих покрытий. В отдельных случаях указанные покрытия представляют собой гальванические комбинированные металлопокрытия, или в сочетании с оксидными покрытиями, нанесенные плазменным напылением в вакууме.

Известен способ удаления отслуживших или дефектных покрытий с поверхностей металлов механическим путем оказания воздействия физическим фактором - направленной подачей нагретого сжатого воздуха при температуре, достаточной для размягчения покрытия (патент РФ №2028198, МПК B08B 7/04, публ. 09.02.1995 г.).

Известен способ химического удаления металлических покрытий путем нанесения на поверхность деталей дезактивирующего пленкообразующего состава покрытия с последующим удалением указанного покрытия отслаиванием его под воздействием соответствующего реагента (патент СССР №01797387, МПК G21F 9/28, публ. 10.02.1997 г.).

К недостаткам известных способов относится отсутствие возможности использования их для эффективного и полноценного удаления комбинированных покрытий с поверхности ядерных материалов, нанесенных гальваническим методом или методом плазменного напыления.

Известен в качестве прототипа заявляемого способ удаления металлических покрытий с поверхности металлических деталей (алюминиевых деталей), нанесенных гальваническим методом, включающий предварительную химическую обработку в реагенте в сочетании с воздействием физического фактора (патент РФ №2215595, МПК B08B 7/00, публ. 10.11.2003 г.). В качестве физического фактора в известном способе используется тепловое воздействие путем индукционного нагрева граничного слоя металлической поверхности обрабатываемых деталей.

К недостаткам известного способа относится отсутствие возможности использования его для эффективного и полноценного удаления комбинированных покрытий, нанесенных гальваническим методом и/или в сочетании с оксидными покрытиями на РА химически активный металл.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка способа эффективного удаления отработанных комбинированных металлических покрытий с поверхности деталей из РА химически активного металла с невысоким уровнем загрязнения окружающей среды, для последующего нанесения антикоррозионного слоя покрытия.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в обеспечении повышения эффективности процесса и полноты удаления слоев комбинированных гальванических металлопокрытий, защиты поверхности деталей от повторного окисления на открытом воздухе и снижения экологической нагрузки на окружающую среду,

Указанные задача и новый технический результат обеспечивается тем, что в способе удаления металлических покрытий с поверхности деталей из РА химически активного металла, нанесенных гальваническим методом, включающем химическую обработку в реагенте в сочетании с воздействием физического фактора, согласно предлагаемому способу, воздействие физического фактора на поверхность деталей РА химически активного металла с гальваническим комбинированным покрытием осуществляют методом термовакуумной обработки деталей из РА химически активного металла в диапазоне температур 600-650°С в течение не менее 3 часов с последующей химической обработкой поверхности деталей из РА химически активного металла от термически - деформированных слоев гальванических комбинированных покрытий с использованием в качестве реагента для очистки поверхностности деталей из РА химически активного металла кислотных растворов травления на основе соединений из группы минеральных кислот в сочетании с механической обработкой, и окончательной обработкой очищенных таким образом деталей из РА химически активного металла в растворе серосодержащего органического соединения в легколетучем растворителе для формирования защитного слоя толщиной не менее 10 мкм.

Предлагаемый способ поясняется следующим образом.

Детали из РА химически активного металла с гальваническим комбинированным покрытием предварительно подвергают термообработке в режиме температур 600-650°С и в среде инертного газа (аргона), что является эффективным для удаления покрытия с толщиной слоя 50-100 мкм и более. Покрытие деталей из РА химически активного металла с толщиной слоя менее 30 мкм удаляют последующей обработкой в травильных растворах минеральных кислот, следующей за операцией термообработки. Химическая обработка различными растворами поверхности деталей из РА химически активного металла материалов является вынужденной операцией для обеспечения полноты удаления отработавшего покрытия с деталей из РА химически активного металла перед помещением их на длительное хранение или утилизацию, и нежелательной, поскольку в результате ее проведения может образоваться значительное количество опасных загрязнений, негативно влияющих на экологию, поэтому она может применяться только как дополнительная мера и в течение непродолжительного периода времени, при малых порциях растворов и только в рамках замкнутого технологического цикла.

В результате экспериментальных исследований было определено, что при термообработке со временем выдержки 3 часа и температуре 600°C в среде вакуума или инертного газа, медное покрытие с медным и никель-медным подслоем легко удаляется от основы деталей из РА химически активного металла. Резкое снижение прочности сцепления покрытия с основой объясняется образованием хрупких интерметаллидов, при температуре 600°C-650°C.

Последующее механическое очищение поверхности деталей из РА химически активного металла от термически деформированных слоев комбинированных гальванических металлопокрытий ведут с использованием в качестве реагента кислотных растворов травления на основе соединений из группы минеральных кислот. Для травления медных покрытий и подслоя никеля наиболее предпочтительными являются растворы на основе азотной кислоты иногда в смеси с серной кислотой.

Накопление ионов меди в таких отработанных растворах составляет 60-120 г/л. Для последующей регенерации азотно- или сернокислых растворов используют метод кристаллизации солей меди в охлаждаемом до 2-4°C растворе.

При определении оптимальных условий и растворов для снятия отработанного покрытия на деталях из РА химически активного металла были выбраны такие, при которых покрытие растворялось бы полностью, а воздействие на материал основы или растворение РА химически активного металла было бы незначительно.

Были исследованы условия обработки в различных травильных растворах, предназначенных для удаления гальванических покрытий, и при различных температурах травильных растворов для выбора наиболее эффективного травильного раствора и определение условий, при которых исследуемый материал травится с наименьшей скоростью и для расчета норм потерь при удалении покрытий.

Наиболее рациональным способом удаления таких покрытий с деталей из РА химически активного металла является метод термовакуумного разъединения. Суть метода заключается в том, что при термовакуумном нагреве деталей из РА химически активного металла с медным покрытием, нанесенным гальваническим путем, происходит образование интерметаллидного слоя на поверхности основного металла. Образование интерметаллидного слоя приводит к ослаблению адгезии покрытия. После термовакуумной обработки покрытие механически удаляется с детали.

Поверхность деталей после удаления покрытий имеет большую коррозионную активность. Продукты коррозии представляют мелкодисперсный порошок, который ухудшает условия труда. Для придания поверхности деталей из РА химически активного металла высокой коррозионной стойкости предлагается провести термовакуумную обработку (ТВО). Для придания очищенным деталям из РА химически активного металла стойкости к гидридной коррозии их подвергают обработке в растворе инертного серосодержащего органического соединения в легколетучем растворителе, ингибитор гидридной коррозии (например, тиурам). Все указанные процедуры эффективны для удаления толстых 500±100 мкм гальванических комбинированных покрытий, нанесенных с медным или никель-медным подслоем, с деталей из РА химически активного металла с последующей обработкой деталей ингибитором коррозии для их длительного хранения.

Утилизируемое покрытие из оксида гадолиния представляет собой слой материала, сформированный посредством плазменного напыления порошка по ТУ 002.43-81. Покрытие из оксида гадолиния сформировано на подслое из меди, которое в свою очередь нанесено на детали из РА химически активного металла гальваническим способом.

Учитывая отсутствие прямого контакта покрытия из оксида гадолиния с РА химически активным металлом, удаление плазменного покрытия в процессе его утилизации оптимально проводить (учитывая вопросы радиационной безопасности) с минимальным съемом медного подслоя.

Таким образом, как это показали исследования, при использовании предлагаемого способа обеспечиваются повышение эффективности процесса и полноты удаления слоев комбинированных гальванических металлопокрытий, защиты поверхности деталей из радиоактивных химически активных металлов от повторного окисления на открытом воздухе и снижение экологической нагрузки на окружающую среду.

Возможность промышленного применения предлагаемого способа подтверждается следующими примерами выполнения.

Пример 1. В лабораторных условиях опробован метод удаления толстых (более 50 мкм) гальванических покрытий, нанесенных по ОСТ 95 2328-82, с медным или никель-медным подслоем, с деталей из РА химически активных металлов, с 24 образцов (толщина покрытия 400-500 мкм), и 6 деталей из материала по ОСТ В95 1070-79 (толщина покрытия 300-600 мкм) с применением термовакуумного отжига.

Термовакуумный отжиг (ТВО) в течение 3 часов при температуре 600-650°С при остаточном давлении воздуха не более 13,3 мПа (1×10^-4 мм рт.ст.). Процесс обработки деталей проводится при остаточном давлении воздуха не более 13,3 мПа (1×10^-4 мм рт.ст.) без учета погрешности измерения в среде аргона, напуск аргона производили при температуре 300-350°С и остаточном давлении воздуха не более 13,3 мПа. Средняя скорость нагревания составляла не более 300°С в час. Погрешность средств измерения температуры не должна превышать ±7,5°С. Детали извлекаются из печи при температуре не более 60°С.

После термовоздействия гальваническое покрытие с образцов и деталей простой формы легко удалялось без остатка. На деталях сложной формы покрытие разрезали и обдирали. В некоторых местах (зоны термоштамповки, переходные зоны) на поверхности детали оставались следы покрытия (менее 1% площади поверхности), которые удаляли химическим путем (пример 2).

При механическом удалении покрытия (разрезке и обдирке) использовали инструмент, исключающий искрообразование).

После проведения очистки деталей из РА химически активного металла их подвергают окончательной обработке очищенных в растворе серосодержащего органического соединения в легколетучем растворителе для формирования защитного слоя толщиной не менее 10 мкм обработкой деталей из РА химически активного металла

Пример 2. В лабораторных условиях на образцах материала по ОСТ 95 1070-79, имеющих форму диска ⌀25×5 мм, проведены испытания по химическому удалению покрытий. Для каждого вида испытаний использовали по по 3 шт.образцов из материала по ОСТ В95 1070 - 79, прошедших ТВО по АОТУ-234 и по 3 шт. образцов из материала по ОСТ В95 1070 - 79 без ТВО (всего 24 шт.).

Перед травлением образцы промывались в ацетоне и взвешивались на аналитических весах ВЛР-200, после чего образцы с ТВО и без ТВО помещались на различное время в травильные растворы: - концентрированная азотная кислота (HNO₃); - азотная кислота (HNO₃) разбавленная водой (Н₂О) в соотношении 1:1; испытания проводили при комнатной температуре раствора 19-20°С и при температуре +40°С.

Было установлено, что использование концентрированной азотной кислоты и повышенной температуры приводит к увеличению скорости травления материала по ОСТ 95 1070-79, что неприемлемо. Эксперименты продемонстрировали, что основной материал травится с наименьшей скоростью в травильном растворе азотной кислоты, разбавленной водой в соотношении 1:1, при комнатной температуре раствора (+19-+20°С). Этот раствор и был выбран для химического удаления покрытий.

Как это показали примеры при реализации предлагаемого способа обеспечиваются повышение эффективности процесса и полноты удаления слоев комбинированных гальванических металлопокрытий, защиты поверхности деталей из РА и химически активного металла от повторного окисления на открытом воздухе и снижение экологической нагрузки на окружающую среду.