Снижение использования шестивалентного хрома при анодировании в военных целях

Элизабет Берман, Роберт Б. Мэйсон-младший.
26.06.2019 626

Замена наполнителя, содержащего дихромат, в ВВС США.

Центр Ogden Air Logistics Complex (OO-ALC) в г. Огден, штат Юта, является главной площадкой ВВС США по техническому обслуживанию и ремонту шасси летательных аппаратов.

Алюминиевые компоненты шасси подвергаются анодированию в центре OO-ALC, чтобы обеспечить поверхностям износостойкость и коррозионную стойкость, а наполнение завершает процесс анодирования.

В ходе этой операции поры анодированного (оксидного) слоя становятся гидратированными, что увеличивает объем и в дальнейшем повышает коррозионную стойкость и препятствует образованию пятен.

В OO-ALC для пропитки применяется наполнитель, содержащий дихромат натрия (DCS). Несмотря на то, что этот наполнитель успешно применяется уже много лет, он содержит шестивалентный хром, который внесен в список опасных загрязнителей воздуха согласно Закону о контроле над загрязнением воздуха и упоминается во множестве других нормативных документов. Вследствие этого в 2006 году Управление по охране труда снизило допустимый предел вредных воздействий на работника для Cr(VI) с 52 микрограмм на куб. метр воздуха (мкг/м3) до 5 мкг/м3.

К тому же, Министерство обороны США (DoD) в 2009 году выпустило директиву, которая ограничивает использование Cr(VI) на военных транспортных средствах и в системах вооружения.

Поэтому ВВС США потребовалось разработать, проверить и изготовить не содержащий хрома наполнитель, чтобы сократить использование Cr(VI) в операциях анодирования.

Стандарт MIL-A-8625, в котором описывается как анодирование, так и процесс пропитки DCS, предлагает в качестве альтернативы процессы наполнения без Cr(VI), однако для использования этих процессов в OO-ALC нет достаточных данных.

Для решения этой проблемы и поиска других жизнеспособных альтернатив исследовательская лаборатория ВВС США привлекла своих консультантов к проекту по замене дихроматного наполнителя для поиска, оценки и реализации альтернатив дихромату натрия для процессов анодирования в OO-ALC.

На начальном этапе этой работы проектная группа определила два исходных варианта и эталон, а также две жизнеспособные альтернативы из числа готовых коммерческих продуктов, не содержащих хром:  одна на основе перманганата калия, вторая на основе ацетата никеля. Эти варианты были определены в ходе предварительной работы, изучения литературы, посредством запросов поставщикам и отраслевых исследований. Команда провела отсеивающие испытания, чтобы оценить, соответствуют ли эти варианты требованиям MIL-A-8625, и результаты показали, что наполнитель, содержащий перманганат, соответствует всем критериям приемки в качестве альтернативы DCS.

К тому же, анализ эффективности затрат показал, что затраты на обработку альтернативного варианта будут почти такими же, как для базового варианта (дихромат натрия), с дополнительными качественными преимуществами перманганата, использование которого существенно повышает безопасность окружающей среды. Опираясь на положительные результаты технической оценки и перспективную бизнес-модель, Совет по проверке технических проектов (ERB) OO-ALC рассмотрел данные и утвердил готовый коммерческий наполнитель с перманганатом для использования в центре OO-ALC совместно с хромсодержащими грунтовками. Однако в ходе работы центр OO-ALC также задействовал грунтовки, не содержащие Cr(VI), в сочетании с составами для предварительной обработки на основе Cr(VI), в частности, дихромат натрия.

Поэтому OO-ALC потребовалось провести дополнительные испытания, чтобы убедиться, что итоговые технические показатели не зависят от использования готового коммерческого наполнителя на основе перманганата в сочетании с грунтовкой, не содержащей Cr(VI). В дополнение к этому, центр OO-ALC запросил испытания, подтверждающие отсутствие каких-либо проблем при нанесении перманганатного наполнителя на повторно анодированную поверхность (например, при нанесении на шлифованное, предварительно анодированное с пропиткой в дихромате натрия покрытие). Была выполнена оценка эффективности грунтовок, не содержащих Cr(VI), а также оценка повторной обработки панелей, анодированных по типу II (согласно стандарту MIL-A-8625) / DCS. Готовый коммерческий наполнитель на основе перманганата успешно прошел испытания на толщину и коррозионную стойкость по обоим сценариям: стандартному и повторной обработке (рисунок 1). Было установлено, что процесс соответствует требованиям центра OO-ALC и остается приемлемым кандидатом для замены дихромата натрия в операциях анодирования типа II в OO-ALC.

В качестве окончательной гарантии, что процесс будет применим в OO-ALC, были проведены испытания, подтверждающие, что характеристики готового коммерческого наполнителя на основе перманганата будут соответствовать требованиям центра OO-ALC к анодированию и наполнению с последующим нанесением грунтовок, как содержащих Cr(VI), так и не содержащих Cr(VI). Использовались две бесхроматные грунтовки, а в качестве исходных вариантов – две хромсодержащие грунтовки. Итоговые коррозионные характеристики панелей, пропитанных готовым коммерческим наполнителем на основе перманганата, были такими же или выше коррозионных характеристик конкурентных панелей, пропитанных с помощью дихромата натрия, только с двумя исключениями. Однако и в этих двух случаях образцы соответствовали действующим военным техническим требованиям.

По результатам успешных испытаний проектная группа рекомендовала внедрить процесс наполнения с применением готового коммерческого перманганата в центре OOALC и использовать в сочетании с качественными бесхроматными грунтовками. Консультанты работали с представителями 417-й инженерной группы шасси OO-ALC и 309-й инженерно-технической группой, чтобы получить согласование для передачи готового коммерческого наполнителя на основе перманганата в 309-ю инженерно-техническую группу. Для содействия внедрению перманганатного наполнителя в центре OO-ALC проектная группа разработала контрольный список, чтобы гарантировать, что все необходимые элементы, связанные с установкой, будут учтены.

В центре OO-ALC имеется две линии анодирования, далее именуемые как крупномасштабная линия анодирования (в которой используются резервуары больших объемов для обработки крупногабаритных колес) и маломасштабная линия анодирования (главным образом, для элементов тормозной системы и стоек, меньших по объему). Обе линии имеют следующие характеристики:

  • погружение в щелочной моющий раствор, 140–160°F (60–70°C) в течение 1–5 мин.
  • промывка в холодной воде
  • 30-секундное травление
  • промывка в холодной воде
  • осветление в течение 1–2 мин. При температуре 120–130°F (49–54°C)
  • промывка в холодной воде, проверка по смачиваемости поверхности
  • электролит для анодирования типа II (серная кислота) при температуре 147–161°F (64–72°C). Ток подается, пока напряжение не достигнет 18 В (приблизительно 40 А), выдержка 20–30 мин.
  • промывка в холодной воде

В центре OO-ALC решили временно оставить дихромат натрия в резервуаре для наполнения на крупномасштабной линии, а резервуар для наполнения на маломасштабной линии выбрали для перехода на готовый коммерческий наполнитель на основе перманганата. Резервуар с дихроматом натрия эксплуатировался при температуре примерно 100°С, детали обрабатывались в наполнителе приблизительно 20 минут. Наполнитель на основе перманганата эксплуатировался при температуре примерно 76°С в течение 12 — 15 минут. В обоих случаях после пропитки детали направлялись на промывку холодной водой, затем на промывку горячей водой. И наконец, детали высушивались воздухом цеховой магистрали при комнатной температуре.

ПОКУПКА ВКЛАДЫША ДЛЯ РЕЗЕРВУАРА

После изучения последовательности операций в центре OO-ALC, схемы расположения резервуаров и химических веществ, необходимых для загрузки резервуара наполнения на маломасштабной линии проектная группа установила, что наполнитель на основе перманганата нельзя использовать с имеющимся резервуаром из нержавеющей стали из-за примесей Cr(VI), которые остаются от дихромата натрия. После рассмотрения 309-й инженерно-технической группой в центре OO-ALC утвердили условие о необходимости твердого вкладыша, изготовленного на месте, который потребуется для адаптации резервуара к новому процессу. Для изготовления и установки твердых вкладышей был привлечен субподрядчик. 309-я инженерно-техническая группа передала размеры резервуара: 167,6 см в длину, 91 см в ширину, 330 см в глубину. Проектная группа работала совместно с OO-ALC, чтобы утвердить и окончательно согласовать размеры резервуара, поскольку вкладыш должен был быть жестким и должен был идеально соответствовать имеющемуся резервуару. Трудная задача заключалась в определении необходимой информации об уклоне дна резервуара. Было установлено, что плоскодонный резервуар лучше бы подошел для этого процесса, и что было бы целесообразно перед установкой вкладыша наполнить песком наклонное днище имеющегося резервуара из нержавеющей стали.

Субподрядчик изготовил резервуар из полипропилена толщиной 1,27 см.

ИЗМЕНЕНИЕ ДОКУМЕНТОВ В СООТВЕТСТВИИ С НОВЫМИ УСЛОВИЯМИ

Для скорейшего перехода на новый наполнитель группа посодействовала центру OO-ALC в изменении всех действующих документов, связанных с анодированием и наполнением на объекте, в соответствии с новыми условиями. Центр OO-ALC установил, что использование готового коммерческого наполнителя на основе перманганата повлияет на три технические инструкции, связанные с пропиткой анодированных покрытий типа II. Исходя из этого, группа помогла в работе OO-ALC по обновлению этих трех документов. Кроме технических инструкций, изменениям подлежали также технологические последовательности операций OO-ALC с целью внесения в них готового коммерческого наполнителя на основе перманганата.

Проектная группа обеспечила изменения, дополнения и вводные данные для этих документов. И наконец, специалисты цента OO-ALC совместно с проектной группой приняли решение, что нет необходимости изменять главный военный стандарт MIL-A-8625, чтобы разрешить применение наполнителя на основе перманганата.

УСТАНОВКА ВКЛАДЫША, ЗАПОЛНЕНИЕ ХИМ. СОСТАВОМ

Субподрядчик наполнил дно V — образного резервуара песком, обеспечив надлежащую опору для вкладыша и его предполагаемого содержимого, и установил вкладыш.

Затем специалисты OO-ALC выщелачивали вкладыш серной кислотой в течение двух дней. После чего серную кислоту откачали, а вкладыш промыли водой, резервуар наполнили соляной кислотой и оставили на два дня. Выщелачивание соляной кислотой применялось для удаления отложений из труб резервуара и оборудования. По истечении двух дней соляную кислоту откачали, а резервуар снова промыли водой. Через 11 дней сотрудники OO-ALC наполнили резервуар наполнителем на основе перманганата. Перемешивание в резервуаре осуществлялось с помощью воздуха, но он не нагревался, пока специалисты проектной группы не приехали на следующий день для обработки панелей и деталей.

ОБРАБОТКА ПАНЕЛЕЙ

Специалисты проектной группы в сотрудничестве со специалистами OO-ALC выполняли анодирование и последующую пропитку панелей и деталей. Проектная группа провела три цикла. В первый цикл вошли испытательные панели, изготовленные из алюминиевого сплава 2024. Эти панели были подвергнуты предварительной обработке, анодированы и пропитаны наполнителем на основе перманганата на маломасштабной линии. Внешний вид панелей на этапе погружения в наполнитель можно видеть на рисунке 3. Впоследствии эти панели были направлены в камеру солевого тумана в центре OO-ALC на 336 часов в соответствии со стандартом MIL-A-8625 в рамках квалификационных испытаний готового коммерческого наполнителя на основе перманганата. Второй цикл включал в себя обработку бракованных деталей, в частности, большого наружного поршня F-15, изготовленного из алюминиевого сплава 7075 (рисунок 2). Учитывая графики производства, деталь была предварительно обработана на крупномасштабной линии, а анодирована и пропитана на маломасштабной линии. Третий цикл включал в себя дополнительные панели из сплава 2024. Эти панели также были предварительно обработаны на крупномасштабной линии, а анодированы и пропитаны на маломасштабной линии.

Менее чем через два месяца, специалисты центра OO-ALC сообщили, что все испытательные панели успешно прошли 336-часовое испытание B117, и наполнитель на основе перманганата был одобрен.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведя всесторонние испытания, проектная группа показала, что готовый коммерческий наполнитель на основе перманганата соответствует всем требованиям наполнения анодированных алюминиевых деталей типа II в центре OO-ALC.

Анодированные детали, подвергнутые пропитке этим составом, соответствуют требованиям при покрытии как хромсодержащими, так и бесхроматными грунтовками; их адгезионные характеристики и коррозионная стойкость соответствуют или превосходят показатели, полученные для дихромата натрия, почти во всех случаях.

Рисунок 4. Испытательные панели из сплава 2024, анодированные и пропитанные с помощью готового коммерческого наполнителя на основе перманганата в центре OO-ALC.

Готовый коммерческий наполнитель на основе перманганата действует аналогично дихромату натрия для новых и восстановленных деталей и соответствует требованиям применимых военных спецификаций.

Благодаря успешным результатам процесс с использованием перманганатного наполнителя был внедрен на маломасштабной линии в резервуаре наполнения объемом 4803 л. Учитывая, что центр OO-ALC намерен внедрить бесхроматные операции анодирования для получения полностью бесхроматных покрытий, такие положительные результаты привели к выводу, что готовый коммерческий наполнитель на основе перманганата рекомендуется полностью внедрить в центре OO-ALC и использовать совместно с качественными бесхроматными грунтовками.

Кроме того, рекомендуется использовать положительные результаты этой работы как обоснование для применения бесхроматных наполнителей в операциях анодирования в других центрах МТО ВВС и в операциях технического обслуживания Министерства обороны США. В частности, положительные результаты этой работы можно использовать для анодирования в центре Oklahoma City ALC, штат Оклахома, и в центре Warner Robins ALC, штат Джорджия.

Доктор Элизабет Берман — стотрудник исследовательской лаборатории ВВС США на АБ ВВС Райт-Паттерсон в г. Дейтон, штат Огайо. Роберт Б. Мэйсон-младший — сотрудник компании Concurrent Technologies Corp. в г. Одесса, штат Флорида.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Л. Хао и Б. Ченг, “Процессы наполнения анодных покрытий – прошлое, настоящее и будущее”, журнал Metal Finishing, изд. Elsevier Inc., Нью-Йорк, декабрь 2000 г.
  2. MIL-A-8625F, военный стандарт, Анодные покрытия, алюминий и алюминиевые сплавы, Министерство обороны США, 15 сентября 2003 г.
  3. Р. Мэйсон, С. Кларк, М. Клингенберг, Е. Берман и Н. Воеводин, “Альтернативы дихроматным наполнителям в операциях анодирования”, журнал Metal Finishing, изд. Elsevier  Inc., Нью-Йорк, июнь 2011 г.
  4. Р. Мэйсон, С. Кларк, М. Клингенберг, Е. Берман и Н. Воеводин, “Альтернативы дихроматным наполнителям в операциях анодирования”, 80-й выпуск Universal Metal Finishing Guidebook, изд. Elsevier Inc., НьюЙорк, осень 2012 г., том 110, номер 9A, стр. 372383.
  5. Р. Мэйсон, С. Кларк, М. Клингенберг, М. Миллер, Е. Берман и Н. Воеводин, “Анодоирование типа II: результаты испытаний обнадеживают в поиске альтернатив для дихроматного наполнителя”, журнал Metal Finishing, изд. Elsevier Inc., Нью-Йорк, апрель 2012 г.
  6. Р. Мэйсон, Е. Берман, Н. Воеводин, М. Клингенберг и С. Кларк, “Испытания с целью замены дихроматного наполнителя в операциях анодирования в ВВС США”, SUR/FIN 2012, Лас-Вегас, штат Невада, 12 июня 2012 г.
  7. Р. Мэйсон, Е. Берман, Е. Гриесенброк, М. Клингенберг и Х. Смит, “Коррозионные характеристики при замене дихроматного наполнителя с использованием бесхроматных грунтовок при операциях анодирования в ВВС США”, пятая ежегодная конференция специалистов отделки поверхностей, Орландо, штат Флорида, 29 января 2015 г.
  8. Р. Мэйсон, Е. Берман и М. Клингенберг, “Испытания с целью замены дихроматного наполнителя в операциях анодирования для ВВС США”, материалы Министерства обороны США 2015 г. – национальная техническая конференция по вопросам коррозии, 2015 г.
  9. Р. Мэйсон, Е. Берман и М. Клингенберг, “Испытания с целью замены дихроматного наполнителя в операциях анодирования для ВВС США”, шестая ежегодная конференция специалистов отделки поверхностей, мыс Канаверал, штат Флорида, 10 февраля 2016 г.

 

Рисунок 1. Технологическая схема процесса анодирования и наполнения, применяемая в центре OO-ALC.
Рисунок 2. Наружный поршень F-15, анодированный и пропитанный с помощью готового коммерческого наполнителя на основе перманганата в центре OO-ALC.
Рисунок 3. Испытательные панели из сплава 2024, анодированные и пропитанные с помощью готового коммерческого наполнителя на основе перманганата в центре OO-ALC.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Разработан серебряно-графитовый дисперсионный электролит
Разработан серебряно-графитовый дисперсионный электролит
Частицы графита, смешанные с серебряным покрытием, обеспечивают высокую стойкость к истиранию при максимальной нагрузке.
22.11.2022
35
Электрохимическое травление медных поверхностей для достижения сверхгидрофобности
Электрохимическое травление медных поверхностей для достижения сверхгидрофобности
В настоящем исследовании была предпринята попытка добиться сверхгидрофобности медной подложки путем травления поверхности при различных…
Кушик Н., Джеймсон Кейшам, Авинаш Пуджары, Латеш, Шанкараппа Калгуди, Павитра Г.П., Сатья Нараян
26.07.2021
254
Ультразвуковая технология выводит режущие инструменты на новый уровень
Ультразвуковая технология выводит режущие инструменты на новый уровень
Компания Tru-Edge Cutting Tool Services проектирует и изготавливает на заказ режущие инструменты и предоставляет услуги…
Крис Феликс
11.06.2019
538
Инновации в области химического никелирования
Инновации в области химического никелирования
Эксперименты в основе развития технологии химического никелирования
Скотт Френсис
06.09.2022
111
Как алюминий, растворенный в ваннах слабого щелочного травления, влияет на поверхности, протравленные кислотой
Как алюминий, растворенный в ваннах слабого щелочного травления, влияет на поверхности, протравленные кислотой
Снижение концентрации алюминия на стадии слабого щелочного травления также может привести к таким проблемам, как…
Месут Аккая, Пинар Афсин, Мустафа Урген, Кэн Акил
25.05.2021
300
Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа). Теоретические и практические аспекты.
Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа). Теоретические и практические аспекты.
Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа) стало необходимым, когда кристаллодержатели и другие компоненты стали монтироваться непосредственно…
Берт Ринтс, Штефан Кенни (Мир гальваники 2008)
17.07.2018
909
Нанотехнологический стартап разрабатывает замену золочению
Нанотехнологический стартап разрабатывает замену золочению
Компания Ag-Nano System LLC представляет новый метод гальванопокрытия на основе наночастиц золотого серебра, разработанный для…
01.11.2022
40
Проверка покрытий — рассмотрение и подготовка документов (часть 1)
Массимо Корнаго
25.10.2021
446
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
25-27 октября 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдет ключевая выставка материалов и оборудования для…
15.06.2022
1529