Металлургические пути выщелачивания свинца из латуни.

May 28, 2023

npj Деградация материалов, том 7, Номер статьи: 69 (2023 г.) Цитировать эту статью

246 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Компоненты из свинцовистой (Pb) латуни, используемые в водопроводах, склонны к выщелачиванию свинца после пайки или пайки во время установки. Рентгенография синхротронным излучением показывает, что в исходном состоянии образцов латуни питьевой воды Pb существует преимущественно в виде изолированных или связанных между собой частиц размером от субмикронных до нескольких микрон. При нагреве до обычной температуры пайки ~200 °C содержимое Pb быстро выходит на поверхность по диффузионным путям, включающим взаимопроникающую структуру Pb–латунь с ориентационным соотношением (11\(\bar{1}\))α-латунь//(220 )Пб; [011]α-латунь //[\(\bar{1}\)13]Pb. При нагреве до обычной температуры пайки 700 °C частицы Pb плавятся и расширяются в объеме, при этом содержание Pb проникает в решетку латуни преимущественно по плоскостям {101}α-латуни, образуя фазу Pb с низкой сферичностью или даже большие листы. . При погружении в воду всплывшие на поверхность частицы Pb окисляются с образованием игл PbO вдоль нормального направления плоскостей {\(\bar{2}\bar{2}2\)}PbO, которые затем легко смываются, вызывая выщелачивание Pb. .

Свинец (Pb) является распространенным тяжелым металлом, который регулируется агентствами по охране окружающей среды, поскольку он загрязняет окружающую среду1,2,3,4 и может иметь вредные последствия для здоровья, такие как неврологические нарушения и неблагоприятные исходы беременности при употреблении в пищу5,6. Действующие рекомендации по свинцу, последний раз пересмотренные в 1993 году, предусматривают максимально допустимую концентрацию 10 мкг/л, основанную на предварительном допустимом еженедельном уровне потребления Всемирной организации здравоохранения, ниже которого не должно происходить повышения уровня свинца в крови и, следовательно, не должно происходить ожидаемого увеличения рисков для здоровья. . Отравления, вызванные чрезмерным содержанием свинца в питьевой воде, происходят и сегодня, главным образом из-за выщелачивания свинца из компонентов, используемых в распределительных и водопроводных системах. В результате в юрисдикциях были разработаны правила и технические стандарты для содержания свинца в компонентах, используемых в системах трубопроводов питьевой воды. Например, британские стандарты определяют, что фитинги из медного сплава для использования в питьевой воде должны содержать не более 4–6% мас. Pb для клапанов и 0,5–2,5% мас. Pb для кранов7. Между тем, согласно стандартам США, смачиваемые поверхности номинально бессвинцовых медных сплавов для использования в питьевой воде по-прежнему могут содержать Pb до 0,25 мас.%8.

Так называемая бессвинцовая марка латуни для применения в питьевой воде (далее именуемая PW-латунь) обязательно содержит Pb9. Время от времени во всем мире сообщается о выщелачивании Pb в питьевую воду10,11,12,13,14,15,16,17,18, и одна из возможных причин связана с содержанием Pb в трубопроводах и компонентах из латуни, особенно в вновь установленные условия19. Традиционно Pb добавляется в PW-латунь для облегчения механической обработки, и, учитывая долгую историю использования латуни для изготовления компонентов питьевой воды и огромное количество уже установленных латунных трубопроводов и компонентов, ни одна юрисдикция не объявила о каком-либо плане или графике запрета использование PW-латуни в трубопроводах. Интересно, что, несмотря на важность проблемы, в 1970-х годах кратко изучалась только обрабатываемость латуни, повышенная Pb благодаря наплавке Pb, а понимание металлургических путей процесса выщелачивания Pb из pw-латуни до сих пор не существует. В частности, учитывая, что латунь и Pb не имеют предела взаимной растворимости на фазовой диаграмме21, неизвестно, в каких формах Pb будет существовать внутри pw-латуни и как Pb будет мигрировать на поверхность образца, вызывая выщелачивание в контактирующую воду.

Недавние эксперименты19 показали, что предварительная термообработка PW-латуни может привести к ускоренному выщелачиванию Pb. В этих экспериментах перед испытаниями на выщелачивание Pb проводилась предварительная термическая обработка при 200 или 700 °C для имитации процесса пайки (200 °C) или пайки твердым припоем (700 °C) при монтаже трубопроводов. При 200 °C содержание Pb в PW-латуни все еще находится в твердом состоянии, тогда как при 700 °C Pb должен быть расплавлен, но при конечных условиях выщелачивания Pb при погружных испытаниях Pb должен находиться в твердом состоянии22. Подробное объяснение того, почему предварительная термообработка ускоряет выщелачивание Pb, потребует детального знания распределения Pb в исходной латуни, а также после предварительной обработки. Например, на рис. 1 из настоящей работы (подробности объяснены позже) предварительно обработанное состояние при 700 °C выщелачивается примерно с той же скоростью, что и состояние при 200 °C, при времени нагрева менее 20 минут, но скорость выщелачивания значительно ускоряется через 20 мин, что, возможно, указывает на неравномерное распределение содержания Pb внутри латуни. Таким образом, в задачу настоящей статьи не входит обсуждение того, как продолжительность предварительной обработки будет количественно влиять на скорость выщелачивания свинца — такое исследование потребует систематического контроля начального распределения Pb в образцах латуни, что было бы сложной задачей, учитывая высокая метастабильность или нестабильность сегрегации Pb внутри латуни из-за взаимной несмешиваемости двух фаз.