CN101906655A

CN101906655A - 不锈钢表面处理方法

Info

Publication number: CN101906655A
Application number: CN 201010228088
Authority: CN
Inventors: 方刚; 祝恒阳; 王茂林
Original assignee: Beijing Sevenstar Electronics Co Ltd
Current assignee: Beijing Sevenstar Electronics Co Ltd; Beijing Sevenstar Huachuang Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: CN101906655B

Abstract

本发明涉及一种不锈钢表面处理方法，该方法包括步骤：对待处理不锈钢零部件表面进行光饰、脱脂、去污以及清洗；对经光饰、脱脂、去污以及清洗处理后的不锈钢零部件进行电化学抛光；对电化学抛光后的不锈钢零部件进行钝化；对钝化后的不锈钢零部件进行精密清洗；对经精密清洗后的不锈钢零部件进行净化、干燥及烘干；无尘室检验，并对其进行双层防静电袋包装和真空密封。该方法处理后的不锈钢部件符合半导体制程及设备制造、太阳能、微电子、电气、餐饮食品、生物制药、医学医疗、分析仪器、石化及航空航天等尖端行业的使用要求，完全符合SEMI、ASTM等标准关于不锈钢表面高洁净超高纯(UHP)的规定。

Description

不锈钢表面处理方法

技术领域

本发明涉及不锈钢的表面处理技术领域，尤其涉及一种高洁净超高纯(UHP)不锈钢表面处理方法。

背景技术

目前，常用的不锈钢表面处理方法主要可分为两大类，其一是电镀氧化，通过电化学或化学方法在不锈钢表面沉积或生成一层膜，主要目的就是装饰或特殊用途；其二就是抛光，通过物理、化学或电化学的方法使不锈钢表面的粗糙度降低，以使其平坦化，光亮化，其主要的目的还是装饰、美观。因此，上述处理方法对不锈钢的表面质量往往只限于外观而无其他要求，所以对于上述不锈钢的表面处理方法也就很随意和宽泛粗放化。然而，近年来随着一些特殊行业的不断发展，例如半导体制程及设备制造、太阳能、微电子、电气、餐饮食品、生物制药、医学医疗、分析仪器、石化及航空航天等尖端行业，对不锈钢表面的处理只要求装饰和美观是远远不够的，对不锈钢零部件表面状况提出了更高的要求，诸如表面形貌、表面粗糙度、表面化学成分、表面Cr/Fe比和Cr-O/Fe-O比、氧化层厚度以及其表面的能量水平等，即上述各项指标均达到严格要求的一种不锈钢表面处理(即真正意义上的高洁净超高纯表面处理)，处理后的不锈钢表面对所使用的介质必须保持中立，同时还要具有很高的耐蚀性能。从理论上讲处理过程需要完成四方面的内容：

1、促使表面阻钝锈源扩散耐蚀层的形成；

2、提高在使用介质中表面阻钝颗粒及离子的稳定性；

3、减小表面及近表面产生颗粒及滋生胚胎的倾向性；

4、表面的洁净与净化。

这些却是传统不锈钢表面处理方法无法或很难达到的。国内目前所存在处理方法仅是简单地以不锈钢化学或电化学抛光来代替这种高洁净超高纯不锈钢的表面处理，这样是很不科学的，通过表面形态、形态结构以及能量水平等方法对上述方法处理过的不锈钢表面分析发现与高洁净超高纯的要求相差很远。

关于高洁净超高纯(UHP)的不锈钢表面处理其实是一个从原材料到加工再到前处理、抛光、后处理以及清洗包装等一系列复杂的工艺过程，这其中任何一步出了问题都将不能达到不锈钢表面关于高洁净超高纯(UHP)的要求。

发明内容

(一)技术问题

本发明要解决的技术问题是：使得经表面处理后的不锈钢零部件符合半导体制程及设备制造、太阳能、微电子、电气、餐饮食品、生物制药、医学医疗、分析仪器、石化及航空航天等尖端行业的使用要求，完全符合SEMI、ASTM等标准关于不锈钢表面高洁净超高纯(UHP)的规定。

(二)技术方案

为达到所述目的，本发明采用如下技术方案。

一种不锈钢表面处理方法，该方法包括步骤：

S1.对待处理不锈钢零部件表面进行光饰、脱脂、去污以及清洗；

S2.对经光饰、脱脂、去污以及清洗处理后的所述不锈钢零部件进行电化学抛光；

S3.对电化学抛光后的所述不锈钢零部件进行钝化；

S4.对钝化后的所述不锈钢零部件进行精密清洗；

S5.用氮气对经精密清洗后的所述不锈钢零部件进行净化、干燥及烘干；

S6.对净化、干燥及烘干后的所述不锈钢零部件进行无尘室检验，并对其进行双层防静电袋包装和真空密封。

其中，所述光饰所使用的方法为机械、物理或化学方法，以控制所述不锈钢零部件表面粗糙度R_a在设定范围，所述设定范围为：0.03≤R_a≤0.1，其中，R_z≤0.15。

其中，所述脱脂、去污以及清洗均采用超声波方法。

其中，所述电化学抛光所用药品选用分析纯级，抛光过程中用水选用工业纯水，抛光过程中所有设备设施成分均不含氯。

其中，所述钝化分为一次钝化和二次钝化，其中一次钝化采用硝酸溶液；二次钝化采用有机柠檬酸溶液。

其中，所述二次钝化分三步进行，其中，第一步采用柠檬酸、EDTA、磷酸、磷酸盐、谷氨酸、及氨水；第二步采用柠檬酸、表面活性剂、及氨水；第三步采用柠檬酸及冰醋酸。其中，所述精密清洗方法为：选用具有脱脂、表面活性功能的纯水复合型清洗溶液和超声波进行包括脱脂、喷淋漂洗、超声步骤的多级清洗。

其中，步骤S6的双层防静电袋包装前还要进行孔口帽封和/或对镜面研磨抛光以用于密封的部位进行贴膜保护。

其中，所述无尘室检验所使用的洁净室满足1000 ISO Class3或100 ISO Class2；所述孔口帽材料为乙烯聚合物；袋封材料为聚乙烯。

(三)有益效果

本发明的方法流程详细明确，操作简便，纯净度和质量可靠性很高，通过扫描式电子显微镜(SEM)、电子光谱学化学分析(ESCA)、X射线光电子能谱仪(XPS)、俄歇电子能谱仪(AES)及轮廓仪等对处理后的不锈钢零件表面形貌、缺陷、表面化学成分、表面Cr/Fe比和Cr-O/Fe-O比、氧化层厚度(深度剖析)以及表面粗糙度等项目进行检测和鉴定，其可满足半导体制程及设备制造、太阳能、微电子、电气、餐饮食品、生物制药、医学医疗、分析仪器、石化及航空航天等尖端行业的使用要求，完全符合SEMI、ASTM等标准关于不锈钢表面高洁净超高纯(UHP)的规定，即达到了真正意义上的洁净和超高纯本。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的不锈钢表面处理方法流程图。

具体实施方式

本发明的不锈钢表面处理方法，结合附图和实施例详细说明如下下面。

本发明采用的技术方案是根据相关的行业标准以及传统不锈钢表面处理方法的理论基础，经过大量的设计验证并采用了科学合理的不锈钢表面处理方法，制定了严密的前处理、电化学抛光(EP)、后处理及清洗、净化和包装等流程。从待处理的不锈钢零部件的选取到对其进行表面处理至达到真正意义上高洁净超高纯具体处理过程为：材料遴选-零件加工-检验-光饰-清洗-检验-脱脂、去污、清洗-预浸或电抛光-电化学抛光(EP)-回收-清洗-一次钝化-清洗-二次钝化(三步分别钝化)-清洗-精密清洗(脱脂、喷淋漂洗、超声等多级清洗)-氮气净化吹扫、干燥-氮气气氛烘烤-校验包装。如图1所示，依照本发明一种实施方式的不锈钢表面处理方法包括步骤：

S2.对经光饰、脱脂、去污以及清洗处理后的不锈钢零部件进行电化学抛光；

S3.对电化学抛光后的不锈钢零部件进行钝化；

S4.对钝化后的不锈钢零部件进行精密清洗；

S5.用氮气对经精密清洗后的不锈钢零部件进行净化、干燥及烘干；

S6.对净化、干燥及烘干后的不锈钢零部件进行无尘室检验，并对其进行双层防静电袋包装和真空密封。

其中，待处理的不锈钢零部件是通过材料遴选、零件加工以及检验而得到的。

材料遴选宜选用耐蚀性、中立性、微细均质性以及成分纯度优良的316L(V/V)或316L不锈钢。在特殊使用环境下，如含卤化物的介质、热碱溶液、纯水蒸气及除气的纯水等宜选904L不锈钢。

零件加工需控制切削参数，以防止不锈钢表面较大的应力集中以及产生氧化层和较高的粗糙度(R_a≤0.5)。

检验采用接触式或接触力不大的检测方法。

在对选中的待处理不锈钢零部件进行表面处理的过程中：

光饰，可采用机械、物理或化学方法，以控制不锈钢零部件表面粗糙度R_a的在设定范围，该设定范围为：0.03≤R_a≤0.1，其中，R_z≤0.15。

脱脂、去污以及清洗步骤为选择复合型不锈钢专用清洗剂进行超声波脱脂、去污以及清洗，当待处理不锈钢零部件材料为316L时最好不使用碱性溶液。

电化学抛光(EP)，根据不锈钢零部件结构选择不同的抛光方法，首选环保无污染的方法，所用药品选择纯度级别较高的分析纯级(AR)，过程中用水选用工业纯水，夹持装置材料要无污染材料，可用316L或钛金制作，所有的设备设施等要拒绝含氯的成分(如PVC材料)，以防止氯的表面残留和对不锈钢的浸蚀。这里的工艺方案及其抛光作业参数是不锈钢零部件表面氧化层成分、质量状况等指标达标的关键，高洁净超高纯的零部件往往以管、孔类结构居多，所有其工业方案以及抛光夹持装置也无比要要有很强的针对性。本发明方法根据具体的零部件结构选用不同的工艺方案，必要时还要分为预电抛和精密电抛光来进行，电化学抛光后不锈钢零部件表面可以达到镜面状。

钝化分为一次钝化和二次钝化，一次钝化采用强氧化性的硝酸溶液；二次钝化采用主要成分为有机柠檬酸的溶液，分三步进行：第一步采用柠檬酸、EDTA、磷酸、磷酸盐、谷氨酸、及氨水等组成的溶液；第二步采用柠檬酸、表面活性剂、及氨水等组成的溶液；第三步采用柠檬酸及冰醋酸等组成的溶液。

精密清洗方法为：选用具有脱脂、表面活性功能的纯水复合型清洗溶液和超声波进行包括脱脂、喷淋漂洗、超声等步骤的多级清洗。

氮气净化、干燥、及烘烤包括步骤中使用过滤的氮气彻底吹扫和干燥(不宜用压缩空气替代)；使用氮气净化炉加热保温。氮气纯度≥99.99999％。

步骤S6的双层防静电袋包装前还要进行孔口帽封和/或对镜面研磨抛光以用于密封的部位进行贴膜保护。

本发明方法中所使用的纯净水电导率≥0.5MΩ/cm.80℃；无尘室检验所使用的洁净室满足1000ISO Class3，最好是100ISO Class2；整个处理过程中避开氯化物、硅化合物等有害例子的污染(即要完全使用无氯、无硅氧成分的设备设施以及器物等，药品要选用分析纯级)孔口帽材料可选乙烯聚合物，袋封材料可选聚乙烯等。

实施例

以下通过具体的实施例来进一步说明本发明。

选择316L(V/V)或316L的不锈钢材料进行零件加工，调整和控制切削参数，使零件表面产生的切削应力和粗糙度尽量小，完成零件即以非接触式或接触力小的方式检测尺寸合格；然后进行光饰，可以选用珩磨、磨粒流或棉、毛并配合磨料等方式来进行表面光饰，也可以选用化学方法光饰；接着进行脱脂、去污(选择复合型不锈钢专用清洗剂超声波脱脂、去污，不可以使用强碱溶液)、喷淋、漂洗，清洗务必彻底，可选用超声波清洗；然后进行电化学抛光(EP)，电化学抛光(EP)至关重要，是不锈钢表面内在质量成分达标的关键，不同的零件结构宜选择不同的抛光工艺，首选环保无污染的工艺，一般高洁净超高纯的零件以管、孔类的居多，其抛光工艺也要有专门的针对性，另外工艺参数也需要做出必要的调整，与常规抛光工艺不同的是，这里配制溶液的药品选用了分析纯级(AR)，工艺用水使用纯净水；抛光后经回收、彻底清洗后转入钝化，钝化分为一次钝化和二次钝化，以浸泡形式作业，一次钝化用硝酸溶液，时间40-60min，温度40-50℃，二次钝化(三步分别钝化法)主要为柠檬酸的溶液，温度控制：55-60℃，分三步、每步60min分别进行钝化：(1)由柠檬酸、EDTA、磷酸、磷酸盐、谷氨酸及氨水等组成，PH值控制：8.5-11；(2)由柠檬酸、表面活性剂、氨水等组成，PH值控制：4.5-6.5；(3)由柠檬酸和冰醋酸等组成；处理之后经喷淋清洗等步骤后即转入洁净间开始连续的精密清洗，精密清洗先采用具有脱脂、表面活性功能的复合型溶液清洗，再通过纯水喷淋、漂洗，最后再用超声纯水多级清洗，具体为(1)脱脂：Formula 815GD溶液，55-65℃，TDS＜200，9-＜PH＜10.5，100％超声清洗15min后关停1-2min，再开启85％超声清洗15min停止，将工件翻抖动一次继续开启100％超声清洗15min关停1-2min，再开启85％超声清洗15min后停止；(2)喷淋漂洗：带适当压力的水多次喷淋、漂洗；(3)超声纯水漂洗，参数：60-75℃，Si＜10ppm，TOC＜5ppm，分三级漂洗，各洗30min：a)TDS＜100ppm，8＜PH＜10.5；b)TDS＜70ppm，7＜PH＜8.5；c)TDS＜20ppm，6＜PH＜7.5。以上的钝化和清、漂洗是保证零件表面洁净的关键；完成这些步骤之后就进入干燥包装程序，先用超纯氮气吹扫零件、以使其表面干燥(注意所有的孔洞和死角)，再放入超纯氮气气氛的烘箱内烘烤2-3小时，温度保持在100-105℃之间；最后出炉降至室温和检验，并进行真空双层防静电塑料袋包装和真空密封，同时在包装前有孔或管口的还要进行帽封，有镜面研磨抛光以用于密封的部位要贴膜保护。这样就完成了整个处理，整个流程拒绝直接肢体触摸的，操作也按照洁净室的标准要求戴好防护用具，防止二次污染。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种不锈钢表面处理方法，该方法包括步骤：

S3.对电化学抛光后的所述不锈钢零部件进行钝化；

S4.对钝化后的所述不锈钢零部件进行精密清洗；

2.如权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述光饰所使用的方法为机械、物理或化学方法，以控制所述不锈钢零部件表面粗糙度R_a在设定范围，所述设定范围为：0.03≤R_a≤0.1，其中，R_z≤0.15。

3.如权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述脱脂、去污以及清洗均采用超声波方法。

4.如权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述电化学抛光所用药品选用分析纯级，抛光过程中用水选用工业纯水，抛光过程中所有设备设施成分均不含氯。

5.如权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述钝化分为一次钝化和二次钝化，其中一次钝化采用硝酸溶液，二次钝化采用有机柠檬酸溶液。

6.如权利要求5所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述二次钝化分三步进行，其中，第一步采用柠檬酸、EDTA、磷酸、磷酸盐、谷氨酸、及氨水；第二步采用柠檬酸、表面活性剂、及氨水；第三步采用柠檬酸及冰醋酸。

7.如权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述精密清洗方法为：选用具有脱脂、表面活性功能的纯水复合型清洗溶液和超声波进行包括脱脂、喷淋漂洗、超声步骤的多级清洗。

8.如权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，步骤S6的双层防静电袋包装前还要进行孔口帽封和/或对镜面研磨抛光以用于密封的部位进行贴膜保护。

9.如权利要求1所述的不锈钢表面处理方法，其特征在于，所述无尘室检验所使用的洁净室满足1000 ISO Class3或100 ISOClass2；所述孔口帽材料为乙烯聚合物；袋封材料为聚乙烯。