CN108221040A

CN108221040A - 一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺

Info

Publication number: CN108221040A
Application number: CN201810029421.5A
Authority: CN
Inventors: 赵亚楠
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2018-06-29

Abstract

一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，涉及一种金属蚀刻图文标记工艺，蚀刻工艺包括不锈钢表面清洗除油、抗蚀膜层建立、电化学蚀刻、脱膜&清洗（包括有害元素检测）及成品保护等工序。蚀刻液配方成分：FeCl₃（10‑40 wt%）+HCl（1‑10 wt%）+余量去离子水；蚀刻过程在室温下进行（考虑季节因素）蚀刻液温度为：10‑35^oC；可根据工件厚度及图文标记效果的要求，在一定电流电压下蚀刻1‑2分钟即可获得清晰可见的图文标记效果（≦0.1 mm）；蚀刻过程选择导电棉作为电解液载体，但因导电棉一次可承载的电解液量有限，操作中须每隔30 s重新蘸取新鲜的蚀刻液；蚀刻操作简单易行、蚀刻槽平整度高、图文标记无边缘腐蚀等现象。

Description

一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺

技术领域

本发明涉及一种金属蚀刻标记工艺，特别是涉及一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺。

背景技术

随着现代科学技术的迅速发展，金属工件的制造对精密度和准确度的要求越来越高，精密度和准确度就成为评价的重要指标。进入21世纪以来，随光敏防蚀技术的完善及感光工艺的普及，电化学蚀刻技术得到空前发展，在军械工业、精密仪器制造工业、汽车制造工业、电子工业、航天航空工业等行业都发挥着显著的作用。电化学蚀刻技术不仅只用在减轻零部件质量等工程领域，更重要的是电化学蚀刻技术能够在弯曲的壁厚较小的金属工件上蚀刻加工出各种异形沟槽，成为目前人们研究的热点。

电化学蚀刻是以金属的电化学阳极溶解为基础，即以工件为阳极，石墨、铜或其它导电性能好的材料为阴极，在电场作用下，阳极上非屏蔽部位的金属失去电子成为正离子进入电解液中，使阳极表面金属被有选择性地溶解掉从而形成图纹刻痕。相较于其他加工方法而言，具有加工范围广、加工表面质量好、加工效率高、没有宏观切削力、阴极不被消耗等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，本发明为一种对不锈钢进行快速精确电化学蚀刻的工艺技术，蚀刻槽颜色与基体相同，为光亮的银白色。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，所述工艺包括不锈钢表面清洗除油、抗蚀膜层建立、电化学蚀刻、脱膜&清洗（包括有害元素检测）及成品保护工序；

还包括蚀刻液配方成分：FeCl₃ - HCl；

工艺过程包括：将经过图文保护的不锈钢作为阳极，辅助电极（阴极：石墨电极），蚀刻过程选择导电棉作为电解液载体，在不锈钢表面感光胶涂覆范围内来回移动，以便清理时刻过程中阳极产生的金属氧化物；该方法下蚀刻槽的颜色为光亮银白色。

所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，所述蚀刻液配方，其质量分数（wt%）为：FeCl₃（10-40 wt%）+ HCl（1-10 wt%）+ 余量去离子水。

所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，所述蚀刻过程在室温下进行（考虑季节因素）蚀刻液温度为：10-35^oC；蚀刻电流密度为：0.6-1.2 A/cm²；蚀刻电压为：6.0-12.0V范围；根据工件厚度及图文标记效果的要求（一般≦0.1 mm即清晰可见），蚀刻时间可选择1-3min。

所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，所述蚀刻过程中，因导电棉一次可承载的电解液量有限，操作中建议每隔30 s，重新蘸取新鲜的蚀刻液。

所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，所述蚀刻过程的蚀刻深度，其获得深度> 0.1 mm的蚀刻槽，增加电解液浓度或延长蚀刻时间均是采用的方式。

附图说明

图 1 为电化学蚀刻加工原理示意图；

图2为抗蚀膜层显影后效果（a）及不锈钢蚀刻效果图（b）；

图3 为深度为0.05 mm 和0.10 mm的蚀刻槽及其周围形貌的影响照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明包括不锈钢表面清洗除油、抗蚀膜层建立、电化学蚀刻、脱膜&清洗（包括有害元素检测）及成品保护等工序。具体工艺流程为：不锈钢工件前处理→干燥→覆盖带有图纹的保护膜（无孔、耐蚀和耐热性能）→电化学蚀刻（正交试验探索最佳工艺条件）→清洗→脱膜→清洗→产品。

一．不锈钢工件蚀刻前处理

针对表面状态，可手工打磨除锈和表面活性剂除油，然后去离子水冲洗后，干燥备用。

二．抗蚀膜层的建立

菲林胶片制备：使用激光打印机将需要打印的图文印在防水菲林胶片上，随后用增黑剂对图文进行增黑；

抗蚀膜层的建立：抗蚀膜层即制作图文保护层，就是预先在金属表面遮盖或涂布一层成膜物质，把不需要蚀刻的部分保护起来，需要蚀刻的部分则暴露在外。本实验中采用感光显影型电泳抗蚀剂在金属基材上沉一层均匀的感光抗蚀膜，经热风干燥；将带有图文的菲林片覆盖在感光抗蚀膜上，在70 W紫外灯下曝光20-30 s即可形成蚀刻保护图形；与比传统的丝印感光膜相比，感光抗蚀膜层更薄、更贴合基体。不仅如此，感光显影型电泳抗蚀剂以水作溶剂、无气味、无挥性有机溶剂，在使用过程实现对环境的零污染。

三．电化学蚀刻液工艺

奥氏体不锈钢304中具有较高含量的Cr，因此耐蚀性能较好，不同腐蚀介质对其腐蚀性能从高到底依次为：80% H₂SO₄ > 混合酸（HNO₃和HCl）> 10% HCl > FeCl₃ > NaOH。

a.腐蚀介质的质量浓度不锈钢的蚀刻速度随溶液浓度增加而增大，蚀刻溶液中加入一定量盐酸、磷酸或硝酸等有利于提高蚀刻速度，同时可以避免Fe³⁺水解。为得到光亮的银白色蚀刻槽，本专利采用无机酸电解液体系，其质量分数（wt%）为：FeCl₃（10-40 wt%）+HCl（1-10 wt%）+ 余量去离子水。

b.蚀刻温度蚀刻温度不仅影响蚀刻速度，而且影响蚀刻面的光泽度、平整性和图纹膜的稳定性。从动力学角度考虑，蚀刻速度随着温度升高而增大，但是温度太高，蚀刻面粗糙度增大和咬边现象明显。综合考虑蚀刻速度、蚀刻效果和图纹膜的热稳定性等，拟将蚀刻温度控制在25～50℃范围内进行考察。

c.电解液更新由于导电棉一次可承载的电解液量有限，随着蚀刻反应的进行，蚀刻速度逐渐减小。操作中建议没每隔30 s，重新蘸取新鲜的蚀刻液。

d.辅助电极待蚀刻不锈钢板为工作电极（阳极），以与工件蚀刻范围相似面积的石墨电极作为辅助电极（阴极）。

e.电流密度由于不锈钢是一种合金，不同金属其电极电位不同，电解电流仅能使部分金属被腐蚀，为了避免不均匀腐蚀，实验中选定电流密度范围在0.2~1.0 A/cm³。

f.蚀刻时间蚀刻时间的长短对蚀刻深度有着重要的影响，实验中预期蚀刻深度在0.01 mm ~ 0.10 mm可调，因此蚀刻时间的设计区间在1 min ~ 3 min。

四．抗蚀膜层的脱除

当电解蚀刻完成后，用去离子水浸泡或浓度为5%（质量分数）的NaOH水溶液清洗，并用水冲洗干净，干燥后，即得到刻有永久性图文标记的不锈钢产品。建议：蚀刻后首先沾水脱模，感光抗蚀膜可用手撕掉，既不腐蚀基体又不会造成新的划痕。

五．清洗及离子检测

脱模后首先用去离子水充分冲洗蚀刻槽及周围表面，并用无尘布搽拭干净；随后用蘸有丙酮（符合 GB 686-89）或者无水乙醇（符合GB 678-2002）的无尘布反复清洗。建议至少重复两遍，以保证有害元素含量在安全范围内。清洗后，按要求检测氟、氯离子的含量，如果卤化物含量高于250 ppm，重复清洗操作。

不锈钢表面蚀刻槽及周围表面有害元素检测步骤：

(1) 挤出纱布中多余的水，将取样纱布装入事先冲洗干净的聚乙烯袋子内。如果存放时间超过一星期，纱布需用纯净水润湿。

(2) 取样时，用清洗过的，无卤素聚乙烯手套取出两片4英寸纱布，用其中一片擦拭大概20 dm²的面积。小件试验时用所能去的最大表面积。

(3) 将取样纱布和另外一个干净纱布分别放入无卤素的清洗过的聚乙烯袋子内。

(4) 从各自的聚乙烯袋子内取出取样纱布和干净纱布，分别放入100 ml烧杯内。

(5) 每个烧杯内加入50 ml纯净水，盖好后将溶液加热到沸点左右，持续30 min。在加热过程中搅动纱布，在搅动过程中确保无外界污染进入。

(6) 冷却取样纱布和干净纱布，可用0.45 μm滤纸过滤溶液到100 ml容积的烧瓶内。

(7) 采用离子选择性电极法测定蚀刻表面氟、氯离子含量。

结合实例说明实现蚀刻深度为0.1 mm蚀刻槽的具体步骤：

1. 电脑绘制图文，打印在菲林片上，稍候用毛笔蘸取增黑剂为图文增黑；

2. 将水溶性感光胶涂覆在不锈钢表面，涂覆范围需大于蚀刻图文范围，以保护基体；

3. 带感光胶风干后，将菲林片附在感光胶层上，用玻璃板或可弯曲PVC透明板压住，同时在70 W紫外灯下曝光20-30 s；

4. 曝光后，用毛刷蘸水轻刷去未曝光部分，显影。干燥，必要时进行二次曝光；

5. 蚀刻过程：蚀刻液15 wt% FeCl₃ + 2 wt % HCl + 余量去离子水，电流密度0.6-1A/cm²，电压为10 V。不锈钢工件连接稳压电源正极，石墨电极连接稳压电源负极，石墨电极前端放置导电棉以负载电解液，阴极在不锈钢表面显影后的感光抗蚀膜层范围内来回移动，30 s重新蘸取新鲜的电解液，蚀刻进行共2 min；

6. 脱膜：蚀刻后，稍加去离子水浸泡后即可手工除去抗蚀膜层。之后用去离子水清洗不锈钢表面。

不锈钢基体表面抗蚀膜层显影效果及蚀刻深度为0.1 mm 的蚀刻效果图见图2（a）和（b）。蚀刻槽显微形貌见图3所示，与基体相比，蚀刻槽内部粗糙度明显降低。

Claims

1.一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，其特征在于，所述工艺包括不锈钢表面清洗除油、抗蚀膜层建立、电化学蚀刻、脱膜&清洗（包括有害元素检测）及成品保护工序；

还包括蚀刻液配方成分：FeCl₃ - HCl；

2.根据权利要求1所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，其特征在于，所述蚀刻液配方，其质量分数（wt%）为：FeCl₃（10-40 wt%）+ HCl（1-10 wt%）+ 余量去离子水。

3.根据权利要求2所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，其特征在于，所述蚀刻过程在室温下进行（考虑季节因素）蚀刻液温度为：10-35^oC；蚀刻电流密度为：0.6-1.2 A/cm²；蚀刻电压为：6.0-12.0 V范围；根据工件厚度及图文标记效果的要求（一般≦0.1 mm即清晰可见），蚀刻时间可选择1-3min。

4.根据权利要求3所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，其特征在于，所述蚀刻过程中，因导电棉一次可承载的电解液量有限，操作中建议每隔30 s，重新蘸取新鲜的蚀刻液。

5.根据权利要求4所述的一种不锈钢银亮电化学图文标记工艺，其特征在于，所述蚀刻过程的蚀刻深度，其获得深度> 0.1 mm的蚀刻槽，增加电解液浓度或延长蚀刻时间均是采用的方式。