Hydratool.ru

Журнал "ГидраТул"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Какой кислотой травят металл

Травление

Травление — группа технологических приёмов для управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием химических веществ. Ряд способов травления предусматривает активацию травящих реагентов посредством других физических явлений, например, наложением внешнего электрического поля при электрохимическом травлении, ионизацией атомов и молекул реагентов при ионно-плазменном травлении и т. п.

Содержание

Определение. Виды [ править | править код ]

В литературе термин «травление», как правило, сопровождается определением, поясняющим конкретную технологию травления (химическое, кислотное, щелочное, электрохимическое и т. п.). При использовании термина «травление» без дополнительного определения, как правило, подразумевается химическое травление в водном электролите.

Если часть поверхности, подвергаемой травлению, требуется сохранить, то она защищается (химически или механически) путём наложения специальной маски.

Основные виды травления:

  1. жидкостное (химически активными растворами),
  2. электрохимическое,
  3. сухое (физическое распыление, ионное распыление; газофазное химическое травление; реактивное ионное травление).

Процесс травления [ править | править код ]

Процесс травления разделяется на следующие шаги:

  1. подготовку поверхности (например, механические шлифовка и полировка, обезжиривание);
  2. взаимодействие травителя или электролита (растворы кислот, растворы и расплавы солей и щелочей, другие органические и неорганические жидкости, плазма) с обрабатываемым материалом;
  3. очистку поверхности от травителя и продуктов травления (как правило, это отмывка каким-либо растворителем).

Процесс травления может сопровождаться газовыделением. В частности, кислотное травление металлов часто сопровождается выделением водорода, что требует применения особых мер безопасности.

При выполнении художественных работ, при производстве печатных плат и электронных приборов с использованием техник литографии часть поверхности защищают масками из веществ, устойчивых к травлению. Хотя в процессе травления обрабатывается только поверхность, при длительном травлении начинает стравливаться и материал под маской вблизи её краёв, что может привести к порче заготовки.

Процесс травления имеет склонность к селективности (избирательности). Избирательность травления основана на различии скоростей химической реакции на разных участках протравливаемой поверхности. В частности, повышенной скоростью травления характеризуются участки поверхности, имеющие макро- и микродефекты, такие как трещины, царапины, дислокации, вакансии, примесные атомы в кристаллической решётке и другие. К примеру, в поликристаллическом материале скорость травления межкристаллитных границ, выходящих на поверхность выше, чем скорость травления поверхности самих кристаллитов: это различие иногда используется для доочистки мелкодроблёного металлургического кремния. На селективность травления также влияет анизотропия свойств монокристаллов, то есть разные грани кристалла травятся с различной скоростью: это различие используется для проявления дефектов кристаллической решётки монокристалла, при этом дефекты атомного масштаба провоцируют появление ямок травления характерной (из-за анизотропии кристалла — зависимости результата травления от направления) формы микронного масштаба. Полученные ямки травления могут быть оценены как качественно, так и количественно с использованием обычного оптического микроскопа. При большой концентрации дефектов в протравленной области невооружённым глазом хорошо различимы матовость и рябь.

В ряде случаев склонность процесса травления к селективности играет негативную роль и должна быть максимально снижена. Неселективное (точнее слабоселективное) травление называют полирующим. При полирующем травлении, как правило, 2-й шаг травления (см. выше) происходит намного быстрее 3-го шага, вследствие чего большая часть материала поверхности успевает прореагировать и временно пассивироваться, прежде чем пассивирующие продукты травления освободят поверхность для следующего элементарного акта химической реакции. Превращение механизма травления в полирующее может быть достигнуто либо соответствующим подбором реагентов, либо изменением их концентрации, либо подбором температурных условий реакции, либо комбинированием этих способов.

Примером чёткой концентрационной зависимости селективности процесса травления может служить травление кремния в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот. В смеси азотная кислота отвечает за окисление поверхности кремния, а плавиковая за перевод окисла в удаляющуюся газовую фазу. При весовом соотношении азотной кислоты к плавиковой меньшем чем 1:1 травление имеет чисто селективный характер. При повышении концентрации азотной кислоты до 2:1 травление приобретает выраженный полирующий характер.

Читайте так же:
Из чего состоит газовый резак

Травители [ править | править код ]

Травители используются в химическом и электрохимическом травлении. Травители для электрохимического травления в отсутствие электрического тока могут вообще не воздействовать на материал, либо их воздействие может отличаться от воздействия при протекании электрического тока.

Различают травители однокомпонентные и многокомпонентные.

Компоненты многокомпонентных травителей выполняют в травителе 3 основных роли:

  1. модификация поверхности обрабатываемого материала (например, окисление поверхности);
  2. растворение модифицированного материала (например, растворение образовавшегося окисла);
  3. управление процессом травления (например, увеличение или уменьшение скорости стравливания, усиление или ослабление степени селективности травления и т. п.).

Различают травители селективные и неселективные. Степень селективности травителя также может быть различной.

Для чего используют травление металла

Ряд технологий для управления удалением поверхностного слоя металлической детали при помощи специально подобранных химических реагентов называется травлением металла. Оно позволяет удалять с изделий окалину, ржавчину и окислы под действием кислот, солей и щелочей в растворах. Таким способом проводят дополнительную подготовку изделий из металла к соединению или нанесению покрытия, что улучшает сцепление деталей или наносимого слоя с основой. Чаще всего применяется травление металла химическое, осуществляемое погружением заготовки в ванну с растворенными химическими реактивами.

Способы химического травления металла

Также существуют его виды, предусматривающие дополнительную активацию травящих веществ с помощью физических факторов. Это травление металла электрохимическое (или гальваническое) под действием электрического поля или ионно-плазменное посредством ионизации частиц реагентов. Если слово «травление» употреблено без указания его вида, то речь идет о химическом травлении в водном электролите. Его еще называют «жидким», в отличие от «сухого» ионно-плазменного.

Электрохимическое травление металла

При травлении металла кислотой, как правило, серной либо соляной, в ее раствор погружают заготовку. В кислотную реакцию при этом вступают как окислы, существующие на поверхности детали, так и металл основной. От увеличения содержания кислот операции растворения ускоряются одновременно для окислов и основного металла. На скорость процесса травления металла, помимо концентрации кислоты, влияют также его температурный режим, а также химический состав окислов. Наиболее оптимальное сочетание этих факторов позволяет вести травление так, чтобы при максимально скором растворении окислов оно как можно меньше затрагивало основной металл. Помимо этого в художественном травлении, когда необходимо сохранить нетронутой часть поверхности изделия, она покрывается особым защитным слоем.

Травление металла кислотой

Для очистки железа от поверхностных оксидов оптимален раствор 10% соляной кислоты с температурой в 40 єС (для использования кислоты серной – 60 єС). С увеличением этой температуры возрастает и скорость процесса. Получаемые в ходе травления металла соли также способны влиять на скорость процесса. Одни из них, например FеСl2, увеличивают ее, а другие, такие как FeSO4, уменьшают.

Травление металла хлорным железом осложняется получением водорода в ходе реакций железа и кислот. Он взаимодействует с верхним слоем металла, образуя в нем «травильные пузырьки» и делая изделие более хрупким. С целью предотвращения такого эффекта в ванну с травильным раствором добавляются особые добавки, замедляющие реакции. Они, создавая специальную оболочку, защищают металл от негативного воздействия водорода.

Баки из бетона или дерева, покрытые внутри кислотоупорными материалами, служат основным оборудованием для травления металла. Для удобства погружения небольших заготовок в ванны с травильным раствором используют особые лотки с корзинами. Когда необходима очистка не всей поверхности, а только ее части, например, паяного шва, то для нанесения травильных растворов на его поверхность применяют кисточку. Затем деталь аккуратно промывают водой. Травильные пасты необходимы для очищения частей металла, покрытых ржавчиной. Участок, пораженный ржавчиной, в два приема покрывают разными слоями паст с последующим промыванием.

Читайте так же:
Витая пара обжим схема 8 жил фото

Для обработки поверхности детали из меди или ее сплава применяется травление металла кислотами азотной, соляной либо серной. Алюминиевые детали следует травить щелочными растворами. Никель со сплавами подлежат очистке растворами серной кислоты с добавлением хромового ангидрида. Мельхиоровые детали очищают также раствором серной кислоты, добавляя в него хромпик. При этом их нужно промывать после процедуры травления теплой водой, растворив в ней немного винного камня. В виде потравы железных либо стальных изделий пользуются растворами нашатыря либо железным купоросом, бронзовые и латунные детали требуют травления металла медным купоросом, а цинковые изделия – цинковым купоросом, а также раствором окиси хлористого цинка.

Особенности процесса электролитического травления

Электролитическое или гальваническое травление металла применяют с целью ускорения очистки деталей способом погружения в ванну с раствором, на что обычно уходит много времени. Этот процесс проходит гораздо быстрее, если металлические детали помещать в электролитическую ванну в виде катодов или анодов. Отсюда и разделение электролитического травления на катодное и анодное.

Электролитическое травление металла

Для анодного метода травления металла в качестве электролита используются щелочные растворы солей металлов и кислот. Катодом при этом обычно служат свинец или реже железо как материалы, не растворяющиеся в электролите. Учитывая скорость процесса травления металла электролизом, в очистке изделий этим способом необходимо строго соблюдать определенный режим, чтобы не подвергать металл риску чрезмерного электролитического растворения. Характеристики анодного тока выбирают, исходя из состояния поверхностного слоя изделия, а также необходимой скорости процесса. Травление ведется в комнатной температуре. Продолжительность операции определяют опытным путем.

Анодное травление

Катодный способ травления металла предполагает использование в виде анода свинца либо сплава его с сурьмой. В смеси с растворами кислот соли щелочного металла являются электролитом. В основе данной технологии лежит действие водорода, получаемого на катоде. Он способствует восстановлению металлов из окислов, находящихся на детали, а водород в виде газа отделяет их с поверхности металла. Этот вариант травления не подходит для заготовок из закаленной стали из-за возможного наводораживания поверхностного слоя металлической детали. Уменьшить его при использовании этой технологии травления металла возможно, если ввести соли олова и свинца в ванну с электролитом.

Гальваническое травление экономичнее в сравнении с химическим. Это касается не только затрат времени, но и количества применяемых химических средств. Кроме того химический состав потрав для такого травления не включает едких кислот, поэтому в ходе его не выделяются газы, негативно действующие на здоровье.

Травление металла

По завершении травления проводят нейтрализацию возможных остатков растворов после очистки на изделиях. Если этого не делать, частицы солей либо кислот могут способствовать началу коррозии металла. В целях удаления этих остатков изделия помещают ненадолго в раствор с кальцинированной содой. После этого детали промывают холодной, а затем горячей водой и высушивают. Хранение обработанных таким образом изделий не вызывает коррозии, но во избежание возможного окисления лучше сразу подвергнуть их пайке.

Читайте так же:
Как уровнем проверить вертикаль

Травильные растворы и резисты

Определение «травильный раствор» применимо к любому раствору, который используется для травления металла. И хотя некоторые из кислот травят почти все, для каждого металла есть 1-2 таких травильных раствора, которые будут действовать исключительно только на него.

Резисты – это такие кислотоупорные покрытия, которые защищают отдельные участки металлического изделия, а это позволяет мастеру осуществить декорирование. И опять же, некоторые резисты могут противостоять почти любому травильному раствору, но все же для каждого раствора имеются именно свои резисты.

То, какой рисунок и каким методом мы хотим получить, часто определяет, каким именно конкретным резистом следует воспользоваться. Иногда необходим фоторезист, другие резисты применяются художниками, а есть и такие, которые особенно удобно наносить на неровную поверхность. Для того чтобы определить, какими травильными растворами и резистами вы будете пользоваться, нужно экспериментировать.

Азотная кислота

NHO, фармацевтическое наименование – aqua fortis. Это прозрачная дымящая жидкость, цвет которой варьируется от бесцветного и до желтого. Она очень едкая и в некоторых растворах становится даже взрывоопасной. Со времени ее открытия в 1787-ом году ее использовали в качестве резиста для меди.

Однако оказываемое ею сильное разъедающее воздействие является существенным недостатком тогда, когда требуется неглубокое травление. Художники-граверы чаще всего предпочитают использовать смесь соляной кислоты, бертолетовую соль и воду, именуемую Голландской Протравой.

Для ювелиров и художников по металлу азотная кислота наиболее часто используется в качестве средства для травления стерлингового серебра. Для этого ее нужно смешать с водой в соотношении 1 к 3. Особенно важно смешать компоненты именно в определенном порядке и по специальным правилам, всегда добавляя кислоту в воду.

Поскольку кислота тяжелее воды, она будет опускаться на дно контейнера и начнет смешиваться с водой. Если сделать все наоборот, то вода останется на поверхности кислоты, а это ограничит контактную поверхность двух жидкостей. Если смешивание будет пространственно ограничено маленьким участком, чрезмерное количество выделяемого тепла приведет к разбрызгиванию кислоты.

Азотная кислота также используется с 3-мя частями серной кислоты. Получившаяся в результате смесь чрезвычайно активна и именуется Аква Регия или «Царская водка». Она широко используется для травления сплавов золота 420 пробы.

Резисты для азотной кислоты

Поскольку этот травильный раствор очень агрессивный, только сильные резисты могут выдержать его воздействие. Наиболее распространен для этих целей битумный лак. Его можно свободно купить в очищенном виде в спецмагазинах для художников. В более грубом виде он используется на автодорогах в качестве порозаполнителя.

Битумный лак представляет собой густую краску, которую наносят кистью на чистую поверхность металла. Требуется от 15 мин до 2-ух ч, чтобы он полностью просох. Один из вариантов – это использование битумного лака в смеси с воском в соотношении один к одному. Смесь, именуемую твердый грунт, выливают на каменную или стальную плиту и, когда она остынет, собирают, не забыв надеть на руки перчатки.

Ее скатывают в шар, а затем натирают слегка нагретый металл, чтобы получилось защитное покрытие.

Хлорид железа

Этот травильный раствор (FeCl, хлорное железо) приобрел широкую популярность на протяжении последнего десятилетия, поскольку он медленно и ровно протравливает медь и латунь. Он продается в форме желтых гранул либо же в виде смешанного с водой раствора глубокого янтарного цвета.

Читайте так же:
Классификация фрез по металлу

Хлорное железо – значительно менее агрессивный окислитель, если сравнивать с азотной кислотой, хотя этот факт ни в коей мере не избавляет от принятия необходимых мер безопасности. Особенно важно то, что хлорное железо не склонно к образованию паров, и потому требуется только минимальная вентиляция помещения.

В процессе реакции меди с азотной кислотой молекулы водорода освобождаются и выделяются в виде газа. Это вызывает вспенивание или образование пузырьков, которые способствуют удалению корродированных частиц меди.

Реакция с хлорным железом проходит не столь бурно, и, как конечный результат, на предмете образуется слой, который может приостановить процедуру дальнейшего травления. Поэтому предмет помещают или в травильную ванну обрабатываемой поверхностью вниз или в устройство, которое сбрызгивает предмет кислотой таким способом, чтобы она стекала.

Резисты для хлорного железа

Одна из причин популярности этого травильного раствора кроется в большом выборе резистов, которые могут с ним применяться. Несомненно, подойдет универсальный битумный лак. Но также хорошо будут работать и множество масляных красок, перманентных маркеров черного цвета, обычные лаки для ногтей, восковые карандаши, а также переводные буквы.

Для того чтобы предохранить от коррозии большие участки, их нужно защитить изоляционной лентой. Она, в свою очередь, не только быстро накладывается, но и легко снимается.

Подготовка поверхности перед цинкованием

операциями травления, промывки и цинкования не было бы промежуточной выдержки. В случае появления налета ржавчины удаление ее может быть произведено только путем повторного травления. Флюс предназначен

для активирования поверхности железа перед нанесением металлического покрытия, но не для удаления ржавчины.

Соляная кислота как средство травления отличается от серной кислоты еще тем, что она в меньшей степени

растворяет металл и хорошо растворяет окалину. Незначительное воздействие соляной кислоты на металл заметно уменьшает брак при травлении.

Из практики известно, что в ваннах с НС1 содержится значительно меньше шлама в виде отслоившейся окалины, чем в ваннах с H2SO4. Высокое содержание окалины в шламе сернокислотных ванн к тому же является доказательством того, что отслоившаяся от поверхности металла окалина вследствие прекращения электрохимического процесса растворяется значительно медленнее, чем окалина, контактирующая с протравливаемым металлом. Травильный шлам содержит в основном Fe203 и почти не содержит FeO, так как последний хорошо реагирует с минеральными кислотами.

Удаление окалины и ржавчины с металла, подверженного травильной хрупкости, необходимо производить в ваннах с НС1 средней концентрации и низким содержанием железа.

Соляная кислота хорошо травит уже при комнатной температуре раствора, что также является ее преимуществом. Принято, что время травления одинаково для ванны с 20%-ной соляной кислотой, а также и для сернокислой ванны с той же концентрацией, но при температуре 55—60° С. Следует учесть также лучшую растворимость в воде хлорида железа. При одинаковом расходе промывной воды на металле, протравленном в серной кислоте, остается больше солей железа, чем на обработанном в соляной кислоте; указанные соли вызывают образование гартцинка в ванне цинкования. Повышенная температура сернокислой ванны может служить причиной высыхания солей на поверхности протравленного металла перед погружением в промывную ванну; отмыть такое соединение водой почти невозможно. Это явление можно наблюдать в автоматических травильных установках в тех случаях, когда время, установленное между травлением и промывкой, слишком велико.

В отделениях травления в соляной кислоте методом погружения температура кислоты, как правило, не превышает 20° Сив настоящее время во избежание усилен

Читайте так же:
Лучшая торцовочная пила с протяжкой рейтинг

ного образования кислотного тумана. При работе с соляной кислотой требуется особо тщательная вентиляция. Эта кислота представляет собой раствор в воде газа НС1. С повышением температуры растворимость газов в водных растворах снижается. Таким образом, из концентрированной соляной кислоты можно удалить часть растворенного хлористого водорода в виде газа путем ее нагрева.

Вследствие агрессивности тумана НС1 опасность коррозии в травильных отделениях, работающих с соляной кислотой, особенно значительна. Электроустановки выходят здесь из строя чаще, чем в травильных цехах, работающих с серной и фосфорной кислотами. Затруднен выбор материала подвесок, повышаются расходы на транспортировку и хранение концентрированной соляной кислоты, содержащей значительную долю воды; в связи с вызванной этим высокой степенью диссоциации хлористого водорода можно использовать только кислотостойкие сосуды и трубопроводы. Концентрированную серную кислоту благодаря высокой ее концентрации и обусловленной этим низкой степени диссоциации можно транспортировать в концентрированном состоянии в цистернах из обычной стали.

Существенное влияние на результат травления Оказывает концентрация железа в ванне. Из практики известно, что высокое содержание железа вызывает брак, поэтому количество ионов железа в травильном растворе не должно превышать определенного значения. Особенно отрицательное влияние оказывает высокое содержание солей железа в сернокислотных ваннах. В этих случаях чаще возникают пороки травления, а потребное время травления увеличивается настолько, что, несмотря на относительно большое количество кислоты, раствор подлежит замене.

Корректировка сернокислотной ванны с целью снижения содержания железа не рекомендуется. Поэтому начальная концентрация кислоты не должна превышать 20% и в тех случаях, когда ванну вырабатывают до малых концентраций кислоты. В настоящее время в ряде травильных отделений максимальную начальную концентрацию серной кислоты принимают 15% для удержания содержания железа в растворе на низком уровне.

Протравливаемый металл. На процесс травления

влияют состав металла, форма изделия и свойства находящихся на нем окалины и продуктов коррозии.

На рис. 13 видно, как влияет состав стали на процесс травления. Две отливки из кипящей стали сечением 80Х Х80 мм (правая) и 100Х100 мм после 60-дневной выдержки в ванне травления, содержащей в среднем 15%-ную H2S04 и 60 г/л Fe 2+ , уменьшились до 24X24 мм (рис. 13, правый) и до 40X40 мм (рис. 13, левый).

Отчетливо видно, что наибольшему растворению подвергалась верхняя часть, поскольку при отливке загрязнения концентрируются в этой части изделия. На этом основании образцы листовой стали, предназначенные для испытания процесса травления, например определения коэффициента торможения, должны быть изготовлены из спокойной стали, иначе результаты будут сильно различаться, так как из-за наличия зон ликвации листовые образцы будут иметь различные свойства.

Такое же влияние на процесс травления, как и неоднородность состава самого материала, могут оказать неоднородная деформация или неравномерное охлаждение изделия. Так, например, на обрезных краях стальных образцов в результате появляющегося на этих поверхностях наклепа растворение металла протекает иначе, чем в тех местах, где материал имеет нормальное строение. Это явление отчетливо видно по различному выделению водорода. Аналогичное влияние оказывают отклонения в характере структуры, возникающие в результате неравномерного охлаждения сплавов железа.

Три окисла железа в чистой форме встречаются только при образовании окалины на чистом железе. Поэтому

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector