不锈钢模具板化学蚀刻、抛光和电镀铬研究
孙从征 管从胜
(山东大学化学与化工学院,山东济南250100)
摘要:研究了不锈钢模具板的化学蚀刻、化学抛光和电镀铬工艺。分析了影响蚀刻、化学抛光和电镀铬质量的因素,得到了化学蚀刻、化学抛光及电镀铬最佳工艺参数和操作规范。该工艺可以用于各种类型不锈钢的化学蚀刻、化学抛光和电镀铬处理。 关键词:不锈钢;模具板;化学蚀刻;化学抛光;电镀铬 中图分类号:TG175;TG178;TQ153.11文献标识码:A 引 言 人造木材由于具有色彩鲜艳、图案清晰和价格低廉等优点,而广泛应用于建筑装饰和家具等行业,制约人造木材生产的关键是模具板。利用蚀刻方法能够在不锈钢模具上雕刻出各种花纹图案,提高所加工制件的装饰和美观性能。在蚀刻的基础上进行抛光和电镀铬,不仅可以降低模具的粗糙度,而且可以提高其耐磨性能等。 不锈钢蚀刻技术分为机械、化学和电化学方法等[1～4],其中化学蚀刻具有工艺简单、操作方便、精度高和生产成本低等优点,适合于批量生产,蚀刻深度为20～200μm。化学蚀刻涉及材料科学、照相制版技术和金属腐蚀与防护等。图纹膜的致密性、耐蚀性和耐热性尤为重要。不锈钢抛光技术分为机械、化学和电化学抛光,其中化学抛光具有工艺简单、操作方便、投资少、生产成本低和适应性强等特点[5,6],化学抛光实际是不锈钢溶解和钝化两种过程相互竞争的结果,抛光质量不仅与不锈钢材质、加工方法、制品大小和结构以及表面状态等有关,而且还与溶液配方和抛光工艺参数有关。化学抛光溶液分为王水型、硫酸型、磷酸型和醋酸-双氧水型等[7],为了改善和提高抛光质量而加入一定量添加剂,添加剂的作用包括缓蚀、整平、增稠、增光、消泡和抑雾等[8]。不锈钢化学抛光分为浸泡、喷淋和涂膏等,浸泡又分为高温、中温和室温抛光[9]。 目前,我国人造木材行业应用的模具板主要是从欧洲进口,不仅价格昂贵,而且修复困难,因此不锈钢模具板的国产化势在必行。本文针对国产不锈钢板材,研究了化学蚀刻、化学抛光和电镀铬工艺参数。 1实 验 1.1各种溶液组成 1.2工艺流程和工艺规范 不锈钢工件→前处理(手工清理,去除毛刺和焊瘤等)→除油(70～80℃,除尽为止)→清洗→干燥→覆盖带有图纹的膜(应具有无孔、耐蚀和耐热)→化学蚀刻(45～50℃,蚀刻速度10～20μm/h)→清洗→脱膜→清洗→化学抛光(25～40℃,1～5h)→清洗→中和(25～40℃,1min)→清洗→电镀铬(阴极电流密度50～60A/dm2,55～60℃)→产品→保护处理→入库。 2实验结果与讨论 2.1影响蚀刻的因素 1)FeCl3的质量浓度 在蚀刻温度为50℃和盐酸为12mL/L条件下实验:a.FeCl3质量浓度不仅影响蚀刻速度,而且影响蚀刻质量。当FeCl3小于600g/L时,蚀刻速度慢,很难达到蚀刻效果;b.当FeCl3在600～900g/L范围内,蚀刻速度随FeCl3质量浓度的增加而增大;c.当FeCl3质量浓度大于900g/L时,不仅蚀刻速度随着FeCl3质量浓度的增加而减小,而且蚀刻面出现不均匀现象,蚀刻面大时尤为明显,这是由于蚀刻产物在蚀刻面上结晶析出所致。综合考虑,对于奥氏体不锈钢,FeCl3质量浓度应控制为660～850g/L。另外,搅拌有利于蚀刻产物的溶解,但是搅拌速度太快会引起图纹膜脱落。 2)盐酸的质量浓度 不锈钢的蚀刻速度随溶液酸度增加而增大,因此在蚀刻溶液中加入一定量盐酸、磷酸或硫酸等有利于提高蚀刻速度,同时可以避免Fe3+水解。实验结果显示,采用8～20mL/L的盐酸效果较好。 3)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,控制蚀刻温度在45～50℃范围内为宜。 4)蚀刻溶液维护 随着蚀刻反应的进行,蚀刻速度逐渐减小。在蚀刻过程中,及时补加盐酸和双氧水使蚀刻溶液再生,保证FeCl3的氧化电位大于540mV。 随着蚀刻的进行,溶液中Cr3+和Ni2+浓度不断增大,当浓度增大于一定值后,无论怎样调整也达不到蚀刻效果,此时应弃掉重新配置。另外,在蚀刻过程中及时补加盐酸和用空气搅拌也能起到维护蚀刻溶液的作用。 2.2影响抛光的因素 1)硝酸的质量浓度 在盐酸为125mL/L、磷酸为25mL/L、温度为35℃和时间为2h条件下,发现:a.当硝酸小于10mL/L时,开始表面上形成一层浅黄色粘膜,后期表面呈浅灰色,亮度很差;b.当硝酸为15～50mL/L时,开始表面上形成较厚的青色粘膜,后期表面有一层浮灰,擦去后光亮如镜;c.当硝酸大于50mL/L时,表面首先有一层极厚的青绿色粘膜,后期表面有大量浮灰,亮度很差且有大量黄烟生成。这是因为硝酸是强氧化性酸,对不锈钢具有酸性溶解和钝化双重作用。当硝酸浓度过低时,主要表现为酸性腐蚀溶解,不光亮;当硝酸浓度过高时,不锈钢溶解过快,形成大量黄烟,不易控制,没有亮度。综合考虑,硝酸应为15～40mL/L。 2)盐酸的质量浓度 在硝酸为45mL/L、磷酸为25mL/L、温度为35℃和时间为2h条件下,发现:a.当盐酸小于50mL/L时,开始表面形成一层浅黄色粘膜,后期表面虽然平整,但不光亮;b.当盐酸在60～130mL/L时,表面形成较厚的青色粘膜,表面比较光亮;c.当盐酸大于140mL/L时,开始表面有一层极厚的青绿色粘膜,后期表面无浮灰,但乌黑,有明显的气道和大量黄烟生成。原因在于盐酸是非氧化性酸,不仅可以去除不锈钢表面的氧化皮,而且也可以溶解不锈钢基体,特别是微观突起部分,起一定整平作用。盐酸用量较少时,不锈钢溶解缓慢,所需抛光时间很长,而且容易出现局部腐蚀现象,特别是当材质不均时尤为明显。当盐酸用量较多时,不锈钢溶解过快,不锈钢表面会有明显的气体流动痕迹,抛光效果很差,同时大量Fe2+加速了硝酸的还原,析出的NOx气体形成黄烟污染环境。综合考虑,盐酸可控制为60～100mL/L。 3)磷酸的质量浓度 在硝酸为45mL/L、盐酸为125mL/L、温度为35℃和时间为2h条件下,发现:a.当磷酸小于15mL/L时,开始表面形成一层浅黄色粘膜,后期表面既不平整又发黑;b.当磷酸为20～50mL/L时,开始表面形成较厚的青色粘膜,可以得到较高的光亮度;c.当磷酸大于60mL/L时,开始表面有一层厚青绿色粘膜,后期没有气道出现和黄烟生成,虽然表面相当平整,但乌黑没有亮度。磷酸溶解能力比盐酸低,没有氧化能力,在抛光溶液中加入磷酸是为了在不锈钢表面形成一层磷酸盐膜,以阻止对不锈钢基体造成过腐蚀,但较高的磷酸易形成较厚的磷酸盐膜,从而影响溶解速度,导致光亮度较差。综合考虑,磷酸的用量为20～45mL/L。 4)添加剂 以氯烷基吡啶、卤素化合物、含氰化合物和磺基水杨酸为光亮剂,若丁和有机胺为缓蚀剂,纤维素醚、聚乙二醇、丙二醇和丙三醇为增稠剂实验发现,采用复合光亮剂、缓蚀剂和增稠剂效果效好,添加量分别为1～5g/L、0.2～2g/L和2～20g/L,复合光亮剂∶缓蚀剂∶增稠剂=4∶1∶6。添加剂最适宜的总质量浓度为5～10g/L。 5)温度和时间 固定盐酸为125mL/L、硝酸为45mL/L、磷酸为25mL/L、添加剂总质量浓度为6g/L。实验发现,在25～40℃温度范围内,抛光1～5h,都可以获得光亮如镜的抛光面。降低抛光温度,必须适当提高抛光时间。 2.3抛光溶液维护 随着抛光的进行,三种酸的浓度会有所改变,抛光效果会越来越差,为了保持抛光效果,延长抛光溶液的寿命,抛光一段时间以后需要对抛光溶液进行调整维护。三种酸的添加比例:硝酸(65%)∶盐酸(36.5%)∶磷酸(85%)=10∶1∶1。当抛光溶液使用较长时间以后,经调整仍得不到理想效果时,应弃去重配。 2.4电镀铬及影响因素 1)铬酐质量浓度 铬酐的质量浓度除了对镀速有很大的影响,还直接影响着镀液的稳定性。其主要原因是铬酐的质量浓度较低,使镀液对杂质离子如三价铁离子变得极为敏感。考虑到稳定的情况,铬酐的质量浓度应在230～270g/L。 2)硫酸质量浓度 硫酸质量浓度是电镀中较难控制的参数。硫酸质量浓度过高或过低,往往会引起镀层“露黄”、带黄彩膜或蓝彩膜、烧焦和发雾等问题。中浓度镀铬溶液中硫酸的质量浓度是根据其与铬酐质量浓度的比值确定的。通常,铬酐/硫酸=90～120,因此,硫酸的质量浓度取为2.3～2.7g/L。 3)三价铬质量浓度 三价铬离子应该保持一个较低的水平,因为随着三价铬质量浓度的升高,便会出现分散能力降低、电流范围狭窄等一系列的问题。这些问题通过增加阳极面积等方法是无法解决的。实验发现,当三价铬的质量浓度<5g/L时,镀液会相当的稳定。 4)阴极电流密度 实验发现,在较宽的电流密度范围内均可得到质量良好的镀层,而当电流密度过高时,镀层开始由光亮变得泛白,甚至出现镀件边角粗糙、烧焦的现象。电流密度过低也会出现光亮度降低、漏镀的现象。综合考虑,阴极电流密度应保持在50～60A/dm2。 5)温度 赫尔槽和小槽实验说明温度对镀层的外观和质量有很大的影响,温度较低时,电结晶过程较慢,阴极极化较大,晶粒细致紧密,但色泽较暗;温度较高时,阴极极化较小,镀速很快,但镀层疏松多孔,质量较差。综合考虑,温度应控制在55～60℃。 3结 论 1)化学蚀刻最佳配方和工艺参数为:FeCl3660～850g/L、HCl(36%)8～20mL/L,添加剂10～20g/L,温度45～50℃。在此条件下,蚀刻速度为10～20μm/h,蚀刻时间根据图纹具体深度而定。 2)化学抛光最佳配方和工艺参数为:硝酸(65%)15～40mL/L,盐酸(36.5%)60～100mL/L,磷酸(85%)20～45mL/L,复合光亮剂1～5g/L,缓蚀剂0.2～2g/L,增稠剂2～20g/L,抛光温度为25～40℃,抛光时间为1～5h。在此条件下,可以获得光亮如镜的抛光面。 3)电镀铬最佳工艺:铬酐230～270g/L,硫酸2.3～2.7g/L,三价铬<5g/L,阴极电流密度50～60A/dm2,温度55～60℃。铬酐在电镀铬溶液中不仅起到稳定镀液的作用,而且对pH也有一定的缓冲作用,从而使得镀层厚度可持续增加。 参考文献: [1]方智,吴荫顺,张琳,等.一种不锈钢快速深度电化学蚀刻方法[P].中国专利:94115526A,1996-04-10. [2]李金题.不锈钢制品印刷花纹图纹腐蚀技术[P].中国专利:86108399A,1988-06-22. [3]顾江楠,余尚先.三氯化铁蚀刻不锈钢研究[J].电镀与精饰,1988,10(4):6. [4]余焕权.不锈钢花纹图案蚀刻技术[J].材料保护,2000,33(2):22-25. [5]管从胜,熊金平,徐庆莘.不锈钢化学抛光研究[J].电镀与精饰,1995,17(5):36. [6]周金保.不锈钢化学抛光工艺的发展[J].电镀与环保,1998,18(3):3. [7]屈战民.浅谈不锈钢化学抛光添加剂的选择[J].电镀与涂饰,2003,22(4):46. [8]高峰,张明宗,郭玉梅,等.浅谈大型不锈钢冻干机化学抛光[J].电镀与精饰,1999,21(4):18-21 |
