что такое травление в химии
Травление
Травление — группа технологических приёмов для управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием специально подбираемых химических реактивов. 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.
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:
Содержание
Процесс травления
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 может быть селективным. Селективность травления основана на различии скоростей химической реакции на разных участках протравливаемой поверхности. Так, к примеру, в поликристаллическом материале скорость травления межкристаллитных границ, выходящих на поверхность выше, чем скорость травления поверхности самого кристаллика: это различие иногда используется для доочистки мелкодроблёного металлургического кремния. При травлении монокристаллического материала скорость травления повышается на механических дефектах и на дефектах кристаллической решётки, также сказывается анизотропия свойств кристалла, т.е. 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) 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.
Травители
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:
Различают травители селективные и неселективные. Степень селективности травителя также может быть различной.
Применение
Травление металла
Травление – это процесс очистки и обработки металлической заготовки. Химическое, кислотное, щелочное, электрохимическое – есть много способов выполнения этой технологической операции. Где применяют травление металла, зачем его используют в промышленности, какие бывают способы обработки с применением этой технологии, всё эти вопросы подробно разобраны в представленной ниже статье.
Что такое травление
Это технология удаления верхнего слоя с поверхности металлической детали. Технология применяется для очистки заготовок от окалины, ржавчины, окислов и снятия верхнего слоя металла. Используя этот способ, снимают верхний слой для поиска внутренних дефектов и изучения макроструктуры материала.
С помощью травления зачищают деталь и увеличивают адгезию поверхности. Это делают для последующего соединения металлической поверхности с другой заготовкой, перед нанесением краски, эмали, гальванического покрытия и других защитных покрытий.
Метод позволяет не только быстро очистить деталь, но и создать на металлической поверхности нужный рисунок. Этим методом вырезают на металлической поверхности тончайшие каналы и сложные изображения. Можно выполнять очистку габаритных деталей или проката. Глубина обработки регулируется с точностью до несколько микрон, что позволяет изготавливать сложные детали с небольшими пазами и другими сложными элементами.
Применение травления в промышленности
Виды травления
Основные разновидности применяемой в промышленности обработки металлов:
Электролитическое травление
Электролитическая или гальваническая обработка металла применяется для быстрой очистки деталей, нанесения гравировок и получения пазов. Металлические детали погружают в кислотный или солевой электролит. Деталь становится катодом – отрицательным электродом или анодом – положительным электродом. Поэтому классифицируют два типа электролитического травления – катодное и анодное.
Химическое травление
Метод химической обработки используют для очистки поверхности детали от оксидной плёнки, окалины и ржавчины для заготовок из следующих материалов:
Для травления применяют серную, соляную или азотную кислоту. Заготовку погружают в кислотный или щелочной раствор, расплав соли и выдерживают на протяжении нужного временного интервала. Необходимое время для очистки может составлять от 1 до 120 минут.
Процесс очистки происходит за счёт выделения водорода при взаимодействии кислоты с металлом. Молекулы кислоты проникают через поры и трещины под оксидную плёнку. Там они взаимодействуют с металлической поверхностью, выделяется водород. Выделяющийся газ отрывает оксидную плёнку и очищает деталь.
Одновременно с оксидами в кислоте растворяется обрабатываемый металл. Чтобы предотвратить этот процесс используются ингибиторы коррозии.
Плазменное травление
При ионно-плазменном способе очистка и снятие поверхностного слоя происходит путём бомбардировки детали ионами инертных газов, которые не вступают в химическую реакцию с молекулами обрабатываемого материала. Позволяет делать высокоточные насечки, пазы с точностью до 10 нм. Технология применяется в микроэлектронике.
Плазмохимический метод предусматривает возбуждение плазмы в химически активной среде, что вызывает образование ионов и радикалов. Активные частицы, попадая на металлическую поверхность, вызывают химическую реакцию. При этом образуются лёгкие соединения, которые удаляются из окружающей воздушной среды вакуумными насосами.
Метод основывается на химических реакциях, возникающих при использовании химически активных газов, таких как кислород, обладающих большой реакционной способностью. Эти газы активно взаимодействуют в плазме газового разряда. В отличие от плазменной обработки в инертных газах при этом способе очистки активный газ вступает в реакцию только с определёнными молекулами.
Недостатком этого метода является боковое расширение пазов.
Травители
Травление углеродистых сталей осуществляется в 8-20% растворе серной или 10-20% соляной кислоты. С обязательным добавлением ингибиторов коррозии (КС, ЧМ, УНИКОЛ) для устранения хрупкости материала и уменьшения возможности перетравливания.
Изделия из нержавеющей или жаропрочной стали обрабатываются с применением раствора, состоящего из: 12% соляной, 12% серной, 1% азотной кислоты. Если требуется, обработку делают в несколько ступеней. Первая – в 20% соляной кислоте разрыхляется окалина. Второй этап – это погружение в 20-40% раствор азотной кислоты для полного удаления поверхностных загрязнений.
Толстый слой окалины, который образуется на нержавеющей стали, при её производстве удаляют 75-85% расплавом едкого натра с 20-25% азотнокислого натрия. После чего в 15-20% азотной кислоте производится полное удаление окислов.
Обработку алюминия и сплавов на его основе используют снятия тугоплавкой оксидной плёнки с поверхности заготовки. Для этого применяются щелочные или кислотные растворы. Обычно используют 10-20 % щёлочь, при температуре 50-80 ºС, процедура травления занимает менее 2 минут. Добавка в щелочь хлористого и фтористого натрия делает этот процесс более равномерным.
Очистка титана и его сплавов, проводимая после термической обработки, выполняется в несколько этапов. На первой стадии в концентрированном едком натре разрыхляют окалину. Затем удаляют окалину в растворе из серной, азотной или фтористоводородной кислоты. Для удаления оставшегося травильного шлама используют соляную или азотную кислоту с добавкой небольшого количества фтористоводородной кислоты.
При обработке меди и ее сплавов используют травители из перекиси водорода, хромовой кислоты и следующих солей:
Этот информационный материал подробно описывает применяемый на металлургических предприятиях процесс травления. Способ позволяет быстро очищать поверхность металла от окислов, окалины, ржавчины и других загрязнений. Благодаря травлению можно наносить на металл различные рисунки, создавать сложные микросхемы и делать микроскопические каналы нужной формы.
Травление металла
Вопросы, рассмотренные в материале:
Травление металла осуществляется разными способами, но смысл технологии всегда один – удаление верхнего слоя с поверхности детали. Благодаря подобной методике можно не только очистить заготовку от окислов и окалины, но и в случае необходимости проверить материал на наличие внутренних дефектов.
Травление часто используется и для решения других задач. Так, с помощью данной технологии на поверхность металла наносятся достаточно эффектные изображения или же тончайшие, размером в несколько микрон, каналы, что требуется при изготовлении некоторых весьма сложных деталей.
3 метода промышленного травления металла
В наше время в промышленности процесс травления металлов очень востребован. Его широко используют в целях:
Существует два основных способа травления металлов, которые широко используются в промышленности: плазменное и химическое электролитическое (анодное и катодное).
1. Метод химического травления металлов.
Такой способ обработки предназначен для очистки поверхностей деталей от ржавчины, окалины и оксидной пленки, изготовленных из следующих материалов:
VT-metall предлагает услуги:
Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы
Для травления металлов используются серная, азотная или соляная кислоты. Заготовки погружают в ванну с кислотным или щелочным раствором, соляным расплавом и выдерживают некоторое время, которое в зависимости от некоторых параметров может варьироваться от одной минуты до двух часов.
Рекомендуем статьи по металлообработке
Взаимодействие кислоты с металлом приводит к выделению водорода – это является основным моментом в процессе очистки детали. Кислотные молекулы через поры и трещины проникают под оксидную пленку. Там происходит их взаимодействие с поверхностью металла, начинается процесс выделения водорода. Выделяющийся газ отрывает оксидную пленку и очищает поверхность детали.
Вместе с оксидами в кислоте происходит и растворение обрабатываемого металла. Для предотвращения этого процесса используют коррозийные ингибиторы.
2. Электролитический метод травления металла.
Применяя методы гальванического или электролитического травления, можно нанести рисунки на металл. Кроме того, такая технология используется для быстрой очистки поверхностей деталей и прорезей пазов. В процессе травления металлов заготовки погружаются в емкость с кислотным или солевым электролитом. Деталь может выполнять функцию как катода – отрицательного полюса, так и анода – положительного электрода. Поэтому электролитическое травление бывает двух типов – анодное и катодное.
Преимущественно таким методом пользуются для снятия окалин с поверхностей деталей из углеродистых сталей после их закалки в масле или горячей прокатки. При таком способе в качестве анода используется свинец, функцию электролита выполняют растворы серной и соляной кислоты или соли щелочных металлов. При электролизе на катоде происходит активное выделение газообразного водорода, который вступает во взаимодействие с железом, что способствует отрыву окалины. При катодном методе поверхность металла активно насыщается атомами водорода, вследствие чего деталь становится более хрупкой. Именно поэтому катодный способ электрохимического травления металла для тонкостенных изделий не применяют.
Это наиболее распространенный способ химического травления металлов в машиностроительной отрасли. Целью процесса является механический отрыв кислородом оксидной пленки на аноде и растворении в электролите молекул металла. Функцию электролита исполняют растворы солей или кислот обрабатываемого металла. Катодом может быть медь, свинец и другие металлы. После анодной обработки поверхности изделия становятся чистыми с незначительной шероховатостью, а металл растворяется в электролите. При таком способе увеличивается риск перетравливания и, как результат, может произойти занижение толщины детали.
3. Плазменное травление металла.
В процессе ионно-плазменного травления снятие и очистка верхних слоев металла происходит за счет бомбардировки поверхности детали ионами инертных газов, которые не вступают в химическую реакцию с молекулами обрабатываемого материала. С помощью такого способа можно наносить насечки и пазы с точностью до 10 нм. Технология нашла широкое применение в микроэлектронике.
При плазмохимическом методе происходит возбуждение плазмы в химически активной среде, что приводит к образованию радикалов и ионов. При попадании на металлическую поверхность активных частиц начинается химическая реакция. Образовываются легкие соединения, которые выводятся из окружающей воздушной среды с помощью вакуумных насосов.
Метод заключается в проведении химической реакции с применением химически активного газа, в том числе кислорода, обладающего большой реакционной способностью. Он начинает активно взаимодействовать в плазме газового разряда. При химическом травлении металла активный газ, в отличие от плазменной обработки, вступает в реакцию только с определенным видом молекул.
Средства для промышленного травления поверхности металла
Травление углеродистых сталей проводится с использованием 10–20%-ного раствора соляной или 8–20%-ной серной кислоты. Для уменьшения перетравливания металла и устранения травильной хрупкости материала добавляют органические вещества, называемые коррозийными ингибиторами (УНИКОЛ, ЧМ, КС).
Нержавеющие или жаропрочные стали обрабатываются раствором, состоящим из: 12 % серной,12 % соляной и 1 % азотной кислоты. При необходимости обработка проводится в несколько этапов. На первом происходит разрыхление окалины в 20%-ном растворе соляной кислоты. На втором этапе погружают деталь в 20–40%-ный раствор азотной кислоты, чтобы полностью избавиться от поверхностных загрязнений.
Для удаления толстого слоя окалины, образовавшейся на нержавеющей стали при ее производстве применяют 75–85%-ный раствор едкого натра и 20–25%-ный азотнокислый натрий. После этого для окончательного избавления от окислов используют 15–20%-ный раствор азотной кислоты.
Операция травления алюминия и его сплавов заключается в устранении оксидной тугоплавкой пленки с поверхности металла. С этой задачей справляются кислотные или щелочные растворы. Чаще всего используются 10–20%-ную щелочь при температуре +50…+80 °С, по времени процедура травления занимает не больше двух минут. Для равномерного распределения раствора в щелочь добавляют фтористый или хлористый натрий.
После термической обработки очистку титана и сплавов на его основе проводят в течение нескольких операций. На первом этапе разрыхляют окалину с помощью концентрированного едкого натра. После этого в растворе фтористоводородной, азотной или серной кислоты растворяют окалину. Оставшийся травильный шлам удаляют азотной или соляной кислотой с небольшим количеством фтористоводородной кислоты.
Обработку меди и ее сплавов проводят, используя хромовую кислоту, перекись водорода и следующие соли: хлорид железа, хлорид меди или персульфат аммония.
2 способа художественного травления металла
Художественным травлением металла называется нанесение рельефного рисунка или объемного изображения на поверхность стального изделия. Преимущественно такой метод используют для сталей с высокой твердостью, обработку которых при помощи обычных гравировальных инструментов выполнить довольно сложно.
Благодаря подобной технологии травления металла можно изготовить множество таких изделий, как:
Для такой обработки поверхностей существуют два основных способа: можно на поверхности рисунка и линий нанести вещество, входящее во взаимодействие с протравой, а можно, наоборот, от действия кислот прикрыть все промежутки, оставляя свободными только поверхности рисунка и линии. Если после этого на поверхность нанести кислоту, то при первом варианте рельефность рисунка будет незначительной, а при втором – получится рисунок с углубленным рельефом.
Существуют способы гальванического и химического художественного травления. Гальванический метод является менее вредным и более эффективным, так как в этом случае отсутствуют выделения ядовитых газов из раствора электролита, которые при химическом способе травления металла просто неизбежны.
Ключевым моментом в технологии химического травления является то, что на поверхность металлического объемного изделия или пластину местами наносят кислотостойкий лак, после этого опускают на необходимое время в травильную ванну, в которой при химической реакции реактив разъедает металл на открытых участках и формирует углубленный рисунок.
При химическом травлении для разных металлов используются особые разбавленные смеси травильных растворов:
При гальваническом травлении необходимы ванны из изоляционных материалов, электролит (для железа и стали используется концентрированный раствор железного купороса; для латуни, меди и бронзы – медный купорос), дистиллированная вода и источник постоянного тока напряжением от 4 до 10 В. Изделие устанавливают на штангу с «плюсовой» клеммой (анод) и опускают в электролитический раствор. К «минусовой» клемме (катоду) присоединяется пластинка из любого металла и подключается ток.
Художественное травление металла в домашних условиях
При соблюдении определенной технологии такой процесс не покажется слишком сложным, несмотря на отсутствие базовых художественных навыков. Хотя, безусловно, иметь подобный талант будет не лишним – тогда любое изготовленное изделие обретет красоту и оригинальность.
Для достижения высокой скорости операции травления металла и удаления равномерного слоя с поверхности изделия необходимо предварительно зачистить ее от следов масел и всех загрязнений. Для этого можно использовать теплую воду и обычные чистящие и моющие средства, применяемые для мытья посуды. Промыв и просушив поверхность, необходимо протереть ее фиброй, пропитанной в растворителе. Это не только обезжирит поверхность, но и удалит остатки влаги.
Про качество обработки поверхности необходимо сказать отдельно. Выполнение полировки, несомненно, позволит получить контрастный рисунок даже с небольшой глубиной травления. Но если отполировать поверхность не представляется возможным по какой-нибудь причине, то ее можно обработать мелкозернистой наждачной бумагой таким образом, чтобы следы рисок были в одном направлении. Это также позволит создать хороший оптический эффект.
Нанести рисунок на поверхность металла для его последующего травления можно различными способами, работающими по одному и тому же принципу: участки, не предназначенные для травления, необходимо защищать от воздействия электролита или агрессивной среды.
Самый доступный способ – нанесение на предназначенные для защиты участки обычного лака для ногтей. Но у него есть ряд значительных недостатков: из-за его вязкости сделать тонкие линии для узоров высокой сложности и исправить неточные линии достаточно сложно без необходимых художественных навыков.
Второй способ тоже не слишком трудный. Сначала нужно на всю поверхность детали нанести защитный слой грунтовки ГФ-021 или битумного лака, которые можно приобрести в любом магазине хозтоваров или автозапчастей.
Когда покрытие полностью высохнет, с помощью тонкого маркера или гелевой ручки нужно нарисовать контур планируемого рисунка. Для этой задачи неплохо бы привлечь художника с опытом. Затем из латунного или медного прутка либо проволоки с удобным для удержания в руке диаметром нужно соорудить заостренную иглу и острым концом процарапать слой грунтовки прямо по линиям изображения до металла. Иглы из более твердых материалов могут нарушить слой полировки на поверхности изделия. Этот этап уже даст возможность оценить будущую рельефность изображения.
При необходимости изготовить участки разной глубины травления металла, к примеру, полутеней и контуров, такую операцию можно провести в течение несколько циклов. Важно отметить, что при таком процессе необходимо внимательно следить, чтобы грунтовка не откалывалась. Прежде чем наносить рисунок, следует потренироваться на другой поверхности и убедиться, что она будет пригодна для выполнения качественной работы.
Для травления металла третьим методом необходимо заранее обзавестись глянцевой бумагой, утюгом, лазерным принтером и программой для обработки изображений. Выбрав картинку, ее нужно отформатировать (сделать зеркальной, подогнать под размер) и вывести на принтер. Распечатанное изображение необходимо приложить к поверхности, накрыть сверху обычным альбомным листом (для защиты утюга) и прогладить. Когда бумага остынет, смыть ее под струей воды, при этом слой тонера останется на поверхности металла. Такой способ часто применяется при травлении печатных плат. Основной его недостаток – рисунок необходимо наносить только на прямолинейную плоскость.
Необходимо обратить внимание на следующий факт. Под водой глянец трудно увидеть. Сразу после его высыхания надо проверить, не остался ли он на изделии. Обязательно убедитесь в целостности всех поверхностей детали. Для этой цели подойдут различные вещества. Тыльную поверхность можно замазать обычным пластилином, так как он представляет собой отличный диэлектрический материал.
Травление металла сварочным аппаратом
Почему следует обращаться именно к нам
Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.