Химическое фрезерование или промышленное травление - это субтрактивный производственный процесс с использованием ванн с химикатами для травления с регулируемой температурой для удаления материала с целью создания объекта желаемой формы. [1] [2] Он в основном используется для обработки металлов, хотя другие материалы приобретают все большее значение. Он был разработан на основе процессов декорирования доспехов и гравировки, разработанных в эпоху Возрождения в качестве альтернативы гравировке на металле. По сути, процесс включает в себя омывание режущих поверхностей агрессивным химическим веществом, известным как травитель., который вступает в реакцию с материалом в зоне разреза и вызывает растворение твердого материала; инертные вещества, известные как масканты , используются для защиты определенных участков материала в качестве резиста . [2] [3]
История
Органические химические вещества, такие как молочная кислота и лимонная кислота, использовались для травления металлов и создания продуктов еще в 400 г. до н.э., когда уксус использовался для коррозии свинца и создания пигмента церузы , также известного как белый свинец . [4] В большинстве современных химических методов измельчения используются щелочные травители; возможно, они использовались еще в первом веке нашей эры.
Травление брони с использованием сильных минеральных кислот не было разработано до пятнадцатого века. Травы, смешанные с солью, углем и уксусом, наносились на пластинчатые доспехи, окрашенные маскирующей краской на основе льняного масла. Травитель будет вгрызаться в незащищенные участки, в результате чего окрашенные участки становятся рельефными . [4] Такое травление позволило украсить доспехи, как если бы они были нанесены точной гравировкой, но без выступающих заусенцев ; это также предотвратило необходимость того, чтобы доспех был мягче гравировального инструмента. [5] В конце семнадцатого века травление стало использоваться для нанесения градуировки на измерительных приборах; тонкость линий, которые могло быть произведено травлением, позволила изготавливать более точные и точные инструменты, чем это было возможно раньше. [6] Вскоре после этого он стал использоваться для гравировки табличек с информацией о траектории для операторов артиллерии и артиллерии ; бумага редко переживала суровые условия боя, но гравированная пластина могла быть довольно прочной. Часто такая информация ( как правило , в диапазоне меток) был травление на оборудование , таком как шпильки крестики или лопату.
В 1782 году Джон Сенебьер сделал открытие, что некоторые смолы теряют растворимость в терпентине при воздействии света; то есть они закалились. Это позволило развить фотохимическое фрезерование , при котором жидкий маскирующий агент наносится на всю поверхность материала, а контур маскируемой области создается путем воздействия ультрафиолетового света. [7] Фотохимическое фрезерование широко использовалось при разработке методов фотографии, позволяя свету создавать отпечатки на металлических пластинах.
Одно из первых применений химического травления для фрезерования промышленных деталей было в 1927 году, когда шведская компания Aktiebolaget Separator запатентовала метод изготовления краевых фильтров путем химического фрезерования зазоров в фильтрах. [8] Позже, примерно в 1940-х годах, он стал широко использоваться для обработки тонких образцов очень твердого металла; Фототравление с обеих сторон использовалось для резки листового металла, фольги и прокладки для создания прокладок, регистрации тепловых ударов и других компонентов. [9]
Приложения
Травление находит применение в производстве печатных плат и полупроводников . Он также используется в аэрокосмической промышленности [10] для удаления мелких слоев материала с крупных компонентов самолетов, панелей обшивки ракет и экструдированных деталей для корпусов самолетов. Травление широко используется при производстве интегральных схем и микроэлектромеханических систем . [10] В дополнение к стандартным жидкостным методам полупроводниковая промышленность обычно использует плазменное травление .
Процесс
Химическое измельчение обычно выполняется в пять этапов: очистка, маскирование, скрайбирование, травление и снятие маски. [2] Видео о химическом измельчении Подробнее о видео
Уборка
Очистка - это подготовительный процесс, позволяющий убедиться, что на протравляемой поверхности нет загрязнений, которые могут отрицательно повлиять на качество готовой детали. [2] [11] Неправильно очищенная поверхность может привести к плохой адгезии маскирующего средства, вызывая ошибочное травление участков, или к неравномерной скорости травления, что может привести к неточным окончательным размерам. На поверхности не должно быть масел, смазок, грунтовочных покрытий, маркировок и других остатков процесса разметки , окалины (окисления) и любых других посторонних загрязнений. Для большинства металлов этот этап может быть выполнен путем нанесения растворителя на поверхность, которую нужно протравить, смывая посторонние загрязнения. Материал также можно погрузить в щелочные очистители или специальные деокислительные растворы. В современных промышленных установках для химического травления обычной практикой является запрет на непосредственное обращение с заготовкой после этого процесса, поскольку масла с кожи человека могут легко загрязнить поверхность. [3]
Маскировка
Маскирование - это процесс нанесения маскирующего материала на поверхность, чтобы гарантировать протравливание только желаемых участков. [2] [3] Жидкие маскирующие средства можно наносить методом окунания, при котором часть погружается в открытый резервуар масканта, а затем маскант сушится. Маскант также можно наносить методом обливания: жидкий маскант растекается по поверхности детали. Некоторые токопроводящие маскирующие вещества также могут наноситься электростатическим осаждением , когда электрические заряды прикладываются к частицам масканта, когда он распыляется на поверхность материала. Заряд заставляет частицы масканта прилипать к поверхности. [12]
Типы маскантов
Используемый маскант определяется в первую очередь химическим веществом, используемым для травления материала, и самим материалом. Маскирующий агент должен прилипать к поверхности материала, а также должен быть достаточно химически инертным по отношению к травителю, чтобы защитить заготовку. [3] Большинство современных химических процессов фрезерования используют maskants с адгезией около 350 г см -1 ; если адгезия слишком сильная, процесс разметки может оказаться слишком сложным для выполнения. Если адгезия слишком низкая, площадь травления может быть определена неточно. На большинстве промышленных предприятий химической промышленности используются маскирующие средства на основе неопреновых эластомеров или сополимеров изобутилена и изопрена. [13]
Разметка
Скрайбирование - это удаление маскирующего средства на протравливаемых участках. [2] В декоративных целях это часто делается вручную с помощью разметочного ножа, иглы для травления или аналогичного инструмента; современные промышленные приложения могут включать разметку оператором с помощью шаблона или использование числового программного управления для автоматизации процесса. Для деталей, требующих нескольких этапов травления, могут использоваться сложные шаблоны с использованием цветовых кодов и аналогичные устройства. [14]
Травление
Травление - это погружение детали в химическую ванну и воздействие химиката на фрезерованную деталь. [15] Время, проведенное в химической ванне, определяет глубину полученного травления; это время рассчитывается по формуле:
где E - скорость травления (обычно сокращенно - скорость травления ), s - требуемая глубина реза, а t - полное время погружения. [10] [15] Скорость травления зависит от таких факторов, как концентрация и состав травителя, материал для травления и температурные условия. Из-за непостоянства, скорость травления часто определяется экспериментально непосредственно перед процессом травления. Небольшой образец разрезаемого материала с такими же характеристиками материала, условиями термообработки и примерно такой же толщины протравливается в течение определенного времени; по истечении этого времени измеряется глубина травления и используется вместе со временем для расчета скорости травления. [16] Алюминий обычно травится со скоростью около 0,178 см / ч , а магний - около 0,46 см / ч. [10]
Демаскирование
Демаскирование - это процесс очистки части травителя и масканта. [2] [17] Травление обычно удаляется чистой холодной водой. Ванна для раскисления также может потребоваться в том общем случае, когда в процессе травления на поверхности материала остается оксидная пленка. Для удаления маскирующего средства можно использовать различные методы, наиболее распространенным из которых является удаление вручную с помощью соскоба. Это часто требует времени и усилий, а для крупномасштабных процессов может быть автоматизировано. [18]
Обычные травители
- Для алюминия
- гидроксид натрия
- Реактив Келлера
- Для сталей
- соляная и азотная кислоты
- хлорное железо для нержавеющих сталей
- Нитал (смесь азотной кислоты и этанола , метанола или метилированного спирта для мягких сталей.
2% Нитал является обычным травителем для гладких углеродистых сталей.
- Для меди
- хлорид меди
- хлорид железа
- персульфат аммония
- аммиак
- 25-50% азотная кислота .
- соляная кислота и перекись водорода
- Для кремнезема
- плавиковая кислота
Смотрите также
- Фотохимическая обработка
- Офорт (микротехнология)
- Электротравление
Заметки
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. xiii.
- ^ a b c d e f g akir, O .; Yardimeden, A .; Озбен, Т. (август 2007 г.). «Химическая обработка» (PDF) . Архив материаловедения и инженерии . 28 (8): 499–502. Архивировано из оригинального (PDF) 12 апреля 2015 года . Проверено 13 февраля 2013 года .
- ^ а б в г Харрис 1976 , стр. 32.
- ^ а б Харрис 1976 , стр. 2.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 6.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 9.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 10.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 15.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 17.
- ^ а б в г Фишлок, Дэвид (8 декабря 1960). «Новые способы резки металла» . Новый ученый . 8 (212): 1535 . Проверено 13 февраля 2013 года .
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 31.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 36.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 33.
- ^ Харрис 1976 , стр. 37-44.
- ^ а б Харрис 1976 , стр. 44.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 45.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 54.
- Перейти ↑ Harris 1976 , p. 56.
Рекомендации
- Харрис, Уильям Т. (1976). Химическое фрезерование: технология резки материалов травлением . Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 0 19 859115 2.