低碳钢蚀刻工艺技术的研究

杨军胜, 刘存海

(陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

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，为此，评价金属工件优劣,精密度和准确度就成为评价的重要指标.金属工件的制作方法主要有机床切削法、热处理法、铸造法等方法. 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，化学蚀刻技术得到空前发展.人们应用化学技术对工件进行特殊加工，进一步提高了金属工件的质量，使金属工件在精加工方面取得了新的进展,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得到了广泛的应用[1].当今社会，机械制造加工需要的是高精度高质量的金属工件，化学蚀刻技术作为一种科学的加工技术，广泛应用于多个行业多种金属材料的外形及抽象图文加工[2]，成为目前人们研究的热点.随金属工件材料的不同，所选用的蚀刻剂及浓度、温度、蚀刻速率等工艺条件亦不相同.钢铁蚀刻剂有很多，相对而言，氯化铁作为蚀刻剂与铁的反应速率相对平缓，容易控制反应进程，且产生污染小，因而较多用于精细网点和线条的钢铁腐蚀[3].本实验选用了咸阳彩虹集团电子网版厂的低碳钢板，通过初步试验和正交筛选的方法对工件进行精密蚀刻加工的研究，探索了各因素对蚀刻速率的影响.

1 实验材料与方法

1.1 材料试剂和仪器

(1)材料与试剂:选用咸阳彩虹集团电子网版厂的低碳钢板，规格：30mm×20mm×1mm，六水合氯化铁[FeCl3·6H2O](分析纯)，天津市科密欧化学试剂有限公司；浓盐酸(分析纯)，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；无水碳酸钠(基准)，汕头市光华化学厂；0.1%甲基橙溶液；蒸馏水.

(2)仪器: PB-10标准型酸度计，上海正慧工贸有限公司；BK8113型测厚计，广州富安电子仪器有限公司；SYP-2恒温水浴槽，南京桑力电子设备厂；工件旋转仪(自制).

1.2 工艺流程[4]

钢板表面清洁→干燥→测厚→整体蚀刻→水洗→干燥→测厚→刻画图文→涂保护膜→蚀刻→水洗→干燥→化学镀银.

1.3 实验方法

1.3.1金属工件表面清洗

依据所选材料的情况作相应清洁处理.本研究先选择洗涤剂清洗，再用稀盐酸浸泡3min，用水冲洗干净，迅速干燥，对钢板编号、测厚、记录各钢板对应厚度，备用.

1.3.2单因素实验

(1)金属工件蚀刻过程.将低碳钢板置于旋转仪上，浸入盛有预先配好的FeCl3溶液烧杯中，在不同FeCl3浓度、不同pH、不同温度、不同转速条件下测其蚀刻速率.

(2)FeCl3浓度对蚀刻速率的影响.配制一系列浓度的FeCl3溶液各250mL,用标定过的盐酸分别调溶液pH=1.0,按顺序编号.将所配溶液分别转移至500mL烧杯中，置于事先加热至所需温度的水浴箱中.待烧杯内温度升至50℃时，各取一块儿钢板置于工件旋转仪上，浸入不同烧杯中进行蚀刻，旋转仪转速为50r/min.测不同浓度条件下蚀刻剂的蚀刻速率.

(3)温度对蚀刻速率的影响.按实验(2),选择FeCl3浓度为14.0% ，预调pH=1.0，旋转仪转速为50r/min，在不同温度条件下测蚀刻速率.

(4)pH对蚀刻速率的影响.按实验(2),选择FeCl3浓度为14.0% ，温度为50℃，旋转仪转速为50r/min，调节pH，测不同pH条件下蚀刻速率.

(5)旋转液转速对蚀刻速率的影响.按实验(2),选择FeCl3浓度为14.0% ，温度为50℃，pH=1.0，测不同转速下的蚀刻速率.

1.3.3正交试验确定蚀刻的最佳工艺条件

选择浓度、温度、pH值、转速4因素及各自不同的3水平进行正交试验[5]，确定不同条件下的蚀刻速率.

1.3.4做验证实验，验证最佳工艺条件理论与实际是否相符.

1.3.5用聚酯膜作保护层，选择最佳工艺条件蚀刻钢板.

2 结果与讨论

2. 1 单因素影响蚀刻速率的效果分析

2.1.1FeCl3浓度对蚀刻速率的影响

图1 氯化铁浓度与蚀刻速率的关系

图1表明，FeCl3浓度达18.0%时对应蚀刻速率最大，结合其它因素加以综合考虑，选择14.0%、18.0%、22.0%3个水平进行正交试验.

2.1.2温度对蚀刻速率的影响

图2 温度与蚀刻速率的关系

图2表明，蚀刻速率随温度升高而明显增大.综合考虑能耗和生产成本，选择45℃、35℃和25℃3个水平进行正交试验.

2.1.3酸度对蚀刻速率影响

图3 酸度与蚀刻速率的关系

图3表明，pH=1.0时对应蚀刻速率最大.综合考虑，选择0.5、1.0、1.5水平进行正交试验.

2.1.4转速对蚀刻速率影响

图4 转速与蚀刻速率的关系

从图4可以看出，随转速升高，蚀刻速率上升，当转速大于50r/min 时，蚀刻速率变化不大，故50r/min为最佳转速.

2.2 正交试验结果及分析

表1 正交试验表

在单因素试验基础上，对影响蚀刻速率的因素进行正交试验，结果如表1所示.试验结果表明，最佳试验条件为FeCl3浓度22.0%、蚀刻温度45 ℃、 pH为1. 0，转速为50 r/min，即为第9组试验，此时对应最大蚀刻速率45.91μm/h.按此条件重复试验，所得蚀刻速率为46.17μm/h，与正交试验结果相符，说明在此条件下蚀刻速率最快.

2.3 钢板蚀刻图文分析

钢板表面经清洁涂膜处理后，以最优工艺条件进行蚀刻所得工件见图5，可以看出，所得图文清晰，侧腐蚀现象较小，工件效果良好.

图5 蚀刻后工件

3 结论

本实验将氯化铁用于低碳钢蚀刻剂，通过单因素试验和正交试验确定了最佳工艺条件.蚀刻液浓度为22.0%，蚀刻温度为45 ℃， pH为1.0，转速为50 r/min.此条件下对应蚀刻速率最大，且蚀刻所得图文清晰，侧腐蚀现象较小，经化学蚀刻后的金属工件具有蚀刻厚度均一、蚀刻面光洁度良好，切面质地一致、精密度高等优点.

参考文献:

[1] 杨 丁.金属蚀刻技术[M] .北京：国防工业出版社,2008.

[2] 黄意定,吴文鳌.金属精细蚀刻技术[J].丝网印刷,2009,(7):11-12.

[3] 李国一，徐玉松.金属蚀刻技术[J].全面腐蚀控制，2009,23(3):21-22.

[4] 徐莉英.无机及分析化学实验[M].上海：上海交通大学出版社, 2005.

[5] 杨为正.丝网印刷与金属蚀刻技术[J].网印工业，2000,8(3):18-20.