某型设备丝网印刷字符局部脱落原因及机理分析

2022-11-02李磊谢芮羊锋

四川化工 2022年5期

李磊谢芮羊锋

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都，610041)

铝合金具有重量轻、强度高和防腐蚀性能好的特点，经过化学或电化学氧化后的铝合金，防腐蚀能力会进一步提高，在军事电子设备中有广泛的运用。在实际运用中，还可结合多种处理工艺，进一步提高其装饰效果和应用范围。

丝网印刷字符主要为设备提供装饰和标识，如出现字符脱落，会影响设备外观和辨识，影响用户的使用体验。笔者所在单位铝合金运用时间较长，表面处理工艺完善，包括铝合金氧化、喷漆、静电粉末喷涂、丝网印刷以及激光雕刻等工艺，形成了铝合金防腐蚀、装饰、标识等全套处理工艺。近年来，某型设备铝合金壳体在阳极氧化着色处理后，表面丝网印刷字符出现了严重的局部脱落现象，将壳体清洁后再次进行丝网印刷，结果同样出现了局部脱落，如图1所示。

图1 脱落状况

1 附着机理分析

油墨附着在其他材料表面的基本原理与涂料附着机理相同，主要有：机械嵌合作用、吸附作用、化学键作用、扩散作用和静电作用[1]，按照其吸附力提供方式可分为有化学反应参与的化学吸附和无化学反应参与的物理吸附，化学吸附所提供的附着力大于物理吸附[2]。在实际使用过程中，通常是多种附着方式并存。

2 影响附着力的因素

从附着机理上分析，导致壳体丝网印刷字符脱落的原因主要有：底层材料过于光滑、油墨性能差以及底层材料表面被污染等原因。本文将围绕壳体出现字符脱落现象，从以上几个方面讨论影响附着力的因素。

2.1 底层材料过于光滑

底层材料过于光滑，油墨在材料上的附着面积减小，使其附着的总作用力减小。图1产品是经过了化学抛光后，再进行阳极氧化着色。从加工工艺来看，化学抛光会提高铝合金表面的平整度，甚至会达到镜面效果[3]，从而使字符的附着力下降，导致大面积脱落。

2.2 油墨性能差

丝网印刷油墨性能差，配方不合理，油墨中缺乏必要的附着力添加剂[4]，或与底层材料不匹配等原因，无法为字符提供良好的吸附性能，会导致涂料或油墨在底层材料上的附着力变差，从而使加工的字符出现脱落。

2.3 表面被污染

底层材料被污染后会影响油墨或涂料的附着，其原因是油脂、灰尘等阻碍了金属与涂层的直接接触，并且油脂的存在大大降低了金属基体的表面张力，使得涂料难以润湿金属基体表面，直接影响了涂层在基体表面的附着[5]。

3 字符附着力不良的具体分析

3.1 调查分析

3.1.1 状况调查

(1)壳体的表面处理工艺为喷砂处理、化学抛光、阳极氧化着黑色。

(2)出现脱落的字符呈不规则分布，并不局限在某一区域。

(3)同批次壳体出现字符脱落的比例为50%左右。

(4)同一工件上既有出现了脱落的字符，也有未出现脱落的字符，且未脱落字符附着力很好，不易去掉。

3.1.2 分析小结

通过对实际的分析，结合加工工艺过程调查和机理分析，得出：一是该壳体表面经过了喷砂处理，不存在接触面积太小的问题；二是该壳体经过了阳极氧化处理，其表面为多孔膜层，能为油墨提供理想的锚点；三是该壳体经过化学抛光，会提高铝合金的表面平整度，理论上不利于油墨附着，字符会出现大面积脱落，但与实际出现的局部脱落状态不一致；四是油墨性能差的问题，会造成字符出现大面积脱落，基本可以排除该因素。

通过分析，该壳体的加工工艺合理，因此，需从加工流程排查原因。

3.2 加工过程调查

为查清引起字符脱落的真实原因，调查了壳体的表面处理加工工艺及过程，对其中影响字符附着力的因素展开分析，并开展了相应试验。

3.2.1 阳极氧化着色

阳极氧化着色加工过程为协作厂家，图2为阳极氧化着色的工艺流程。

图2 铝合金阳极氧化着色工艺流程

其中对丝网印刷字符附着力有影响的工序为氧化、着色、封闭，阳极氧化采用硫酸阳极氧化，溶液温度12℃，电压14V，氧化时间60min。着色时，溶液温度50℃，时间15min，着色材料为奥野TAC BLACK-415染料，封闭剂主要成分为醋酸镍。该工艺参数与本单位相同，均在正常工艺范围内。为排除加工工艺影响，由本单位自行加工样件进行对比，加工的样件字符无脱落现象发生，具体见图3。结果说明，阳极氧化着色工艺不是导致此问题的因素。

3.2.2 丝网印刷

丝网印刷加工由本单位自行完成，图4是丝网印刷的工艺流程：

图4 丝网印刷工艺流程

3.2.2.1 丝网印刷过程

在丝网印刷过程中，对附着力影响较大的加工过程，主要集中在擦拭清洁及印刷固化阶段，故丝网印刷过程的调查，主要围绕擦拭清洁、印刷固化阶段进行。

3.2.2.2 擦拭清洁

壳体在丝网印刷加工前，经过无水乙醇擦拭清洗，且通常在4小时内完成丝网印刷操作，过程中操作人员全程佩戴干净手套；拿取产品时，避免接触丝网印刷加工面，基本无污染可能，故排除过程污染的可能。

为调查擦拭清洁的有效性，并试验强溶剂可行性，验证方案和结果见图3。

经过试验测试发现，自行加工的壳体按正常生产流程进行加工，字符附着力良好，无脱落现象。但协作单位加工的壳体，采用不同清洁方式，仍然存在字符脱落现象。此外，浸泡清洗后的壳体字符附着力有较大提高。

3.2.2.3 丝网印刷

该工艺为本单位成熟工艺，原材料在有效期内，丝网印刷操作完全符合工艺规程要求。固化温度100℃，时间45min，工艺参数在工艺文件要求范围类，因此，排除丝网印刷加工过程因素。

3.2.3 辅助工具

在辅助工具调查时发现，协作厂家使用的吹尘枪扳机有卡顿漏气现象，操作人员有往扳机根部添加润滑油的操作，故初步判断是由于工件被润滑油污染，造成的油墨附着力不够。

4 原因确定

4.1 原因定位

要求协作厂家更换新的吹尘枪后，先后加工了两批数量为20、50件的工件，经过测试，其附着力全部合格。其中一个用于测试的样件见图5。故确定造成丝网印刷字符局部脱落的原因是工件表面被润滑油污染。

图5 更换吹尘枪后的壳体

4.2 机理分析

4.2.1 润滑油进入吹尘枪

(1)吹尘枪在使用中，容易出现扳机根部磨损导致漏气，让润滑油有浸入压缩空气管道的通道。

(2)扳机呈关闭状态时，破损处的通道因扳机关闭，管道内部气压与破损口呈正压，润滑油无法浸入吹尘枪内部，故不会在吹尘内部管道中出现堆积，打开扳机后也不会出现明显可见的油斑。

(3)开启扳机后，吹尘枪管道通过高速气流后，破损口呈现负压出现虹吸现象，将润滑油吸入管道。

4.2.2 润滑油分散

图6为吹尘枪扳机处润滑油在枪内的轨迹示意图。

图6 油污分散示意图

(1)在高速气流离开吹尘枪口时，出现横截面急剧增大，润滑油和压缩空气迅速扩张、分散，出现了空气喷涂的雾化现象，使润滑油变成微液滴随压缩空气被喷涂在工件上。

(2)由于扳机处添加的润滑油不多，被虹吸进入喷枪的润滑油呈断续状，且因枪口管径大，雾化效果较差，出现了零星分布情况。

4.2.3 多孔膜层难以清洗彻底

图7为吹尘枪喷出的雾状油污污染工件表面及清洁后的示意图。

图7 铝合金阳极氧化膜层清洁过程示意图

(1)工件的表面处理为阳极氧化，其转化膜层为多孔膜层，膜层厚度通常为10μm左右，微液滴进入膜层的孔洞后，擦拭清洗效果较差。

(2)经过丙酮类强溶剂的浸泡，可基本洗净转化膜层中的润滑油，但由于丙酮对油脂主要表现出溶解作用，分散在丙酮中的油脂，随丙酮的挥发会重新附着在工件表面，一旦丙酮中溶解的油脂达到一定量后，就会对丝网印刷字符案附着力造成影响，且丙酮危险性较大，不适合大量浸泡清洗，乙醇因其溶解效果较差，故清洗效果也相对偏差。