不銹鋼的刻蝕中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院

1、不銹鋼刻蝕趙麗冰 陳沛賢 李嘉航 龍杰明 汪軍霞 劉暢 張志軍 劉曉芳 盧宇靖 謝廣彬 呂學(xué)義（中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，99級(jí)，廣州 510275）指導(dǎo)老師：方北龍 陳六平【摘要】 本文依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)原理，設(shè)計(jì)了新的能處理較大面積工件的化學(xué)刻蝕裝置，研究了實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)不銹鋼進(jìn)行圖紋裝飾的方法和工藝。通過(guò)上感光材料、感光、刻蝕、上色等工藝實(shí)現(xiàn)了不銹鋼的圖案刻蝕，成功地制作出一批作品?！娟P(guān)鍵詞】 圖紋裝飾，不銹鋼板，感光材料，刻蝕。Etching on Stainless Steel SheetZhao Libing Chen Peixian Li Jiahang Long Jieming W

2、ang Junxia Liu Chang Zhang Zhijun Liu Xiaofang Lu Yujing Xie Guangbin L Xueyi（Class 99, School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China）Supervisor: Fang Beilong and Chen Liuping 【Abstract】 This paper reported the method and technology for the decorative

3、patterns on stainless steel sheet under the labs condition based on the principle of industrial production, and a new apparatus for chemical etching stainless steel sheet of relative large areas is designed. The technical procedures includes painting sensitive material, sensitization, Etching, color

4、ing etc. process. A number of products with various pattern and characters.【Keywords】 Pattern decoration, Stainless steel sheet, Sensitive material, Etching.一、引言不銹鋼具有很高的力學(xué)強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性以及易于加工等優(yōu)良性質(zhì)，隨著其圖紋裝飾加工工藝的發(fā)展和成熟，在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益擴(kuò)大，如在招牌制作、儀器設(shè)備表面圖文刻印、制造印刷用的金屬字板、在機(jī)械加工較為困難的薄板或薄片零件（電子線路板、金屬網(wǎng)板的小孔以及光柵）等器件上制造出

5、復(fù)雜的圖形或文字。不銹鋼的圖紋裝飾是通過(guò)對(duì)不銹鋼進(jìn)行部分刻蝕，獲得一定深度的圖形或文字，在其上著色，從而達(dá)到具有立體感的彩色裝飾效果。工業(yè)上一般采用FeCl3化學(xué)刻蝕和陽(yáng)極溶解兩種方法進(jìn)行刻蝕3-6，該方法具有工藝簡(jiǎn)單、刻蝕速度快、污染少、經(jīng)濟(jì)且效果好等優(yōu)點(diǎn)。本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，根據(jù)兩種方法的原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并作改進(jìn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行分析比較，找出了合適的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)方法和工藝條件。二、實(shí)驗(yàn)部分1、原材料、試劑及儀器不銹鋼板，規(guī)格：6060mm，39120 mm，210297 mm，800600mm2、7656cm2，厚度11.5mm。材質(zhì)：從市場(chǎng)上購(gòu)得的一般砂光板。感光膠：二苯甲酮（光敏劑）、

6、不飽和樹脂（成膜劑）、有機(jī)溶劑。顯影粉，去皮水，焗漆?？涛g液配方：FeCl：400500g/LHPO：2030g/LHCl：80120g/L再生劑（HO）：適量電解液配方： KCl：10%18 HCl：510g/L空氣壓縮機(jī)，恒溫槽，自制刻蝕容器，穩(wěn)定直流電源，電加熱爐，電磁攪拌裝置等。2、工藝流程3、刻蝕工藝（1）上感光膠工業(yè)上是用噴槍噴涂或150目的尼龍絲網(wǎng)，用上漿器刮涂感光膠在工件表面，但此方法在實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)是用天那水按1:3將感光漿稀釋，再用丙酮調(diào)成極稀濃度，用噴壺噴淋在工件表面。待丙酮揮發(fā)完全后，放入烘爐，在80下烘30min。（2）曝光、顯影、封邊 將制作好圖案的黑白膠片

7、平放在感光膠表面，在紫外光燈下曝光23min，曝光后馬上放入顯影液中顯影，未感光部分溶解，露出部分不銹鋼表面。顯影后用清水沖洗，晾干。然后把不需要刻蝕的底面和邊沿封好保護(hù)。（3）刻蝕 A) 陽(yáng)極溶解刻蝕電解法刻蝕不銹鋼電解液對(duì)工藝影響較大，要求能在電場(chǎng)作用下對(duì)陽(yáng)極金屬產(chǎn)生陽(yáng)極溶解而不產(chǎn)生鈍化膜, 還要有電導(dǎo)率高、流動(dòng)性好、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)上采用10%18的NaCl溶液7,8，再根據(jù)不同的需要加入NaNO3、NaClO3、H等。本實(shí)驗(yàn)為了加快反應(yīng)速度，以KCl代替NaCl。同時(shí)，由于生成的Fe（Fe）在堿性條件下會(huì)產(chǎn)生沉淀影響進(jìn)一步刻蝕，故還需要加入一定量的HCl，以控制溶液的pH

8、值。按照?qǐng)D1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，把工件與陽(yáng)極連接，陰極使用與工件大小、形狀相似的鋼片，同時(shí)在恒溫下采用攪拌等裝置，以縮短刻蝕時(shí)間。電磁攪拌恒溫器穩(wěn)壓直流電源圖1陽(yáng)極溶解刻蝕裝置根據(jù)文獻(xiàn)資料及實(shí)驗(yàn)室條件，本文確定在30、25V、刻蝕2530min為較好的工藝條件。B）FeCl化學(xué)刻蝕FeCl化學(xué)刻蝕的主要反應(yīng)式是：2Fe+ Fe3Fe，F(xiàn)e +2HFe+H。工業(yè)上通常是利用耐酸泵把FeCl3加壓后噴射到放在傳送帶上運(yùn)動(dòng)的工件上，其流程原理如下圖2所示： 往下噴射的水流產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力，從而使工件刻蝕方向垂直向下。且工件放在傳送帶上，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工。但在實(shí)驗(yàn)室要得到連續(xù)噴淋的效果，儀器較難實(shí)現(xiàn)。故

9、本實(shí)驗(yàn)根據(jù)工業(yè)加工的原理，設(shè)計(jì)了另一套裝置，如圖下圖3所示： 圖2 工業(yè)上化學(xué)刻蝕工藝流程示意圖 圖3 本文設(shè)計(jì)的化學(xué)刻蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖3所示裝置的主要特點(diǎn)是，利用通入壓縮空氣產(chǎn)生連續(xù)上升的氣泡，氣泡不斷地帶動(dòng)溶液流動(dòng)，使溶液均勻；上升的氣流還會(huì)在工件表面產(chǎn)生一個(gè)垂直的沖力，使得刻蝕的邊沿平整。另外，在反應(yīng)過(guò)程中不斷加入空氣，空氣中的氧跟Fe發(fā)生反應(yīng)，4Fe+O+4H4Fe+2HO，使Fe再生，可循環(huán)利用。在刻蝕工程中，要得到線條明晰，刻痕深的圖紋，必須控制好刻蝕的時(shí)間和溫度，刻蝕溫度太低或時(shí)間太短，刻出的圖案模糊，不深；溫度太高、時(shí)間太長(zhǎng)，感光膠和不銹鋼的結(jié)合力下降，在要刻蝕和非刻蝕的交界

10、處可能出現(xiàn)感光膠脫落，導(dǎo)致圖案邊緣模糊，影響整體效果。本文得出最佳的刻蝕溫度為5565，刻蝕時(shí)間為4560min。為了擴(kuò)大此實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用范圍，作者設(shè)計(jì)了可根據(jù)加工工件大小使用的另外一套刻蝕儀器，其工作原理及實(shí)物如下圖4和5所示： 圖4 刻蝕工藝原理圖 圖5 刻蝕反應(yīng)器實(shí)物圖使用圖5裝置可以刻蝕面積較大的不銹鋼片。（4）脫皮刻蝕好的不銹鋼片用蒸餾水沖洗干凈后，放入脫皮水中浸泡30min，使覆蓋在工件上的感光材料全部脫落，露出未被刻蝕的工件表面。 （5）后期處理（上色、打磨）上色：按照所需的效果，把焗漆填充到刻好的圖紋上，放入烘爐中，50下烘干，可獲得鮮明的色彩效果。打磨：用金相砂紙對(duì)刻好的工件

11、進(jìn)行打磨，可提高工件表面的光潔程度，獲得鏡面效果。還可以通過(guò)機(jī)械、化學(xué)拋光的方法對(duì)工件作進(jìn)一步的加工，以獲得更好的裝飾效果。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論本實(shí)驗(yàn)所做的成品（部分）如下列圖片所示： 右圖為陽(yáng)極溶解與化學(xué)刻蝕產(chǎn)品比較。圖中左邊兩塊是用陽(yáng)極溶解方法刻蝕，右邊兩塊是用FeCl刻蝕。從圖中可以看出，陽(yáng)極融解的產(chǎn)品刻蝕不均勻，刻蝕面坑坑洼洼，出現(xiàn)“斑點(diǎn)刻蝕”現(xiàn)象（陽(yáng)極發(fā)生超鈍化溶解時(shí)，如果存在不均勻、不連續(xù)的陽(yáng)極膜，則金屬表面會(huì)出現(xiàn)“斑點(diǎn)刻蝕（pitting）”，光潔度降低。有資料認(rèn)為，陽(yáng)極膜不均勻、不連續(xù)是由于有氧氣從陽(yáng)極析出造成的9,10，總體效果不如化學(xué)刻蝕所得產(chǎn)品理想。 左圖為刻蝕的最終產(chǎn)品，

12、刻蝕成品經(jīng)上色、打磨、拋光后，具有良好的裝飾效果。 四、刻蝕產(chǎn)品示例為了考察本研究開發(fā)的刻蝕技術(shù)的應(yīng)用范圍，對(duì)幾種不同大小規(guī)格的不銹鋼片、銅片（6060mm、40120mm、800600mm、7656cm）進(jìn)行了不同圖案、文字的刻蝕，均達(dá)到了理想的效果（產(chǎn)品可見(jiàn)下文圖片），而且整個(gè)工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、快捷、無(wú)污染，適合個(gè)性化小規(guī)模生產(chǎn)，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品展示：五、結(jié)論本研究開發(fā)出一種操作方便、刻蝕速度快、成本低、效果好的刻蝕工藝技術(shù)，它適用于各種大小規(guī)格、各種形狀、各種圖文樣式的不銹鋼和銅片刻蝕，既能滿足社會(huì)上各種招牌個(gè)性化的小規(guī)模生產(chǎn)要求，也可進(jìn)行批量生產(chǎn)。產(chǎn)品的刻蝕邊緣清晰，深度均勻，

13、完全達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的要求。該工藝所需原料及化學(xué)藥品價(jià)廉易得，主要刻蝕液FeCl3可以重生，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。致謝：本文工作是在方北龍和陳六平兩位老師的精心指導(dǎo)下完成的，并得到中山大學(xué)“開放實(shí)驗(yàn)室基金”的資助。化學(xué)刻蝕反應(yīng)器由化學(xué)學(xué)院忻龍祥師傅加工完成。在此向他們表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)1 肖鑫，王文濤，龍有前，鐘萍. 表面技術(shù). 2001, 30（2）: 292 周一揚(yáng)，陳振華. 表面技術(shù). 1996, 25（6）: 273 U.S. Patent 6,395,329 Printed circuit board manufacture, Soutar, et al., May 28, 20024 U.S. Patent 6,120,639 Manufacture of Printed circuit boards, R. Rodline et al., Sept. 19, 20005 程勤學(xué). 絲網(wǎng)印