不銹鋼模具板化學(xué)蝕刻、拋光和電鍍鉻工藝

1.2　工藝流程和工藝規(guī)范

不銹鋼工件→前處理(手工清理,去除毛刺和焊瘤等)→除油(70～80℃,除盡為止)→清洗→干燥→覆蓋帶有圖紋的膜(應(yīng)具有無孔、耐蝕和耐熱)→化學(xué)蝕刻(45～50℃,蝕刻速度10～20μm/h)→清洗→脫膜→清洗→化學(xué)拋光(25～40℃,1～5h)→清洗→中和(25～40℃,1min)→清洗→電鍍鉻(陰極電流密度50～60A/dm2,55～60℃)→產(chǎn)品→保護處理→入庫。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1　影響蝕刻的因素

1)FeCl3的質(zhì)量濃度

在蝕刻溫度為50℃和鹽酸為12mL/L條件下實驗:a.FeCl3質(zhì)量濃度不僅影響蝕刻速度,而且影響蝕刻質(zhì)量。當FeCl3小于600g/L時,蝕刻速度慢,很難達到蝕刻效果;b.當FeCl3在600～900g/L范圍內(nèi),蝕刻速度隨FeCl3質(zhì)量濃度的增加而增大;c.當FeCl3質(zhì)量濃度大于900g/L時,不僅蝕刻速度隨著FeCl3質(zhì)量濃度的增加而減小,而且蝕刻面出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,蝕刻面大時尤為明顯,這是由于蝕刻產(chǎn)物在蝕刻面上結(jié)晶析出所致。綜合考慮,對于奧氏體不銹鋼,FeCl3質(zhì)量濃度應(yīng)控制為660～850g/L。另外,攪拌有利于蝕刻產(chǎn)物的溶解,但是攪拌速度太快會引起圖紋膜脫落。

2)鹽酸的質(zhì)量濃度　不銹鋼的蝕刻速度隨溶液酸度增加而增大,因此在蝕刻溶液中加入一定量鹽酸、磷酸或硫酸等有利于提高蝕刻速度,同時可以避免Fe3+水解。實驗結(jié)果顯示,采用8～20mL/L的鹽酸效果較好。

3)蝕刻溫度　蝕刻溫度不僅影響蝕刻速度,而且影響蝕刻面的光澤度、平整性和圖紋膜的穩(wěn)定性。從動力學(xué)角度考慮,蝕刻速度隨著溫度升高而增大,但是溫度太高,蝕刻面粗糙度增大和咬邊現(xiàn)象明顯。綜合考慮蝕刻速度、蝕刻效果和圖紋膜的熱穩(wěn)定性等,控制蝕刻溫度在45～50℃范圍內(nèi)為宜。

4)蝕刻溶液維護　隨著蝕刻反應(yīng)的進行,蝕刻速度逐漸減小。在蝕刻過程中,及時補加鹽酸和雙氧水使蝕刻溶液再生,保證FeCl3的氧化電位大于540mV。

隨著蝕刻的進行,溶液中Cr3+和Ni2+濃度不斷增大,當濃度增大于一定值后,無論怎樣調(diào)整也達不到蝕刻效果,此時應(yīng)棄掉重新配置。另外,在蝕刻過程中及時補加鹽酸和用空氣攪拌也能起到維護蝕刻溶液的作用。

2.2　影響拋光的因素

1)硝酸的質(zhì)量濃度　在鹽酸為125mL/L、磷酸為25mL/L、溫度為35℃和時間為2h條件下,發(fā)現(xiàn):a.當硝酸小于10mL/L時,開始表面上形成一層淺黃色粘膜,后期表面呈淺灰色,亮度很差;b.當硝酸為15～50mL/L時,開始表面上形成較厚的青色粘膜,后期表面有一層浮灰,擦去后光亮如鏡;c.當硝酸大于50mL/L時,表面首先有一層極厚的青綠色粘膜,后期表面有大量浮灰,亮度很差且有大量黃煙生成。這是因為硝酸是強氧化性酸,對不銹鋼具有酸性溶解和鈍化雙重作用。當硝酸濃度過低時,主要表現(xiàn)為酸性腐蝕溶解,不光亮;當硝酸濃度過高時,不銹鋼溶解過快,形成大量黃煙,不易控制,沒有亮度。綜合考慮,硝酸應(yīng)為15～40mL/L。

2)鹽酸的質(zhì)量濃度　在硝酸為45mL/L、磷酸為25mL/L、溫度為35℃和時間為2h條件下,發(fā)現(xiàn):a.當鹽酸小于50mL/L時,開始表面形成一層淺黃色粘膜,后期表面雖然平整,但不光亮;b.當鹽酸在60～130mL/L時,表面形成較厚的青色粘膜,表面比較光亮;c.當鹽酸大于140mL/L時,開始表面有一層極厚的青綠色粘膜,后期表面無浮灰,但烏黑,有明顯的氣道和大量黃煙生成。原因在于鹽酸是非氧化性酸,不僅可以去除不銹鋼表面的氧化皮,而且也可以溶解不銹鋼基體,特別是微觀突起部分,起一定整平作用。鹽酸用量較少時,不銹鋼溶解緩慢,所需拋光時間很長,而且容易出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象,特別是當材質(zhì)不均時尤為明顯。當鹽酸用量較多時,不銹鋼溶解過快,不銹鋼表面會有明顯的氣體流動痕跡,拋光效果很差,同時大量Fe2+加速了硝酸的還原,析出的NOx氣體形成黃煙污染環(huán)境。綜合考慮,鹽酸可控制為60～100mL/L。

3)磷酸的質(zhì)量濃度　在硝酸為45mL/L、鹽酸為125mL/L、溫度為35℃和時間為2h條件下,發(fā)現(xiàn):a.當磷酸小于15mL/L時,開始表面形成一層淺黃色粘膜,后期表面既不平整又發(fā)黑;b.當磷酸為20～50mL/L時,開始表面形成較厚的青色粘膜,可以得到較高的光亮度;c.當磷酸大于60mL/L時,開始表面有一層厚青綠色粘膜,后期沒有氣道出現(xiàn)和黃煙生成,雖然表面相當平整,但烏黑沒有亮度。磷酸溶解能力比鹽酸低,沒有氧化能力,在拋光溶液中加入磷酸是為了在不銹鋼表面形成一層磷酸鹽膜,以阻止對不銹鋼基體造成過腐蝕,但較高的磷酸易形成較厚的磷酸鹽膜,從而影響溶解速度,導(dǎo)致光亮度較差。綜合考慮,磷酸的用量為20～45mL/L。

4)添加劑　以氯烷基吡啶、鹵素化合物、含氰化合物和磺基水楊酸為光亮劑,若丁和有機胺為緩蝕劑,纖維素醚、聚乙二醇、丙二醇和丙三醇為增稠劑實驗發(fā)現(xiàn),采用復(fù)合光亮劑、緩蝕劑和增稠劑效果效好,添加量分別為1～5g/L、0.2～2g/L和2～20g/L,復(fù)合光亮劑∶緩蝕劑∶增稠劑=4∶1∶6。添加劑最適宜的總質(zhì)量濃度為5～10g/L。

5)溫度和時間　固定鹽酸為125mL/L、硝酸為45mL/L、磷酸為25mL/L、添加劑總質(zhì)量濃度為6g/L。實驗發(fā)現(xiàn),在25～40℃溫度范圍內(nèi),拋光1～5h,都可以獲得光亮如鏡的拋光面。降低拋光溫度,必須適當提高拋光時間。

2.3　拋光溶液維護

隨著拋光的進行,三種酸的濃度會有所改變,拋光效果會越來越差,為了保持拋光效果,延長拋光溶液的壽命,拋光一段時間以后需要對拋光溶液進行調(diào)整維護。三種酸的添加比例:硝酸(65%)∶鹽酸(36.5%)∶磷酸(85%)=10∶1∶1。當拋光溶液使用較長時間以后,經(jīng)調(diào)整仍得不到理想效果時,應(yīng)棄去重配。

2.4　電鍍鉻及影響因素

1)鉻酐質(zhì)量濃度　鉻酐的質(zhì)量濃度除了對鍍速有很大的影響,還直接影響著鍍液的穩(wěn)定性。其主要原因是鉻酐的質(zhì)量濃度較低,使鍍液對雜質(zhì)離子如三價鐵離子變得極為敏感。考慮到穩(wěn)定的情況,鉻酐的質(zhì)量濃度應(yīng)在230～270g/L。

2)硫酸質(zhì)量濃度　硫酸質(zhì)量濃度是電鍍中較難控制的參數(shù)。硫酸質(zhì)量濃度過高或過低,往往會引起鍍層“露黃”、帶黃彩膜或藍彩膜、燒焦和發(fā)霧等問題。中濃度鍍鉻溶液中硫酸的質(zhì)量濃度是根據(jù)其與鉻酐質(zhì)量濃度的比值確定的。通常,鉻酐/硫酸=90～120,因此,硫酸的質(zhì)量濃度取為2.3～2.7g/L。

3)三價鉻質(zhì)量濃度　三價鉻離子應(yīng)該保持一個較低的水平,因為隨著三價鉻質(zhì)量濃度的升高,便會出現(xiàn)分散能力降低、電流范圍狹窄等一系列的問題。這些問題通過增加陽極面積等方法是無法解決的。實驗發(fā)現(xiàn),當三價鉻的質(zhì)量濃度<5g/L時,鍍液會相當?shù)姆€(wěn)定。

4)陰極電流密度　實驗發(fā)現(xiàn),在較寬的電流密度范圍內(nèi)均可得到質(zhì)量良好的鍍層,而當電流密度過高時,鍍層開始由光亮變得泛白,甚至出現(xiàn)鍍件邊角粗糙、燒焦的現(xiàn)象。電流密度過低也會出現(xiàn)光亮度降低、漏鍍的現(xiàn)象。綜合考慮,陰極電流密度應(yīng)保持在50～60A/dm2。

5)溫度　赫爾槽和小槽實驗說明溫度對鍍層的外觀和質(zhì)量有很大的影響,溫度較低時,電結(jié)晶過程較慢,陰極極化較大,晶粒細致緊密,但色澤較暗;溫度較高時,陰極極化較小,鍍速很快,但鍍層疏松多孔,質(zhì)量較差。綜合考慮,溫度應(yīng)控制在55～60℃。

3　結(jié)　論

1)化學(xué)蝕刻最佳配方和工藝參數(shù)為:FeCl3660～850g/L、HCl(36%)8～20mL/L,添加劑10～20g/L,溫度45～50℃。在此條件下,蝕刻速度為10～20μm/h,蝕刻時間根據(jù)圖紋具體深度而定。

2)化學(xué)拋光最佳配方和工藝參數(shù)為:硝酸(65%)15～40mL/L,鹽酸(36.5%)60～100mL/L,磷酸(85%)20～45mL/L,復(fù)合光亮劑1～5g/L,緩蝕劑0.2～2g/L,增稠劑2～20g/L,拋光溫度為25～40℃,拋光時間為1～5h。在此條件下,可以獲得光亮如鏡的拋光面。

3)電鍍鉻最佳工藝:鉻酐230～270g/L,硫酸2.3～2.7g/L,三價鉻<5g/L,陰極電流密度50～60A/dm2,溫度55～60℃。鉻酐在電鍍鉻溶液中不僅起到穩(wěn)定鍍液的作用,而且對pH也有一定的緩沖作用,從而使得鍍層厚度可持續(xù)增加。

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