Ювелирное обозрение

Для травления поверхности металлических изделий применяют травильные растворы, главным образом из серной, азотной и соляной кислот.

Серная кислота H₂SO₄ является продуктом соединения трехокиси серы SO₃ с водой. Удельный вес 1,84. Химически чистая серная кислота представляет собой бесцветную маслянистую жидкость. В любых соотношениях серная кислота хорошо смешивается с водой, выделяя при этом значительное количество тепла. Обуглившиеся органические примеси, попадая в серную кислоту, окрашивают ее в коричневый цвет. На благородные металлы серная кислота не действует. Ее действие на остальные металлы зависит от концентрации.

Для травления поверхности металлических изделий употребляют несколько сортов технической серной кислоты, в частности камерную, содержащую не менее 65% серной кислоты, башенную и гловерную кислоты, содержащие не менее 75—76,5% серной кислоты. Для травления часто используют купоросное масло, содержащее не менее 92,5% серной кислоты.

Разводят серную кислоту водой, осторожно вливая ее в воду, а не наоборот. При вливании воды в серную кислоту происходит бурное кипение смеси, вызывающее сильное разбрызгивание кислоты. Температура смеси сильно повышается, и если кислоту вливать слишком быстро и много, то смесь нагревается так сильно, что стеклянные сосуды, в которых производят смешивание, могут лопнуть. При работе с серной кислотой на руки надевают рукавицы, чтобы избежать ожогов, которые очень болезненны и оставляют красные рубцы, на глаза надевают очки.

Серную кислоту хранят в герметически закрывающихся бутылях или свинцовых сосудах.

Соляная кислота HCl представляет собой водный раствор хлористого водорода. В чистом виде — бесцветная жидкость, сильно пахнущая, с большой упругостью паров уже при температуре 14—16° С.

Концентрированная соляная кислота обычно содержит около 37,4% хлористого водорода. Удельный вес 1,19.

Соляная кислота выпускается двух сортов: сорт А содержит не менее 30% хлористого водорода, а сорт Б — не менее 27,5%.

Соляная кислота ядовита, поэтому обращаться с ней надо очень осторожно. Пары соляной кислоты при вдыхании сильно раздражают верхние дыхательные органы. При разбавлении соляной кислоты водой придерживаются тех же правил, что и при разбавлении серной кислоты.

Соляную кислоту хранят в герметически закрывающихся стеклянных сосудах.

Азотная кислота HNO₃ представляет собой бесцветную жидкость с удельным весом 1,52 при температуре 15° С. Температура кипения 84° С. При кипении и на свету разлагается и выделяет двуокись азота, которая окрашивает кислоту в желтый, а затем в красный цвет. Азотная кислота с водой смешивается в любых отношениях. Концентрированная азотная кислота действует на многие металлы, кроме благородных.

Плавиковая кислота. Чистая плавиковая кислота представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом. Эта кислота содержит не менее 40% фтористого водорода. Пары фтористого водорода чрезвычайно ядовиты и едки. Поэтому при работе с плавиковой кислотой, как и с остальными кислотами, необходимо соблюдать меры предосторожности.

Травление – это процесс очистки и обработки металлической заготовки. Химическое, кислотное, щелочное, электрохимическое – есть много способов выполнения этой технологической операции. Где применяют травление металла, зачем его используют в промышленности, какие бывают способы обработки с применением этой технологии, всё эти вопросы подробно разобраны в представленной ниже статье.

Что такое травление

Это технология удаления верхнего слоя с поверхности металлической детали. Технология применяется для очистки заготовок от окалины, ржавчины, окислов и снятия верхнего слоя металла. Используя этот способ, снимают верхний слой для поиска внутренних дефектов и изучения макроструктуры материала.

С помощью травления зачищают деталь и увеличивают адгезию поверхности. Это делают для последующего соединения металлической поверхности с другой заготовкой, перед нанесением краски, эмали, гальванического покрытия и других защитных покрытий.

Метод позволяет не только быстро очистить деталь, но и создать на металлической поверхности нужный рисунок. Этим методом вырезают на металлической поверхности тончайшие каналы и сложные изображения. Можно выполнять очистку габаритных деталей или проката. Глубина обработки регулируется с точностью до несколько микрон, что позволяет изготавливать сложные детали с небольшими пазами и другими сложными элементами.

Применение травления в промышленности

1. Для очистки от оксидной плёнки деталей из углеродистой, низколегированной и высоколегированной стали, титана и алюминия.
2. Для улучшения адгезии перед нанесением гальванических и других видов защитных покрытий.
3. Для подготовки стальной поверхности к горячему цинкованию.
4. Чтобы провести макроанализ для выявления образования межкристаллитной коррозии у нержавеющих сталей.
5. С помощью этой технологии обрабатываются мелкие металлические детали, такие как шестерёнки наручных часов.
6. Обработка меди применяется для изготовления полупроводниковых микросхем и печатных плат в электронике. Этим методом выполняется нанесение токопроводящего рисунка на микросхему.
7. Для быстрой очистки изделий горячего металлопроката, термообработанных деталей, от окислов.
8. В авиастроении с помощью этой технологии уменьшают толщину алюминиевых листов для снижения массы самолёта.
9. При изготовлении металлических надписей и рисунков. Травлением получают рельефные изображения, нарисованные путём удаления слоя металла по определённому трафарету.

Виды травления

Основные разновидности применяемой в промышленности обработки металлов:

• электролитическое – бывает катодное и анодное;
• химическое;
• плазменное.

Электролитическое травление

Электролитическая или гальваническая обработка металла применяется для быстрой очистки деталей, нанесения гравировок и получения пазов. Металлические детали погружают в кислотный или солевой электролит. Деталь становится катодом – отрицательным электродом или анодом – положительным электродом. Поэтому классифицируют два типа электролитического травления – катодное и анодное.

1. Катодное травление. Метод применяется для снятия окалины с поверхности изделий из углеродистых сталей после горячей прокатки или проведения закалки в масле. При катодном травлении материалом для анода служит свинец, электролитом является раствор соляной, серной кислоты или соли щелочного металла. В процессе электролиза на катоде активно выделяется газообразный водород, который взаимодействует с железом, и отрывает окалину. Металлическая поверхность при катодном методе активно насыщается водородом, что повышает хрупкость заготовки. Поэтому для тонкостенных изделий катодный способ не применяют.
2. Анодная электрохимическая очистка. Это самый распространённый в машиностроении способ. Процесс заключается в механическом отрывании на аноде оксидной плёнки кислородом и смешивании с электролитом металлических молекул. Электролит представляет собой раствор кислот или солей обрабатываемого металла. В качестве катода применяют свинец, медь и другие металлы. При анодной обработке поверхность изделий становится чистой, с небольшой шероховатостью, а металл растворяется в электролите. При этом способе существует риск уменьшения толщины заготовки и перетравливания.

Химическое травление

Метод химической обработки используют для очистки поверхности детали от оксидной плёнки, окалины и ржавчины для заготовок из следующих материалов:

• чёрных металлов;
• нержавеющих и жаропрочных сталей;
• титана и его сплавов;
• алюминия.

Для травления применяют серную, соляную или азотную кислоту. Заготовку погружают в кислотный или щелочной раствор, расплав соли и выдерживают на протяжении нужного временного интервала. Необходимое время для очистки может составлять от 1 до 120 минут.

Процесс очистки происходит за счёт выделения водорода при взаимодействии кислоты с металлом. Молекулы кислоты проникают через поры и трещины под оксидную плёнку. Там они взаимодействуют с металлической поверхностью, выделяется водород. Выделяющийся газ отрывает оксидную плёнку и очищает деталь.

Одновременно с оксидами в кислоте растворяется обрабатываемый металл. Чтобы предотвратить этот процесс используются ингибиторы коррозии.

Плазменное травление

При ионно-плазменном способе очистка и снятие поверхностного слоя происходит путём бомбардировки детали ионами инертных газов, которые не вступают в химическую реакцию с молекулами обрабатываемого материала. Позволяет делать высокоточные насечки, пазы с точностью до 10 нм. Технология применяется в микроэлектронике.

Плазмохимический метод предусматривает возбуждение плазмы в химически активной среде, что вызывает образование ионов и радикалов. Активные частицы, попадая на металлическую поверхность, вызывают химическую реакцию. При этом образуются лёгкие соединения, которые удаляются из окружающей воздушной среды вакуумными насосами.

Метод основывается на химических реакциях, возникающих при использовании химически активных газов, таких как кислород, обладающих большой реакционной способностью. Эти газы активно взаимодействуют в плазме газового разряда. В отличие от плазменной обработки в инертных газах при этом способе очистки активный газ вступает в реакцию только с определёнными молекулами.

Недостатком этого метода является боковое расширение пазов.

Травители

Травление углеродистых сталей осуществляется в 8-20% растворе серной или 10-20% соляной кислоты. С обязательным добавлением ингибиторов коррозии (КС, ЧМ, УНИКОЛ) для устранения хрупкости материала и уменьшения возможности перетравливания.

Изделия из нержавеющей или жаропрочной стали обрабатываются с применением раствора, состоящего из: 12% соляной, 12% серной, 1% азотной кислоты. Если требуется, обработку делают в несколько ступеней. Первая – в 20% соляной кислоте разрыхляется окалина. Второй этап – это погружение в 20-40% раствор азотной кислоты для полного удаления поверхностных загрязнений.

Толстый слой окалины, который образуется на нержавеющей стали, при её производстве удаляют 75-85% расплавом едкого натра с 20-25% азотнокислого натрия. После чего в 15-20% азотной кислоте производится полное удаление окислов.

Обработку алюминия и сплавов на его основе используют снятия тугоплавкой оксидной плёнки с поверхности заготовки. Для этого применяются щелочные или кислотные растворы. Обычно используют 10-20 % щёлочь, при температуре 50-80 ºС, процедура травления занимает менее 2 минут. Добавка в щелочь хлористого и фтористого натрия делает этот процесс более равномерным.

Очистка титана и его сплавов, проводимая после термической обработки, выполняется в несколько этапов. На первой стадии в концентрированном едком натре разрыхляют окалину. Затем удаляют окалину в растворе из серной, азотной или фтористоводородной кислоты. Для удаления оставшегося травильного шлама используют соляную или азотную кислоту с добавкой небольшого количества фтористоводородной кислоты.

При обработке меди и ее сплавов используют травители из перекиси водорода, хромовой кислоты и следующих солей:

• хлорида меди;
• хлорида железа;
• персульфата аммония.

Этот информационный материал подробно описывает применяемый на металлургических предприятиях процесс травления. Способ позволяет быстро очищать поверхность металла от окислов, окалины, ржавчины и других загрязнений. Благодаря травлению можно наносить на металл различные рисунки, создавать сложные микросхемы и делать микроскопические каналы нужной формы.

Удаление части поверхностного слоя металлического изделия с помощью химической реакции называют травлением. Эта технология известна человеку уже несколько тысячелетий, наряду с чеканкой и чернением ее применяли для отделки металлических деталей оружия и домашней утвари, украшений и ритуальных предметов. В наши дни травление металлов применяется в художественных промыслах, для нанесения гальванических покрытий, для создания изображений и надписей на металлических изделиях.

Перед проведением травления на те участки поверхности металла, которые не должны быть вытравлены, наносится защитное покрытие, устойчивое к травящему веществу (протраве).

Далее деталь подвергают воздействию кислой среды или погружают в емкость с электролитической жидкостью. Чем дольше деталь подвергается обработке, тем больший слой металла разъедается агрессивной средой. Травление металла может осуществляться в несколько приемов, это так называемое многослойное протравливание.

Травление изображений на металле проводят как в промышленных, так и в домашних условиях.

Исходя из применяемых для разъедания слоя металла материалов, различают такие способы травления металлов, как:

• Химический (жидкий). Применяются кислые растворы. Не требует сложного оборудования и дорогостоящих материалов. В ходе работы образуются вредные для здоровья испарения.
• Электрохимический. Применяется раствор электролита и пропускаемый через него электрический ток. Характеризуется большей скоростью процесса, более точным исполнением деталей рисунка, экономным расходованием рабочей жидкости. Не образует вредных испарений
• Ионно-плазменный (сухой). Поверхностный слой испаряется пучком ионизированной плазмы. Применяется при производстве микроэлектронных компонентов.

Ионно-плазменный метод требует высокоточного и дорогостоящего оборудования и применяется только в условиях промышленного производства. Жидкий метод, электрохимическое травление металла и даже электрохимическая гравировка доступны и в домашних условиях.

С помощью гальванического травления можно самостоятельно сделать печатную плату, практически не уступающую промышленной.

Гальванический способ травления выгодно отличается от жидкого отсутствие необходимости использования кислот, дающих вредные испарения. В зависимости от материала заготовки используются разные электролитические растворы:

• Сталь и железо — нашатырь и железный купорос
• Медь и ее сплавы (бронза, латунь)- медный купорос
• Цинк – цинковый купорос.

Гальванический способ травления рисунка на металле

Для проведения процесса в домашних условиях потребуется:

• Гальваническая ванна из непроводящего материала.
• Блок питания на 5 вольт постоянного тока.
• Металлический катод (из того же металла, что и заготовка.)
• Проволочные подвесы для заготовки и катода. Заготовка не должна касаться стенок или дна ванны.
• Две проводящие штанги, превосходящие по длине ванну.

Одну штангу присоединяют к отрицательному выводу блока питания и вешают на нее катод.

Другую штангу — к положительному выводу и подвешивают на нее изделие, которое будет служить анодом.

При подаче напряжения начинается процесс электролитического переноса металла с изделия на катод. Он будет происходить с участков поверхности, не покрытых защитным лаком.

Художественное травление металла проводят как гальваническим, так и жидким методом.

Художественное многослойное травление металла

Мастера народных промыслов и просто домашние умельцы получают с его помощью высокохудожественные изображения на холодном и огнестрельном оружии, всевозможной кованой и литой утвари. Для мастеров, делающих авторские охотничьи и бытовые ножи, травление стало практически обязательным элементом отделки. Особенно популярны охотничьи сцены, арабские, рунические или абстрактно — геометрические орнаменты. Многие мастера комбинируют травление металла с его воронением, придавая рисунку синеваты, черный или желтоватый оттенок.

Для переноса изображений используют как способ покрытия детали лаком, так и глянцевую бумагу. Применяют также еще один способ – оклеивание детали скотчем. Горячей иглой процарапывают линии рисунка, после чего пинцетом аккуратно удаляют скотч с участков, подлежащих протравливанию. Остатки клеевой массы нужно смыть растворителем.

Перед травлением деталь следует тщательно обезжирить.

Перед началом травления поверхность следует подготовить. Это позволит обеспечить:

• Высокую скорость процесса
• удаление металла ровным слоем.

В ходе обработки поверхности с нее удаляются все механические и химические загрязнения. Для нее применяют теплый мыльный раствор, подойдет и любое моющее средство. После высыхания поверхности ее надо протереть ветошью, пропитанной растворителем или обезжиривателем. Это позволит удалить остатки жидкости и масляные пленки.

Процесс обезжиривания поверхности металла

Химическую обработку хорошо сочетать с механической:

• полировка до зеркального состояния
• шлифовка наждачкой. Применяется при недоступности полировки. Следует проследить, чтобы шкурка все время двигалась в одном направлении и следы от нее были строго параллельны

Механическая обработка значительно улучшит внешний вид изделия после травления.

Для этой операции применяется несколько способов. Все их объединяет общий принцип: защита части поверхности от разъедающего действия протравы, а различает вещество, используемое для нанесения рисунка.

Лак для ногтей

Популярный и доступный способ. Обладает некоторыми недостатками:

• Высокая вязкость лака не дает возможности для прорисовки мелких деталей и тонких линий.
• Требуется твердая рука и навык рисования.
• Весьма сложно исправить ошибочно нанесенные детали.

Использование лака для ногтей

Грунтовка или битумный лак

Используется грунтовка ГФ 021, ХВ 062 или битумный лак. Сначала веществом покрывается все протравливаемое изделие. Далее тонкой ручкой или маркером переносят контуры рисунка. Из тонкой проволоки или прутка из мягких сплавов следует изготовить иглу, заострив конец проволоки.

Травление с применением грунтовки

Те участки изображения, которые должны быть вытравлены, процарапываются до металла. Следует следить за тем, чтобы грунтовка не скалывалась.

Глянцевая бумага

Кроме глянцевой бумаги (ее можно купить в магазинах товаров для творчества, а можно просто вырезать лист из журнала), потребуется лазерный принтер, приложение для работы с изображениями и утюг. Изображение рисунка следует сделать зеркальным и распечатать в натуральную величину. Изображение прикладывают к поверхности и проглаживают несколько раз. После остывания заготовки бумагу смывают теплой водой, а тонер остается на поверхности детали. Тыльную и боковые поверхности, не подлежащие протравке, нужно защитить лаком или пластилином.

Глянцевая бумага для травления

Основное достоинство метода — можно точно переносить мельчайшие детали изображения.

Основной недостаток — работать таким образом можно только с плоскими или цилиндрическими заготовками. Способ весьма популярен при изготовлении печатных плат.

Травление стали

Кроме художественного травления металла, позволяющего получать изысканные изображения на стальных поверхностях, травление стали используют и для удаления окалины и оксидных пленок. При этом следует особо тщательно соблюдать требования технологического процесса во всем, что связано с концентрацией протравочных растворов и времени выдержки детали в протраве или в электролитной ванне. Перетравливание в ходе такой операции крайне нежелательно.

При травлении стали применяют как жидкий, так и электрохимический метод. Протраву готовят на основе сильнодействующих кислот, таких, как соляная или серная. Особое внимание следует уделить тщательному обезжириванию поверхности. Пропущенное масляное или жировое пятно может привести заготовку в негодность. Для защиты частей заготовки, не подлежащих травлению, использую лаки, составляемые на основе канифоли, скипидара, гудрона.

Эти компоненты легко воспламеняемы, поэтому во время работы с лаком следует сбыть особо внимательным и осторожным. По окончании травления непротравленные участки заготовки очищают от защитного лака растворителем.

Большой популярностью среди домашних мастеров — травильщиков пользуется азотная кислота. Ее применяют как единственную основу для протравы, так и в смеси с виннокаменной или соляной. Раствор для травления металла на основе смеси азотной и соляной кислоты обладает очень высокой химической активностью, и обращаться с ним следует крайне осторожно.

Для обработки твердых и специальных сортов стали используют смеси азотной и уксусной кислоты. Обработку проводят в два этапа. Сначала готовят специальную предварительную протраву — глифоген, представляющий собой смесь воды, азотной кислоты и этилового спирта. В ней деталь выдерживают в течение нескольких минут. Далее заготовку промывают раствором винного спирта в дистиллированной воде и тщательно высушивают. После этого проводят основное протравливание.

Для травления чугунов применяют растворы серной кислоты средних концентраций.

Исходя их атомного веса и определяемых им физико-химических свойств вещества, для каждого металла и сплава подбирают свою, наилучшим образом воздействующую именно на него, протраву.

Травление медных сплавов

Как чистая медь, так и медные сплавы протравливают с применением серной, соляной, фосфорной, азотной кислоты. Для повышения скорости реакции в растворы добавляют соединения хрома или азота. На первой стадии травления с заготовки удаляют окалину и оксидную пленку, далее переходят собственно к травлению металла. При травлении меди в домашних условиях следует соблюдать осторожность.

Алюминий и сплавы на его основе выделяются среди других металлов тем, что для их травления применяют не кислотные, а щелочные растворы. Для молибдена также применяют щелочные растворы на основе едкого натра и перекиси водорода.

Титан стоит еще большим особняком — на первом этапе предварительного протравливания применяют щелочь, а на основном — уже кислоту. Для титана применяю самые сильные кислоты — плавиковую и концентрированные серную и азотную. Титановые заготовки протравливают с целью снятия поверхностного слоя окислов непосредственно перед тем, как нанести гальваническое покрытие.

Для протравливания таких металлов, как никель или вольфрам, используют водный раствор перекиси водорода и муравьиной кислоты.

Заготовка для печатной платы представляет собой лист текстолита, с одной или с двух сторон покрытый слоем медной фольги. Целью травления печатных плат является создание проводящих дорожек из медной фольги в точном соответствии с чертежом. Дорожки покрывают защитным лаком, остальную часть фольги удаляют травлением.

В домашних условиях применяет несколько способов:

1. Хлорным железом. Реагент приобретают в магазине химических товаров или делают самостоятельно. В соляной кислоте следует растворить железные опилки. Перед использованием раствор следует выдержать до полного растворения железа и тщательно перемешать.
2. Азотной кислотой.
3. Водным раствором серной кислоты, смешанной с таблетированной перекисью водорода.
4. Медным купоросом с добавлением горячей воды и хлорида натрия. Этот вариант самый безопасный, но и самый продолжительный. На протяжении всего процесса температуру протравы следует поддерживать не менее 40 о С, иначе протравливание растянется на многие часы.
5. Электролитическим методом. Следует взять диэлектрическую емкость (хорошо подходят кюветы для проявки фотографий), наполнить ее раствором поваренной соли, поместить туда плату и кусок медной фольги, которая будет служить катодом.

По окончании протравливания жидким методом плату следует тщательно промыть раствором соды, чтобы погасить остатки кислоты.

Процесс травления для других материалов

Кроме металлов, операции травления подвергают и другие материалы. Наиболее часто встречается протравливание стекла с декоративными целями. Травление осуществляют в парах плавиковой кислоты, единственной, способной растворить стекло. На этапах подготовки проводится предварительная кислотная полировка поверхности изделия, потом на нее переводится контур будущего изображения. Защитные покрытия для стекла делают из смеси воска, канифоли и парафинов. После нанесения защитного покрытия заготовку окунают в травильную емкость.

Применение плавиковой кислоты создает на поверхности красивую матовую структуру. Чтобы получить гладкую, прозрачную поверхность, в протравочную смесь добавляют концентрированную серную кислоту. Для получения рельефного, глубокого узора операцию повторяют.

В травлении металлов используются чрезвычайно активные в химическом отношении вещества-сильные кислоты, щелочи и их растворы. При неправильном обращении они могут причинить серьезный вред здоровью и нанести значительный материальный ущерб.

Использование резиновых перчаток

Поэтому при работе с ними нужно соблюдать особые меры предосторожности и строго выполнять правила техники безопасности при проведении работ:

• Работы проводят только при наличии хорошей вентиляции, предпочтительно — вытяжного шкафа.
• Обязательно использование средств индивидуальной защиты: резиновых перчаток и фартука, плотной производственной одежды, респиратора, защитного лицевого щитка.
• Нельзя ставить банки с кислотами и щелочами на высоко расположенные полки и шкафы.
• Во время разведения кислот КИСЛОТУ ЛЬЮТ в ВОДУ, и никогда — воду в кислоту.
• При работе с кислотой иметь под рукой раствор соды, а при работе со щелочью — слабый уксусный раствор для промывания участков кожи, на которые случайно попали капли раствора.
• При работе гальваническим методом перед началом работы тщательно осмотреть все используемое электрооборудование на предмет отсутствия механических повреждений и целостности изоляции.
• Иметь под рукой исправный огнетушитель.

В случае попадания травильного раствора на кожу следует немедленно промыть пораженный участок соответствующим нейтрализующим раствором. Если брызги кислоты или щелочи попали на одежду — ее следует немедленно снять.

Промыть водой пораженный участок

Если травильный раствор попал на слизистые оболочки — следует немедленно обратиться за медицинской помощью. Промедление в таких случаях может стоить здоровья или даже жизни.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.