Состав ванны травления алюминия. Травление пивного алюминия
Нам часто задают один и тот же вопрос, а можно ли сделать гравировку с помощью диодного лазера на металле, например, алюминии.
Можно ли вообще сделать гравировку на металле в домашних условиях?
Сегодня мы ответим на этот вопрос.
Рассмотрим алюминий. На самом деле это довольно распространенный в быту металл, пригодный для гравирования. Многие изделия, например, брелоки, флэшки, корпуса некоторых мобильных имеют алюминиевое покрытие.
Что мы знаем об алюминии?
Это металл с температурой плавления около 600 градусов Цельсия, обладающий высокой теплопроводностью и имеющий, как правило, на своей поверхности пленку из оксида алюминия, у которого температура плавления больше 1000 градусов Цельсия. Это значительно затрудняет процесс гравирования путем термообработки, но есть другой вариант. Алюминий – хороший проводник, а раз так, то процесс электролиза никто не отменял. Вот оно то самое решение, о котором мы расскажем.
Этот процесс называется травление алюминия.
В этом нет ничего сложного. Нам только понадобится источник тока 9-12 вольт.
А также обыкновенная поваренная соль NaCl, емкость из диэлектрика (пластиковая вполне подойдет), гвоздь или любой железный предмет подходящей формы и размера, вода.
И, конечно, лазер!
Итак, что мы делаем?
Готовим растровый рисунок, который хотели бы нанести на алюминиевую поверхность пластины.
Например, вот такой:
1. 2. Покрываем алюминиевую поверхность пластины защитной пленкой (клейкой лентой, лаком, краской на выбор).3. Помещаем алюминиевую пластину на рабочий стол 3D-принтера, оборудованного диодным лазером (желательно мощностью свыше 1-2Вт, чтобы было достаточно для того, чтобы резать пленку), и включаем режим лазерной резки (чтобы прожечь наклеенную пленку и создать открытые участки в месте будущей гравировки).4. Далее в пластиковой емкости готовим концентрированный водный раствор NaCl.5. Из источник электрического тока выводим 2 провода «плюс» и «минус».
6. К минусу присоединяем железный предмет (гвоздь) и опускаем его в водный раствор NaCl.
7. К плюсу присоединяем нашу алюминиевую пластину и тоже опускаем в раствор соли.
8. Подаем питание на источник тока.9. Начинается процесс электролиза (травления) в растворе. В зависимости от силы тока и концентрации раствора можно прикинуть примерное время, необходимое для травления. Обычно 3-5 минут.10. Достаем изделие из раствора.Необходимо помнить, что гравируемое изделие перед помещением в раствор следует тщательно изолировать за исключением тех областей, где, собственно, и должна быть нанесена
Данный процесс можно проводить и дома, и в небольшой мастерской.С этой технологией любой может стать мастером гравировки по металлу (алюминию).
На наш взгляд, эта технология имеет большую практическую ценность.
Подписывайтесь на обновления Endurance.
Гравировка на алюминии - это легко!
Поставил шеф как-то передо мной задачу. Надо сделать дублирующую клавиатуру для управления контроллером станка, т. к. заводская быстро приходила в негодность, потому что сделана она из прозрачной самоклеящейся пленки, на которую на заводе наносят рисунок.
Работаю я на небольшом предприятии, которое занимается изготовлением пряностей. Занимаюсь обслуживанием упаковочных станков, электрохозяйства, локальной сети и т. д., короче всей техники, умной и не очень.
Так вот! После долгих раздумий и споров с шефом я все-таки убедил его, что для наших ламмеров - операторов корпус для клавиатуры лучше всего подойдет из «легированной орудийной стали», :cool:, но за неимением оной решили использовать высокопрочный алюминиевый корпус типа 203-125B, размерами 121×66×35 мм от Pros Kit.
Идея
У фрезеровщика были заказаны кнопки из алюминия. Куплен корпус в магазине. И тут встал вопрос как сделать нестираемые надписи на кнопках и корпусе. Пробовал нацарапать и залить краской. Вышло полное «фэээ»! Можно выгравировать! Так дремеля у меня нету, а искать по знакомым влом.Лень, друзья мои, мощнейший двигатель прогресса. После недолгих размышлений вспомнил, что когда-то случайно капнул на алюминиевый радиатор хлорным железом. Пока стёр каплю, осталось пятно на радиаторе и небольшое углубление. Ага…
А если сделать трафарет из фоторезиста, а потом протравить? Подопытным кроликом выступил кусок дюралевой пластины. Все получилось на ура!
Подготавливаем поверхности
Начнем с подготовки поверхностей. Шлифуем сначала насухо наждачной бумагой № 80-100, расстелив её на ровной подложке, потом убираем крупные царапины наждачной губкой № 180-200, смочив поверхность и губку водой. Время от времени ополаскиваем все водой.
Рис. 1. Подготовка поверхностей.
Меня вполне устроила вот такая шероховатость. При желании можно и отполировать.
Рис. 2. Корпус и кнопки после шлифовки.
Накатываем фоторезист
Далее отмеряем фоторезист для корпуса и кнопок.
Рис. 3. Пленочный фоторезист.
По фоторезисту ничего сказать не могу. Покупал в Интернет-магазине. Все, что было указано: «Фоторезист пленочный негативный индикаторный».
Отмеряем немного с запасом по краям, чтобы удобно было накатывать. Пленочный фоторезист состоит из 4-х слоев: нижний (он матовый) - полиэтилен, потом тонкий слой клея, потом, собственно, сам фоторезист, а сверху глянцевый защитный слой (лавсан). Аккуратно поддеваем матовый слой иголкой или скальпелем, отдираем полоску шириной миллиметров 5-8 и приклеиваем на корпус. Фоторезист легче накатывать вдоль длинны корпуса.
Да! Еще один нюанс. Корпус лучше подогреть над газом до температуры приблизительно 40 градусов. Тогда фоторезист лучше приклеивается. Постепенно отрывая основу, прикатываем фоторезист к поверхности жестким фотоваликом, или, на худой конец, пальцем. Выступающие края фоторезиста срезаем надфилем к корпусу или острым ножом.
Следите, чтобы под фоторезист не попали пылинки и пузырьки воздуха. В этом месте возможно попадет хлорное железо и будет бяка. Если пузырьки воздуха все же случились, можно аккуратно проколоть их острой иглой и сильно прокатать фотоваликом.
Верхний защитный слой пока не снимаем, потому что фотошаблон может приклеиться к фоторезисту (были случаи).
Рис. 4. Накатанный фоторезист.
Делаем фотошаблон
Далее в любой удобной программе готовим фотошаблон и печатаем на прозрачной пленке для принтеров. При печати указываем максимальную контрастность и минимальную яркость, но тут надо пробовать. У меня Epson RX610. Настройки такие: качество печати «Наилучшее фото», «Оттенки серого», тип бумаги «Epson Matte», яркость: -25, контрастность+25.Фоторезист негативный! То есть, где на шаблоне отсутствует краска, там фоторезист засветится и при проявке не смоется! Будьте внимательны.
Рис. 5. Фотошаблон. Пленку я использую экономно. Поэтому печатаю разные проекты на одном листе пока остается место.
Засвечиваем УФ-лампой
Прикладываем фотошаблон и придавливаем его стеклом к фоторезисту.
Рис. 6. Подготовка к засветке.
Перед засветкой спрячьте кнопки. Если засветятся, надо будет заново накатывать фоторезист.
Засвечиваем фоторезист УФ - лампой. Время экспозиции около 1 мин.
Рис. 7. Засветка фоторезиста
Рис. 8. После засветки проступают контуры рисунка.
Таким же способом засвечиваем и кнопки. Теперь можно снять верхнюю защитную пленку фоторезиста.
Проявляем
Далее - проявка. Готовим раствор для проявки из: банка стеклянная хозяйственная 0,5 л - 1 шт, сода кальцинированная (не пищевая) - 0,5 чайной ложки, вода из-под крана горячая - 0,5 л (полная банка) .Помешиваем раствор до полного растворения соды. Потом берем не очень жесткую щетку для одежды, почаще макаем ее в раствор и елозим почти без прижима по фоторезисту. Незасвеченный фоторезист постепенно смывается и получается вот такая картинка:
Рис. 9. Проявленный фоторезист.
Травим в хлорном железе
Открытые участки металла, которые не нужно травить (например, торцы), покрываем бесцветным лаком для ногтей (можно спереть у жены, как я). Теперь берем фотованночку, наливаем хлорное железо и бросаем туда корпус и кнопки изображением ВНИЗ.
Рис. 10. Травление.
Раствор сразу начинает бурлить. Алюминий вытесняет из раствора железо и оно оседает тут же, в месте травления. Его надо удалять мягкой ненужной зубной щеткой приблизительно раз в 30 сек. При этом надо быть осторожным: могут появиться сколы фоторезиста у краев изображения. Если такое случилось - немедленно промойте, просушите и скорректируйте скол водостойким маркером или тем же лаком для ногтей. Однако лак может разъесть фоторезист, будьте осторожны.
Травил я минут 5. После травления получаются углубления около 0,5 мм глубиной.
Снимаем фоторезист. При изготовлении печатных плат фоторезист можно снимать раствором едкого натра (каустической соды) или чуть разбавленным «Кротом» для прочистки канализационных труб. Но для алюминия это не подходит. Он темнеет от контакта с каустиком. Если протравленные углубления глубокие, то можно снять фоторезист наждачной губкой с водой, если не очень, тогда можно бросить в посудину с ацетоном или растворителем № 646 или 647 на 15-20 мин.
Рис. 11. После травления и снятия фоторезиста.
Завершающие операции
Далее выпиливаем отверстия под кнопки.
Рис. 12. Отверстия готовы.
Заклеиваем контур вокруг надписи строительным скотчем. Строительного скотча у меня не оказалось, поэтому заклеил алюминиевым.
Травление алюминия (изделий из данного металла) осуществляется для того, чтобы очистить его поверхность от верхнего, ненужного слоя либо от ржавчины. Также еще существует такая его разновидность - художественное травление, когда необходимо выгравировать рисунок на поверхности детали из металла.
Виды травления
Травление металлов вообще и алюминия в частности бывает двух основных видов: химическое и гальваническое. Последним методом осуществляют как раз художественное.
При химическом: изделие кладется в емкость, в которую предварительно налит раствор соляной или Таким же способом осуществляется травление алюминиевой заготовки щелочью, например едким натром.
А гальваническое (иначе - электролитическое или электрохимическое) происходит благодаря Сам процесс осуществляется в специальной ванне, где есть анод и катод.
Травление алюминия кислотой
Ввиду того, что в данном процессе применяются очень сильные кислоты, то прежде всего необходимо соблюдать повышенные меры предосторожности при работе с ними. Оператор должен надевать перчатки, маску, фартук. Важно, чтобы помещение, где происходит сам процесс, хорошо проветривалось. Не имея определенных навыков и без определенных средств защиты работать с кислотами не рекомендуется.
Как уже отмечалось выше, изделие из алюминия помещается в емкость с кислотой. Наиболее часто при химическом травлении алюминия кислотой применяют следующие реагенты: соляная или серная кислоты. При взаимодействии их с металлом выделяется водород. Внешне это выглядит следующим образом: поверхность изделия покрывается мелкими пузырями. Но, в принципе, это можно предотвратить, если заранее добавить в емкость специальный ингредиент. Таким образом металл будет защищен от пузырьков тончайшей пленкой.
Очень важный момент: все операции по травлению изделия из алюминия кислотой необходимо выполнять интенсивно, чтобы сама поверхность металла осталась целостной.
Такой метод применяется на практике не очень часто.
Травление алюминия щелочью
Чаще всего при данном способе применяется водный раствор едкого натра (возможен вариант с добавками или без них).
А используется он для того, чтобы очистить поверхность алюминиевого изделия от оксида или ненужной смазки и получить более гладкую (матовую или глянцевую) поверхность.
Для чего вообще необходимо так тщательно очищать? Для того, чтобы готовое изделие (например, декоративные архитектурные элементы, таблички) имело идеальную поверхность. А также данный способ применяется для глубокой гравировки.
Метод травления щелочью алюминия, с одной стороны, является достаточно недорогим, но он очень трудоемкий.
Особенности этого способа
Применяемые растворы содержат от четырех до десяти процентов натра. Температура при травлении щелочью составляет примерно 40-90 градусов по Цельсию.
При необходимости, чтобы получить легкое пенистое покрытие на заготовке, применяется увлажняющее средство или специальная добавка.
Средняя температура в разгаре процесса - шестьдесят градусов. Именно при таких тепловых показателях происходит качественная очистка поверхности.
Оптимальные показатели чистоты алюминия - 99.5%, а концентрация раствора едкого натра - 10, 15, или 20% .
Таким образом, во время реакции алюминий растворяется в едком натре, при этом выделяется водород. В результате формируется составной алюминат, и существует он только в растворе щелочи.
Дальнейшие процессы, происходящие при травлении щелочью
Во время данного процесса постепенно количество едкого натра становится меньше. И таким образом уменьшается и скорость самого протекания процесса, но повышается вязкость.
При условии, что в емкость совсем не добавлялось едкого натра, реакция может очень сильно замедлиться. Но в итоге коричневатый или чистый раствор для травления алюминия становится белым.
И с этого момента скорость процесса повышается.
В результате реакции в осадок выпадает гидрат окиси алюминия, который выглядит как суспензия. А также выделяется едкий натр, который также необходим, чтобы процесс травления продолжался.
Результаты при рассматриваемом способе
Экспериментально зафиксировано, что раствор едкого натра при интенсивном его применении в процессе травления начинает «поглощать» алюминий. И происходит это до тех пор, пока количество едкого натра не уменьшится до одной четвертой части от изначального объема. А уже после этого процесс продолжится свободным едким натром, колеблющимся в своем количестве. А это, в свою очередь, зависит от температуры, частоты использования и интенсивности остановок (пауз).
В этом случае гидрат медленно опустится в осадок или образует кристаллики на дне и/или по бокам емкости. Полученный гидрат будет достаточно плотным, и удалить его будет непросто. Иногда он так и норовит осесть прямо на поверхности нагревательных катушек.
Есть еще один важный момент, который касается содержания алюминия. Во время травления изделий из данного металла в едком натре необходимо четко соблюдать соотношение количества алюминия и натра. Потому что чем больше будет алюминия, тем медленнее будет происходить сам процесс. С точки зрения практики становится понятным, что необходимо постоянно увеличивать количество едкого натра по мере увеличения количества алюминия в емкости.
Таким образом, процесс травления алюминия щелочью можно продолжать постоянно. А потери будут происходить только из-за уноса его с паром.
Этот метод реально применим с точки зрения практики. Но есть несколько нюансов, о которых не стоит забывать: время от времени удалять затвердевший осадок гидрата; чистить фильтр; помнить, что емкость, в которой осуществляется процесс, при постоянном ее использовании может служить не более двух лет.
А в остальном каких-либо осложнений касательно применения данного способа не было выявлено.
Итого, после химического травления алюминиевой заготовки необходимо ее поверхность тщательно промыть, нейтрализовать и осветлить с помощью 15-20%-го раствора азотной кислоты. Этот процесс называется декапированием.
Гальванический метод
Второй способ травления - гальванический. Он более простой и по времени происходит намного быстрее. А в результате получается очень качественная поверхность изделия, четкие контуры рисунка (при художественном способе, как разновидности гальванического).
Особенность данного метода заключается в том, что в нем применяют источник электрической энергии (4-5 В).
Также понадобится ванна такого размера, чтобы в нее поместилось изделие из алюминия. Материал, из которого изготовлена ванна, должен быть диэлектриком. Состав ванны для травления алюминия - это раствор медного купороса и поваренной соли.
Перед началом процесса заготовку необходимо очистить, а также обезжирить. Далее припаять оловом к изделию медную проволоку и опустить ее в раствор едкого натра, а потом - в раствор серной кислоты. Через 2 минуты достать и промыть под потоком горячей воды. Запрещено в этот момент изделие трогать руками.
Если некоторые участки заготовки травить не нужно, на них наносится мастика. После этого можно начинать сам процесс.
В данном методе применяются две так называемые опоры, которые необходимо присоединить к аноду (положительный заряд) и катоду (отрицательный) источника электроэнергии. Важно, чтобы эти опоры располагались поперек ванны. На опору с анодом крепится заготовка из алюминия, а на вторую - заготовка из другого металла.
Все это опускается в ванну и выдерживается определенное количество времени. После этого промывается скипидаром и дообрабатывается шлифованием и полированием.
Художественное травление
Этот вид гальванического метода достаточно популярен в настоящее время. С его помощью можно делать авторские рисунки, гравировку, художественные оттиски, орнаменты на любой заготовке из металла.
И в результате получается очень четкий, красивый рисунок. Так сказать, авторская работа, которую можно оставить себе или подарить.
Сам оригинал изображения можно нарисовать самостоятельно или распечатать (с помощью лазерного принтера) на бумаге. Далее на поверхность наклеить скотч и смыть бумагу горячей водой. По итогу изображение должно остаться на скотче. Оставить высохнуть. А тем временем необходимо подготовить поверхность металла, на которую будет наноситься рисунок - обезжирить ее спиртом.
Затем приклеить скотч с рисунком на поверхность заготовки, при этом выпуская из-под него пузыри воздуха. Снимается раскаленным шилом лишний клей и все ненужное, кроме самого изображения.
Травление осуществляется тем способом, который уже описан выше - гальваническим.
Внимание: при этом процессе есть вероятность выделения вредных газов, поэтому людям лучше выйти из помещения.
Таким образом, травление алюминия в домашних условиях вполне осуществимо. Только обязательно необходимо выполнять все важнейшие меры предосторожности!
Травление алюминия проводится в щелочной или кислотной среде. Широко применяется травитель, состоящий из концентрированной H 3 PO 4 (76%), ледяной уксусной кислоты (15%), концентрированной азотной кислоты (3%) и воды (5%) по объему. Согласно исследованиям, процесс состоит из двух стадий - формирования Al 3+ и образования AlPO 4 , контролируемых скоростями соответствующих реакций:
Al 2 O 3 медленно Al -3е HNO3 Al 3+ быстробыстро Пленка медленно Растворимый AlPO 4 . (40)
Вода в фосфорной кислоте препятствует растворению Al 2 O 3 , но она способствует растворению вторичного продукта AlPO 4 . Сила тока пропорциональна скорости травления. Если ток приложен к алюминию, то отмечается анизотропия травления.
Энергия активации травления Al в H 3 PO 4 /HNO 3 равна 13.2 ккал/моль, что предполагает ограничение процесса скоростью растворения Al 2 O 3 в H 3 PO 4 . Выделяемый газ есть смесь Н 2 , NO и NO 2 . Адсорбция газов на поверхности Al является постоянной проблемой при использовании вязких травителей. Пузырьки способны замедлять травление - под ними образуются островки недотравленного металла, которые могут замыкать близко расположенные проводники.
Рис. 17.
Преимущественная адсорбция газообразных продуктов на боковой стенке ограничивает боковое подтравливание.
Неожиданным применением адсорбции пузырьков явилось ее использование для сглаживания краев профиля при травлении железоникелевых пленок в HNO 3 (рис. 17). Как только начинается процесс травления, пузырьки окиси азота собираются вдоль боковой кромки. Адсорбированный промежуточный продукт NO 2 действует как сильный окислитель при травлении металла, и травление в боковом направлении ускоряется. Адсорбция газов на боковой стенке (рис. 17) использовалась также для снижения бокового подтравливания Al при его травлении в Н 3 РО 4 . Снижение давления в камере травления с 10 5 до 10 3 Па приводило к уменьшению подтравливания с 0.8 до 0.4 мкм. В результате адсорбции мелких пузырьков водорода на боковой стенке на ней образовывался эффективный диффузионный барьер. Для снижения бокового подтравливания Al с 1.0 до 0. 25 мкм было предложено несколько травителей (табл. 9), содержащих добавки сахарозы (полиспирта) и ПАВ.
Таблица 9. Травители для алюминия.
1) АК - циклокаучук с азидами, резисты типа KTFR; ДХН - новолак с хинондиазидами, резисты типа AZ-1350.
Некачественно травление Al обусловлено несколькими факторами:
- 1) недопроявленный резист;
- 2) неравномерность толщины;
- 3) напряжения в пленках поверх ступенек;
- 4) гальваническое ускорение травления из-за наличия преципитатов Al-Cu;
- 5) неравномерность толщины окисла;
- 6) нестабильность температуры (>1 о С).
Эти факторы приводят к перетравливанию и закорачиванию.
Хром является вторым после алюминия металлом, наиболее часто подвергающимся травлению. Он широко используется при изготовлении фотошаблонов. В качестве травителя используется сульфат церия/HNO 3 .
Вследствие индукционного эффекта (формирования верхнего слоя Cr 2 O 3) травление пленки нелинейно, и поэтому момент окончания травления не может быть определен по ее начальной толщине.
Я долго искал приемлемый метод чернения металла, который можно было бы применить в домашних условиях и получить приемлемое качество чернения.
Самый доступный казался это купить баллончик с матовой черной краской и закрасить нужные части. Но даже этот метод не такой уж и простой. Нужно подготовить среду, и точно не в квартире, а хотя-бы в гараже. И к тому же краску можно легко поцарапать.
Про метод анодирования я вообще умолчу, он требует повышенной техники безопасности и всякие эксперименты с серной кислотой меня не располагают.
Совсем недавно узнал о методе чернения хлорным железом. Чисто случайно - на рынке один человек сказал, что он опускает блестящие детали в отработку от вытравления печатных плат и получает таким образом хорошее чернение. Я подумал, хорошая идея, но в общем-то не обязательно искать отработку, достаточно просто найти хлорное железо (FeCl3) и сделать такой же раствор.
Хлорное железо я нашел и заказал через Интернет у частного продавца на доске объявлений, пакетик 200 г мне обошелся с почтовой пересылкой примерно 50 грн.
Я был приятно удивлен, поскольку в основном хлорное железо и продают для радиолюбитетей. Я и сам раньше увлекался радиотехникой, лет так 15 тому, и думал что сейчас эту индустрию уже давно вытеснили китайские готовые радиотехнические решения. Оказалось не вытеснили, раз есть предложение на хлорное железо, есть и спрос. Но не буду отходить от темы, далее по делу…
Я чернил этим методом алюминий, дюраль, сталь и латунь. И могу сказать, что лучше всего получилось с алюминием. Немного хуже, но приемлемо зачернилась дюраль. Сталь не зачернилась, но покрылась налетом, напоминающим ржавчину, она перестала блестеть, хотя бы так, все же стало немного лучше чем было. Латунь немного поменяла цвет - стала немного краснее, перестала блестеть, стала матовой, но черной не стала.
Метод чернения алюминия хлорным железом
Мне нужно было зачернить пару дюралевых колечек для макромеха и пару алюминиевых переходничков. Для такого небольшого количества деталей достаточно 15-20 грамм хлорного железа.
Хлорное железо в посуде для приготовления раствора
Вначале нужно развести его с небольшим количеством воды. На такое маленькое количество железа, воды нужно совсем немножко. Важно, чтобы в результате получилась густая смесь. чтобы она не растекалась а намазывалась на поверхность. Я делал на глаз - чем гуще раствор, тем лучше.
Пока раствор “настаивается” подготавливаем наши детали к чернению. Очищаем их от возможной грязи и пыли и обезжириваем. Я просто помыл их с мылом под краном, этого было достаточно.
Теперь, когда раствор готов, берем какую-то палочку. например для чистки ушей с ваткой на кончике. и аккуратно намазываем внутренние поверхности переходника. Я чернил только их, предпочитая оставить снаружи их блестящими. Следите, чтобы раствор оставался на поверхностях, а не стекал.
Деталь с намазанным раствором хлорного железа
В моем случае алюминиевые детали почернели через 7-10 минут. Дюраль темнела чуть дольше, может минут 20, точно время не засекал.
Дюралевое колечко потемнело
В результате поверхность стала темно-серая, матовая. Не бликует, что и требовалось получить.
Если результат вас не удовлетворил, можно промыть детали и пройтись еще раз оставшимся раствором. Я так и сделал с дюралью, сталью и латунью, в надежде что получится лучше.
Дюраль стала выглядеть заметно лучше, сталь и латунь остались такими же. Можно также оставить их намазанными на более длительное время.
После достижения чернения детали можно промыть проточной водой и высушить. Далее ими можно пользоваться.
Поверхность того же колечка после помывки и сушки. Чернением доволен.
После того, как я зачернил кольцо для макромеха, которое изначально блестело, контраст на фотографиях намного улучшился, особенно это стало заметно снимая черные детали с длинными выдержками.
Еще одна алюминивая деталь, зачерненая по тому же методу
А вот что случилось с латунью Она вообще не потенмнела, но стала матовой и немного поменяла цвет
Вот такой, относительно простой и качественный метод чернения. Надеюсь что будет полезен не только мне, но и другим энтузиастам.
