Глебов В.В.

Южно-Российский государственный технический университет, Россия

Перспективы электрохимических методов гравирования металлов с учетом экологических факторов

В машиностроении и других отраслях производства, связанных с поверхностной размерной обработкой металлов, постоянно возникают технологические проблемы, обусловленные твердостью, хрупкостью и вязкостью материалов, обработка которых невозможна одними лишь механическими методами. Необходимость формирования на металлических поверхностях рельефных рисунков, например, при изготовлении неглубоких пресс-форм, печатных форм и клише, значков, эмблем и другой фурнитуры, различной декоративной продукции, нанесении маркировочной и справочной информации на специальные бирки или непосредственно на изделия и т.д., возникает на различных технологических этапах изготовления изделий. Рельефное формообразование может осуществляться механическим способом (фрезерование, локальное продавливание, абразивная обработка), термическим (дуговой разряд, электроэрозионная и лазерная обработка) или химическим способом (селективное травление, размерное катодное осаждение или анодное травление). Химические способы являются преобладающими, поскольку не требуют больших затрат, высококвалифицированной и трудоёмкой работы, позволяют формировать на поверхности изделий рельефные рисунки с очень высокой степенью разрешения.

Важнейшим параметров оценки качества процесса химического рельефного формообразования является экологическая безопасность самого процесса и технологии переработки отработанных растворов. В настоящее время экологические проблемы обозначены в числе приоритетных направлений развития науки («Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации», утвержденные Президентом Российской Федерации 21.05.2006 года, Пр-№ 843). Международные стандарты и технические рекомендации по маркированию изделий (ISO/IES 16022 Information technologyInternational symbology specificationData Matrix, NASA-STD-6002 Applying Data Matrix Identification Symbols on Aerospace Parts,MIL-STD-130M Identification marking of U.S. military property и др.) обязывают учитывать экологические последствия при выборе метода маркирования. При любом способе химической обработки поверхности – фотохимическом, гальваническом и анодном – в рабочих растворах появляются вторичные продукты реакций, поэтому в технологических процессах необходимо учитывать и решать проблемы утилизации, регенерации, обезвреживания и снижения токсичности отработанных растворов. Кроме травильных растворов и электролитов химическая обработка поверхностей требует большого потребления воды в качестве технологического сырья. Примерно 90 … 95% этой воды используется на промывочные операции. При производстве плат печатного монтажа (ППМ) концентрация ионов меди в промывных и сточных водах достигает нескольких десятков грамм на литр. Кроме этого, гальваностоки содержат значительное количество минеральных кислотных и щелочных ионов, органических соединений и солей тяжёлых металлов. Удельный расход воды зависит от способа обработки и оборудования и колеблется в широком диапазоне от 0,2 до 2,3 м3 на 1 м2 обработанной поверхности.

На кафедре физики ЮРГУЭС проводятся исследования по возможности замены фотохимической технологии на электрохимическую при изготовлении ППМ, электрохимическом маркировании, изготовлении фирменных табличек и обработки гальванокопий. Разработанный растровый электрод-инструмент позволяет наносить не только буквенно-цифровую информацию, но и наносить матричную маркировку (двухмерный код или 2-D код). Такая маркировка становится более приемлемой и распространённой в связи с увеличением использования сканеров с лазерным лучом и приборами с зарядовой связью. Фотохимический метод рельефного формообразования основан на селективном травлении - углублении участков изображения и текста на формном материале растворами солей, кислот или щелочей (в зависимости от природы материала). Достоинствами этого метода являются доступность механизации и автоматизации, снижение себестоимости технологической операции при увеличении её тиражируемости. Основными недостатками этого метода являются многооперационность и трудоёмкость процесса, повышенный расход травителей и стравливаемого металла, технологические трудности регенерации растворов и извлечения металлов, использование дорогостоящих и дефицитных материалов. Преимущества анодного формирования рисунка ППМ и изготовления различных металлорельефов по сравнению с химическим очевидны: упрощение состава электролита и использование для его приготовления нейтральных водных растворов солей; экономичность и малооперационность; возможность обрабатывать любые поверхности и материалы без существенного влияния на их физико-химические свойства; высокая и стабильная скорость травления; возможность регенерации и очистки электролита. Загрязнения электролита в основном состоят из смеси коллоидного раствора и взвеси окислов и гидратов окислов металлов. Выбор электролита и различных добавок (комплексообразователей, ПАВ, пеногасителей) упрощается также за счёт способности современных систем считывать коды при 20 процентной контрастности печати. Электрохимический способ маркирования позволяет наносить максимальную плотность информации по сравнению с лазерными и игло-ударными системами маркировки.

Использование электрохимической размерной обработки (ЭХРО) поверхностей во многих случаях либо не требует, либо требует минимальной послеоперационной промывки изделий. Промывка необходима в том случае, когда требуется достигнуть такого разбавления остатков раствора на поверхности деталей, которое не оказывает вредное влияние на качество покрытия. Как правило, в качестве электролитов при ЭХРО используются растворы хлористого или азотнокислого натрия, которые практически не оказывают действия на поверхность металлов. При необходимости в растворы добавляются нейтрализаторы, антикоррозионные и пассивирующие добавки. В промышленных условиях при маркировании не требуется также специальной предварительной обработки поверхностей. Достаточно, чтобы поверхность была плоской или одинарной кривизны, очищенной от окислов и загрязнения.

Перспективы применения любого метода обработки связаны с потенциальными возможностями улучшения технологических параметров обработки. В этом смысле ЭХРО как субтрактивный (subtratio—отнимание) метод обработки не имеет себе равных по достижимой точности обработки, вплоть до атомарных размеров (сейчас уже практически формируются нанометровые элементы и структуры с использованием сканирующих туннельных микроскопов или атомно-силовых микроскопов в результате электрохимического воздействия на отдельные атомно-молекулярные образования). Учитывая преимущества ЭХРО по качеству и точности обработки, что особенно важно на финишных этапах обработки, в настоящее время в производство активно внедряются последовательные и комбинированные методы обработки (анодно-механическая обработка, комбинированная электроэрозионно-электрохимическая обработка, наложение ультразвука, магнитного поля, локализация зоны обработки лазерным лучом и т.д.).

Таким образом, применение разработанной нами технологической оснастки и способа ЭХРО металлорельефов и ППМ, а также растровых электрод-инструментов позволяет создать экологически более приемлемую, малооперационную, менее трудоёмкую, ресурсосберегающую технологию по сравнению с используемой фотохимической, механической и физико-термической технологией.