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 technology – International symbology specification – Data 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
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.