金属的化学和电化学蚀刻加工及抛光

金属的化学和电化学蚀刻加工及抛光

一、实验导言

金属材料和非金属材料各有不同的加工处理方法。金属材料的加工成形和提高表面光洁度的方法很多，历史悠久的传统加工方法有：热加工，即将材料加热至熔融状态，放到模具里冷却成形；机械加工：在常温下，用车床、刨床、镗床、铣床以及冷扎等加工工具的机械能量，使被加工材料成形。随着被加工材料组成、材质的变化，仅仅用传统加工方法已不能满足生产和科研的需要。20世纪50年代以来，对材料的化学和电化学加工方法迅速发展起来。

化学加工是利用自发进行的氧化还原反应将电极电势低的金属氧化掉，保留下需要的部分成为产品。这种加工方法又称为化学蚀刻。之所以称为“蚀刻”，是因为其加工反应原理与金属腐蚀原理相同，也可以说是金属腐蚀原理在材料加工中的应用。

随着电讯技术的迅猛发展，电子器件的生产加工技术不断更新，越来越趋向于微型化、精密化，集成化，以至如在“微波水热合成法制备纳米材料”中所述：在分子和原子量级上加工器件已不足为奇。不过截至目前，印刷电路板的制作工艺仍在沿用始于上世纪初的化学蚀刻方法。

电化学加工是利用电化学中电解的原理使非自发进行的氧化还原反应得以进行，而将金属加工成为需要的产品的。这种加工方法又称为电化学蚀刻。

不锈钢是具有抵抗大气、酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称。在钢中添加元素铬，其含量达12％～13％以上，含量超过17％的不锈钢为耐酸钢。典型不锈钢的化学成分为：1Crl8Ni9Ti。不锈钢的强耐腐蚀性使得一般的化学加工对它来说不适宜。因此常用电化学加工法。

化学蚀刻和电化学蚀刻二者的区别在于前者不必通电流，而后者需要外电源通电实现加工反应。从加工速率来说，电化学加工来得快。

化学蚀刻和电化学蚀刻主要用于：各种难切削材料的加工(硬质合金、钛合金等)、各种复杂表面的加工(喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣等)、各种超精、光整及特殊要求的加工(航天、航空陀螺仪等)。

为了提高加工效率和质量，人们寻找更加有效的加工方法，还创造出了将化学或电化学加工与机械加工有机结合、同步进行的加工方法，例如，电解磨翻、电解珩磨等。

对材料进行化学和电化学加工前都需要采取措施将需要保留的部分覆盖住，对材料进行加工成型后，再将覆盖膜除掉。加工的精度往往取决于覆盖的精度和各工艺参数。用此法加工孔径为0．5 mm的均匀筛孔不成问题，而且加工精度很高。机械、纺织、制糖业等使用的精致不锈钢制件，以及精美的不锈钢工

艺品等也都可以加工。

金属表面光洁度往往是衡量金属制件品质的重要技术参数。化学或电化学抛光是常用的抛光方法。

科学技术总是在不断发展前进的，传统工艺经过改造也能放出异彩。应用电解原理进行电镀的工艺已有较长历史，但是，自1921年Bluml开创了利用两种不同的电解液镀出金属多层膜以来，各国研究者采用双槽法、液流法和单槽法等相继电镀出了Cu—Bi、Cu—Ni、Ru—Co、Ni—NiP、Ag—Pd等纳米级多层膜，为电化学工艺理论研究和镀层应用开辟了新的途径。电镀工艺考察在实验18中进行。

二、实验原理和提要

1．印刷电路板的制作

印刷电路板的导电物质是金属铜，但并非是铜导线或铜片，而是铜薄膜。铜薄膜的制备方法是：在表面压复有铜薄膜的敷铜板上，将需要的电路图形用抗腐蚀物质覆盖住，应用腐

蚀原理将表面未被覆盖的多余的铜薄膜腐蚀掉，再把保留的铜电路暴露出来，作为导电线路使用。也就是在适合的温度下，使敷铜板和蚀刻液之间发生氧化还原反应，即制成产品。

本实验以FeCl3溶液为蚀刻液，腐蚀掉金属铜。因为三价铁离子与二价铁离子电对的电极电势高，而二价铜离子与铜的电极电势低，三价铁离子为氧化剂，铜为还原剂，反应自发进行结果制得印刷电路板。敷铜板上保留的部分用照相复印的方法覆盖，也可用不干胶粘贴。将缚铜板浸入50℃溶液中，反应10min。反应式为：

Cu十2Fe3+一Cu2++2Fe2+

2．不锈钢蚀刻加工

本实验中不锈钢电化学加工用电解液主要成分为FeCl3，外加电源，以不锈钢做阳极，阴极用石墨。在常温下，电解池阳极和阴极分别发生氧化反应和还原反应，反应式为

阳极：Fe—Fe2++2e-

阴极：2H++2e——H2

3．电化学抛光

电化学抛光法同样应用电解原理，因两极间液膜厚度不同，金属表面突出部分溶解速率快，凹进部分溶解速率慢，使金属表面得到整平。

三、实验内容和步骤

1．印刷线路板的制作

(1)在小烧杯里配制质量分数37％的FeCl3溶液，电炉加热至约50℃。

(2)取一小块敷铜板，在上面用不于胶粘贴需要保留部分的线路图形。

(3)将敷铜板立着放人小烧杯中加热数分钟后，用玻璃棒夹取出观察，至裸露的铜表面已经腐蚀掉，将其用自来水冲洗干净。去掉不干胶，得到的图形即是设计的保留线路图形。必要时可以再在其上镀银。

2．不锈钢的蚀刻加工

(1)在试件上用防蚀刻胶粘贴需要保留的图形，取适量25％的FeCl3溶液为电解液。

(2)称量试件质量。

(3)计算浸入电解液的试件的面积。

(4)将贴好图形的试件挂在电解池的阳极。

(5)调节电解电流，开始蚀刻反应，记录开始蚀刻时间。

(6)5 min后切断电源，取出试件，用自来水冲洗干净。观察试件蚀刻表面。

(7)再准确称量试件质量：m2

(8)计算蚀刻速率(失重法)：μ=(m2－m1)／t。

3．选做实验——金属表面的电化学抛光

利用电解原理，对金属进行电化学抛

光。

参考图15—1，以铅板为阴极，待抛光

的铜丝做阳极，通电后进行抛光。

调整夹具使工件处于半圆形铅板的

中央位置，注意切勿短路。调节电流密度

为75～90 mA／cm2抛光3~5min；。切断抛光液配方(体积比)：H3PO470％，H2SO410％，添加剂14％，水6％。

注意：铜丝需先用水清洗；操作过程中用镊子夹取铜丝。

四、思考题

1．印刷线路板的制作原理是什么?

2．不锈钢板的蚀刻原理是什么?