Способ травления материалов

Изобретение относится к травлению поверхности материала и может быть использовано при макроскопическом исследовании для изучения прочностных свойств как металлических, так и неметаллических материалов, а также для контроля качества получаемых изделий. Способ включает взаимодействие поверхности травления, подключенной к положительному полюсу источника постоянного тока, с травящим узлом, обработанным травильным составом и соединенным с отрицательным полюсом, при этом в процессе травления подогревают зону контакта поверхности травления с травящим узлом до температуры кипения травильного состава путем увеличения плотности тока. Технический результат: совмещение эффектов химического и электролитического травления, повышение скорости травления, травление поверхности материалов неограниченных размеров, ускорение процесса выявления макроструктуры. 1 ил.

 

Изобретение относится к травлению поверхности материала и может быть использовано при макроскопическом исследовании для изучения прочностных свойств как металлических, так и неметаллических материалов, а также для контроля качества получаемых изделий.

Известен химический способ травления материалов [Н.А.Богомолова. Практическая металлография. - М.: Высшая школа, 1987. - 44-47 с.] способом смачивания поверхности шлифа травящим составом.

Травящий состав предварительно подогревают в отдельной емкости для увеличения скорости травления.

После выявления структуры поверхности материала проводят ее исследование.

Таким образом, можно обрабатывать поверхности требуемых размеров.

Однако известный способ имеет низкую скорость травления из-за быстрого охлаждения травящего состава, так как травящий состав подогревается в отдельной емкости.

Известен также электролитический способ травления материала [Н.А.Богомолова. Практическая металлография. - М.: Высшая школа 1987. - 52 с.], который может быть использован при микро- и макроскопических исследованиях, при котором вырезают часть поверхности материала (образец), которую необходимо исследовать, и в качестве анода помещают в раствор специального состава - электролита, налитого в ванну, проводящего электрический ток, катодом служит специально изготовленная металлическая пластина.

При пропускании электрического тока происходит растворение определенных фаз поверхности материала (анода) и выявляется его макроструктура. Размеры исследуемой поверхности находятся в прямой зависимости от размеров травильной ванны, куда должен помещаться образец.

Недостаток этого способа - невозможность травления поверхности материалов неограниченных размеров из-за ограниченности размеров ванн с электролитом и большого расхода травящего состава.

Известен способ травления материалов [Авторское свидетельство СССР №1481267, МКИ. C23F 1/2, C25F 3/02. Способ травления материалов / Ю.В.Данченко, Л.Е.Макарова. - опубл. 23.05.89, БИ №19], выбранный за прототип, преимущественно при их микро- и макроскопическом исследованиях, включающий локализацию поверхности травления, подключенной к положительному полюсу источника постоянного тока, взаимодействие поверхности травления с травящим элементом, подключенным к отрицательному полюсу и выполненным в виде гранул полимера, предварительно выдержанных в травильном составе до набухания.

Время обработки травящего элемента (гранул) травильным составом до набухания составляет 10 минут.

Время травления составляет 5 и более минут на 1 гранулу в зависимости от состояния травимого материала и цели травления.

Этот способ травления можно использовать для точечного (локального) выявления структуры.

К недостаткам этого способа относятся:

1. Недостаточно высокая скорость травления, обусловленная электролитическим способом травления.

2. Невозможность травления поверхности материалов неограниченных размеров из-за ограниченности размеров гранул полимера.

В основу изобретения поставлена задача способа травления материалов за счет совмещения эффектов химического, электролитического травления и ускорения процесса выявления макроструктуры обеспечить повышение скорости травления и травление поверхности материалов неограниченных размеров.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе травления материалов, включающем взаимодействие поверхности травления, подключенной к положительному полюсу источника постоянного тока, с травящим узлом, обработанным травильным составом, соединенным с отрицательным полюсом, предусмотрены следующие отличия: в процессе травления подогревают зону контакта поверхности травления с травящим узлом за счет электронагрева, путем увеличения плотности тока до температуры кипения травильного состава, которым обработан травящий узел.

После подогрева зоны контакта травящего узла до температуры кипения электролита активизируются процессы электрохимического растворения границ кристаллитов и других структурных неоднородностей поверхностного слоя материала. Одновременно усиливается процесс химического травления за счет влияния температурного фактора.

Происходит суммирование эффективности химического и электрохимического травления, что приводит к существенному снижению времени, необходимого для выявления макроструктуры.

Способ позволяет конкретно исследовать пористость, взаимное расположение кристаллов, размеры элементов структуры, дендритную структуру, выявлять трещины разного рода.

Предлагаемый способ ускоряет процесс травления в 5 и более раз за счет уменьшения времени на выявление макроструктуры, значительно упрощает процесс, облегчает условия труда.

Таким образом, новые признаки при взаимодействии с известными признаками обеспечивают обнаружение новых технических свойств - повышение скорости травления и обеспечение возможности травления материалов неограниченных размеров, так как травление происходит конкретно на самой детали, что позволяет отказаться от ванны, в которую должны помещать деталь или часть детали для травления. Следовательно, предлагаемое техническое решение не известно из уровня техники и отвечает критерию «Новизна».

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "Изобретательский уровень".

Предлагаемый способ травления материала реализуется с помощью схемы, представленной на чертеже.

Схема содержит поверхность травления материала 1, подключенного к положительному полюсу 2 источника постоянного тока (не указан на чертеже), отрицательный полюс 3 которого соединен с травящим узлом 4 через электрод 5, амперметр 6 и регулятор тока 7.

Травящий узел 4 изготовлен в виде электропроводного тампона из гигроскопического материала, заполненного электролитом, например стекловаты, обтянутой стеклотканью. Время обработки травящего элемента 4 травильным составом составляет 2-15 секунд.

Вообще же, травящий узел для осуществления данного способа травления конструктивно может быть выполнен большим количеством способов. Это может быть, например, даже просто перфорированный электрод (или полый валик из кислотостойкой стали или графита с множественными отверстиями в нем), из которого выступает травильный состав и удерживается на нем за счет смачиваемости. При этом если расстояние между этим электродом и травимой поверхностью материала настолько мало, что действуют капиллярные силы, т.е. образуется тонкая пленка между двумя смоченными поверхностями, то процесс травления будет идти и без гигроскопичного материала. Отдельная операция пропитки травящего узла может быть сведена по времени к нулю и рассматриваться как проводящаяся параллельно другим операциям травления, если, например, травильный состав подводится к травящему узлу из резервуара по подводящей трубке.

В отношении электрической безопасности травящий узел может быть изготовлен в виде тампона с рукояткой из электроизоляционного материала, что обеспечивает электробезопасность персонала при травлении.

Напряжение постоянного тока при травлении не превышает безопасного по требованиям техники безопасности, например 36,24 или 12 В. Травильный состав, которым обрабатывают травящий узел, - 10-100% водный раствор соляной кислоты, 0-30% ортофосфорной кислоты, 0-90% воды (температура кипения которой приблизительно равна 100°С).

В качестве травильного состава можно применять также 50% водный раствор соляной кислоты, раствор щавелевой кислоты или другие электропроводные травильные составы.

Скорость травления примерно 100 см² за 1 минуту.

Марки сталей 12Х2Н4ВА, 18Х2Н4А, 30ХГСА, 30ХГСНА, 20ХГСЛ, 20ХГС, 20Г, 12Х18Н9Т, 4Х13, 95Х18, 40Х, 20Л, 35Л, 45Л травились указанным в заявке способом травления, и полученные результаты были полностью идентичны результатам травления по ГОСТ 10243-75 «Сталь. Методы испытаний и оценки макроструктуры».

Кроме того, успешно травились по предлагаемому способу:

- серый и ковкий чугун;

- медь;

- бронза ОЦС 5-5-5;

- кремний.

Ниже приведены практические примеры реализации способа травления.

Предлагаемый способ травления материалов опробован для макроскопического исследования темплетов из стали 20Г и 20ХГС, изготовленных из слитков диаметром 100 мм. Перед началом травления травящий узел 4, изготовленный в виде тампона из стекловаты с оболочкой из стеклоткани, обрабатывали травильным составом, состоящим из 30% воды, 35% ортофосфорной кислоты и 35% соляной кислоты в течение 2-15 с. Травящий узел 4 подключили через амперметр 6 к отрицательному полюсу источника постоянного тока, поверхность травления 1 - к положительному полюсу источника постоянного тока.

Травящий узел 4 приводился в контакт с поверхностью темплета, после чего включали ток и производили травление поверхности темплета за счет последовательного перемещения травящего узла по всей поверхности.

При помощи регулятора 7 увеличивали плотность тока до 1 А/см², что соответствовало максимальной скорости травления. При этом зона контакта травильного узла с поверхностью травления подогревалась до температуры 100°С, температуры кипения указанного травильного состава. Рабочий ток контролировался амперметром 6, который включался последовательно с травящим узлом. Затем перемещали тампон травящего узла 4 на другой участок поверхности материала и повторяли способ травления.

Время травления темплета из стали 20Г площадью 80 см² составило 40 секунд.

Опробовали травление макротемплетов меди диаметром 100 мм.

Травильный узел был изготовлен из хлопчатобумажной ткани в виде тампона, внутри которого располагался металлический стержень-токоподвод. В течение 30 с узел пропитывали электролитом и подключали к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Положительный полюс источника с помощью проводника подключали к макротемплету. После включения источника тока величину тока доводили до 0,8 А. Время травления составляло 3-4 минуты, затем образец промывали в дистиллированной воде.

Макротемплет бронзы диаметром 50 мм был протравлен с применением в качестве травильного узла валика из коррозионностойкой стали с пористым покрытием из стеклоткани. Электролит подавали по полимерной трубке через перфорированную металлическую ось. Время травления составляло 4-5 минут при рабочем токе 0,5 А.

Опробовали травление образцов чистого кремния. Травящий узел по устройству был аналогичен узлам, использованным для травления металлических материалов. Рабочий ток составлял 0,2А, время травления 15-20 минут.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию «Промышленная применимость».

Способ травления материалов, преимущественно при их макроскопическом исследовании, включающий взаимодействие поверхности травления, подключенной к положительному полюсу источника постоянного тока, с травящим узлом, обработанным травильным составом и соединенным с отрицательным полюсом, отличающийся тем, что в процессе травления подогревают зону контакта поверхности травления с травящим узлом до температуры кипения травильного состава путем увеличения плотности тока.