Приветствую, химики и радиолюбители!
С начала года нашей команде Endurance (LaserLab) задавали вопрос, сможем сделать лазером красивую гравировку на алюминии? И будет ли это доступно для всех?
Наконец-то отвечаем! :)
Алюминий является распространенным металлом, поэтому неудивительно что люди хотят наносить на него свои гравировки. Я с удовольствием сделал это для алюминиевых брелока, флэшки и корпуса своего мобильного.
Какие свойства у алюминия?! Да, металл. T_плавления 600 градусов, с высокой теплопроводностью и часто имеет на своем покрытии оксид алюминия, у которого температура плавления больше 1100 градусов. Поэтому термообработка будет не такой простой. Давайте рассмотрим ещё вариант. Как вы знаете, провода делают из меди и алюминия. Алюминий является отличным проводником, значит, мы можем задействовать процесс электролиза. В этом и фишка, о которой читайте дальше! А именно, травление алюминия.
Всё просто!) Нам понадобятся:
- Вода (не больше 1 л).
- Источник электрического тока (от 9 до 12 В).
- Обыкновенная поваренная соль NaCl.
- Диэлектрическая емкость (например, из пластика).
- Гвоздь или другой острый твердый предмет.
И конечно лазер L-Cheapo! Мощностью 3-5 Вт.
1. Подготовьте рисунок, который Вы хотите награвировать на алюминиевую пластину.
Например, растровое изображение логотипа.
2. Избавьтесь от жира на своем алюминиевом образце. Покройте его любым из перечисленных материалов: коричневым скотчем, краской, лаком, лентой.
3. Поместите изделие на 3D-принтер, и запустите лазер в работу (необходимо разрушить поверхностный слой из пункта 2 и у Вас получатся открытые области).
4. Перемешайте соль в воде, получив концентрированный раствор.
5.1. Возьмите источник тока (на фотографии красный «плюс» и белый провод «минус»).
5.2. К минусу присоедините предмет из железа и опустите его в соляной раствор.
5.3. К плюсу присоедините образец из алюминия и опустите его в раствор в эту же емкость.
6. Подайте ток!
7. Ждите процесс электролиза (травления) в растворе около 5 минут. В зависимости от концентрации раствора и силы тока прикиньте время нужное для травления. Нам удавалось травить образец на фотографии за 3 минуты.
8. Достаньте образец из раствора.
Класс!!)
Перед помещением в емкость с раствором, не забывайте, что Ваш образец, на который нужно нанести рисунок, необходимо тщательно изолировать от внешней среды, за исключением тех областей, где должна быть нанесена гравировка.
Вы можете провести этот опыт как дома так и в своей мастерской.
С этой технологией каждый может стать мастером по гравировке на металле (как минимум, на алюминии).
Всё это ценные и практические знания. Будем рады, если Вы подпишитесь на новости Endurance
Гравировать? Легко!
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.
Лазеры и граверы Endurance.
Почему покупают лазеры и граверы нашей сборки?
+ Возможность выбора нужного именно вам лазера / гравера у нас в офисе или по телефону.
+ Квалифицированное сервисное обслуживание.
+ Лазеры и граверы продаются полностью готовые к использованию.
+ Срок доставки от 24 часов.
+ 12 месячная гарантия.
+ Все необходимые видео и инструкции по работе с гравером.
Лидеры продаж.
Лазерная гравировка на металле
Нам часто задают один и тот же вопрос, а можно ли сделать гравировку с помощью лазеров Endurance на металле, например, алюминии или стали.
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, брелки, 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 Endurance. Мы использовали для этих целей, но подойдет и любой другой.
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, можно скотчем, лаком, краской, на ваш выбор).
3. Помещаем алюминиевую пластину на рабочий стол 3D-принтера или лазерного настольного гравера, оборудованного нашим (2.1Вт или 3.5Вт) лазером, и включаем режим лазерной резки (чтобы разрушить 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.
Вы можете также и даже лучше! Узнайте больше!
Необходимо помнить, что гравируемое изделие перед помещением в раствор следует тщательно изолировать за исключением тех областей, где, собственно, и должна быть нанесена гравировка.
Данный процесс можно проводить и дома, и в небольшой мастерской.
С этой технологией любой может стать мастером гравировки по металлу.
На наш взгляд, эта технология имеет большую практическую ценность, поскольку относительно легко вы можете гравировать лазером на металле дома или в небольшой мастерской.
Гравировка на металле (алюминии и стали) с Endurance — это легко!
Демо видео травления алюминия
Понравилось видео?
Подпишитесь на наши каналы!
Лазерная гравировка для себя и для бизнеса.
Преимущества наших лазеров
+ Собраны в США. Протестированы в России.
+ Надежны. Гарантированная продолжительность непрерывной работы 48 часов.
+ Обладают заявленной мощностью, в отличие от многих китайских аналогов.
+ Все наши лазеры режут фанеру, ДВП, акрил, кожу.
+ Все наши лазеры гравируют на коже, акриле, пластике, фанере, дереве.
+ Лазеры мощностью 5.6 Вт, 8 Вт гравируют на анодированном и окрашенном алюминии, стекле, камне.
+ С каждым лазером и гравером поставляется необходимый софт, а также консультации в его настройке.
Если у Вас есть вопросы, свяжитесь с нами!
[email protected]
+7 916 2254302
Skype: george.fomitchev
Messenger:
Наиболее часто используемым средством для травления алюминия является водный раствор едкого натра с или без добавок. Он используется для общей очистки в тех случаях, когда необходимо произвести удаление оксида, смазки или субповерхностного детрита с большей продолжительностью травления для получения глянцевого или матового покрытия. Это используется при производстве именных табличек или декоративных архитектурных элементов, для глубокой гравировки или химического травления. Данный метод травления является достаточно дешевым, однако он в то же время может стать слишком сложным для исполнения.
Растворы для декоративного травления могут содержать от 4-10% и более едкого натра, рабочая температура будет составлять 40-90ºС, при этом может так же возникнуть необходимость в использовании увлажняющего средства для рассеяния смазки и для получения легкого пенного покрытия, а так же в использовании других добавок. Нормальная рабочая температура для очистки и декоративной обработки составляет 60ºС. На рисунке дана скорость удаления металла при различной концентрации и температуре при 5-минутном травлении 99.5% листового алюминия. Эти кривые применимы для свежеприготовленного раствору, при этом меньшие значения относятся к периоду после погружения алюминия в раствор. Сприндж и Швал опубликовали данные касающиеся скорости травления листового алюминия, имеющего чистоту 99.5% и экструзии 6063 в растворах едкого натра с концентрацией 10, 15, 20% при температуре от 40 до 70ºС. Чатерджи и Томас так же провели подробно исследование травления едким натром экструзии 6063 и листов 5005, 3013.
Скорость травления 99.5% алюминия в едком натре.
Алюминий растворяется в едком натре с выделением водорода и формированием составного алюмината, который существует только в щелочном растворе. Происходящая в этом случае реакция может быть записана двумя способами:
Количество свободного едкого натра уменьшается по мере протекания реакции, вместе с этим уменьшается и скорость травления, электрическая проводимость уменьшается, а вязкость растет. Если к ванне вообще не добавляется едкий натр, то реакция протекает очень медленно, однако, в конечном счете, чистый или коричневатый раствор приобретает молочно-белую окраску, начиная с этого момента скорость травления снова начинает возрастать, и растет до значения, немного меньшего, чем начальная скорость травления. Наблюдаемую на этой стадии реакция можно записать следующим образом:
Формируемый гидрат окиси алюминия или Гибсайт имеет форму суспензии, при этом в ходе реакции так же происходит выделение едкого натра, столь необходимого для продолжения травления.
Ионная структура алюмината в растворах, имеющих высокий уровень рН является достаточно сложных вопросом, к счастью оператора эта проблема фактически не касается. Муленар, Эванс и МакКивер провели исследование инфракрасного спектра и спектра комбинационного рассеяния для растворов алюмината натрия в воде и оксиде дейтерия (тяжелая вода), так же они изучали спектр ядерного резонанса для Na и Al. Для концентрации алюминия ниже 1.5М они вывели 4 вибрационные зоны, две из которых были инфракрасно активными при 950 и 725 см-1, а так же 3 зоны комбинационного рассеяния, активные при 725, 625 и 325 см-1. Для алюминия так же существовала тонкая резонансная линия. Все эти факты достаточно легко соотнести с существованием тетраэдрального Al(OH)4-, который является основным носителем алюминия в растворе.
При превышении концентрации алюминия 1.5М, новая вибрационная зона появляется при 900 см-1 для инфракрасной зоны и зоны комбинационного рассеяния при 705 и 540 см-1, в то время как зона ядерного резонанса для алюминия будет значительно расширена без смены положения. Все эти наблюдения можно объяснить с точки зрения конденсации Al(OH)4-, с увеличением концентрации и формированием Al2O(OH)62-, причем в растворах 6М алюмината натрия эти две формы сосуществуют параллельно. Было установлено, что раствор едкого натра при его непрерывном использовании будет поглощать алюминий до тех пор, пока объем свободного едкого натра не сократиться до приблизительно одной четверти от оригинального объема, после чего будет продолжаться травление свободным едким натром, колеблющимся приблизительно на том же уровне с амплитудой, которая зависит от температуры, интенсивности использования и периода паузы. Гидрат в этом случае медленно осядет или кристаллизуется на дне и по бокам резервуара с формированием очень твердого гидрата, который очень трудно поддается удалению, при этом он, к сожалению, стремится осесть на поверхности нагревательных катушек. Здесь мы наблюдаем третью реакцию, т.е. реакцию дегидрирования гидроксида алюминия с формированием окиси алюминия:
Природа данной трансформации показана на рис. 4-10, где различное количество алюминия растворяются в 5% (вес) растворе едкого натра, а измерения проводятся на свободном едком натре сразу после каждого его добавления, а так же по прошествии трех недель. Вплоть до 15 г/л алюминия остается полностью в растворе без изменений количества свободного едкого натра, однако как только начинается осаждение окиси алюминия, которое происходит незадолго до появления свободно различимого осадка, свободный едкий натр восстанавливается до 4%, т.е. до 80% его начального значения. При продолжительном использовании это значения для подобного раствора может колебаться в диапазоне от 1 до 1.5%, иногда возрастая до 2.5%, в случае простоя, длящегося несколько часов. Подобное же соотношение соответствует и для более высокой концентрации едкого натра, причем эти значения фактически не зависят от температуры.
Влияние растворенного алюминия на свободный едкий натр.
Другим важным влиянием алюминия является то, что при увеличении содержания алюминия скорость травления падает, причем достаточно явно, это отражено на рисунке. На практике это означает, что при необходимости поддержания постоянной скорости травления, необходимо увеличивать содержание свободного едкого натра по мере увеличения количества алюминия в ванне.
Итоговая реакция в таком случае будет происходить между алюминием и водой с выделением водорода и алюминия. В теории травление может таким образом продолжаться бесконечно, при этом потери едкого натра будут происходить только в результате уноса. Данный метод работы с травильным резервуаром действительно применим на практике, однако надо помнить о необходимости периодического удаления твердого осадка гидрата. Согласно существующему на настоящий момент опыту при работе в подобном режиме срок службы резервуара может составлять до 2-х лет. Фильтрация растворов едкого натра оказалась не столь успешной, из-за того, что очень мелкий осадок имеет тенденцию очень быстро забивать фильтр, однако в остальном никаких проблем, связанных с применением данной методики, выявлено не было.
Скорость травления в гидроксиде натрия 50 г/л, нитрате натрия 40 г/л при 60ºС в зависимости от концентрации алюминия .
Химический контроль раствора, применяемый перед выпадением осадка или в стабильном состоянии после выпадения осадка включает в себя определение общего количества натра и свободного едкого натра. Содержание последнего может быть вычислено с достаточной точностью для практического применения путем титрования с соляной кислотой, которое производится до тех пор, пока фенолфтолеиновый индикатор не теряет свою окраску. В качестве альтернативы можно так же предложить потенциометрическое титрование. Для восполнения потерь в результате уноса достаточно лишь поддерживать общее содержание едкого натра на фиксированном уровне, так как контролировать колебания свободного едкого натра в растворе не представляется возможным. Для точного определения, при котором в расчет так же принимаются карбонат и растворенный алюминий, применяется более сложный метод расчета, который приводится в таблице.
Одной из наиболее часто встречающихся проблем, касающихся травления с помощью едкого натра, является тенденция вызвать питтинг или «сжигание» части или всей детали, которое сопровождается увеличением скорости травления до 300%. Это обычно происходит в сильно загруженных растворах, которые используются настолько интенсивно, что не имеют возможности восстановления. В этом случае гидрат кристаллизуется на детали, что приводит к увеличению интенсивности локального травления, увеличению температуры и воздействию на границы зерен, которое обладает свойствами кислотного травления. Иногда достаточно тяжело избежать питтинга в растворах этого типа при попытке удаления анодной пленки. Если это происходит, то необходимо понизить температуру.
Таким образом, можно видеть, что, несмотря на кажущуюся простоту процесса травления, на практике может наблюдаться много конкурирующих реакций, которые необходимо осознавать для получения хорошего результата. Основными факторами, ответственными за травление, являются содержание в растворе свободного едкого натра, наличие и количество добавок в ванне, температура раствора, а так же содержание алюминия в растворе. Влияние состава раствора уже обсуждалось ранее, однако температура раствора оказывает сильное влияние на скорость травления. Обычно данный фактор легко поддается контролю, однако на практике из-за экзотермической природы данной реакции часто возникает необходимость в охлаждении травильных ванн, особенно когда они находятся в непрерывном использовании. Большинство травильных ванн используются при температуре от 55 до 65ºС, так как при более высоких температурах может наблюдаться загрязнение в результате травления при переносе, особенно это касается листовых материалов.
