Секция «Технический труд»
Учебно-исследовательская работа
«Травление метала, как вид художественной
Обработки материалов»
Подготовил:
Ученик 7 Г класс
Возняк Максим Андреевич
Руководитель:
Учитель трудового обучения:
Шовгеня Евгений Михайлов
Жлобин 2016
Содержание
1. Актуальность научно-исследовательской рабаты…………………….3
1.1 Актуальность темы…………………………………………………....3
1.2 Цель исследования…………………………………………………….4
1.3 Решаемые задачи………………………………………………………4
1.4 Этапы исследования…………………………………………………..4
1.5 Краткая теория………………………………………………………...5
2. Основная часть…………………………………………………………….6
2.1 Химическое травление………………………………………………..6
2.2 Электрохимическое травление………………………………………9
3. Заключение………………………………………………………………..11
4. Список используемой литературы…………………………………….13
Приложение
Актуальность научно-исследовательской работы
Актуальность темы
С первобытных времен, люди научились изготавливать орудие труда, для улучшения собственного быта. Но в наше время в большинстве случаев за нас всю работу делают машины. Пример тому может быть производство как простейших приборов для принятия пищи, так и изготовление сложных узлов и механизмов автомобилей. Изготовление орудий труда переходит уже скорее в разряд эксклюзивных, декоративных элементов и сувениров, нежели для применения их по назначению. На рынках часто можно увидеть красивые, изготовленные в ручную модели ножей, столовых приборов, отделанные стильным рисунком, с ручкой из дорогой и качественной древесины. В виду здоровой конкуренции мастера делают попытки, применяя все новые и новые способы отделки, чтобы изготовить достаточно красивую и неповторимую вещь. Применяются различные способы нанесения простых и объемных изображений, как на древесине, так и металл.
В свою очередь древесина легко обрабатывается. Существует множество видов ее обработки, такие как резьба по дереву, выжигании, древеснаямозайка(интарсия) и д.р.
Что нельзя сказать о металле, т.к. прочность этого материала гораздо выше. В металлообработке существует некоторые способы нанесения рисунков лазерами, на фрезерных станках, так же при отливке детали. Но это все применяется в производственных масштабах и не годиться для школьных мастерских. Однако есть такой технический прием, как химическое травление металла, который вполне можно использовать не прибегая к дорогостоящему оборудованию. Существует различные варианты травления кислотами, но это не безопасно и поэтому этот вариант нас не устраивает. Так же наряду с кислотным травлением существует травление на основе растворов солей, с применением токов небольшого напряжения, что совершенно безопасно, если следовать простейшим правилам безопасной работы.
Тема моей научно-исследовательской работы: Травление металлов, как художественная обработка материалов.
Травление — группа технологических приёмов для управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием специально подбираемых химических реактивов. Ряд способов травления предусматривает активацию воздействие на металл реагентов посредством других физических явлений, например, наложением внешнего электрического поля при электрохимическом травлении, ионизацией атомов и молекул реагентов при ионно-плазменном травлении и т. п.
Существует несколько видов способов травление металла:
1.Химический способ травления (жидкое)
2.Электрохимическое
3. Ионно-плазменный
Цель исследования
Ознакомится с таким видом обработки материалов как травление металла.
Освоить основные методы травление металла.
Провести исследования на выявления лучшего способа травления металла.
Определит какие металлы подаются травлению лучше.
Создание условий для проявление самостоятельности в принятии решения, рационализации технологического процесса.
Решаемые задачи
В своей работе я рассмотрю два способа травление металла, такие как химический и электрохимический, попробую выявить лучший способ травления, выяснить временные рамки, то есть какой из двух способов быстрее протравит металл и выявит рисунок более качественно.
Этапы исследование
1) Тщательно разобрать основные методы травления металла.
2) Подготовить образцы металла для нанесения орнамента.
3) Изготовить солевой раствор для химического (жидкого) травления.
4) Протравить 3 образца в солевом растворе на выявления орнамента.
5)Изготовить прибор (электроискровой карандаш) для электрохимического травления.
6) Протравить 3 образца электрохимическим методам.
7) Проанализировать полученные результаты.
Краткая теория.
Травление стали - это удаление совершенно ненужных окислов и окалин с поверхности стали. Травление стали, как и травление любого металла в основном осуществляется двумя способами. Первый способ - это химическое травление стали. Второй способ - это электрохимическое травление. Оба эти способа основываются на применении химических растворов.Стальные изделия погружаются в растворы, где и происходит процесс травления. При травлении важно точно произвести процедуру, так как перетравление стали совершенно нежелательно. Необходимо точно соблюсти все указания. Сам процесс травления металла должен произойти таким образом, чтобы раствор не вступил в реакцию с основным металлом, при этом полностью разрушив окись или окалину. Не стоит отказываться от травильных присадок, так как они помогают защитить основной металл.
Ряд технологий для управления удалением поверхностного слоя металлической детали при помощи специально подобранных химических реагентов. Оно позволяет удалять с изделий окалину, ржавчину и окислы под действием кислот, солей и щелочей в растворах. Таким способом проводят дополнительную подготовку изделий из металла к соединению или нанесению покрытия, что улучшает сцепление деталей или наносимого слоя с основой.
Основная часть
Химическое травление металла.
Первый способ, который я использую в своей работе химический (жидкий).
В качестве образцов я использую три вида стали:
1) Углеродистая инструментальнаяУ8А
2) Углеродистая конструкционная Ст.10
3) Легированная сталь р6м5 быстро режущая
На всех трех образцах будет нанесен один и тот же рисунок. Рисунок получим путем наклеивание липкой прозрачной ленты, с помощью ножа косяка удалим лишнюю ленту для получения рисунка. Липкая лента послужит защитной функцией. Она защитит ту часть металла от травления, которую нужно будет оставить не тронутой.
Время окисления будет 30 мин.
Основной частью травления служит раствор. Компоненты для его приготовления послужат обычная вода, поваренная соль и медный купорос.
На литр воды я добавил 100 грамм соли и 100 грамм медного купороса. (Приложение 1)
Образцы металла я тщательно зачистил шлифовальной шкуркой, разной зернистости, для получения гладкой поверхности. На чистую поверхность наклеил липкую ленту (скотч), ножом косяком удалил лишние кусочки ленты для получения орнамента.
После того как орнамент нанесен, образец опускаем в электролит на 30минут. (Приложение 1)
Наблюдение
На протяжении 30 минут образец из углеродистой инструментальной стали находился в растворе. По окончанию опыта было выяснено, что рисунок получился не ярко выраженным, а на месте травления образовывался на лет оранжевого цвета.После такого вывода было принято решения на протяжении всего времени, каждые 6 минут доставать опытный образец и проверять на наличие выявления рисунка.
После 6 минут травления наблюдался тот же налет оранжевого цвета, как и при нахождении получаса в растворе.
Как оказалось налет это осаждение частиц меди, она заполняет ту часть протравленного метала и замедляет процесс. После каждого осмотра образца нужно очистить осадки меди и обратно погружать в раствор.
После того как прошло выделенное для опыта время, я достал первый образец из раствора, отчистили медный осадок, снял липкую ленту и промыл образец водой.
На образце углеродистой инструментальной стали был выявлен четкий рисунок, с помощью раствора солей был удален слой металла. (Приложение 3)
В качестве техники безопасности все действия предпринимались в спец. Одежде.
Можно с уверенностью сказать, что углеродистая инструментальная сталь легко поддается травлению химическим способом.
Для ускорение реакции травления химическим способом, перед травкой металла можно нагреть воду температурой 40-50 градусов Цельсия, и на протяжении всего времени травлении подсыпать в раствор соль в небольших количествах.
При травлении второго образца (углеродистая конструкционная слать) содержимое раствора идентичный первому, на 1 литр воды было добавлено 100 грамм соли, и 100 грамм медного купороса. Поверхность образца зачищена шлифовальной шкуркой,в качестве нанесения орнамента использовали ту же липкую ленту. После чего был погружен в раствор на 30 минут.
Наблюдение:
На протяжении получаса, каждые 6 минут образец вынимался из раствора, для отчистки оранжевого налета. После отведенного промежутка времени, я достал образец из раствора, отчистил от налета и промыл водой.
В отличие от первого образца рисунок получился не такой насыщенный и яркий. После сравнения двух образцов было получено логическое заключение, что в конструкционной стали количество углерода меньше, нежели у инструментальной, и взаимодействие раствора с конструкционной сталью значительно меньше, чем с инструментальной. И поэтому у второго образца протравленный рисунок получился не такой глубокий, нежели как у первого. Можно предположить, если увеличить временной промежуток травления второго образца, то рисунок будет более четкий, т.к взаимодействие раствора и металла будет больше.
После рассмотрения двух образцов можно с уверенностью сказать, что на вытравливание четко выявленного рисунка влияет количество углерода в металле. Чем больше процентное содержание углерода в стали, тем лучше будет протекание реакции.
В третьем опыте мы используем образец из легированной стали.
Раствор и временной промежуток тот же.
После отведенного времени я достал образец из раствора, снял слой липкой ленты и промыл поверхность водой. Протравленный рисунок получился очень слабый, или можно сказать его нет вообще. За основы испытуемого образца я взял дисковую фрезу. Режущая часть фрезы состоит из легированной стали, а крепежная часть из инструментальной. После того как я достал образец из раствора было отчетливо видно, что на легированной части следов травления не было, а на крепежной части отчетливый проявился рисунок. Причиной послужили легирующие добавки повышающие прочность, коррозионную стойкость стали, снижающие опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, марганец, титан и другие цветные и редкие металлы с определенными свойствами(в химическом связанном состоянии).
Раствор солей, что я использовал при травке металла плохо взаимодействует с легированной сталью, т.к добавки мешают их взаимодействию.
Электрохимический метод
В данном методе я так же использовал три вида стали, такие как:
1) Углеродистая инструментальная сталь «У8А»
2) Углеродистая конструкционная «сталь 45»
3) Легированная сталь Р6М5(быстро режущая)
В качестве раствора я буду использовать воду и поваренную соль на литр воды добавляем 100 грамм соли.
При травлении электрохимическим методом ключевую роль играет электрический ток, т.к при взаимодействии с раствором происходит реакция по удалению слоя металла т.е травление.
В качестве источника тока я изготовил самодельный прибор, называемый электроискровой карандаш. При изготовлении мне понадобилось: зарядное устройство от мобильного телефона, корпус от шариковой ручки и металлическая игла. (Приложение 4)
После изготовления карандаша перейдем непосредственно к травлению.
Перед травлением я также тщательно зачищаем поверхность из углеродистой инструментальной стали шлиф шкуркой, после на очищенную поверхность наклеивал прозрачную липкую ленту и с помощью ножа косяка наносил орнамент.
Включаем блок питания в сеть, на металлическую иглу насаживаем ватку и смачиваем в солевой раствор, далее иглой проводим по образцу.
Наблюдения
При прикосновении иглы с металлом, происходит моментальная реакция.Наблюдается легкое шипение. Металл сразу меняет цвет и из под иглы появляется пар. Он появляется при испарении солевого раствора. Временной параметр можно задавать произвольно, в зависимости какой результат мы хотим получить. (Приложение 4)
Я решили протравливать металл в течении 30 минут, в качестве сравнения.
После отведенного промежутка времени, я снял защитную пленку, и промыли образец водой.
Рисунок на образце из углеродистой инструментальной стали получился не такой выразительный, как в случае солевого раствора и медного купороса. Основываясь на этом, можно передоложить, если задать большее время травления электроискровым карандашом, то можно добиться похожего результату.
При соблюдении техники безопасности работы с электроприбором под ноги был положен деревянный щит.
Второй образец из углеродистой конструкционной стали зачищаем шлиф шкуркой до гладкой поверхности, наклеиваем липкую ленту и с помощью ножа косяка наносим орнамент.
На протяжении 30 минут я протравливал металл с помощью электроискрового карандаша. На протяжении всего времени по мере необходимость меняли ватку на игле, и смачивали в солевой раствор. (Приложение 4)
Наблюдения
На втором образце были видны следы травления металла. Он так же не совсем отчетливые. Плохо просматривался контур.
Нами было принято решения на этом образце увеличить временной параметр травления.
20 дополнительных минут протравливали металл электроискровым карандашом. После промывки образца водой, было замечено изменение рисункано не значительное. После дополнительного эксперимента можно смело заявить, что для получения ярко выраженного рисунка электрохимическим способом, нужно большое количество времени травления.
На третий образец из легируемой стали мы так же наклеили липкую ленту для создания орнамента.
Как было выше сказано в качестве образца легированной стали мы взяли фрезерный диск.
После отведенного времени травления на легированной части не было обнаружено следов травления, т.к легирующие компоненты трудно подаются травлению.
Заключение
По итогам проведенного исследования следует сделать следующие выводы и сформулировать практические рекомендации.
Первой из задач исследования было чисто травления, и какой метод справится лучше. После изучения всех образцов можно с уверенностью заявить, что химический (жидкий) метод травления справился лучше. Объяснить можно тем, то при погружении металла в раствор, металл протравливается равномерно, по всей площади орнамента, а при травлении металла электрохимическим методам, игла не равномерно прокрывает и рисунок получается не равномерно протравлен. (Приложение 3)
Для выявления более четкого орнамента, так же можно выделить химический метод, но по ходу исследования было выявлено что раствор хорошо взаимодействует с высокоуглеродистой сталью. Одним из образцов была инструментальная сталь, где на протяжении полу часа получился хорошо протравленный рисунок, что нельзя сказать про другие образцы.
Вторая задача была определение временного параметра, т.е. какой из методов справится с травлением быстрее. С этой задачей химический метод справился лучше чем электрохимический на всех трех образцах.
Для получения хорошо протравленного рисунка с помощью электрохимического метода, время травления понадобится значительно больше, чем с помощью химического.
По результатам исследования было выяснено, что раствор хорошо взаимодействует с теми металлами у которых большой процент добавления углерода. В нашем случаи мы использовали 3 вида металлов, такие как:
1) Углеродистая инструментальная
2) Углеродистая конструкционная
3) Легированная
Если сравнивать все 3 образца по количеству добавления углерода, то лидирует инструментальная. И при сравнении инструментальной стали с другими образцами, орнамент травления значительно лучший чем у остальных, все объясняется хорошее взаимодействия раствора с углерода. (Приложение 3)
Конструкционная сталь также подалась травлению, но качество травления ожидает желать лучшего, по сравнению с инструментальной сталью. Можно только предположить, если увеличить временной параметр травления, то получится ожидаемый результат.
Легированная сталь не подается травлению вообще, т.к в состав металла входят легированные добавления, которые защищают метал. При изучении данного вида стали стало известно, что бы протравить легированную сталь, нужно его окислить с помощью специальных кислот, и после окисления все легированные добавления ослабевают, и металл подается травлению.
Из двух используемых методов травление, химический метод самый оптимальный, и безопасный для травки металла в мастерских. Для его использования все компоненты можно найти в учебных мастерских. Химический метод справился со всеми поставленными задачами которые мы поставили.
Список используемой литературы
1. Травление полупроводников [сборик статей]. Пер. с англ. С. Н. Горина. М.:Мир,1965.
2. Перри Дж. Справочник Инженера-химика/ Пер. с англ. - Т. 2. - М.: Химия, 1969.
3. Полтавцев Ю. Г., Князев А. С. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике.-Киев:Тэхника,1990.
4. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. [Учеб. Для ПТУ: в 10 кн. ].-М:Высш.шк.,1989.
5. Авдеев Е. В., Колтищенков В. М., Пантелеева Т. С. Двумерное топологическое модерирование травления//Электронная промышленность. - 1986. - №4. -С. 14-17.
6. Голосов В. В. Электрохимическое травление GaAs. В сб.: Силовые п/п приборы.Талин:Валгус,1981.
7. Васильева Н. А., Ерофеева И. Г. Электрохимическое полирование подложек GaAs// Электронная промышленность. -1988. -№8. -С. 39-40.
8. Киреев В. А. Краткий курс физической химии. М.: Химия, 1978.
Приложение
В данном приложении будет наглядно показано ход исследования, последовательность хода исследования, и полученные результаты.
Изготовления раствора для химического раствора:
(рис. 1) (рис. 2)
Приложение 1
На данном этапе мы изготавливаем раствор для химического раствора, на рис 1 мы смешиваем повариную соль и медный купорос. Консистенция: 1 литр воды, 100 грамм соли, 100 грамм медного купороса.
Непосредственное химическое травление:
(рис. 3) (рис. 4)
Приложение 2
На данном этапе ми помещаем стальной образец в солевой раствор рис. 3.
На рис.4 видны следы травление, после того как мы достали образец из раствора.
Полученные результаты после химического травления:
(рис. 5)
(рис. 6)
(рис. 7)
Приложение 3