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新型铜及铜合金酸洗光亮剂研究

苏州禾川化学 2019-01-11 01:48:06

摘要本文介绍了硫酸-双氧水体系下铜及铜合金的酸洗光亮剂,通过正交实验对化学清洗剂组成进行优化,得出最优配比:8-12%的硫酸;70-75%的双氧水;15-20%的光亮添加剂;2-4%的添加剂。该体系酸洗速率可控,得到的铜及铜合金表面光亮度好。


关键词铜及铜合金;酸性清洗剂;光亮剂;环保


背景介绍


铜及铜合金在现代生活中应用非常广泛,随着科学技术的发展以及生活水平的提高,人们对铜及铜合金制品的外观装饰提出了更高的要求。铜材在加工过程中往往要经过最后的表面光亮酸洗以及钝化,才能满足人们的使用要求。


铜及铜合金传统的清洗方法主要有两种:

硫酸-硝酸清洗剂【1】硫酸-铬酸清洗剂【2】

❶ 硫酸-硝酸清洗剂具有清洗速度快、出光效果好等特点,但是强酸性条件下,硝酸的使用容易造成氮氧化合物的产生(黄烟),危害工作人员的健康,已慢慢被禁止使用;

 硫酸-铬酸体系,出光效果好,溶液稳定,但是由于铬酸具有很强的毒性,对环境污染较大,而且废水处理成本越来越高,也慢慢被取代。


现在市面上常用的酸性清洗方法主要以H2SO4-H2O2 体系为主,由于其使用安全、毒性小,深受工业界的青睐,但是该体系如果不加入光亮剂,很难得到镜面效果的铜材,因此,光亮剂的研究变得非常重要。本文以H2SO4-H2O2 体系为主体,探索出一种新型的光亮剂组成,适用于多种铜及其合金的光亮清洗。


实验介绍


1
工艺流程

化学除油——水洗——预酸洗——水洗——光亮酸洗——水洗——钝化——水洗——烘干


2
工艺配方

酸洗处理前,先将样品进行除油和预酸洗【3】,然后再进行光亮酸洗。

(1)化学除油

碳酸钠

 2-3%

   三乙醇胺  

1-2%

 TX-10   

 0.1-0.5%

  五水偏硅酸钠 

 2-3%

  水 

余量

  温度 

 50-60oC

时间

 3-5min


(2)预酸洗

 硫酸   

 5-10%

 温度   

30-40 oC

时间

 1-2min


(3)光亮酸洗

本文通过反复试验,研制出一种铜及其合金的酸洗光亮剂,该体系下,铜及其合金,酸洗速度快且可控,无毒无污染,是较为理想的酸洗工艺。其配方如下:

H2SO4(98%)

8-12%

H2O2(30%)

70-75%

光亮添加剂

15-20 %

添加剂

2-4%

温度

20-30oC

时间

30-120s

★注意:光亮酸洗的时间因产品不同而不同,应先进行小批量试验。酸洗一段时间后,如果出现效率降低,可以适当添加硫酸和双氧水;如果出现出光不亮,可以适当补加一定量的光亮添加剂。


光亮酸洗剂的配置:

先在光亮酸洗槽中加入一定量的H2O2,然后慢慢加入光亮剂,再缓慢加入浓硫酸,边加边搅拌,等温度降至20-30 oC时加入添加剂,边加边搅拌,得到光亮酸洗剂即可使用。


结果与讨论


1
H2SO4的作用

硫酸是酸性清洗剂中的主要成份,其作用是溶解氧化铜,裸露出新鲜的铜层,随着浓度的增加,氧化铜溶解的速度加快;但是浓度过高时,由于其所占比例过高,无法对氧化层溶解加速【4】。因此,硫酸的用量一般控制在8-12%即可。


2
H2O2的作用

双氧水可以将铜氧化成氧化铜,为酸洗提供活性氧,游离出来的活性氧和硫酸作用,优先溶解铜基材表面凸出的部分,使铜及其合金表面平整。【5】H2O2浓度低时,清洗后的光亮效果差,因为,双氧水浓度低,对不平整的部位整平效果就差,因此无法达到光亮效果;随着H2O2浓度升高,光亮效果有所增加,但是太高时,反应剧烈,速度无法控制,造成铜材过腐蚀【4】


该体系下一般选用的双氧水浓度在40-50%之间。本文中为了使体系使用寿命更长,搭配更加合理,选用的双氧水浓度为70-75%,然后通过添加剂来控制反应的速率,达到更好的清洗效果。


3
光亮添加剂的作用

光亮添加剂在溶液中起到增光作用,可以加速氧化膜的去除,同时还要起到双氧水稳定剂的作用。其组成包括:有机酸、双氧水稳定剂、光亮剂、增亮剂、铜钝化剂等。

光亮添加剂的添加量对铜及铜合金酸性清洗有着显著的影响(见表1)。

⒈当添加量过低时,光亮剂无法起到增光效果,清洗后的铜及铜合金无法达到镜面效果;

⒉光亮剂添加量过高时,会出现局部的不均匀,出点斑点,影响美观,因此,优选的添加量为15-20%。

表1 光亮添加剂对清洗效果的影响

添加量

效果及现象

5%

不光亮,粉红色

10%

光亮,但是会有局部不均匀

15%

光亮,接近镜面

20%

光亮,接近镜面

25%

光亮,会有点状不均


4
酸洗温度的影响

温度对铜及铜合金酸性光亮清洗的影响较大。

 温度较高时,双氧水分解较快,在酸度可以达到的条件下,可以快速出光,但是温度高时对双氧水的消耗加快,双氧水的分解以及酸洗都是放热过程,会导致体系温度急剧上升,从而导致酸洗速度太快而无法控制;同时,温度太高,容易在铜及铜合金表面形成过腐蚀,影响表面美观度。随意酸洗时温度一般不超过40℃

 当温度太低时,反应速度较慢,出光时间长,但是只要在冰点以上,通过延长清洗时间,都可以达到光亮酸洗的效果。因此,为了达到更好的清洗效果,选用清洗温度为20-30℃

表3温度对清洗效果的影响

温度(℃)

清洗时间(s)

效果及现象

10

180

光亮度好,达到镜面效果

20

120

光亮度好,达到镜面效果

30

30

光亮度好,达到镜面效果

40

10

光亮度好,达到镜面效果

50

10

光亮度好,偶有少量麻点


5
铜材的影响

该配方对黄铜和紫铜都具有较好的光亮效果,经过光亮酸洗后的光亮度高如图1所示。

图1. 黄铜件以及黄铜紫铜混合件经过光亮酸洗后的对比图


结论


(1)该配方无毒、无污染,可以在常温下操作,环保效果好;

(2)该工艺解决了双氧水浓度高时易分解、反应速率无法控制的问题,使操作更加方便;

(3)经过抛光后的铜材表面光亮度高,可以达到镜面效果。


参考文献

[1] 曾样德. 铜制件光亮酸洗钝化无污染工艺[J] 《表面工程杂志》1996,32(3),39-42.

[2] 郑永峰. 铜及铜合金光亮酸洗钝化工艺[J] 《电镀与环保》1998,18(2),25-27.

[3] 颜宝峰,上官小红. 铜合金化学抛光技术的研究[J] 《表面技术》2006,35(3),57-58,66.

[4] 郭贤烙,肖鑫,易翔,钟萍. 铜及铜合金化学抛光及钝化的研究[J] 《表面技术》2001,30(2),35-39.

[5] 沈伟智. 铜及铜合金光亮酸洗新工艺[J] 《电镀与精饰》1993,15(5),42-44.


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