專利名稱：一種蝕刻方法及其所用蝕刻拋光液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對金屬制品進(jìn)行蝕刻加工的方法以及所述方法中所用的蝕刻拋光液，尤其是一種對具有平面和與所述平面連接的圓弧曲面的金屬制品進(jìn)行蝕刻加工的方法以及所述方法中所用的蝕刻拋光液。
背景技術(shù)：
微細(xì)化學(xué)蝕刻的加工方法用于金屬表面花紋、圖案加工、PCB開發(fā)板、微電子機(jī)械系統(tǒng)等的制造過程。通常，先在工件表面掩膜相應(yīng)圖案，再通過蝕刻加工出表面微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的微細(xì)結(jié)構(gòu)，蝕刻加工具有工藝流程簡單、加工效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。由于模具鋼具有良好的硬度和拋光性，微細(xì)蝕刻加工后的圖案紋路細(xì)致、美觀，表面效果優(yōu)良，不存在傳統(tǒng)機(jī)械加工中因應(yīng)力存在造成的微結(jié)構(gòu)尺寸形貌變差的缺陷，因此對于模具鋼材料的金屬制品，微細(xì)蝕刻兼顧了效率和蝕刻效果。微細(xì)化學(xué)蝕刻法的原理是通過蝕刻液與加工材料的化學(xué)作用達(dá)到去除材料，微結(jié)構(gòu)加工成型的過程，在蝕刻過程中，通過控制相關(guān)工藝參數(shù)，如蝕刻時(shí)間、蝕刻液溫度、蝕刻液噴淋壓力等參數(shù)，達(dá)到要求的蝕刻深度和形貌結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的蝕刻加工能夠較好的保證蝕刻所形成凹坑入口尺寸和蝕刻深度的一致均勻性，達(dá)到較好的尺寸精度和結(jié)構(gòu)特征，但是對于具有平面和與所述平面連接的圓弧曲面的金屬制品，在圓弧邊緣過渡面上會(huì)造成微結(jié)構(gòu)由有到無的突變，平面到曲面之間形成的微結(jié)構(gòu)缺乏良好的過渡性，銜接效果較差，所形成的微結(jié)構(gòu)的視覺和觸覺效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種能夠使金屬制品平面到曲面之間形成的微結(jié)構(gòu)具有良好的過渡性、銜接效果較好的蝕刻加工方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種蝕刻方法，所述蝕刻方法用于具有平面和與所述平面連接的圓弧曲面的金屬制品表面的蝕刻加工，包括以下步驟:( 1)掩膜處理:在所述金屬制品的平面和曲面上涂覆多個(gè)方形掩膜塊，所述平面上掩膜塊邊長大小均勻一致，所述平面與曲面連接處的掩膜塊邊長小于平面上的掩膜塊，所述曲面上的掩膜塊邊長由平面與曲面的連接處到曲面的邊緣處逐漸減小，相鄰兩個(gè)掩膜塊之間的間隙為掩膜間隙，所述掩膜間隙由平面的中心到平面與曲面的連接處、再到曲面的邊緣處逐漸減??；(2)蝕刻加工:將掩膜后的金屬制品置于蝕刻機(jī)中進(jìn)行蝕刻加工，從蝕刻機(jī)噴嘴中噴出的蝕刻液的壓力為0.2 0.4psi，蝕刻時(shí)間為3 IOmin ；(3)脫膜:將蝕刻后的金屬制品清洗脫膜，去除掩膜塊；(4) 二次處理:將脫膜后的金屬制品放到拋光液中浸泡，然后清洗即可。本發(fā)明中采用的是掩膜蝕刻的加工方法，在金屬制品表面先進(jìn)行掩膜處理，合理選擇掩膜塊和掩膜間隙尺寸，通過蝕刻液噴淋方式對金屬制品表面進(jìn)行定域性蝕刻。掩膜塊可以保證掩膜覆蓋區(qū)域不與蝕刻液接觸，不發(fā)生蝕刻反應(yīng)，蝕刻反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在未掩膜的掩膜間隙區(qū)域，在掩膜間隙的垂直方向和側(cè)向發(fā)生快速蝕除反應(yīng)，形成一定深度和寬度的凹坑，而被掩膜塊覆蓋的區(qū)域形成凸起狀結(jié)構(gòu)，整體表面形成凸凹起伏的連續(xù)性陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述方法中，所述步驟(I)對掩膜塊和掩膜間隙的尺寸進(jìn)行了調(diào)整，對于掩膜塊的尺寸，平面上掩膜塊的邊長大小均勻一致，所述平面與曲面連接處的掩膜塊邊長小于平面上的掩膜塊，所述曲面上的掩膜塊邊長由平面與曲面的連接處到曲面的邊緣處逐漸減??；對于掩膜間隙的尺寸，掩膜間隙由平面的中心到平面與曲面的連接處、再到曲面的邊緣處逐漸減小。對掩膜后的金屬制品采用噴淋蝕刻方式進(jìn)行蝕刻加工，控制噴淋的蝕刻液壓力和蝕刻時(shí)間，對金屬制品進(jìn)行蝕刻加工，達(dá)到要求的蝕刻深度，此時(shí)在金屬制品平面和曲面上形成的微結(jié)構(gòu)凸起寬度基本保持一致，而凹坑深度由平面向曲面的邊緣處逐步減小，所形成的微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出漸變的形貌特征。這是因?yàn)樵谖g刻加工的初始階段，在平面和曲面上蝕刻形成的凹坑深度較小，此時(shí)蝕刻液更新容易，蝕刻反應(yīng)充分，不同掩膜間隙尺寸下的蝕刻深度增加速率相同。當(dāng)蝕刻深度繼續(xù)增大，掩膜間隙較小的區(qū)域?qū)ξg刻液的阻礙作用增大，蝕刻液更新困難，同時(shí)蝕刻產(chǎn)物在蝕刻形成的凹坑中的沉積進(jìn)一步阻礙了蝕刻反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致掩膜間隙較小地方蝕刻深度的增加速率變小，而掩膜間隙較大的區(qū)域蝕刻反應(yīng)受影響較小。因而，在相同蝕刻時(shí)間內(nèi)，掩膜間隙尺寸小的區(qū)域蝕刻深度較小。同時(shí)，對于所形成的凹坑深度較小的掩膜間隙小的區(qū)域，蝕刻液對金屬制品的側(cè)向蝕除作用較小，側(cè)蝕量小，因此金屬制品平面上凸起的側(cè)蝕量大于圓弧曲面，因此雖然平面上掩膜塊的邊長大于曲面上掩膜塊邊長，但是最終蝕刻加工后曲面上的凸起寬度與平面上的凸起寬度基本保持一致，所形成的凸起的尺寸均勻性較好。通過對掩膜塊和掩膜間隙尺寸的調(diào)整控制，能夠在金屬制品的平面和曲面蝕刻加工凸起結(jié)構(gòu)尺寸基本一致、而凹坑的蝕刻深度漸變的連續(xù)性微結(jié)構(gòu)。然后對蝕刻加工后的金屬制品進(jìn)行脫膜及二次處理，蝕除所形成的凸起的棱邊，達(dá)到較小蝕刻表面的粗糙度、提高光潔度的要求。最終形成的凸凹起伏的微結(jié)構(gòu)，凸起寬度尺寸基本一致，凹坑蝕刻深度由平面向圓弧曲面逐步減小的微結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)的過渡性和銜接效果較好，具有更好的視覺和觸覺效果。所述掩膜塊選用不與蝕刻液發(fā)生反應(yīng)的材料，例如感光藍(lán)油，具有較好的耐酸性和粘附性。 一般地，蝕刻加工的金屬制品(常為模具鋼制品)表面呈暗黑色，無光澤，加工面的粗糙度較大，表面平整度差，影響到微細(xì)蝕刻加工的效果和表面形貌。主要原因是噴淋蝕刻加工表面不同區(qū)域的蝕除作用存在差異，加工面不平整，同時(shí)蝕刻產(chǎn)物和相關(guān)金屬氧化物在加工表面沉積，未得到及時(shí)的清除，導(dǎo)致呈現(xiàn)暗黑色、光澤度較差的現(xiàn)象。為達(dá)到蝕刻表面凸凹結(jié)構(gòu)達(dá)到平緩的連續(xù)性過渡和一定的粗糙度和光潔度要求，故需采用步驟(4) 二次處理，使用拋光液對噴淋蝕刻加工過的金屬制品表面進(jìn)行拋光作用。拋光液的作用分為兩個(gè)方面，一是能起到對金屬制品表面微結(jié)構(gòu)的二次蝕除作用，能夠達(dá)到快速微量的蝕除效果，對凸起的棱邊進(jìn)行蝕除，形成平滑的過渡形貌特征；另外，能對金屬制品中某些難溶的金屬及其氧化物產(chǎn)生蝕除作用，金屬制品的表面發(fā)生均勻性微量溶解，從而達(dá)到平整的效果，減小粗糙度，保證蝕除過程平緩，反應(yīng)產(chǎn)物溶解，使加工表面產(chǎn)生一定光澤，光潔度得到提聞。
作為本發(fā)明所述蝕刻方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(I)中平面與曲面連接處的掩膜塊邊長為平面上掩膜塊邊長的4/5 9/10，曲面邊緣處的掩膜塊邊長為平面上掩膜塊邊長的3/5 7/10。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的更優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(I)中平面與曲面連接處的掩膜間隙為平面中心掩膜間隙的3/4 4/5，曲面邊緣處的掩膜間隙為平面中心掩膜間隙的1/2 3/5。發(fā)明人經(jīng)過摸索發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所述金屬制品平面和曲面上掩膜塊和掩膜間隙的尺寸按照上述比例控制時(shí)，最終加工形成的凸凹起伏的微結(jié)構(gòu)中，凸起的寬度尺寸更加均勻，凹坑的蝕刻深度漸變性更好，整體結(jié)構(gòu)的過渡性和銜接效果更好。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述平面中心處掩膜間隙為掩膜塊邊長的1/4 1/3。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(2)蝕刻加工中所用的蝕刻液包含以下重量百分比的組分:三氯化鐵20 30%、鹽酸5 10%、氯化鈉5 10%，余量為水。當(dāng)所述蝕刻液由上述所述質(zhì)量百分比的組分組成時(shí)，在傳統(tǒng)采用三氯化鐵為蝕刻液主要成分的基礎(chǔ)上，加入了鹽酸和氯化鈉，F(xiàn)e3+與金屬制品(一般為模具鋼制品)的主要成分Fe發(fā)生反應(yīng)，對加工表面產(chǎn)生蝕除作用；鹽酸中的H+可以提高溶液酸性，如果蝕刻液的酸性太低，會(huì)導(dǎo)致金屬制品表面已經(jīng)氧化的物質(zhì)來不及溶解到蝕刻液中，金屬制品的表面會(huì)因?yàn)檠趸锏拇嬖谧兒?，阻礙蝕刻的進(jìn)行；同時(shí)，溶液中Fe2+ (Fe3+)會(huì)在堿性條件下產(chǎn)生沉淀影響蝕刻的進(jìn)一步進(jìn)行，故需要加入酸，避免沉淀物的產(chǎn)生。鹽酸還可以在一定程度上提高蝕刻反應(yīng)的速率，當(dāng)蝕刻液中鹽酸質(zhì)量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反應(yīng)的速率會(huì)有明顯的增快。氯化鈉和鹽酸中的Cl—是一種絡(luò)合劑，與蝕刻金屬成分中難溶的鎳、硅等離子結(jié)合，生成可溶性鹽，增強(qiáng)了蝕刻液對金屬的蝕除能力，提高反應(yīng)速率，同時(shí)使得整個(gè)蝕刻體系具有蝕刻速率穩(wěn)定、蝕刻均勻的優(yōu)點(diǎn)，又因?yàn)镃l—易補(bǔ)充，易再生，成本較低，通過添加氯化鈉即可，如果溶液中Cl—的濃度偏低，會(huì)使蝕刻速率變低，溶液中出現(xiàn)沉淀物，同樣影響蝕刻加工效果。cr的濃度配合噴淋的壓力便于對掩膜微細(xì)蝕刻中側(cè)蝕量的控制，對凸凹微結(jié)構(gòu)中平緩過渡具有重要作用。因此，該蝕刻液能較好的控制側(cè)蝕，蝕刻速率高，容易補(bǔ)充消耗。蝕刻加工時(shí)，將配置好的蝕刻液注入蝕刻機(jī)的儲(chǔ)液箱中，掩膜處理好的金屬制品置于加工平臺上，蝕刻液采用噴淋方式對金屬制品的平面和曲面進(jìn)行噴淋式加工，噴出的蝕刻液的形狀優(yōu)選扇形，可以均勻`噴灑，所述蝕刻液適用于圖案掩膜處理的金屬制品表面選擇性微細(xì)蝕刻加工，在金屬制品的表面加工出相應(yīng)的圖形和文字，蝕刻深度可控范圍較大，蝕刻過程穩(wěn)定，加工效果好，效率高，能滿足生產(chǎn)線的加工需求，無需經(jīng)常更換溶液。當(dāng)所述蝕刻液采用上述所述質(zhì)量配比的組分時(shí)，該蝕刻液能夠滿足到達(dá)一定蝕刻尺寸精度的工藝要求，側(cè)蝕量較小，尺寸偏差較小，能加好適用于精細(xì)蝕刻的要求。蝕刻過程的定域性較好，蝕刻主要發(fā)生在無掩膜塊覆蓋的區(qū)域，在一定噴淋壓力和加工控制條件下，能夠快速進(jìn)行蝕刻，這樣能較好的減小從掩膜區(qū)域向未掩膜區(qū)域發(fā)生的側(cè)蝕，加工出的微結(jié)構(gòu)的尺寸精度較高。蝕刻過程易于控制，金屬制品表面形成凸凹起伏的連續(xù)微結(jié)構(gòu)，凹坑處圓弧過渡，截面呈正弦波的波谷狀，凸起呈四棱柱，截面為梯形，凸起連接處有明顯的棱邊，起伏結(jié)構(gòu)的均勻性好，過渡良好。所述配方組成的蝕刻液可以在工業(yè)加工達(dá)到較高的尺寸要求，力口工速率平穩(wěn)，蝕刻均勻，金屬制品表面微結(jié)構(gòu)形貌結(jié)構(gòu)較好。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述蝕刻采用以下方法制備而成:稱取三氯化鐵、硝酸、氯化鈉和水，先將三氯化鐵溶于水中，得預(yù)混液，待所述預(yù)混液冷卻至室溫，再加入硝酸和氯化鈉，混合均勻后即得蝕刻液。因?yàn)樗捎玫臒崛苄匀然F粉末，溶解時(shí)會(huì)釋放出大量的熱，導(dǎo)致溶液溫度升高，因此要先將三氯化鐵溶于水中形成預(yù)混液，等預(yù)混液的溫度冷卻后，再加入相應(yīng)量的鹽酸和氯化鈉，將溶液混合均勻，最終混合的溶液即可用于蝕刻加工。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(3)采用堿性溶液對蝕刻后的金屬制品進(jìn)行脫膜。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的更優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(3)脫膜所用的堿性溶液為NaOH溶液。所述脫膜就是將涂覆有掩膜塊的金屬制品放在如NaOH等堿性溶液中，將掩膜塊從金屬制品表面去掉。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(4)中所用的拋光液含有以下質(zhì)量百分比的組分:氫氟酸2 5%、雙氧水10 20%、磷酸2 5%,余量為水。將一定量的氫氟酸、雙氧水、磷酸分別加入水中，使溶液混合均勻，即得所述拋光液。使用所述拋光液對蝕刻加工后的金屬制品進(jìn)行處理時(shí)，一般采用浸液式加工。其中的氫氟酸為腐蝕劑，F(xiàn)_具有較強(qiáng)的蝕除活性，能夠較快的破壞加工表面的鈍化膜，對微凸起優(yōu)先溶解，將金屬制品表面難溶的金屬基氧化物溶解，去除表面較微小的不平度，起到表面平整的效果。雙氧水為腐蝕劑和氧化劑，能將金屬制品中難溶的金屬及其氧化物溶解，對加工面進(jìn)行微量的蝕除效果，同時(shí)具有的氧化性能在加工表面產(chǎn)生鈍化膜，微凹坑表面呈鈍性被保護(hù)，在一定程度上抑制了金屬的蝕除作用，保證了微量蝕除作用的平緩發(fā)生。磷酸作為拋光液中的緩蝕劑，在一定程度上阻礙了氫氟酸、雙氧水與金屬的接觸，防止過腐蝕，較好抑制了蝕除作用，保證加工面蝕除反應(yīng)的平緩發(fā)生，同時(shí)磷酸的緩蝕作用導(dǎo)致加工面鈍化膜的成型速率略小于溶解速率，從而達(dá)到表面光亮的效果。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(4)中金屬制品在拋光液中浸泡的時(shí)間為2 5min。拋光時(shí)間要嚴(yán)格控制，拋光時(shí)間不宜過長，避免金屬制品表面過腐蝕，造成的加工效果變差。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拋光時(shí)間為2 5min時(shí),加工效果較好。
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上述所述的金屬制品金屬材料制品，例如不銹鋼制品、模具鋼制品等。本發(fā)明所述蝕刻方法，通過對金屬制品表面掩膜塊和掩膜間隙尺寸的控制，能夠在金屬制品的平面和圓弧曲面形成凸凹起伏的連續(xù)微結(jié)構(gòu)，凹坑的深度從平面的中心到曲面的邊緣逐漸減小，凹坑截面呈正弦波的波谷狀圓弧，凸起物明顯棱邊，凸起轉(zhuǎn)接處平滑過渡，凸起的截面近似四棱柱狀。本發(fā)明所述蝕刻方法蝕刻加工后的金屬制品表面，整體結(jié)構(gòu)過渡平緩，凹坑深度由平面向圓弧曲面邊緣逐步變淺，微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)從有到無逐漸過渡性的銜接，具備較好的視覺和觸覺效果，能夠滿足更好的防滑性能和美觀要求，而且蝕刻表面的粗糙度較小，光潔度較好，能夠很好的滿足后續(xù)加工要求。


圖1為本發(fā)明所述蝕刻方法中對金屬制品掩膜后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所示掩膜后的金屬制品的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為采用均勻掩膜蝕刻加工后的金屬制品的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為采用本發(fā)明所述方法蝕刻加工后金屬制品的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，10為金屬制品、12為平面、14為曲面、20為掩膜塊、30為凸起、32為凹坑。
具體實(shí)施例方式為更好的說明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明一種蝕刻方法，所述蝕刻方法用于具有平面和與所述平面連接的圓弧曲面的金屬制品表面的蝕刻加工，包括以下步驟:(I)掩膜處理:在所述金屬制品的平面和曲面上涂覆多個(gè)方形掩膜塊，所述平面上掩膜塊邊長大小均勻一致，所述平面與曲面連接處的掩膜塊邊長小于平面上的掩膜塊，所述曲面上的掩膜塊邊長由平面與曲面的連接處到曲面的邊緣處逐漸減小，相鄰兩個(gè)掩膜塊之間的間隙為掩膜間隙，所述掩膜間隙由平面的中心到平面與曲面的連接處、再到曲面的邊緣處逐漸減??；(2)蝕刻加工:將掩膜后的金屬制品置于蝕刻機(jī)中進(jìn)行蝕刻加工，從蝕刻機(jī)噴嘴中噴出的蝕刻液的壓力為0.2 0.4psi，蝕刻時(shí)間為3 IOmin ；(3)脫膜:將蝕刻后的金屬制品清洗脫膜，去除掩膜塊；(4) 二次處理:將脫膜后的金屬制品放到拋光液中浸泡，然后清洗即可。本發(fā)明中采用的是掩膜蝕刻的加工方法，在金屬制品表面先進(jìn)行掩膜處理，合理選擇掩膜塊和掩膜間隙尺寸，通過蝕刻液噴淋方式對金屬制品表面進(jìn)行定域性蝕刻。掩膜塊可以保證掩膜覆蓋區(qū)域不與蝕刻液接觸，不發(fā)生蝕刻反應(yīng)，蝕刻反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在未掩膜的掩膜間隙區(qū)域，在掩膜間隙的垂直方向和側(cè)向發(fā)生快速蝕除反應(yīng)，形成一定深度和寬度的凹坑，而被掩膜塊覆蓋的區(qū)域形成凸起狀結(jié)構(gòu)，整體表面形成凸凹起伏的連續(xù)性陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述方法中，所述步驟(I)對掩膜塊和掩膜間隙的尺寸進(jìn)行了調(diào)整，如附圖1和2所示，對于掩膜塊20的尺寸，平面12上掩膜塊20的邊長大小均勻一致，所述平面12與曲面14連接處的掩膜塊20邊長小于平面12上的掩膜塊20，所述曲面14上的掩膜塊20邊長由平面12與曲面14的連接處到曲面14的邊緣處逐漸減??；對于掩膜間隙的尺寸，掩膜間隙由平面12的中心到平面12與曲面14的連接處、再到曲面14的邊緣處逐漸減小。對掩膜后的金屬制品10采用噴淋蝕刻方式進(jìn)行蝕刻加工，控制噴淋的蝕刻液壓力和蝕刻時(shí)間，對金屬制品10進(jìn)行蝕刻加工，達(dá)到要求的蝕刻深度，此時(shí)在金屬制品10平面12和曲面14上形成的微結(jié)構(gòu)凸起30寬度基本保持一致，如附圖4所示，而凹坑32深度由平面12向曲面14的邊緣處逐步減小，所形成的微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出漸變的形貌特征。這是因?yàn)樵谖g刻加工的初始階段，在平面和曲面上蝕刻形成的凹坑深度較小，此時(shí)蝕刻液更新容易，蝕刻反應(yīng)充分，不同掩膜間隙尺寸下的蝕刻深度增加速率相同。當(dāng)蝕刻深度繼續(xù)增大，掩膜間隙較小的地方對蝕刻液的阻礙作用增大，蝕刻液更新困難，同時(shí)蝕刻產(chǎn)物在蝕刻形成的凹坑中的沉積進(jìn)一步阻礙了蝕刻反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致掩膜間隙較小地方蝕刻深度的增加速率變小，而掩膜間隙較大的區(qū)域蝕刻反應(yīng)受影響較小。因而，在相同蝕刻時(shí)間內(nèi)，掩膜間隙尺寸小的區(qū)域蝕刻深度較小。同時(shí)，對于所形成的凹坑深度較小的掩膜間隙小的區(qū)域，蝕刻液對金屬制品的側(cè)向蝕除作用較小，側(cè)蝕量小，因此金屬制品平面上凸起的側(cè)蝕量大于圓弧曲面，因此雖然平面上掩膜塊的邊長大于曲面上掩膜塊邊長，但是最終蝕刻加工后曲面上的凸起寬度與平面上的凸起寬度基本保持一致，所形成的凸起的尺寸均勻性較好。通過對掩膜塊和掩膜間隙尺寸的調(diào)整控制 ，能夠在金屬制品的平面和曲面蝕刻加工凸起結(jié)構(gòu)尺寸基本一致、而凹坑的蝕刻深度漸變的連續(xù)性微結(jié)構(gòu)。然后對蝕刻加工后的金屬制品進(jìn)行脫膜及二次處理，蝕除所形成的凸起的棱邊，達(dá)到較小蝕刻表面的粗糙度、提高光潔度的要求。最終形成的凸凹起伏的微結(jié)構(gòu)，凸起寬度尺寸基本一致，凹坑蝕刻深度由平面向圓弧曲面逐步減小的微結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)的過渡性和銜接效果較好，具有更好的視覺和觸覺效果。所述掩膜塊選用不與蝕刻液發(fā)生反應(yīng)的材料，例如感光藍(lán)油，具有較好的耐酸性和粘附性。較佳地，所述步驟(I)中平面與曲面連接處的掩膜塊邊長為平面上掩膜塊邊長的4/5 9/10，曲面邊緣處的掩膜塊邊長為平面上掩膜塊邊長的3/5 7/10。例如，假定平面處掩膜塊的邊長為a，則平面與曲面連接處的掩膜塊邊長為4/5 9/10a，從平面與曲面連接處到曲面的邊緣處掩膜塊的邊長逐漸減小，直至曲面邊緣處的掩膜塊的邊長為3/5 7/10。更佳地，所述步驟(I)中平面與曲面連接處的掩膜間隙為平面中心掩膜間隙的3/4 4/5，曲面邊緣處的掩膜間隙為平面中心掩膜間隙的1/2 3/5。例如，假定平面中心處的掩膜間隙為b，則由平面中心處到平面與曲面連接處的掩膜間隙逐漸減小，至平面與曲面連接處的掩膜間隙為3/4 4/5b，而從平面與曲面連接處到曲面邊緣處的掩膜間隙也逐漸減小，至曲面邊緣處的掩膜間隙為1/2 3/5b。較佳地，所述平面中心處掩膜間隙為掩膜塊邊長的1/4 1/3。當(dāng)平面中心處掩膜間隙為掩膜塊邊長的1/4 1/3時(shí)，蝕刻加工后金屬制品表面形成的微結(jié)構(gòu)整體過渡性更好。較佳地，所述步驟(2)蝕刻加工中所用的蝕刻液包含以下重量百分比的組分:三氯化鐵20 30%、鹽酸5 10%、氯化鈉5 10%，余量為水。當(dāng)所述蝕刻液由上述所述質(zhì)量百分比的組分組成時(shí)，在傳統(tǒng)采用三氯化鐵為蝕刻液主要成分的基礎(chǔ)上，加入了鹽酸和氯化鈉，F(xiàn)e3+與金屬制品(一般為模具鋼制品)的主要成分Fe發(fā)生反應(yīng)，對加工表面產(chǎn)生蝕除作用；鹽酸中的H+可以提高溶液酸性，如果蝕刻液的酸性太低，會(huì)導(dǎo)致金屬制品表面已經(jīng)氧化的物質(zhì)來不及溶解到蝕刻液中，金屬制品的表面會(huì)因?yàn)檠趸锏拇嬖谧兒?，阻礙蝕刻的進(jìn)行；同時(shí)，溶液中Fe2+ (Fe3+)會(huì)在堿性條件下產(chǎn)生沉淀影響蝕刻的進(jìn)一步進(jìn)行，故需要加入酸，避免沉淀物的產(chǎn)生?！}酸還可以在一定程度上提高蝕刻反應(yīng)的速率，當(dāng)蝕刻液中鹽酸質(zhì)量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反應(yīng)的速率會(huì)有明顯的增快。氯化鈉和鹽酸中的Cl—是一種絡(luò)合劑，與蝕刻金屬成分中難溶的鎳、硅等離子結(jié)合，生成可溶性鹽，增強(qiáng)了蝕刻液對金屬的蝕除能力，提高反應(yīng)速率，同時(shí)使得整個(gè)蝕刻體系具有蝕刻速率穩(wěn)定、蝕刻均勻的優(yōu)點(diǎn)，又因?yàn)镃l—易補(bǔ)充，易再生，成本較低，通過添加氯化鈉即可，如果溶液中Cl—的濃度偏低，會(huì)使蝕刻速率變低，溶液中出現(xiàn)沉淀物，同樣影響蝕刻加工效果。cr的濃度配合噴淋的壓力便于對掩膜微細(xì)蝕刻中側(cè)蝕量的控制，對凸凹微結(jié)構(gòu)中平緩過渡具有重要作用。因此，該蝕刻液能較好的控制側(cè)蝕，蝕刻速率高，容易補(bǔ)充消耗。蝕刻加工時(shí)，將配置好的蝕刻液注入蝕刻機(jī)的儲(chǔ)液箱中，掩膜處理好的金屬制品置于加工平臺上，蝕刻液采用噴淋方式對金屬制品的平面和曲面進(jìn)行噴淋式加工，噴出的蝕刻液的形狀優(yōu)選扇形，可以均勻噴灑，所述蝕刻液適用于圖案掩膜處理的金屬制品表面選擇性微細(xì)蝕刻加工，在金屬制品的表面加工出相應(yīng)的圖形和文字，蝕刻深度可控范圍較大，蝕刻過程穩(wěn)定，加工效果好，效率高，能滿足生產(chǎn)線的加工需求，無需經(jīng)常更換溶液。當(dāng)所述蝕刻液采用上述所述質(zhì)量配比的組分時(shí)，該蝕刻液能夠滿足到達(dá)一定蝕刻尺寸精度的工藝要求，側(cè)蝕量較小，尺寸偏差較小，能加好適用于精細(xì)蝕刻的要求。蝕刻過程的定域性較好，蝕刻主要發(fā)生在無掩膜塊覆蓋的區(qū)域，在一定噴淋壓力和加工控制條件下，能夠快速進(jìn)行蝕刻，這樣能較好的減小從掩膜區(qū)域向未掩膜區(qū)域發(fā)生的側(cè)蝕，加工出的微結(jié)構(gòu)的尺寸精度較高。蝕刻過程易于控制，金屬制品表面形成凸凹起伏的連續(xù)微結(jié)構(gòu)，凹坑處圓弧過渡，截面呈正弦波的波谷狀，凸起呈四棱柱，截面為梯形，凸起連接處有明顯的棱邊，起伏結(jié)構(gòu)的均勻性好，過渡良好。所述配方組成的蝕刻液可以在工業(yè)加工達(dá)到較高的尺寸要求，力口工速率平穩(wěn)，蝕刻均勻，金屬制品表面微結(jié)構(gòu)形貌結(jié)構(gòu)較好。所述蝕刻采用以下方法制備而成:稱取三氯化鐵、硝酸、氯化鈉和水，先將三氯化鐵溶于水中，得預(yù)混液，待所述預(yù)混液冷卻至室溫，再加入硝酸和氯化鈉，混合均勻后即得蝕刻液。因?yàn)樗捎玫臒崛苄匀然F粉末，溶解時(shí)會(huì)釋放出大量的熱，導(dǎo)致溶液溫度升高，因此要先將三氯化鐵溶于水中形成預(yù)混液，等預(yù)混液的溫度冷卻后，再加入相應(yīng)量的鹽酸和氯化鈉，將溶液混合均勻，最終混合的溶液即可用于蝕刻加工。較佳地，所述步驟(3)采用堿性溶液對蝕刻后的金屬制品進(jìn)行脫膜。作為本發(fā)明所述蝕刻方法的更優(yōu)選實(shí)施方式，所述步驟(3)脫膜所用的堿性溶液為NaOH溶液。所述脫膜就是將涂覆有掩膜塊的金屬制品放在如NaOH等堿性溶液中，將掩膜塊從金屬制品表面去掉。一般地，蝕刻加工的金屬制品(常為模具鋼制品)表面呈暗黑色，無光澤，加工面的粗糙度較大，表面平整度差，影響到微細(xì)蝕刻加工的效果和表面形貌。主要原因是噴淋蝕刻加工表面不同區(qū)域的蝕除作用存在差異，加工面不平整，同時(shí)蝕刻產(chǎn)物和相關(guān)金屬氧化物在加工表面沉積，未得到及時(shí)的清除，導(dǎo)致呈現(xiàn)暗黑色、光澤度較差的現(xiàn)象。為達(dá)到蝕刻表面凸凹結(jié)構(gòu)達(dá)到平緩的連續(xù)性過渡和一定的粗糙度和光潔度要求，故需采用步驟(4) 二次處理，使用拋光液對噴淋蝕刻加工過的金屬制品表面進(jìn)行拋光作用。拋光液的作用分為兩個(gè)方面，一是能起到對金屬制品表面微結(jié)構(gòu)的二次蝕除作用，能夠達(dá)到快速微量的蝕除效果，對凸起的棱邊進(jìn)行蝕除，形成平滑的過渡形貌特征；另外，能對金屬制品中某些難溶的金屬及其氧化物產(chǎn)生蝕除作用，金屬制品的表面發(fā)生均勻性微量溶解，從而達(dá)到平整的效果，減小粗糙度，保證蝕除過程平緩，反應(yīng)產(chǎn)物溶解，使加工表面產(chǎn)生一定光澤，光潔度得到提聞。`較佳地，所述步驟(4)中所用的拋光液含有以下質(zhì)量百分比的組分:氫氟酸2 5%、雙氧水10 20%、磷酸2 5%，余量為水。將一定量的氫氟酸、雙氧水、磷酸分別加入水中，使溶液混合均勻，即得所述拋光液。使用所述拋光液對蝕刻加工后的金屬制品進(jìn)行處理時(shí)，一般采用浸液式加工。其中的氫氟酸為腐蝕劑，F(xiàn)—具有較強(qiáng)的蝕除活性，能夠較快的破壞加工表面的鈍化膜，對微凸起優(yōu)先溶解，將金屬制品表面難溶的金屬及氧化物溶解，去除表面較微小的不平度，起到表面平整的效果。雙氧水為腐蝕劑和氧化劑，能將金屬制品中難溶的金屬及其氧化物溶解，對加工面進(jìn)行微量的蝕除效果，同時(shí)具有的氧化性能在加工表面產(chǎn)生鈍化膜，微凹坑表面呈鈍性被保護(hù)，在一定程度上抑制了金屬的蝕除作用，保證了微量蝕除作用的平緩發(fā)生。磷酸作為拋光液中的緩蝕劑，在一定程度上阻礙了氫氟酸、雙氧水與金屬的接觸，防止過腐蝕，較好抑制了蝕除作用，保證加工面蝕除反應(yīng)的平緩發(fā)生，同時(shí)磷酸的緩蝕作用導(dǎo)致加工面鈍化膜的成型速率略小于溶解速率，從而達(dá)到表面光亮的效果。更佳地，所述步驟(4)中金屬制品在拋光液中浸泡的時(shí)間為2 5min。拋光時(shí)間要嚴(yán)格控制，拋光時(shí)間不宜過長，避免金屬制品表面過腐蝕，造成的加工效果變差。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拋光時(shí)間為2 5min時(shí),加工效果較好。如附圖3所示采用均勻掩膜蝕刻加工后的金屬制品的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，圖3中的金屬制品10掩膜處理時(shí)，金屬制品10平面和曲面上的掩膜塊邊長均相同，而且平面和曲面上掩膜間隙的尺寸也均相同，當(dāng)采用此種方式進(jìn)行掩膜，其他步驟均與本發(fā)明所述方法相同時(shí)，最終蝕刻加工后的金屬制品10的斷面結(jié)構(gòu)如附圖3所示，由附圖3可看出，金屬制品10平面上形成的凹坑32和凸起30均勻一致，而金屬制品10的曲面上的凹坑32深度逐漸變淺，平面與曲面連接處的凸起30和凹坑32過渡性銜接效果不佳，整體的視覺和觸覺效果也較差。對比附圖4采用本發(fā)明所述方法蝕刻加工后金屬制品表面的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，由附圖4可看出，采用本發(fā)明所述方法蝕刻加工后的金屬制品10表面，形成凸凹起伏的連續(xù)微結(jié)構(gòu)，凹坑32的深度從平面的中心到曲面的邊緣逐漸減小，凹坑32截面呈正弦波的波谷狀圓弧，凸起30無明顯棱邊，凸起30轉(zhuǎn)接處平滑過渡，凸起30的截面近似四棱柱狀，整體結(jié)構(gòu)過渡平緩，微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)從有到無逐漸過渡性的銜接，具備較好的視覺和觸覺效果，能夠滿足更好的防滑性能和美觀要求。最后所應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范 圍。
權(quán)利要求
1.一種蝕刻方法，所述蝕刻方法用于具有平面和與所述平面連接的圓弧曲面的金屬制品表面的蝕刻加工，其特征在于，包括以下步驟 (1)掩膜處理在所述金屬制品的平面和曲面上涂覆多個(gè)方形掩膜塊，所述平面上掩膜塊邊長大小均勻一致，所述平面與曲面連接處的掩膜塊邊長小于平面上的掩膜塊，所述曲面上的掩膜塊邊長由平面與曲面的連接處到曲面的邊緣處逐漸減小，相鄰兩個(gè)掩膜塊之間的間隙為掩膜間隙，所述掩膜間隙由平面的中心到平面與曲面的連接處、再到曲面的邊緣處逐漸減?。? (2)蝕刻加工將掩膜后的金屬制品置于蝕刻機(jī)中進(jìn)行蝕刻加工，從蝕刻機(jī)噴嘴中噴出的蝕刻液的壓力為O. 2 O. 4psi，蝕刻時(shí)間為3 IOmin ； (3)脫膜將蝕刻后的金屬制品清洗脫膜，去除掩膜塊； (4)二次處理將脫膜后的金屬制品放到拋光液中浸泡，然后清洗即可。
2.如權(quán)利要求I所述的蝕刻方法，其特征在于，所述步驟(I)中平面與曲面連接處的掩膜塊邊長為平面上掩膜塊邊長的4/5 9/10，曲面邊緣處的掩膜塊邊長為平面上掩膜塊邊長的3/5 7/10。
3.如權(quán)利要求I或2所述的蝕刻方法，其特征在于，所述步驟(I)中平面與曲面連接處的掩膜間隙為平面中心掩膜間隙的3/4 4/5，曲面邊緣處的掩膜間隙為平面中心掩膜間隙的1/2 3/5。
4.如權(quán)利要求I所述的蝕刻方法，其特征在于，所述平面中心處掩膜間隙為掩膜塊邊長的1/4 1/3。
5.如權(quán)利要求I所述的蝕刻方法，其特征在于，所述步驟(2)蝕刻加工中所用的蝕刻液包含以下重量百分比的組分三氯化鐵20 30%、鹽酸5 10%、氯化鈉5 10%，余量為水。
6.如權(quán)利要求5所述的蝕刻方法，其特征在于，所述蝕刻采用以下方法制備而成稱取三氯化鐵、硝酸、氯化鈉和水，先將三氯化鐵溶于水中，得預(yù)混液，待所述預(yù)混液冷卻至室溫，再加入硝酸和氯化鈉，混合均勻后即得蝕刻液。
7.如權(quán)利要求I所述的蝕刻液，其特征在于，所述步驟(3)采用堿性溶液對蝕刻后的金屬制品進(jìn)行脫膜。
8.如權(quán)利要求7所述的蝕刻方法，其特征在于，所述步驟(3)脫膜所用的堿性溶液為NaOH溶液。
9.如權(quán)利要求I所述的蝕刻方法，其特征在于，所述步驟(4)中所用的拋光液含有以下質(zhì)量百分比的組分氫氟酸2 5%、雙氧水10 20%、磷酸2 5%,余量為水。
10.如權(quán)利要求I或9所述的蝕刻方法，其特征在于，所述步驟(4)中金屬制品在拋光液中浸泡的時(shí)間為2 5min。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于金屬制品平面以及與所述平面連接的曲面進(jìn)行蝕刻加工的方法，所述方法通過控制在金屬制品平面和曲面上掩膜塊和掩膜間隙的尺寸，以及在蝕刻過程中對蝕刻時(shí)間、蝕刻壓力等相關(guān)工藝參數(shù)的控制，在金屬制品表面形成凸凹起伏的連續(xù)微結(jié)構(gòu)，凹坑的深度從平面的中心到曲面的邊緣逐漸減小，凹坑截面呈正弦波的波谷狀圓弧，凸起無明顯棱邊，凸起轉(zhuǎn)接處平滑過渡，凸起的截面近似四棱柱狀，整體結(jié)構(gòu)過渡平緩，微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)從有到無逐漸過渡性的銜接，具備較好的視覺和觸覺效果，能夠滿足更好的防滑性能和美觀要求。
文檔編號C23F3/06GK103255416SQ20131017858
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者王冠, 宋卿, 黃紅光, 郭鐘寧, 張永俊 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)