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為什么高純凈領域的不銹鋼一定要使用電化學拋光處理?

為什么高純凈領域的不銹鋼一定要使用電化學拋光處理?

隨著中國工業體系的不斷提高,高端制造領域的工業產品也逐漸增多,高性能材料尤其是高性能不銹鋼的應用也大量普及。 而往往在高端不銹鋼的應用領域中,常常會用到電化學拋光這種表面處理方式。雖然不銹鋼電化學拋光技術早在五六十年代就已經開始應用,但真正在國內大量使用也就近十多年的時間。而在國外的發達國家,他們的高端制造業比我們起步早,因此在這方面的應用則更廣泛、技術工藝更成熟。
生物醫藥、醫療器械、真空電子、半導體是不銹鋼高端應用最典型的工業領域,尤以半導體行業要求最高。
很多人會有不解,為什么高端或高純凈的產品一定要使用電化學拋光處理?機械拋光或酸洗鈍化就不可以么?這就需要從相關產品的應用場所的要求及不銹鋼電解拋光的特性來講起。
電化學拋光(Electrochemical Polishing),是以不銹鋼工件為陽極,不溶性金屬為陰極,兩極同時浸入到電化學拋光槽液中,通以直流電而產生有選擇性的陽極溶解,從而在不銹鋼工件表面形成一富鉻的氧化膜層,該膜層具有較高的光亮度。如果材料材質越好,純度越高,其表面氧化膜層質量就越好,光潔度越低,光亮度也越好,三者成正比關系。
由于不銹鋼電化學拋光屬于電化學陽極反應,其膜層是在工件本身母材的表面形成的,因此與母材是一個整體,且是同樣的金屬元素。它不會有與母材不同的金屬元素的脫落情況發生,從而影響使用。
由于不銹鋼電化學拋光所形成的表面氧化膜是一種富鉻層,含鉻比例越高,其耐腐蝕性則更好。該膜層成分與不銹鋼本體相比,其Cr/Fe比要大于母材料,ASME BPE-2016新標準中,要求Cr/Fe比>1,SEMI標準中,則要求HP等級中,Cr/Fe比和CrOX/FeOX比>1;在SEMI標準中UHP等級中則要求:Cr/Fe比>1.5,CrOX/FeOX比>2。在實際應用中,Cr/Fe比有些企業甚至能做到>2.5~3。
我們都知道,不銹鋼材料在制作過程中,不可避免的表面會存在一些微小的缺陷,甚至會有一些裂紋,或者可能有異物顆粒附著在其表面。而在真空領域,材料也都會有“放氣“現象。電化學拋光過程可以將其表面剝落一層,一方面可以將異物脫離,另外可以將表面或淺表面的缺陷暴露出來。
對于生物醫藥、醫療器械、精細化工等領域,處理后的不銹鋼工件表面易清洗,不易結垢和滋生細菌,不會影響產品質量或使用效果。
還有一點需要補充的,電化學拋光對于不銹鋼材料的要求也十分苛刻,不僅僅是要求不銹鋼材料中含碳量,以及鉻、鎳成分達到相關標準,還要求材料中的雜質P、S、Mn、Si、Cu等有害元素以及O和H等近可能的最低,不是任何的不銹鋼材料都可以達到的。在半導體行業所使用的不銹鋼首選是316L,該材料是用經過真空脫碳(VOD)316L不銹鋼,再通過真空感應熔煉(VIM),然后再用真空電弧再熔化(VAR)處理所得的材料,純度高,奧氏體金相組織均勻一致。該材料所做的電解拋光處理效果是最佳的。
機械拋光(Mechanical Polishing)是高速運動的拋光材料與不銹鋼基體摩擦,在拋光力作用下,基體產生高溫從而表面發生塑性變形。并使周邊高溫氧化下瞬間形成的金屬表面的極薄氧化膜反復地被磨削下來,從而變得越來越光亮。整個拋光過程既具有機械的磨削作用,又同時發生物理和化學作用。拋光切削量較大,屬于一種宏觀整平。
機械拋光過程中,與電化學拋光相比,機械拋光會在不銹鋼表面留有拋光痕跡,表面還會形成冷作硬化的變形層(Beilby Layer),此外,還會將一些細小的拋光材料顆粒嵌入到不銹鋼表面。再者,機械拋光還會掩蓋一些表面下層的缺陷,隱藏隱患。
而常用的不銹鋼酸洗鈍化及化學鈍化,由于是化學反應,不及電化學反應強烈,一方面,對基體表面的腐蝕量不充分;另一方面,所形成氧化膜層質量也不如電化學拋光。清除表面雜質效果差。
雜質和純度的不到位,會嚴重影響到實際使用的效果。以當前半導體行業舉例,目前芯片采用最先進的工藝的是5nm,主流芯片生產工藝也在幾十nm左右,可想而知,nm級的異物都會對芯片的質量造成致命性的影響。
這就是高端或高純凈的不銹鋼產品一定要使用電化學拋光處理的原因。

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