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为什么高纯净领域的不锈钢一定要使用电化学抛光处理?

为什么高纯净领域的不锈钢一定要使用电化学抛光处理?

随着中国工业体系的不断提高,高端制造领域的工业产品也逐渐增多,高性能材料尤其是高性能不锈钢的应用也大量普及。 而往往在高端不锈钢的应用领域中,常常会用到电化学抛光这种表面处理方式。虽然不锈钢电化学抛光技术早在五六十年代就已经开始应用,但真正在国内大量使用也就近十多年的时间。而在国外的发达国家,他们的高端制造业比我们起步早,因此在这方面的应用则更广泛、技术工艺更成熟。
生物医药、医疗器械、真空电子、半导体是不锈钢高端应用最典型的工业领域,尤以半导体行业要求最高。
很多人会有不解,为什么高端或高纯净的产品一定要使用电化学抛光处理?机械抛光或酸洗钝化就不可以么?这就需要从相关产品的应用场所的要求及不锈钢电解抛光的特性来讲起。
电化学抛光(Electrochemical Polishing),是以不锈钢工件为阳极,不溶性金属为阴极,两极同时浸入到电化学抛光槽液中,通以直流电而产生有选择性的阳极溶解,从而在不锈钢工件表面形成一富铬的氧化膜层,该膜层具有较高的光亮度。如果材料材质越好,纯度越高,其表面氧化膜层质量就越好,光洁度越低,光亮度也越好,三者成正比关系。
由于不锈钢电化学抛光属于电化学阳极反应,其膜层是在工件本身母材的表面形成的,因此与母材是一个整体,且是同样的金属元素。它不会有与母材不同的金属元素的脱落情况发生,从而影响使用。
由于不锈钢电化学抛光所形成的表面氧化膜是一种富铬层,含铬比例越高,其耐腐蚀性则更好。该膜层成分与不锈钢本体相比,其Cr/Fe比要大于母材料,ASME BPE-2016新标准中,要求Cr/Fe比>1,SEMI标准中,则要求HP等级中,Cr/Fe比和CrOX/FeOX比>1;在SEMI标准中UHP等级中则要求:Cr/Fe比>1.5,CrOX/FeOX比>2。在实际应用中,Cr/Fe比有些企业甚至能做到>2.5~3。
我们都知道,不锈钢材料在制作过程中,不可避免的表面会存在一些微小的缺陷,甚至会有一些裂纹,或者可能有异物颗粒附着在其表面。而在真空领域,材料也都会有“放气“现象。电化学抛光过程可以将其表面剥落一层,一方面可以将异物脱离,另外可以将表面或浅表面的缺陷暴露出来。
对于生物医药、医疗器械、精细化工等领域,处理后的不锈钢工件表面易清洗,不易结垢和滋生细菌,不会影响产品质量或使用效果。
还有一点需要补充的,电化学抛光对于不锈钢材料的要求也十分苛刻,不仅仅是要求不锈钢材料中含碳量,以及铬、镍成分达到相关标准,还要求材料中的杂质P、S、Mn、Si、Cu等有害元素以及O和H等近可能的最低,不是任何的不锈钢材料都可以达到的。在半导体行业所使用的不锈钢首选是316L,该材料是用经过真空脱碳(VOD)316L不锈钢,再通过真空感应熔炼(VIM),然后再用真空电弧再熔化(VAR)处理所得的材料,纯度高,奥氏体金相组织均匀一致。该材料所做的电解抛光处理效果是最佳的。
机械抛光(Mechanical Polishing)是高速运动的抛光材料与不锈钢基体摩擦,在抛光力作用下,基体产生高温从而表面发生塑性变形。并使周边高温氧化下瞬间形成的金属表面的极薄氧化膜反复地被磨削下来,从而变得越来越光亮。整个抛光过程既具有机械的磨削作用,又同时发生物理和化学作用。抛光切削量较大,属于一种宏观整平。
机械抛光过程中,与电化学抛光相比,机械抛光会在不锈钢表面留有抛光痕迹,表面还会形成冷作硬化的变形层(Beilby Layer),此外,还会将一些细小的抛光材料颗粒嵌入到不锈钢表面。再者,机械抛光还会掩盖一些表面下层的缺陷,隐藏隐患。
而常用的不锈钢酸洗钝化及化学钝化,由于是化学反应,不及电化学反应强烈,一方面,对基体表面的腐蚀量不充分;另一方面,所形成氧化膜层质量也不如电化学抛光。清除表面杂质效果差。
杂质和纯度的不到位,会严重影响到实际使用的效果。以当前半导体行业举例,目前芯片采用最先进的工艺的是5nm,主流芯片生产工艺也在几十nm左右,可想而知,nm级的异物都会对芯片的质量造成致命性的影响。
这就是高端或高纯净的不锈钢产品一定要使用电化学抛光处理的原因。

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