DE2244015A1

DE2244015A1 - Loesung zur aetzung von aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE2244015A1
Application number: DE19722244015
Authority: DE
Inventors: Christopher John Kay
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-09-21
Filing date: 1972-09-07
Publication date: 1973-04-05
Also published as: FR2153292B1; FR2153292A1; DE2244015C3; GB1371035A; IT967462B; JPS4838844A; JPS5421823B2; DE2244015B2

Description

Lösung zur Ätzung von Aluminiuiftlegierungen

Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Ätzung von Aluminiumlegierungen.

Aluminiuralegierungen sind normalerweise sohwlerig,auf chemischem Wege zu ätzen, da sie auf ihrer Oberfläche eine Schicht aus Aluminiumoxyd bilden, das verhältnismäßig schlecht reagiert. Um Aiundniumlegierungen erfolgreich ätzen zu können, werden normalerweise alkalische Ätzlösungen benutzt, die auf freien Metallhydroxyden basieren. Wenn jedoch durch herkömmliche alkalische Ätzlösungen Aluminiumlegierungen geätzt werden, die als Bestandteile Metalle, wie z.B. Kupfer oder Zink,enthalten, wird jedoch eine kieselige oder knötehenartige geätzte Oberfläche erhalten. Man nimmt an, daß dieser Effekt dadurch verursacht wird, daß die Aluminiumkörner bei Vorhandensein von Kupfer-oder Zinkkorngrenzen angegriffen werden·

line knötehenförmige Oberfläche ist ünerwifaacht, da sie eine « hinsichtlich der Srmlldungseigensehaften ungünstige Wirkung hat und außerdem örtliche Verdünnungen auftreten können, die außerhalb der Herstellungstoiteraitzen liegen.

Durch Hinzufügen verschiedener Schwefelverbindungen, z.B. von Polysulfiden, Schwefelniercaptan und Schwefelharnstoff zur Ätzlösung, hat man versucht, eine glatt geäüzte Oberfläche zu er-

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halten. Derartige Zusätze wurden jedoch bisher nur In Verbindung mit alkalischen Lösungen beschrieben.

Der Brflndung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ätzlösung für eine Aluminiumlegierung auf Säurebasis zu schaffen, die eine relativ glatte, geätzte Oberfläche ergibt, wenn Aluminiumlegierungen Anwendung finden« die Kupfer enthalten.

OemäJ) der Brflndung 1st eine Atzverbindung zum Atzen von Aluminiumleglerungen, die Kupfer enthalten, In der Weise auegebildet, dafl sie eine w&Hsrige Lösung von Kupferionen zusammen alt einer Quelle von WasserstoffIonen und Nitrationen enthält, wobei der Normalzustand der Nitrationen so eingestellt ist, daß er geringer ist als der Normalzustand der Waeserstoffionen.

Vorzugsweise liegt die Konzentration der Wasserstoffionen in der Xtzverblndung in dem Bereich zwischen 1,3 bis 6*0 Normal.

Vorzugswelse liegt die Konzentration der Nitrationen in der Ätzverbindung im Bereich zwischen 0,5 bis 5,0 Normal.

Vorzugsweise liegt die Konzentration der Kupferionen in der Ätzverbindung im Bereich zwischen 0,5 und 100 g/l.

Die Waeserstoffionen und die Nitrationen können aus einer Mischung von Salzsäure und Salpetersäure erhalten werden.

Stattdessen kOnnen die Nitrationen auch aus einem ealpeterssuren SaIs erhalten werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Atzung von kupferenthaltenden AlumLniümleglerungen, Gemäß der Erfindung wird dieses Verfahren in der Weise durchgeführt, daß die Leglerungsoberfläohe mit einer wässrigen Lösung von Kupferionen zusammen mit einer Quelle von Wasserstoffionen und Nitrationen behandelt wird, wobei der Normalzustand der Nitrationen so gewählt wird, dafi er kleiner ist als der Normalzustand der Wasserstoff ionen, dal dann die Oberfläche der Legierung mit Wasser abgewaschen

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wird, daß dann die geätzte Oberfläche mit einer wässrigen verdünnten Sälpetersäurelösung behandelt wird, um die darauf abgelagerte Kupferschicht zu entfernenn daß dann die Spülung der geätzten Oberfläche mit Wasser wiederholt wird, daß die geätzte Oberfläche mit einer verdünnten wässrigen Natriumhydroxydlosung behandelt wird, um jegliche Porösität zu entfernen ynd daß zum Abschluß die geätzte Oberfläche; nochmals mit Wasser.gespült wird. -..■■·-

Vorzugsweise wird eine io^ige wässrige Salpetersäurelösung benutzt, um die abgelagerte Kupferäiiicht zu entfernen. ,.-

Vorzugsweise wird eine 15#ige wässrige NatriumhydrojördliJsung be*· nutzt, um die Pprosität zu entfernön«

Wenn dem Aluminium als Legierungsbestandteil Kupfer zugefügt wird, dann stellt das Vorhandensein dieses Kupfers die Ursache dar, durch die das Elektrodenpotential der Legierung geändert wird. Wenn mehr Kupfer zu der Legierung hinzugefügt wird, dann wird die Legierung bezüglich eines festen Systems mehr negativ.

Es hat sich gezeigt, daß eine wässrige Mischung von Salpetersäure und Salzsäure ,die Küpferionen enthält,, gur Ätzung derartiger Aluminiumlegierungen geeignet ist. insbesondere, würde gefunden, daß Ätzlösungen der folgenden Zusammensetzungen geeignet sind:

H⁺	Konzentration	i	.5	Üs 6.0	Normal
NO"	Konzentration	0	.5	bis 5.0	Normal
Cu	Konzentration	O	.5	bis 100	g/l

Die H⁺ Konzentration ist größer als die NOZ Konzentration.

Bei den vorerwähnten Zusammensetzungen wurden die Nitrationen aus Salpetersäure gewonnen. Es ist jedoch auch möglich, diese aus einem Nitratsalz zu gewinnen, z.B. aus Kupfernitrat.

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Die theoretischen Zusammenhänge sind noch nicht völlig geklärt und es wird lediglich angenommen, daß die Vorgänge wie folgt sind:

Wenn ein aus einer Aluminiumlegierung bestehendes Werkstück einer gemäß der Erfindung zusammengesetzten Ätzlösung ausgesetzt wird, dann wandern die Wasserstoffionen der Lösung durch die Aluminiumoxydschutzschicht und reagieren mit der Aluminiumoberfläche unter dieser Schutzschicht und bilden ein lösliches Aluminiumhydrid AlH,. Sobald das Aluminium gelöst ist, wird infolge der Relativstellungen von Aluminium und Kupfer in der elektrochemischen Spannungsreihe das Kupfer, welches bereits in der Lösung vorhanden 1st, auf der Oberfläche des Werkstücks abgelagert, wodurch die Aluminiumoxydschutzschicht verschwindet. Die abgelagerte Kupferschicht wird graduell durch die Ätzlösung angegriffen, bis sie schließlich porös wird und die ursprüngliche Oberfläche des Aluminiumwerkstücks dem Säureangriff ausgesetzt wird. Wenn die Körner und Korngrenzen der Werkstückoberfläche nicht mehr durch eine Aluminiumoxydschicht geschützt sind, werden sie etwa alle mit der gleiohen Rate geätzt. Wenn die Reaktion fortschreitet, wird ein Kupferschwamm auf dem Werkstück aufgebaut, bis dieser schließlich durch das ausgeschiedene Wasserstoffgas abgespült wird. Der Kupferschwamm löst sich wieder in der Lösung und wird wieder zusammen mit dem Kupfer, welches von den Korngrenzen gelöst wurde, auf der Werkstückoberfläche abgelagert und die Reaktion schreitet fort. Das in der Lösung vorhandene Kupfer wird demgemäß kontinuierlich während der ganzen Meaktion abgelagert und wieder gelöst.

Nach der Ätzung wird das Werkstück aus der Ätzlösung entnommen und die darauf abgelagerte Kupferschicht wird durch lintauchen in verdünnte Salpetersäure entfernt. Die sich ergebende Ätzoberfläche erscheint etwas porös. Um diese Porosität zu entfernen wird das Werkstück kurz in einer alkalischen Aluminiumätzlösung^gespült.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben: Die Beispiele 1,3,4 und 6 verkörpern die vorliegende Erfindung während die Beispiele 2 und 5 auch den Stand der Technik repräsentieren.

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Beispiel 1

Eine wässerige Lösung gemäß der Erfindung wurde dadurch hergestellt^ daß' Kupferchlorid in einer Mischung von Salzsäure,. Salpetersäure und Wasser gelöst wurde, bis die Lösung die folgende Zusammensetzung hatte.

H⁺ ■	2 Normal
NO"	1 Normal
Cu	5 S/l

Ein Werkstück aus geschmiedeter Aluminiumlegierung (2,4$ Gu 1,5$ Mg 1,2# Ni 1% Fe und der Rest Aluminium und Verunreinigungen) wurde in dieser Lösung eine Stunde lang geätzt, während die Lösung mit Luft in Bewegung gesetzt wurde und die Temperatur bei 45°0 gehalten wurde. Dann wurde das Werkstück aus der-Lösung entnommen und mit Wasser abgewaschen. Dann wurde das abgelagerte Kupfer durch Eintauchen in eine lO^ige wässrige Lösung von Salpetersäure entfernt. Nach einer weiteren Wasserspülung wurde das Werkstück 3 Minuten lang in einer 15#igen wässrigen Lösung von Natrium-Hydroxyd eingetaucht und auf einer Temperatur von 8O⁰C gehalten. Die sich ergebende Oberfläche war glatt und die Ätztiefe war gleichmäßig.

Beispiel 2 * .

Ein Versuchswerkstück aus geschmiedeter Aluminiumlegierung (6# Qu 0,256 Mg 0,2# Si 0,25$ Mn, 1,5$ Ti; Rest Aluminium und Verunreinigungen) wurde in eine herkömmliche 5#ige wässrige Ätzlösung eingetaucht, die 97 Teile Natriumhydroxid und 3 Teile Natriumsulfid enthielt. Die Lösung wurde auf einer Temperatur von 9O⁰C gehalten und die freie Oberfläche wurde bis auf eine Tiefe von etwa 5 mm geätzt. Danach wurde das Werkstück abgewaschen und getrocknet. Die Ätzoberfläche war rauh und die Fnterschiede der Ätztiefe betrugen bis zu 2 mm.

Es wurde eine wässrige Ätzlösung gemäß der Erfindung dadurch her» gestellt, daß Kupferchlorid in einer Mischung von Salzsäure,

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Schwefelsäure und Wasser gelöst wurde, bis sich die folgende Zusammensetzung ergab: . · ■ H⁺ - 2.5 Mormal

VöZ - 1.3 Normal

6u - 20 g/l

Bin Werkstück aus der gleichen Aluminiumlegierung wurde bis auf eine Tiefe von etwa 5 mm geätzt und die Lösung wurde mit Luft bewegt und auf einer Temperatur von 45°<J gehalten. Nach einer Behandlung in Salpetersäure« wie bei dem Beispiel 1, wurde eine weitere Schicht von einer Blöke von 0,075 wa von der freien Oberfläche entfernt, indem das WerkstUok in eine 15#ige Lösung von Natriumhydroxyd eingetaucht wurde, die auf einer Temperatur von 8O⁰C gehalten wurde. Die sich ergebende Oberfläche war glatt ohne merkbare Knötchen und die Tiefenschwankung der Atzung betrug nur 0,35

Beispiel 3

Bine wässrige Lösung wurde dadurch hergestellt, daß Kupfernitrat in Salzsäure und Wasser aufgelöst wurde, um eine Lösung der folgende Zusammensetzung zu erzielen:

H⁺ - 2.0 Normal

NOl - 1.0 Normal

Ou - 29 g/l

Eine Aluminiumlegierung, ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen, wurde in dieser Lösung geätzt. Die Ergebnisse waren die gleichen wie die, welche bei dem Beispiel 1 erhalten wurden.

Beispiel 4

Bie Ätzzusammensetzung gemäß Beispiel 1 ergab gleiche Ergebnisse wie die in jenem Beispiel erhaltenen, wenn eine Aluminiumlegierung geätzt wurde, die 4# Kupfer,0.6& Mg, 0,8# Si, 0,8# Mn und verschiedene Verunreinigungen enthielt.

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Beispiel 5

Das Säureätzmittel, welches in Fig.2 beschrieben wurde, hat man benutzt, um eine Aluminiumlegierung gemäß Beispiel 1 zu ätzen.

Bei einer Ätztiefe von 5 mm ergab die herkömmliche Natriumhydroxyd/ Natriumsulfid-Ätzlösung eine Tiefenvariation der Ätzung von 2 mm. Die Säurelösung ergab eine Veränderung von 0,5 mm.

Beispiel 6

Eine wässrige Ätzlösung wurde durch Lösung von Kupferchlorid, Salzsäure, Salpetersäure und Wasser hergestellt und zwar in der folgenden Zusammensetzung:

H⁺ - 4 Normal

NCC - 3 Normal

Cu - 15 g/l

Ein Probewcrkstück aus einer Aluminiumlegierung gemäß Beispiel 1 wurde in dieser Lösung geätzt. Die Lösung wurde durch Luft in Bewegung gesetzt auf einer Temperatur von 15 gehalten. Die freie Oberfläche wurde in einer Tiefe von 3,7 mm geätzt. Dann wurde das Werkstück aus der Ätzlösung entnommen und unter Wasser abgewaschen und in eine lO^ige wässrige Lösung von Salpetersäure eingetaucht, um das abgelagerte Kupfer zu entfernen. Dann wurde das Werkstück wiederum in Wasser abgewaschen und es wurden weitere 0,075 mm der freien Oberfläche abgetragen, indem das Werkstück in eine wässrige Lösung von Natriumhydroxyd getaucht wurde, die auf einer Temperatur von 80 C gehalten wurde. Die sich hierbei ergebende Oberfläche war glatt mit wahrnehmbaren Erhebungen und mit einer Tiefenänderung der Ätzung von 0,25 mm.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Kupfer enthaltenden Aluminiumlegierung beschrieben. Theoretisch ist die Erfindung jedoch auch auf Zink.enthaltende Aluminiumlegierungen anwendbar. In diesem speziellen Fall müßte die Ätzlösung natürlich Zinkionen enthalten und nicht Kupferionen.

./· Patentansprüche

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Claims

-8- 22U015 Patentansprüche:

1. Ätzmittel zum Ätzen von Aluminiumlegierungen, die Kupfer enthalten,

dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer wässrigen Lösung von Kupferionen zusammen mit einer Quelle von Wasserstoffionen und Nitrationen besteht, wobei der Normalzustand der Nitrationen so eingestellt ist, daß er geringer ist als der Normalzustand der Wasserstoffionen.

2. Ätzmittel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Wasserstoffionen in der Ätzzusammensetzung im Bereich zwischen 1,5 und 6,0 Normal liegt.

3· Ätzmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzei ohne t,

daß die Konzentration der Nitrationen der Ätzzusammensetzung in dem Bereich zwisohen 0,5 und 5,0 Normal liegt.

4. Ätzmittel nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzei chnet , daß die Konzentration der Kupferionen in dem Ätzmittel in einem Bereich von 0,5 bis 100 g pro Liter liegt.

5. Ätzmittel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzei ch η e t , daß die Wasserstoff- und Stickstoffionen aus einer Mischung von Salzsäure und Salpetersäure gewonnen werden.

6. Ätzmittel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrationen von einem Nitratsalz gewonnen werden.

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Verfahren zur Ätzung von Kupfer enthaltenden Aluminiumlegierungen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Oberfläche des aus der Legierung bestehenden Werkstücks mit einer wässrigen Lösung von Kupferionen zusammen mit einer Quelle von Wasserstoffionen und Titrationen behandelt wird, wobei der Normalzustand der Nitrationen, so eingestellt ist, daß er geringer ist als der Normalzustand der Wasserstoffionen, daß dann die Oberfläche des Werkstücks mit Wasser abgewaschen wird, daß die geätzte Oberfläche mit einer wässrigen verdünnten Schwefelsäurelösung behandelt wird, um die abgelagerte Kupferschicht im wesentlichen zu entfernen, daß dann die geätzte Oberfläche nochmals mit Wasser abgespült wird und daß die geätzte Oberfläche mit einer verdünnten wässrigen Natriumhydroxydlösung behandelt wird, um die Porosität zu entfernen, und daß schließlich die geätzte überfläche nochmals unter Wasser gespült wird. " ,

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