苑冬文，崔 欢，康艳红，郑一斐，李佳玥，孔令娜



NaCl电解液对420不锈钢的刻蚀研究

苑冬文，崔 欢，康艳红，郑一斐，李佳玥，孔令娜

（沈阳师范大学 化学化工学院，沈阳 辽宁 110034）

以NaCl电解液为研究对象，采用阳极溶解刻蚀法研究了电解液浓度、电流密度、温度、刻蚀时间对420不锈钢刻蚀速度的影响，阐述了420不锈钢在NaCl电解液中刻蚀速度的影响因素。实验结果表明，槽间距为3 cm时，NaCl加入量为0.20~0.30 g·mL-1,电流密度为6~8 A·dm-2,温度30~50℃条件下，刻蚀速度可以达到最佳；随着刻蚀时间的增加，溶液碱性增强，溶液由墨绿色转变为棕色。

NaCl电解液；420不锈钢；刻蚀

离子液体是完全由阴、阳离子液体组成且在常温下呈液态的离子化合物，通常也称作室温熔岩。离子液体具有电化学窗口宽，蒸汽压小，导电性好，无环境污染等优点[1-3]。

不锈钢具有很高的力学强度、硬度、耐磨性、耐蚀性以及易于加工等优良性质。随着其装饰加工工艺的发展和成熟，在各个领域中的应用日益扩大，如在招牌制作、仪器设备表面图文刻印、制造印刷用的金属字板、在机械加工较为困难的薄板或薄片零件（电子线路板、金属网板的小孔以及光栅）等器件上制造出复杂的图形或文字[4-5]。我国的不锈钢制品的商标工艺一直沿用机械的冲压法，这种方法由于机械的动作使制品局部承受的压力过于集中，造成制品弯曲变形且操作麻烦[6]。不锈钢的装饰是通过对不锈钢进行部分刻蚀，获得一定深度的图形或文字，在其上着色，从而达到具有立体感的彩色装饰效果。

工业上一般采用FeCl3，化学刻蚀和阳极溶解两种方法进行刻蚀[7-9]，该方法具有工艺简单、刻蚀速度快、污染少、经济且效果好等优点，但FeCl3电解液相对于FeCl3电解液来说，制备方法繁琐，而NaCl电解液廉价易得，成本较小，性质比较稳定，所以，采用NaCl电解液来探究电流密度、温度、刻蚀时间对刻蚀不锈钢的影响。

1 实验部分

多功能脉冲电源（MD-30B，厦门群际仪器有限公司）；

电解糟作为反应容器（自制：7 cm×6.5 cm×4.3 cm，电解槽内槽间距：3 cm，电解槽的槽体积195.65 cm3）；

420不锈钢片（碳含量0.25 %，铁含量85 %，铬含量13.6 %）作为阳极电极，阴极采用石墨电极作为辅助电极（体积13.2 cm3），用NaCl溶液作为电解液，浓度分别为0.15 g·mL-1，0.20 g·mL-1，0.25 g·mL-1，0.30 g·mL-1。

采用恒电流电解的方法，在一定时间间隔内，测定420不锈钢实验前后的重量变化。石墨电极作为阴极并与脉冲电源负极连接，420不锈钢片作为阳极与脉冲电源正极相连，实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

2 结果与讨论

2.1 NaCl电解液浓度的选择

在室温（28.4 ℃）下，电流密度为8 A·dm-2,定时8 min，420不锈钢面积3.55 cm2。表1为电解液浓度对刻蚀量的影响。由表1可以看出，在电解液浓度为0.25 g·mL-1时不锈钢片的刻蚀量最多，因此选择电解液浓度为0.25 g·mL-1的NaCl溶液来进行本实验。

表1 电解液浓度对刻蚀量的影响

2.2 电流密度的选择

在室温（28.4 ℃）下，定时8 min，420不锈钢面积3.55 cm2。图2为电流密度对刻蚀量的影响图。由图2可以看出，随着电流密度的增加，刻蚀量也在逐渐增加，在电流密度为8 A·dm-2时对不锈钢腐蚀情况最为严重，但是和电流密度为7 A·dm-2时刻蚀量相差无几，在同等消耗电量的情况下，7 A·dm-2刻蚀速度更快，因此7 A·dm-2为最佳刻蚀电流密度。

图2 电流密度对刻蚀量的影响图

2.3 温度的选择

在室温（28.4 ℃）下，电流密度为7 A·dm-2，定时8 min，420不锈钢面积3.55 cm2。图3为温度对刻蚀量的影响图。

图3 温度对刻蚀量的影响图

由图3可以看出，刚开始，随温度的升高刻蚀量增加，在30 ℃时刻蚀量达到峰值，之后随着温度的升高刻蚀量减小。随温度的升高pH值先增高后减小，在30 ℃时达到峰值，因此30 ℃为最佳刻蚀温度。

2.4 刻蚀时间的选择

在室温（28.4 ℃）下，选用电流密度7 A·dm-2、温度30 ℃，铁片面积：5.85 cm2。图3为刻蚀时间对刻蚀量的影响图。由图4可以看出，随时间的增加，刻蚀量增加，但刻蚀速度逐渐变慢，在90 min之后刻蚀量变化几乎不变，因此90 min为最佳刻蚀时间。

图4 刻蚀时间对刻蚀量的影响图

３ 结论

在槽间距位3 cm，NaCl加入量为0.2~0.3 g·mL-1，电流密度6~8 A·dm-2,温度30~50 ℃条件下，得出以下结论。

（1）在温度，电流密度相同的情况下，浓度为0.25 g·mL-1的NaCl溶液为最适的电解液。

（2）只改变电流密度的情况下，电流密度是7 A·dm-2时刻蚀量最大。

（3）只改变温度的情况下，温度为30 ℃时刻蚀量最大

（4）在其他条件最适的条件下，随着时间的变化铁片不断腐蚀，实验现象越来越明显，直接发生的发应：总反应：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑

但随着时间的增加，会发生间接反应：

2FeCl3+6NaOH=2Fe(OH)3↓+6NaCl

最终总反应为2Fe+ 6H2O =3H2↑ + 2Fe(OH)3↓，由于生成Fe(OH)3，使溶液粘度增加，电阻增大，刻蚀速度变慢。因此在90 min时刻蚀量相对最大。

直接的电极反应为：阳极：2Cl--2e-→Cl2，阴极：2H+-2e-→H2↑

总反应：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑

间接反应：2FeCl3+6NaOH=2Fe(OH)3↓ +6NaCl

最后预计总反应：2Fe+ 6H2O =3H2↑+ 2Fe(OH)3↑

［1］邓友全. 室温离子液体——新型的精细化学品[J]. 精细化工原料及中间体, 2007, 8(10): 3-4.

［2］李汝雄, 王建基. 绿色溶剂——离子液体的制备与应用[J]. 化工进展, 2002, 22 (01): 43-48.

［3］ABBOTT A P, MCKENZIE K J. Applicatian of ionic liquids to the electrodeposition of metai[J]. Phys Chem Chem Phys, 2006, 8（37）：4265-4279.

［4］肖鑫,王文涛,龙有前,钟萍. 不锈钢板图纹装饰工艺[J]. 表面技术, 2001, 30(02): 29-30.

［5］周一扬, 陈振华. 不锈钢的化学铣切加工[J]. 表面技术, 1996, 25 (06): 27-28.

［6］梁镰銮, 蔡明招. 碳钢、不锈钢制品商标刻蚀液研制成功[J]. 广州化工, 1985, 13 (01): 69.

［7］赵丽冰, 陈沛贤, 陈六平, 方北龙. 一个开放式研究性实验——不锈钢表面刻蚀[J]. 大学化学, 2005, 20 (04): 37-39.

［8］程勤学. 电解蚀刻不锈钢工艺[J]. 丝网印刷, 2001,19 (06):18-20.

［9］吴蒙华, 李晓伟, 刘晋春, 郭永丰. 不锈钢凹形字图的快速电解蚀刻[J]. 新技术新工艺, 1997, 19 (01):35-36.

Study on NaCl Electrolyte Etching of 420 Stainless Steel

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（College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Liaoning Shenyang 110034，China）

With NaCl electrolyte as the research object, the anodic dissolution etching method was used to study the effect of electrolyte concentration, current density, temperature and etching time on etching rate of 420 stainless steel. The factors of affecting the etching rate of 420 stainless steel in NaCl electrolyte were discussed. The experimental results show that when the groove spacing is 3 cm, the dosage of NaCl is 0.20~0.30 g·mL-1,the current density is 6~8 A·dm-2, temperature is 30~50 ℃, the etching rate can be the best; with the increase of etching time, alkaline of the solution enhances, the solution color changes from dark green to brown.

Submarine pipeline; Unsteady heat transfer; Numerical study

2017-03-12

苑冬文（1996-），女，辽宁省营口市人。

TQ150.6

A

1004-0935（2017）05-0445-03