4.5 Технологические параметры травления

(Папка МГУПИ/Состав Сил ст)

Состав травильной смеси подбирается, как правило, исходя из состава стекла. Прочность натрий кальций силикатных стекол не зависит от концентрации плавиковой кислоты в растворе при условии соблюдения идентичных технологических параметров обработки и хранения стекол. На первой стадии воздействия разбавленной HF на стекло идет обмен ионов Na⁺ и Ca⁺на ионы Н⁺ и гидроксония Н₃О⁺, в результате чего образуется гель кремневой кислоты, которая, в свою очередь, соединяясь с F^—ионами плавиковой кислоты, образует кремнефториды щелочных и щелочноземельных металлов, т.е. идет по схеме:

Na₂SiO₃+6HF→2NaF+SiF₄+3H₂O

CaSiO₃+6HF→CaF₂+SiF₄+3H₂O

SiF₄+2HF→ H₂SiF₆

Na₂SiO₃+ H₂SiF₆→Na₂SiF₆ + H₂SiO₃ (H₂O + SiO₂)

Na₂SiO₃+SiO₂+12HF→Na₂SiF₆+H₂SiF₆+5H₂O

CaO+2HF→CaF₂+H₂O

КИНГСТОН/Симплекс-травление

Таким образом, на поверхности стекла осаждаются гель кремнефторидов и кристаллы фторидов, которые плохо смываются водой и ухудшают прочностные и оптические характеристики стекла. С целью получения легко смывающихся солей используют различные минеральные кислоты, которые подбираются с учетом составов стекол, технологических, экономических и экологических факторов.

Наиболее оптимальный для нашего производства состав - водный раствор плавиковой и серной кислот в определенной концентрации. В результате взаимодействия фторидов и кремнефторидов с серной кислотой образуются соответствующие соли: Na₂SO₄, CaSO₄, MgSO₄, Al₂(SO₄)₃, которые более растворимы в водном растворе и освобождают доступ к поверхности новой порции активных ионов.

H₂SO₄+2NaF→Na₂SO₄+2HF

Na₂SiF₆ + H₂SO₄→Na₂SО₄+H₂SiF₆

Зависимость прочности стекла от скорости травления.

На рисунке 4.7 приведены кривые падения скорости травления в зависимости от состава раствора при увеличении стеклосъема в процессе травления. С этой целью травление проводилось в ваннах с одинаковым количеством (5 литров) раствора, при объемном соотношении компонентов:

HF:H₂O→50:50

HF:H₂O→30:70

HF:H₂SO₄:H₂O→50:30:20

HF:H₂SO₄:H₂O→30:30:40

Стеклосъем определялся путем взвешивания стекла в процессе травления. Можно видеть, что дополнительное введение серной кислоты резко увеличивает скорость травления при одинаковой концентрации основного травящего компонента. Причем серная кислота позволяет не только увеличить скорость, но и продлить срок эксплуатации данного раствора, т.к. по действующей технологии частичный или полный слив раствора происходит при падении скорости до 1,5-2 мкм/мин. ( рис.4.7.)

Рисунок 4.7. Скорость травления стекла в различных травильных растворах (% об.) в зависимости от стеклосъема.

1 – HF:H₂O = 50:50

2 – HF:H₂SO₄:H₂O = 50:30:20

3 – HF:H₂O =30:70

4 – HF:H₂SO₄:H₂O = 30:70:20

КИНГСТОН/Симплекс-травление

Учитывая результаты проведенных исследований в настоящее время в промышленной установке используется раствор: 35% об.-40%масс. фтористоводородной кислоты; 8-10%об. – 92-95%масс. серной кислоты, 55-57%об. – воды. Используемый раствор имеет меньшую концентрацию более дорогой плавиковой кислоты, в то время как скорость в свежеприготовленной смеси увеличивается в 2 раза по сравнению с результатами, полученными в растворе плавиковой кислоты, а отработанный раствор легче поддается нейтрализации. Все это значительно улучшает экономические показатели. Следует отметить, что увеличение скорости требует более частой промывки стеклозаготовок на первых этапах травления. Это можно объяснить повышенным содержанием щелочных и щелочноземельных ионов в приповерхностных слоях, которые не достаточно полно удаляются с помощью воздуха на начальной стадии процесса.

В таблице 16 приведены значения прочности травленых стекол, полученных на промышленной установке в процессе эксплуатации.

Таблица4.17 Прочность стекол в зависимости от скорости травления.

Скорость травле-ния, мкм/мин	Прочность при ЦСИ, кг/мм2
	Средняя	Минимальная	Максимальная
8	204	45	307
6	216	67	316
3,9	187	59	290
1,5-2	129	29	224

КИНГСТОН/Симплекс-травление

Можно видеть, что при снижении скорости резко уменьшаются как нижние, так и верхние значения прочности. Однако, проведенные ранее исследования зависимости прочности от скорости травления в свежеприготовленных растворах показали, что при прочих одинаковых условиях, эти значения остаются постоянными в пределах допустимых погрешностей. Следовательно, имеется другая причина снижения эффективности упрочнения.

В процессе эксплуатации ванны образуются нерастворимые соли, осаждающиеся на дне. Для получения равномерного травления поверхности изделий на промышленной установке используется барботаж сжатым воздухом под давлением 1,5-2,0 атм. При его включении кристаллы отработанных солей взмучиваются и, по-видимому, повреждают ювенильную поверхность травленых стекол. К аналогичным выводам пришел Роуш Д./18/, исследуя уменьшение прочности известково-натриевого стекла при ударе частиц во время травления в плавиковой кислоте. По его данным прочность может снижаться на 30% и более.

Проведенные исследования прочности образцов, которые в процессе травления располагались на верхнем и нижнем уровне кассеты показали, что последние испытывают большее абразивное воздействие, в результате чего минимальная прочность снизилась с 87 до 25кг/мм².

Таким образом, введение в раствор плавиковой кислоты 10-12%мас. серной кислоты позволяет повысить скорость травления в 2-3 раза по сравнению с обработкой в плавиковой кислоте аналогичной концентрации, вплоть до полного истощения раствора, а с целью стабилизации прочностных показателей необходимо разработать процесс фильтрации раствора в период его работы.