某型設(shè)備絲網(wǎng)印刷字符局部脫落原因及機(jī)理分析

李 磊 謝 芮 羊 鋒

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川成都，610041)

鋁合金具有重量輕、強(qiáng)度高和防腐蝕性能好的特點(diǎn)，經(jīng)過化學(xué)或電化學(xué)氧化后的鋁合金，防腐蝕能力會進(jìn)一步提高，在軍事電子設(shè)備中有廣泛的運(yùn)用。在實(shí)際運(yùn)用中，還可結(jié)合多種處理工藝，進(jìn)一步提高其裝飾效果和應(yīng)用范圍。

絲網(wǎng)印刷字符主要為設(shè)備提供裝飾和標(biāo)識，如出現(xiàn)字符脫落，會影響設(shè)備外觀和辨識，影響用戶的使用體驗(yàn)。筆者所在單位鋁合金運(yùn)用時間較長，表面處理工藝完善，包括鋁合金氧化、噴漆、靜電粉末噴涂、絲網(wǎng)印刷以及激光雕刻等工藝，形成了鋁合金防腐蝕、裝飾、標(biāo)識等全套處理工藝。近年來，某型設(shè)備鋁合金殼體在陽極氧化著色處理后，表面絲網(wǎng)印刷字符出現(xiàn)了嚴(yán)重的局部脫落現(xiàn)象，將殼體清潔后再次進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，結(jié)果同樣出現(xiàn)了局部脫落，如圖1所示。

圖1 脫落狀況

1 附著機(jī)理分析

油墨附著在其他材料表面的基本原理與涂料附著機(jī)理相同，主要有：機(jī)械嵌合作用、吸附作用、化學(xué)鍵作用、擴(kuò)散作用和靜電作用[1]，按照其吸附力提供方式可分為有化學(xué)反應(yīng)參與的化學(xué)吸附和無化學(xué)反應(yīng)參與的物理吸附，化學(xué)吸附所提供的附著力大于物理吸附[2]。在實(shí)際使用過程中，通常是多種附著方式并存。

2 影響附著力的因素

從附著機(jī)理上分析，導(dǎo)致殼體絲網(wǎng)印刷字符脫落的原因主要有：底層材料過于光滑、油墨性能差以及底層材料表面被污染等原因。本文將圍繞殼體出現(xiàn)字符脫落現(xiàn)象，從以上幾個方面討論影響附著力的因素。

2.1 底層材料過于光滑

底層材料過于光滑，油墨在材料上的附著面積減小，使其附著的總作用力減小。圖1產(chǎn)品是經(jīng)過了化學(xué)拋光后，再進(jìn)行陽極氧化著色。從加工工藝來看，化學(xué)拋光會提高鋁合金表面的平整度，甚至?xí)_(dá)到鏡面效果[3]，從而使字符的附著力下降，導(dǎo)致大面積脫落。

2.2 油墨性能差

絲網(wǎng)印刷油墨性能差，配方不合理，油墨中缺乏必要的附著力添加劑[4]，或與底層材料不匹配等原因，無法為字符提供良好的吸附性能，會導(dǎo)致涂料或油墨在底層材料上的附著力變差，從而使加工的字符出現(xiàn)脫落。

2.3 表面被污染

底層材料被污染后會影響油墨或涂料的附著，其原因是油脂、灰塵等阻礙了金屬與涂層的直接接觸，并且油脂的存在大大降低了金屬基體的表面張力，使得涂料難以潤濕金屬基體表面，直接影響了涂層在基體表面的附著[5]。

3 字符附著力不良的具體分析

3.1 調(diào)查分析

3.1.1 狀況調(diào)查

(1)殼體的表面處理工藝為噴砂處理、化學(xué)拋光、陽極氧化著黑色。

(2)出現(xiàn)脫落的字符呈不規(guī)則分布，并不局限在某一區(qū)域。

(3)同批次殼體出現(xiàn)字符脫落的比例為50%左右。

(4)同一工件上既有出現(xiàn)了脫落的字符，也有未出現(xiàn)脫落的字符，且未脫落字符附著力很好，不易去掉。

3.1.2 分析小結(jié)

通過對實(shí)際的分析，結(jié)合加工工藝過程調(diào)查和機(jī)理分析，得出：一是該殼體表面經(jīng)過了噴砂處理，不存在接觸面積太小的問題；二是該殼體經(jīng)過了陽極氧化處理，其表面為多孔膜層，能為油墨提供理想的錨點(diǎn)；三是該殼體經(jīng)過化學(xué)拋光，會提高鋁合金的表面平整度，理論上不利于油墨附著，字符會出現(xiàn)大面積脫落，但與實(shí)際出現(xiàn)的局部脫落狀態(tài)不一致；四是油墨性能差的問題，會造成字符出現(xiàn)大面積脫落，基本可以排除該因素。

通過分析，該殼體的加工工藝合理，因此，需從加工流程排查原因。

3.2 加工過程調(diào)查

為查清引起字符脫落的真實(shí)原因，調(diào)查了殼體的表面處理加工工藝及過程，對其中影響字符附著力的因素展開分析，并開展了相應(yīng)試驗(yàn)。

3.2.1 陽極氧化著色

陽極氧化著色加工過程為協(xié)作廠家，圖2為陽極氧化著色的工藝流程。

圖2 鋁合金陽極氧化著色工藝流程

其中對絲網(wǎng)印刷字符附著力有影響的工序?yàn)檠趸?、著色、封閉，陽極氧化采用硫酸陽極氧化，溶液溫度12℃，電壓14V，氧化時間60min。著色時，溶液溫度50℃，時間15min，著色材料為奧野TAC BLACK-415染料，封閉劑主要成分為醋酸鎳。該工藝參數(shù)與本單位相同，均在正常工藝范圍內(nèi)。為排除加工工藝影響，由本單位自行加工樣件進(jìn)行對比，加工的樣件字符無脫落現(xiàn)象發(fā)生，具體見圖3。結(jié)果說明，陽極氧化著色工藝不是導(dǎo)致此問題的因素。

3.2.2 絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷加工由本單位自行完成，圖4是絲網(wǎng)印刷的工藝流程：

圖4 絲網(wǎng)印刷工藝流程

3.2.2.1 絲網(wǎng)印刷過程

在絲網(wǎng)印刷過程中，對附著力影響較大的加工過程，主要集中在擦拭清潔及印刷固化階段，故絲網(wǎng)印刷過程的調(diào)查，主要圍繞擦拭清潔、印刷固化階段進(jìn)行。

3.2.2.2 擦拭清潔

殼體在絲網(wǎng)印刷加工前，經(jīng)過無水乙醇擦拭清洗，且通常在4小時內(nèi)完成絲網(wǎng)印刷操作，過程中操作人員全程佩戴干凈手套；拿取產(chǎn)品時，避免接觸絲網(wǎng)印刷加工面，基本無污染可能，故排除過程污染的可能。

為調(diào)查擦拭清潔的有效性，并試驗(yàn)強(qiáng)溶劑可行性，驗(yàn)證方案和結(jié)果見圖3。

經(jīng)過試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，自行加工的殼體按正常生產(chǎn)流程進(jìn)行加工，字符附著力良好，無脫落現(xiàn)象。但協(xié)作單位加工的殼體，采用不同清潔方式，仍然存在字符脫落現(xiàn)象。此外，浸泡清洗后的殼體字符附著力有較大提高。

3.2.2.3 絲網(wǎng)印刷

該工藝為本單位成熟工藝，原材料在有效期內(nèi)，絲網(wǎng)印刷操作完全符合工藝規(guī)程要求。固化溫度100℃，時間45min，工藝參數(shù)在工藝文件要求范圍類，因此，排除絲網(wǎng)印刷加工過程因素。

3.2.3 輔助工具

在輔助工具調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，協(xié)作廠家使用的吹塵槍扳機(jī)有卡頓漏氣現(xiàn)象，操作人員有往扳機(jī)根部添加潤滑油的操作，故初步判斷是由于工件被潤滑油污染，造成的油墨附著力不夠。

4 原因確定

4.1 原因定位

要求協(xié)作廠家更換新的吹塵槍后，先后加工了兩批數(shù)量為20、50件的工件，經(jīng)過測試，其附著力全部合格。其中一個用于測試的樣件見圖5。故確定造成絲網(wǎng)印刷字符局部脫落的原因是工件表面被潤滑油污染。

圖5 更換吹塵槍后的殼體

4.2 機(jī)理分析

4.2.1 潤滑油進(jìn)入吹塵槍

(1)吹塵槍在使用中，容易出現(xiàn)扳機(jī)根部磨損導(dǎo)致漏氣，讓潤滑油有浸入壓縮空氣管道的通道。

(2)扳機(jī)呈關(guān)閉狀態(tài)時，破損處的通道因扳機(jī)關(guān)閉，管道內(nèi)部氣壓與破損口呈正壓，潤滑油無法浸入吹塵槍內(nèi)部，故不會在吹塵內(nèi)部管道中出現(xiàn)堆積，打開扳機(jī)后也不會出現(xiàn)明顯可見的油斑。

(3)開啟扳機(jī)后，吹塵槍管道通過高速氣流后，破損口呈現(xiàn)負(fù)壓出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，將潤滑油吸入管道。

4.2.2 潤滑油分散

圖6為吹塵槍扳機(jī)處潤滑油在槍內(nèi)的軌跡示意圖。

圖6 油污分散示意圖

(1)在高速氣流離開吹塵槍口時，出現(xiàn)橫截面急劇增大，潤滑油和壓縮空氣迅速擴(kuò)張、分散，出現(xiàn)了空氣噴涂的霧化現(xiàn)象，使?jié)櫥妥兂晌⒁旱坞S壓縮空氣被噴涂在工件上。

(2)由于扳機(jī)處添加的潤滑油不多，被虹吸進(jìn)入噴槍的潤滑油呈斷續(xù)狀，且因槍口管徑大，霧化效果較差，出現(xiàn)了零星分布情況。

4.2.3 多孔膜層難以清洗徹底

圖7為吹塵槍噴出的霧狀油污污染工件表面及清潔后的示意圖。

圖7 鋁合金陽極氧化膜層清潔過程示意圖

(1)工件的表面處理為陽極氧化，其轉(zhuǎn)化膜層為多孔膜層，膜層厚度通常為10μm左右，微液滴進(jìn)入膜層的孔洞后，擦拭清洗效果較差。

(2)經(jīng)過丙酮類強(qiáng)溶劑的浸泡，可基本洗凈轉(zhuǎn)化膜層中的潤滑油，但由于丙酮對油脂主要表現(xiàn)出溶解作用，分散在丙酮中的油脂，隨丙酮的揮發(fā)會重新附著在工件表面，一旦丙酮中溶解的油脂達(dá)到一定量后，就會對絲網(wǎng)印刷字符案附著力造成影響，且丙酮危險性較大，不適合大量浸泡清洗，乙醇因其溶解效果較差，故清洗效果也相對偏差。

4.3 解決措施及改進(jìn)方案

4.3.1 現(xiàn)場處理措施

(1)已加工殼體全數(shù)檢測附著力，出現(xiàn)脫落的全部返工。

(2)協(xié)作單位定期更換吹塵槍，避免在使用中添加潤滑油。

(3)協(xié)作單位完成整改后，按每批次100件的數(shù)量加工，附著力全數(shù)檢測，連續(xù)3個批次，無脫落現(xiàn)象后，恢復(fù)正常生產(chǎn)，但前5批次需加大附著力測試抽樣量，無異常后檢驗(yàn)數(shù)量才能恢復(fù)正常。

4.3.2 改進(jìn)措施

(1)定期檢測壓縮空氣中的油水含量，特別是含油量，按GB13277-91《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級》附錄A1中噴漆對油分的要求進(jìn)行控制。

(2)制定管理措施，定期對協(xié)作單位進(jìn)行巡查，巡查人員主要由工藝技術(shù)人員和質(zhì)量管理人員組成。

5 結(jié)論

(1)鋁合金表面經(jīng)過陽極氧化后，形成多孔氧化層，為后期的著色、油墨、涂料等提供較好的附著基底，但表面被油脂污染時，油脂會滲透進(jìn)多孔層，且不易清洗干凈，故在氧化加工完成后，需保持潔凈。

(2)表面處理對壓縮空氣的潔凈度要求較高，尤其是其中的油分，需要注意控制。

(3)協(xié)作單位的加工過程監(jiān)控需要加強(qiáng)，尤其是特種工藝，其監(jiān)控范圍應(yīng)包括可能對后期加工造成影響的所有因素。