2007.09.29 Několik poznámek z prvních experimentů s galvanickým rytím mosazi, zejména co bylo špatně a co nefunguje

Galvanické leptání mědi a mosazi elektrickým proudem je zajímavé zejména z toho důvodu, že při něm nevzniká žádný chemický odpad. Je proto levnější a vhodnější pro zpracovávání velkých ploch a objemů kovu v domácích podmínkách, než leptání chloridem železitým FeCl3 nebo thiosíranem sodným, běžné v elektrotechnice při výrobě plošných spojů. Tato technologie leptání elektrickým proudem pochází z první poloviny 19.století, byla patentována v Anglii někdy kolem roku 1840.

V přírodě se u nás mosaz vyskytuje především v prodejnách hutního materiálu a ve stavebních supermarketech, a to ve dvou formách, česká CuZn39Pb3 a německá CuZn40Pb2. Ta první rasa se hodí hlavně pro obrábění s možností kování a lisování, ta druhá je určena především pro kování a lisování s možností obrábění.

Povrch materiálu

Pokud chceme hladký povrch reliéfu, tak před nanesením krycího resistu je vhodné materiál přebrousit (válcovaná tyčovina má poměrně hluboké rýhy), plechy přeleštit. Při pomalém leptání i z volných ploch leptaného povrchu totiž rýhy mizí jen velmi neochotně, prohlubují se a postupují i s povrchem. Výrazně to také jednodušuje jakékoliv finální úpravy při dokončování. Odmaštění je samozřejmost, stačí mycí prostředek na nádobí.

Pokrytí resistem

Jako resist se mi neosvědčily poměrně tenké barvy, jako třeba lihový lak (lihová fixa pro popis CD/DVD). Celkový výsledek je podstatně horší než při ručním kreslení plošných spojů na měd´, protože na rozdíl od chemického leptání mědi, čím vyšší napětí tím lépe umožnuje iontům "projit" tenkou vrstvou barvy, z takto vzniklé dutiny odnášené ionty kovu s sebou strhnou pak i částečky resistu a výsledek je narušený povrch s dutinami ("bubliny" v kovu). Tenhle efekt zřejmě vzdáleně souvisí se závislostí výsledné barvy při anodické oxidací titanu, při kterém je barva přímo určena napětím které ovlivní tlouštku oxidační vrstvy do hloubky kovu.
Pro příští experimenty s přímým kreslením resistu na kov použiji modelářské akrylové barvy a slupovací latexové barvy window art.
Pro detailní a jemné kresby z počítače, tepelné nanášení toneru z laserové tiskárny u mě nejspíš nebude fungovat, moje barevná minolta je přiliš pokročilá technologie a černý toner je na papíře zanedbatelně tenký, nelze ho žehlit. Nanejvýš to zkusím s barevným.
Ve finálním provedení budu používat fotoresist POSITIV20 ve sprayi jako pro výrobu plošných spojů s hydroxidovým vyvoláváním, ale momentálně mám porouchanou ultrafialovou osvitovou jednotku, takže až to všechno zase spravím, respektive postavím nové zapalování zářivek a timer. Bohužel ani transparentní fólie do laseru nejsou zrovna k sehnání touhle dobou, na rozdíl od běžných inkoustových folií ty laserové musí mít tepelnou odolnost 250C. Fotoresist mají běžně v GME nebo v GES.

Elektrolyt

Základní myšlenka, převzatá ze steampunk workshop. Vzhledem k 58% obsahu mědi je pro mosaz vhodný nasycený roztok CuSO4, modrá skalice. Běžně v drogeriích které se stále ještě ani ve věku globálního terorismu nezdráhají prodávat chemikálie. Destilovaná voda, protože v té vodovodní je chlór, železo a všelijaké nerozpustné soli které by se mohly ukládat nebo reagovat na zpracovávaném kovu.
Protože mosaz je slitina převážně mědi a zinku, a na katodě se zjevně vylučuje pouze čistá měd', zůstává otázkou co se děje se 40% zinkem. Zřejmě časem vytvoří v elektrolytu nějakou usazeninu, nejspíš oxid a síran. Možná by bylo zajímavé zkusit k vyloučení zinku z roztoku použít druhou katodu zinkovou, přídat síran zinečnatý a experimentovat s jiným záporným napětím na zinkové katodě (slušné laboratorní zdroje plavou a proto se dají zapojovat všelijak zajímavým způsobem, takže spojit plusy dvou zdrojů k anodě). Ty dvě tři procenta olova ovšem znamenají, že elektrolyt by neměl přijít do běžného odpadu.

Uspořádání elektrod

Vertikální uspořádání elektrod které používá Hieronymus Isambard von Slatt zvaný Jake není ideální. Z jeho fotografií je patrné, že leptání probíhá značně nerovnoměrně, domnívám se že z důvodů nerovnoměrné vertikální hustoty elektrolytu. U původně nasyceného roztoku CuSO4 v lahvi je totiž po chvíli stání i barevně vizuálně patrné, že dole je hustota vyšší než nahoře. Vyšší hustota ovšem znamená vyšší vodivost a tím i vyšší místní úbytek kovu na anodě, což je konzistentní s defekty patrnými na Jakových fotografiích. Bylo by tedy nezbytné zejména při dělších časech roztok míchat a to zdola nahoru, což je dost komplikované (akvarijní čerpadlo? jeho odolnost...).

Namísto toho jsem tedy pro první experimenty zvolil horizontální uspořádání elektrod v mělké skleněné misce, které jsem používal už před třicetí lety na fotografickou chemii. (Není to stylové, používat 100 let staré chemické nádobí po pradědečcích na technologii z 19. století?) Katodu tvoří pásková měd' běžně dostupná v obchodech s elektrikářským materiálem, používá se k uzemnění kovového potrubí. Anodou je leptaný mosazný materiál. Poznámka pro analfabety, kteří nikdy neluštili ani křížovku: Katoda se připojí k zápornému pólu zdroje, anoda ke kladnému.

Abych obě elektrody mechanicky oddělil jako ochranu před zkratem, položil jsem mezi ně vatový polštářek, a pak jestě několik. Měly zamezit případnému zkratu, když se materiál poruší, oddělí, dotkne. Laboratorní zdroj by sice se zkratem neměl problémy, ale Jake zmínil jak nebyl daleko od požáru při použití akumulátorových baterií a já chci pro "průmyslovější" verzi použít starý počítačový zdroj, a ten by jistě umřel. Výhodou tohoto uspořádání s polštářkem je, že elektrody mohou být rovnoběžně planárně velmi blízko sebe, vzdálenost asi 5 mm při plochách do 10 cm2. Nacucaný polštářek sice zprvu nebrání průchodu iontů, tak jak jsem si původně představoval. ale...
Když dojde vlivem proudu k rozkladu soli na měd' a síranové ionty, ty se chovají stejně jako kyselina sírová a rozkládají celulózu z vaty, která uhelnatí. Přitom se uvolnují výpary s octovým zápachem, asi nejspíš kyselina octová. Mimo jiné to znamená, že zatímco modrá skalice jako roztok je poměrně neškodný a zahradnický, tento elektrolyt pod proudem se chová jako žíravina. Proto pozor stejně jako s žíravinami a zásadně rukavice, pokud chceme vůbec sahat do roztoku pod proudem a nejspíš i nějakou chvíli po vypnutí.

Další efekt s polštářkem byl poměrně synergický: čerstvý uhlík v zuhelnatělých částech vaty redukuje měd' z roztoku dříve než tato dorazí ke katodě, kde se má vylučovat. Takže vznikají krystalizační jádra kovu uvnitř vaty a takto vzniklá měděná houba postupně zkratuje obě elektrody. Takže feature, která měla původně zkratu zabránit ho s jistotou způsobí.
Možné řešení: použít chemicky neutrální prosakující materiál, například tkaninu ze skelných vláken, nebo uspořádat jinak mechanicky uchycení materiálu anody, což ovšem zkomplikuje potřebnou přesnost geometrického uspořádání, vzdálenost ploch i jejich rovnoběžnost, která je poměrně klíčová s ohledem na rovnoměrnost proudové hustoty.

Proud a napětí

Pro první pokus se ukázal být instrumentálním kvalitní laboratorní zdroj 30V/5A s možností nezávislého nastavení napětí i konstantního proudu a přinesl tyto poznatky:
Příliš malé napětí (méně než 2V) vytváří na mosazi hnědou oxidační vrstvu (oxid mědi), ta způsobuje nerovnoměrné odleptání velkých ploch (velkých == řádově cm čtvereční), zřejmě trochu brání průchodu proudu. To může být zajímavé z estetického hlediska protože na velkých plochách se tvoří všelijaké plastické terénní mapy. Zvýšením napětí oxidační vrstva zase zmizí. Nerovnosti povrchu ovšem už zůstanou, prohlubují se podobně jako zmíněné rýhy.
Příliš velké napětí (16, 20, 25V) zase narušuje nedostatečně provedenou resistovou vrstvu, jak jsem už zmínil, a to čím víc tím víc. Ideální pro mosaz se ukázalo napětí mezi 5-8V. Od ted' tedy používám 6.5V pro hutní válcovanou tyčovou mosaz.

Proud se mi zdá nejpraktičtější někde mezi 2.5A-3A při ploše asi 8-10 cm čtverečních. Malé proudy jsou příliš "pomalé", větší proudy pak vyvolávají bublinky (vodík?) a roztok se zahřívá, což při malém objemu v misce může být problém. Při jiných velikostech volných ploch bude přirozeně adekvátní propočítat proudovou hustotu, zhruba tedy asi 0.25A na cm čtvereční.
Pokud jsou proudy příliš velké s ohledem na váš zdroj, můžete elektrolyt zředit, jeho vodivost tak klesne, ale prodlouží se tím doba leptání.

Podleptávání krajů není až takový problém jako při chemickém postupu, protože proudová hustota v lokálních objemech závisí více na geometrickém uspořádání elektrod. Přesto však větší proud více přispívá k zaoblení hran a krajů a může způsobit i podleptání, zředění elektrolytu rovněž toto riziko omezí.

Celkový dojem

Je to slušně použitelná technologie i v minimálních podmínkách a zkusím ji rozvíjet, první celkem neškodný a nenáročný projekt je kompletní sada mosazných reliéfních runových kamenů FUTHARK, něco ve stylu Ultima Underworld/Labyrinth Of Worlds. Původně jsem je chtěl vyrobit obráběním na fréze, ale tahle technika je natolik jednoduchá, že by mohla být dostupná i ve starověku. Kdoví...

obrázek zatím nic, až to udělám trochu líp

Značný kredit na tomto článku má [exa], který mě jako první poukázal na Steampunk workshop což přispělo k mému zaujetí pro tuto technologii.
Nějaké další relevantní odkazy jsou:
Gaslamp fantasy
Etching without acid
cabinet of curiosities: techniques