鎂合金電解拋光工藝

尹樹明*，宗朔通，劉龍飛

（沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

鎂合金的擠壓、軋制及沖壓成形等生產(chǎn)工藝要以鎂合金的微觀變形理論為指導(dǎo)。由于多數(shù)鎂合金是密排六方的晶體結(jié)構(gòu)，室溫變形能力有限，在一定程度上限制了鎂合金的應(yīng)用，因而各國(guó)學(xué)者和業(yè)界高度關(guān)注鎂合金變形機(jī)制的研究，鎂合金的織構(gòu)控制、塑性成形及強(qiáng)韌化處理是近年來(lái)鎂合金領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)是研究這些課題非常有效的技術(shù)手段[1-5]。但EBSD樣品要求樣品表面光滑、平整、無(wú)殘余應(yīng)力，以便獲得較高的解析率。EBSD樣品的制備較為困難，機(jī)械拋光很難達(dá)到理想效果，通常需要進(jìn)行電解拋光處理。目前，比較理想的鎂合金電解拋光液是丹麥生產(chǎn)的AC2拋光液，但價(jià)格過于昂貴，且國(guó)內(nèi)的銷售公司很少，難以獲得[6]。加拿大學(xué)者L. W.F. Mackenzie等[7]使用體積分?jǐn)?shù)為30%的硝酸乙醇溶液在-30 °C下對(duì)鎂合金進(jìn)行電解拋光。德國(guó)學(xué)者 T.Al-Samman等[8]使用 3∶5的磷酸-乙醇溶液進(jìn)行電解拋光。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者使用液氮或干冰作冷卻劑，用高氯酸乙醇溶液在-35 °C下進(jìn)行電解拋光[9]。許多研究人員嘗試用現(xiàn)有的各種拋光液進(jìn)行電解拋光，但實(shí)踐表明，除AC2以外，文獻(xiàn)上可查到的相關(guān)拋光液配方在實(shí)際操作過程中的拋光效果并不理想。因而很多鎂合金研究人員希望能開發(fā)廉價(jià)高效的鎂合金拋光液，以解決制備EBSD樣品的難題。本文主要目的有二：其一，明確拋光液的配方并優(yōu)化拋光工藝，為從事鎂合金基礎(chǔ)研究的同仁提供可靠的樣品處理工藝，進(jìn)而獲得高質(zhì)量的EBSD樣品；其二，提高拋光液的使用溫度，在0 °C下電解拋光，這樣就可以用冰水混合物作為恒溫水浴，降低成本，使溫度控制更穩(wěn)定，便于在生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 電解拋光

實(shí)驗(yàn)材料為AZ31鎂合金擠壓棒材(32 mm × 10 mm ×6 mm)樣品，陰極為直徑75 mm、高105 mm的圓筒狀金屬鈦。拋光液為高氯酸-無(wú)水乙醇溶液，高氯酸的體積分?jǐn)?shù)為5% ～ 15%，拋光電壓為5 ～ 15 V，溫度為0 °C，時(shí)間為5 min。采用冰水混合物作為恒溫水浴，并用溫度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)溫。

1. 2 性能表征

樣品的失重情況用德國(guó)賽多利斯BAS224S分析天平進(jìn)行測(cè)量，失重率為拋光前后樣品的質(zhì)量差與表面積之比(單位為mg/cm2)。根據(jù)拋光時(shí)的穩(wěn)定電流和樣品浸入拋光液的表面積，計(jì)算拋光過程的樣品表面電流密度，單位為 A/dm2。拋光處理樣品表面的光亮度用 ETF-05A型表面反射率測(cè)試儀(臺(tái)灣斯特儀器設(shè)備有限公司)測(cè)量拋光表面反光率來(lái)衡量。為直觀反映拋光后樣品的表面質(zhì)量，直接比較小平面鏡和拋光樣品表面對(duì)同一物體成像的清晰度。

2 結(jié)果與討論

2. 1 電解液中高氯酸含量對(duì)拋光效果的影響

高氯酸是強(qiáng)電解質(zhì)，在拋光過程中主要起導(dǎo)電作用，能促使陽(yáng)極較快地溶解。高氯酸含量低時(shí)，高氯酸根離子的氧化性弱，與金屬反應(yīng)一般只體現(xiàn)酸性；隨高氯酸含量升高，其氧化性增強(qiáng)，這一點(diǎn)與硫酸相似[10]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高氯酸含量低時(shí)，拋光過程中樣品表面的氣泡小而均勻，拋光速率低，光亮度差；含量高時(shí)，樣品表面電解拋光和氧化同時(shí)進(jìn)行，反應(yīng)較劇烈，氣泡大，拋光速率較高，因而拋光樣品的表面較粗糙，光亮度也不好。在拋光電壓7 V的條件下，采用高氯酸體積分?jǐn)?shù)不同的電解液對(duì)鎂合金 AZ31進(jìn)行電解拋光，測(cè)定拋光過程的電流密度以及試樣的失重率和反光率，結(jié)果見圖1。

圖1 電解液中高氯酸含量對(duì)拋光效果的影響Figure 1 Effect of perchloric acid content in electrolyte on polishing effectiveness

圖1a表明電流密度和失重呈正相關(guān)。當(dāng)高氯酸體積分?jǐn)?shù)小于 8%時(shí)，電解液中的 H+有限。隨著高氯酸含量增大，電解液中的H+數(shù)量增加，酸性增強(qiáng)，電流密度和失重率增大。繼續(xù)增大高氯酸的體積分?jǐn)?shù)，其黏性引起的阻化作用越來(lái)越明顯，陽(yáng)極附近的離子擴(kuò)散速率降低，但此時(shí)高氯酸的氧化性還不夠強(qiáng)，從而使陽(yáng)極溶解速率和電流密度均降低。高氯酸體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，電流密度僅為2.465 0 A/dm2，樣品失重為1.752 4 mg/cm2。高氯酸含量高于10%時(shí)，其氧化性逐漸增強(qiáng)，陽(yáng)極表面的溫度升高，陽(yáng)極溶解速率和電流密度隨之增大。

圖1b表明在一定濃度范圍內(nèi)，樣品的反光率與電流密度呈負(fù)相關(guān)。高氯酸體積分?jǐn)?shù)為 10%時(shí)，拋光的樣品表面如鏡面般明亮，反光率最好(＞ 90%)。將拋光后的樣品放在小平面鏡上，并將帶有文字圖案的鋼筆放于其上，觀察樣品及平面鏡中文字的像，結(jié)果見圖2，圖中B為A的放大圖。結(jié)合圖1和圖2可知，高氯酸體積分?jǐn)?shù)為 10%時(shí)，拋光樣品基本達(dá)到了鏡面效果，對(duì)應(yīng)的電流密度和失重率最低，拋光效果最好；當(dāng)高氯酸的體積分?jǐn)?shù)為12% ～ 15%時(shí)，隨高氯酸的體積分?jǐn)?shù)增大，電流密度和失重率增大，光亮度下降，拋光樣品的光亮度一般在 80%以上；高氯酸的體積分?jǐn)?shù)大于 15%時(shí)，拋光樣品表面發(fā)黑，被嚴(yán)重氧化。因此，電解拋光液中高氯酸的最佳體積分?jǐn)?shù)為10%。

圖2 電解液中高氯酸含量不同時(shí)拋光樣品的表面質(zhì)量Figure 2 Surface quality of the samples polished with different concentrations of perchloric acid

2. 2 拋光電壓對(duì)拋光效果的影響

電解液中高氯酸的體積分?jǐn)?shù)為 10%時(shí)，拋光電壓對(duì)拋光效果的影響見圖3和圖4。

圖3 拋光電壓對(duì)拋光效果的影響Figure 3 Effect of polishing voltage on polishing effectiveness

圖4 拋光電壓不同時(shí)拋光樣品的表面質(zhì)量Figure 4 Surface quality of the samples polished at different voltages

圖 3表明，電流密度與樣品失重呈正相關(guān)，而與光亮度呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)拋光電壓小于5 V時(shí)，電場(chǎng)對(duì)樣品的保護(hù)作用小于電解液對(duì)樣品的腐蝕，會(huì)出現(xiàn)類似于過腐蝕的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)樣品表面出現(xiàn)麻點(diǎn)和若干小黑點(diǎn)。當(dāng)拋光電壓為5 ～ 9 V時(shí)，電解拋光的效果較好，試樣表面的光亮度較高。拋光電壓為 7 V時(shí)，電流密度和失重最小，光亮度最高，此時(shí)的拋光效果最好。當(dāng)拋光電壓大于9 V時(shí)，電流密度和失重快速上升，光亮度快速下降。造成這種現(xiàn)象的原因是：電壓的增大導(dǎo)致拋光電流變大，靠近樣品表面區(qū)域的焦耳熱使電解拋光液溫度隨之迅速上升，拋光液溫度過高時(shí)高氯酸的氧化性也迅速增強(qiáng)，樣品表面容易被氧化，發(fā)灰甚至變黑，所以實(shí)驗(yàn)只做到12 V。若進(jìn)一步加大拋光電壓，氧化更為嚴(yán)重，難以獲得高質(zhì)量的表面。綜上所述，適宜的拋光電壓為6 ～ 8 V，7 V時(shí)尤佳。

2. 3 拋光樣品保存和電解液維護(hù)

拋光后的EBSD樣品應(yīng)先用酒精沖洗干凈，再用電吹風(fēng)的冷風(fēng)沿斜下方吹向樣品表面，不要晃動(dòng)電吹風(fēng)，以保證酒精從樣品表面的上部到下部逐漸被吹干，否則樣品表面易出現(xiàn)水漬。最好將EBSD樣品置于干燥器中保存，防止表面因被污染或與空氣中的水蒸氣接觸而氧化，以獲得對(duì)菊池衍射花樣的較高解析率。EBSD樣品在干燥空氣中放置3個(gè)月后，其反光率和外觀均未發(fā)生明顯變化。

拋光液可多次重復(fù)使用，用畢直接倒回空的酒精瓶里。由于一般的 EBSD樣品較小，因而即使電解拋光處理幾十個(gè)樣品，也不需要對(duì)拋光液進(jìn)行特殊的維護(hù)。但當(dāng)處理的樣品數(shù)超過100個(gè)(平均表面積為4 ～6 dm2)時(shí)，電解液中的高氯酸含量會(huì)降低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充少量高氯酸和無(wú)水乙醇。處理的樣品過多致使拋光液被污染時(shí)，也可重新配制拋光液。電解液的成本極其低廉，配制500 mL電解液僅需20元左右。因此，在某種程度上可以不用考慮鎂合金電解拋光液的維護(hù)成本問題。

3 結(jié)論

采用高氯酸-乙醇溶液對(duì)鎂合金AZ31進(jìn)行電解拋光的最佳工藝為：高氯酸10%，乙醇90%，拋光電壓7 V(電流密度2.465 mg/cm2)，拋光溫度0 °C，拋光時(shí)間 5 min。采用最佳工藝時(shí)，拋光樣品的反光率可達(dá)91%。本體系的拋光溫度為 0 °C，可用冰水混合物作為恒溫水浴，成本較低，便于在生產(chǎn)中應(yīng)用和推廣。

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