現(xiàn)場金相檢測中電解拋光技術(shù)的應(yīng)用探索

閆立志 徐國強 許文龍 孫琳峰 崔玉霞

（中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

1 概述

傳統(tǒng)的機械拋光工藝會在拋光工件表面留下一層冷卻硬化的變形層和明顯的劃痕，嚴重影響拋光的效果。最重要的是傳統(tǒng)的機械拋光只能拋光表面形狀規(guī)則的工件，無法滿足工程中對復(fù)雜工件的拋光要求。

電解拋光技術(shù)起源于二十世紀初R.Winertia等人在鎳電化學(xué)拋光方面的第一個專利。隨后，法國人P.A.Jacquet在銅和鎳方面的研究將電解拋光技術(shù)推廣到工業(yè)化應(yīng)用。

圖1 304#不銹鋼的機械拋光顯微圖（30×）

圖2 304#不銹鋼的電解拋光顯微圖（50×）

目前，有關(guān)電解拋光的理論主要是薄膜理論：電解拋光時試件表面上會形成一層厚薄不均勻的粘性薄膜，此薄膜具有很大的電阻，會在很大程度上影響拋光電流的大小。人們針對電解拋光技術(shù)的作用機理已展開了大規(guī)模的研究工作，并在逐漸探索電解拋光技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用。目前，電解拋光技術(shù)已在金屬精加工、金相樣品制備以及裝飾行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、尤其在航空、航天領(lǐng)域得到不同程度的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機械拋光工藝顯然已經(jīng)無法滿足一些高精密儀器對零件表面拋光精度的要求。然而，電解拋光不僅可以消除殘余應(yīng)力，還可以優(yōu)化金屬的表面組織（電解拋光后工件表面的鐵和碳分布更加均勻），更重要的是它可以加工傳統(tǒng)的機械拋光所不能加工的曲面、錐面以及孔等工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

在實驗室條件下，傳統(tǒng)的機械拋光工藝和電解拋光工藝的效果圖分別如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，經(jīng)機械拋光后的工件表面，有縱橫錯亂的劃痕；而且，由于受力不均勻，導(dǎo)致劃痕深淺不一，很難靠機械打磨拋光消除劃痕，這樣拋光的質(zhì)量就無法保障。由圖2可以看出，經(jīng)電解拋光后的工件表面，金相組織分布均勻、規(guī)則，并且沒有明顯的劃痕。相比之下，電解拋光的優(yōu)越性也就不言而喻。

當(dāng)然電解拋光工藝也會帶來一些問題，比如拋光后廢液的處理問題，過度拋光造成對金屬表面的過度腐蝕問題等等，這些問題需要進一步的研究處理。

電解拋光工藝的拋光效果與工件材質(zhì)、電流密度大小以及電解液的溫度等參數(shù)密切相關(guān)，合理的控制這些工藝參數(shù)才能得到令人滿意的理想表面。為了改善工件表面的粗糙度，以便更好的檢測其金相組織，本文著重研究電流密度、電解液的溫度以及陰陽極間的距離對電解拋光效果的影響。

2 研究內(nèi)容及原理

圖3 工件表面削平原理圖

圖4 電解拋光原理圖

圖5 電解液流動裝置

圖6 工件位置設(shè)置示意圖

電解拋光是一種電化學(xué)溶解過程，以待拋光工件做陽極，不溶性金屬為陰極，把兩極同時浸入到電解槽中，當(dāng)兩者相距適當(dāng)?shù)木嚯x，并在適當(dāng)?shù)碾娏髅芏群蜏囟鹊臈l件下，通以直流電流，陽極會產(chǎn)生有選擇性的溶解，從而達到降低工件表面粗糙度的目的。

具體拋光過程如下：拋光前試樣的微觀不平整性如圖1、圖2所示，其拋光原理圖如圖3所示：

圖7 不銹鋼表面粗糙度隨電流密度變化曲線圖

圖8 不銹鋼單位時間粗糙度下降百分比

利用圖3所示的裝置對圖3所示表面凸凹不平的試樣進行電解拋光。根據(jù)薄膜理論，圖3中A點的薄膜厚度比B點較薄，這樣凸出部分的薄膜對電解液的擴散作用就較劇烈，加之該處的電解液厚度相對B點較薄，使得該處電阻值相對較小，故電流密度相對較大，這樣，A點就會被電解作用迅速溶解。而相對A點較低凹的B點，薄膜厚度較厚，其對電解液的擴散作用較弱，加之其對應(yīng)的電解液厚度較厚，使得相應(yīng)的電阻較大，故電解時的電流較小，導(dǎo)致其溶解速率相對A點較慢。經(jīng)過一定時間的電解拋光，就會使凸起部分逐漸變得相對平坦，待拋光工件表面就可以達到理想的拋光效果。

2.2 實驗主要內(nèi)容

根據(jù)電解拋光的原理，用表1所示材質(zhì)型號的工件做陽極，不溶性金屬為陰極（本實驗用耐腐蝕性較強的316LSST型號的不銹鋼作為陰極材料），采用國產(chǎn)通用金屬電解液，探索不同材質(zhì)的陽極材料在以下因素的作用下的電解拋光效果：

1）不同的電流密度；2）不同的陰陽極間距離；3）不同的電解液溫度。

3 實驗設(shè)計及相關(guān)過程

由于這三個因素之間相互影響，本實驗對影響電解拋光的主要影響因素采用控制變量的思想，探究各個因素對電解拋光的影響機理。

在電解拋光過程中，為了消除由于電流的改變而引起的電解液溫度的上升，本實驗采用在電解液周圍通以流動的0℃的冷水來維持電解液溫度的相對恒定；為了消除拋光過程中電解液濃度的變化對拋光效果的影響，本實驗采用如下圖4所示的電解液流動裝置，設(shè)置流入的新電解液和流出的舊電解液流速相等，來維持電解液濃度的相對恒定。

整個實驗過程主要分為以下三個部分：

3.1 拋光前處理

由于工件在制作、搬運過程中，表面難免染上油污。為了避免油污對電解拋光時工件導(dǎo)電能力的影響，拋光前需要對工件進行去油處理。

由于本實驗所用的陽極材料表面粗糙度過 大（Ra:2.8～3.5），為了縮短電解拋光時間，在電解拋光前對陽極材料做了人工打磨處理（處理后的Ra:1.0～2.0）。

3.2 電解拋光

電解拋光過程主要分為以下三個階段。

第一階段：探究不同電流密度對電解拋光效果的影響。通過設(shè)定不同的電流密度（電流密度為電流強度除以拋光工件表面積，由于拋光工件表面積是確定的，因此本文通過控制電流強度間接地控制電流密度。），每組拋光30分鐘，每隔5分鐘測量一次，得到拋光前后工件表面的粗糙度（每個工件選拋光區(qū)域的五個不同位置測量，并取平均值）的大小作為衡量電流密度對拋光效果的影響指標(biāo)，通過對比分析得到相應(yīng)的最佳拋光電流密度。

第二階段：在最佳電流密度的基礎(chǔ)上探索工件擺放位置的不同對拋光效果的影響機理。本實驗陰陽極之間總距離為97.44mm，分為10格，每格為9.744mm，本文中用位置n代表陽極表面距離陰極表面的距離n×9.744mm，如圖6所示。用第一階段得到的每種材料的最佳拋光電流，設(shè)置陽極的不同位置，通過測量拋光前后工件表面的粗糙度來確定最佳的陰陽極間距。

第三階段：在最佳電流和最佳擺放位置的基礎(chǔ)上探究溫度對電解拋光效果影響。定義不同溫度下單位時間粗糙度下降百分比:

其數(shù)值越大，代表拋光效果越好，出現(xiàn)負值表示拋光后粗糙度增大。

3.3 拋光后處理

剛拋光的工件表面溫度較高，如果直接暴露在空氣中，很容易被空氣中的氧氣及水蒸氣重新腐蝕而導(dǎo)致生銹，所以剛拋光過的工件表面要及時的做相應(yīng)處理，例如打油或者涂蠟等簡單措施，以確保工件在不被二次腐蝕的條件下冷卻至室溫。同時，電解拋光過程中在金屬表面所形成的氧化膜還可以有效防止金屬表面的再次腐蝕。

4 實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

4.1 實驗結(jié)果討論與分析

在電解拋光的實驗過程中發(fā)現(xiàn)，不銹鋼表面粗糙度隨電流密度變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)電流密度小于某一特定數(shù)值I1時，工件表面的粗糙度會隨著電流密度的增大而減小。但當(dāng)電流密度大于I1時，出現(xiàn)了隨著電流密度的增大和拋光時間延長，反而會造成工件表面粗糙度上升的現(xiàn)象。本文認為這是由于電流密度過大導(dǎo)致電解液對工件表面的過度腐蝕造成的。而當(dāng)電流密度繼續(xù)增大到I2 時，工件表面的粗粗度再次下降，這是電解液對工件表面的二次拋光的結(jié)果。

在實驗后期的數(shù)據(jù)分析處理過程中發(fā)現(xiàn)，不銹鋼材料的單位時間粗糙度下降百分比呈現(xiàn)如圖8所示的變化趨勢。由圖可知，在溫度低于T1的拋光條件下，拋光后工件表面的粗糙度大于拋光前工件表面的粗糙度。通過觀測有關(guān)試件此溫度下拋光后的表面金相組織，發(fā)現(xiàn)其表面出現(xiàn)了一層分布不均勻的致密薄膜。經(jīng)過查閱資料，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，本文認為，可能是由于此溫度相對較低，導(dǎo)致工件表面發(fā)生鈍化現(xiàn)象。由于鈍化膜在工件表面分布不均勻，導(dǎo)致形成鈍化膜的部位不能繼續(xù)被電解液腐蝕，而未形成鈍化膜的部位則繼續(xù)被電解液腐蝕，造成同一工件表面的不均勻腐蝕，最終導(dǎo)致工件表面粗糙度拋光后反而增大的現(xiàn)象。當(dāng)溫度高于T2時，由于溫度過高，電解液的活性較大，工件表面出現(xiàn)一定程度的過度腐蝕，導(dǎo)致單位時間粗糙度下降百分比呈現(xiàn)減小趨勢。

表1 不同型號的陽極材料

表2 不同材料的最佳拋光效果條件匯總表

4.2 實驗結(jié)果匯總

電解拋光的效果，受到各方面因素的相互影響。為了減小實驗量，本實驗做出了合理的假設(shè)，在忽略次要因素（如拋光前的人工處理時，工件表面粗糙度不一致，拋光過程中電解液濃度的變化以及陰極材料的不同對實驗結(jié)果的影響等）的影響的基礎(chǔ)上，對本實驗所要研究的主要因素進行著重研究。通過對大量實驗數(shù)據(jù)的整理和分析，根據(jù)不同條件下的粗糙度變化曲線，總結(jié)歸納出不同材料的最佳拋光工藝條件，匯總見表2所示。

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