碳鋼復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的化學(xué)拋光方法與試驗(yàn)

朱明方東

摘要：目前，中碳鋼和低碳鋼制造的各種復(fù)雜零件在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，但手工或機(jī)械去毛刺、除銹和拋光存在諸多缺點(diǎn)，如質(zhì)量差、效率低、工作環(huán)境惡劣、存在安全隱患等。文章提出采用化學(xué)反應(yīng)原理，如置換反應(yīng)、氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)等對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳鋼零件進(jìn)行去毛刺、拋光和除銹的一體化綜合加工，以汽車濾油器底座為例，探究了合理的工藝流程，分析了新工藝在其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的普適性，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論：與傳統(tǒng)機(jī)械拋光技術(shù)相比，新工藝的效率是傳統(tǒng)機(jī)械工藝的130倍，產(chǎn)品外觀質(zhì)量明顯改善，表面粗糙度降低2級，光亮度提高3級，毛刺去除干凈徹底，單件綜合成本有所降低。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)；碳鋼零件；拋光方法

一、新工藝的特色

與傳統(tǒng)的機(jī)械拋光技術(shù)相比，化學(xué)拋光具有新穎性、先進(jìn)性和實(shí)用性。

（一）新穎性

1. 工作原理

化學(xué)拋光、去毛刺是讓金屬在特定條件下發(fā)生化學(xué)侵蝕，即金屬材料表面在拋光液中發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)。在拋光溶液中，金屬微觀表面形成不均勻的鈍化膜，這種不均勻?qū)е挛⒂^表面的溶解速度不一致，凸出部分因鈍化膜更厚，其溶解速度大于凹陷處的溶解速度，由此加工表面逐步平整，從而使金屬表面變得平滑、光亮[1]。

2. 拋光劑

化學(xué)拋光摒棄了傳統(tǒng)的硝酸、硫酸等強(qiáng)酸，以及鉻酸、重鉻酸鉀等含重金屬離子的拋光液，其采用的新型拋光劑的成分隨拋光工件材料的不同而改變，常為配比合理的腐蝕劑、氧化劑、分散劑組成的混合液，無毒無害且安全環(huán)保。經(jīng)過查新未見同類拋光劑配方及組分。新型拋光劑在使用過程中發(fā)生消耗后，只需添加適當(dāng)?shù)膭┝浚ＷC合理的拋光效率即可。同時(shí)，使用過程中會有適量的氫氣、水蒸氣排放，不會造成環(huán)境污染。工作現(xiàn)場可適當(dāng)進(jìn)行通風(fēng)或抽風(fēng)，以免氫氣濃度過大造成安全隱患。

3. 設(shè)施

傳統(tǒng)機(jī)械拋光的工序多、設(shè)備復(fù)雜且龐大，而化學(xué)拋光只需拋光槽和清洗槽。

（二）先進(jìn)性

手工或機(jī)械去毛刺、除銹、拋光存在諸多缺點(diǎn)，如效率低、勞動強(qiáng)度大、工序多而復(fù)雜；產(chǎn)品質(zhì)量差，毛刺去除不徹底，深孔、窄縫等工具不能到達(dá)的部位無法去毛刺；切削力較大，對剛性較差的薄壁、細(xì)長桿件會造成工件變形或者損壞；工作環(huán)境差，粉塵多，存在粉塵爆炸隱患；高速回轉(zhuǎn)機(jī)械（工具）存在工傷隱患，且使用成本較高。

與機(jī)械拋光相比，化學(xué)拋光有許多優(yōu)點(diǎn)。

第一，化學(xué)拋光重在配方，實(shí)際操作簡便、快捷，成本低，且無需電源，可隨時(shí)隨地對工件進(jìn)行拋光處理。

第二，化學(xué)拋光沒有切削力，發(fā)熱也少，拋光后的工件不會變形和翹曲，表面無變形層、燒傷層，特別適合低剛度零件和復(fù)雜零件。

第三，化學(xué)拋光設(shè)施簡單，不需高速回轉(zhuǎn)機(jī)械，沒有噪聲，沒有揚(yáng)塵。

第四，化學(xué)拋光有較好的拋光效果，且提高了零件的內(nèi)在質(zhì)量，工件無機(jī)械劃痕，表面粗糙度降低，工件外觀十分平坦、光亮。更重要的是，微觀形貌由機(jī)械方式的尖峰狀變?yōu)榈屯莼?，顯著改善了機(jī)械性能，提高了工件的耐磨性、抗腐蝕能力和抗疲勞強(qiáng)度。

第五，化學(xué)拋光的效率高，零件與拋光劑接觸的內(nèi)外表面、溝槽、棱邊、內(nèi)孔等都能得到拋光，可大面積、多個(gè)表面或多件拋光，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。大型拋光槽一次可以容納數(shù)百件工件，效率極高。

（三）實(shí)用性

化學(xué)拋光的諸多優(yōu)點(diǎn)賦予了其良好的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景?；瘜W(xué)拋光可用于表面粗糙度小的金屬制品的終加工，獲得較低的粗糙度、較好的平滑度和光亮度。目前主要運(yùn)用于醫(yī)療器械、石油及化工、食品器械、五金加工、紡織機(jī)械、電子、汽車、航空航天、通信等行業(yè)的各類零件，如反射鏡、不銹鋼餐具、不銹鋼管件、裝飾品、注射針、彈簧、葉片等，可拋光的材料有：碳鋼、鋁及其合金、銅及其合金、不銹鋼、鎳及其合金、鈦合金、鉻鎳合金等，還可用于某些模具（如膠木模具和玻璃模具等）和金相磨片的拋光。

化學(xué)拋光還可去油污、防銹、清洗，用作鍍前表面處理，使鍍層獲得良好的結(jié)合力，提高工件的光亮度、整平性和抗蝕性等。

二、試驗(yàn)效果及分析

碳鋼是工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用最為廣泛的金屬材料， 特別是中碳鋼和低碳鋼占金屬材料的75%以上。中低碳鋼加工性能好、來源廣泛、成本低廉，制成的零部件花樣繁多、品種和規(guī)格各異。但機(jī)械加工的零件容易留下毛刺，表面較為粗糙，放置久了還會生銹。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種造成機(jī)械零件失效的因素中，由毛刺造成的失效占總數(shù)的16%。所以為了達(dá)到零件的要求，傳統(tǒng)的機(jī)械加工過程中常常會安排手工去毛刺、機(jī)械拋光或除銹專門工序。文章以汽車濾油器底座為例進(jìn)行對比試驗(yàn)。

（一）外觀對比

從圖1可知，化學(xué)拋光后的零件在光亮度、光滑度方面有十分明顯的改善。汽車濾油器底座上的六個(gè)小孔若有較深的毛刺，長期流經(jīng)的潤滑油可能會使毛刺脫落進(jìn)入潤滑部位，如凸輪面、活塞銷、曲軸軸頸等部位，造成配合面的機(jī)械拉傷；中心螺紋孔若有較深的毛刺，在安裝濾油器時(shí)毛刺也可能脫落進(jìn)入潤滑油里，造成機(jī)械拉傷。

（二）孔口、孔壁毛刺對比

從圖2可發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)化學(xué)拋光的零件在孔口邊緣和孔壁存在較深的毛刺或飛邊；經(jīng)過化學(xué)拋光后，孔口邊緣和孔壁的毛刺或飛邊明顯減少或變短。

（三）表面粗糙度實(shí)測對比

用粗糙度儀對10個(gè)汽車濾油器底座化學(xué)拋光前后的粗糙度進(jìn)行測量，結(jié)果如表1所示。

按照粗糙度等級規(guī)定，Ra從3.2μm降低到0.8μm，粗糙度降低兩級。10個(gè)汽車濾油器底座的粗糙度平均值從3.18μm降低到0.77μm，粗糙度降低2級，光滑度提高了2級。

（四）光亮度對比

將汽車濾油器底座實(shí)物圖樣與表2進(jìn)行對比，零件拋光前的光亮度為1級，化學(xué)拋光后的光亮度約為4級，可見零件經(jīng)過化學(xué)拋光后光亮度可以提高約3級。

（五）效率分析與對比

以100件汽車濾油器底座為參考，分別采用機(jī)械拋光和化學(xué)拋光進(jìn)行同等效果對比試驗(yàn)，得出以下數(shù)據(jù)：

1. 機(jī)械拋光

由于零件上下表面不平整，上下表面采用砂帶葉輪、聚氨酯發(fā)泡柔性砂輪分兩次拋光需要約2分30秒，六個(gè)孔采用窄砂帶穿入手工拋光需要約3分鐘，中心螺紋孔采用砂帶拋光約1分鐘，故單個(gè)零件拋光需要約6分30秒，即390秒。且零件整體拋光質(zhì)量不一致，光亮度也不一致。

2. 化學(xué)拋光

單個(gè)零件拋光時(shí)間為8秒，清洗時(shí)間為10秒。采用合理設(shè)計(jì)的治具（掛具），100件同時(shí)拋光的時(shí)間為8秒，清洗時(shí)間為10秒，100件排放到掛具上約3分鐘，拋光液調(diào)配等其他準(zhǔn)備時(shí)間約1分42秒，故化學(xué)拋光100件的總時(shí)間為5分鐘，平均下來單個(gè)零件的拋光時(shí)間為3秒。

由此可見，化學(xué)拋光的效率是機(jī)械拋光的130倍。

（六）成本比較

根據(jù)前述的效率對比，以單班滿負(fù)荷8小時(shí)工作計(jì)算，汽車濾油器底座拋光的成本核算如下。

采用機(jī)械拋光，拋光零件數(shù)量為74件（8×60÷6.5≈74），工具、能源耗損約15元，人工成本為100元。所以，機(jī)械拋光單件成本為1.55元（100÷74+15÷74≈1.55）。

采用化學(xué)拋光，拋光零件數(shù)量為9600件（8×60×60÷3=9600），每個(gè)零件的化學(xué)拋光液耗損成本約0.1元，單件人工成本為0.01元（100÷9600≈0.01），所以，化學(xué)拋光單件成本為0.11元（0.1+0.01=0.11）。

由此可見，單個(gè)零件機(jī)械拋光成本約為化學(xué)拋光成本的14倍（1.55÷0.11≈14）。

（七）操作環(huán)境對比

如圖3所示，機(jī)械拋光的工作環(huán)境十分惡劣，粉塵多、噪聲大，即便配備工業(yè)吸塵器也不能夠徹底消除粉塵漂浮的現(xiàn)象，有粉塵爆炸隱患，工人容易患職業(yè)病，勞動強(qiáng)度大，且剛度較差的工件無法進(jìn)行機(jī)械拋光。

如圖4所示，化學(xué)拋光的工作環(huán)境較為干凈整潔，兩者形成鮮明的對比。

三、結(jié)語

通過一系列理論探究和試驗(yàn)驗(yàn)證，找到了適用于中碳鋼、低碳鋼的拋光劑配方和組分比例。經(jīng)過對比可知，化學(xué)拋光的效率是傳統(tǒng)機(jī)械拋光的130倍，零件外觀質(zhì)量明顯改善，表面粗糙度降低2級，光亮度提高3級，毛刺去除干凈徹底，單個(gè)零件化學(xué)拋光成本是機(jī)械拋光成本的1/14。

參考文獻(xiàn)

[1]梅錦波.鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光工藝技術(shù)的研究[D].湖南大學(xué)，2013.