不銹鋼表面拋光質(zhì)量的影響因素和改善措施

周光明

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司不銹冷軋廠，山西 太原030003）

不銹鋼材料易獲取，價格相對低廉，具有良好的可加工性、耐蝕性和裝飾性。據(jù)統(tǒng)計不銹鋼裝飾行業(yè)已經(jīng)占到整個不銹鋼深加工行業(yè)的50%，而不銹鋼應用在裝飾行業(yè)就需要對鋼板表面進行鏡面加工，以獲得成品鏡面8K不銹鋼。不銹鋼鏡面板對表面粗糙度和光澤度的要求非常高，其粗糙度值Ra要小于0.04μm，而60°表面光澤度值要大于550 Gu。

化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP）技術(shù)被認為是目前應用最廣泛的加工平面型無表面損傷層的超精密加工技術(shù)方式。CMP加工方式可以通過給拋光頭施加一定的壓力壓向拋光鋼板表面，高速旋轉(zhuǎn)的拋光頭對靜止的鋼板做拋光運動，由于拋光頭和鋼板中間存在的微米級拋光液研磨與腐蝕的共同作用，使被加工鋼板獲得光澤的表面[1-3]。

化學機械拋光過程中影響表面質(zhì)量的因素很多，要獲得無表面缺陷、光澤度高和粗糙度低的加工表面，就需要對拋光過程中易產(chǎn)生的表面缺陷和過程參數(shù)進行控制[4-5]。本文通過對生產(chǎn)實踐中拋光缺陷產(chǎn)生的原因進行分析，并通過技術(shù)改進解決和提升了拋光后的鋼板表面質(zhì)量。

1 影響不銹鋼拋光板表面質(zhì)量的因素

產(chǎn)生不銹鋼冷軋BA板拋光質(zhì)量差的主要原因為成品表面存在磨頭花和暗紋，表面光澤度不夠，表面粗糙度高等。這些缺陷使得產(chǎn)品表面無法達到不銹鋼拋光板8K標準，缺陷嚴重者甚至會直接產(chǎn)生廢品。缺陷的產(chǎn)生原因主要有拋光機的結(jié)構(gòu)布置、拋光工藝參數(shù)設置和拋光液成分等的影響。

1.1 拋光機的結(jié)構(gòu)布置

廠內(nèi)拋光機的基本組成如圖1所示，通過施加一定的拋光載荷，使加工鋼板被高速旋轉(zhuǎn)的多個拋光頭進行磨拋。拋光頭在磨拋中繞軸做旋轉(zhuǎn)運動，利用拋光液循環(huán)注入系統(tǒng)保證拋光頭接觸到的鋼板表面濕潤程度均勻。隨著拋光頭的高速旋轉(zhuǎn)，拋光液被帶入鋼板表面與拋光頭之間的磨拋區(qū)域，完成整個化學機械拋光過程。

圖1 CMP示意圖

整個拋光過程是拋光頭、拋光液和不銹鋼板在做磨拋相對運動，對各部分的平整度和穩(wěn)定性要求都非常高。在拋光頭對鋼板的拋光運動過程中，由于拋光液的潤滑作用有限，在高速旋轉(zhuǎn)的拋光頭摩擦鋼板表面過程中，拋光機平臺的不平整會使拋光頭和鋼板局部點無拋光液潤滑散熱而直接接觸，會產(chǎn)生拋光后鋼板表面的磨頭花，嚴重的會產(chǎn)生劃痕缺陷。除了對拋光平臺的平整度要求非常高以外，所使用拋光頭的材料類型也會影響磨后的鋼板表面質(zhì)量。

拋光頭根據(jù)柔軟程度來區(qū)分可以分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)拋光頭可以較好地保證工件表面的平面度，并且能夠提高拋光效率，但其對拋光平臺的平整度要求很高；軟質(zhì)拋光頭由于材料的緩沖作用能夠降低拋光頭對鋼板的摩擦硬作用力，從而可以獲得加工變質(zhì)層和表面粗糙度值都很小的拋光表面，并且對拋光平臺的平整度要求也相對低一些。

1.2 拋光機工藝參數(shù)設置

拋光過程中的拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光頭壓力、拋光液流量、拋光時間這四個因素是影響拋光成品表面的重要因子。拋光頭壓力的大小和所用的拋光頭材質(zhì)和被加工材料硬度有關。隨著拋光頭壓力的增大，拋光過程中機械作用增加，摩擦力增加，使化學拋光液的溫度和活性增加，去除率增加，表面粗糙度不斷下降。但過大的壓力會減小不銹鋼板與拋光頭間拋光液的傳輸速率，使拋光液起不到很好的散熱作用，并出現(xiàn)拋光劃痕和磨頭花等拋光缺陷。所以拋光過程中要根據(jù)拋光機使用的拋頭材料調(diào)整拋光壓力，增加拋光液注入速度，以提高拋光液的散熱和潤滑作用。

同樣，當拋光頭轉(zhuǎn)速過高時，暫時存儲在拋光頭與不銹鋼板間的拋光液的動能會加速增大，過大的離心力會使部分拋光液在研磨前被甩出，使化學作用相對減弱，使不銹鋼表面出現(xiàn)明顯的劃痕缺陷。在合適的拋光頭壓力、拋光頭轉(zhuǎn)速和拋光液流量下，根據(jù)不銹鋼原料表面的粗糙程度，通過延長拋光時間使表面粗糙度和光澤度得到提升。

1.3 拋光液成分

拋光液在拋光過程起到了潤滑的作用，也能夠降低不銹鋼表面的溫度，拋光不銹鋼8K使用較柔軟的拋光材料降低機械摩擦作用，通過拋光液中細微磨削顆粒與鋼板表面的粗糙凸起部分磨削來降低表面的粗糙程度。拋光液中磨削顆粒的目數(shù)會直接影響不銹鋼表面的粗糙程度，同時由于選擇的拋光頭材料在摩擦過程中產(chǎn)生損耗，循環(huán)使用的拋光液中存在的損耗雜質(zhì)會降低拋光液的潤滑作用，也會造成拋光劃痕等表面缺陷。

2 改善冷軋BA板拋光表面質(zhì)量的措施

根據(jù)廠區(qū)當前設備使用情況以及影響冷軋拋光BA板拋光質(zhì)量的因素，采取了以下改善措施。

2.1 拋光設備改進

拋光頭材料的選擇會直接影響拋光后的表面質(zhì)量，廠內(nèi)當前拋光機平臺主要由膠墊、膠板和機架組成，這種布置方式使不銹鋼板在平臺上的平整貼服度和穩(wěn)定性較差，使用拋光羊毛輪等較硬質(zhì)材料會使鋼板產(chǎn)生明顯的磨頭花和劃痕缺陷。在對拋光材料進行改進后使用中等硬度海綿和2 mm厚度極軟羊毛氈組合拋光，降低拋光對不銹鋼板表面的沖擊力，提高拋光液的降溫作用，解決了不銹鋼拋光后表面的拋光缺陷。

廠內(nèi)之前拋光鋼板時未做固定裝置，鋼板在拋光液的浸泡之下極易和平臺發(fā)生搓動，從而產(chǎn)生拋光劃痕，通過利用工件固定裝置（見圖2），對不銹鋼鋼板進行位置固定，并通過改進磨拋平臺膠墊平整度來提高放置于平臺上不銹鋼板的穩(wěn)定性。

圖2 不銹鋼板位置固定裝置

2.2 拋光液系統(tǒng)改造

拋光液系統(tǒng)在拋光過程中起到潤滑、腐蝕和磨削的作用，廠內(nèi)之前拋光液循環(huán)系統(tǒng)采用液體自流方式注液，拋光液注入速度和位置受限使不銹鋼板拋光表面不能夠及時降溫和潤滑，只有通過延長拋光時間來達到鋼板光澤度和粗糙度的要求，并且過程中極易產(chǎn)生磨頭花等缺陷。

通過改進拋光液注入系統(tǒng)（見圖3）提高拋光液的流動速度，增加對拋光材料的去除量提高鋼板表面質(zhì)量。拋光液使用10 000目極細氧化鋁粉狀顆粒對鋼板表面進行摩擦，增加拋光液循環(huán)系統(tǒng)過濾裝置，提前過濾拋光磨損材料和鋼板表面殘留物，避免過濾物對鋼板表面產(chǎn)生次生摩擦缺陷。

圖3 拋光機循環(huán)過濾系統(tǒng)

2.3 改進拋光工藝

下頁表1為對不銹鋼拋光工藝改進前后的工藝參數(shù)。從表1可知，通過試驗控制拋頭壓力，由6×105Pa降低到3.1~3.4×105Pa之間，拋頭頻率由30 Hz降低至25 Hz，拋頭橫向、縱向移動速度由30 Hz分別提高至80 Hz和45 Hz。

通過研究拋光頭材質(zhì)與拋光壓力的關系，調(diào)整拋光頭壓力發(fā)揮拋光液作用，提高不銹鋼表面光澤度，降低鋼板表面粗糙度。優(yōu)化拋頭轉(zhuǎn)速和連續(xù)移動速度，利用拋光頭與拋光液高速的協(xié)同作用提高鋼板的表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3 結(jié)果分析與討論

通過粗糙度儀和光澤度儀對工藝改進前后的產(chǎn)品光澤度和粗糙度進行了測量，所得結(jié)果如下頁表2和下頁表3所示。從表2和表3中可以看出，經(jīng)過工藝改進以后，BA板光澤度有很大的提升，430拋光后的光澤度從之前的652~918 Gu提高到1 100~1 200 Gu，304拋光后的光澤度從之前的629~920 Gu提高到1 040~1 240 Gu。由于提高了拋光機架的移動速度，對不同拋光頭材料使用不同的拋光時間，使拋光時間由原來的120~150 min減少至60~90 min，從而縮短了拋光時間提高了生產(chǎn)效率。通過拋光設備和工藝的改進，也使鋼板表面的細膩程度有了大幅的提升。

表1 冷軋BA板拋光工藝參數(shù)優(yōu)化

表2 拋光BA板前后光澤度比較

表3 拋光BA板前后粗糙度值比較

圖4 拋光前鋼板表面情況

圖5 拋光后鋼板表面情況

4 結(jié)論

通過對冷軋BA板拋光料拋光頭材料和平臺穩(wěn)定性的改進、拋光液循環(huán)系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)的改造、拋光過程工藝參數(shù)的控制和改善，使冷軋BA拋光板的成品質(zhì)量得到了提升，解決了磨頭花和劃痕等拋光缺陷。拋光后的鋼板表面光澤度和粗糙度達到不銹鋼8K板質(zhì)量要求，最終拋光產(chǎn)品質(zhì)量得到了提升，使拋光機能夠在企業(yè)實驗和檢驗過程中發(fā)揮重要的作用。