黃銅飾品的等離子拋光

閆黎，袁軍平，李浩妍，鄧雅文

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院，廣東 廣州 511483）

黃銅具有與黃金相近的顏色，工藝成型性能優(yōu)良，被廣泛用作飾品材料[1]。飾品在大部分情況下需要經(jīng)過(guò)拋光以獲得高度亮澤的表面。傳統(tǒng)的拋光方式主要是機(jī)械磨削法，即先用銼刀或金剛砂去除毛刺、凹凸不平的粗糙部位，再用從粗到細(xì)的砂紙或者磨料進(jìn)行手工打磨或機(jī)械研磨，然后用不同型號(hào)的拋光蠟和布輪進(jìn)行拋光[2]。這種工藝工序繁多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，效率低，生產(chǎn)成本高，容易產(chǎn)生粉塵，工作環(huán)境差，且對(duì)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)難以處理到位。因?yàn)闄C(jī)械拋光存在問(wèn)題，所以一些廠家嘗試采用電解拋光法，雖然取得了一定效果，但是仍存在不少缺點(diǎn)，例如對(duì)拋光液和拋光工藝的要求比較嚴(yán)格，拋光液大多含三氧化鉻、強(qiáng)酸等有害物質(zhì)，容易污染環(huán)境，危害工人健康，并且拋光液使用壽命一般不長(zhǎng)，校正和再生困難，廢液處理麻煩[3-4]。

等離子拋光是一種不同于傳統(tǒng)方法的新型拋光技術(shù)，其基本原理如圖1所示。當(dāng)拋光工件進(jìn)入拋光液中，兩者直接接觸而出現(xiàn)瞬間短路，造成大量放熱使拋光液汽化，在拋光液與工件之間形成了以水蒸氣為主的汽化層，顯著增大了它們之間的電阻，在高電壓作用下，汽化層的局部地方被電離擊穿形成放電通道，產(chǎn)生氧等離子體，氧等離子體高速撞擊工件表面，令工件表面微區(qū)迅速熔化或發(fā)生反應(yīng)形成氧化疏松層，而高濃度的水蒸氣和氧氣泡在潰滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)切向空化力，工件表面的熔融微滴和氧化疏松層在切向空化力的作用下被剝離，使工件表面粗糙度下降，獲得拋光效果[5-6]。

圖1 等離子拋光裝置示意圖[6] Figure 1 Schematic diagram of instrument for plasma polishing [6]

等離子拋光工藝已應(yīng)用在金屬制品領(lǐng)域并取得了一定成效，但作為一種新工藝，在飾品行業(yè)的應(yīng)用鮮有報(bào)道，業(yè)界對(duì)其了解不深，尚存在許多待解決的問(wèn)題。本文采用等離子拋光工藝對(duì)黃銅飾品進(jìn)行拋光，考察了拋光液組成及拋光時(shí)間等工藝條件對(duì)拋光效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

以首飾用黃銅(銅62.0%，鋅37.4%，其余0.6%)為基材，采用沖壓或鑄造工藝制作成飾品坯件。

1.2 拋光

采用等離子電漿拋光機(jī)對(duì)坯件進(jìn)行拋光試驗(yàn)。由于要不斷促使氧化膜剝離脫落，在拋光介質(zhì)中應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)氧化物有絡(luò)合作用的物質(zhì)，因此選擇由檸檬酸銨、檸檬酸、醋酸銨和乙二胺四乙酸(EDTA)這4種電解質(zhì)組成的拋光液，并以面粗糙度Sa(算術(shù)平均高度，表示基準(zhǔn)面內(nèi)輪廓曲線的高度絕對(duì)值的平均值)為指標(biāo)按表1的L9(43)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行配方優(yōu)化。另外，拋光液中加有少量緩蝕劑和光亮劑。

表1 正交試驗(yàn)的因素和水平 Table 1 Levels of factors in orthogonal test

采用15 L小拋光缸，將拋光液加熱到85～90 °C，設(shè)置電壓為340 V，然后將夾在掛具上的工件浸入拋光液中，距離液面約150 mm，每隔1min將試樣取出，總拋光時(shí)間5min，清洗后烘干。

1.3 表征與性能測(cè)試

沿試樣中心線隨機(jī)選3個(gè)區(qū)域，采用LEXT OLS4500型激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)并計(jì)算相應(yīng)的粗糙度。采用S3400N掃描電鏡(SEM)觀察試樣的表面形貌。用Bruker能譜儀(EDS)分析試樣表面的化學(xué)組成。采用CM2600d型測(cè)色儀檢測(cè)試樣表面顏色。采用高精密電子天平測(cè)量試樣拋光前后的質(zhì)量，計(jì)算試樣在拋光不同時(shí)間后的質(zhì)量損失速率(即單位時(shí)間的質(zhì)量損失率)。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解液組成對(duì)拋光效果的影響

從表2可見，隨著檸檬酸銨質(zhì)量濃度增加，試樣表面粗糙度不斷增大；隨著檸檬酸和醋酸銨質(zhì)量濃度增加，試樣表面粗糙度先增大后減小；隨著EDTA質(zhì)量濃度增加，試樣表面粗糙度先減小后增大。4個(gè)因素按照影響程度從大到小排列為A ＞ C ＞ B ＞ D，最佳水平組合為A1B1C1D2，即檸檬酸銨20 g/L，檸檬酸5 g/L，醋酸銨10 g/L，EDTA 6 g/L。采用該組合的拋光液對(duì)試樣拋光2min，試樣的平均表面粗糙度為0.092 μm，好于正交試驗(yàn)中各組的拋光效果。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Result of orthogonal test

電解液組成對(duì)拋光效果有較大影響。根據(jù)等離子拋光的基本原理，對(duì)工件起拋光作用的是等離子態(tài)的氣體層放電介質(zhì)，電子碰撞電離系數(shù)和擊穿電壓是其中的重要參數(shù)，與氣體的性質(zhì)有關(guān)，而氣體層的性質(zhì)在很大程度上取決于拋光液的組成[6]。添加適量的電解質(zhì)可以增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性，提高試樣表面電流密度，促使氧化疏松層的生成，同時(shí)強(qiáng)化汽化層的加工過(guò)程，促進(jìn)氧化疏松層在氣泡空化力的切向作用力下剝離脫落，使試樣表面獲得拋光效果。但是當(dāng)溶液濃度達(dá)到一定程度后，拋光效果反而變差。其原因是等離子拋光過(guò)程中會(huì)同時(shí)進(jìn)行表面氧化和放電去除這2個(gè)反應(yīng)，只有當(dāng)放電去除速率大于氧化層形成速率時(shí)，才能獲得拋光效果。電解液濃度高不利于放電發(fā)生，參與到電化學(xué)反應(yīng)的有效粒子數(shù)將減少[7]，使得放電去除速率降低，氧化層不能完全被氣泡空化剝離去除，導(dǎo)致表面粗糙度增加，拋光亮度下降。

2.2 拋光時(shí)間對(duì)拋光效果的影響

將相同規(guī)格的試樣分次放入優(yōu)化組合的拋光液中，經(jīng)過(guò)不同拋光時(shí)間后取出，稱重并計(jì)算質(zhì)量損失速率。從圖2可知，當(dāng)拋光時(shí)間超過(guò)4.0min，其質(zhì)量損失速率有所增加，說(shuō)明拋光速率相應(yīng)提高了。

圖2 質(zhì)量損失速率隨拋光時(shí)間的變化 Figure 2 Variation of mass loss rate with polishing time

從圖3可見，當(dāng)拋光時(shí)間為1.0min時(shí)，試樣表面基本光滑，但局部還殘留劃痕；拋光時(shí)間為2.0min時(shí)，試樣表面光滑度較好，沒(méi)有明顯的劃痕殘留；但繼續(xù)延長(zhǎng)拋光時(shí)間，試樣表面出現(xiàn)凹坑及麻點(diǎn)，且會(huì)愈加明顯。

圖3 拋光不同時(shí)間后試樣的表面形貌 Figure 3 Surface morphologies of samples polished for different time

從圖4可見，在拋光1.0～2.0min時(shí)的線粗糙度Ra和面粗糙度Sa較低，而超過(guò)2.0min后，表面粗糙度明顯增大。從圖5可知，試樣的亮度(L)在拋光時(shí)間達(dá)到2.0min時(shí)接近90，但當(dāng)拋光時(shí)間超過(guò)4.0min后，亮度下降。過(guò)長(zhǎng)的拋光時(shí)間不利于獲得光滑表面和出光效果。因此，拋光時(shí)間應(yīng)控制在2.0min以內(nèi)。

圖4 粗糙度隨拋光時(shí)間的變化 Figure 4 Variation of roughness with polishing time

圖5 顏色隨拋光時(shí)間的變化 Figure 5 Variation of color with polishing time

對(duì)試樣表面進(jìn)行EDS分析，發(fā)現(xiàn)不同拋光時(shí)間后試樣表面的氧含量有一定差別(見圖6)，在拋光1.0min時(shí)氧含量最高，在拋光2.0min時(shí)氧含量迅速下降，但當(dāng)拋光時(shí)間超過(guò)3.0min，氧含量又持續(xù)增加。

圖6 拋光時(shí)間對(duì)試樣表面氧含量的影響 Figure 6 Effect of polishing time on oxygen content of sample surface

究其原因，試樣浸入電解液后連通回路，形成電流，與工件接觸的電解液被電解，產(chǎn)生氧氣氣泡附著在工件表面，從而形成氧化物，影響到其亮度和色澤。隨著拋光時(shí)間延長(zhǎng)，氣泡發(fā)生放電現(xiàn)象，電流持續(xù)增加，工件與電解液局部接觸的部位出現(xiàn)沸騰，產(chǎn)生大量蒸汽泡，氣泡包裹工件形成泡漿層，導(dǎo)致電流大幅降低，在高電壓作用下泡漿層發(fā)生電離反應(yīng)，形成氧等離子體，氧等離子體與試樣表面反應(yīng)形成疏松氧化層，氣泡潰滅產(chǎn)生的空化力對(duì)氧化層進(jìn)行沖刷剝離。等離子拋光過(guò)程實(shí)際上同時(shí)存在表面氧化與放電去除兩個(gè)過(guò)程，它們的發(fā)生速率決定了工件表面拋光狀況。當(dāng)拋光時(shí)間適當(dāng)，泡漿層處于穩(wěn)定狀態(tài)，放電去除速率與氧化速率相當(dāng)，試樣表面得到平穩(wěn)拋光。

由于本試驗(yàn)用的拋光缸較小，當(dāng)拋光時(shí)間超過(guò)一定范圍后，拋光液被加熱到沸騰，溶液蒸發(fā)加劇，等離子加工過(guò)程轉(zhuǎn)到泡沫狀態(tài)，蒸汽層失去自身最初的尺寸和形狀，其阻抗與等離子理想加工狀態(tài)的氣層阻抗相比大大提高，而且拋光液的濃度隨之提高，減少了參與到電化學(xué)反應(yīng)的有效粒子數(shù)，放電去除速率降低，放電不均勻性加劇，導(dǎo)致優(yōu)先放電部位因?yàn)樯淞髯饔枚a(chǎn)生凹坑或麻點(diǎn)，放電較弱部位的氧化層不能被完全剝離，從而導(dǎo)致表面氧含量增加，工件表面的粗糙度也相應(yīng)地增大。

2.3 黃銅飾品的拋光效果

黃銅飾品大多采用石膏型精密鑄造成型工藝，其造型與普通鋼板基材相比更復(fù)雜多變，因此考察了等離子拋光的實(shí)際應(yīng)用效果。將坯件浸入優(yōu)化組合的拋光液中拋光1.5min后取出，從圖7可見，鑄件表面有較好的亮澤，且均勻性較好，未出現(xiàn)明顯變色或局部燒蝕的情況。

圖7 黃銅飾品的等離子拋光效果 Figure 7 Plasma- polished brass ornament

黃銅擺件底部平面拋光前后的面粗糙度檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。從中可以直觀地看出，試樣未拋光前 呈現(xiàn)劇烈的鋸齒狀，表面凹凸落差較大且有較明顯的溝痕。經(jīng)過(guò)拋光后表面明顯變得平緩，凹凸落差有較大的改善，溝痕基本消失。

圖8 試樣拋光前(a)、后(b)的典型面粗糙度分布 Figure 8 Typical images of surface texture of the sample before (a)and after (b)being polished

表3列出了面粗糙度的檢測(cè)結(jié)果?？梢姛o(wú)論從哪個(gè)角度來(lái)評(píng)價(jià)，采用優(yōu)化后的拋光液處理適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，黃銅飾品坯件的粗糙度降低，拋光效果較好。

表3 試樣拋光前后的面粗糙度參數(shù) Table 3 Surface texture parameters of the sample before and after being polished

3 結(jié)論

采用檸檬酸銨、醋酸銨、檸檬酸和EDTA組成拋光液對(duì)黃銅飾件進(jìn)行了等離子拋光處理。隨著拋光時(shí)間延長(zhǎng)，試樣面粗糙度和表面氧含量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，試樣表面光亮度則先升高后略微降低。為獲得較好的拋光效果，拋光時(shí)間應(yīng)控制在1～2min，過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)的拋光時(shí)間不利于獲得光滑表面和出光效果。