不銹鋼微結(jié)構(gòu)電解拋光工藝研究與試驗(yàn)①

黃丹丹，黃江林，鮑官培，張春雨

(安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

0 引 言

不銹鋼在工業(yè)、家具裝飾和食品醫(yī)療等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，有特定的要求。工業(yè)上為獲取良好的表面質(zhì)量及光亮度主要采取三種措施：機(jī)械拋光，化學(xué)拋光，電化學(xué)拋光[2]。其中，機(jī)械拋光使得工件表面易產(chǎn)生微裂紋、殘余應(yīng)力、冷作硬化及燒傷等缺陷，且不宜加工復(fù)雜型面[3]；化學(xué)拋光的表面質(zhì)量比電解拋光差，且在拋光過程中會產(chǎn)生氧化氮等有害氣體，對人體和環(huán)境有一定的危害。電化學(xué)拋光是金屬零件在特定條件下的陽極腐蝕，通過在陽極表面形成具有高電阻率的稠性粘膜來改善金屬表面的顯微幾何形狀，降低金屬表面的顯微粗糙度，是應(yīng)用較為廣泛的一種拋光方法。

待拋光樣件表面帶有陣列凹坑，機(jī)械拋光無法拋光凹坑底面，化學(xué)拋光容易造成污染，因此采用電化學(xué)拋光的方法對304不銹鋼進(jìn)行拋光。首先利用電化學(xué)工作站測定不銹鋼在拋光液中的極化曲線，選定拋光時的電流密度。進(jìn)而研究不同拋光參數(shù)下，如電流密度、拋光溫度、拋光時間下的拋光效果。

1 電解拋光原理及極化曲線測定

1.1 電解拋光原理

電解拋光是以被拋光工件作為陽極，不溶性金屬或惰性導(dǎo)體作為陰極，浸入電解液中分別將陽極和陰極連接到直流電的正極和負(fù)極，在外加電場作用下產(chǎn)生陽極溶解，從而實(shí)現(xiàn)金屬表面的拋光[4-5]。

不銹鋼的電解拋光實(shí)際上是不斷產(chǎn)生氧化膜及氧化膜的溶解過程。當(dāng)陽極的溶解速度大于離子擴(kuò)散的速度時，會在陽極表面產(chǎn)生一層高電阻率的稠性粘膜[6]。一方面這層粘膜在表面微觀凸處部分的厚度較小，而在微觀凹處則厚度較大；另一方面凸處的擴(kuò)散速度大，凹處的擴(kuò)散速度小。由于這層稠性粘膜的作用，使得凸處的電流密度相對較大，電力線較集中；凹處的電流密度小，電力線稀疏。最終使得微觀凸處溶解速度快，微觀凹處溶解速度慢，由此產(chǎn)生的選擇性溶解，使拋光后的零件更加平滑，表面粗糙度降低。

1.2 極化曲線測定

將被拋光不銹鋼電極及惰性工件電極放入拋光液中通電，當(dāng)兩電極之間電壓逐漸增大時，電流基本呈現(xiàn)圖1的趨勢。

圖1 電解拋光的電壓電流特性

反應(yīng)開始階段，電流隨電壓的增加幾乎呈線性上升，此時金屬表面處于活化狀態(tài)，很容易腐蝕；當(dāng)電位繼續(xù)增加，電流基本不變，這是因?yàn)榻饘俚娜芙馑俣却笥谄鋽U(kuò)散速度，在金屬表面形成一層稠性粘膜，由于濃差極化，使得金屬離子向電解液中擴(kuò)散速度變成穩(wěn)速。電位繼續(xù)增加，電流急速上升，且增長速度大于電位增長速度，此時陽極伴隨著氣泡的產(chǎn)生。若進(jìn)行電解拋光，應(yīng)該使金屬表面形成一層粘膜，即電位增加，電流基本保持不變；通過電化學(xué)工作站可以測得電解拋光所對應(yīng)的電流密度及電位范圍。

極化曲線(tafel曲線)的檢測實(shí)驗(yàn)基于上海辰華CHI660D電化學(xué)工作站展開，以飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極，不銹鋼試件為工作電極，工作液為電解拋光時的拋光液，采用動態(tài)恒電位掃描法，掃描速度為1mV/sec。首先，將304不銹鋼加工成1.5*2cm的電極片，非工作面用環(huán)氧樹脂絕緣，工作面經(jīng)金相砂紙打磨后，丙酮除油，稀硫酸除氧化層，最后用蒸餾水清洗。其次，將甘汞電極，鉑電極和不銹鋼電極放入在電解池中，注意鉑電極與不銹鋼電極正對放置，參比電極放在兩者中間靠近工作電極表面的一側(cè)。最后測量的極化曲線如圖2所示?？梢钥闯鰭伖鈺r的電流密度log(i/A)=-1.1792，由工作電極的工作面可知，其對應(yīng)的電流密度為2.2 A/dm2。本實(shí)驗(yàn)所拋光的304不銹鋼微結(jié)構(gòu)工作面面積為0.4 dm2，故拋光時應(yīng)選擇電流為0.88A。因?yàn)闇y量結(jié)果隨著掃面速度的不同，結(jié)果存在微小變化，故通過研究2.1 A/dm2，2.2A/dm2，2.3 A/dm2三個電流密度下的拋光效果確定最佳的電流密度。

2 不銹鋼電解拋光實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立如圖3所示，整個實(shí)驗(yàn)裝置是在燒杯內(nèi)完成，燒杯底部放入磁珠用于磁力攪拌。其中電源采用直流電源。選用恒溫恒速磁力攪拌器，一方面，可以使電解液分散更均勻，防止過大的濃差； 另一方面，通過升溫裝置和熱電偶可以調(diào)節(jié)電解液到不同溫度。陽極是表面帶有陣列凹坑的不銹鋼板，陰極采用不銹鋼電極。若兩電極板之間的距離過小，會導(dǎo)致電流分散不均勻，嚴(yán)重影響到拋光質(zhì)量；距離過大，會增大電阻，消耗過多的電能。綜合考慮，陰陽極板之間的距離為60mm。

圖2 304不銹鋼的極化曲線

圖3 電解拋光實(shí)驗(yàn)裝置圖

電解拋光液的主要作用是降低工件表面粗糙度，提高光亮度。電解拋光液主要有磷酸-硫酸體系和鉻酸-硝酸體系，目前使用最多的是磷酸-硫酸體系[7]。磷酸是電化學(xué)拋光液的主要成分，其化學(xué)腐蝕比硫酸弱，但比醋酸強(qiáng)，易與金屬生成鈍化膜。磷酸粘度大，可以減緩整平速率，對改善金屬表面質(zhì)量起到一定作用。體積分?jǐn)?shù)過高，活化作用大，鈍化作用小，易導(dǎo)致不銹鋼表面過腐蝕。甘油可以提高拋光液的粘度，使電流密度分散更加均勻，同時在金屬表面形成一層稠性粘膜，有助于改善表面質(zhì)量。聚乙二醇作為一種添加劑，可作為拋光液中的緩蝕劑，防止金屬過腐蝕?？紤]到拋光效果及對環(huán)境的污染程度，選擇磷酸，甘油，聚乙二醇，水作為拋光液的主要成分，其中磷酸，甘油，水的含量(體積比)分別為42%，47%，11%，另加入5mL/L的聚乙二醇。

2.2 正交試驗(yàn)

影響電解拋光的主要因素有電流密度、溫度、時間。正交試驗(yàn)法可以分析各因素的變化趨勢及影響程度，并根據(jù)變化趨勢及影響程度可以找到最佳拋光組合，實(shí)驗(yàn)次數(shù)大大減少。本文采用了三因素三水平的正交試驗(yàn)，不考慮各因素的交互作用，其中，電流密度分別取2.1 A/dm2，2.2A/dm2，2.3 A/ dm2；溫度分別為50℃，60℃，70℃；拋光時間分別為15min，20min，25min。表1為試驗(yàn)編排表。

不銹鋼長期放置在空氣中，表面會形成氧化層，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先除油、除氧化層。將不銹鋼放入到丙酮中，超聲清洗5min除油，用水沖洗后；再放入10%的稀硫酸中進(jìn)行超聲清洗10min除去表面的氧化層；拋光后，表面附著一些酸，可以放入10%的碳酸鈉溶液中進(jìn)行中和處理，最后清洗烘干。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)條件在搭建的試驗(yàn)平臺上進(jìn)行電解拋光后，選取不銹鋼表面陣列凹坑幾個不同的點(diǎn)作為測量點(diǎn)，測量凹坑底面的粗糙度，求平均值。不銹鋼初始表面粗糙度為1.6912μm，拋光后結(jié)果如表2所示。

表1 不銹鋼電解拋光試驗(yàn)條件正交試驗(yàn)編排表

表2 304不銹鋼電解拋光正交試驗(yàn)結(jié)果

通過求各個因素的各個水平的總和、平均值來分析各因素的變化趨勢。

圖4 電流密度對拋光效果影響

(1)電流密度

電流密度的變化趨勢如圖4所示。從圖中可以看出，隨著電流密度的增加，樣件的表面粗糙度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)殡娏髅芏冗^低，金屬陽極表面處于活化狀態(tài)而溶解，表面產(chǎn)生浸蝕，致使其表面粗糙；電流密度過高，陽極表面將析出氧氣，使陽極局部表面被氣泡覆蓋而產(chǎn)生導(dǎo)電不良，同時可能會產(chǎn)生局部過熱，造成金屬表面過腐蝕，從而使表面更粗糙[8]。因此，電解拋光時，存在一個最佳電流密度，使得拋光效果最好。

圖5 溫度對拋光效果影響的試驗(yàn)結(jié)果

(2)溫度

溫度是影響拋光質(zhì)量的又一個重要因素。由正交試驗(yàn)溫度因素分析，拋光后的表面粗糙度變化趨勢如圖5所示。

從圖中可以看出，溫度越高，不銹鋼表面的粗糙度先降低后增大。在溫度為60℃時，拋光質(zhì)量最好。溫度過低，溶液黏度過大，不利于陽極產(chǎn)物的擴(kuò)散和排除，溶解速度大于產(chǎn)物的擴(kuò)散速度致使表面黏膜增厚，使整個拋光效果明顯降低；溫度過高，會導(dǎo)致溶液過熱，加速六價鉻轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r鉻，易產(chǎn)生表面腐蝕，同時生產(chǎn)大量氣泡，使得金屬表面與拋光液分離，從而影響拋光效果。

(3)拋光時間

金屬制品原始表面狀態(tài)、電流密度、溫度、電解液成分及金屬的性質(zhì)，均對拋光時間有影響。從正交試驗(yàn)結(jié)果，可以得到拋光表面質(zhì)量隨拋光時間的變化趨勢如圖6。拋光時間對拋光質(zhì)量的影響趨勢同電流密度、溫度的影響一致，均是先增大后減小。起初，陽極表面整平速度最快，隨著時間的遷移，整平速度逐漸變緩，有時甚至破壞原先的表面質(zhì)量。因?yàn)殡S著拋光時間的推移，拋光液的PH值逐漸增大，溶液中的鐵離子與鉻離子較多形成沉淀，使得電流密度分布不均。一般情況下，當(dāng)電流密度和溫度較高時，拋光時間應(yīng)變短。

圖6 拋光時間對拋光效果影響的試驗(yàn)結(jié)果

圖7 拋光后不銹鋼樣件整體圖(a)、

(4)極差分析

由圖4，5，6的變化幅度，可知電流密度對拋光質(zhì)量的影響因素最大，其次是溫度，最后是時間，綜合電流密度，溫度及時間對電解拋光質(zhì)量的影響趨勢，可知拋光質(zhì)量最好的最佳組合是電流密度為2.2 A/dm2，溫度為60℃，拋光時間為20min，在此實(shí)驗(yàn)條件下測得的表面粗糙度為0.2745μm。其拋光后的整體結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，(b)和(c)分別是拋光后和拋光前單個凹坑的局部放大圖片，從圖中可以看出拋光后的凹坑光亮度明顯提高。

4 結(jié) 語

通過測定304不銹鋼在電解拋光液中的極化曲線，基于電解拋光的實(shí)驗(yàn)裝置，研究不同電流密度、溫度、拋光時間參數(shù)下的拋光效果，得出以下結(jié)論：

(1)電解拋光304不銹鋼所對應(yīng)鈍化電流log(i/A)= -1.1792，由此確定其拋光的電流密度為2.2A/dm2。

(2)隨著電流密度的增加，電解拋光后的不銹鋼表面粗糙度先降低，后增加；溫度、拋光時間對表面質(zhì)量的影響同電流密度呈現(xiàn)同樣的趨勢，但變化幅度依次減小，即影響程度逐漸減小。

(3)由正交因素試驗(yàn)分析法得到電解拋光的最佳組合是電流密度為2.2 A/dm2，溫度為60℃，拋光時間為20min，并在該組參數(shù)下進(jìn)行電解拋光，并測得表面粗糙度為0.2745μm。相比初始表面粗糙度1.6912μm，得到明顯改善。