電解質(zhì)等離子拋光對(duì)不銹鋼表面狀態(tài)的影響

陳虎，楊衛(wèi)英，李劍

（中國工程物理研究院，電子工程研究所，四川 綿陽 621999）

電解質(zhì)等離子拋光作為一種新型拋光技術(shù)自從Duradzhi等[1]公開報(bào)道到現(xiàn)在只有30年左右的歷史。由于該技術(shù)具有無污染、效率高、拋光表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[2-5]，一經(jīng)報(bào)道就引起了廣泛關(guān)注。如圖1所示，零件(作為陽極)表面的電解液在高電壓下被汽化，氣層被擊穿時(shí)，在工件表面微觀凸起的位置會(huì)形成更多的放電通道，導(dǎo)致凸起位置的材料去除量多于其他位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的整體拋光。

圖1 電解質(zhì)等離子拋光的原理Figure 1 Principle of electrolysis and plasma polishing

經(jīng)過多年發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)了適用于銅、鋁、鈦[6]等金屬和合金的電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)，被初步應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)的蝸輪盤、整流葉片、壓氣機(jī)盤等復(fù)雜且關(guān)鍵的零件上，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。電真空器件用不銹鋼高壓電極在工作時(shí)需承受極高的電壓，為提高其表面的耐壓穩(wěn)定性，除了對(duì)電極進(jìn)行拋光處理以降低表面粗糙度，還需對(duì)電極進(jìn)行老煉處理以消除電極表面存在的“擊穿弱點(diǎn)”[7]。鑒于電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)的工作原理與高壓老煉處有極大的相似性，本文研究了適用于不銹鋼的電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)，分析了操作條件對(duì)電極表面狀態(tài)的影響，為實(shí)現(xiàn)高壓電極的高效率拋光提供可行的技術(shù)路線。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料

試件為直徑25 mm、厚2 mm的316L不銹鋼薄片。硫酸銨電解鹽由國藥試劑生產(chǎn)。

1. 2 電極的等離子拋光

無需前處理，采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的40 kW電解質(zhì)等離子拋光機(jī)直接對(duì)不銹鋼試件進(jìn)行拋光，拋光電壓為380 V。拋光液為硫酸銨溶液，溫度55 ～ 90 °C，試件在拋光液中的下潛深度為150 mm，時(shí)間不超過40 min。拋光后，試件用去離子水沖洗至少1 min，然后用無水乙醇脫水烘干。

1. 3 表征與性能測試

采用日本奧林巴斯OLS4000型共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)分析拋光前后不銹鋼片表面的輪廓曲線及粗糙度Ra。利用荷蘭Phenom-World公司生產(chǎn)的ProX型掃描電鏡(SEM)觀察試件的表面形貌，并用其附帶的能譜儀(EDS)分析成分。使用哈量集團(tuán)719-01型螺旋測微儀測量試件的外形尺寸。使用上海捷滬儀器儀表公司制造的維氏硬度計(jì)測試試件的顯微硬度，載荷300 g，保壓時(shí)間15 s，顯微倍率40倍。

2 結(jié)果與討論

2. 1 電解液濃度對(duì)表面粗糙度的影響

在電解液溫度恒定為80 °C，拋光時(shí)間恒定為10 min的條件下，電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0% ～ 6%，每個(gè)濃度梯度進(jìn)行了4次試驗(yàn)。由表1可知，試件的表面粗糙度先隨著電解液濃度增大而下降，當(dāng)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，粗糙度最小，但當(dāng)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%時(shí)，試件表面粗糙度反而上升。在初期，由于隨著電解液濃度增加，電解液汽化層中的粒子數(shù)增多，強(qiáng)化了加工過程，促進(jìn)了對(duì)試件表面微觀不平度的整平；但濃度過大一方面導(dǎo)致電解液離子遷移速率減緩，試件表面以燒蝕為主，另一方面會(huì)令電解液的 pH減小，使得氣層中活性基團(tuán)等高能態(tài)粒子(如羥基自由基)減少，影響了最終的加工效果。因此為獲得良好的加工表面，電解液濃度應(yīng)選擇最優(yōu)的濃度范圍。本文以4%為宜。

表1 電解液中硫酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表面粗糙度的關(guān)系Table 1 Relationship between mass fraction of (NH4)2SO4 in electrolyte and surface roughness

2. 2 電解液溫度對(duì)表面粗糙度的影響

溫度會(huì)影響電解液的電導(dǎo)率，進(jìn)而影響整個(gè)電解質(zhì)等離子拋光過程。由圖2可知，當(dāng)拋光液溫度不超過80 °C時(shí)，試件表面粗糙度隨溫度升高而顯著減??；但超過80 °C后，表面粗糙度明顯增大。這是因?yàn)楫?dāng)溫度在一定范圍內(nèi)，溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越大。電解質(zhì)等離子拋光的本質(zhì)是放電過程中在工件表面形成氧化層并去除氧化層的反復(fù)過程，只有當(dāng)氧化層的去除速率高于氧化層的生成速率時(shí)，工件表面才會(huì)有拋光效果，而適當(dāng)提高溫度可加快氧化層的去除，因此隨著溫度升高，工件的拋光效果越明顯。但是當(dāng)溫度過高時(shí)，拋光液局部開始沸騰，由于電解質(zhì)等離子拋光的作用機(jī)制是在工件與拋光液之間形成氣層，從而實(shí)現(xiàn)工件的表面整平，拋光液局部沸騰會(huì)令氣層失去原有的形狀，整個(gè)拋光過程試件處于連續(xù)移動(dòng)的泡沫中，拋光效率明顯下降，試件表面的光亮度明顯降低。因此為了獲得最佳的拋光效果，電解液溫度作為一個(gè)重要參數(shù)需進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。

圖2 電解液溫度與表面粗糙度的關(guān)系Figure 2 Relationship between electrolyte temperature and surface roughness

2. 3 電解液濃度對(duì)表面粗糙度的影響

受電場分布及溶液流動(dòng)的影響，試件在電解液中的位置可能會(huì)影響最終的拋光效果。將試件的上端面與電解液表面之間的距離(D)定義為試件在電解液中的位置，固定拋光液溫度為80 °C，硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，拋光時(shí)間為10 min。由圖3可知，試件位置對(duì)表面粗糙度影響不大。當(dāng)試件在電解液中的位置較淺或者試件剛剛沒入電解液時(shí)，雖然拋光液對(duì)試件的浸潤不一定完全，氣層穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致放電局部中斷，但是由于試件距離液面距離較小，放電后的氣體更容易逸出，因此氣層較薄。試件表面凸起的尖端更容易發(fā)生放電反應(yīng)，即放電反應(yīng)的選擇性更強(qiáng)。雖然放電穩(wěn)定性差導(dǎo)致了反應(yīng)慢，但更強(qiáng)的選擇性反而使得表面整平效果更明顯。當(dāng)試件形狀比較簡單時(shí)，試件的位置對(duì)拋光效果基本無影響，但如果試件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣體的逸出受試件結(jié)構(gòu)影響會(huì)有較大的變化，此時(shí)試件位置則顯得至關(guān)重要。

圖3 試件位置與表面粗糙度的關(guān)系Figure 3 Relationship between workpiece position and surface roughness

2. 4 拋光時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響

電解質(zhì)等離子拋光可顯著改變?cè)嚰臓顟B(tài)，令其表面從加工后的金屬光澤轉(zhuǎn)變?yōu)殓R面效果。為考察表面粗糙度在較長時(shí)間里的變化，選擇了原始表面相對(duì)較粗的試件，分析了試件在拋光過程中每隔一段時(shí)間測得的粗糙度。由圖4可知，在拋光初期，Ra隨著時(shí)間延長顯著下降，在0 ～ 5 min內(nèi)變化最明顯；在5 ～ 10 min內(nèi)也能看出明顯變化，但10 min以后，表面粗糙度基本不隨時(shí)間變化，維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。這說明無限延長拋光時(shí)間并不會(huì)令試件的表面粗糙度一直降低。當(dāng)原始表面粗糙度為0.5 μm左右時(shí)，只能拋光到0.1 μm左右。

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

如圖5所示，拋光前試件表面存在極為明顯的起伏，拋光5 min之后試件表面的輪廓曲線趨于平緩，微觀起伏程度明顯減弱，這是表面能夠呈現(xiàn)出鏡面效果的重要原因。

圖5 拋光前(a)后(b)試件輪廓對(duì)比Figure 5 Comparison of sample profile before (a) and after (b) polishing

2. 5 電解質(zhì)等離子拋光對(duì)零件尺寸的影響

因?yàn)殡娊赓|(zhì)等離子拋光過程中要去除一定量的工件材料，所以拋光前后工件的外形尺寸必然發(fā)生變化。研究拋光參數(shù)與零件尺寸之間的關(guān)系對(duì)實(shí)現(xiàn)精密控制零件尺寸具有重要意義。定義電解質(zhì)等離子拋光過程中材料的去除速率為單位時(shí)間內(nèi)工件表面法線方向上的尺寸變化量。從表2可見，保持拋光條件(硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，溫度80 °C，試件下潛深度40 mm)不變的情況下，去除速率的變化并不明顯，大約為2 μm/min。已有理論推導(dǎo)[8]和試驗(yàn)證明：在電壓和零件的材質(zhì)不變的情況下，電解質(zhì)等離子拋光的材料去除速率與電流密度成正比。不銹鋼的去除速度約為1 ～ 4 μm/min。由于通常情況下不銹鋼在拋光2 ～ 10 min后就能達(dá)到一般外觀裝飾要求的拋光效果，因此認(rèn)為電解質(zhì)等離子拋光對(duì)一般零件外形尺寸的影響可以忽略。但對(duì)于裝配精度要求極高的零件，必須在機(jī)械加工時(shí)按照材料的去除速率和加工時(shí)間為拋光留有一定的加工余量。

表2 零件厚度與拋光時(shí)間的關(guān)系Table 2 Relationship between the thickness of workpiece and polishing time

2. 6 電解質(zhì)等離子拋光對(duì)表面微觀形貌的影響

以現(xiàn)有電化學(xué)拋光工藝處理后的試件作為對(duì)比。原始試件先用丙酮擦拭以清除污漬。電化學(xué)拋光試件用堿性洗滌劑去油后再進(jìn)行拋光，拋光液由磷酸和硫酸按質(zhì)量比3∶1配制，拋光溫度90 °C，電流密度為60 A/dm2。電解質(zhì)等離子拋光試件除拋光、去離子水清洗以及烘干外未進(jìn)行其他處理。由圖6可知，原始表面存在極為明顯的機(jī)械加工紋路，電化學(xué)和電解質(zhì)等離子拋光后的試件表面均基本無機(jī)械加工紋路，且整個(gè)表面變得平整，去除了微觀凸起和缺陷，表面質(zhì)量得到明顯改善。即使放大5 000倍，也無法從電解質(zhì)等離子拋光后的試件表面看到明顯的加工痕跡或者類似于電火花加工常見的電蝕坑，同時(shí)試件表面的晶格結(jié)構(gòu)完整，不存在晶格錯(cuò)位，晶粒邊界清晰，晶粒間也無析出物。電化學(xué)拋光試件表面還存在較多凸起，能譜分析發(fā)現(xiàn)凸起處除了正常的不銹鋼成分外，還含有較多的Al、Ti等元素。凸起的形成可能是由電化學(xué)拋光過程的選擇性反應(yīng)使得不銹鋼內(nèi)部存在的微量元素偏析所致，它們可能會(huì)對(duì)不銹鋼的真空間隙耐壓造成一定的影響，因此從該角度上講，電解質(zhì)等離子拋光可以獲得更適用于電真空器件用的不銹鋼電極。

圖6 不同試件的SEM照片F(xiàn)igure 6 SEM images of different samples

2. 7 電解質(zhì)等離子拋光對(duì)顯微硬度的影響

由于電解質(zhì)等離子拋光會(huì)對(duì)不銹鋼表面微觀形貌造成較大的影響，依據(jù)電解質(zhì)等離子拋光作用機(jī)制，電解質(zhì)等離子拋光只作用于工件表層金屬，而且無宏觀作用力，理論上對(duì)拉伸性能造成的影響很小，卻可能顯著影響工件表面的硬度。由圖8可知，電解質(zhì)等離子拋光對(duì)試件表面顯微硬度有一定程度的影響，隨著拋光時(shí)間延長，顯微硬度逐漸降低，并趨于一個(gè)穩(wěn)定值。顯微硬度由200 HV逐漸穩(wěn)定在180 HV左右。這可能是由于電解質(zhì)等離子拋光會(huì)對(duì)試件表面微觀成分造成影響，破壞了原有加工硬化層，后續(xù)還需進(jìn)行更深入的分析。

圖7 電化學(xué)拋光試件凸起部位的EDS圖譜Figure 7 EDS spectrum of the protruding area on the electrochemically polished sample

圖8 試件顯微硬度與拋光時(shí)間的關(guān)系Figure 8 Relationship between microhardness and polishing time

3 結(jié)論

電解質(zhì)等離子體拋光技術(shù)不需要復(fù)雜的前處理，通過控制電解液濃度、拋光溫度及時(shí)間等參數(shù)，一步即可顯著降低不銹鋼的表面粗糙度，改善其表面形貌，且不會(huì)由于材料成分不均而形成微凸，在電真空器件制造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但由于電解質(zhì)等離子體拋光會(huì)在一定程度上降低表面顯微硬度，顯微硬度的降低是否會(huì)影響電極的真空間隙耐壓特性還有待研究，因此在后續(xù)的研究過程中需開展電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)對(duì)電極間隙耐壓特性的研究，以更全面地掌握電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)對(duì)不銹鋼材料表面的影響，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)在電真空器件制造過程中的應(yīng)用。