飾品用316L不銹鋼電解質(zhì)等離子拋光工藝

代司暉，袁軍平，陳紹興，謝圳濤，謝林演

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

316不銹鋼飾品具有優(yōu)良的耐蝕性，與鉑金具有相近的金屬光澤，同時其強度和硬度明顯高于鉑、鈀等貴金屬材料，長期佩戴使用可保持平滑、光澤及吸引人的外觀，既高貴典雅，又具有現(xiàn)代感，成為廣受時尚人士歡迎的流行飾品[1]。

飾品非常講究表面品質(zhì)，大部分情況下需要獲得高度光亮的表面。目前不銹鋼飾品的拋光工藝有機械拋光、化學拋光、化學機械拋光、電解拋光等。機械拋光是應用最廣的傳統(tǒng)拋光工藝，存在拋光效率低、生產(chǎn)成本高、縫隙或內(nèi)凹部位不易處理到位、作業(yè)環(huán)境差等缺點；化學拋光、化學機械拋光和電解拋光采用的拋光液大多含三氧化鉻、強酸等有害物質(zhì)，容易污染環(huán)境，危害工人健康，并且拋光液的使用壽命一般不長，校正和再生困難，廢液處理麻煩[2-4]。

電解質(zhì)等離子拋光是一種有別于傳統(tǒng)工藝的新型拋光工藝，其基本技術(shù)原理是：將工件浸入拋光液中，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，汽化層局部被電離擊穿形成放電通道，產(chǎn)生氧等離子體，氧等離子體撞擊工件表面，并與工件表面反應形成氧化疏松層，而氣泡在參與化學反應的同時又被放電去除，最終令工件表面粗糙度下降，獲得拋光效果[5]。

盡管電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)已逐漸應用于運動器材、汽車配件、醫(yī)療器材、潔具、餐具等領(lǐng)域，并取得了較好的效果，但能否應用于工藝飾品的表面拋光，拋光效果如何，生產(chǎn)成本如何，對環(huán)境有無影響等都是首飾行業(yè)比較關(guān)注的問題。鑒于此，本文采用綠色環(huán)保的電解拋光液對飾用316L不銹鋼進行等離子拋光，研究了工件初始表面狀態(tài)、拋光時間、拋光液溫度、一次拋光數(shù)量等工藝參數(shù)對拋光效果的影響。

1 實驗

1.1 電解質(zhì)等離子拋光工藝

以飾用316L不銹鋼為基材，其化學組成為：0.018% C，0.35% Si，0.52% Mn，17.48% Cr，10.21% Ni，2.08% Mo，0.025% P，0.017% S，0.04% N，其余為Fe。

為便于檢測表面粗糙度，將不銹鋼制成30 × 20 × 1.5 mm的平整吊墜作為試片。先采用240#、400#或800#砂紙打磨，再置于等離子電漿拋光機上拋光。電解液的組成為：硫酸銨25 g/L，配位劑5 g/L，光亮劑A 5 g/L。改變試片表面初始狀態(tài)、電解液的初始溫度、一次拋光的試片數(shù)量、拋光時間等工藝參數(shù)，研究它們對拋光效果的影響。

1.2 表面性質(zhì)分析

在試片表面按照九宮格方式取9個點作為測試區(qū)域，采用LEXT OLS4500型激光共聚焦顯微鏡檢測它們在初始及拋光后的表面粗糙度，取Ra、Sa、Rz和Sz這4個粗糙度指標來評價拋光效果。Ra(Sa)為算術(shù)平均高度，表示基準線(面)內(nèi)輪廓曲線(面)的高度絕對值的平均值；Rz(Sz)為最大高度，表示基準線(面)內(nèi)粗糙度曲線(面)中最高峰的高度與最深谷的深度相加之和。采用賽多利斯科學儀器(北京)有限公司的QUINTIX125D-1CN型高精密電子天平(精度為0.01 mg)稱量拋光前后試樣的質(zhì)量，并計算質(zhì)量損失率(w)。采用CM2600d分光光度計檢測試片在拋光前后的表面顏色，檢測條件為：SCI+E模式，觀察角10°，標準光源D65，檢測窗口直徑8 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解液初始溫度對拋光效果的影響

試片采用400#砂紙打磨后進行等離子拋光，分別將電解液的初始溫度設(shè)置在25、50、75和90 ℃，每次只裝1個試片進行拋光，時間為2 min。如圖1所示，試樣只用砂紙打磨時Ra曲線的振幅大、頻率高。在電解液初始溫度25 ℃下進行等離子拋光后，曲線基準線之上的峰值部分有較明顯的下降，但是在基準線之下的波谷部分仍有較明顯的尖谷；隨著電解液初始溫度的升高，Ra曲線的振幅逐漸減小，基準線之上的部分總體更加平緩，同時基準線之下的部分也逐漸有了改善。

圖1 不同電解液初始溫度下拋光的表面線粗糙度曲線Figure 1 Line roughness curves for samples polished in electrolyte with different initial temperatures

從圖2可知，隨著電解液初始溫度的提高，4個粗糙度指標都有不同程度的下降，初始溫度在50 ℃以內(nèi)時，粗糙度降幅不大，拋光效果不佳；在50 ～ 75 ℃區(qū)間內(nèi)，粗糙度降幅明顯加大，拋光效果改善；在75 ～ 90 ℃之間時，粗糙度仍有下降，但是Sz和Rz的降幅減小。因此，對不銹鋼進行等離子拋光時電解液的初始溫度應不低于75 ℃。

在初始溫度較低時，工件與電解液接觸部位產(chǎn)生的氣體介質(zhì)少，包圍在工件周圍的蒸汽層薄，電流容易穿透蒸汽層，但由于蒸汽層分布不均勻，蒸汽層和拋光過程不穩(wěn)定，工件表面一些部位放電使材料被去除，一些部位出現(xiàn)電弧擊穿引起燒蝕，還有一些微觀起伏的部位放電少而未能被去除，因而拋光整平效果不佳[6]。隨著電解液初始溫度的升高，電解液汽化加強，蒸汽層溫度升高且厚度增大，等離子拋光進入穩(wěn)定階段，試樣表面微觀凸起部位不斷受到氣泡空化力的切向作用而剝離，從而有利于表面粗糙度的下降。從圖2還可以看出，面粗糙度Sa、Sz比線粗糙度Ra、Rz普遍要高一些，這是由于前者檢測的是一個區(qū)域，后者是區(qū)域中的一條線，后者掃描的路徑通常難以將區(qū)域內(nèi)隨機分布的劃痕、凹坑、凸起等都涵蓋在內(nèi)，因而體現(xiàn)出來的線粗糙度要比面粗糙度低一些。

圖2 電解液初始溫度對拋光表面粗糙度的影響Figure 2 Effect of initial temperature of electrolyte on surface roughness of samples after being polished

如圖3所示，隨著電解液初始溫度升高，試樣表面亮度L*呈緩慢上升趨勢，色度a*、b*略微下降，這與表面粗糙度的變化是對應的，說明即使各試片的材質(zhì)完全相同，當其表面粗糙度變化時，呈現(xiàn)的顏色隨之改變。根據(jù)顏色形成的物理學原理，物體呈色是其對入射光進行選擇性吸收后余色光對人眼刺激的結(jié)果。當光源照射到物體表面時，會產(chǎn)生包括鏡面反射和漫反射的反射光，試片表面粗糙度高時，鏡面反射減弱而漫反射增強，使得表面亮度下降，而隨著試片表面粗糙度下降，鏡面反射光增強，亮度提高。

圖3 電解液初始溫度對拋光表面顏色的影響Figure 3 Effect of initial temperature of electrolyte on color of samples after being polished

2.2 試樣表面初始狀態(tài)對拋光效果的影響

先分別采用240#、400#和800#砂紙打磨不銹鋼試片表面，再采用初始溫度為90 ℃的電解液對它們同時進行等離子拋光15 min，圖4為等離子拋光前后不銹鋼試片的三維形貌(取樣區(qū)域為642.410 μm × 642.633 μm)。從中可以看出，試片拋光后的表面比初始打磨面更平整，隨著打磨砂紙?zhí)枖?shù)的提高，試片表面平整度變好。

圖4 采用不同型號砂紙打磨(上)及進一步等離子拋光后(下)試樣的三維形貌Figure 4 Three-dimentional morphologies of samples after being polished with different types of sandpaper (top)and with plasma further (bottom)

從圖5可知，隨著砂紙?zhí)枖?shù)增大，試樣的初始表面粗糙度降低，等離子拋光后表面粗糙度進一步降低。采用240#砂紙打磨時，試樣初始表面粗糙度Ra和Rz分別接近0.5 μm和5 μm，經(jīng)過等離子拋光后分別降到0.2 μm和1 μm左右，降幅分別達到60%和80%，但是肉眼仍可見一些打磨痕，說明初始表面粗糙度高時，等離子拋光的整平作用有限，不容易出光。采用400#砂紙打磨的試樣在等離子拋光后表面粗糙度下降較多，Sa和Ra都降到0.1 μm以下，獲得了較光亮的拋光效果。當采用更細的800#砂紙打磨時，等離子拋光后表面粗糙度雖然相較于400#砂紙打磨時有所降低，但是降幅不大，并且Sz仍較高，說明一些過深的凹坑仍不能獲得較徹底的整平。

圖5 采用不同型號砂紙打磨及進一步等離子拋光后試樣的表面粗糙度Figure 5 Surface roughness of samples after being polished with different types of sandpaper and with plasma further

如圖6所示，拋光后的亮度明顯高于拋光前，色度低于拋光前。隨著砂紙?zhí)枖?shù)的增大，試樣拋光前的亮度L*略增，色度a*和b*則有不同程度的增大。但進一步拋光后，試樣的L*、a*和b*隨砂紙規(guī)格變化不明顯。究其原因，在等離子拋光過程中，如果工藝條件保持一致，則放電去除材料的速率以及單次放電形成的凹坑深度可視為一致，試樣的初始表面越粗糙，表面的起伏也越大，在微觀凸起處具有更高的電場強度，與其余部位的電場強度的差異也更明顯，凸起部位優(yōu)先放電去除，相應地表面粗糙度下降也較快。因此，為獲得較好的拋光效果，試樣表面最好采用400#或更細的砂紙，又或粗糙度與之相近或更低的打磨工具進行預打磨。

圖6 采用不同型號砂紙打磨及進一步等離子拋光后試樣的表面顏色Figure 6 Surface color of samples after being polished with different types of sandpaper and with plasma further

2.3 拋光時間對拋光效果的影響

先用400#砂紙打磨試片，稱其初始質(zhì)量，然后分別采用單片或三片同時進行等離子拋光(電解液初始溫度為90 ℃)，每隔一定時間取出，檢測試片的質(zhì)量及粗糙度，計算各階段的質(zhì)量損失率和粗糙度變化率。

圖7是單個試片拋光后在各個取樣階段的質(zhì)量損失速率和累計質(zhì)量損失率。可以看出，在開始拋光的5 min以內(nèi)，質(zhì)量損失快速增大，此后質(zhì)量損失基本保持穩(wěn)定，而累計質(zhì)量損失率與拋光時間之間則呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。

圖7 等離子拋光過程中不同時間段內(nèi)試片的質(zhì)量損失速率和累計損失率Figure 7 Mass loss rate and cumulative mass loss percentage of sample at different periods during plasma polishing

圖8是單片拋光和三片同時拋光不同時間后的表面粗糙度，圖9是它們在拋光過程中的表面粗糙度降低速率。當采用單片拋光時，Ra和Sa在拋光2 min后快速下降；拋光到5 min時進一步下降，但下降速率減緩，Ra和Sa最低；5 min后Ra和Sa隨著拋光時間延長而略增；而Rz和Sz在拋光10 min時為最低，此后隨著拋光時間延長反而有不同程度的增大。當采用三片同時拋光時，Ra和Sa在拋光15 min時為最低，此后略增；Rz在拋光10 min后緩慢下降，Sz則在整個拋光過程中都不斷下降。

圖8 拋光時間對試樣表面粗糙度的影響Figure 8 Effect of polishing time on surface roughness of sample

圖9 拋光過程的表面粗糙度降低速率Figure 9 Decrease rate of surface roughness during polishing process

圖10是試樣表面顏色隨拋光時間的變化情況，無論是單片還是三片同時拋光，拋光2 min時表面亮度L*均明顯提高，而色度a*和b*均大幅下降，不過單片拋光的亮度和顏色值均略高于三片同時拋光。隨拋光時間延長，單片拋光的亮度基本保持穩(wěn)定，色度在拋光10 min后基本不變；三片同時拋光的亮度和色度則都在拋光15 min后開始穩(wěn)定。

圖10 拋光時間對試樣顏色的影響Figure 10 Effect of polishing time on color of sample

以上試驗結(jié)果表明，飾品表面拋光效率與拋光工件的數(shù)量有關(guān)，拋光工件數(shù)量增多，表面積增大，達到相同拋光效果所需的時間相應延長?？梢园凑帐?1)來預計飾品的適宜拋光時間。

式中t為拋光時間(單位：min)，A為飾品表面積(單位：cm2)。

等離子拋光是通過放電去除來獲得拋光效果的。根據(jù)電場物理學原理，電場強度與凸峰曲率半徑平方的倒數(shù)呈正比，由于凸峰處的曲率半徑遠小于凹谷處，因此前者的電場強度和電流密度遠遠高于后者，進而使凸峰處的氧化、疏化、溶解和剝離速率遠大于凹谷處，導致凸峰處逐漸被削平，試樣表面粗糙度下降，如圖11所示。

圖11 等離子拋光中凸峰處優(yōu)先放電示意圖[7]Figure 11 Schematic diagram of preferential discharging at peak during plasma polishing [7]

根據(jù)等離子拋光原理，在拋光過程中會同時進行表面氧化和放電去除反應，單次放電形成的并不是理想的平滑表面，而是產(chǎn)生新的放電凹坑。換言之，在放電降低表面粗糙度的同時，也在一定程度上創(chuàng)造了增大表面粗糙度的條件，只有當放電去除速率大于氧化層形成速率時才能獲得拋光效果。在拋光初期，試樣表面粗糙，凸峰尖銳、密集，它們優(yōu)先放電后使表面粗糙度快速下降[8]。但當拋光到一定時間后，單次放電凹坑的存在使得表面粗糙度的降低和升高處于交替競爭的態(tài)勢，這在圖9呈現(xiàn)的Rz和Sz變化速率中得到體現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1) 在等離子拋光飾用不銹鋼時，提高電解液初始溫度有利于降低表面粗糙度，提高亮度。拋光電解液的初始溫度應不低于75 ℃。

(2) 采用砂紙粗打磨飾品表面可改善等離子拋光效果，隨著打磨砂紙?zhí)枖?shù)的提高，試片表面拋光效果變好。采用400#以上的砂紙進行預打磨為佳。

(3) 拋光表面粗糙度降低速率取決于拋光工件的表面積，過長的拋光時間不利于獲得好的拋光效果，一般可根據(jù)每平方厘米的拋光工件面積約0.37 min來估算拋光時間。