孫瑩+沙明工

摘 要：隨著技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)的進(jìn)步，傳統(tǒng)鋁的拋光已經(jīng)不能滿足表面質(zhì)量的要求。電化學(xué)拋光因具有拋光效果好、拋光效率高等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文研究了1060純鋁板的電化學(xué)拋光新工藝，在現(xiàn)有的電化學(xué)拋光工藝的基礎(chǔ)上，利用表面粗糙度測(cè)試儀、數(shù)碼顯微鏡等儀器，對(duì)試件拋光金屬損耗比、拋光速率、表面粗糙度、光澤度、微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估，得出鋁電化學(xué)拋光的最佳工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)拋光；正交試驗(yàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；光澤度

中圖分類號(hào)：TG175 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）04-0069-03

1 緒論

1.1 電化學(xué)拋光

電化學(xué)拋光又稱為電解拋光，是指在一定濃度的電解液中金屬工件的陽極溶解，從而使它的表面粗糙度下降、光亮度提高的過程，并且產(chǎn)生出一定金屬光澤的表面光整技術(shù)。它能夠?qū)崿F(xiàn)在不改變工件本體性能的前提下改良金屬表面的理化性質(zhì)。電化學(xué)拋光中被拋工件為陽極，難溶金屬為陰極，陰陽兩極同時(shí)浸入拋光液，通以直流電而使被拋金屬可控制、有選擇的被溶解腐蝕，而變得更加光潔、平整、耐腐蝕性更強(qiáng)。與化學(xué)拋光、機(jī)械拋光相對(duì)照，電化學(xué)拋光優(yōu)點(diǎn)是，能夠得到高的拋光精度，高的表面光澤度，生產(chǎn)效率高、能量消耗相對(duì)較少，尤其是可以加工任何形狀和尺寸的復(fù)雜工件，電化學(xué)拋光速度與金屬的機(jī)械-物理性能無關(guān)，能改善金屬零件表面的物理-機(jī)械性質(zhì)、理化學(xué)性質(zhì)和操作易于掌握，應(yīng)用范圍廣泛。

1.2 電化學(xué)拋光原理

（1）鈍化膜理論；

（2）電化學(xué)原理；

（3）法拉第定律；

為避免冗余這里不在過多陳述理論性知識(shí)，詳見參考資料。

1.3 影響電化學(xué)拋光的主要因素

電化學(xué)拋光的表面質(zhì)量是受多因素多變量綜合影響的結(jié)果。主要因素有以下幾個(gè)方面：

電解液（拋光液）酸堿性、電流密度大小、拋光時(shí)間長(zhǎng)短、極間距大小。

2 實(shí)驗(yàn)過程與研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)主要試劑

（1）基礎(chǔ)材料及陰極材料。1060純鋁板（陽極，拋光試件其尺寸為34mm×55mm×3mm）、銅板（陰極，其尺寸為34mm×55mm×3mm）。

（2）化學(xué)試劑。實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備如實(shí)驗(yàn)試劑及純度（表1）所示。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（1）SIYI-30150M脈沖電源與KXN-305D直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。

（2）Ccd+數(shù)碼顯微鏡。

（3）MPLR-702A數(shù)顯示控溫磁力攪拌器。

（4）YM-1金相試件預(yù)磨機(jī)。

（5）FA2004B電子天平。

（6）202型電熱恒溫干燥箱。

（7）CE-5200A數(shù)碼超聲波清洗劑。

（8）數(shù)字多用表。

（9）其他實(shí)驗(yàn)用品：1000ml與500ml的燒杯、水浴鍋、量筒、膠頭滴管、藥勺、秒表、玻璃棒、銅導(dǎo)線、剪刀等。電化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)步驟。

2.2 電化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)步驟

電化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)步驟：

（1）陽/陰極試件的獲得。先用切割機(jī)切割1060純鋁板/紫銅板獲得34mm×55mm×3mm尺寸，打磨試件四周以去除毛刺，撕去雙面的塑料保護(hù)膜，然后用丙酮溶液擦拭試件表面，用以去除表面附著的油污，豎直放置自然晾干后，然后放在超聲波清洗儀中處理480s，用以去除表面難以去除的塵粒及粘連物，用特制的平整的亞克力板夾具夾緊24h，以使試件平整，然后在300℃的恒溫箱中放置3h（消除試件的內(nèi)應(yīng)力），在超聲波清洗儀中處理480s，待其自然冷卻晾干后，分別標(biāo)號(hào)，用電子天平稱重，統(tǒng)一用密封袋存于陰涼處，這樣就得到去除了內(nèi)應(yīng)力的平整試件。

（2）電化學(xué)實(shí)驗(yàn)拋光液的準(zhǔn)備。按照配方比例配置，用磁力攪拌器攪拌均勻；根據(jù)不同的拋光溫度，采用水浴加熱法進(jìn)行加熱。

（3）穩(wěn)流穩(wěn)壓電源的調(diào)整。針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置儀器參數(shù)。

（4）進(jìn)行電化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)。讓電源的正極與陽極試件相連，負(fù)極與陰極試件相連，固定完畢后，待溫度達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，開動(dòng)磁力攪拌器，攪拌平穩(wěn)后，讓陰陽極與夾具完全浸入電解液，同時(shí)秒表及時(shí)開始。拋光結(jié)束后，先切斷電源開關(guān)，后快速移出試件夾具，浸入實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好的清水中，去除表面殘留的電解液，之后在超聲波清洗儀中處理480s，放入恒溫干燥箱中干燥處理。

（5）后期工作。電子天平稱量反應(yīng)后的試件質(zhì)量，并且用電子天平初步觀察表面微觀結(jié)構(gòu)，紀(jì)錄數(shù)據(jù)。

2.3 鋁電化學(xué)拋光表面質(zhì)量的評(píng)估測(cè)試

2.3.1 拋光金屬的損耗比α

拋光金屬的損耗比α表示，同一種金屬達(dá)到相同的光整程度時(shí)，損耗的金屬質(zhì)量與拋光前金屬質(zhì)量的百分比。損耗比α越小，說明拋光效率越高。其計(jì)算公式為：

式中：M--表示拋光前金屬的質(zhì)量；

--表示拋光后金屬的質(zhì)量；

2.3.2 金屬的拋光速率β

常用拋光速率β來衡量金屬在特定拋光參數(shù)的反應(yīng)速度。在保證拋光效果的前提下，拋光的試件數(shù)量越多，拋光速率β越大。拋光速度β的公式如下：

式中：M--表示拋光前金屬的質(zhì)量；

--表示拋光后金屬的質(zhì)量；

S--表示被拋光金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的面積；

t--表示拋光所用的時(shí)間。

2.3.3 金屬表面粗糙度檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)表面粗糙度的檢測(cè)通過JB-1c表面粗糙度儀。首先讓試件水平放在V型槽內(nèi)，讓金剛石探針放在試件表面，使用微調(diào)旋鈕讓試件保持水平，確定行程然后在拋光試件表面選取多處進(jìn)行測(cè)量，求平均值獲得金屬的表面粗糙度。

2.3.4 表面的光澤度測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用金屬試件表面與反射物垂直的方式對(duì)試件光澤度進(jìn)行測(cè)試，篩選出光澤度良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3.5 表面電子顯微鏡檢測(cè)如電子顯微鏡結(jié)構(gòu)圖（圖1）所示

3 試件的表面預(yù)處理實(shí)驗(yàn)

試取出已經(jīng)提前去除內(nèi)應(yīng)力、加工好的陽極金屬試件兩片，分別為標(biāo)號(hào)為試件a與試件b，試件a不采用任何處理，試件b采用2000目的砂紙用手輕輕打磨20下，然后交叉垂直輕輕打磨20下分別進(jìn)行試驗(yàn)觀察，進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。如實(shí)驗(yàn)前后圖（圖2）所示。

3.1 基礎(chǔ)拋光液的成分與濃度確定

由于金屬鋁屬于兩性金屬，所以常規(guī)鋁的基礎(chǔ)拋光液有磷酸-硫酸-鉻酸的酸性拋光液和碳酸鈉-磷酸三鈉的堿性拋光液。與酸的反應(yīng)方程式：

與堿的反應(yīng)方程式：

根據(jù)反應(yīng)方程式知：金屬鋁與堿性溶液反應(yīng)后生成難溶的沉淀，沉淀會(huì)附著在試件愛的表面影響反應(yīng)的持續(xù)性與平穩(wěn)性，除此之外還會(huì)對(duì)試件的清洗帶來麻煩。金屬鋁與酸性溶液反應(yīng)生成易溶于水的鹽與氫氣，對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響相對(duì)比較小，故本實(shí)驗(yàn)采用酸性拋光液。且硫元素的各種化合污染環(huán)境，基于環(huán)保的角度來考慮，因此本試驗(yàn)選擇“磷酸+硫酸”為基礎(chǔ)拋光液進(jìn)行探究。

3.2 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

初步得出金屬鋁試件電化學(xué)拋光的工藝參數(shù)范圍如表2所示：溫度85℃、磷酸與硫酸基液濃度體積比為7：3、時(shí)間1.5min--3min、電流密度1030、極間距離1mm--3mm。本實(shí)驗(yàn)為4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)具體的正交實(shí)驗(yàn)表格如表3正交試驗(yàn)質(zhì)量損耗比所示。

3.3 一維優(yōu)化方法（迭代法）如表4

首先給定一個(gè)約束條件表面粗糙度小于10即可。根據(jù)上述正交試驗(yàn)如圖3，最佳工藝參數(shù)在試驗(yàn)9附近。先比較試驗(yàn)9與試驗(yàn)12，除時(shí)間參數(shù)不同，其他工藝參數(shù)完全相同，觀察得出試驗(yàn)9優(yōu)于試驗(yàn)12，說明往試驗(yàn)12方向?qū)ふ沂遣徽_的；然后繼續(xù)比較試驗(yàn)9與試驗(yàn)11，極間距不同其他參數(shù)相同，粗糙度呈現(xiàn)現(xiàn)將趨勢(shì)，方向基本正確；然后比較試驗(yàn)10與試驗(yàn)11，觀察測(cè)量得出試驗(yàn)10的表面質(zhì)量最好，且粗糙度值為9nm。

3.4 試驗(yàn)裝置圖如試驗(yàn)裝置圖（圖4）所示

4 結(jié)論

通過對(duì)鋁電化學(xué)拋光工藝和拋光液配方進(jìn)行研究，試驗(yàn)出了拋光效果好、拋光效率高、無污染的鋁電化學(xué)拋光液配方和拋光工藝參數(shù)，系統(tǒng)分析了電化學(xué)拋光后各工藝參數(shù)對(duì)拋光效果的影響，以及電化學(xué)拋光后試件的表面微觀形貌、光澤度的變化等，研究出在“磷酸+硫酸+添加物”的體系下進(jìn)行鋁電化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)的最佳工藝為：溫度85℃、磷酸與硫酸基液濃度體積比為7：3、電流密度30、極間距離1mm、0Vol%的水體積比、時(shí)間3min、添加劑乙二醇16.7 Vol%、外加機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速600r/min。

“磷酸+硫酸+添加物”的工藝體系與傳統(tǒng)酸性鋁電化學(xué)拋光工藝相比，消除了鉻元素的污染，降低了生產(chǎn)成本，拋光電路導(dǎo)電性良好，對(duì)材料的適應(yīng)性好，拋光后溶液殘液容易去除，且得到的拋光表面質(zhì)量達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)鋁電化學(xué)拋光工藝，是值得推廣的環(huán)保綠色電化學(xué)拋光新工藝。

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