超薄不銹鋼基材連續(xù)電解拋光工藝的優(yōu)化

楊希明*，侯章壘

（富士康科技集團富頂精密組件(深圳)有限公司，廣東 深圳 518110）

【工藝開發(fā)】

超薄不銹鋼基材連續(xù)電解拋光工藝的優(yōu)化

楊希明*，侯章壘

（富士康科技集團富頂精密組件(深圳)有限公司，廣東 深圳 518110）

從拋光液組分配比、溫度、陽極電流密度以及陰陽極材料、保養(yǎng)周期和保養(yǎng)方法6個方面對0.07 mm厚的超薄不銹鋼材料連續(xù)電解拋光工藝進行了優(yōu)化，得到最佳拋光液配方為：濃磷酸700 mL/L，濃硫酸250 mL/L，復(fù)合添加劑(含40 mL/L明膠和7.5 mL/L甘油的異丙醇溶液)50 mL/L。最佳操作條件為：陽極電流密度18 ～ 50 A/dm2，溫度60 ～ 80 °C，時間2 ～ 3 min，陰陽極間距50 mm，以鈦制作的陰極板、輔助陽極導(dǎo)電塊、導(dǎo)電輪和導(dǎo)電輪固定桿的保養(yǎng)周期分別為3、48、1 440和3 h。給出了生產(chǎn)過程中常見故障的排除方法。該工藝對超薄不銹鋼零件邊緣裁切面毛刺及表面的拋光效果完全滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

不銹鋼；連續(xù)電解拋光；毛刺；粗糙度；反射率；故障排除

電解拋光(簡稱電拋)是特殊的表面光整加工處理技術(shù)之一，已廣泛應(yīng)用于金屬制品表面去除毛刺及外觀精飾拋光。1911年俄國人許賓塔斯基首先提出并使用陽極光亮法，法國人Jaquet進行了深入的研究并于1936年提出了著名的黏膜層理論[1]。該技術(shù)在長期的生產(chǎn)實踐中不斷地被改進和優(yōu)化，現(xiàn)已日趨完善和成熟，在手機電子接插件、機械制造、航天航空、醫(yī)藥器械、食品加工等行業(yè)要求嚴格控制材料表面品質(zhì)及光潔度的領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。拋光材料主要有純金屬、鐵錳合金、合金鋼、碳鋼、貴金屬、有色金屬及其合金等?，F(xiàn)不銹鋼電解拋光生產(chǎn)主要采用掛件生產(chǎn)方式，材料厚度規(guī)格多在0.1 ～ 10 mm范圍內(nèi)。掛件拋光的缺點是效率低及成本高，而卷對卷連續(xù)電解拋光因可以大幅度提高效率并降低成本而倍受生產(chǎn)企業(yè)青睞。連續(xù)電拋與掛件電拋雖原理相同，但操作條件和工藝參數(shù)相差甚遠。卷對卷連續(xù)電解拋光若沿用掛件拋光的工藝技術(shù)參數(shù)和操作條件，并不能達到理想的效果，因此需要對工藝參數(shù)和操作條件進行改進和優(yōu)化。隨著手機產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，手機防磁不銹鋼片金屬零件朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展，而不銹鋼零件在沖壓裁切過程中，裁切面易產(chǎn)生毛刺，需對其表面進行去除毛刺的電解拋光處理。國內(nèi)外針對厚度在0.1 mm以下的超薄不銹鋼電解拋光工藝的研究報道幾乎為空白，連續(xù)電拋生產(chǎn)方式亦極為少見。由于電解拋光的機理至今尚不完善，無法從理論上直接推導(dǎo)出最佳操作參數(shù)[2]，因此需要在生產(chǎn)實踐中通過試驗不斷地進行探索、改進、優(yōu)化，確定適合產(chǎn)品特點的最佳工藝技術(shù)參數(shù)，從而確保產(chǎn)品獲得良好的拋光效果，讓企業(yè)實現(xiàn)顯著的經(jīng)濟效益。

本文在借鑒傳統(tǒng)掛件電拋工藝所用拋光液配方及操作條件基礎(chǔ)上，在連續(xù)電拋生產(chǎn)線上通過正交試驗及小批量生產(chǎn)的方式，對超薄不銹鋼基材電解拋光工藝的參數(shù)進行了優(yōu)化，摸索出能夠滿足手機超薄不銹鋼零件基材電解拋光的工藝參數(shù)，力爭填補此項技術(shù)的國內(nèi)外空白，旨在為國內(nèi)外電拋企業(yè)實現(xiàn)各類型基材的連續(xù)電拋生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 實驗

1. 1 工藝流程

基線上線放料→電解除油→酸洗→超聲波清洗→電化學拋光→酸洗→超聲波清洗→烘干→收料→檢驗與包裝。

1. 2 試驗材料、配方與儀器

(1) 不銹鋼基材試片：長10 mm、寬5 mm、厚0.07 mm，SUS304。

(2) 濃硫酸：質(zhì)量分數(shù)為98%，工業(yè)級。

(3) 濃磷酸：質(zhì)量濃度為85%，工業(yè)級。

(4) 復(fù)合添加劑：由40 mL/L明膠和7.5 mL/L甘油均勻溶解于952.5 mL/L異丙醇中制成。

(5) 水基脫脂劑：由50 g/L工業(yè)級氫氧化鈉和10 mL/L復(fù)合表面活性劑均勻混合而成。

(6) 酸洗液：體積分數(shù)為20%的工業(yè)硫酸。

(7) 華浩森直流整流器：0 ～ 12 V，0 ～ 200 A。

(8) PP材質(zhì)試驗槽：長300 mm，寬300 mm，高300 mm。

(9) 陰極板及輔助陽極板：高純鈦材質(zhì)，長290 mm、寬150 mm、厚5 mm。

(10) 鐵氟龍加熱器：220 V，1.5 kW·h。

(11) 美能達M-3700A-U型反射率測定儀。

1. 3 試驗過程

1. 3. 1 最佳操作條件的確定

1. 3. 1. 1 陽極電流密度

電解拋光液由濃硫酸、濃磷酸、復(fù)合添加劑按14∶5∶1的體積比配制，以待拋光的0.07 mm厚不銹鋼試片為陽極，高純鈦片為陰極，拋光液溫度為60 °C，移動陽極試片，在電流密度1 ～ 50 A/dm2范圍內(nèi)電解拋光2 min，記錄對應(yīng)的電壓并觀察陽極試片表面外觀，測量表面粗糙度及目視檢測模具裁切面毛刺的去除情況。

1. 3. 1. 2 槽液溫度

按照上述條件在15 A/dm2之下電解拋光2 min，拋光液溫度為20 ～ 120 °C之間，每間隔10 °C進行一次拋光試驗，觀察陽極試片表面外觀，測量表面粗糙度，目視檢測模具裁切面毛刺的去除情況。

1. 3. 1. 3 拋光時間

按照上述條件分別拋光1、2、3、4、5、6和7 min，觀察陽極試片表面外觀，并測量表面粗糙度及目視檢測模具裁切面的毛刺去除情況。

1. 3. 1. 4 陰極與輔助陽極的材質(zhì)及保養(yǎng)周期

按照上述條件分別采用鉛板、高純鈦板、不銹鋼板作為陰極與輔助陽極進行驗證，在連續(xù)生產(chǎn)中直接考察使用壽命、使用效果以及保養(yǎng)方式和保養(yǎng)周期。

1. 3. 2 最佳電拋液配方的確定

依上述試驗得到的最佳工藝條件，通過Minitab軟件進行試驗設(shè)計(DOE)，以濃硫酸、濃磷酸及復(fù)合添加劑的用量為因素，以工件反射率為指標，從而確定最佳電拋液配方。

2 結(jié)果與討論

2. 1 操作條件對電解拋光質(zhì)量的影響

2. 1. 1 陽極電流密度對拋光質(zhì)量的影響

表1示出了不同陽極電流密度(Ja)下超薄不銹鋼基材在磷酸-硫酸-復(fù)合添加劑溶液體系中電解拋光2 min后的陽極電位(φa)及拋光效果。結(jié)果顯示，當陽極電流密度達到18 A/dm2，就可以獲得良好的拋光效果，即拋光后工件外觀及裁切面毛刺均符合品質(zhì)要求。

表1 不同陽極電流密度下超薄不銹鋼在硫酸-磷酸-復(fù)合添加劑電解拋光溶液中的陽極電位及拋光效果Table 1 Anodic potential of ultrathin stainless steel in sulfuric acid-phosphoric acid-composite additive electrolyte at different anodic current densities and the results of electropolishing

2. 1. 2 溫度對拋光質(zhì)量的影響

溫度(θ)對電解拋光效果的影響見表2。溫度低于50 °C時，拋光效果不明顯。隨著溫度逐步升高，陽極溶解不斷加快，并促使陽極表面形成一層固體膜，從而有效地提高了工件表面的光亮度及邊緣裁切面的毛刺去除效果。試驗結(jié)果顯示，60 ～ 80 °C時拋光效果最佳。過高的溫度會致使陽極周圍的液體沸騰而起泡，從而破壞了陽極表面的固體膜，導(dǎo)致陽極表面凸凹處的金屬遭受不同程度的腐蝕，使得陽極表面反射率[ρ(λ)]下降。從節(jié)能方面考慮，選擇60 °C為最佳拋光溫度。

表2 不同電解拋光溫度下的工件反射率與毛刺情況Table 2 Reflectance and burr formation of workpiece after electropolishing at different temperatures

2. 1. 3 拋光時間對拋光質(zhì)量的影響

表3顯示了拋光時間(t)對拋光質(zhì)量的影響?？梢姃伖鈺r間不僅影響工件反射率，而且直接影響工件裁切面毛刺去除效果。拋光2 ～ 3 min的效果最佳，不僅反射率增加，而且毛刺去除效果最好。隨著時間進一步延長，電拋效果急劇下降，主要是因為表面腐蝕程度加劇，導(dǎo)致工件表面反射率下降。連續(xù)電解拋光時間由工件料帶陽極移動速率決定。從提升生產(chǎn)效率方面考慮，選擇2 min作為最佳電拋時間為宜。

表3 電解拋光不同時間后工件的反射率與毛刺情況Table 3 Reflectance and burr formation of workpiece after electropolishing for different time

2. 1. 4 陰極和輔助陽極材料對拋光質(zhì)量的影響

陰極、輔助陽極導(dǎo)電塊、料帶傳動導(dǎo)電輪及導(dǎo)電輪固定桿材料的種類直接影響到電解拋光的質(zhì)量，表4為不同材料的使用可行性綜合評價結(jié)果。高純鈦材的綜合評價排名第一，鉛板第二，316不銹鋼排名第三。電拋生產(chǎn)線應(yīng)優(yōu)先選用高純鈦板作為陰極板和輔助陽極材料。

表4 不同材料作為陰極與輔助陽極使用時的綜合性能評價Table 4 Comprehensive performance evaluation of different materials used as cathode and auxiliary anode

2. 1. 5 陰陽極間距對拋光質(zhì)量的影響

陰陽極間距(D)對拋光質(zhì)量的影響見表5。D = 10 ～ 30 mm時，氣泡逸出過多，且工件光亮度低，因而不宜采用；D = 40 ～ 50 mm時，氣泡逸出量逐漸降低至適量，工件表面反射率和去除毛刺程度能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求；D = 60 ～ 70 mm時，雖然逸出的氣泡適量，但拋光質(zhì)量嚴重下降。因此，陰陽極間距應(yīng)保持在50 mm左右。

表5 陰陽極距離對電解拋光質(zhì)量的影響Table 5 Effect of the distance between cathode and anode on electropolishing quality

2. 1. 6 輔助陽極與陰極的保養(yǎng)方法和保養(yǎng)周期對拋光質(zhì)量的影響

連續(xù)電解拋光的陽極導(dǎo)電面積與掛件拋光不同，其導(dǎo)電性也存在差別。如果在料帶運行過程中不增加輔助陽極來增大導(dǎo)電面積，會造成導(dǎo)電輪與料帶之間產(chǎn)生大量的電火花而致使料帶燒斷。在生產(chǎn)中解決此技術(shù)難題的方法是：在料帶與導(dǎo)電傳動輪之間增加鈦陽極輔助導(dǎo)電塊，以降低陽極電流密度。但輔助陽極導(dǎo)電塊和導(dǎo)電傳動輪及其固定桿均屬陽極，在電拋過程中會產(chǎn)生氧化層而致使導(dǎo)電性能變差，需定期對其進行去氧化膜保養(yǎng)。通常使用機械拋光或油石打磨以去除氧化層，確保陽極導(dǎo)電性良好。具體方法為：

(1) 使用粗砂油石打磨去除輔助陽極導(dǎo)電塊表面的氧化膜。

(2) 使用車床局部拋光料帶接觸導(dǎo)電傳動輪表面的氧化膜。

(3) 使用氣動砂輪去除導(dǎo)電傳動輪固定桿表面的氧化膜。

至于陰極板，由于在電解過程中電拋液里的金屬雜質(zhì)粘附其上，陰陽極系統(tǒng)間的導(dǎo)電效果會變差，因此也需要定期保養(yǎng)。方法為：用水清洗及用抹布擦拭掉陰極板表面粘附的雜質(zhì)。

表6示出了陰極板、輔助陽極導(dǎo)電塊、導(dǎo)電傳送輪及導(dǎo)輪固定桿的保養(yǎng)周期(T)與拋光后工件反射率之間的關(guān)系。

表6 陰極板、輔助陽極導(dǎo)電塊、導(dǎo)電傳送輪及導(dǎo)輪固定桿的保養(yǎng)周期對電解拋光后工件反射率的影響Table 6 Effect of maintenance cycle for cathode plate, conductive block of auxiliary anode, conductive roller and guide rod onelectropolishing quality

輔助陽極導(dǎo)電塊每1 ～ 3 h保養(yǎng)一次時，工件反射率為86.5% ～ 84.6%，外觀質(zhì)量比較穩(wěn)定，當其保養(yǎng)周期延長至每4 ～ 6 h一次時，工件反射率降為26.3% ～ 5.6%，外觀質(zhì)量急劇下降，故選擇每6 h一次為最佳保養(yǎng)周期。

導(dǎo)電傳動輪每24 ～ 48 h保養(yǎng)一次時，工件反射率高達85.6% ～ 84.2%，外觀質(zhì)量能保持穩(wěn)定，但當其保養(yǎng)周期為每72 ～ 144 h一次時，工件反射率降為15.6% ～ 4.3%，外觀質(zhì)量急劇下降，故選擇每48 h一次為最佳保養(yǎng)周期。

導(dǎo)電傳動輪固定桿每720 ～ 1 440 h保養(yǎng)一次時，工件反射率可達87.1% ～ 82.5%，拋光質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定，但當其保養(yǎng)周期延長至2 160 ～ 2 880 h一次時，工件反射率下降至21.6% ～ 13.2%，拋光質(zhì)量嚴重下降，因此選擇每1 440 h保養(yǎng)一次較為合適。

當陰極板的保養(yǎng)周期為每1 ～ 3 h一次時，工件反射率高達88.2% ～ 83.4%，拋光質(zhì)量能持續(xù)穩(wěn)定，但當其每4 ～ 6 h才保養(yǎng)一次時，工件反射率下降至32.1% ～ 17.8%，拋光質(zhì)量嚴重下降，因此選擇每4 h一次的保養(yǎng)周期。

2. 2 電解拋光液的組成對電解拋光質(zhì)量的影響

磷酸在電化學拋光過程中能促使不銹鋼陽極表面產(chǎn)生一層阻止其溶解的膜，并提高陽極極化，使拋光面獲得鏡面光亮效果。磷酸含量偏高時，電拋液的電阻增大，黏度提高，陽極電壓偏高，致使整平過程遲緩；磷酸含量偏低時，活化效果不佳，造成工件表面腐蝕不均勻[3]。

硫酸是電解拋光液的主要成分，能促使陽極較快地溶解。其含量高時，拋光速率快，工件表面光亮度好，但活化傾向增大，易造成拋光表面過腐蝕，呈現(xiàn)密集的麻點；其含量過低時，拋光速率緩慢，工件表面光亮度變差，將出現(xiàn)嚴重的不均勻腐蝕[3]。

所用的一劑型市售復(fù)合添加劑是一種含有明膠和甘油的異丙醇溶液。甘油同時具備2種緩蝕的機理，除了能直接吸附在陽極表面，起緩蝕作用之外，還能與磷酸一起在陽極表面形成一層牢固的阻止膜，抑制陽極溶解，使拋光表面光亮細致。其含量不足時，雖拋光面光亮，但表面粗糙度高；其含量較高時，拋光面光亮而細致，但產(chǎn)生的泡沫增多會影響操作[3]。明膠主要對陽極起光亮作用，含量過低時達不到理想的光亮效果，含量過高時表面又會發(fā)霧。

通過Minitab軟件的DOE來優(yōu)化拋光液各成分的用量，陽極電流密度固定在18 A/dm2，溫度為60 °C，陰陽極間距5 mm，陰極板、輔助陽極導(dǎo)電塊、導(dǎo)電傳動輪、導(dǎo)輪固定桿均采用鈦材料新制，拋光時間2 min，采用三因素兩水平加三中心點，重復(fù)3次試驗，共需完成27次試驗，結(jié)果見表7。各因素對工件表面反射率影響的顯著性見表8?？梢?個一階因素及二因素、三因素的交互作用均顯著(P值小于0.05)，模型有效及曲線不彎曲。最優(yōu)試驗組合為：濃磷酸700 mL/L，濃硫酸250 mL/L，復(fù)合添加劑50 mL/L。在上述條件下的3次驗證試驗均獲得比較光亮的工件外觀，且裁切面不存在毛刺，工件反射率分別為89.4%、89.6%和89.5%（與表7中第2、5及10組試驗的結(jié)果相吻合)，其平均值落入95%置信區(qū)間(89.237 1,89.650 8)內(nèi)，表明結(jié)果正常且可信度較高。

表7 使用Minitab軟件設(shè)計的電解拋光正交試驗方案及測試結(jié)果Table 7 Orthogonal test design and result of electropolishing by using Minitab software

表8 工件反射率與濃磷酸、濃硫酸、復(fù)合添加劑體積分數(shù)的因子回歸方差分析Table 8 Analysis of variance for the regression of reflectance of workpiece on volume factions of concentrated phosphoric acid, concentrated sulfuric acid and composite additive as factors

2. 3 連續(xù)電解拋光工藝常見故障分析及其排除方法

(1) 工作局部燒焦：電流密度偏高所致，應(yīng)檢查并調(diào)整電流。

(2) 工件打火燒斷：只因陰極板及輔助陽極導(dǎo)電塊、導(dǎo)電傳動輪、固定桿產(chǎn)生氧化膜，嚴重影響導(dǎo)電性，應(yīng)檢查并保養(yǎng)，去除氧化膜。

(3) 工件不發(fā)亮而發(fā)霧：電拋液比例失調(diào)所致，應(yīng)分析后調(diào)整或更換。

(4) 電拋液體積增加：濃硫酸在空氣中吸水所致，應(yīng)對拋光槽液加蓋并蓋緊。

3 結(jié)語

本文得到的最佳拋光液配方和操作條件已在連續(xù)電解拋光生產(chǎn)線上大量生產(chǎn)了近2年時間，自投產(chǎn)以來累積生產(chǎn)了1.8億個超薄手機不銹鋼關(guān)鍵零部件，成功地將連續(xù)電解拋光從實驗室小試變?yōu)樯a(chǎn)線量產(chǎn)。此項工藝開發(fā)的應(yīng)用填補了該領(lǐng)域國內(nèi)外空白，該電解拋光工藝在實際生產(chǎn)管理過程中穩(wěn)定性良好，產(chǎn)品良品率平均可達99.7%以上，完全能滿足業(yè)界主要手機生產(chǎn)廠家對不銹鋼零部件的拋光品質(zhì)要求。

[1] 張居生. 不銹鋼電解拋光工藝的研究與工業(yè)應(yīng)用[J]. 腐蝕與防護, 2001, 22 (11): 498-499, 502.

[2] 張素銀, 杜凱, 譫加軍, 等. 電解拋光技術(shù)研究進展[J]. 電鍍與涂飾, 2007, 26 (2): 48-50, 53.

[3] 段欣生, 陳蓉, 王燦輝. 不銹鋼保持架的電解拋光工藝[J]. 軸承, 2009 (6): 17-19.

[ 編輯：溫靖邦 ]

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Optimization of continuous electropolishing process for ultrathin stainless steel

YANG Xi-ming*, HOU Zhang-lei

The continuous electropolishing for ultrathin stainless steel with a thickness of 0.07 mm was optimized from the aspects of bath composition, temperature, anodic current density, as well as material and maintenance cycle and method of cathode and anode. The optimized electropolishing bath is composed of concentrated phosphoric acid 700 mL/L, concentrated sulfuric acid 250 mL/L, and composite additive (an isopropyl alcohol solution containing 40 mL/L of gelatin and 7.5 mL/L of glycerol) 50 mL/L. The most suitable operating conditions are as follows: anodic current density 18-50 A/dm2, temperature 60-80 °C, anode-to-cathode distance 50 mm, and reaction time 2-3 min. The cathode plate, conductive block of auxiliary anode, conductive roller and conductive guide rod are recommended to be made of titanium and maintained every 3, 48, 1 440 and 3 hours, respectively. The countermeasures for some common troubles in production process were given. The removal of burrs on cut edge and the surface polishing effect by the process can fully meet the quality requirement of ultrathin stainless steel parts.

stainless steel; continuous electropolishing; burr; roughness; reflectance; troubleshooting

FUDING Precision Components (Shenzhen) Co., Ltd., Foxconn Technology Group, Shenzhen 518110, China

10.19289/j.1004-227x.2017.13.005

TG175

：A

：1004 - 227X (2017) 13 - 0689 - 07

2017-03-18

2017-06-07

楊希明（1969-），男，陜西嵐皋人，本科，工程師，主要從事電子接插件表面處理工藝技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) ycm2000@126.com。