祝玉蘭，劉國(guó)棟，李 勇，佟 浩

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

在機(jī)械產(chǎn)品精密化、微型化的趨勢(shì)下，零件上的微細(xì)結(jié)構(gòu)加工需求日益增大，如微流體芯片模具的微流道、噴墨打印頭的微噴孔、摩擦副的表面織構(gòu)等。這些微細(xì)結(jié)構(gòu)往往是決定零件功能的關(guān)鍵部位，研究其加工技術(shù)在醫(yī)療器械、精密儀器等領(lǐng)域意義重大。不銹鋼材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能和抗腐蝕能力，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但實(shí)現(xiàn)不銹鋼無毛刺、無熱損傷、表面完整性好的微細(xì)結(jié)構(gòu)加工非常困難。

微細(xì)電解加工通過電化學(xué)反應(yīng)將金屬合金材料溶解為金屬離子，具有不受材料機(jī)械性能限制、表面質(zhì)量好、無熱影響區(qū)等優(yōu)勢(shì)，目前在不銹鋼微細(xì)孔、槽、三維結(jié)構(gòu)等微細(xì)結(jié)構(gòu)加工方面已有了初步探索。Kurita等[1]采用NaClO3電解液，在不銹鋼上加工出復(fù)雜的微三維結(jié)構(gòu)；Byun等[2]采用NaNO3電解液，在馬氏體不銹鋼440C上加工出陣列微坑表面織構(gòu)?，F(xiàn)有研究表明，加工電壓、電源脈沖頻率、電解液濃度等工藝參數(shù)對(duì)電解加工有直接影響，但未考慮微細(xì)電解加工尺度的特殊性，在高頻脈沖電源和鈍性電解液共同作用下，不銹鋼表面產(chǎn)生一層動(dòng)態(tài)消長(zhǎng)的納米級(jí)鈍化膜[3]，當(dāng)材料蝕除體積與其本征結(jié)構(gòu)尺寸相近時(shí)，不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)及其在不同電解液中的表面鈍化行為與腐蝕特性直接影響材料的蝕除速率和表面質(zhì)量。

Lee等[4]對(duì)鐵素體-奧氏體雙相碳鋼在酸性鹽溶液中的電化學(xué)分析表明，材料腐蝕特性與金相組織有明顯關(guān)系：奧氏體相腐蝕電位大于鐵素體相，鐵素體相腐蝕電位大于鐵素體-奧氏體雙相組織；該團(tuán)隊(duì)還用掃描電化學(xué)顯微鏡對(duì)鐵素體-馬氏體碳鋼進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)馬氏體相上的鈍化膜的電子導(dǎo)電性大于鐵素體相[5]。Iva等[6]對(duì)奧氏體合金鋼的研究表明，電解液成分對(duì)鈍化溶解過程有本質(zhì)影響。上述研究說明不銹鋼金相組織及電解液成分對(duì)材料表面腐蝕與鈍化行為具有顯著影響。劉國(guó)棟等[7]對(duì)不銹鋼304微細(xì)電解加工用電解液進(jìn)行了優(yōu)選研究，提高了材料蝕除效率，但在微細(xì)電解條件下，不銹鋼金相組織和電解液成分對(duì)材料蝕除速率和表面質(zhì)量的影響規(guī)律仍未揭示，尤其是不銹鋼工件金相組織與電解液成分間的匹配關(guān)系尚無研究定論。

本文分別選取工程應(yīng)用中4種典型的不銹鋼材料SUS440C、SUS430、S136H、SUS329J1和微細(xì)電解加工中常見的兩種鈍性電解液NaClO3、NaNO3及其混合溶液，以材料蝕除速率和表面質(zhì)量作為指標(biāo)，對(duì)比分析不銹鋼金相組織對(duì)微細(xì)電解加工材料蝕除速率與表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并總結(jié)不銹鋼金相組織與電解液成分間的匹配關(guān)系。

1 試驗(yàn)部分

1.1 微細(xì)電解加工裝置

圖1是研究室自行研制的微細(xì)電解加工實(shí)驗(yàn)裝置，主要由運(yùn)動(dòng)單元、控制單元、高頻脈沖電源和電解液供液?jiǎn)卧M成，還包括數(shù)字示波器等加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。在運(yùn)動(dòng)單元中，X/Y軸的運(yùn)動(dòng)分辨率為1μm、定位精度為±2μm、重復(fù)定位精度約±1μm；Z軸的運(yùn)動(dòng)分辨率為1μm、定位精度為±1μm。高頻脈沖電源輸出波形為方波，脈沖寬度最小為1μs，電壓分辨率為0.1 V，脈沖參數(shù)可在線連續(xù)調(diào)整。電解液供液?jiǎn)卧捎猛鉀_液供液方法，電解液從側(cè)向間隙沖入加工區(qū)域，可根據(jù)加工需求調(diào)節(jié)合適的流量大小和沖液壓力。

圖1 微細(xì)電解加工實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 材料和試劑

本研究選取相似金屬元素組成的4種典型不銹鋼材料，牌號(hào)分別為SUS440C、SUS430、S136H、SUS329J1，其金相結(jié)構(gòu)分別見圖2。其中，SUS440C為馬氏體組織，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)；SUS430為鐵素體組織，是碳溶解在α-Fe中的間隙固溶體，具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)；S136H為奧氏體組織，在基體上分布著顆粒狀的碳化物，是γ-Fe中固溶少量碳的固溶體，具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)；SUS329J1為奧氏體-鐵素體雙相合金組織，以鐵素體為基體，分布著小島狀?yuàn)W氏體，其中鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，奧氏體為55%。上述4種典型不銹鋼材料包括α-Fe和γ-Fe兩種晶格結(jié)構(gòu)，存在馬氏體、鐵素體、奧氏體三種單一金相組織不銹鋼和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，用以對(duì)比研究不同金相組織對(duì)微細(xì)電解加工的影響規(guī)律。

圖2 4種典型不銹鋼的金相組織

本研究以1 mol/L的NaClO3溶液和1 mol/L的NaNO3溶液為基礎(chǔ)電解液，將兩種溶液分別以1∶0、4∶1、1∶1、1∶4、0∶1的體積比混合得到5種典型電解液，后文分別以NaClO3、4NaClO3-1NaNO3、1NaClO3-1NaNO3、1NaClO3-4NaNO3、NaNO3電解液代指。5種電解液的總陰離子濃度相等，而陰離子濃度比c（NO3-）/c（ClO3-）不同，用以對(duì)比研究不同電解液中不銹鋼金相組織對(duì)微細(xì)電解加工的影響規(guī)律及不銹鋼金相組織與電解液成分的匹配關(guān)系。

1.3 工藝參數(shù)與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用的工具電極為直徑150μm的實(shí)心黃銅電極，并用聚酰亞胺絕緣套管對(duì)電極側(cè)壁進(jìn)行絕緣，絕緣層厚15μm。加工試驗(yàn)參數(shù)為脈寬5μs、脈間5μs、電壓峰值16 V，采用低壓接觸方法對(duì)刀，初始加工間隙為20μm，以單層掃描電解加工的方式進(jìn)行試驗(yàn)，橫向進(jìn)給速率為50μm/s，進(jìn)給長(zhǎng)度為1000μm。采用外沖液帶走電解產(chǎn)物，促進(jìn)電解液更新，沖液流量為80 mL/min。

對(duì)4種不銹鋼工件分別按上述工藝試驗(yàn)參數(shù)在5種電解液中進(jìn)行加工，每組重復(fù)5次。以S136H為例得到圖3a所示的加工結(jié)果，從上到下依次 是 在NaClO3、4NaClO3-1NaNO3、1NaClO3-1NaNO3、1NaClO3-4NaNO3、NaNO3電解液中加工得到的微細(xì)槽，從左到右同一條水平線上的微細(xì)槽是在同一種電解液下的重復(fù)數(shù)據(jù)。為了得到材料蝕除速率，在超景深顯微鏡下觀測(cè)加工特征，在200倍放大鏡下測(cè)得加工槽寬（圖3b）；為測(cè)量加工槽深，用硅橡膠印模材料對(duì)加工槽進(jìn)行倒模處理，得到加工槽的倒模結(jié)構(gòu)，截取倒模的橫截面在顯微鏡下觀察，并測(cè)得加工槽深（圖3c），進(jìn)而計(jì)算出材料蝕除速率。

圖3 S136H加工結(jié)果與加工槽寬、槽深測(cè)量

2 結(jié)果與分析

2.1 不銹鋼金相組織對(duì)材料蝕除速率的影響

圖4是在以NO3-為主要陰離子的電解液（NaNO3和1NaClO3-4NaNO3電解液）中的材料蝕除速率，總體速率變化規(guī)律為SUS440C>SUS430>SUS329J1>S136H。在NaNO3電解液中，與SUS440C相比，SUS430、SUS329J1、S136H的材料蝕除速率分別降低了8%、10%和28%?？傮w上，具有α-Fe的馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的材料蝕除速率高于具有γ-Fe的奧氏體不銹鋼。

圖4 以NO3-為主要陰離子的電解液材料蝕除速率

圖5是在以ClO3-為主要陰離子的電解液（NaClO3和4NaClO3-1NaNO3電解液）中的材料蝕除速率，總體速率變化規(guī)律為SUS440C

圖5 以ClO3-為主要陰離子的電解液材料蝕除速率

圖6是在1NaClO3-1NaNO3電解液中的不同金相組織不銹鋼的材料蝕除速率，變化規(guī)律為SUS440C>SUS430≈SUS329J1≈S136H。與SUS440C相比，SUS430、SUS329J1、S136H的材料蝕除速率分別降低了8%、12%和9%，可見混合電解液中的金相組織對(duì)材料蝕除速率影響不明顯。

圖6 混合電解液中的材料蝕除速率

圖7是在不同電解液中SUS329J1、S136H、SUS430的材料蝕除速率，可見SUS329J1的材料蝕除速率基本介于S136H和SUS430之間?？傮w上，具有α-Fe和γ-Fe兩種晶格結(jié)構(gòu)不銹鋼的材料蝕除速率介于α-Fe不銹鋼和γ-Fe不銹鋼之間。

圖7 在不同電解液中三種不銹鋼的材料蝕除速率

2.2 電解液成分對(duì)材料蝕除速率的影響

對(duì)于體心立方晶格結(jié)構(gòu)α-Fe（包括SUS440C和SUS430），在不同電解液中的材料蝕除速率見圖8。可見，隨著c（NO3-）/c（ClO3-）增加，材料蝕除速率呈明顯上升趨勢(shì)，SUS440C在NaNO3電解液中的材料蝕除速率比在NaClO3電解液中高78%，SUS430在NaNO3電解液中的材料蝕除速率比在NaClO3電解液中高53%?？傮w上，α-Fe結(jié)構(gòu)在NaNO3電解液中的材料蝕除速率更高。

圖8 α-Fe在不同電解液中的材料蝕除速率

對(duì)于面心立方晶格結(jié)構(gòu)γ-Fe的S136H，在不同電解液中的材料蝕除速率見圖9?？梢姡S著c（NO3-）/c（ClO3-）增加，材料蝕除速率總體呈下降趨勢(shì)，在4NaClO3-1NaNO3電解液中的材料蝕除速率最高，與NaNO3電解液相比材料蝕除速率提高33%。綜上，γ-Fe在NaClO3電解液中的材料蝕除速率更高。

圖9 γ-Fe在不同電解液中的材料蝕除速率

對(duì)于同時(shí)含有α-Fe和γ-Fe兩種晶格結(jié)構(gòu)的SUS329J1，在不同電解液中的材料蝕除速率見圖10?？梢?，隨著c（NO3-）/c（ClO3-）增加，材料蝕除速率變化不明顯?？傮w上，奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼SUS329J1在NaNO3電解液和NaClO3電解液中材料蝕除速率無明顯區(qū)別。

圖10 SUS329J1在不同電解液中的材料蝕除速率

2.3 電解液成分對(duì)不銹鋼表面質(zhì)量影響

圖11是4種金相組織不銹鋼工件的加工結(jié)果及其在純NaNO3、NaClO3電解液中的加工槽表面質(zhì)量，以表面粗糙度和加工產(chǎn)物殘留量為分析指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判，表面明度較高的加工槽對(duì)應(yīng)的表面質(zhì)量較好。其中，SUS440C和S136H在NaClO3電解液中表面質(zhì)量較好，SUS430在NaNO3電解液中表面質(zhì)量較好，SUS329J1在NaNO3和NaClO3電解液中的表面質(zhì)量無明顯區(qū)別，且在兩種電解液下的加工表面皆有明顯的雜散腐蝕現(xiàn)象。

圖11 不同金相組織不銹鋼工件加工結(jié)果及典型加工槽

2.4 金相組織不銹鋼與電解液成分匹配關(guān)系分析

對(duì)比以上分析結(jié)果可知，SUS430和S136H在材料蝕除速率較高的電解液中，同樣具有較好的表面質(zhì)量。鐵素體不銹鋼與NaNO3電解液具有較好的加工匹配特性，電解液優(yōu)選為NaNO3電解液；奧氏體不銹鋼與NaClO3電解液具有較好的加工匹配特性，電解液優(yōu)選為NaClO3電解液。

SUS440C在NaClO3電解液中加工表面質(zhì)量更好，但與NaNO3電解液相比，材料蝕除速率下降了44%。因此，馬氏體不銹鋼與NaNO3電解液材料蝕除速率匹配特性較好，當(dāng)優(yōu)先考慮加工效率時(shí)，電解液優(yōu)選為NaNO3電解液；而與NaClO3電解液加工表面質(zhì)量匹配特性較好，當(dāng)優(yōu)先考慮表面質(zhì)量時(shí)，電解液優(yōu)選為NaClO3電解液。奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼在不同電解液中，材料蝕除速率和表面質(zhì)量均無明顯區(qū)別，對(duì)NaNO3電解液和NaClO3電解液無明顯的優(yōu)先匹配特性。

3 結(jié)論

不銹鋼金相組織與電解液成分對(duì)微細(xì)電解加工有明顯影響，通過對(duì)比不銹鋼金相組織和電解液成分對(duì)微細(xì)電解加工材料蝕除速率與表面質(zhì)量的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）在不同電解液中，不銹鋼金相組織對(duì)材料蝕除速率影響不同。在以NO3-為主要陰離子的電解液中，不同金相組織不銹鋼的材料蝕除速率變化規(guī)律為SUS440C>SUS430>SUS329J1>S136H，與以ClO3-為主要陰離子的電解液中的材料蝕除速率變化規(guī)律相反。

（2）馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼與NaNO3電解液具有較好的材料蝕除速率匹配特性，奧氏體不銹鋼與NaClO3電解液具有較好的材料蝕除速率匹配特性，而奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的材料蝕除速率基本介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，對(duì)NaNO3電解液和NaClO3電解液不具有明顯的選擇匹配特性。

（3）奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼分別與NaClO3電解液、NaNO3電解液具有較好的加工匹配特性；馬氏體不銹鋼在NaClO3電解液中表面質(zhì)量較好，在NaNO3電解液中材料蝕除速率更高。