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不锈钢表面抛光技术的研究进展

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-28  浏览次数:682
核心提示:  不锈钢具有耐蚀、耐磨等优点,被广泛应用于航 天、海洋、核能和石化等领域[1-2J 。随着人民生活水 平的不断提高,人们对不锈
   不锈钢具有耐蚀、耐磨等优点,被广泛应用于航 天、海洋、核能和石化等领域[1-2J 。随着人民生活水 平的不断提高,人们对不锈钢制品的需求量日益扩大,对其麦厨色彩的要求也在不断提高阳。不锈钢 着色技术的开发与研究满足了这一需求,该技术可 使不锈钢表面形成各种不同色彩的着色层,且其耐 蚀性和耐磨性优良。不锈钢表面的微观结构对着色 层的结合力、色彩的均匀性和制品的粗糙度有显著 的影响,因此,正确的前处理是获得具有优质着色层 的不锈钢制品的必要条件。

  不锈钢表面往往有一层灰色的氧化膜或毛刺, 需对其进行抛光处理,通常采用机械抛光、化学抛光 及电化学抛光等。机械抛光是对不锈钢表面进行整 平处理的机械加工过程。机械抛光的整平性较好, 但其具有劳动强度大、光泽保持时间不长、复杂件无 法加工等缺点,因此,只适用于简单的中小件产 品刊。下面将重点介绍不锈钢的化学抛光、电化学 抛光和复合抛光。

  1 化学抛光

  化学抛光是不锈钢表面在化学抛光液中的化学 浸蚀过程。不锈钢表面上微观凸起处在化学抛光液 中的溶解速率比微观凹下处的大得多,结果逐渐被 整平而获得平整、光亮的表面。

  1.1 化学抛光液的主要成分和典型工艺 不锈钢化学抛光液大都含有腐蚀剂、氧化剂、添加剂(如黠度调节剂、酸雾抑制剂、光亮剂等)和水。 腐蚀剂是主要成分,如果不锈钢在溶液中不能溶解, 抛光便不能进行;氧化剂和添加剂可抑制腐蚀过程, 使反应朝有利于抛光的方向进行;水对溶液的浓度起调节作用,便于反应产物的扩前3610

  目前,国内外的不锈钢化学抛光液基本可分为 王水型溶液、硫酸型溶液、磷酸型溶液、醋酸型和过 氧化氢型溶液等[7 J 。

  (1)王水、郭贤烙等研究了不锈钢低温化学抛光工艺, 其抛光液组成及工艺条件为:盐酸 120160m L/L ,硝酸 50 60 mL/ L ,磷酸 90 120 mL/ L ,添加剂 16 20 mL/ L ,抑制剂 8 10 mL/L ,缓蚀剂 812 mL/ L,水余量,50 70 oC ,46 min。以该工 艺对不锈钢进行化学抛光,可获得光亮的表面。姚 庆峰等问研究了不锈钢室温化学抛光工艺,其抛光 液组成及工艺条件为:盐酸 120 180 mL/ L ,硝酸15 35 mL / L,磷酸 25 50 mL/ L ,复合缓蚀剂 15 g / L ,光亮剂 35 g / L ,水溶性聚合物 2040g/ L ,15 40 oC ,12 48 h。以该工艺对各种奥氏体 不锈钢进行化学抛光,可获得满意的抛光效果。Oda N 等研发了一种不锈钢化学抛光工艺, 其抛光液的组成为:磷酸 145 580 g / l,硝酸 1785 g / L ,盐酸 16 80 g / L,磺基水杨酸 1 10 g / L,

  以及少量的水榕性高分子、芳香族氨基化合物、表面活性剂、木质素磺酸等。以该工艺对不锈钢进行化 学抛光,取得了良好的抛光效果。Muld等在 盐酸-硝酸体系化学抛光液中加入了一种季镀盐类 表面活性剂,大大提高了抛光效果。

  王水型溶液的特点是盐酸的浓度高,对不锈钢 有很强的腐蚀性,对于去除其表面的氧化物有很好 的效果;但该、溶液容易过腐蚀金属,使其表面钝化, 反而起不到抛光效果,不适用于光亮不锈钢表面的微整形。

  (2) 硫酸型溶液 周永璋等[5J研究了不锈钢化学抛光工艺,其抛光液组成及工艺条件为:硫酸 20 % 30 % ,硝酸3 %6 % ,添加剂 3 %6 % ,水余量,60 70 oC ,

  35 min o 以该工艺对不锈钢进行化学抛光,取得 了较好的抛光效果,且成本较低。硫酸型溶液具有 较强的钝化能力,为了保证反应的正常进行,必须加 入其他助剂;同时零件必须在浓盐酸中活化,若清洗 效果不好,便会很快产生一层灰色的氧化膜。

  (3) 磷酸型溶液

  姚颖悟等研发了一种磷酸体系的元烟不锈 钢化学抛光工艺,其抛光液组成及工艺条件为:磷酸120 mL/ L,硝酸铀 60 g/L,盐酸 60 mL/ L,添加剂15 mL/L,60 oC ,m3 in o 以该工艺对 304 不锈钢 进行化学抛光,取得了良好的抛光效果。朱立群 等[18J 提出了一种 3Cr13 不锈钢化学抛光工艺,其抛 光液组成为:磷酸 100120 mL/ L,硫酸 80 mL/ L, 氯化铀 40 g/L,硝酸铀 90110 g / L,表面活性剂 J10 g/L,缓蚀剂 H 6 g/L,稳定剂 C 25 g/L,光亮剂B 25 g/L。采用该工艺对不锈钢进行抛光,可获得 较好的抛光效果。

  (4) 醋酸型和过氧化氢型溶液

  笔者在实验室针对 201 及 304 不锈钢,研发了一种醋酸型化学抛光工艺,其抛光液组成及工艺条 件为:醋酸,硫酸,表面活性剂,水,50 60 oC ,5 8 mm。采用该工艺对 201 及 304 不锈钢进行化学抛 光,可取得较好的抛光效果。陈步荣等[19J 研究了不 锈钢常温化学抛光工艺,其抛光液组成及工艺条件 为:双氧水 2300 mL/ L,盐酸 2300 mL/ L,添加剂 20 30 mL/ L,水 200 mL/ L。该工艺具有配方简单且成本较低等优点。 醋酸对不锈钢的腐蚀很微弱,抛光效果不佳;过氧化氢对不锈钢也没有腐蚀能力,经常和王水、氢氟酸或盐酸混合使用才能产生抛光效果,且过氧化氢容易分解,溶液需要经常调整 oJ 。

  1.2 环保型化学抛光工艺 环保型化学抛光工艺的发展方向为:一是采用无毒或低毒性物质作为抛光液的主要成分,如草酸、 双氧水、拧穰酸等;二是尽量选择高效的抛光液成 分,减少药品的用量。

  苏静康研发了一种不锈钢酸洗抛光工艺,其 抛光液组成及工艺条件为:拧棱酸(或草酸)180200 g/L,硫腮 10 15 g/L,OP-10 乳化剂 1015mL/ L,50 65 oC,35 min。采用该工艺能使不锈 钢表面洁净、光亮,解决了因抛光或电解引起的表面 泛白、发花等现象,特别是水迹大大减少。

  牟培兴研究了手表轴齿的化学抛光工艺,其抛光液组成及工艺条件为:草酸 12.5 g/L,双氧水62 mL/ L,硫酸 0.1 g/L,渗透剂 T 5 mL/ L,50 oC,15 20 50 经化学抛光后的手表轴齿再进行滚抛, 能提高其精饰质量,达到产品的质量要求。

  化学抛光具有投资少、适用于复杂件、速率快、 效率高、耐蚀性好等优点;但其同时具有光亮度差、 有气体溢出、需要通风设备、加热困难等缺点。因 此,化学抛光适用于复杂件、小零件及光亮度要求不 高的产品归。

  2 电化学抛光

  电化学抛光是以被抛光工件作为阳极,不溶性金属或惰性导体作为阴极,两电极同时浸入特定的 电解液中,通直流电而产生有选择性的阳极溶解,达 到整平金属 表面并使之产生金属光泽 的加 工过程。

  2.1 电化学抛光液的典型配方

  电化学抛光液的作用是显著提高不锈钢表面的光亮度及整平性,其主要有磷酸硫酸体系和 铭酸-磷酸体系。目前使用较多的是磷酸-硫酸体 系,其配方比例对抛光效果有重要影响。

  电化学抛光液的组成及工艺条件为:磷酸 600mL/ L,硫酸 300 mL/ L,甘油 30 mL/ L,糖精 1g/ L,阳极电流密度 30 60 A / dm2 ,58 min。磷酸 是保证电化学抛光正常进行的主要成分,其体积分 数过高时,教度提高,减缓整平速率;其体积分数过 低时,活化倾向大,钝化倾向小,导致不锈钢表面出 现不均匀腐蚀。硫酸是活化剂,其体积分数过高时, 不锈钢表面出现过腐蚀;其体积分数过低时,不锈钢 表面出现严重的不均匀腐蚀。磷酸与甘油能形成 C3 H5 (OH) 2 P04 配位物,这种配位物的金属衍生物可以形成复杂的磷酸盐膜,能防止电化学抛光液对不锈钢在不通电条件下的腐蚀。

  Leonardo S 等用一种原着色溶液对 304 不 锈钢进行电化学抛光,其抛光液组成及工艺条件为: 三氧化铅 2 . 5 mol / L,硫酸 5.0 mol/L,25 A/ dm2 ,45 .C ,10 min。以该工艺抛光后的不锈钢表面均 匀,几乎没有任何粗糙的痕迹。

  李广武等采用在磷酸-硫酸体系中添加高分 子聚乙二醇的电化学抛光工艺,其抛光液组成及工 艺条件为:磷酸 500 g/ L,硫酸 130 g/ L,聚乙二醇130 g/ L,甘油 30 g / L,阳极电流密度 815A/ dm2 ,75 95 .C 。研究结果表明:聚乙二醇能有 效地形成黠膜,显著提高不锈钢电化学抛光的效果。

  郭贤烙等[叫研究了工艺条件对电化学抛光质量的影响,确定了抛光液组成及工艺条件为:磷酸300 mL/ L,硫酸 180 mL/ L,锚西 10 g / L,添加剂12 mL/ L,阳极电流密度 70 A/ dm2 ,40 50 .C ,58 min,S阴饭 :S阳极 =2: 1 ,阴极材料采用不锈钢。

  Chi C L 等[叫研究了甘油的质量浓度、温度及 电流密度对不锈钢表面粗糙度的影响,并提出了一 种通过这三种因素控制抛光质量的机理。抛光液由 混酸和甘油分别以体积比为 75 : 25 和 65 : 35 两种 比例组成,温酸由质量分数为 85 %的浓磷酸和质量 分数为 97 %的浓硫酸预先握合而成。研究结果表 明:高温容易使抛光表面变得粗糙,甘油的质量浓度 对抛光质量有重要的影响。

  2.2 环保型电化学抛光工艺

  目前,研究人员已研制出无锚、甚至无磷的电化学抛光工艺[30-3 I J :硫酸 50 %,甘油 40 % ,水 10 % , 阳极电流密度 21000 A/ dm2 ,8900 .C ,130 mm。以该工艺对不锈钢进行电化学抛光,可获得 较好的抛光效果;但调整再生较难,适用于 1Cr13 ,2Crl3 马氏体锦钢的抛光。

  姚颖悟等[ 17] 研发了一种拧棱酸-硫酸型电化学 抛光液,其配方为:拧攘酸 203000 g / L,硫酸 80180 mL/ L,甘油 40 80 mL/ L,添加剂 20 mL/ L,阳 极电流密度 2450 A/ dm2 ,6800 .C ,64 min,阴极为铅板。添加剂的主要成分为乌洛托品、糖精 和一种有机盐。实验发现:抛光后的不锈钢表面光 亮度高,抛光效果好,并能提高不锈钢的耐蚀性能。 李异[切]研制了一种环保型电化学抛光液,其配方为:高氯酸 8 %10 % ,冰乙酸 90 %92% ,添 加剂少量,阳极电流密度 1300 A/ dm2 ,室温,35 min。该配方不使用磷酸和锦厨,是全新的环保型电化学抛光工艺,且溶液保养和维护简单,处理成本低,上光速率快,抛光表面光亮、均匀。 电化学抛光具有光泽保持时间长、工艺稳定、污染少、成本低、耐蚀性好、生产效率高、抛光液可连续 使用等优点fn] ; 但其同时存在复杂件要工装及辅助 电极,大量生产需要降温设施等缺点。电化学抛光适用于高档产品、出口产品及有公差产品等,易操作 控制,值得推广使用问。

  3 复合抛光

  传统不锈钢抛光液中大都含有错酸、氢氟酸、硝 酸等毒性较大的物质,同时采用高温酸洗去除氧化 物,便成本增加。曾祥德[34] 介绍了一种将酸洗、化 学抛光及电化学抛光融为一体的环保型不锈钢抛光 工艺,并称之为粗抛、细抛、精抛组合工艺。

  (1)粗抛:即预抛,将磷酸与硫酸组合使用,在 室温下能很好地去除不锈钢表面的氧化物,且成本 较低。其抛光液组成及工艺条件为:磷酸 290370mL/ L,硫酸 150250 mL/ L,水 380560 mL/ L,室温,5 10 min。

  (2) 细抛:即化学抛光,在化学抛光液中加入双 氧水,可去除不锈钢表面难溶于粗抛液的氧化物,使 不锈钢表面获得银白色的镜面光泽。其抛光液组成 及工艺条件为:磷酸 250340 mL/ L,硫酸 180220 mL/ L,双氧水 60 100 mL/ L,ZP-1 稳定剂 3050 mL/ L,ZP 缓蚀剂 10 20 mL/ L,水 270 470mL/ L,室温,5 10 min。

  (3) 精抛:即电化学抛光,精抛后的不锈钢表面洁净、光亮,且在金属表面形成的保护膜能提高不锈 钢的耐蚀性能,制品经久耐用,不会褪色。其抛光液 组成及工艺条件为:磷酸 300 350 mL/ L,硫酸 180220 mL/ L,聚乙二醇 48 g/ L,ZP 缓蚀剂 1020 mL/ L,水 470550 mL/ L,阳极电流度 O. 51.0 A/ dm2 ,室温,510 min ,阴极材料为铅板。 该工艺将粗抛、化学抛光和电化学抛光融为一体,形成组合工艺,具有洛液组成简单、无污染、寿命 长、能耗低、质量好等优点。

  4 结论

  随着不锈钢产业的飞速发展和金属表面处理技 术的不断进步,人们对不锈钢的表面预处理提出了 更高的要求,既要价廉高效,又要环保无污染。电化 学抛光具有稳定可靠的抛光效果,将在很长一段时 间内被广泛应用;而化学抛光具有较强的可操作性

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