不銹鋼電解拋光技術專題

一.電解拋光原理： ????????????????????????????????????????????????

電解拋光(electro-polishing)也稱電拋光，是利用陽極在電解池中所產生的電化學溶解現象，使陽極上的微觀凸起部分發生選擇*溶解以形成平滑表面的方法。它是一個復雜的陽極氧化過程，伴隨著工件表面的溶解和和氧化，但又不同于陽極氧化。電解拋光的拋光機理是：

1.黏膜理論：

電解拋光在一定的條件下，金屬陽極的溶解速度大于溶解產物離開陽極表面向電解液中擴散的速度，于是溶解產物就在電極表面積累，形成一層黏*膜，這層黏*膜的電阻比電解液的大，而且可以溶解在電解液中，它沿陽極表面的分布是不均勻的，在表面的微凸處的微黏膜厚度比凹處小，導致凸處的電阻也較小，從而造成電流集中，與微凹處相比，微凸處電流密度較大，電位升高，從而使氧氣容易析出，有利于黏膜溶解擴散，加快了微凸部位金屬的溶解。隨著電解拋光時間的延續，陽極表面上的微凸處被逐漸削平，使整個表面變得平滑、光亮。

2.氧化膜理論：

在電解拋光過程中，由于析出氧的作用在金屬表面形成一層氧化膜，陽極表面呈鈍態，但是，這層氧化膜在電解液中是可以溶解的，所以鈍態并不是完全穩定的。由于在陽極表面微凸處電流密度較高，形成的氧化膜比較疏松，而且該處析出的氧氣也多，有利于陽極溶解產物向溶液中擴散，促使該處的氧化膜溶解加快。在整個拋光過程中、氧化膜的生成溶解不斷進行。而且微凸處進行的速度比微凹處快，其結果，微凸處金屬被優先溶解削去，使陽極表面達到平滑、光亮。

電拋光陽極過程的特點：電拋光過程根據金屬表面的*質、溶液成分、工作條件，在陽極附近可能發生下列反映

①?陽極溶解，當進行電拋光時，金屬表面的原子就轉入到電解液中成為離子，陽極發生溶解：

Me = Me(n+) + ne

②?氧化膜（或氧吸附層）形成，電拋光時，在陽極表面會生成一層氧化膜（或氧吸附層），此膜的厚度決定于金屬的*質、電解液成分、工藝規范。

2Me(n+) +2OH- =Me2On +n H2O

③????氣態氧的析出：

4OH- =O2 +2H2O +4e

④????溶液中還存在多種物質的氧化

二.電極極化曲線（I-U曲線、鈍化曲線）

當工件基體放入電解池中并通以直流電的情況下，零件表面就會產生陽極極化現象，而且在陽極極化的工程中有一定的曲線規律—電極極化曲線

過鈍化區 ??F ????

???????????????????????C ???????????????

???????????活化區 ???????D ?鈍化區 ????????E ????????

??B

A

①??? AB部分：電壓增加，電流增長較慢，陽極表面未活化，不能正常溶解。

②??? BC部分，電流與電壓成比例增加，陽極表面活化產生正常溶解，金屬具有強腐蝕型表面。

③??? CD部分，在C點附近曲線發生突變，當電壓從小增加到U2時，電流強度會有所下降，說明金屬表面氧化膜生成，電阻增大，金屬表面開始形成黏液膜。

④??? DE部分，隨著電壓的升高電流強度卻保持不變，曲線出現水平部分，金屬表面生成了黏液膜，具備拋光表面的條件，金屬表面正常溶解可得到光澤的表面。

⑤??? 從E點開始只要電壓稍微增加，便引起電流強度的急劇增加，這是陽極上氧的析出的標志，雖然陽極表面得到光亮，但同時產生了腐蝕斑點（點狀凹坑），電拋光過程受到破壞。

通過試驗，當電解拋光時給EP槽施加至鈍電壓，電流就會按照陽極極化曲線的形式進行變化；把整流器調到穩壓狀態，調整電壓到工件至鈍電壓，開機，電流就會從A點1S左右到達B點然后達到C點-電流的至高點 ，從C點降到D點—電流的穩定狀態，電流持續穩定到達E點，電拋光過程結束。

從A點到達D點時間需要2-3S，整個穩定電流的拋光過程1-2M（根據工件材質而定）。

三.法拉第電解定律

內容：在電解時，電極上發生化學反應的物質的量和通過電解池的電量q成正比

公式：

??????m =q/(z*F )*M =M/(z*F) *I*t ????

m：電極上參與化學反應的物質的質量 ㎏

M：參與反應物質的摩爾質量 ?㎏/mol

F：法拉第電解常數：96485 C/ mol

Z:電極反應的計量方程式中電子的計量系數

t: 時間 S

I：電流強度 A

電極上每析出（或溶解）1 ?mol的任何物質所需的電量為96485 C，也就是說用同等的電量通過各種不同的電解質溶液時，在電極上析出（或溶解）各物質的質量與它們的摩爾質量成正比。

四.不銹鋼的電解拋光

不銹鋼的電解拋光溶液，一般都為磷酸基溶液即以磷酸為主，硫酸為輔，其中還添加一部分添加劑。

1.???? 不銹鋼電解拋光液的成分極其作用

①??? 磷酸

磷酸是拋光掖中的主要成分，磷酸和磷酸鹽的黏滯*都比較大，有利于微觀凸起處金屬的優先溶解，對金屬的腐蝕*比較小，對獲得平整光亮的表面起重要的作用。

②??? 硫酸

硫酸可提高電解液的導電率，改善分散能力，減輕對有色金屬的腐蝕，提高鋼鐵工件的光潔度。濃度過高，鋼鐵溶解速度過快，表面光澤*下降，濃度過低，容易使鋁及其合金發生斑點狀腐蝕。

③??? 鉻酐

鉻酐可促進金屬表面氧化膜的形成，減輕和避免溶液對金屬的腐蝕，提高整平作用，以獲得光潔度高的表面。

2.???? 不銹鋼電解拋光溶液的控制參數

①??? 溫度

不同的電解拋光液有不同的溫度控制范圍，溫度升高有利于金屬的溶解，但是有可能產生過腐蝕，降低表面的光澤*。一般溫度升高時要相應提高電流密度，才能保證工件表面的光潔度。

②??? 電流密度

電流密度也是工件在EP過程中一個重要參數，根據研究試驗結果：奧氏體不銹鋼電流密度15A-80A/dm2;馬氏體不銹鋼電流密度75A-82A/dm2。電流密度要根據不同的工件材料選用不同的電流密度。電流密度過高，氧氣析出過多，難以形成致密的氧化膜或穩定的黏膜，電極表面過熱，電化學反應劇烈，容易產生腐蝕點和條紋；電流密度過低，陽極一直處于陽極溶解狀態，也不能提高金屬工件表面的光潔度。

③??? 拋光時間

在電解拋光過程中，拋光時間并不是越長越好，它要根據電解拋光液溫度的高低和電流密度的大小來定。在一般情況下，拋光時間隨著電流密度的增加，溫度的升高而減少，鋼鐵工件可比有色金屬工件的拋光時間長一些，工件精度和表面質量要求較高時，也應相應縮短拋光時間，必要時可反復多次進行拋光處理。

④??? 攪拌

攪拌可加快電解液的流動，促進金屬表面滯留的氧氣泡的排除，減輕金屬表面的過熱現象，從而有利于工件表面光潔度的提高。生產一般采用移動陽極的方法，也有用壓縮空氣來攪拌電解液。

⑤??? 槽內*極板

*極板材料通常采用鉛版，*極面積一般稍大，以提高電流效率，*陽極面積比通常為：1.1-1.5：1。

⑥??? 電位

在將拋光液的溫度控制在一定的溫度范圍之內的前提下，如果電位太低，則無黏液膜形成，也無電解拋光作用發生，式樣表面灰白；若電位略為升高時，雖有黏液膜的產生，但很不穩定，一旦形成也會立即溶入電解液中，也不產生拋光作用，僅有侵蝕現象產生；如果電位進一步增加，達到某一定值之后，才開始產生穩定的黏液膜，電解拋光才得以產生，并有氧氣逸出，拋光效果逐步提高。隨著電位的持續升高，黏液膜的厚度也相應增加，薄膜層的電阻上升，拋光電流基本保持不變，在這種電位下，氧氣逸出較為迅速，局部溶液升溫很快，拋光效果效果最佳，光亮度顯著增加，這一區域是電解拋光的最佳區域。在這一區域中若電位很高，由于局部溫度較高，拋光質量較好，但操作工藝不易控制，若電位再度升高，薄膜被擊破，電阻反而下降。此時，便有凹坑出現、拋光效果變差。

總結：

拋光溫度、拋光時間、拋光電流密度、拋光電位、電解拋光液的比重，這幾個參數是相互影響相互制約的，一個因素變化就會引起其余幾個因素相應的變化。提高溫度和電位，可以提高溶液的導電能力和金屬的溶解速度。但在一定的電位下，電流密度同時也會隨著溶液導電能力和金屬溶解速度的增加而增加。因此，在高電位作用下，必須采用較短的時間完成拋光任務，反之，在低電位作用下，電流密度必將減少，拋光時間則須延長，但不能太長，否則會產生侵蝕現象。

總之，電解拋光是一個受前處理、拋光溫度、電位、時間、電流等綜合因素相互影響的過程，應根據現場情況靈活應用，適度掌握各種條件，才能獲得最好的 拋光效果。

WB-260不銹鋼電解拋光新工藝

一、特點

1、拋光效率高，數分鐘內可拋光至鏡面光亮，且拋光深度強，拋光后光澤保持長久不變。

2、拋光液磷酸含量低，成本低，較一般使用的傳統拋光液低30%以上。

3、拋光電流密度小，電壓低，電能消耗較傳統工藝低1倍左右。

4、拋光液穩定容易維護管理。

5、適用18-8類型奧氏體不銹鋼拋光，也適用鎳基合金拋光。

二、拋光液組成和操作條件

????????濃磷酸（比重 1.74） ?????????????????????510ml/L ????????????887.4g/L

????????濃硫酸（比重1.84） ???????????????????????395ml/L ????????????726.8g/L

????????WB-260添加劑 ????????????????????????????????50ml/L ??????????????52.5g/L

????????水 ??????????????????????????????????????????????????????50ml/L ??????????????50g/L

????????溫度 ??????????????????????????????????????????????????50–75℃ ????最佳60–65℃

????????陽極電流密度，DA ?????????????????????????6–15A/dm2 ?????最佳10–12A/dm2

????????電壓 ??????????????????????????????????????????????????5–8 伏

????拋光時間 ??????????????????????????????????????????3–5分鐘

????????*極材料 ??????????????????????????????????????????鉛或鉛合金

????????*極面積∶陽極面積 ??????????????????????2–3∶1

三、開槽步驟

????WB-260添加劑是一種表面活*劑，在其使用初期電解拋光時會產生大量泡沫，因此拋光液液面與拋光槽頂部之間的距離不應≤15cm。準確計算將欲配制的電解拋光液的體積，再根據拋光液組成將所要加入的拋光液各組分按下列順序加入拋光槽內。

1、注入所需水量。

2、加入所需磷酸量。

3、切記硫酸用水稀釋時會釋放出大量熱量，溶液溫度急劇升高，邊攪拌邊添加，當溫度升至80℃時應停止添加，待溶液冷卻后再進一步添加直至全部加完。

4、加入所需數量WB-260添加劑，邊攪拌邊添加，添加完畢后徹底攪拌以確保均勻混合。

四、工藝流程

????化學除油 → 熱水清洗 → 浸酸（1–2% 硫酸溶液） → 電解拋光 → 三道逆流清洗 → 浸堿（5% 碳酸鈉溶液） → 熱水清洗 → 擦干或烘干

五、槽液維護及補加

1、不銹鋼工件在進入拋光槽之前應盡可能將殘留在工件表面的水分除去，因工件夾帶過多水分有可能造成拋光面出現嚴重麻點，局部浸蝕而導致工件報廢。

2、在電解拋光過程中，作為陽極的不銹鋼工件，其所含的鐵、鉻、鎳元素不斷轉變為金屬離子溶入拋光液內而不在*極表面沉積。隨著拋光過程的進行，金屬離子濃度不斷增加，當達到一定數值后，這些金屬離子以磷酸鹽和硫酸鹽形式不斷從拋光液內沉淀析出，沉降于拋光槽底部。為此，拋光液必須定期過濾，去除這些固體沉淀物。

3、在拋光槽運行過程中，除磷酸、硫酸不斷消耗外水分因蒸發和電解而損失，此外，高粘度拋光液不斷被工件夾帶損失，拋光液液面不斷下降，需經常往拋光槽補加新鮮拋光液和水。

4、該拋光液在未經拋光前的原始比重為1.68，在拋光槽運行過程中，拋光液的比重應控制在1.68±0.03的范圍內。拋光液比重和粘度過高，說明拋光液含水量不足或硫酸含量偏高磷酸含量偏低；反之，拋光液比重過低，表明拋光液含水量過高。經常用比重計測定拋光液的比重是一種簡單有效的控制手段。

5、在有條件的情況下，最好定期分析拋光液的酸度、磷酸及硫酸的含量。

六、設備要求

????電解拋光液通常為礦物酸并在較高的溫度下操作，因此拋光槽、清洗槽、*極、加熱盤管及排風裝置必須由可耐拋光液腐蝕的材料制造。

1、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、環氧玻璃鋼以及內襯上述材料的鋼槽均可用作電解拋光槽。

2、電加熱或蒸汽加熱盤管可選用以下材料：

⑴、聚四氟乙烯盤管：管束式聚四氟乙烯換熱器用于蒸汽加熱。聚四氟乙烯電加熱管用于電加熱。聚四氟乙烯盤管價格雖高但使用壽命長且電中*。

⑵、純鉛或鉛銻合金盤管：純鉛或鉛銻合金可用作電解拋光蒸汽加熱盤管。為增加盤管使用壽命，在拋光液液面與空氣交界處應另用鉛加厚。

⑶、石英電加熱管。

3、掛具：帶有鈦制掛鉤的外涂塑溶膠的銅掛具的使用壽命最長。因本拋光液不含鉻酸，也可用磷青銅作掛鉤。

關于肯發公司EP工藝流程的評估

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下面我概述了Compart目前存在的一些問題的解決方案，要求是將零件的RA減小到5，并且使Fe/Cr的比率達到2:1。

目前EP的操作方法不合理且效率不高，達不到客戶的要求。

首先，我認為目前的RA過高，這會阻礙 足夠的電量得到正確的Fe/Cr比率。EP的目的是要去除工件表面的不平線條。900及1000型號的砂紙摩擦度不夠深，這會減少你們要達到Cr/Fe比率 2:1的工時。記住，如果EP超過了預期的效果，就要抽出夾具長條并清除內雜物。

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???RA’s

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可以考慮通過機械操作將RA減小到如圖所示的10-—7程度，再通過EP將RA減小到規定程度。一般來說，若使用合適的電流量，你們可以使RA減少50％到60％，這樣可以幫助你們確定足夠的電流量使工件達到規定要求（RA）并且能去除一些金屬（主要是Fe）而得到規定的Cr/Fe比率。同時Fe的氧化物也會減少并在零件表面形成一層氧化膜，氫的含量也會減少。

你們必須在EP時記錄一些參數（化學及電學方面）。一旦你們找到能滿足客戶要求的參數就記錄并存檔。這些參數最終都會影響效果。

用于EP的參數應該要與技術員的數據表相符。在容器里的滴定化學反應能確定金屬Fe 的百分含量，之后調整相關金屬的百分比重（按所需使用蒸餾水）。

在EP時也要考慮溫度。維持零件表面一定的粘膜也是理想的EP效果之一。

在沒有任何阻礙的條件下傳送電流是首要考慮的。保持線路，連接點，*極和零件的清潔可以提高電流的傳送效率。

EP時夾具是最重要的物件。雖然設計一個夾具沒有確切的規定，仍有些參數要考慮。首先要計算出零件的表面積，以便將零件插入夾具中。計算過程可以從1 amps/sq. inch開始，再增加20%設計出夾具傳送電流。你們也可以將電流調整在1 amp/sq. inch左右，但這只是一個試驗及錯誤分析過程，不斷進行這個過程直到達到預期的效果。

最好的夾具材料是銅以及覆蓋其表面的鈦。銅能傳送電流1000amps/sq.in. 并通過其表面的鈦均勻地傳送電流。其次最好的是銅和彈*銅，磷青銅夾子或鈦夾子及塑膠表面的夾具主架。

*極端的材料也要考慮， 1/4inch內徑(ID)的可以用銅材料，對于任何更小的內徑(ID)可以用316L S/S.,用316L S/S.做成的*極外徑(OD)上陽極和*極要按所期望的2:1的比率使用。

記住電流*電壓＝功率（功率代表熱量）。功率越低，粘膜越不容易被破壞。在內徑(ID)里加工時很容易引起粘膜破壞，因為空間狹窄，熱量很容易在內徑(ID)里加工時產生。

總結

試驗及錯誤分析只是確定及解決問題的方法之一。但這個過程解決了前期不良問題，再通過夾具設計就能得到需要的效果。做完這一步，下一步就能確定工藝流程以達到客戶的要求。

開始用固定的電流進行一系列操作測試出Cr/Fe比率。不用很關注RA值。這樣能幫助你們確定所需的每分鐘電流量。接下來的EP操作在含氮30%的液體中反應不到1分鐘時間，再漂洗，烘干。

當這個過程結束，記錄結果，檢查任何可能存在的缺陷，確定有哪些缺陷，存在缺陷的地方及引起缺陷的原因。

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S136不銹鋼由于具有較好的機械性能和較強的耐蝕性,目前在我國模具制造、醫療器械、食品、輕工等行業得到了廣泛應用。國內所用S136不銹鋼多數從瑞典進口,其成分為:C0.38%、Cr13.6%、Mn0.5%、V0.3%、Si0.8%,相當于國產4Cr13。現在國內模具制造業把S136不銹鋼作為主要的注塑模具材料之一加以使用,而且使用量越來越大。根據注塑模具的生產要求,模具加工表面的表面粗糙度值一般小于Ra0.4μm,為此,經電火花成型加工后,模具表面多采用機械或人工方式,用砂紙、油石等進行光整加工,工人勞動強度大,工作效率低,加工質量不易保證。電化學拋光作為一項比較成熟的工藝,由于具有速度快、無噪音、工人勞動強度小、所需設備簡單、拋光質量好、可達性強等優點,目前已廣泛應用于航空航天、醫療、化工、輕工、建筑裝飾等行業,可對銅、鎳、鋁及其合金、不銹鋼、碳鋼、合金鋼等材料進行光整加工。本文針對S136不銹鋼研究出了一種在常溫條件下,成本較低、拋光效果較好的電化學拋光工藝。

基本原理?

????不銹鋼的電化學拋光是基于金屬陽極的電化學溶解原理,在極化曲線的鈍化區域進行。拋光時,工件為陽極,不溶性金屬為陰極,兩極同時浸入電解拋光液中并保持一定的距離,在一定電壓(3～12V)的直流電作用下,被拋光金屬發生陽極溶解反應,在陰極發生產生氣體的反應。陽極溶解的金屬離子在其表面的擴散層內逐漸堆積,形成一層粘液層,由于被拋光金屬表面存在微觀的凸凹不平,凸起處粘液層較薄,尖端效應又使得電力線集中,電流密度較大,離子向溶液內部的擴散速度較快,電極反應迅速,金屬去除量較大;低凹處電力線比較分散,電流密度較小,粘液層相對較厚,離子向溶液內部的擴散速度較慢,造成電極反應弱,金屬去除量相對較少。隨著拋光時間的延長,金屬表面逐漸獲得微觀整平的效果。

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實?驗??

????目前,工程上常用于不銹鋼等金屬材料電化學拋光的電解液主要是以磷酸、硫酸為基體的水溶液,并添加一定量的添加劑組成。由于這類電解液大多數含有高濃度的酸(80%左右)和強氧化劑,溶液腐蝕性強,易污染環境,而且拋光時要獲得較好的表面粗糙度需加熱電解液。在滿足拋光要求的前提下,為了盡可能克服常規電化學拋光的不足,經過多次實驗,優選出了一種酸度相對較低、不含有毒物質(NO2-、CrO42-等),而且適用于常溫拋光的電解拋光液。??

1.電解液配方

電解液的基本配方如下:25%H3PO4+10%H2SO4+45%H2O+無機酸X15%+3%添加劑A+2%添加劑B。

2.拋光條件

1)試件(陽極):S136,10mm×20mm,表面粗糙度值為Ra1.0μm;2)極間距:δ=60mm,兩極相對靜止;3)陰極:鉛板;4)電流密度:0.6～1.0A/cm2;5)拋光溫度:30～35℃;6)拋光時間:3～7min。無機酸X是一種氧化促進劑,其作用是促進陽極微觀凸起處的溶解及金屬表面粘液層的形成。添加劑A為增稠劑,其作用主要是增加電解液粘度,抑制陽極表面金屬離子由粘液擴散層向溶液內部的擴散速度及析氧速度,增加光亮度。添加劑B為無機含氧化合物,其作用是抑制試件表面的Cr6+滲析出,另外起到掩蔽Fe3+的作用。拋光過程中,需定期攪拌電解液,溫度越高,電流密度越大,所需拋光時間則越短,反之亦然。一般經3～7min時間的拋光加工后,試件表面呈明亮的光澤,表面粗糙度值達Ra0.1μm。

結?論??

與生產上常用的電化學拋光工藝相比,本工藝具有以下特點:

1.H3PO4、H2SO4含量為35%左右,而常規拋光則為65%～85%,強氧化性酸含量明顯降低。考慮添加劑A、B及無機酸X的含量,電解拋光液總成本下降15%左右,而且腐蝕性有一定程度降低。

2.拋光溫度有所降低,接近常溫,且溫度范圍較寬(30～50℃),加熱電解液所需熱能減少。

3.拋光時間相對較短,平均5min左右即可達到加工要求(Ra0.1μm),生產效率在一定程度得到提高。

4.拋光液不含有毒物質,使用相對安全,對操作人員健康無影響。

5.本工藝僅適用于S136不銹鋼的電化學拋光,經進一步改進、完善,可投入批量生產。

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