电解抛光技术研究进展
张素银1, 2,杜凯2,谌加军1,詹勇军1, 2,曾体贤1
(1. 西华师范大学物理与电子信息学院,四川 南充 637002; 2. 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900)
摘 要:介绍了电解抛光技术的研究现状﹑特点及抛光原理,分析了工件表面粗糙度的主要影响因素。指出了电解抛光技术存在的问题。
关键词:电解抛光;原理;粗糙度;影响因素 中图分类号:TG175
文献标识码:B
文章编号: 1004 – 227X (2007) 02 – 0048 – 04
解抛光在工业中的应用。目前,电解抛光技术已在金属精加工、金相样品制备[3]及那些需要控制表面质量与光洁度的领域获得了极其广泛的应用,并应用于化工、轻工、机械制造、强激光系统、食品加工设备、装饰行业[4]、生物医学[5]等领域。尤其在航空、航天领域,它是保证产品质量的一个重要环节。涉及电解抛光的材料有铁锰合金、纯金属、碳钢、合金钢、有色金属而在实验及其合金、贵金属等几乎所有的金属材料[2]。如光学性能、电化学室内研究某些材料的金属性能[1],
性能、摩擦性能、腐蚀性能、磁性能、电极的衍射性能时,也常运用电解抛光。因为机械抛光过程中,金属表面组织或大或小地在某种程度上被歪曲,在这种情况下进行研究往往不能准确地提供关于金属试片的真正组织和性质。而电解抛光却能满足此要求[1]。
Research progress of electropolishing technology // ZHANG Su-yin, DU Kai, CHEN Jia-jun, ZHAN Yong-jun, ZENG Ti-xian
Abstract: The current status, characteristic and polishing principle of electropolishing technology were introduced. The main factors affecting workpiece’s surface roughness are analyzed. The existing problems in electropolishing technology are presented.
Keywords: electropolishing; principle; roughness; influencing factors
First-author’s address: School of Physics and Electronic Information, West China Normal University, Nanchong 637002, China
2 电解抛光原理
电解抛光是在一定电解液中以金属工件作阳极,同时进行两个相互矛盾的过程(即金属表面氧化膜的生,使其表面粗糙度下降、光亮度提高,并成和溶解[6])
产生一定金属光泽的技术,理论上遵循法拉第定律[7]。电解抛光简单的装置如图1所示。
1 前言
电解抛光是近几十年发展起来的表面处理技术,目的是为了改善金属表面的微观几何形状,降低金属表面的显微粗糙程度。该技术的发展要追溯到1911年1月19日莫斯科大学什彼达尔斯基获得的“使金属和金属电镀层表面具有抛光光泽的方法”专利[1],此后,法国人P. A. Jacquet在铜和镍方面进行了系统研究并至今,人们针对电解抛光的机推广应用到工业化中[2]。
械装置展开了大规模的研究工作,同时广泛研究了电
收稿日期:2006–06–22
修回日期:2006–08–07
基金项目:国家高技术863计划资助课题。
作者简介:张素银(1980–),女,在读研究生,主要从事电解抛光技术研究。
作者联系方式:(Email) zhsyjia@163.com。
图1 电解抛光装置图
Figure 1 Electropolishing setup
电解槽通电后,在被抛光金属的表面上可能发生下列一种或几种反应[2]:
(1) 金属离子溶入到电解液中
Me→Men++ne;
表面微观的不平,使金属表面达到光亮如镜的效果[4]。当金属离子进入钝化膜的速度与从钝化膜中溶解到溶利液中去的速度基本相同时,表面亮度可达到极值[2]。用阳极极化曲线,有助于选择合适的电解抛光参数[9-10]。例如,模45#钢原始表面粗糙度Ra = 1.2 μm,抛光后Ra = 0.46 μm,经显微镜观察,表面无点蚀、裂纹[11]。例如纯金抛光Ra小于0.08 ~ 0.16 μm时,抛光后表面粗糙度可提高2.2 ~ 2.36倍[12]。
(2) 阳极表面生成钝化膜
Me+nOH?→Me2On+H2O+ne;
2
2
1
n
(3) 气态氧的析出
4OH→O2+2H2O+4e;
(4) 电解液中各组分在阳极表面上的氧化。 目前,国内外对电解抛光工艺研究比较多,而电解抛光机理方面的研究较少。因此,抛光理论还不完善。主要的电解抛光机理有粘膜理论及钝化膜理论。金属电解抛光的平滑度和粘稠液体膜密切相关,而光泽则和固体钝化膜产生相关。另外,艾培恩认为是无水层的存在影响了抛光的质量,埃默尔则认为电解抛光中扩散起到了非常重要的作用。
阳极表面抛光的概念应细分为宏观整平和微观整平两个过程。其中,前者是指表面粗糙度Ra > 1 μm的 表面整平;后者是指表面粗糙度Ra < 1="">
Edwards认为[2],宏观整平是阳极表面几何形状均匀化的过程,结合理想的阳极电位-电流密度曲线(如图2所示)可以看出,当阳极电位在U1 ~ U2之间时,阳极电流密度随电压的增大而迅速增大,金属的溶解速率也相应迅速增大,工件表面被腐蚀(可用来观察其金相组织),此区称为活化区;当阳极电位在U2 ~ U3时,电流密度随电压升高而下降,这主要是阳极表面此区生成的粘性薄膜提高了阳极表面的电阻而引起[2],称为过渡区;当阳极电位在U3 ~ U4时,随着阳极电压的增大电流基本上处于稳定,阳极表面溶解,金属离子不断进入附近的溶液中。由于金属离子产生的速率大于向溶液扩散的速率,于是在金属表面和电解液之间形成一层粘稠金属盐液体膜,同时钝化膜也有效地此时,系统的反应速率受溶解产物扩散快慢的形成[8]。
控制。此区域内阳极溶解产物向电解液中的扩散在宏观整平过程中起主导作用。由于金属表面凸起处其溶解产物浓度梯度比在凹处高,因此,溶解速度大。正当是粘膜层的存在产生了选择性溶解,表面被整平[4]。工件表面产生的固体钝化膜使阳极电位在U4 ~ U5时,
金属表面中结晶不完整的晶粒优先溶解,去除了抛光
?
J / (A/cm2)
U1 U2 U3 U4 U5 U6
U/V
图2 电解抛光理想的阳极极化曲线
Figure 2 Ideal anodic polarization curve during
electropolishing
3 电解抛光的特点
电解抛光是基于阳极溶解原理去除金属,没有宏观“切削力”和“切削热”的作用,因此工件表面不会产生像切削加工中所形成的塑性变形层,也不会产生残余应力,更不会像电火花、激光加工那样在加工面上产生再铸层,反而还会将原有的变形层和残余应力层去掉。切削加工的表面粗糙度主要反映在与刀痕垂直的方向上,一般而论,其表面和表面层质量在刀痕平行方向和刀痕垂直方向也不尽相同。电解抛光其阳极溶解不存在方向问题,所以电解抛光表面质量在各个方向上大体相同,其表面粗糙度、几何形貌与切削加工有很大差别[13]。它可以优先溶解掉金属表面的形变层、位错、空穴聚积等电位相组织,从而得到等电位表面。
与机械抛光相比,电解抛光可大大减小工件内部和表面的应力,适用于任何硬度的金属和合金[14],它依靠选择性溶解材料表面微小的凸出部分使表面光滑,其抛光后的光洁度与表面平整度比机械抛光保持得更长久。它具有其它表面精加工技术无法比拟的高效率、高精度、速度快、劳动强度小[15]的优势,并且具有表面无加工硬化层﹑耐蚀﹑耐磨﹑反射率高等一系列优点。
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49
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4 电解抛光工件表面粗糙度及影响因素
电解抛光工件表面的粗糙度与工件材质、电解液组成以及工艺参数密切相关,这些工艺参数配合得当就可以得到令人满意的理想表面[13]。影响电解抛光工件表面粗糙度的主要因素简述如下。 4. 1 电解液的组成
电解液组成是影响电解抛光表面粗糙度的重要因素。对于同样的材料,设置相同的工艺参数,若选择不同成分或不同比例的电解液,则得到的样品表面粗糙度可能会有很大差异。实践表明,若针对不同的材料选择合适的电解液组成,则可得到高质量的表面。一般来讲,电解抛光溶液应选择相对粘性的电解质,使电流密度较低,阳极缓慢溶解,以达到抛光的效果。过去常选用磷酸-硫酸-铬酸型电解液。由于抛光后产生的含铬废水难以处理,近年来常选择醇类作缓蚀剂[16](因醇类含有羟基,有利于pH的提高),同样达到试样表面平滑光亮的效果。目前,从理论上尚不能确定某种金属或合金的最适宜的电解液成分、比例,主要通过实验来确定。但对某些金属的电解抛光已获得较理想的电解液组成,例如镍用硫酸、铁用磷酸、钛和钽用硫酸和甲醇电解液钠溶液
[18]
[17]
[5]
来确定)。当温度低时,电解液粘度较高,金属溶解慢,溶液的导电性不好,达不到好的抛光效果,有时甚至不抛光;电解液温度升高,则其粘度降低,金属溶解速度加快,生产效率提高。但若温度过高,易使金属表面产生腐蚀麻点而降低抛光质量。
电解抛光时,应采用搅拌的方法促使电解液流动,以保证抛光区域的离子扩散和新电解液的补充,并可 使电解液的温度差减小,从而保证最适宜的抛光条件。
4. 4 抛光时间
在适宜的时间范围内,抛光质量与抛光时间成正比,与温度和电流密度成反比。当抛光温度或阳极电流密度较高时,则抛光时间应短,反之则长。例如AISI-304不锈钢抛光时间以10 min为宜[22],金属钛最适宜的电解抛光时间是15 min[23]。 4. 5 金属的金相组织与原始表面状态
在相同或相近的工艺条件下,不同的工件材质可能得到完全不同的表面粗糙度。电解抛光对于金属的金相组织的均匀性反应十分敏感。金属的金相组织愈均匀细密,其抛光效果愈好。如果金属以合金形式组成,则应选择使合金成分均匀溶解的电解液。另外,同样的材质热处理状态不同,也会影响表面粗糙度。抛光前,表面应去掉油污、变质层等。此外,阴极材料、阴极形状和极间距离等对抛光质量也有影响。
、银和银-铜合金用硫代硫酸
、铌-钛合金用氢氟酸以及硫酸和甲醇混合溶
液[19]等。
4. 2 阳极电位和阳极电流密度
在加工过程中,一般采用控制阳极电位来控制质量(一般在十几伏到几十伏之间),也可采用控制阳极。电流电流密度来控制质量[20](J = 0.1 ~ 1.0 A/cm2 )密度对工件表面粗糙度的影响非常敏感,随着电流密度的增加,腐蚀速度增大,抛光质量提高;电流密度过低,抛光质量下降,显微观察试样表面呈灰白色。此时,若提高电流密度,则有利于节省时间和提高抛光质量。但是,若电流密度过高,将导致阳极析出大量氧气。同时,由于产生的热量来不及扩散,电极表面的温度很快升高,导致金属表面产生麻点,影响表面光亮度。试验表明,使用脉冲电流可大大提高表面质量
[21]
5 结语
电解抛光是一种不可替代的表面光整加工技术。但是,至今电解抛光机理还未完善,从理论上还不能直接推出任意一种工件应该用怎样的工艺参数,只能通过实验来确定。而且,6价铬的污染问题不容忽视(现在已有一些电解液使用了醇类物质代替三氧化二铬)。尽管如此,电解抛光技术仍以其无可比拟的优势在未来的金属表面光整加工技术中发挥更大的作用。
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4. 3 电解液的温度
对于每一种金属和合金来说,电解液的温度都有一个最适宜的范围(这一温度范围目前主要依靠实验
(下转第53页)
基于电源设备的电镀工艺过程控制系统
采集,软件运算出其平均值,并通过CAN总线,把采集到的工艺参数反馈给上位机,电镀作业者根据得到的镀液实时参数,按不同的工艺要求,在上位监控机上输入相应的控制指令,改变DSP的PWM输出电路的占空比,从而改变电镀电源的运行状态,达到提高电镀工艺质量和电镀过程节能增效的目的。
能成本超过生产总成本的一半左右。电镀过程中,除电源装置的能耗以外,工艺过程缺乏合理科学的控制手段,也造成大量的电能损耗。基于电源装备的电镀过程控制系统对其工艺工程进行过程智能监控,实现能量的合理配置,达到节能增效的目的。电镀过程控制系统目前在国内鲜有深入的研究,该系统的研发不论从节能增效等技术研究还是市场需求方面来说都是其必然的发展趋势。
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图2 现场控制器主处理器的结构框图
Figure 2 Structural block diagram of main processor of
field control equipment
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4 结论
电镀电解行业是工业领域著名的耗能大户,其电
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(上接第50页)
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53
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银铜合金的电解抛光工艺探索
银铜合金的电解抛光工艺探索
童建华 ,李曼萍
( )上海工程技术大学 材料工程学院 ,上海 200336
摘要 :对银铜合金电解抛光的工艺参数和抛光液组分进行了系列实验 ,并通过进行人工汗渍试
验 、湿热试验 、光敏试验来验证合金的抗变色的能力 。
关键词 : 银铜合金 ; 电解抛光 ; 工艺参数
() 中图分类号 : T G 115 . 6文献标志码 : A文章编号 : 1009 - 444 X200301 - 0057 - 04
Explo ratio n of Ag2Cu Allo y ele ctrolytic
poli shing t e chnolo gy
TON G J ian2hua ,L I Man2ping
( )College of Materials Engineering ,Shanghai U nivesity of Engineering Science ,Shanghai 200336 ,China Ab stra ct : A series of experiment s have been carried o ut o n t he technological parameters of Ag2Cu alloy elec2 t rolytic polishing and o n t he polishing solutio n co mpo sitio ns. Wit h t he man2made sweat testing , humidit y2 heating testing , and p hoto sensitive testing , t he resisting colo r2changing abilit y of t he polished alloy has been verified.
Ke y wo rd s : Ag2Cu Alloy ; Elect rolytic polishing ; Technological parameter
1 概述
银铜合金是用于眼镜架 、首饰及工艺品的焊接钎料 ,该材料目前仍大部分依赖进口 。现在国内该产品 在成型工艺方面已经完成 , 但是表面质量不及国外同类产品 。主要是产品的表面光亮度和防变色能力与 国外同类产品相比仍有较大的差距 。进口银铜钎料的表面涂镀了一层极薄的抗氧化的合金 ,使钎料的表 面能在较长时间内保持光亮不变色 。从而也使进口钎料的工艺复杂 ,成本提高 。我们认为钎料只是一种 焊接材料 ,它并不保证产品最终的外观表面 ,本文研究的银铜合金需要的是在生产 、存放 、运输和使用时保 持光亮不变色 ,并具有良好的焊接性能和可涂镀性 。前期试验的化学抛光方法虽然工艺简便 ,价格低廉 , 但合金表面的光亮度与进口的材料相比仍有较大的差距 ,为此进行了电解抛光的工艺试验 。电解抛光相 比化学抛光 ,具有抛光的质量明显提高 ,重复性好 ,操作简单等优点 ,但成本略有提高 。
收稿日期 : 2003 - 01 - 09 ( )基金项日 : 上海工程技术大学科研基金资助项目 E311 ( ) 作者简介 : 童建华 1954 - ,女 ,浙江慈溪人 ,实验师. 研究方向 :材料金相分析.
上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 17 卷 〃58 〃
2 实验方案
2 . 1 实验试样
() ) 1实验所用试样尺寸为 : 长 ×宽 ×厚 70 ×10 ×0 . 1。
) 2试样的原始态为轧制态 ,基本成分为银 、铜 、镉 、锌等 。
2 . 2 实验的工艺流程 化学除油电解抛光脱膜处理清洗烘干 。
2 . 3 抛光质量的评定
根据抛光后表面的光亮度 、有无发黑发红或花斑 、麻点等情况 ,通过目测 ,综合评分 。采用五级评判的 标准如下 :
4 级 ——— 非常光亮 ,有镜面效果 ;
3 级 ——— 比较光亮 ,表面均匀 ,没有花斑 ;
2 级 ——— 无光泽 ,局部有花斑 ;
1 级 ——— 颜色发暗 ,和原来相比变化不大 ;
0 级 ——— 颜色发黑 ,深度腐蚀 。
2 . 4 合金抗变色实验
对抛光好的样品进行湿热试验 、汗渍试验和光敏试验 ,以检验材料的耐蚀性能 。 3 试验结果
3 . 1 化学除油
经试验 ,化学除油以试样在 70 ?碱性水溶液中保持 15 min 为最佳 。可基本去除材料在成型时所沾的 油污 ,使试样表面清洁均匀 。
3 . 2 电解抛光试验
电解抛光是金属阳极溶解的独特过程 ,在一定的阳极电位下 ,阳极金属表面发生了溶解 ,阳极产物逐 渐聚集并开始脱落 ,气体大量溢出 ,离子的扩散速度和金属的溶解速度达到了平衡 ,使试样得以抛光 。经 试验筛选出电解抛光的原液 ,基本成分为磷酸酒精 。
通过试验可得到最佳的成分配比 。见图 1 。
图 1 乙醇加入量对光亮度的影响 图 2 脱膜工艺试验结果
Fig. 1 Inf luence of a dding ethanol on brightness Fig. 2 Result of uncoating technology
由于磷酸的粘度较大 ,加入乙醇可稀释磷酸的粘度 ,使溶液中气体的析出和离子运动变得更为容易 。 由于电解液选用的 HPO是中等强度无机三元酸 ,对大部分金属化学腐蚀性弱 ,而且与金属生成钝化膜 3 4
的能力强 。特别突出的优点是残留在零件表面的少量溶液 ,能够变为不溶性磷酸盐保护膜 。根据磷酸的 特性和实验的结果 ,选用磷酸和乙醇为 7?3 的溶液为基础溶液 。
在电解抛光过程中 ,除了电解液的确定外 ,还需对电压的控制 、溶液的温度 、搅拌的作用 、时间的掌握 以及添加剂的作用等一系列工艺进行试验 ,其结果证明其中电压的稳定控制尤为重要 ,一般为 2 V ,电压
第 1 期童建华 ,等 :银铜合金的电解抛光工艺探索 〃59 〃
的波动对抛光效果的影响较大 。而溶液的温度范围较广 ,从 5,35 ?都能顺利进行有效的抛光 。时间的 适当延长和搅拌作用都有利于抛光的效果 ,而添加剂的作用不明显 。
3 . 3 脱膜工艺的试验
当把试样提出溶液后 ,残留的溶液与空气接触对试样继续起着腐蚀氧化作用 ,生成的氧化膜逐渐变 厚 。观察到试样提出后在 1,2 s 内立刻由亮白色变成蓝色 ,继而变成棕色直至发黑 。所以试样提出溶液 后必须立即进入脱膜液 ,以防止氧化膜的生成和增厚 。选择了硫酸水溶液 、氨水水溶液和热水进行了脱膜 试验 ,结果见图 2 。从实验结果可知 ,热水的去膜能力最强 ,即在试样提出溶液 15 s 后仍能彻底脱膜至非 常光亮 ,且水温越高脱膜越彻底 。
3 . 4 银铜合金抗变色试验
) 1人工汗渍试验 。人工汗渍试验是模仿大气环境中银铜合金钎料与人体接触的抗腐蚀情况 。采用 三种试验方式 :即将试样全浸入 、半浸入和间歇浸入人工汗液中 。用恒温水槽保持在 40 ?,连续 240 h 。 () 间歇浸入是每天将样品浸入汗渍两次 ,其余时间放臵在 40 ?空气中。结果是全浸的试样好于半浸的试 样 ,间
歇浸的试样腐蚀最严重 。 表 1 光敏试验结果 ) 2湿 热 试 验 。模 仿 在 大 气 温 度 40 ?以 及 湿 度 接 近 Ta b. 1 Experiment result of photosensitivity 100 %的湿热环境里 , 材料抗变色的 能 力 。利 用 小 型 干 燥 序 号 试验条件 结 果 缸 ,底部盛水 ,上面搁臵样品架并保持密封 ,在 40 ?的恒温 1 试样敞开在空气中直接照射 变色 箱中放臵 240 h 。结果样品微变色 。 2 试样敞开在空气中遮光照射 基本不变色
3 试样在密闭容器中接受照射 基本不变色 ) 3光敏试验 。是让材料接受紫外光线的照射 ,并采用 4 试样在密闭容器中遮光照射 不变色 四种试验条件连续照射 168 h ,结果见表 1 。
4 试验分析
4 . 1 影响材料表面光亮度的原因
对于所研究的银铜钎料而言 ,材料表面粗糙或者表面不光亮的原因主要有三个 : 第一是在生产过程 中接触到生产设备的机械油污 ;第二是氧化层 ,这主要是材料在生产 、运输 、存放和使用时接触空气中的有 害气体或紫外线等产生的 ;第三是在生产或运输过程中与粗糙的生产或运输设备表面摩擦而产生的表面 划痕 。
在上述三方面中 ,材料表面氧化层是影响表面光亮度的最主要的原因 。形成的氧化层厚薄及颜色主 要与大气接触时间的长短相关 , 而且还与光照有关 。合金中的银对大气中存在的微量硫化氢气体特别敏
β感 ,易生成—AgS 而变色 。而空气中存在的二氧化硫能加速银层变色 。另外银在光照下也易与外界介 2
质反应而变色 。
4 . 2 电解抛光的作用
在电解抛光过程中 ,由于电解抛光使材料的表面产生了微观的溶解 ,使影响光亮度的氧化层得以彻底 清除 。另外 ,金属微观表面形成的稠性粘膜使表面微观凸出部分的溶解速度略大于微观凹陷部分 ,因此 ,
1 降低了零件的表面显微粗糙度 ,使零件表面比较光亮和平滑。
用除油剂能基本消除样品上残留的油污 ,经电解抛光后 ,试样表面的氧化层完全消除 ,呈亮白色 。见
() 图 3 、图 4 电解抛光前后的照片 两张照片的拍摄及冲印条件完全相同。
4 . 3 银铜钎料抛光前的表面质量对抛光效果的影响
材料抛光前的表面质量对抛光效果有很大的影响 ,这种影响体现在两方面 。一方面是变形度的影响 。 这主要是钎料在轧制过程中 ,中心和边缘的变形度不同 ,边缘的变形度大于中心处 ,则该处晶格畸变能越 大 ,位错的密度也越大 ,这使晶体处于高的能量状态下 ,所以该处金属易于与周围介质发生化学反应 ,导致
(抗蚀性能下降 ,因而在带状边缘产生的氧化膜较厚 。另一方面对于原本表面氧化膜较薄而均匀的试样 比
) ( 如带状钎料绕在轴心部分,抛光时间就比较短 ,而表面氧化膜不均匀 ,黑厚膜层较多的试样 比如带状钎
上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 17 卷 〃60 〃
) 料绕在轴缘部分抛光时间就比较长 ,因为这两部分材料接触空气的条件是不一样的 。
图 3 除油后未抛光的试样 图 4 除油并抛光的试样
Fig. 3 Sa mples of unpol ishing af ter unoil ing Fig. 4 Sa mples of pol ishing and af ter uncoil ing 4 . 4 汗渍试验 、湿热试验和光敏试验的结果分析
汗渍试验显示全浸汗液的试样好于半浸的试样 ,半浸的试样又好于间歇浸入的试样 。这是因为全浸
() 试样处在与氧 空气隔绝的状态 ,腐蚀速度将被减缓 ,在间歇浸试验中 ,间歇浸的状态为汗液提供了加速 腐蚀的条件 ,因为在大部分暴露的时间中 ,试样表面保持着几乎为氧所饱和的溶液薄膜 。而且在干湿交替 过程中 ,由于水分蒸发使得溶液中的腐蚀性组分浓缩 ,从而加速了金属腐蚀 。而在半浸试验中 ,液气相交 界处及靠气相的那段的腐蚀最为严重 ,因为液气相交界处形成了水线 ,此水线由于长期保持在金属表面的 同一位臵而造成严重的局部腐蚀破坏 ,形成了浓差电池 。试样中靠气相的部分 ,氧容易到达 ,作为阴极 。 紧靠液面下的部分是阳极 ,它们之间由于氧浓差电池引起了腐蚀 ,即“水线腐蚀”。
湿热试验试样是在没有直接接触汗液又在密闭与大气没有对流的情况下进行的 ,故变色轻微也理所 当然 。
光敏试验进一步证实了银铜钎料的变色主要与空气和光照有关 。
结论5
) 1银铜钎料用电解抛光基础溶液为磷酸 - 乙醇系列溶液 。
) 2电解抛光能完全清除材料表面氧化膜及大部分划痕 ,抛光后的材料表面光亮度基本达到国外产品 水平 。
) 3银铜钎料的抗腐蚀防护剂还需进一步研究 。
参考文献 :
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7 色金属的耐腐蚀性及其应用M . 北京 :化学工业出版社 ,1999 .
电解抛光
(1)电抛过程中要注意整个流程的洁净,待抛前样品要无水状态,表面要平整;
(2)电抛过程中样品不应离开液面,避免与空气接触,若不小心脱离液面,则必须从头开始;
(3)电抛后的清洗也是重中之重,务必快速清洗,建议超声波清洗2道次以上,大部分金属都有活性,杜绝水洗(惰性金属、不锈钢类就无所谓),建议用挥发性好的有机溶剂清洗(乙醚、无水丙酮、无水甲醇、无水乙醇...)
(4)最后是烘干,也是要果断的,最终表面不好也与烘干效果好坏有直接关系。
(5)也不是要整个表面100%都是光洁平整的,只要有足够分析的面积就行,毕竟这种大多是微区分析,但是若是恰好感兴趣的区域被污染了,那就算倒霉的。
一直从事Al, Mg, Cu等金属的研究,在实验过程中,发现Mg和Cu等软金属 的抛光和腐蚀是一个大问题,要各方面都做到相当的熟练,才能抛出好的镜面,腐蚀出清晰的晶界和孪晶等结构.下面就本人的一点经验谈一下,望大家多交流一下. 抛光布的选择:最好用长毛的软布,并且在抛光过程中,绒毛能够略微树直的那种.
抛光膏的选择: 本人曾经使用过三氧化二铝,三氧化二铬.金刚石抛光液和金刚石抛光膏等.感觉最好用的是金刚石抛光膏.可以分两种粒度的.
抛光时,先将抛光布用清水打湿,抛光机的地面一定要平,要光滑,将抛光布紧贴抛光机紧固.在抛光机开动前,先将抛光膏涂在抛光布中央(感觉机器开动后,将抛光膏涂在式样上,容易将抛光膏打飞,起不到很好的作用)然后开动机器后,先喷水,将式样在涂有抛光膏的周围抛,并且略微沾一点抛光膏,记住在抛光过程中一定要不住的喷水,让式样的感觉是很滑的那种.并且一定要一个方向抛.不要将式样直接放在抛光膏中间,一方面太浪费,另一方面效果不见的好.要让式样漫漫的往抛光膏的中间过度.时间一般在2-3分钟,一定要刨除一个误区,并不是抛光的时间越长月好,要是在3分钟内没有抛好的话,就要重新用1200目砂纸打磨一下,因为抛的时间再长,划痕还是那样.
将抛光的时候在自来水头冲洗,用干净的棉球轻轻的擦拭,然后半烘干,将式样在酒精中浸泡冲洗一会,全部烘干,放电镜观察.
腐蚀的时候,首先要选定合适的腐蚀液,将腐蚀液倒入培养皿中,中间放一小块棉球,腐蚀的时候不要用式样直接接触腐蚀液体,而是在浸湿的棉球上轻轻的碰,时间不易过长,然后用清水冲洗干净,半烘干,再用酒精冲洗烘干,然后再到抛光机轻微抛一会,再轻微腐蚀,重复几次,越来越轻,就能腐蚀出清晰的界面.
电解抛光
反应原理
化学抛光的反应过程,是金属在电解质溶液中的自溶解过程。由于金属表面微观凸起部分的溶解速度比凹下部分的溶解速度快呢?一方面,微观凸起部分的金属原子的活性比凹下部分金属原子的活性大,从而使凸起部分的溶解速度比凹下部分的溶解速度快,加一方面,由于在反应过程中,有胶状化合物产生,它沉积在凹下部分,对凹下部分金属的溶解起抑制作用,所以微观凸起部分的溶解速度比凹下部分的溶解速度快,再一方面,由于微观凸起部分与电解质溶液充分接触,其反应物能迅速扩散到溶液中,所以微观凸起部分比凹下部分的溶解速度快。
目前常用的抛光方法有以下几种:
1.1 机械抛光
机械抛光是靠切削、材料表面塑性变形去掉被抛光后的凸部而得到平滑面的抛光方法,一般使用油石条、羊毛轮、砂纸等,以手工操作为主,特殊零件如回转体表面,可使用转台等辅助工具,表面质量 要求高的可采用超精研抛的方法。超精研抛是采用特制的磨具,在含有磨料的研抛液中,紧压在工件被加工表面上,作高速旋转运动。利用该技术可以达到Ra0.008μm的表面粗糙度,是各种抛光方法中最高的。光学镜片模具常采用这种方法。
1.2 化学抛光
化学抛光是让材料在化学介质中表面微观凸出的部分较凹部分优先溶解,从而得到平滑面。这种方法的主要优点是不需复杂设备,可以抛光形状复杂的工件,可以同时抛光很多工件,效率高。化学抛光的核心问题是抛光液的配制。化学抛光得到的表面粗糙度一般为数10μm。
1.3 电解抛光
电解抛光基本原理与化学抛光相同,即靠选择性的溶解材料表面微小凸出部分,使表面光滑。与化学抛光相比,可以消除阴极反应的影响,效果较好。电化学抛光过程分为两步:
(1)宏观整平 溶解产物向电解液中扩散,材料表面几何粗糙下降,Ra>1μm。
(2)微光平整 阳极极化,表面光亮度提高,Ra<1μm。
1.4 超声波抛光
将工件放入磨料悬浮液中并一起置于超声波场中,依靠超声波的振荡作用,使磨料在工件表面磨削抛光。超声波加工宏观力小,不会引起工件变形,但工装制作和安装较困难。超声波加工可以与化学或电化学方法结合。在溶液腐蚀、电解的基础上,再施加超声波振动搅拌溶液,使工件表面溶解产物脱离,表面附近的腐蚀或电解质均匀;超声波在液体中的空化作用还能够抑制腐蚀过程,利于表面光亮化。
1.5 流体抛光
流体抛光是依靠高速流动的液体及其携带的磨粒冲刷工件表面达到抛光的目的。常用方法
有:磨料喷射加工、液体喷射加工、流体动力研磨等。流体动力研磨是由液压驱动,使携带磨粒的液体介质高速往复流过工件表面。介质主要采用在较低压力下流过性好的特殊化合物(聚合物状物质)并掺上磨料制成,磨料可采用碳化硅粉末。
1.6 磁研磨抛光
磁研磨抛光是利用磁性磨料在磁场作用下形成磨料刷,对工件磨削加工。这种方法加工效率高,质量好,加工条件容易控制,工作条件好。采用合适的磨料,表面粗糙度可以达到Ra0.1μm。
在塑料模具加工中所说的抛光与其他行业中所要求的表面抛光有很大的不同,严格来说,模具的抛光应该称为镜面加工。它不仅对抛光本身有很高的要求并且对表面平整度、光滑度以及几何精确度也有很高的标准。表面抛光一般只要求获得光亮的表面即可。镜面加工的标准分为四级:AO=Ra0.008μm,A1=Ra0.016μm,A3=Ra0.032μm,A4=Ra0.063μm,由于电解抛光、流体抛光等方法很难精确控制零件的几何精确度,而化学抛光、超声波抛光、磁研磨抛光等方法的表面质量又达不到要求,所以精密模具的镜面加工还是以机械抛光为主。
2.1 机械抛光基本程序
要想获得高质量的抛光效果,最重要的是要具备有高质量的油石、砂纸和钻石研磨膏等抛光工具和辅助品。而抛光程序的选择取决于前期加工后的表面状况,如机械加工、电火花加工,磨加工等等。机械抛光的一般过程如下:
(1)粗抛 经铣、电火花、磨等工艺后的表面可以选择转速在35 000—40 000 rpm的旋转表面抛光机或超声波研磨机进行抛光。常用的方法有利用直径Φ3mm、WA # 400的轮子去除白色电火花层。然后是手工油石研磨,条状油石加煤油作为润滑剂或冷却剂。一般的使用顺序为#180 ~ #240 ~ #320 ~ #400 ~ #600 ~ #800 ~ #1000。许多模具制造商为了节约时间而选择从#400开始。
(2)半精抛 半精抛主要使用砂纸和煤油。砂纸的号数依次为:#400 ~ #600 ~ #800 ~ #1000 ~ #1200 ~ #1500。实际上#1500砂纸只用适于淬硬的模具钢(52HRC以上),而不适用于预硬钢,因为这样可能会导致预硬钢件表面烧伤。
(3)精抛 精抛主要使用钻石研磨膏。若用抛光布轮混合钻石研磨粉或研磨膏进行研磨的话,则通常的研磨顺序是9μm(#1800)~ 6μm(#3000)~3μm(#8000)。9μm的钻石研磨膏和抛光布轮可用来去除#1200和#1500号砂纸留下的发状磨痕。接着用粘毡和钻石研磨膏进行抛光,顺序为1μm(#14000)~ 1/2μm(#60000)~1/4μm(#100000)。
精度要求在1μm以上(包括1μm)的抛光工艺在模具加工车间中一个清洁的抛光室内即可进行。若进行更加精密的抛光则必需一个绝对洁净的空间。灰尘、烟雾,头皮屑和口水沫都有可能报废数个小时工作后得到的高精密抛光表面。
2.2 机械抛光中要注意的问题
用砂纸抛光应注意以下几点:
(1)用砂纸抛光需要利用软的木棒或竹棒。在抛光圆面或球面时,使用软木棒可更好的配合圆面和球面的弧度。而较硬的木条像樱桃木,则更适用于平整表面的抛光。修整木条的末端使其能与钢件表面形状保持吻合,这样可以避免木条(或竹条)的锐角接触钢件表面而造成较深的划痕。
(2)当换用不同型号的砂纸时,抛光方向应变换45°~ 90°,这样前一种型号砂纸抛光后留下的条纹阴影即可分辨出来。在换不同型号砂纸之前,必须用100%纯棉花沾取酒精之类的清洁液对抛光表面进行仔细的擦拭,因为一颗很小的沙砾留在表面都会毁坏接下去的整个抛光工作。从砂纸抛光换成钻石研磨膏抛光时,这个清洁过程同样重要。在抛光继续进行之前,所有颗粒和煤油都必须被完全清洁干净。
(3)为了避免擦伤和烧伤工件表面,在用#1200和#1500砂纸进行抛光时必须特别小心。因而有必要加载一个轻载荷以及采用两步抛光法对表面进行抛光。用每一种型号的砂纸进行抛光时都应沿两个不同方向进行两次抛光,两个方向之间每次转动45°~ 90°。
钻石研磨抛光应注意以下几点:
(1)这种抛光必须尽量在较轻的压力下进行特别是抛光预硬钢件和用细研磨膏抛光时。在用#8000研磨膏抛光时,常用载荷为100~200g/cm2,但要保持此载荷的精准度很难做到。为了更容易做到这一点,可以在木条上做一个薄且窄的手柄,比如加一铜片;或者在竹条上切去一部分而使其更加柔软。这样可以帮助控制抛光压力,以确保模具表面压力不会过高。
(2)当使用钻石研磨抛光时,不仅是工作表面要求洁净,工作者的双手也必须仔细清洁。
(3)每次抛光时间不应过长,时间越短,效果越好。如果抛光过程进行得过长将会造成“橘皮”和“点蚀”。
(4)为获得高质量的抛光效果,容易发热的抛光方法和工具都应避免。比如:抛光轮抛光,抛光轮产生的热量会很容易造成“橘皮”。
(5)当抛光过程停止时,保证工件表面洁净和仔细去除所有研磨剂和润滑剂非常重要,随后应在表面喷淋一层模具防锈涂层。
由于机械抛光主要还是靠人工完成,所以抛光技术目前还是影响抛光质量的主要原因。除此之外,还与模具材料、抛光前的表面状况、热处理工艺等有关。优质的钢材是获得良好抛光质量的前提条件,如果钢材表面硬度不均或特性上有差异,往往会产生抛光困难。钢材中的各种夹杂物和气孔都不利于抛光。
3.1 不同硬度对抛光工艺的影响
硬度增高使研磨的困难增大,但抛光后的粗糙度减小。由于硬度的增高,要达到较低的粗糙度所需的抛光时间相应增长。同时硬度增高,抛光过度的可能性相应减少。
零件硬度与研磨性能和抛光性能的关系如图2所示。
3.2 工件表面状况对抛光工艺的影响
钢材在切削机械加工的破碎过程中,表层会因热量、内应力或其他因素而损坏,切削参数不当会影响抛光效果。电火花加工后的表面比普通机械加工或热处理后的表面更难研磨,因此电火花加工结束前应采用精规准电火花修整,否则表面会形成硬化薄层。如果电火花精修规准选择不当,热影响层的深度最大可达0.4mm。硬化薄层的硬度比基体硬度高,必须去除。因此最好增加一道粗磨加工,彻底清除损坏表面层,构成一片平均粗糙的金属面,为抛光加工提供一个良好基础。
电解抛光
(二)电解抛光液的日常维护
1.电抛光后,表面为什么会发现似未抛光的斑点或小块?
原因分析:抛光前除油不彻底,表面尚附有油迹。
解决方法:选用“云清牌 除油除蜡液”,1:10兑水使用,60-90℃条件下浸泡5-20分钟。如长时间使用后应考虑更换新液。
2.抛光过后表面局部为什么有灰黑色斑块存在?
原因分析:可能氧化皮未彻底除干净。局部尚存在氧化皮。
解决方法:加大清除氧化皮力度,可选用“云清牌 不锈钢氧化皮清除液”,“不锈钢氧化皮清除膏”等产品。因除锈除氧化皮产品较多,具体适用产品可咨询威海云清化工开发院。
3.抛光后工件棱角处及尖端过腐蚀是什么原因引起的?
原因分析:棱角、尖端的部位电流过大,或电解液温度过高,抛光时间过长,导致过度溶解。 解决方法:调整电流密度或溶液温度,或缩短时间。检查电极位置,在棱角处设置屏蔽等。
4.为什么工件抛光后不光亮并呈灰暗色?
分析原因:可能电化学抛光溶液已不起作用,或作用不明显。
解决方法:检查电解抛光液是否使用时间过长,质量下降,或溶液成分比例失调。
5.工件抛光后表面有白色的条纹是怎么回事?
原因分析:溶液相对密度太大,液体太稠,相对密度大于1.82。
解决方法:增大溶液的搅拌程度,如果溶液相对密度太大,用水稀释至1.72。在90~100℃条件下并加热一小时。
6.为什么抛光后表面有阴阳面,及局部无光泽的现象?
原因分析:工件放置的位置没有与阴极对正,或工件互相有屏蔽。
解决方法:将工件进行适当的调整,使工件与阴极的位置适当,使电力分布合理。
7.抛光后工件表面平整光洁,但有些点或块不够光亮,或出现垂直状不亮条纹,一般是什么原因引起的?
原因分析:可能是抛光后期工件表面上产生的气泡未能及时脱离并附在表面或表面有气流线路。
解决方法:提高电流密度,使析气量加大以便气泡脱附,或提高溶液的搅拌速度,增加溶液的流动。
8.零件和挂具接触点无光泽并有褐色斑点,表面其余部分都光亮是什么原因?
原因分析:可能是零件与挂具的接触不良,造成电流分布不均,或零件与挂具接触点少。 解决方法:擦亮挂具接触点,使导电良好,或增大零件与挂具的接触点面积。
9.同一槽抛光的零件有的光亮,有的不亮,或者局部不亮。
原因分析:同槽抛光工件太多,致使电流分布不均匀,或者是工件之间互相重叠,屏蔽。 解决方法:减少同槽抛光工件的数量,或者注意工件的摆放位置。
10.为什么抛光零件凹入部位和零件与挂具接触点接触附近有银白色斑点?
原因分析:可能是零件的凹入部位被零件本身或挂具屏蔽了。
解决方法:适当改变零件位置,使凹入部位能得到电力线或缩小电极之间距离或提高电流密度。
11.已严格按照工艺规范操作,为什么抛光后零件表面有或多或少的过腐蚀现象?
原因分析:是否溶液温度过高或电流密度太大,如果溶液配制没有问题,又严格操作,则可能是抛光前的处理问题。
解决方法:严格执行电化学抛光前处理的操作,在酸洗过程中避免过腐蚀。不要把清洗水留在零件表面,带进抛光槽。
12.“云清牌不锈钢通用电解液”为什么使用一段时间会出现泡沫?
原因分析:工件表面未除油,一些油污浮在电解液表面,对操作带来了困难。
解决方法:已经出现此情况的,建议将表面的油污捞出,未出现的建议在抛光前进行除油。
13.电化学抛光液内硫酸与磷酸之间有什么关系?
原因分析:硫酸较多,抛光速度过快,对金属基体可加快腐蚀,磷酸较多,可在工件表面吸附一种黏膜,亮度下降,抛光速度变慢。当然也不排除其他因素。
解决方法:调整硫酸磷酸合适比例。也可以选择“云清各种无铬电解添加剂”配方。
威海云清 宋燕龙 狄逍帆 陈晴晴 秦秋 任应利 宝海琴 刘兆丽 0631-5621396 5624235 5624236 5624239
14.工件抛光后表面无光泽,在浅黄色底子上有白色斑点,一般什么原因引起的? 原因分析:可能是电解抛光溶液中铬酐含量过高,甚至超过1.5%。
解决方法:铬离子属于重金属离子,对人体有致癌作用,污染环境,可选用无铬抛光液。推荐使用“云清牌不锈钢通用电解液”。
15.电解液成本核算主要是哪些?
主要是电费、电解液、整流器、电解槽、极板、铜棒、加热管等。
16.不锈钢各种材质在电解抛光时电流密度是多少?与电解成本有什么关联?
原因分析:在市场常规情况下不锈钢各种材质在电解液的密度为:200系列不锈钢材质电流密度在25—50安培之间,300系列不锈钢材质电流密度在15—30安培之间,400系列不锈钢材质电流密度在30—55安培之间。
解决方法:可选用“云清牌不锈钢通用电解液”200系列不锈钢材质电流密度在15—25安培之间,300系列不锈钢材质在10—15安培之间,400系列不锈钢材质在25—30之间。电流密度越大,耗电量越大。而在电解成本核算中,电费所占的比例很大。
17.抛光后经擦拭干净扔无光泽,有浅兰色阴影什么原因?
原因分析:可能是电化学抛光液配制后,未进行加热及通电处理,或溶液操作温度偏低。 解决方案:120℃下加热电抛光液一小时或将电解液加热到规定温度。
18.抛光后无光并且有黄色斑点是什么原因引起的?
原因分析:可能电化学溶液的相对密度偏小,已小于1.70。
解决方案:调整电抛光的相对密度或在80—100℃条件下加热浓缩以增大起相对密度。或是更换新液。
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19.工件抛光后,为什么从槽中取出就出现褐色斑点?
原因分析:可能是电抛光不够,或是时间较短。
解决方法:首先适当延长抛光时间,如果无作用,则可能是温度或者电流密度不够的问题。
20.电解时为什么容易出现打火现象?
原因分析:导致这一现象有三点因素:一是挂具与工件接触点不牢固,二是电解液密度太低,三是电流密度过高。
解决方法:多换几种挂具与工件连接方法,尽量多增加挂具与工件的接触点。如是电解液密度太低,可更换电解液,建议选用“云清牌不锈钢通用电解液”。
21.不锈钢电解液操作温度对电解抛光有什么影响?最佳温度是多少?
原因分析:一般电解液使用温度为50—90℃之间,温度较低,抛光速度较慢,光亮度下降。温度过高,液体对工件腐蚀加快,容易引起工件过腐蚀,电解液有效成分容易分解。
解决方法:温度较低应加热到规定温度,加热可使用各种加热管(如石英,钛材质加热管),长时间工作温度会上升,当温度超过90℃时应停止工作,散热可选用搅拌或冷却循环方式。最佳使用温度是50—90℃,“云清牌不锈钢通用电解液”的最佳使用温度为50—80℃。
22.不锈钢工件表面凹凸不平,麻点呈凸状,什么原因引起的?
原因分析:表面锈蚀较多,电解液只是微观腐蚀整平,较多的锈蚀电解液不能完全清除,如延长抛光时间,大量铁离子沉入电解液底部,降低电解液使用寿命。
解决方法:将工件表面的锈蚀清除干净。推荐使用“云清牌不锈钢活化液”,“除锈水”,“氧化皮清除液”等产品进行清洗除锈。
23.影响电化学抛光的主要因素有哪些?
温度,时间,工件材质,电解质,电压,电流,工件摆放位置。
24.在做不锈钢电解抛光时,表面吸附一层浅红色物质,再次放入电解液会有短时间的反应,什么原因?
原因分析:用铜挂具,铜离子进入电解液吸附到阳极表面,影响抛光质量,再次放入会有短时间反应是因为电解液将工件表面的铜离子溶解了。
解决方法:选用钛挂具,在夹具裸露处用聚氯乙烯树脂烘烤成膜,在接触点刮去绝缘膜,漏出金属以利于导电。
25.阴阳极的最佳面积比是多少?
阳极比阴极为1:2—3.5之间。
26.两极最佳极距是多少?
阴极距阳极最佳距离为10—30厘米。
27.云清牌 不锈钢通用电解抛光液在老化后怎样维护?
云清牌不锈钢通用电解液老化后可以添加硫酸(密度为1.84),添加量为槽液重量的6%,或是参考386A?H/L.
28.初次进行电解抛光,不仅没有抛出亮度,而且工件表面全部变成黑色或灰色,是什么原因引起的?
原因分析:发生这种现象一般是两极接反了,接反后铅板成正极溶解,工件成阴极吸附,工件溶解在溶液中的铁镍铬离子吸附在工件表面,形成了一层结合力不好的膜层。 解决方法:将正负极重新连接,阳极接正极,阴极接负极。
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参考资料:《中国化工大全网》
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