一、電化學拋光銑切原理
1. 黏膜的整平作用
在電化學拋光銑切時,工件作為陽極產生溶解,陽極附近溶液的金屬鹽濃度不斷增加,生成高電阻率的黏膜,這層黏膜在表面毛刺及微觀凸出部分的厚度較小,電流密度較大,溶解較快,而在微觀凹入處的黏膜厚度較大,電阻較大,電流密度較小,溶解較慢。這樣使表面微觀凸起部分的尺寸減小較快,毛刺得以溶解,微觀凹入處的尺寸減小較慢,達到不銹鋼表面平滑而被拋光,尺寸被均勻銑切一些。同時,陽極上產生的氧氣泡或放電,可以破壞表面毛刺及凸峰上的黏膜,促使不平處更強烈的溶解,進一步達到整平零件的目的。
2. 黏膜的鈍化作用
黏膜也會阻礙陽極的溶解,使陽極的極化作用增大,在表面上會生成一層氧化膜,具有一定的穩定性,使表面不受化學作用,處于輕微鈍化狀態,表面便獲得光澤。
二、不銹鋼電化學拋光銑切工藝
溶液成分及工藝條件:
磷酸(H3PO4)(d=1.65) (60%~70%)(最佳70%)
硫酸(H2SO4)(d=1.84) (8%~15%)(最佳12%)
鉻酐(CrO3) (5%~15%)(最佳12%)
水 余量
溫度/℃ (50~100)(最佳70~80)
陰陽極面積之比 (1~1.5 ): 1
陽極電流密度(DA)/(A/d㎡) (10~55)(最佳20~50)
各組分及工藝條件的影響如下:
1. 磷酸含量的影響
在硫酸15%,鉻酐15%,水余量,極距15mm,陽極電流密度25A/d㎡,時間10min,溫度50~100℃,不同磷酸含量的影響見表10-3。
在實驗過程中,隨著磷酸含量的增加,電壓有升高的趨勢。從表10-3可見,磷酸含量在40%~90%范圍內均可。選取60%~70%為宜。
2. 硫酸含量的影響
在磷酸65%,鉻酐12%,水余量,極距15mm,陽極電流密度25A/d㎡,時間9min,溫度50~100℃,不同硫酸含量的影響見表10-4.
實驗過程中,隨著硫酸的增加,電壓有下降的趨勢。硫酸超過15%以后,在液面產生大量的氣泡。由表10-4可見,硫酸含量在8%~15%之間均可,選取硫酸12%為宜。
3. 鉻酐含量的影響
在磷酸65%,硫酸15%,水余量,極距15mm,陽極電流密度20A/d㎡,時間8min,溫度50~100℃,不同鉻酐含量的影響見表10-5。
隨著鉻酐含量的增加,電壓有下降的趨勢。從表10-5可見,鉻酐含量在5%~15%之間均可,選取鉻酐含量12%為宜。
4. 電流密度大小的影響
①. 電位-電流密度的斷續測定,每次更換試片,試片被拋光面積均為1d㎡.在磷酸65%,硫酸12%,鉻酐12%,水余量的溶液中進行,極距15mm,起始溫度50℃,結果見表10-6。
②. 電位-電流密度連續測定,不更換試片,一直測下去,其結果見表10-7。測定時的其他條件均與斷續測定相同。
根據表10-6和表10-7的結果,給出電位與電流的密度曲線見圖10-10。
由圖10-10可見,陽極電位上升到3V,此時電流密度緩慢上升至4A/d㎡,試片表面不光亮,說明此區域不起電化學拋光作用。電位從3V升到4V,電流密度升至10A/d㎡,試片表面光亮程度仍不太理想,可能是由于離子擴散速率還稍大于金屬溶解速率,金屬表面的黏性膜仍未生成,電化學拋光作用仍不起作用。電位超過4V后,電流密度呈直線上升。此時,陰陽極上均有氣泡析出。試片表面的光亮程度優良,銑切均勻,有去毛刺作用。陽極電位與電流密度如繼續提高,電化學反應甚為激烈,溶液沸騰,氣體大量逸出,溶液處于不穩定狀態。綜上所述,電流密度在10~55A/d㎡2均可取得滿意的結果。故電流密度取20~50A/d㎡2為宜。
5. 陰陽極間距離
陰陽極間距離的大小將直接影響電能的利用率。極距過大,大量電能將消耗于電拋液的歐姆電阻,產生的熱能使電拋液溫度升高,極距過小,容易造成阻塞或短路。表10-8為在其他條件相同時,電流密度30A/d㎡,不同極距所需要的電壓值。
由表10-8可見,極距宜小,以不影響電拋液的流動和短路為原則。
6. 溫度的影響
①. 溫度低。 電流效率低,拋光不亮或緩慢。呈灰白色,無銑切能力和去毛刺作用。
②. 溫度高至60℃,溶液擴散作用強,陽極溶解加快,電拋光性能好,毛刺除去不倒手。
③. 溫度太高至100℃,溶液沸騰,大量氣體逸出,表面拋光優良,去毛刺不倒手,但惡化操作環境。
不同溫度對拋光和去毛刺的效果見表10-9.
溫度可選在70~80℃為宜。
工藝配方中各組分的作用如下:
①. 磷酸的作用
磷酸是電拋光、銑切、去毛刺溶液的主要成分。屬于中等強度的無機酸,是促進稠性黏膜的必不可少的組分,其主要作用是增進拋光效果,因此,在拋光液中的含量比較高。若磷酸含量低,使溶液相對密度減少,黏度減小,使離子擴散速率加大,對金屬的溶解加快,不能達到整平和拋光的目的。但磷酸濃度也不宜過高,否則電阻增大,電流升不上,使反應緩慢。
②. 硫酸的作用
硫酸能提高溶液的導電率,改善分散能力,提高陽極電流效率,加速銑切和去毛刺作用。硫酸含量控制在15%以下。硫酸含量過高時,液面易產生大量的氣泡,惡化操作條件,此外,使電拋液的化學溶解能力強,不易得到光亮的表面,且使溶液中的六價鉻還原成三價鉻的速度加快,易使電解液老化。
③. 鉻酐的作用
鉻酐能使不銹鋼表面形成氧化薄層,局部鈍化,保持其不受化學腐蝕,以獲得光亮表面,有利于尖端毛刺電化學溶解速率的加快。鉻酐濃度太低,不易獲得光亮表面。濃度太高時在大電流下,易產生沉淀析出,降低電流效率,使拋光表面產生麻點等過腐蝕。三價鉻超過15g/L時,拋出來的表面呈烏光色。
三、電化學拋光銑切去毛刺
工藝流程:不銹鋼1Cr18Ni9Ti或00Cr17Ni14Mo2→機械拋光→電化學除油①→熱水洗→冷水洗→第一次電拋光②→冷水洗→第二次電拋光(調一個方向)→冷水洗→中和③→水洗→干燥→驗收入庫。
四、溶液的老化
由于不銹鋼的鐵、鉻、鎳等金屬元素在電化學過程中被溶人電拋光溶液中,這些雜質一旦積累到一定程度,使溶液黏稠,電阻增大,使不銹鋼表面拋不光亮。雜質中三價鉻起了主要的作用。三價鉻的來源有:
①. 不銹鋼的鉻元素溶解成三價鉻;
②. 溶液中六價鉻(鉻酐所含的鉻)還原成三價鉻。
陰極面積過大,使六價鉻接受電子還原成三價鉻的速度加快。相反,陰極面積減小,陽極面積增大,電流開大,陽極上產生的氧原子會使三價鉻氧化為六價鉻。如果溶液中三價鉻含量太高時,可增加陽極面積,使陰極面積:陽極面積=1:5時,大電流電解處理,可使三價鉻含量降低,六價鉻含量升高。在平常的電拋光過程中,陰陽極面積保持在(1~1.5):1,使溶液中的三價鉻不會很快積累,延緩溶液的老化過程的時間。