孙莹+沙明工

摘 要：随着技术的发展与工业的进步，传统铝的抛光已经不能满足表面质量的要求。电化学抛光因具有抛光效果好、抛光效率高等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。本文研究了1060纯铝板的电化学抛光新工艺，在现有的电化学抛光工艺的基础上，利用表面粗糙度测试仪、数码显微镜等仪器，对试件拋光金属损耗比、抛光速率、表面粗糙度、光泽度、微观结构检测与评估，得出铝电化学抛光的最佳工艺参数。

关键词：电化学抛光；正交试验；优化设计；光泽度

中图分类号：TG175 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0069-03

1 绪论

1.1 电化学抛光

电化学抛光又称为电解抛光，是指在一定浓度的电解液中金属工件的阳极溶解，从而使它的表面粗糙度下降、光亮度提高的过程，并且产生出一定金属光泽的表面光整技术。它能够实现在不改变工件本体性能的前提下改良金属表面的理化性质。电化学抛光中被抛工件为阳极，难溶金属为阴极，阴阳两极同时浸入抛光液，通以直流电而使被抛金属可控制、有选择的被溶解腐蚀，而变得更加光洁、平整、耐腐蚀性更强。与化学抛光、机械抛光相对照，电化学抛光优点是，能够得到高的抛光精度，高的表面光泽度，生产效率高、能量消耗相对较少，尤其是可以加工任何形状和尺寸的复杂工件，电化学抛光速度与金属的机械-物理性能无关，能改善金属零件表面的物理-机械性质、理化学性质和操作易于掌握，应用范围广泛。

1.2 电化学抛光原理

（1）钝化膜理论；

（2）电化学原理；

（3）法拉第定律；

为避免冗余这里不在过多陈述理论性知识，详见参考资料。

1.3 影响电化学抛光的主要因素

电化学抛光的表面质量是受多因素多变量综合影响的结果。主要因素有以下几个方面：

电解液（抛光液）酸碱性、电流密度大小、抛光时间长短、极间距大小。

2 实验过程与研究方法

2.1 实验材料与设备

2.1.1 实验主要试剂

（1）基础材料及阴极材料。1060纯铝板（阳极，抛光试件其尺寸为34mm×55mm×3mm）、铜板（阴极，其尺寸为34mm×55mm×3mm）。

（2）化学试剂。实验材料与设备如实验试剂及纯度（表1）所示。

2.1.2 实验设备

（1）SIYI-30150M脉冲电源与KXN-305D直流稳压稳流电源。

（2）Ccd+数码显微镜。

（3）MPLR-702A数显示控温磁力搅拌器。

（4）YM-1金相试件预磨机。

（5）FA2004B电子天平。

（6）202型电热恒温干燥箱。

（7）CE-5200A数码超声波清洗剂。

（8）数字多用表。

（9）其他实验用品：1000ml与500ml的烧杯、水浴锅、量筒、胶头滴管、药勺、秒表、玻璃棒、铜导线、剪刀等。电化学抛光实验步骤。

2.2 电化学抛光实验步骤

电化学抛光实验主要有以下几个步骤：

（1）阳/阴极试件的获得。先用切割机切割1060纯铝板/紫铜板获得34mm×55mm×3mm尺寸，打磨试件四周以去除毛刺，撕去双面的塑料保护膜，然后用丙酮溶液擦拭试件表面，用以去除表面附着的油污，竖直放置自然晾干后，然后放在超声波清洗仪中处理480s，用以去除表面难以去除的尘粒及粘连物，用特制的平整的亚克力板夹具夹紧24h，以使试件平整，然后在300℃的恒温箱中放置3h（消除试件的内应力），在超声波清洗仪中处理480s，待其自然冷却晾干后，分别标号，用电子天平称重，统一用密封袋存于阴凉处，这样就得到去除了内应力的平整试件。

（2）电化学实验抛光液的准备。按照配方比例配置，用磁力搅拌器搅拌均匀；根据不同的抛光温度，采用水浴加热法进行加热。

（3）稳流稳压电源的调整。针对不同的实验设置仪器参数。

（4）进行电化学抛光实验。让电源的正极与阳极试件相连，负极与阴极试件相连，固定完毕后，待温度达到理想的实验温度时，开动磁力搅拌器，搅拌平稳后，让阴阳极与夹具完全浸入电解液，同时秒表及时开始。抛光结束后，先切断电源开关，后快速移出试件夹具，浸入实现准备好的清水中，去除表面残留的电解液，之后在超声波清洗仪中处理480s，放入恒温干燥箱中干燥处理。

（5）后期工作。电子天平称量反应后的试件质量，并且用电子天平初步观察表面微观结构，纪录数据。

2.3 铝电化学抛光表面质量的评估测试

2.3.1 抛光金属的损耗比α

抛光金属的损耗比α表示，同一种金属达到相同的光整程度时，损耗的金属质量与抛光前金属质量的百分比。损耗比α越小，说明抛光效率越高。其计算公式为：

式中：M--表示抛光前金属的质量；

--表示抛光后金属的质量；

2.3.2 金属的抛光速率β

常用抛光速率β来衡量金属在特定抛光参数的反应速度。在保证抛光效果的前提下，抛光的试件数量越多，抛光速率β越大。抛光速度β的公式如下：

式中：M--表示抛光前金属的质量；

--表示抛光后金属的质量；

S--表示被抛光金属发生电化学反应的面积；

t--表示抛光所用的时间。

2.3.3 金属表面粗糙度检测

本实验表面粗糙度的检测通过JB-1c表面粗糙度仪。首先让试件水平放在V型槽内，让金刚石探针放在试件表面，使用微调旋钮让试件保持水平，确定行程然后在抛光试件表面选取多处进行测量，求平均值获得金属的表面粗糙度。

2.3.4 表面的光泽度测试

本实验采用金属试件表面与反射物垂直的方式对试件光泽度进行测试，筛选出光泽度良好的实验结果。

2.3.5 表面电子显微镜检测如电子显微镜结构圖（图1）所示

3 试件的表面预处理实验

试取出已经提前去除内应力、加工好的阳极金属试件两片，分别为标号为试件a与试件b，试件a不采用任何处理，试件b采用2000目的砂纸用手轻轻打磨20下，然后交叉垂直轻轻打磨20下分别进行试验观察，进行质量评估。如实验前后图（图2）所示。

3.1 基础抛光液的成分与浓度确定

由于金属铝属于两性金属，所以常规铝的基础抛光液有磷酸-硫酸-铬酸的酸性抛光液和碳酸钠-磷酸三钠的碱性抛光液。与酸的反应方程式：

与碱的反应方程式：

根据反应方程式知：金属铝与碱性溶液反应后生成难溶的沉淀，沉淀会附着在试件爱的表面影响反应的持续性与平稳性，除此之外还会对试件的清洗带来麻烦。金属铝与酸性溶液反应生成易溶于水的盐与氢气，对实验的影响相对比较小，故本实验采用酸性抛光液。且硫元素的各种化合污染环境，基于环保的角度来考虑，因此本试验选择“磷酸+硫酸”为基础抛光液进行探究。

3.2 正交试验的设计

初步得出金属铝试件电化学抛光的工艺参数范围如表2所示：温度85℃、磷酸与硫酸基液浓度体积比为7：3、时间1.5min--3min、电流密度1030、极间距离1mm--3mm。本实验为4因素3水平的正交实验，设计具体的正交实验表格如表3正交试验质量损耗比所示。

3.3 一维优化方法（迭代法）如表4

首先给定一个约束条件表面粗糙度小于10即可。根据上述正交试验如图3，最佳工艺参数在试验9附近。先比较试验9与试验12，除时间参数不同，其他工艺参数完全相同，观察得出试验9优于试验12，说明往试验12方向寻找是不正确的；然后继续比较试验9与试验11，极间距不同其他参数相同，粗糙度呈现现将趋势，方向基本正确；然后比较试验10与试验11，观察测量得出试验10的表面质量最好，且粗糙度值为9nm。

3.4 试验装置图如试验装置图（图4）所示

4 结论

通过对铝电化学抛光工艺和抛光液配方进行研究，试验出了抛光效果好、抛光效率高、无污染的铝电化学抛光液配方和抛光工艺参数，系统分析了电化学抛光后各工艺参数对抛光效果的影响，以及电化学抛光后试件的表面微观形貌、光泽度的变化等，研究出在“磷酸+硫酸+添加物”的体系下进行铝电化学抛光实验的最佳工艺为：温度85℃、磷酸与硫酸基液浓度体积比为7：3、电流密度30、极间距离1mm、0Vol%的水体积比、时间3min、添加剂乙二醇16.7 Vol%、外加机械搅拌转速600r/min。

“磷酸+硫酸+添加物”的工艺体系与传统酸性铝电化学抛光工艺相比，消除了铬元素的污染，降低了生产成本，抛光电路导电性良好，对材料的适应性好，抛光后溶液残液容易去除，且得到的抛光表面质量达到甚至超过传统铝电化学抛光工艺，是值得推广的环保绿色电化学抛光新工艺。

参考文献

[1]孙俊，辛森，毕红.高纯铝的电化学抛光工艺研究[J].中国论文在线，2008.447-451.

[2]周宪明.环保型铜和铝表面的电化学抛光[C].西安理工大学，2010.

[3]王祝堂，田荣璋铝合金及其加工手册[M].长沙：中南工业大学出版社，1988.

[4]朱虎生.铝合金电化学抛光工艺现状[J].涂装与电镀，2009年第4期.44-45.

[5]吴小源，刘志铭，刘静安.铝合金型材表面处理技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[6]安成强，白晓光.铝及铝合金非铬电化学抛光工艺的研究[J].当代化工，2002年9月第31卷第3期.139-141.

[7]朱祖芳.有色金属的耐蚀性及其应用[M].北京：化学工业出版社，1995.

[8]李和仙，刘伟，李梅.谈电化学机械抛光[N].机电技术，2010.63-68.

[9]薛宽宏，唐加林，高春英.铝及其合金的无铬电化学抛光研究[N].电镀与精饰，1988.25-27.