精密不锈钢部件绿色电化学抛光工艺研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.9MB 56 页 15积分

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摘要

电化学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，获得平整光滑的表面。电化学抛

光是指在一定电解液中金属工件的阳极溶解,从而使其表面粗糙度下降、光亮度提

高,并产生一定金属光泽的表面光整技术。

本论文通过对不锈钢抛光液配方和抛光工艺的研究开发，得到了一种新型的，

抛光速度快，耗能小，抛光效果良好，并且对环境不造成污染的电化学抛光液配

方及抛光工艺流程。分析了电化学抛光各参数对抛光效果的影响以及电化学抛光

后试样的表面形貌、显微硬度等的变化等，得出不锈钢的电化学抛光基础液成份

为磷酸、硫酸，添加剂成份为聚乙二醇、硫脲、六次甲基四胺、糖精。具体电化

学抛光液配方为 ρ(H3PO4)=575ml/L，ρ(H2SO4)= 300mL /L，ρ(H2O)= 125mL /L，

聚乙二醇 9g/L ,硫脲 6g/L，六次甲基四胺 5g/L，糖精 15g/L，在此基础上，通过

研究各个工艺参数对不锈钢电化学抛光效果的影响研究得出最佳工艺条件为：电

流5A，抛光温度 70℃，时间 4min，占空比 65%；通过对未抛光不锈钢试样、机械

抛光试样、电化学抛光试样宏观形貌观察可知，经过电化学抛光后的试样表面光

滑细腻，可达到镜面光亮，能够清晰映照出杂志表面的文字，同样用试样表面可

作为镜子，能够清晰映照出人的五官眉毛，说明试样表面的光亮度和整洁性大大

提高；通过用金相显微镜 Nikon55i 和Quanta 450 型场发射扫描电子显微镜和对

未抛光试样、机械磨光试样、抛光后试样进行观察分析可知，经过电化学抛光后

的试样表面微观形貌明显好于机械抛光和未抛光试样，说明经过电化学抛光处理

后的试样表面性能大大提高；电化学抛光后试样的表面硬度被消除掉 38.2%，不锈

钢试样表面硬度由 189.6HV 降低到 117.2HV，不锈钢试样表面硬化层被消除；通过

电化学工作站做出的抛光前后极化曲线的对比可知，电化学抛光后试样的自腐蚀

电位由抛光前的-1.11V 升高到-0.82V，抛光后的腐蚀电流从抛光前的 2.862*10-4A

降低到 6.896*10-5A，不锈钢的极化曲线整体向正电流移动，使抛光后的腐蚀速率

从抛光前 1.988*10-4 cm/A 降低到 4.790*10-5 cm/A，说明经过电化学抛光后，不锈

钢表面的耐腐蚀性能得到提高。

关键词：电化学抛光、抛光液、添加剂

ABSTRACT

The Electrochemical Polishing in recent decades developed surface treatment

technology to improve the micro-geometry of the metal surface, reducing the

microscopic roughness of the metal surface, to obtain flat smooth surface.

Electrochemical polishing is a certain electrolyte anodic dissolution of metal parts,

making it the surface roughness decreased, brightness increased, and a certain metallic

surface finishing technology.

This paper relates briefly the mechanism of electrochemical finish. introduce a new

process of safety, quickness and no contamination for stainless steel under the normal

atmospheric temperatures and discusses the functions of the various composites in the

finishing solution. Analysis of electrochemical polishing polishing effect and

electrochemical polishing the sample surface morphology, microhardness changes of

various parameters obtained stainless steel electrochemical polishing the base fluid

composition for phosphoric acid, sulfuric acid, the additive composition polyethylene

glycol, thiourea, hexamethylenetetramine, saccharin. Electrochemical polishing liquid

formula for ρ (H3PO4) = 575ml / L of ρ (of H2SO4) = 300mL / L, and of ρ (H2O) =

125mL / L polyethylene glycol 9g / L, thiourea 6g / L, or six timestetramine 5g / L, the

saccharin 15g / L, on this basis, through the study of the impact of various process

parameters on the stainless steel electrochemical polishing effect, The optimum

conditions are as follows: the current is 5A, polishing temperature 70 ° C the time of

4min, 65% duty cycle，through the not conducted polished stainless steel specimens,

mechanical polishing the sample, the electrochemical polishing the sample macroscopic

morphology shows smooth and delicate surface of the specimen after electrochemical

polishing can be achieved by a mirror bright, clear and reflects the text of the journal

surface, the same surface of the sample can be used as a mirror reflects the person's

facial features eyebrows, on the brightness and cleanliness of the surface of the

specimen greatly improve；Specimens by metallographic microscope Nikon55i and

Quanta 450 field emission scanning electron microscopy and not polished specimens,

mechanical polishing, the polished samples were observed analysis shows that the

electrochemical polishing surface of the sample morphology significantly better

mechanical polishing and polished specimens, indicating that after electrochemical

polishing of the sample surface properties greatly improved; Electrochemical polishing

the sample surface hardness is eliminated 38.2% of the stainless steel sample surface

hardness from 189.6HV lower the 117.2HV, stainless steel samples hardened layer is

eliminated; made by electrochemical workstation before and after polishing the

polarization curve the comparison shows that the electrochemical polishing specimen

corrosion potential rises to before polishing-1.11V-0.82V, the corrosion current after

polishing before the 2.862 * 10-4A reduced to 6.896 * 10-5A, stainless steel polarization

curves of the overall positive current mobile, so that the corrosion rate of polished from

polished 1.988 * 10-4 cm / A, reduced to 4.790 * 10-5 cm / A, indicating that after

electrochemical polishing, the surface of stainless steel corrosion performance is

improved.

Keywords：Electrochemical polishing, polishing fluid, additives

摘要

ABSTRACT

第1章绪论 ......................................................... 1

1.1 不锈钢的性质和应用 ............................................ 1

1.1.1 不锈钢的性质 ............................................. 1

1.1.2 不锈钢的应用 ............................................. 1

1.2 不锈钢表面抛光技术 ............................................. 2

1.2.1 机械抛光 ................................................. 2

1.2.2 化学抛光 ................................................. 3

1.2.3 电化学抛光 ............................................... 4

1.2.4 三种抛光方法的相互比较 ................................... 4

1.3 电化学抛光的发展及主要影响因素 ................................ 6

1.3.1 电化学抛光的起源与发展 .................................. 7

1.3.2 电化学抛光的原理 ........................................ 8

1.3.3 影响电化学抛光效果的主要因素 ........................... 10

1.4 研究的目的意义和主要研究内容 ................................. 12

1.4.1 研究的主要目的和意义 ................................... 12

1.4.2 论文的主要研究内容 ..................................... 13

第2章实验过程及研究方法 ........................................... 15

2.1 实验材料及设备 ............................................... 15

2.1.1 实验的主要试剂 ......................................... 15

2.1.2 实验设备 ................................................ 16

2.2 电化学抛光的实验步骤 ......................................... 16

2.3 电化学抛光实验注意事项 ....................................... 18

2.4 实验设计和实验方案 ........................................... 19

2.4.1 基础抛光液的选择 ....................................... 19

2.4.2 添加剂的初选 ........................................... 19

2.4.3 正交试验设计 ............................................ 20

2.5 电化学抛光质量的测试 ......................................... 22

2.5.1 不锈钢表面形貌分析 ..................................... 22

2.5.2 表面粗糙度的检测 ....................................... 22

2.5.3 表面光泽度的检测 ........................................ 23

2.5.4 显微硬度分析 ........................................... 24

2.5.5 耐蚀性能的测试 .......................................... 24

第3章不锈钢电化学抛光液成分研究 ................................... 26

3.1 不锈钢基础抛光液组分比的确定 ................................. 26

3.2 基础抛光液中组分的作用分析 ................................... 27

3.3 添加剂的研究 ................................................. 29

3.3.1 添加剂的初选 ........................................... 29

3.3.2 复合添加剂的正交试验 ................................... 30

3.4 本章小结 ..................................................... 32

第4章电化学抛光工艺影响因素的研究 ................................. 34

4.1 电流对电化学抛光效果的影响 ................................... 34

4.2 抛光温度对电化学抛光效果的影响 ............................... 35

4.3 抛光时间对电化学抛光效果的影响 ............................... 36

4.4 脉冲占空比对电化学抛光效果的影响 .............................. 37

4.5 极间距对电化学抛光效果的影响 ................................. 38

4.6 本章小结 ..................................................... 38

第5章电化学抛光前后试样的性能分析比较 ............................. 39

5.1 表面形貌分析 ................................................. 39

5.1.1 宏观形貌观察 ........................................... 39

5.1.2 微观形貌分析 ........................................... 40

5.2 维氏显微硬度分析 ............................................. 41

5.3 耐腐蚀性能分析 ............................................... 42

5.4 表面光泽度分析 ............................................... 43

5.5 本章小结 ..................................................... 44

第6章结论 ......................................................... 46

参考文献 ......................................................... 47

附录 1 图 ............................................................. 50

附录 2 表 ............................................................. 51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ....................... 52

致谢 ................................................................. 53

第1章绪论

1.1 不锈钢的性质和应用

1.1.1 不锈钢的性质

不锈钢（Stainless Steel）是不锈耐酸钢的简称，指在大气、水蒸汽、淡水等弱腐

蚀介质中具有很强的耐腐性或不锈性的钢种。通常，我们将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为

不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢[1]。

不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降

低，因此，大多数不锈钢的含碳量均比较低，不锈钢中的主要合金元素是铬（Cr），只有

当Cr 含量达到一定值时，钢才具有耐蚀性。试验表明，当钢中的含铬量约达到 12%时，

在大气和氧化性酸介质中，钢的耐蚀性达到最佳值，它在大气中不生锈，在氧化性酸中

耐蚀性显著提高。这是由于此时钢的表面形成了一层极薄的致密氧化膜，它可以防止金

属基体表面被侵害。除铬外，不锈钢中还含有 Ni、Ti、Mn、N、Nb 等元素。

不锈钢的分类方法有很多，一般不锈钢常按组织结构分为：马氏体钢、铁素体钢、

奥氏体钢等。另外，还可按钢中主要化学成分或钢中的一些特殊元素分为：铬不锈钢、

铬镍不锈钢、铬钼不锈钢和铬锰氮不锈钢等。

1.1.2 不锈钢的应用

不锈钢除具有优良的耐蚀性之外，还具有很好的延展性和韧性。含 13%铬的不锈钢耐

硝酸性能好，适合于制造耐硝酸设备的材料，也可用于制造高温、高压设备，但它易受

硫酸和盐酸的腐蚀。含 18%Cr、8%Ni 的不锈钢则耐硫酸、盐酸腐蚀的性能很好，可以做

耐硫酸、盐酸设备的材料。铬镍奥氏体不锈钢是各类不锈钢中综合性能最好的一类，因

此得到最广泛的应用，此类钢中含碳量不大于 0.03%时，即所谓的超低碳不锈钢，其耐酸

化态晶间腐蚀性能显著提高，且不存在 Ti、Nb 钢的抛光性能差和焊后有刀口腐蚀倾向的

缺点。钢中含 Ni 量越高，它们的耐应力腐蚀性能越好。不锈钢的这些优良特性，使它在

石油化工、机械电子、医疗器械、轻工产品、建筑装潢等领域获得愈来愈广泛的应用[2]。

国际上常用的不锈钢主要有四大系列。应用最广泛的是耐腐蚀性能较好的 SUS300 系

列奥氏体不锈钢，市场上最常用的牌号是 SUS304，它是典型的 18-8 型，即含铬 18%、含

镍8%的奥氏体不锈钢，它在厨房用具、家用电器和日用五金及各种装饰产品上均获得非

常广泛的应用。耐蚀性比 SUS304 更好的 SUS316 不锈钢，它适用于化工生产装备的制造。

不锈钢在生产过程中经过热处理工艺后表面容易生成一层棕黑色氧化皮，在切削或

加工成形的过程中容易留下不平整的表面。直接热轧或冷轧的不锈钢板，其表面粗糙度、

光亮度也达不到用户的要求。对于精密不锈钢部件而言，其表面粗糙度、光亮度以及表

面的平整光滑性能要求更好，因此，需要对不锈钢部件表面进行抛光处理。常用的抛光

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摘要：

摘要电化学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，获得平整光滑的表面。电化学抛光是指在一定电解液中金属工件的阳极溶解,从而使其表面粗糙度下降、光亮度提高,并产生一定金属光泽的表面光整技术。本论文通过对不锈钢抛光液配方和抛光工艺的研究开发，得到了一种新型的，抛光速度快，耗能小，抛光效果良好，并且对环境不造成污染的电化学抛光液配方及抛光工艺流程。分析了电化学抛光各参数对抛光效果的影响以及电化学抛光后试样的表面形貌、显微硬度等的变化等，得出不锈钢的电化学抛光基础液成份为磷酸、硫酸，添加剂成份为聚乙二醇、硫脲、六次甲基四胺、糖精。具体电化...

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