不锈钢电解抛光技术专题

一.电解抛光原理：                                                 

电解抛光(electro-polishing)也称电抛光，是利用阳极在电解池中所产生的电化学溶解现象，使阳极上的微观凸起部分发生选择*溶解以形成平滑表面的方法。它是一个复杂的阳极氧化过程，伴随着工件表面的溶解和和氧化，但又不同于阳极氧化。电解抛光的抛光机理是：

1.黏膜理论：

电解抛光在一定的条件下，金属阳极的溶解速度大于溶解产物离开阳极表面向电解液中扩散的速度，于是溶解产物就在电极表面积累，形成一层黏*膜，这层黏*膜的电阻比电解液的大，而且可以溶解在电解液中，它沿阳极表面的分布是不均匀的，在表面的微凸处的微黏膜厚度比凹处小，导致凸处的电阻也较小，从而造成电流集中，与微凹处相比，微凸处电流密度较大，电位升高，从而使氧气容易析出，有利于黏膜溶解扩散，加快了微凸部位金属的溶解。随着电解抛光时间的延续，阳极表面上的微凸处被逐渐削平，使整个表面变得平滑、光亮。

2.氧化膜理论：

在电解抛光过程中，由于析出氧的作用在金属表面形成一层氧化膜，阳极表面呈钝态，但是，这层氧化膜在电解液中是可以溶解的，所以钝态并不是完全稳定的。由于在阳极表面微凸处电流密度较高，形成的氧化膜比较疏松，而且该处析出的氧气也多，有利于阳极溶解产物向溶液中扩散，促使该处的氧化膜溶解加快。在整个抛光过程中、氧化膜的生成溶解不断进行。而且微凸处进行的速度比微凹处快，其结果，微凸处金属被优先溶解削去，使阳极表面达到平滑、光亮。

电抛光阳极过程的特点：电抛光过程根据金属表面的*质、溶液成分、工作条件，在阳极附近可能发生下列反映

① 阳极溶解，当进行电抛光时，金属表面的原子就转入到电解液中成为离子，阳极发生溶解：

Me = Me(n+) + ne

② 氧化膜（或氧吸附层）形成，电抛光时，在阳极表面会生成一层氧化膜（或氧吸附层），此膜的厚度决定于金属的*质、电解液成分、工艺规范。

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

③    气态氧的析出：

4OH- =O2 +2H2O +4e

④    溶液中还存在多种物质的氧化

二.电极极化曲线（I-U曲线、钝化曲线）

当工件基体放入电解池中并通以直流电的情况下，零件表面就会产生阳极极化现象，而且在阳极极化的工程中有一定的曲线规律—电极极化曲线

过钝化区   F     

                       C                

           活化区        D  钝化区         E         

  B

A

①    AB部分：电压增加，电流增长较慢，阳极表面未活化，不能正常溶解。

②    BC部分，电流与电压成比例增加，阳极表面活化产生正常溶解，金属具有强腐蚀型表面。

③    CD部分，在C点附近曲线发生突变，当电压从小增加到U2时，电流强度会有所下降，说明金属表面氧化膜生成，电阻增大，金属表面开始形成黏液膜。

④    DE部分，随着电压的升高电流强度却保持不变，曲线出现水平部分，金属表面生成了黏液膜，具备抛光表面的条件，金属表面正常溶解可得到光泽的表面。

⑤    从E点开始只要电压稍微增加，便引起电流强度的急剧增加，这是阳极上氧的析出的标志，虽然阳极表面得到光亮，但同时产生了腐蚀斑点（点状凹坑），电抛光过程受到破坏。

通过试验，当电解抛光时给EP槽施加至钝电压，电流就会按照阳极极化曲线的形式进行变化；把整流器调到稳压状态，调整电压到工件至钝电压，开机，电流就会从A点1S左右到达B点然后达到C点-电流的至高点 ，从C点降到D点—电流的稳定状态，电流持续稳定到达E点，电抛光过程结束。

从A点到达D点时间需要2-3S，整个稳定电流的抛光过程1-2M（根据工件材质而定）。

三.法拉第电解定律

内容：在电解时，电极上发生化学反应的物质的量和通过电解池的电量q成正比

公式：

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

m：电极上参与化学反应的物质的质量 ㎏

M：参与反应物质的摩尔质量  ㎏/mol

F：法拉第电解常数：96485 C/ mol

Z:电极反应的计量方程式中电子的计量系数

t: 时间 S

I：电流强度 A

电极上每析出（或溶解）1  mol的任何物质所需的电量为96485 C，也就是说用同等的电量通过各种不同的电解质溶液时，在电极上析出（或溶解）各物质的质量与它们的摩尔质量成正比。

四.不锈钢的电解抛光

不锈钢的电解抛光溶液，一般都为磷酸基溶液即以磷酸为主，硫酸为辅，其中还添加一部分添加剂。

1.     不锈钢电解抛光液的成分极其作用

①    磷酸

磷酸是抛光掖中的主要成分，磷酸和磷酸盐的黏滞*都比较大，有利于微观凸起处金属的优先溶解，对金属的腐蚀*比较小，对获得平整光亮的表面起重要的作用。

②    硫酸

硫酸可提高电解液的导电率，改善分散能力，减轻对有色金属的腐蚀，提高钢铁工件的光洁度。浓度过高，钢铁溶解速度过快，表面光泽*下降，浓度过低，容易使铝及其合金发生斑点状腐蚀。

③    铬酐

铬酐可促进金属表面氧化膜的形成，减轻和避免溶液对金属的腐蚀，提高整平作用，以获得光洁度高的表面。

2.     不锈钢电解抛光溶液的控制参数

①    温度

不同的电解抛光液有不同的温度控制范围，温度升高有利于金属的溶解，但是有可能产生过腐蚀，降低表面的光泽*。一般温度升高时要相应提高电流密度，才能保证工件表面的光洁度。

②    电流密度

电流密度也是工件在EP过程中一个重要参数，根据研究试验结果：奥氏体不锈钢电流密度15A-80A/dm2;马氏体不锈钢电流密度75A-82A/dm2。电流密度要根据不同的工件材料选用不同的电流密度。电流密度过高，氧气析出过多，难以形成致密的氧化膜或稳定的黏膜，电极表面过热，电化学反应剧烈，容易产生腐蚀点和条纹；电流密度过低，阳极一直处于阳极溶解状态，也不能提高金属工件表面的光洁度。

③    抛光时间

在电解抛光过程中，抛光时间并不是越长越好，它要根据电解抛光液温度的高低和电流密度的大小来定。在一般情况下，抛光时间随着电流密度的增加，温度的升高而减少，钢铁工件可比有色金属工件的抛光时间长一些，工件精度和表面质量要求较高时，也应相应缩短抛光时间，必要时可反复多次进行抛光处理。

④    搅拌

搅拌可加快电解液的流动，促进金属表面滞留的氧气泡的排除，减轻金属表面的过热现象，从而有利于工件表面光洁度的提高。生产一般采用移动阳极的方法，也有用压缩空气来搅拌电解液。

⑤    槽内*极板

*极板材料通常采用铅版，*极面积一般稍大，以提高电流效率，*阳极面积比通常为：1.1-1.5：1。

⑥    电位

在将抛光液的温度控制在一定的温度范围之内的前提下，如果电位太低，则无黏液膜形成，也无电解抛光作用发生，式样表面灰白；若电位略为升高时，虽有黏液膜的产生，但很不稳定，一旦形成也会立即溶入电解液中，也不产生抛光作用，仅有侵蚀现象产生；如果电位进一步增加，达到某一定值之后，才开始产生稳定的黏液膜，电解抛光才得以产生，并有氧气逸出，抛光效果逐步提高。随着电位的持续升高，黏液膜的厚度也相应增加，薄膜层的电阻上升，抛光电流基本保持不变，在这种电位下，氧气逸出较为迅速，局部溶液升温很快，抛光效果效果最佳，光亮度显著增加，这一区域是电解抛光的最佳区域。在这一区域中若电位很高，由于局部温度较高，抛光质量较好，但操作工艺不易控制，若电位再度升高，薄膜被击破，电阻反而下降。此时，便有凹坑出现、抛光效果变差。

总结：

抛光温度、抛光时间、抛光电流密度、抛光电位、电解抛光液的比重，这几个参数是相互影响相互制约的，一个因素变化就会引起其余几个因素相应的变化。提高温度和电位，可以提高溶液的导电能力和金属的溶解速度。但在一定的电位下，电流密度同时也会随着溶液导电能力和金属溶解速度的增加而增加。因此，在高电位作用下，必须采用较短的时间完成抛光任务，反之，在低电位作用下，电流密度必将减少，抛光时间则须延长，但不能太长，否则会产生侵蚀现象。

总之，电解抛光是一个受前处理、抛光温度、电位、时间、电流等综合因素相互影响的过程，应根据现场情况灵活应用，适度掌握各种条件，才能获得最好的 抛光效果。

WB-260不锈钢电解抛光新工艺

一、特点

1、抛光效率高，数分钟内可抛光至镜面光亮，且抛光深度强，抛光后光泽保持长久不变。

2、抛光液磷酸含量低，成本低，较一般使用的传统抛光液低30%以上。

3、抛光电流密度小，电压低，电能消耗较传统工艺低1倍左右。

4、抛光液稳定容易维护管理。

5、适用18-8类型奥氏体不锈钢抛光，也适用镍基合金抛光。

二、抛光液组成和操作条件

        浓磷酸（比重 1.74）                      510ml/L             887.4g/L

        浓硫酸（比重1.84）                        395ml/L             726.8g/L

        WB-260添加剂                                 50ml/L               52.5g/L

        水                                                       50ml/L               50g/L

        温度                                                   50–75℃     最佳60–65℃

        阳极电流密度，DA                          6–15A/dm2      最佳10–12A/dm2

        电压                                                   5–8 伏

    抛光时间                                           3–5分钟

        *极材料                                           铅或铅合金

        *极面积∶阳极面积                       2–3∶1

三、开槽步骤

    WB-260添加剂是一种表面活*剂，在其使用初期电解抛光时会产生大量泡沫，因此抛光液液面与抛光槽顶部之间的距离不应≤15cm。准确计算将欲配制的电解抛光液的体积，再根据抛光液组成将所要加入的抛光液各组分按下列顺序加入抛光槽内。

1、注入所需水量。

2、加入所需磷酸量。

3、切记硫酸用水稀释时会释放出大量热量，溶液温度急剧升高，边搅拌边添加，当温度升至80℃时应停止添加，待溶液冷却后再进一步添加直至全部加完。

4、加入所需数量WB-260添加剂，边搅拌边添加，添加完毕后彻底搅拌以确保均匀混合。

四、工艺流程

    化学除油 → 热水清洗 → 浸酸（1–2% 硫酸溶液） → 电解抛光 → 三道逆流清洗 → 浸碱（5% 碳酸钠溶液） → 热水清洗 → 擦干或烘干

五、槽液维护及补加

1、不锈钢工件在进入抛光槽之前应尽可能将残留在工件表面的水分除去，因工件夹带过多水分有可能造成抛光面出现严重麻点，局部浸蚀而导致工件报废。

2、在电解抛光过程中，作为阳极的不锈钢工件，其所含的铁、铬、镍元素不断转变为金属离子溶入抛光液内而不在*极表面沉积。随着抛光过程的进行，金属离子浓度不断增加，当达到一定数值后，这些金属离子以磷酸盐和硫酸盐形式不断从抛光液内沉淀析出，沉降于抛光槽底部。为此，抛光液必须定期过滤，去除这些固体沉淀物。

3、在抛光槽运行过程中，除磷酸、硫酸不断消耗外水分因蒸发和电解而损失，此外，高粘度抛光液不断被工件夹带损失，抛光液液面不断下降，需经常往抛光槽补加新鲜抛光液和水。

4、该抛光液在未经抛光前的原始比重为1.68，在抛光槽运行过程中，抛光液的比重应控制在1.68±0.03的范围内。抛光液比重和粘度过高，说明抛光液含水量不足或硫酸含量偏高磷酸含量偏低；反之，抛光液比重过低，表明抛光液含水量过高。经常用比重计测定抛光液的比重是一种简单有效的控制手段。

5、在有条件的情况下，最好定期分析抛光液的酸度、磷酸及硫酸的含量。

六、设备要求

    电解抛光液通常为矿物酸并在较高的温度下操作，因此抛光槽、清洗槽、*极、加热盘管及排风装置必须由可耐抛光液腐蚀的材料制造。

1、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、环氧玻璃钢以及内衬上述材料的钢槽均可用作电解抛光槽。

2、电加热或蒸汽加热盘管可选用以下材料：

⑴、聚四氟乙烯盘管：管束式聚四氟乙烯换热器用于蒸汽加热。聚四氟乙烯电加热管用于电加热。聚四氟乙烯盘管价格虽高但使用寿命长且电中*。

⑵、纯铅或铅锑合金盘管：纯铅或铅锑合金可用作电解抛光蒸汽加热盘管。为增加盘管使用寿命，在抛光液液面与空气交界处应另用铅加厚。

⑶、石英电加热管。

3、挂具：带有钛制挂钩的外涂塑溶胶的铜挂具的使用寿命最长。因本抛光液不含铬酸，也可用磷青铜作挂钩。

关于肯发公司EP工艺流程的评估

下面我概述了Compart目前存在的一些问题的解决方案，要求是将零件的RA减小到5，并且使Fe/Cr的比率达到2:1。

目前EP的操作方法不合理且效率不高，达不到客户的要求。

首先，我认为目前的RA过高，这会阻碍 足够的电量得到正确的Fe/Cr比率。EP的目的是要去除工件表面的不平线条。900及1000型号的砂纸摩擦度不够深，这会减少你们要达到Cr/Fe比率 2:1的工时。记住，如果EP超过了预期的效果，就要抽出夹具长条并清除内杂物。

   RA’s

    10

    8

    6

    4

    2

    0

                      TIME

可以考虑通过机械操作将RA减小到如图所示的10­—7程度，再通过EP将RA减小到规定程度。一般来说，若使用合适的电流量，你们可以使RA减少50％到60％，这样可以帮助你们确定足够的电流量使工件达到规定要求（RA）并且能去除一些金属（主要是Fe）而得到规定的Cr/Fe比率。同时Fe的氧化物也会减少并在零件表面形成一层氧化膜，氢的含量也会减少。

你们必须在EP时记录一些参数（化学及电学方面）。一旦你们找到能满足客户要求的参数就记录并存档。这些参数最终都会影响效果。

用于EP的参数应该要与技术员的数据表相符。在容器里的滴定化学反应能确定金属Fe 的百分含量，之后调整相关金属的百分比重（按所需使用蒸馏水）。

在EP时也要考虑温度。维持零件表面一定的粘膜也是理想的EP效果之一。

在没有任何阻碍的条件下传送电流是首要考虑的。保持线路，连接点，*极和零件的清洁可以提高电流的传送效率。

EP时夹具是最重要的物件。虽然设计一个夹具没有确切的规定，仍有些参数要考虑。首先要计算出零件的表面积，以便将零件插入夹具中。计算过程可以从1 amps/sq. inch开始，再增加20%设计出夹具传送电流。你们也可以将电流调整在1 amp/sq. inch左右，但这只是一个试验及错误分析过程，不断进行这个过程直到达到预期的效果。

最好的夹具材料是铜以及覆盖其表面的钛。铜能传送电流1000amps/sq.in. 并通过其表面的钛均匀地传送电流。其次最好的是铜和弹*铜，磷青铜夹子或钛夹子及塑胶表面的夹具主架。

*极端的材料也要考虑， 1/4inch内径(ID)的可以用铜材料，对于任何更小的内径(ID)可以用316L S/S.,用316L S/S.做成的*极外径(OD)上阳极和*极要按所期望的2:1的比率使用。

记住电流*电压＝功率（功率代表热量）。功率越低，粘膜越不容易被破坏。在内径(ID)里加工时很容易引起粘膜破坏，因为空间狭窄，热量很容易在内径(ID)里加工时产生。

总结

试验及错误分析只是确定及解决问题的方法之一。但这个过程解决了前期不良问题，再通过夹具设计就能得到需要的效果。做完这一步，下一步就能确定工艺流程以达到客户的要求。

开始用固定的电流进行一系列操作测试出Cr/Fe比率。不用很关注RA值。这样能帮助你们确定所需的每分钟电流量。接下来的EP操作在含氮30%的液体中反应不到1分钟时间，再漂洗，烘干。

当这个过程结束，记录结果，检查任何可能存在的缺陷，确定有哪些缺陷，存在缺陷的地方及引起缺陷的原因。

S136不锈钢由于具有较好的机械性能和较强的耐蚀性,目前在我国模具制造、医疗器械、食品、轻工等行业得到了广泛应用。国内所用S136不锈钢多数从瑞典进口,其成分为:C0.38%、Cr13.6%、Mn0.5%、V0.3%、Si0.8%,相当于国产4Cr13。现在国内模具制造业把S136不锈钢作为主要的注塑模具材料之一加以使用,而且使用量越来越大。根据注塑模具的生产要求,模具加工表面的表面粗糙度值一般小于Ra0.4μm,为此,经电火花成型加工后,模具表面多采用机械或人工方式,用砂纸、油石等进行光整加工,工人劳动强度大,工作效率低,加工质量不易保证。电化学抛光作为一项比较成熟的工艺,由于具有速度快、无噪音、工人劳动强度小、所需设备简单、抛光质量好、可达性强等优点,目前已广泛应用于航空航天、医疗、化工、轻工、建筑装饰等行业,可对铜、镍、铝及其合金、不锈钢、碳钢、合金钢等材料进行光整加工。本文针对S136不锈钢研究出了一种在常温条件下,成本较低、抛光效果较好的电化学抛光工艺。

基本原理 

    不锈钢的电化学抛光是基于金属阳极的电化学溶解原理,在极化曲线的钝化区域进行。抛光时,工件为阳极,不溶性金属为阴极,两极同时浸入电解抛光液中并保持一定的距离,在一定电压(3～12V)的直流电作用下,被抛光金属发生阳极溶解反应,在阴极发生产生气体的反应。阳极溶解的金属离子在其表面的扩散层内逐渐堆积,形成一层粘液层,由于被抛光金属表面存在微观的凸凹不平,凸起处粘液层较薄,尖端效应又使得电力线集中,电流密度较大,离子向溶液内部的扩散速度较快,电极反应迅速,金属去除量较大;低凹处电力线比较分散,电流密度较小,粘液层相对较厚,离子向溶液内部的扩散速度较慢,造成电极反应弱,金属去除量相对较少。随着抛光时间的延长,金属表面逐渐获得微观整平的效果。

实 验  

    目前,工程上常用于不锈钢等金属材料电化学抛光的电解液主要是以磷酸、硫酸为基体的水溶液,并添加一定量的添加剂组成。由于这类电解液大多数含有高浓度的酸(80%左右)和强氧化剂,溶液腐蚀性强,易污染环境,而且抛光时要获得较好的表面粗糙度需加热电解液。在满足抛光要求的前提下,为了尽可能克服常规电化学抛光的不足,经过多次实验,优选出了一种酸度相对较低、不含有毒物质(NO2-、CrO42-等),而且适用于常温抛光的电解抛光液。  

1.电解液配方

电解液的基本配方如下:25%H3PO4+10%H2SO4+45%H2O+无机酸X15%+3%添加剂A+2%添加剂B。

2.抛光条件

1)试件(阳极):S136,10mm×20mm,表面粗糙度值为Ra1.0μm;2)极间距:δ=60mm,两极相对静止;3)阴极:铅板;4)电流密度:0.6～1.0A/cm2;5)抛光温度:30～35℃;6)抛光时间:3～7min。无机酸X是一种氧化促进剂,其作用是促进阳极微观凸起处的溶解及金属表面粘液层的形成。添加剂A为增稠剂,其作用主要是增加电解液粘度,抑制阳极表面金属离子由粘液扩散层向溶液内部的扩散速度及析氧速度,增加光亮度。添加剂B为无机含氧化合物,其作用是抑制试件表面的Cr6+渗析出,另外起到掩蔽Fe3+的作用。抛光过程中,需定期搅拌电解液,温度越高,电流密度越大,所需抛光时间则越短,反之亦然。一般经3～7min时间的抛光加工后,试件表面呈明亮的光泽,表面粗糙度值达Ra0.1μm。

结 论  

与生产上常用的电化学抛光工艺相比,本工艺具有以下特点:

1.H3PO4、H2SO4含量为35%左右,而常规抛光则为65%～85%,强氧化性酸含量明显降低。考虑添加剂A、B及无机酸X的含量,电解抛光液总成本下降15%左右,而且腐蚀性有一定程度降低。

2.抛光温度有所降低,接近常温,且温度范围较宽(30～50℃),加热电解液所需热能减少。

3.抛光时间相对较短,平均5min左右即可达到加工要求(Ra0.1μm),生产效率在一定程度得到提高。

4.抛光液不含有毒物质,使用相对安全,对操作人员健康无影响。

5.本工艺仅适用于S136不锈钢的电化学抛光,经进一步改进、完善,可投入批量生产。

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