不銹鋼化學(xué)拋光工藝的研究

姚穎悟，邱 立，趙春梅，王海斌

(1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院電化學(xué)表面技術(shù)研究室，天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津300401)

不銹鋼化學(xué)拋光工藝的研究

姚穎悟1，邱 立1，趙春梅2，王海斌1

(1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院電化學(xué)表面技術(shù)研究室，天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津300401)

為了消除傳統(tǒng)的三酸拋光對(duì)環(huán)境和人體健康的危害，本文開發(fā)了一種磷酸體系的無煙不銹鋼化學(xué)拋光工藝，研究了不銹鋼化學(xué)拋光液的組成和拋光溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)拋光效果的影響。利用電位-時(shí)間曲線對(duì)拋光過程進(jìn)行了分析，確定了最佳的拋光工藝條件:120mL/L磷酸，60g/L硝酸鈉，60mL/L鹽酸，15mL/L添加劑，θ為60℃，t拋光為3～5min。

不銹鋼;化學(xué)拋光;環(huán)保

引言

對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行拋光，是不銹鋼制品中最為常用的一種處理工藝。化學(xué)拋光具有適應(yīng)性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)成本低、不受樣品形狀限制及不需要電源和特殊夾具等優(yōu)點(diǎn)，在不銹鋼拋光領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。本文針對(duì)目前工業(yè)上使用的不銹鋼化學(xué)拋光液存在的拋光溫度高，酸霧大等問題［3-4］，通過研究不銹鋼拋光液各組分及其含量對(duì)拋光質(zhì)量的影響，確定拋光液的最佳配方和工藝條件，該工藝具有拋光效果好，出光速度較快，無黃煙等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 各溶液組成及操作條件

1.1.1 化學(xué)拋光的工藝流程

脫脂→水洗→化學(xué)拋光→水洗→中和→水洗→干燥。

1.1.2 各溶液組成及操作條件

1)脫脂液30 g/L氫氧化鈉、20 g/L碳酸鈉、50 g/L磷酸三鈉、5mL/LOP乳化劑，常溫，t為10～15min;2)中和液5%碳酸鈉溶液;3)化學(xué)拋光液90～150mL/L磷酸、40～80mL/L鹽酸、40～80g/L硝酸鈉、15mL/L添加劑，θ=50～80℃，t=3～5min;實(shí)驗(yàn)樣品為304不銹鋼

1.2 拋光質(zhì)量的檢驗(yàn)方法

1)目測(cè)法拋光后進(jìn)行目測(cè)，觀察不銹鋼表面是否光亮，有無麻點(diǎn)，能否達(dá)到鏡面光亮水平。2)金相顯微鏡法通過OLYMPUS-STM6金相顯微鏡觀察拋光前后不銹鋼表面的形貌。3)電化學(xué)測(cè)試采用CHI604D型電化學(xué)工作站測(cè)試拋光過程的電位-時(shí)間曲線。以不銹鋼為工作電極，鉛板為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷酸對(duì)拋光效果的影響

磷酸是一種中等強(qiáng)度的三元無機(jī)酸，在化學(xué)拋光過程中既能起到溶解作用，又可在不銹鋼表面生成一層不溶性的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜，可以有效地抑制不銹鋼的過度溶解。ρ(磷酸)對(duì)拋光質(zhì)量有較大影響，當(dāng)ρ(磷酸)超過150mL/L時(shí)，會(huì)增大不銹鋼表面的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜厚度，抑制溶解反應(yīng)的進(jìn)行，不能達(dá)到拋光的效果;當(dāng)ρ(磷酸)低于90mL/L時(shí)，不銹鋼表面磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜不連續(xù)，不能抑制不銹鋼表面在鹽酸和硝酸作用下發(fā)生過腐蝕。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見表1)，當(dāng)ρ(磷酸)為120mL/L時(shí)拋光質(zhì)量最優(yōu)。

2.2 硝酸鈉對(duì)拋光效果的影響

硝酸鈉是一種強(qiáng)氧化劑，在拋光液中取代了原來使用的硝酸，以避免拋光過程中產(chǎn)生黃煙，同時(shí)還可有效地去除不銹鋼表面上的氧化層。當(dāng)溶液中ρ(硝酸鈉)低于40g/L時(shí)，不銹鋼表面氧化層難以除去，表面會(huì)有蝕坑和麻點(diǎn)出現(xiàn);當(dāng)ρ(硝酸鈉)超過80g/L時(shí)，對(duì)不銹鋼表面會(huì)產(chǎn)生鈍化作用，使溶解速度降低，表面光亮度下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見表2)，當(dāng)ρ(硝酸鈉)為60g/L時(shí)，拋光質(zhì)量最好。

表2 ρ(硝酸鈉)對(duì)拋光效果的影響

2.3 鹽酸對(duì)拋光效果的影響

鹽酸是一種不具有氧化性的無機(jī)強(qiáng)酸，用于除去不銹鋼表面上的氧化層。當(dāng)ρ(鹽酸)低于40mL/L時(shí)，拋光液化學(xué)溶解作用小，去除氧化層不完全，拋光效果不理想;當(dāng)ρ(鹽酸)超過80mL/L時(shí)，不銹鋼表面會(huì)產(chǎn)生過腐蝕，拋光液的拋光性能會(huì)降低，且因揮發(fā)嚴(yán)重易形成酸霧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見表3)，當(dāng)ρ(鹽酸)為60mL/L時(shí)，拋光質(zhì)量最佳。

表3 ρ(鹽酸)對(duì)拋光效果的影響

2.4 添加劑對(duì)拋光效果的影響

添加劑在拋光過程中起著十分重要的作用，對(duì)不銹鋼拋光速度和拋光效果有很大影響。本實(shí)驗(yàn)使用的添加劑由烏洛托品、聚乙二醇、二甲基硅油及十二烷基二苯醚二磺酸鈉等復(fù)配而成，m(烏洛托品)∶m(聚乙二醇)∶m(二甲基硅油)∶m(十二烷基二苯醚二磺酸鈉)=1∶3∶1∶1;配制方法是:首先選取50g烏洛托品將其溶于1L水中，然后按質(zhì)量比依次添加其它三種藥品。烏洛托品在拋光溶液中起緩蝕劑作用，可以保證反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，防止拋光過程中產(chǎn)生過腐蝕現(xiàn)象;聚乙二醇是大分子有機(jī)物，起到黏度調(diào)節(jié)和抑制酸霧的作用;二甲基硅油起消泡作用;十二烷基二苯醚二磺酸鈉可在不銹鋼表面形成一層吸附層，起到增光作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合型的添加劑，控制方便，添加簡(jiǎn)單，還能有效提高拋光效果，ρ(添加劑)以15mL/L為宜。

2.5 拋光溫度對(duì)拋光效果的影響

拋光溫度對(duì)不銹鋼拋光質(zhì)量的影響很大，當(dāng)θ高于80℃時(shí)，拋光速度快，容易產(chǎn)生過腐蝕，拋光液使用壽命較短;當(dāng)θ低于50℃時(shí)，拋光速度慢，拋光效果較差，拋光后不銹鋼表面呈霧狀。因此，θ應(yīng)控制在50～80℃為宜，θ=60℃時(shí)獲得的不銹鋼表面拋光效果最好(見表4)。

表4 拋光溫度對(duì)拋光效果的影響

2.6 拋光時(shí)間對(duì)拋光效果的影響

拋光時(shí)間過長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，不銹鋼腐蝕量大，拋光液消耗量增加;拋光時(shí)間太短，拋光效果差。拋光時(shí)間應(yīng)控制在3～5min為宜。

2.7 電位-時(shí)間曲線的測(cè)量

在化學(xué)拋光過程中不銹鋼腐蝕及轉(zhuǎn)化膜的形成都會(huì)引起不銹鋼表面電位產(chǎn)生變化，研究這種電位變化與時(shí)間的關(guān)系對(duì)拋光過程研究和確定拋光時(shí)間有重要意義［5］。圖1為不銹鋼試樣在化學(xué)拋光溶液中的電位-時(shí)間曲線。由圖可以發(fā)現(xiàn)，在開始30s時(shí)間內(nèi)，不銹鋼電位急劇下降至最低點(diǎn)－0.334V (vs SCE)，在這一過程中不銹鋼試樣開始被腐蝕，拋光液中有綠色腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)，此時(shí)拋光過程以腐蝕為主;此后不銹鋼電位從最低點(diǎn)上升，表明不銹鋼表面磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜開始形成，至200s時(shí)轉(zhuǎn)化膜積累至最厚，不銹鋼電位回升至－0.319V(vs SCE)，此時(shí)轉(zhuǎn)化膜的形成與溶解達(dá)到平衡，反應(yīng)過程進(jìn)入拋光階段，隨后不銹鋼電位無較大波動(dòng)。該結(jié)果與上述拋光時(shí)間在3～5min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖1 化學(xué)拋光過程的電位-時(shí)間曲線

2.8 試樣表面形貌觀察

圖2為拋光前后不銹鋼試樣表面的金相照片。

圖2(a)為拋光前的不銹鋼試樣表面微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)試樣表面坑洼不平，圖2(b)為在最佳化學(xué)拋光工藝條件下獲得的不銹鋼表面微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)試樣表面腐蝕均勻，有腐蝕剝離痕跡，試樣表面總體平整，無明顯凹凸痕跡。

圖2 化學(xué)拋光前后試樣金相顯微照片(×500)

3 工藝操作規(guī)范

1)試件在化學(xué)拋光前應(yīng)徹底除油，以保持其表面清潔干凈;當(dāng)試件表面油脂較多時(shí)，可先用有機(jī)溶劑(如汽油、丙酮等)除油，再進(jìn)行化學(xué)除油。

2)每完成一道工序，應(yīng)待試件干燥后再進(jìn)入下一道工序，以避免將水分帶入稀釋溶液。工件出槽時(shí)，應(yīng)在槽液上方停留一段時(shí)間并抖動(dòng)工件，以減少拋光液的帶出。

3)化學(xué)拋光時(shí)應(yīng)采用氣體攪拌，否則會(huì)使不銹鋼試樣局部拋光效果變差;由于拋光過程是放熱反應(yīng)，溫度升高會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)劇烈，應(yīng)及時(shí)對(duì)拋光液進(jìn)行冷卻。

4)試件經(jīng)化學(xué)拋光后，表面殘存有少量酸液，應(yīng)及時(shí)用清水沖洗，然后浸入5%的碳酸鈉溶液內(nèi)中和，防止試件表面因氧化和輕微腐蝕而失去光澤。

4 結(jié)論

1)拋光最佳工藝條件為:120mL/L磷酸、60g/L硝酸鈉、60mL/L鹽酸、15mL/L添加劑，θ=60℃，t (拋光)=3～5min。

2)本實(shí)驗(yàn)研制的化學(xué)拋光工藝效果較好，配制簡(jiǎn)單，操作過程無有毒氣體產(chǎn)生，處理過程易于控制，使用與維護(hù)方便。

［1］屈戰(zhàn)民.粉體不銹鋼化學(xué)拋光工藝的研究［J］.電鍍與環(huán)保，2007，27(5):29-30.

［2］文斯雄.不銹鋼化學(xué)拋光實(shí)踐［J］.電鍍與環(huán)保，2003，23(5):40.

［3］周永璋，丁毅，陳步榮.不銹鋼化學(xué)拋光工藝研究［J］.材料保護(hù)，2003，36(8):42-43.

［4］陳步榮，周永璋.不銹鋼常溫化學(xué)拋光工藝［J］.電鍍與環(huán)保，2003，23(3):27-28.

［5］方峰，馬馳，鞏黨國(guó)，等.低溫磷化電位-時(shí)間曲線與成膜過程研究［J］.材料保護(hù)，2007，40(10):1-4.

Chemical Polishing Technology of Stainless Steel

YAO Ying-wu1，QIU Li1，ZHAO Chun-mei2，WANG Hai-bin1
(1.Laboratory of Electrochemical Surface Technology，School of Chemical Engineering and Technology，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;2.School of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin300401，China)

In order to eliminate the harmfulness of traditional three-acid polishing method to the environment and human health，an environmental friendly chemical polishing technology composed mainly by phosphoric acid was developed.The influence of solution composition and technological parameters including polishing temperature，polishing time on surface polishing quality were studied，and the polishing process was analyzed by potential-time curves.The optimal formulation and process conditions were obtained as follows:120mL/L phosphoric acid，60g/L sodium nitrate，60mL/L hydrochloric acid，15 mL/L additive，temperature 60℃，and polishing time 3～5min.

stainless steel;chemical polishing;environmental protection

TG175

:A

1001-3849(2010)09-0005-03

2010-05-06

:2010-06-22

河北工業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目