研磨金屬鏡表面去氧化實驗研究

楊振華，尚春民

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

近代高新技術(shù)產(chǎn)品對零件表面質(zhì)量的要求日益提高。在精密機(jī)械、電子、能源、化工、國防等工業(yè)部門要求用高精度裝備快速地加工出各種鏡面［1］，因此將金屬鏡應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中，既可以減少光學(xué)零件的數(shù)量，提高反射率，降低光能損失，又可以消除像差，提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量［2］。6061鋁合金是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品，其鎂、硅合金特性多，具有加工性能好、焊接優(yōu)良、電鍍性良好、抗腐蝕性和韌性高、加工后不變形、材料致密無缺陷、易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優(yōu)點。同時光學(xué)鋁制造周期短、成本低、可加工成輕質(zhì)量結(jié)構(gòu)［3-4］。因此，鋁合金6061是目前常用的制作金屬鏡的材料，但是鋁合金也具有一些缺點，例如鋁合金拋光性能差，易于氧化，鋁合金表面硬度相對較低，要拋光到光學(xué)表面質(zhì)量非常困難。一般的拋光方法，如單點金剛石加工會在其加工表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕，大大增加鏡面散射現(xiàn)象［5］，并且拋光液也可能會使鋁鏡表面氧化而降低其反射性能，因此難以獲得高精度的超光滑表面［6-7］。

金屬鏡在研磨過程中出現(xiàn)的氧化現(xiàn)象是目前研究者急于解決的問題，國內(nèi)外現(xiàn)有的氧化膜去除方法主要有物理法、電化學(xué)法和化學(xué)法［8］。研究證明，化學(xué)法［9-10］可以在研磨過程中去除鋁合金表面的氧化膜，這為本實驗提供了去氧化的方法。在散粒研磨金屬鏡實驗過程中使用清水做研磨液時，金屬表面易形成氧化膜，而鋁合金氧化膜具有一定的耐磨性、耐蝕性和表面硬度，這大大影響了研磨速率，且研磨過后表面暗淡［11］，光潔性差。同時電鍍前如不將氧化膜去除，很容易導(dǎo)致電鍍層脫落［12-13］，而在采用酸性、堿性、油性研磨液時表面相對光亮，研磨速率也有明顯提高，因此本文通過能譜儀EDS（Energy Dispersive Spectrometer）觀測表面氧含量來推斷氧化膜的多少，進(jìn)而得出在什么樣的環(huán)境下可以較快速得到表面光亮的金屬鏡。

1 純水環(huán)境下的金屬鏡研磨實驗

鋁合金6061的成分組成：銅Cu：0.15～0.4；錳Mn：0.15；鎂Mg：0.8～1.2；鉻Cr：0.04～0.35；硅Si：0.4～0.8；鋅Zn：0.25；鈦Ti：0.15；鐵Fe：0.7。

實驗過程中選用市場購買的鑄鋁板件做為原件研磨，實驗機(jī)床如圖1所示，在初步研磨過程后得到的金屬鏡面如圖2所示。可以看出，市場上的鋁合金6061鑄件內(nèi)部致密性不好，存在沙眼氣孔，在數(shù)字顯微鏡下可觀察到表面存在凹陷，這對研磨后的金屬鏡表面質(zhì)量有影響。

圖1 研磨機(jī)床

圖2 金屬鏡數(shù)字顯微鏡貼圖

實驗理論分析：鋁具有很強(qiáng)的親氧化性，其表面能在較短時間形成一層0.001 μm到0.1 μm的氧化膜［14］，在正常情況下鋁合金有以下反應(yīng)：

首先，使用純水為研磨液做金屬鏡研磨實驗，研磨后金屬鏡表面較為暗淡，如圖3所示，水中含有氧氣，研磨劑中的磨料將所有凸起部分的氧化膜破壞了，露出了材料的新鮮面，新鮮面又重新開始化學(xué)作用，將所有的表面又覆蓋上一層均勻的氧化膜［15］，因此用清水做研磨液容易產(chǎn)生氧化。實際觀察此時鋁合金研磨拋光過程中的表面氧化情況，通過掃描電鏡EDS觀測，數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖中觀察可知，在此時氧的元素含量在33.38%，通過白光干涉儀檢測金屬鏡表面質(zhì)量，如圖5所示，可看出此時表面粗糙度在224.38 nm。實驗?zāi)康氖侨コ砻嫜趸瑫r保證金屬表面質(zhì)量，通過使用不同的酸性、堿性和油性研磨液研磨金屬鏡得到理想的金屬鏡面。

圖3 清水環(huán)境下研磨后金屬鏡

圖4 清水做研磨液情況下的EDS結(jié)果分析

圖5 清水下金屬鏡表面粗糙度

2 酸性環(huán)境下的金屬鏡研磨實驗

酸性環(huán)境下的研磨，實驗過程中用檸檬酸做pH緩沖劑。檸檬酸主要用作酸味劑、增溶劑、緩沖劑、抗氧化劑、除腥脫臭劑、風(fēng)味增進(jìn)劑、膠凝劑、調(diào)色劑等，此外，檸檬酸還有抑制細(xì)菌的作用和螯合作用，能夠清除某些有害金屬。

在酸性條件下：

基于此原理可以在研磨過程中去除Al2O3和Al(OH)3。在研磨過程中加入檸檬酸，調(diào)節(jié)pH=2.5，經(jīng)過研磨后，做EDS和白光干涉儀實驗，金屬鏡表面參數(shù)如圖6所示，圖6（a）和圖6（b）分別為pH=2.5時金屬鏡表面粗糙度和表面元素含量。

圖6 pH=2.5金屬鏡表面參數(shù)

由圖中得出在此環(huán)境下氧元素的質(zhì)量含量為7.2%，較之在清水下研磨的結(jié)果，此時氧的含量有明顯下降，說明在酸性條件下，金屬鏡研磨過程中產(chǎn)生的氧化膜會明顯下降。而且在研磨過程中，由于金屬鏡較大，不方便用電子天平測重。理論上分析可知道由于酸的去氧化膜作用，加快了研磨速率，實驗過程中研磨速率也有明顯提高，表面粗糙度為209.47 nm。由于pH=2.5，酸性太強(qiáng)，對腐蝕金屬鏡表面，同時因為材料本身存在些氣孔沙眼，使得金屬鏡表面質(zhì)量差。

在pH=3.5的情況下做了同樣實驗，金屬鏡表面參數(shù)如圖7所示，此時氧的含量為7.7%，與pH=2.5時的氧含量沒有明顯差距。此時的表面粗糙度為179.41 nm。可以看出表面仍存在一定的腐蝕。此時pH選擇仍然較大。pH=4.1時的金屬鏡表面參數(shù)如圖8所示，氧的含量為8.6%，表面粗糙度為144.35 nm。pH=5.3時金屬鏡表面參數(shù)如圖9所示，氧含量為9.1%，表面粗糙度為160.46 nm。在酸性環(huán)境下研磨完后對研磨實驗做了數(shù)據(jù)的整理，如表1和圖10所示。表1記錄了pH為2.5，3.5，4.1，5.3時金屬鏡表面的氧含量和表面粗糙度，圖10為酸性條件下的參數(shù)趨勢圖，圖10（a）為酸性條件下的表面粗糙度隨pH值變化趨勢圖，圖10（b）為酸性條件下金屬鏡表面氧含量隨pH變化的趨勢圖。從折線圖上可以看出氧含量在酸性條件下整體呈現(xiàn)上升趨勢，這說明酸性的強(qiáng)弱與表面的去氧化有關(guān)系，酸性越強(qiáng)表面去氧化效果越好，但表面粗糙度呈現(xiàn)先降低再上升的趨勢，在pH=4.1時表面粗糙度最低，表面質(zhì)量最好。在酸性條件下研磨的金屬鏡，表面光亮度較純水中研磨的金屬鏡有明顯的提高，如圖11所示。

圖7 pH=3.5金屬鏡表面參數(shù)r

圖8 pH=4.1金屬鏡表面參數(shù)

圖9 pH=5.3金屬鏡表面參數(shù)

表1 酸性環(huán)境下的金屬鏡表面參數(shù)

圖10 酸性條件下的參數(shù)趨勢

圖11 在酸性條件下研磨后的金屬鏡

3 堿性環(huán)境下的金屬鏡研磨實驗

同樣在堿性條件下基于理論：

在堿性條件下實驗，選用NaOH作為鋁合金堿性pH調(diào)節(jié)劑。氫氧化鈉為強(qiáng)堿，用量低，其優(yōu)點是無氣味，pH值穩(wěn)定。pH=13時，經(jīng)過研磨后，通過EDS對元素進(jìn)行分析并做白光干涉儀實驗，得到金屬鏡表面參數(shù)如圖12所示，此時氧含量為9.3%，表面粗糙度為251.67 nm，從氧含量來說在堿性條件下也可以有效地去除表面氧化，相較純水中的研磨氧含量有了明顯的下降，但是堿性太強(qiáng)對金屬鏡表面會造成腐蝕。在pH=12.1的研磨液下金屬鏡表面參數(shù)如圖13所示，此時的氧含量為9.8%，表面粗糙度為208.83 nm，此時表面仍存在一定的腐蝕，所以并不是理想的研磨環(huán)境。在pH=11.4時金屬鏡表面參數(shù)如圖14所示，氧含量為11.5%，表面粗糙度為172.67 nm，從圖中可看出表面存在氣孔，會不可避免的影響表面質(zhì)量。pH=10.3時的金屬鏡表面參數(shù)如圖15所示。金屬鏡表面氧含量為13.1%，此時的表面粗糙度為109.12 nm，可以看出此時金屬鏡表面質(zhì)量由于堿性減弱，表面腐蝕變小，表面質(zhì)量得到提高。pH=9.4時的金屬鏡表面參數(shù)如圖16所示，金屬表面氧含量為14.0%，表面粗糙度為149 nm。對在堿性環(huán)境下的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理如表2所示。表2記錄了pH為9.4，10.3，11.4，12.1，13時金屬鏡表面的氧含量和表面粗糙度，數(shù)據(jù)折線圖如圖17所示。圖17（a）為堿性條件下表面粗糙度隨pH值的變化趨勢，圖17（b）為堿性條件下表面氧含量隨pH值變化趨勢。

圖12 pH=13金屬鏡表面參數(shù)

圖13 pH=12.1金屬鏡表面參數(shù)

圖14 pH=11.4金屬鏡表面參數(shù)

圖15 pH=10.3金屬鏡表面參數(shù)

圖16 pH=9.4金屬鏡表面參數(shù)

表2 堿性環(huán)境下的金屬鏡表面參數(shù)

圖17 堿性條件下的參數(shù)趨勢

通過數(shù)據(jù)可以看出在堿性環(huán)境中，氧含量隨著堿性的增強(qiáng)而下降，而表面粗糙度值呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，在pH=10.3時表面粗糙度最低，在堿性環(huán)境下研磨的金屬鏡光亮度相較酸性環(huán)境較弱，比在清水中的較強(qiáng)，如圖18所示。

圖18 堿性環(huán)境下研磨得金屬鏡

從上述實驗中可以看出在酸性環(huán)境里的金屬鏡表面氧含量要比堿性環(huán)境下的氧含量低，經(jīng)過分析，鋁合金6061中鎂元素也很活潑，與氧反應(yīng)易形成氧化鎂。氧化鋁是兩性氧化物，可以酸和堿反應(yīng)，而氧化鎂是堿性氧化物，并不與堿反應(yīng)，因此在酸性環(huán)境下金屬鏡表面氧含量更低，而在酸性條件下磨出的金屬鏡表面更加光亮。

4 油性環(huán)境下的金屬鏡研磨實驗

無論使用堿性研磨液還是酸性研磨液，實驗中用水作為研磨液時，水中都會含有一定的氧氣，這就使研磨過程中會存在一定的氧化。使用油可以有效地隔絕氧氣，基于此，本實驗選用航空煤油作為研磨劑。航空煤油具有流動性好、熱安定性好、抗氧化安定性好、不易蒸發(fā)、潔凈度高、硫含量尤其是硫醇性硫含量低、腐蝕小等優(yōu)點。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如圖19、圖20所示，圖19為金屬鏡表面元素含量，圖20（a）為金屬鏡表面粗糙度、圖20（b）為金屬鏡3D形貌圖。從圖中得出，在研磨液為油的情況下，氧元素含量僅為5.04%，表面粗糙度為138.26 nm，從3D形貌中可以看出材料的沙眼氣孔等問題對金屬鏡的研磨實驗存在影響，在煤油為研磨液的情況下的氧元素下降更為明顯，說明去表面氧化效果更為明顯。從物理觀點上來說由于隔絕氧氣，從而隔絕了氧氣與鋁合金表面的接觸，因此不易產(chǎn)生氧化膜，實驗過程中明顯感到研磨速率提升更大。用航空煤油做研磨液得到的金屬鏡面與純水做研磨液情況下的金屬鏡對比圖，如圖20所示，圖20（a）為航空煤油作研磨液時研磨后鋁鏡，圖20（b）為純水作研磨液時研磨后的鋁鏡，用煤油做研磨液所得金屬鏡如圖21所示。

圖19 使用煤油做研磨液時的EDS分析結(jié)果

圖20 油性情況下金屬鏡表面參數(shù)

圖21 煤油做研磨液所得金屬鏡

5 結(jié)論

在酸性、堿性、油性環(huán)境下金屬鏡表面氧的含量都有明顯的下降，說明這些研磨液可以有效地去除金屬鏡表面氧化膜，酸性環(huán)境下金屬表面氧的去除率與酸性強(qiáng)弱有關(guān)，酸性越強(qiáng)去氧效果越好，堿性環(huán)境下也有同樣的結(jié)論，堿性越強(qiáng)去氧效果越好。

氧化膜去除能力上油性環(huán)境＞酸性環(huán)境＞堿性環(huán)境，而金屬鏡表面光亮程度也呈現(xiàn)相同的關(guān)系。

在實驗過程中隨著氧化膜的去除，可以明顯感到金屬鏡研磨速率的提升，原因是氧化膜具有耐磨、硬度大等特點，而鋁鏡基體相對較軟，更容易加工。