电化学抛光工程

一、电化学抛光工艺流程

   一般材质的电化学抛光工艺流程如下：
   预抛光或磨光→脱脂→水洗→（酸洗→水洗）→电化学抛光→水洗→酸洗→水洗→接后道工序。

   1．预抛光或磨光
   电化学抛光属于精抛光的范畴，它可使基体表面从原有的粗糙度再降几级，因此，基体的原始粗糙度愈低，电化学抛光后表面也愈光亮。为了获得高光亮度的表面，某些表面比较粗糙的工件最好进行磨光、滚光或预抛光处理，然后再进行电化学抛光。对于表面已经比较光亮的基体或并不要求获得高光亮度的工件，则不必进行预抛光或磨光。

   2．脱脂
   基材在加工过程中所用的油脂大多为矿物油，它不像植物油那样可通过碱皂的方法除去，用普通的苛性碱、碳酸钠和氰化钠溶液也无法除去，尤其是事先用抛光膏预抛光的零件，常含有高黏度的油脂，用汽油洗后还会留下油膜，通常要用特别的除蜡水或去抛光膏清洗剂进行脱脂。对于一般的零件只要用含适当表面活性剂的除油液即可，几种适于不同用途的除油液的配方。

   3．除锈
   电化学抛光钢铁时，如表面的氧化物不除尽，会引起阳极溶解的不均匀，也就得不到光亮的抛光表面，所以钢铁件在电化学抛光前必须用酸将表面的氧化物除尽。除锈用的酸通常是硫酸或盐酸，但它们均易引起吸氢问题，尤其是用盐酸时这个问题更严重。所以常在盐酸中加人一些氧化砷或氧化锑以防止吸氢作用。
   除用无机抑制剂抑制吸氢外，也可用有机抑制剂，如明胶、糖蜜、纤维素醇酸钠等。对于某些高碳钢零件，酸洗后常会留下积碳，此时要选用可除去积碳的酸洗液，这种酸洗液有时含有氢氟酸、硝酸或磷酸。

二、电化学抛光的工艺装备

   这里说的工艺装置包括：抛光槽、阴极、挂（夹）具、电源控制系统及辅助设备和工具等。

   1．抛光槽
   电化学抛光槽是用来盛装电解液的容器。按其材质可分为金属槽、非金属槽及金属槽内衬非金属垫、板双层（又称夹体）槽三种。
   金属槽通常是内槽体同时用作阴极。这样的装置比较简单。后两种抛光槽专设有阴极装置、结构稍复杂些。
   抛光槽槽体的形状大小，主要决定于被抛光件的外形结构。
对于大型或特大型制件的局部抛光，可采用一种套装式抛光槽进行抛光。这种抛光槽可根据被抛光制件的待抛光部位的规格进行专门设计制造。抛光时，只需将它直接套装在待抛光处，即可进行抛光作业。显然，这是一种蚂蚁啃骨头式的作业法，优点是多、快、好、省。
   在抛光大型空心式制件或箱柜式、管状制件内表面时，可利用制件本身的内腔（一端堵塞密封）作为抛光槽进行电抛光加工。
   还有一种摆动式抛光槽，它用于亚微片之类的金属制件的抛光加工。这种抛光槽的特点，是当被抛光制件-磨片-浸入电解液中时，电源会自动接通，进行电抛光作业。而当制件由于抛光槽的摆动使它露出电解液时，电源又自动断开，停止电抛光加工。
   有时由于某种特定工艺的需要而采用流动式或其他特制抛光槽。
   目前，国内外电抛光作业应用的抛光槽，绝大多数还是结构较简单的固定式抛光槽，与电镀槽相仿，故常有用电镀槽代用的工艺实例。
   比较标准化的或工艺要求较高的电抛光工艺，抛光槽的内壁均用绝缘材料制成。通常的抛光槽内、外壁材料。
    钢制抛光槽通常用4mm~5mm厚钢板焊接制成。木、混凝土质抛光槽外壳厚度可视槽体大小适当控制。比较正规的抛光作业用的抛光槽上方应设置抽风设备，将抛光作业中产生的有害气体及时排出室外。装设加热、降温和搅拌设备，便于随时控制电抛光体系处在较好或最佳状态。
   抛光槽容积大小的设计，主要依据是待抛光制件的大小及生产量等。中、小型的抛光槽容积一般为50L以下，多用于实验室及非连续性的抛光作业。大规模的连续生产，应用100L~300L甚至更大容积的抛光槽，个别大到5000L以上。
   还有根据最大允许体积的电流密度、更换电解液的周期及校正电解液的周期来设计抛光槽的容积。前者用于不太大的槽体设计，这时的最大允许体积的电流密度值由经验得到：
   （1）使用冷电解液时为0.5A/L~0.7A/L。
   （2）无冷却装置的热电解槽为1A/L~2A/L。
   （3）有人工冷却的电解槽为2A/L~10A/L，适于大规模生产。
   应当指出，实际应用的抛光槽的容积，通常比根据最大允许体积的电流密度设计的抛光槽容积要大2倍～3倍。nextpage

   2．电解液的加热方式
   电解液的加热方式通常有五种。
   1）电加热器加热
   这种加热器安装在抛光槽的侧面，不得装在槽底部，以免因沉积物而影响加热效果，造成电解液的局部过热。
   2）用浸入槽内的蒸汽管道加热
   这种方式的特点是加热快，热能损失少，但金属管道比较笨重，操作不方便，又会减小抛光槽的有效容积，加热也不大均匀。近年来用聚乙烯、聚四氟乙烯薄壁细管结扎而成的各种形状的加热器，内通蒸汽或热、冷水，热量迅速透过细管壁而传到溶液中，加热或冷却速度快，加热器也轻，是目前国际上深受欢迎的热交换器。
   3）直接在电解液中通以交流电加热
   它是由一个较大型变压器T和两个加热电极A、A’组成。有人称为“水猪”。特点是加热快、热耗小。
   4）用穿过槽壁的蒸汽管道加热
   这种方法是在抛光槽外壁紧紧盘旋一个蛇形管，当蒸汽通过管中时，将热量传给槽壁，继而加热电解液。这种加热方法因结构简单，容易控制而得到较普遍的推广应用。缺点是槽壁上易生成沉淀物，会影响加热效果，有时会因局部过热而破坏绝缘。特别是当抛光槽内壁为有机玻璃、聚氯乙烯等隔热绝缘材料时，就不能用该法加热。
   5）阴极保护加热法
   因阴极保护要设置专用电源，生产中较少使用，故此处不再赘述。
   对于高氯酸、醋酸、硝酸和酒精等类易挥发、或热稳定性差的电解液，不允许加热，而且抛光槽还必须配备可连续运转的冷却降温装置。例如直接浸入电解液中的蛇形冷凝管、抛光槽外壁装设冷却水或其他冷却装置。

   3．阴极
   阴极的材料性能、几何形状、尺寸大小以及它与被抛光制件之间的距离、位置等，均会直接影响电抛光工艺能否正常进行及抛光的效果。因此，阴极的设计和应用，乃是电抛光作业中必须特别重视的基本要素之一。
   关于阴极的设计，目前还没有一个比较系统和完整的科学理论作为依据，只能靠经验和反复实践。
   阴极材料的选用，应满足以下要求：
   （1）尽量高的导电性能。
   （2）在电解液中应有足够的化学稳定性。在不改变电解液的组成及不污染电解液的同时，它本身的使用寿命应尽盘长。
   （3）在电抛光过程中不易钝化和极化。
   （4）价廉易得，容易加工制造，还应有足够的机械强度。
   电抛光作业常用的阴极材料。
   阴极结构及尺寸的选用有以下的基本要求：
   1）几何结构和形状
   应尽量做到在放置最佳位置时，对被抛光制件各个部位产生的电力线强度相近，一致更好。要做到这一点，在实践上往往是很困难的。对于一些几何结构比较复杂或奇形怪状的制件，困难就更大了。
   2）不同材质应作适当调整
   用同一装置在其他工艺因素保持不变的条件下，对不同材质的制件进行电抛光时，大多会显示出不同的电抛光效果。例如，同样粗细和长度的钨、钼制件，在同一个电抛光装置中，使用相同的工艺条件进行电抛光加工，结果发现钼件的尖端腐蚀比钨件明显得多。这是电力线分配不均匀对不同材料呈现出不同的电化学作用的缘故。
   3）电力线的屏蔽
   为了使电场力在被抛光制件上各个部位的分布尽量均匀一致，有时可对阴极进行适当的局部屏蔽，也会取得较好的工艺效果。具体做法是：在二电极之间的适当位置，安放一个适当大小、形状的屏蔽物。屏蔽物可用导电或不导电材料制造，安放位置和方式主要决定于屏蔽的用途和性能。由不导电材料制成的屏蔽物的作用，是为了把附近的阴极区域绝缘，使电力线绕路通过。由导电的金属材料制成的屏蔽物—导电屏—与阳极相连接，目的是使某一范围的电力线在导电屏上闭
合，以防止电场力在抛光表面上的局部集中。
   4）阴极形状选取的实例
   对长形制件（如圆柱状、螺旋状或网状等）进行电抛光时，常利用圆桶状金属阴极，抛光后可看到制件上部表面最光亮，往下光亮度递减，但最下端小部位表面却较光亮。若改用上大下小的杯状阴极进行电抛光，则会发现制件表面的光亮性，特别是中下部表面的光亮性有了较明显的改善。但经过较精细的观察会看到，制件中部的光亮度还不如两端，而且这种差异随着制件长度的增加而趋于严重。说明了电力线（电场力）在制件表面的分配还不太均匀。后又将阴极改为上大中小下大的异型，电抛光后看到，制件中部表面的光亮度与两端的差异较前大大缩小了。上述试验中其他工艺条件均基本保持一致。显然，通过阴极形状的改进，可改善电场力在阳极（制件）表面上的电抛光作用强度的一致性。但应指出，上述试验中阴极形状的改进仅仅是定性的，定量性的改进还须努力。
   阴极表面的粗糙度，也会直接影响电抛光作业的工艺效果。从理论上讲，阴极表面越光亮，越有利于被抛光表面光亮度的提高。这一点在工业生产中往往被忽视了。但应指出，对阴极表面光亮度的过高要求是不太现实的，有时也是没有必要的。一般认为，电抛光过程所用阴极表面的粗糙度，应与被抛光表面所要达到的粗糙度同级或近似。当极间距离较大时，这一要求可适当放宽。nextpage
   5）阴极、阳极极间距离
   阴极、阳极极间距离的选取应兼顾：
   （1）便于调整电流密度到工艺规范，并尽量使抛光表面上电流密度分布得均匀一致些。
   （2）尽量减少不必要的能耗。
   具体的选用，应视被抛光制件的大小和工艺要求灵活掌握。一般来说，大型制件的极间距离大，反之小。小型制件或中型制件的局部抛光，极间距离大多为10～一20～左右，大型制件抛光用的极间距离应选取80mn1-100～。用于去
毛刺作业的抛光，极间距离以501知m左右为宜。

   4．挂（夹）具
   挂接或夹持被抛光制件所用的挂（夹）具合理与否，也会直接影响电抛光工艺能否正常进行。选用时应能满足：
   （1）能稳固地挂（夹）住被抛光的制件，且要保证电接触良好，尽量减小接触电阻。
   （2）所取形式应尽量保证电流密度能均匀分布到被抛光制件的各个部位，使抛光作用分布均匀。
   （3）结构应尽量简单和小型化，以便于加工制造、降低成本和方便使用，还可减少屏蔽作用和其他副作用。
   （4）良好的导电性和在电解液中的化学稳定性等。
   显然，能同时满足上述各项要求的挂（夹）具是不太现实的。这是因为：
   （1）绝大多数电解液都具有一定的腐蚀性，而且有些电解液的腐蚀作用很强。要完全避免挂（夹）具的被腐蚀，很难办到。
   （2）被抛光制件的结构、形状的多变性，使能同时适用于几种或多种制件的挂（夹）具的设计和制造都很困难。
   （3）工艺要求的多变性。
   比较常用的挂（夹）具为：
   （1）挂钩式。大多用φ2mm~5mm的金属（如铜、镍、不锈钢等）棒或宽度为3mm~10mm、厚度为1mm~3mm的金属板条弯制而成。常用的几种挂（夹）具的形状。
   （2）弹簧夹子或细丝夹子式。
   （3）磁力式，包括电磁和永磁两种。
   （4）专用特别挂具。用于工艺要求高或特异型制件。
   顺便指出，电抛光时，必须使被抛光制件挂（夹）具持牢固，以免制件掉人电解液中。若电接触不良，就会造成局部表面抛不亮，或未被抛光，或发花起黑斑，甚至会出现烧焦、回火或熔蚀现象，严重时会发生电火花，引起意外事故。

   5．电抛光用电源
   用于电抛光的电源为低电压、大电流的直流式电源。常用的电源有以下两种：
   1）直流发电机
   大多用于专业化或比较专业化的电加工作业。国内较常用的直流发电机。
    2）整流式交流电源
   这种电源投资较小，应用比较广。
   常用的整流器有如下三种：
   （1）硒整流器电压为3V~15V，电流为100A、200A、300A、500A等几种规格。
   （2）硅整流器性能优于硒整流器，其应用较硒整流器要广泛得多。列出了几种较常用的硅整流器。
   （3）晶阐管整流器是一种更先进的整流装置，正在迅速推广应用中。
选用何种电源或多大规格的电源，要以具体生产要求为依据。
   （1）小型制件或单件或小批量生产，工作电流不大于500A的抛光作业，可选用工作电压为OV~12V的硅整流器。
   （2）大批量生产，工作电流大于100A~5000A的抛光作业，可选用大功率（他激式）的直流发电机。
   （3）介于上述两种生产之间的抛光作业，可选用适当规格的整流器，或较小功率的直流发电机。

   6．辅助设备及工具
   电抛光作业所用的辅助设备及工具与电镀等电化学工艺相差无几。例如除油槽、酸洗槽、碱洗槽、水洗槽、中和槽、工作台、干燥箱、检测设备、温度计、密度计、计时器等。它们的设置和具备程度，应与生产规模和工艺要求相适应。