电解抛光原理

电解抛光原理 电解抛光原理电解抛光原理示意图 上图中 阳极 金属表面上凸出部分在电解过程中的溶解速率大于凹陷部分的溶解速率，经一段时间的电解 可使表面达到平滑而有光泽的要求。此过程如下图所示: 以钢铁制件为例。电抛光时，工件作为阳极，铅板作为阴极，故在含有磷酸、硫酸和铬酐 CrO3 的电解液中进行电解，阳极 工件 铁溶解:Fe-2e- ? Fe2然后 Fe2 与溶液中的的 Cr2O7 离子 CrO3 在酸性介质中形成Cr2O7 发生下述氧化还原反应 :6Fe2 十 Cr2O72- 十 14H ? 6Fe3 十 2Cr3 十 7H20Fe3 进一步与溶液中的磷酸氢根和硫酸根离子形成 Fe2HPO43 和Fe2SO43. 随着阳极附近盐的浓度不断增加 在金属表面形成一黏性薄膜 从而使电解液浓度增大 导电性降低 . 由于在金属不平表面上的液膜厚度分布不均匀，凹入的部分膜较厚，因而电流密度小， Fe 不易溶解而呈钝化状态;凸起的部分膜较薄，电流密度较大， Fe 易于溶解而呈活化状态。这样凸起部分比凹入部分溶解要快，于是粗糙表面逐渐得以平整。 在阴极，主要是 H 和 Cr2O72- 还原反应:2H 十 2e-?H2gCr2O72- 十 14H 十 6e-?2Cr3 十 7H2O 在抛光的电解液中 磷酸是应用最广的一种成分。因为磷酸能跟金属或其氧化物反应生成各种磷酸盐，使抛光溶液成为导电性较低的黏性胶状液体，这种胶状液体附着于制件的表面，形成液膜，这对于制件的电化学整平抛光起着很大作用。 硫酸主要用于提高溶液的导电性和降低槽电压，以节省电能。硫酸的含量一般控制在 15 ,以下，否则会使金属溶解过快，得不到光滑平整的表面。 铬酐在酸性抛光液中的作用是作强氧化剂，产物 Cr3 可生成磷酸二氢铬，增加抛光液的溶度，有利于钢铁制件的整平抛光。当抛光过程发生断电时，铬酐能钝化制件表面，使制件免受腐蚀。电解抛光应用场合1 、医疗器械 2 、石油及化工行业 3 、食品器械 4 、五金加工行业电解抛光适用的金属1 、不锈钢(包括马氏体及奥氏体) 2 、铝及其合金 3 、铜及合金4 、镍及其合金 5 、钛合金等 摘要 :本文介绍了不锈钢品种及各种不锈钢表面处理方法，并各种处理方法优缺点。从而向人们揭示了使用不锈钢加工的产品应选用何种方法，才能达到不锈钢表面精饰之目的，才能开拓不锈钢使用前景及使用价值走向市场(一) 前言:大家都知道不锈钢具有它的独特的强度及耐磨性高和优越的确防腐性能不易生锈等优良的特性。故广泛应用于化工行业，食品机械，机电行业，家用电器行业。目前大量进入家庭装璜精饰行业，给予人们以华丽高贵的感觉。不锈钢的应用发展前景会越来越广，但不锈钢的应用发展很大程度上决定它的表面处理技术发展程度。下面来谈谈不锈钢表面处理技术状况。(二) 不锈钢品种简介:不锈钢一般含有铬( CR )，镍( NI )，钼( MO )，钛( TI )等优质金属元素。常见不锈钢有铬不锈钢，即含 CR12 以上。镍铬不锈钢含 CR18 ，含 NI12 。从不锈钢金相组织结材分类:有奥氏体不锈钢，例如: 1CR 18 NI9TI ， 1CR18NI11NB ， CR18MN8NI5 。马氏体不锈钢，例如: CR17 ， CR28 等。一般称为非磁性不锈钢和带有磁性不锈钢。(三) 不锈钢表面处理品种:目前对不锈钢表面进行处理品种( 1 )表面本色白化处理。( 2 )表面镜面光亮处理。( 3 )表面着色处理。1 、 不锈钢在加工过程中，经过卷板、扎边、焊接或者经办人方温面火处理，产生黑色氧化皮。这种坚硬的灰黑色氧化皮主要是 NICR2O4 和NIF 二钟 EO4 成分，以前一般采用氢氟酸和硝酸进行强腐蚀方法去除。但这种方法成本大，污染环境，对人体有害。腐蚀较大，逐渐被淘汰。目前对这种氧化皮处理方法有二种:( 1 )采用喷(丸)砂方法。( 2 )采用化学法。即使用一钟无污染酸洗钝化膏和常温无 毒害的带有无机添加剂的清洗液进行浸洗。从而达到不锈钢本色的白化处理之目的。基本上看上去是一目光的色泽。这种方法对大型、复杂产品较适用，值得推广应用。2 、 不锈钢表面镜面光亮处理方法:根据不锈钢产品的复杂程度和用户要求情况不同可分别采用机械抛光、化学抛光、电化学抛光等方法来达到镜面光泽。下面分别介绍这三种方法优缺点供大家参考选用:表 1项目方法优点 缺点 适用产品 备注机械抛光整平性好，光亮劳动强度大，污染严重，复杂件难加工，光泽下降，投资及成本较高简 单 工件，中，小产品，复杂件无法加工。整个产品光泽达不到一致，光泽保持时间不长化学抛光 投资少，复 光亮度不足，抛 复 杂 产 小批量加杂件能抛，效率高，速度快光液要加湿，有气体溢出，需要适风设备。品，光亮度要求不高的产品可选用工较合算 。电化学抛光达 镜 面 光泽，长期保持，稳定，污染少，成本低，防污染性好。一次性投资大，复杂件要装工装，辅助电极，大量生产要降温污 挡 产品，要求长时间保持镜面光，亮产品。工 艺 稳定，易操作，可广泛推广使用3. 不锈钢着色不仅赋于不锈钢制品各种颜色，增加产品的花色品种，而且提高产品 耐磨性和耐磨能性 。不锈钢着色方法有如下几种:( 1 )离子沉积氧化物或氧化物。( 2 )高温氧化法。( 3 )化学氧化法。电化学氧化法。( 4 )气相裂解法。简述各种方法概况如下: 离子沉积氧化物或氧化物法，就是将不锈钢工件放在真空镀膜机中进行真空蒸发镀:例如:镀钛金的手表壳和手表带。一般是金黄色。这种方法适用于大批量产品加工。因为投资大，成本高，小批量产品不合算。( 2 )高温氧化法是在特定的熔盐中，浸入工件保持在一定的工艺范围，使工件形成一定厚度氧化膜，而呈现出各种不同色泽。( 3 )化学法就是在特定溶液中，通过化学氧化形成膜的颜色，一般有“因可法”使用较多，不过要能保证一批产品色泽一致的话，必须用参比电报来控制。( 4 )电化学法，是在特定溶液中，通过电化学氧化形成膜的颜色，这个商业中得到应用。( 5 )气相裂解法，较为复杂，在工业中应用较少。(四) 说明:本文简单介绍不锈钢表面处理方法，具体对产品要求和适用于选用哪一种方法处理。要根据产品结材，材质，及对表面要求不同。选用制定出可行的工作实施。由于有些工艺方法的配方是商业机密，在这里不便于详写，请读者谅解。 化学着色法工艺简单、控制容易、效率高、成本低、设备投资少、着色色域宽、色泽鲜艳。但大面积制品容易出现颜色不均匀，着色后清洗、封孔不当或受到机械损伤时易脱色，着色膜的耐光性相对较差，故往往仅用于室内装饰、日常用小型铝制品的着色处理。铝阳极氧化膜的化学着色是基于多孔膜层有如纺织纤维一样的吸附染料能力而得以进行的。一般阳极氧化膜的孔隙直径为 0.01-0.03μm ，而染料在水中分离成单分子，直径为0.0015-0.0030μm ，着色时染料被吸附在孔隙表面上并向孔内扩散、堆积，而且与氧化铝进行离子键、氢键结合而使膜层着色，经封孔处理，染料被固定在孔隙内。、不锈钢电解抛光 一 实验目的1(了解电解抛光的基本原理及其影响因素。2(掌握不锈钢电解抛光的一般工艺，初步学会操作。二 实验原理电解抛光是一种常用的电解加工方法。它是利用在电解过程中，金属表面上凸出部分的溶解速率大于凹入部分这一特点，对微观粗糙的金属表面进行处理，以使其光亮与平整的加工工艺。表面平滑、光亮的金属材料不仅美观，而且具有较强的防腐蚀性能。与一般的光亮浸蚀和机械抛光相比，电解抛光具有速度快、质量好、抛光液使用寿命长、不受工件形状影响等优点。对钢铁、铝、铜等多种金属材料的电解抛光，一般均采用以磷酸为主要成分的抛光液， 以待加工工件为阳极(连接电源正极)、铅板为阴极。本实验以不锈钢抛光为例，工件不锈钢作阳极，铅板作阴极，在含 H3PO4、H2SO4、CrO3 分别为 65,、10,、15,的电解液中进行电解抛光。主要电极反应式有:阳极 Fe , 2e 一 ? Fe2阴极 Cr2O72, ， 14H ， 6e, ? 2Cr3 ，7H2O2H ， 2e, ? H2?通常认为，在阳极附近还会发生以下两种反应:Fe2的氧化 6Fe2 ， Cr2O72, 十 14H ? 6Fe3 ， ， 2Cr3，，7H2O盐的生成 2Fe2 ， 3HPO42, ? Fe2HPO432Fe3， ， 3SO42, ? Fe2SO43当阳极附近 Fe2HPO43、Fe2SO43 等盐类的浓度增加到一定程度时，会在阳极表面形成一层粘性薄膜，阻碍Fe2的扩散，使阳极发生极化，阳极发生反应的实际电势升高，即阳极的溶解速率减小。同时，由于在微观粗糙的工件表面上粘性薄膜的分布是不均匀的，凸起部分的膜较薄，其极化电势较小，铁的溶解反应速率也较凹入部分大，于是粗糙的阳极表面逐渐被整平。电解抛光具有机械抛光所不具备的优点，但也有缺点，如在工件表面容易出现斑点，这主要是处理不当或电解液受污染所致。实际应用中，影响电解抛光的因素主要有抛光液的配比、阴阳极面积比与极间距、阳极电流密度、温度等。另外，工件的预处理及后处理过程也是不可忽视的环节。三、仪器药品1(仪器恒流恒压计、电热板(800 W)、水银温度计(0,100?)、烧杯(500cm3，2 只;100 cm3)、玻璃棒、导线、砂纸(棕刚玉，粒度60 目〈2〉)、金相砂纸(W2801)、鳄鱼夹、洗瓶、铅板(60 mm×60 mm，打孔)、电极挂钩(自制:取漆包线10 cm，用砂纸磨去两端漆层，然后一端弯成钩状，一端缠绕在玻璃棒上)。2(药品酸:浓硫酸 H2SO4(1.849 g/cm3)、磷酸 H3PO4(1.7 g/cm3)碱:氢氧化钠 NaOH盐:碳酸钠 Na2CO3、磷酸钠 Na3PO410H2O、硅酸钠 Na2SiO39H2O其它:铬酐CrO3、不锈钢片(60 mm×40 mm，打孔)。3(实验装置图(见图l)图2 电解抛光实验仪器装置图1(水银温度计 2(加热板 3. 恒流恒压计 4(玻璃棒 5(电极板 6(电解槽 4(除油液、抛光液、后处理浸泡液配方(由实验室配制)(1)电化学除油液:NaOH 30 g/dm3、Na2CO3 30 g/dm3、Na2PO410H2O 30 g/dm3、Na2SiO39H2O 4 g/dm3。(2)抛光液(质量百分比浓度):H2SO4 10,，H3PO4 65,，CrO315,，H2O 余量。(3)后处理浸泡液:3,的Na2CO3 溶液。说明:(1 配制抛光液时，应先将CrO3 溶于适量去离子水中，再将H3PO4、H2SO4 依次加入，然后加去离子水至所需体积。(2)在阳极(工件)极板面积为60 mm×40 mm 左右时，每500 cm3除油液可反复使用10 次左右，每500 cm3 抛光液(按每次抛光10 min 计)可连续使 次左右。(3)鉴于 Cr(VI)、Cr(?)的毒性，抛光实验的废液应集中处理，方法可参考有关文献。四 实验步骤1(预处理用棕刚玉砂纸打磨不锈钢片正反两面，将表面毛刺和氧化皮除去，再改用 W2801金相砂纸继续打磨至轻度划痕消去，冲洗干净，挂在电极挂钩上;然后放入经预加热、温度为 70?的除油液中进行电化学除油(仪器装置图同图1)。要求待加工钢片为阳极，铅板为阴极，并调节电极挂钩控制两极板平行且间距为 1,2 cm，通过调节恒流恒压计使阳极电流密度为 3A/dm2，时间为3 min。除油后趁热用去离子水将钢片冲洗干净，并迅速放入电解抛光液中进行抛光，以免钢片表面再次氧化。2(电解抛光按图1 装好各仪器，将经预处理的钢片作阳极，铅板作阴极，置于温度为70,80?电解抛光液中，要求控制极板间距为l,2 cm，阳极电流密度为10,11 A/dm2，时间为10 min 左右。3(后处理将抛光好的钢片用去离子水冲洗干净，放入 3,Na2CO3 溶液浸泡 5min，然后再冲洗、擦干，交实验指导老师评定质量等级。4(测 评抛光质量有条件的情况下可采用电动轮廓仪表面粗糙度。一般可由教师直接根据表面光洁程度评出等级。五 预习要点1(了解不锈?值缃馀坠庖旱闹饕煞旨捌湓谂坠夤讨兴鸬闹饕饔谩?(明确不锈钢电化学除油和电解抛光的工艺条件:阴阳极板材料、极板间距、温度、阳极电流密度、时间等。六 思考题1(能否用盐酸或硝酸作为钢铁电解抛光液的主要成分,为什么,2(工件的预处理对电解抛光质量有何影响,在具体操作过程中应注意哪些问题,为何采用3,Na2CO3 溶液作为后处理浸泡液,3(观察本实验电解抛光后的不锈钢片，往往可以发现其正反两面的光洁度有一定差别，这是什么原因引起的,采取什么措施能够尽量减少这一差别,4(为什么电解抛光处理可以提高金属材料的防腐蚀性能,