柠檬酸-硫酸型不锈钢电化学抛光液研究

姚颖悟 *，王超，赵春梅，芦力君

（1.河北工业大学化工学院电化学表面技术研究室，天津 300130； 2.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300401）

1 前言

不锈钢具有耐腐蚀、耐磨损、易加工等优良性能。对不锈钢表面进行抛光处理，是不锈钢制品中最为常用的处理工艺。不锈钢电化学抛光技术具有生产效率较高，设备投资低，电解液可连续使用等优点[1-2]。但 目前使用的抛光液大多含有磷酸和铬酐[3-4]，对环境会造成不良影响，绿色环保的电化学抛光技术是今后的研究热点[5]。本文研究了以柠檬酸和硫酸为主体、适用于奥氏体不锈钢的电化学抛光液。该抛光液抛光效果好，无污染，成本低，并能增强不锈钢的耐蚀性。

2 实验

2.1 工艺流程

脱脂─水洗─电化学抛光─水洗─中和─水洗─干燥。其中，中和液为w=5%的碳酸钠溶液。

2.1.1 脱脂

2.1.2 电化学抛光

2.2 检测

2.2.1 目测法

目测观察不锈钢表面是否光亮，有无麻点，能否达到镜面水平。

2.2.2 金相显微镜法

通过OLYMPUS-STM6 金相显微镜(日本奥林巴斯株式会社)观察抛光前后不锈钢表面的形貌。

2.2.3 分光光度法

用紫外-可见分光光度计测试抛光后样品表面的反射率来表征抛光效果，以反射率100%的镜面作为参考。

2.2.4 耐蚀性能考察

利用CHI604D 电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)测试样品的阳极极化曲线，考察抛光后不锈钢的耐蚀性能。以不锈钢片为研究电极，工作面积1 cm2，铅板为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)做参比电极，扫速为10 mV/s。

3 结果与讨论

3.1 抛光液中各主要组分对抛光效果的影响

3.1.1 柠檬酸

柠檬酸是中等强度的有机酸，有3 个H+可以电离，是不锈钢抛光液的主要成分，能替代传统抛光液中的磷酸。柠檬酸的酸度低，黏度大，在抛光过程中既能起到溶解作用又能在不锈钢表面形成钝化膜，防止不锈钢过腐蚀。当柠檬酸含量低于200 g/L 时，抛光液黏度小，离子扩散速度快，金属溶解快，不利于不锈钢表面的整平和抛光，表面有大量麻点；当其含量高于300 g/L 时，溶液黏度大，表面形成横向水纹，抛光速度低，且成本高。最佳柠檬酸含量为260 g/L。

3.1.2 硫酸

硫酸是无机强酸，具有良好的分散性，在溶液中能完全电离，有助于提高抛光液的电导率、分散能力和阳极电流效率，使不锈钢表面抛光均匀。加热后，硫酸的侵蚀能力大大提高，有助于形成扩散层[6]。硫酸含量低于80 mL/L 时，试样难以达到整平的效果；硫酸含量超过180 mL/L 时，不锈钢表面过腐蚀，表面光洁度降低，抛光液使用寿命缩短。故硫酸的最佳添加量为120 mL/L。

3.1.3 甘油

甘油吸附在阳极的表面，有利于促进扩散层的形成，能够与柠檬酸在不锈钢表面形成一层薄膜，防止不锈钢过腐蚀，并使抛光后的不锈钢表面光亮、细致。当甘油含量低于40 mL/L 时，不锈钢抛光面光亮，但粗糙度差；当其含量超过80 mL/L 时，溶液黏度增大，操作难度提高。故甘油含量为64 mL/L 时，抛光效果最佳。

3.1.4 添加剂

添加剂可提高不锈钢表面的抛光质量。添加剂的主要成分为乌洛托品、糖精和一种有机盐。当其添加量为20 mL/L 时，可控制不锈钢反应速度，防止发生过腐蚀，起到整平与光亮的作用，能获得镜面光亮平整的不锈钢表面。在不含添加剂的体系中，不锈钢表面出现明显麻点，抛光效果差。

3.2 工艺参数对抛光效果的影响

3.2.1 电流密度

电流密度在电解抛光过程中起决定性作用，电流密度与金属的溶解量基本成正比。在适当的电流密度下，保持有一定的氧气析出，有利于不锈钢表面的成膜和溶解，达到整平、抛光的目的。当电流密度小于25 A/dm2时，不锈钢表面发生较弱的阳极溶解，抛光作用很小；当电流密度大于40 A/dm2时，氧气析出猛烈，抛光溶液扩散加剧，不锈钢表面出现纵向的水纹状刮痕，抛光液温度急剧升高，抛光质量降低。故阳极电流密度以25～40 A/dm2为宜，30 A/dm2时抛光效果最佳。

3.2.2 温度

抛光温度对抛光整平速率和光亮度有明显影响。温度升高，电抛光溶液的黏度降低，阳极黏膜的厚度减小，阳极溶解产物的扩散速度提高，溶液对流加快，有利于阳极表面滞留气泡的脱附，抛光整平速率提高。但温度超过80 °C 时，大量气体析出导致不锈钢表面发生过腐蚀，抛光质量变差，电抛光溶液变质老化，影响抛光质量。温度低于60 °C 时，溶液黏度大，不利于阳极产物扩散和电抛光质量的提高。实验表明，70 °C时抛光效果最佳。

3.2.3 时间

抛光时间过短，试样的抛光效果达不到要求；抛光时间过长则会浪费电解液和能源。不锈钢的最佳抛光时间为4～6 min。

图1a为抛光前的不锈钢表面，表面坑洼不平，反射率18%。而在最佳抛光工艺条件下获得的表面平整如镜(如图1b所示)，反射率91%，接近镜面光泽。

图1 电抛光前后不锈钢的表面形貌(500 倍)Figure 1 Surface morphologies of stainless steel before and after electrochemical polishing (× 500)

3.3 抛光体系对不锈钢耐蚀性能的影响

图2是分别经过磷酸体系抛光(曲线a)和柠檬酸体系抛光(曲线b)后，不锈钢在0.5 mol/L 的NaCl 常温溶液中的动电位扫描曲线。

图2 磷酸(a)和柠檬酸(b)抛光后不锈钢的阳极极化曲线Figure 2 Anodic polarization curves for stainless steel electrochemically polished with phosphoric acid (a) and citric acid (b),respectively

从图2可以看出，曲线b 的腐蚀电位与曲线a 相比正移了0.1 V，腐蚀电流小于曲线a。这说明柠檬酸电化学抛光液具有钝化作用，处理后的不锈钢表面的耐腐蚀性能优于磷酸抛光后的不锈钢表面的耐腐蚀性能。

4 结论

(1) 本抛光液用柠檬酸代替了磷酸和铬酐，是一种符合国家环保要求的绿色电抛光溶液。

(2) 抛光后，不锈钢表面光亮度高，抛光效果好。

(3) 抛光液对不锈钢具有钝化作用，可提高不锈钢的耐蚀性能。

(4) 最佳配方和工艺条件为：柠檬酸260 g/L，硫酸120 mL/L，甘油64 mL/L，添加剂20 mL/L，温度70 °C，电流密度30 A/dm2，时间4～6 min。

[1]曾祥德.新型环保型不锈钢抛光工艺[J].电镀与涂饰,2006,25 (10):23-25.

[2]ABBOTT A P,CAPPER G,SWAIN B G,et al.Electropolishing of stainless steel in an ionic liquid [J].Transactions of the Institute of Metal Finishing,2005,83 (1):51-53.

[3]文斯雄.不锈钢电抛光[J].电镀与精饰,1997,19 (3):20-21.

[4]郭贤烙,易翔.不锈钢电化学抛光技术研究[J].电镀与涂饰,2001,20 (5):11-13.

[5]LIN C-C,HU C-C.Electropolishing of 304 stainless steel:Surface roughness control using experimental design strategies and a summarized electropolishing model [J].Electrochimica Acta,2008,53 (8):3356-3363.

[6]彭敏,曲宁松,朱荻.不锈钢电解抛光工艺研究[J].航空精密制造技术,2001,37 (3):6-10.