电解质等离子抛光对不锈钢表面状态的影响

陈虎，杨卫英，李剑

（中国工程物理研究院，电子工程研究所，四川 绵阳 621999）

电解质等离子抛光作为一种新型抛光技术自从Duradzhi等[1]公开报道到现在只有30年左右的历史。由于该技术具有无污染、效率高、抛光表面质量好等优点[2-5]，一经报道就引起了广泛关注。如图1所示，零件(作为阳极)表面的电解液在高电压下被汽化，气层被击穿时，在工件表面微观凸起的位置会形成更多的放电通道，导致凸起位置的材料去除量多于其他位置，从而实现对工件的整体抛光。

图1 电解质等离子抛光的原理Figure 1 Principle of electrolysis and plasma polishing

经过多年发展，目前已经开发了适用于铜、铝、钛[6]等金属和合金的电解质等离子抛光技术，被初步应用在战斗机的蜗轮盘、整流叶片、压气机盘等复杂且关键的零件上，展现了良好的应用前景。电真空器件用不锈钢高压电极在工作时需承受极高的电压，为提高其表面的耐压稳定性，除了对电极进行抛光处理以降低表面粗糙度，还需对电极进行老炼处理以消除电极表面存在的“击穿弱点”[7]。鉴于电解质等离子抛光技术的工作原理与高压老炼处有极大的相似性，本文研究了适用于不锈钢的电解质等离子抛光技术，分析了操作条件对电极表面状态的影响，为实现高压电极的高效率抛光提供可行的技术路线。

1 实验

1. 1 材料

试件为直径25 mm、厚2 mm的316L不锈钢薄片。硫酸铵电解盐由国药试剂生产。

1. 2 电极的等离子抛光

无需前处理，采用哈尔滨工业大学研制的40 kW电解质等离子抛光机直接对不锈钢试件进行抛光，抛光电压为380 V。抛光液为硫酸铵溶液，温度55 ～ 90 °C，试件在抛光液中的下潜深度为150 mm，时间不超过40 min。抛光后，试件用去离子水冲洗至少1 min，然后用无水乙醇脱水烘干。

1. 3 表征与性能测试

采用日本奥林巴斯OLS4000型共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)分析抛光前后不锈钢片表面的轮廓曲线及粗糙度Ra。利用荷兰Phenom-World公司生产的ProX型扫描电镜(SEM)观察试件的表面形貌，并用其附带的能谱仪(EDS)分析成分。使用哈量集团719-01型螺旋测微仪测量试件的外形尺寸。使用上海捷沪仪器仪表公司制造的维氏硬度计测试试件的显微硬度，载荷300 g，保压时间15 s，显微倍率40倍。

2 结果与讨论

2. 1 电解液浓度对表面粗糙度的影响

在电解液温度恒定为80 °C，抛光时间恒定为10 min的条件下，电解液质量分数为0% ～ 6%，每个浓度梯度进行了4次试验。由表1可知，试件的表面粗糙度先随着电解液浓度增大而下降，当硫酸铵质量分数为4%时，粗糙度最小，但当硫酸铵质量分数达到6%时，试件表面粗糙度反而上升。在初期，由于随着电解液浓度增加，电解液汽化层中的粒子数增多，强化了加工过程，促进了对试件表面微观不平度的整平；但浓度过大一方面导致电解液离子迁移速率减缓，试件表面以烧蚀为主，另一方面会令电解液的 pH减小，使得气层中活性基团等高能态粒子(如羟基自由基)减少，影响了最终的加工效果。因此为获得良好的加工表面，电解液浓度应选择最优的浓度范围。本文以4%为宜。

表1 电解液中硫酸铵的质量分数与表面粗糙度的关系Table 1 Relationship between mass fraction of (NH4)2SO4 in electrolyte and surface roughness

2. 2 电解液温度对表面粗糙度的影响

温度会影响电解液的电导率，进而影响整个电解质等离子抛光过程。由图2可知，当抛光液温度不超过80 °C时，试件表面粗糙度随温度升高而显著减小；但超过80 °C后，表面粗糙度明显增大。这是因为当温度在一定范围内，温度越高，化学反应速率越大。电解质等离子抛光的本质是放电过程中在工件表面形成氧化层并去除氧化层的反复过程，只有当氧化层的去除速率高于氧化层的生成速率时，工件表面才会有抛光效果，而适当提高温度可加快氧化层的去除，因此随着温度升高，工件的抛光效果越明显。但是当温度过高时，抛光液局部开始沸腾，由于电解质等离子抛光的作用机制是在工件与抛光液之间形成气层，从而实现工件的表面整平，抛光液局部沸腾会令气层失去原有的形状，整个抛光过程试件处于连续移动的泡沫中，抛光效率明显下降，试件表面的光亮度明显降低。因此为了获得最佳的抛光效果，电解液温度作为一个重要参数需进行实时的监测。

图2 电解液温度与表面粗糙度的关系Figure 2 Relationship between electrolyte temperature and surface roughness

2. 3 电解液浓度对表面粗糙度的影响

受电场分布及溶液流动的影响，试件在电解液中的位置可能会影响最终的抛光效果。将试件的上端面与电解液表面之间的距离(D)定义为试件在电解液中的位置，固定抛光液温度为80 °C，硫酸铵质量分数为4%，抛光时间为10 min。由图3可知，试件位置对表面粗糙度影响不大。当试件在电解液中的位置较浅或者试件刚刚没入电解液时，虽然抛光液对试件的浸润不一定完全，气层稳定性较差，导致放电局部中断，但是由于试件距离液面距离较小，放电后的气体更容易逸出，因此气层较薄。试件表面凸起的尖端更容易发生放电反应，即放电反应的选择性更强。虽然放电稳定性差导致了反应慢，但更强的选择性反而使得表面整平效果更明显。当试件形状比较简单时，试件的位置对抛光效果基本无影响，但如果试件结构复杂，气体的逸出受试件结构影响会有较大的变化，此时试件位置则显得至关重要。

图3 试件位置与表面粗糙度的关系Figure 3 Relationship between workpiece position and surface roughness

2. 4 抛光时间对表面粗糙度的影响

电解质等离子抛光可显著改变试件的状态，令其表面从加工后的金属光泽转变为镜面效果。为考察表面粗糙度在较长时间里的变化，选择了原始表面相对较粗的试件，分析了试件在抛光过程中每隔一段时间测得的粗糙度。由图4可知，在抛光初期，Ra随着时间延长显著下降，在0 ～ 5 min内变化最明显；在5 ～ 10 min内也能看出明显变化，但10 min以后，表面粗糙度基本不随时间变化，维持在一个稳定的数值。这说明无限延长抛光时间并不会令试件的表面粗糙度一直降低。当原始表面粗糙度为0.5 μm左右时，只能抛光到0.1 μm左右。

图4 表面粗糙度随抛光时间的变化Figure 4 Variation of surface roughness with polishing time

如图5所示，抛光前试件表面存在极为明显的起伏，抛光5 min之后试件表面的轮廓曲线趋于平缓，微观起伏程度明显减弱，这是表面能够呈现出镜面效果的重要原因。

图5 抛光前(a)后(b)试件轮廓对比Figure 5 Comparison of sample profile before (a) and after (b) polishing

2. 5 电解质等离子抛光对零件尺寸的影响

因为电解质等离子抛光过程中要去除一定量的工件材料，所以抛光前后工件的外形尺寸必然发生变化。研究抛光参数与零件尺寸之间的关系对实现精密控制零件尺寸具有重要意义。定义电解质等离子抛光过程中材料的去除速率为单位时间内工件表面法线方向上的尺寸变化量。从表2可见，保持抛光条件(硫酸铵质量分数4%，温度80 °C，试件下潜深度40 mm)不变的情况下，去除速率的变化并不明显，大约为2 μm/min。已有理论推导[8]和试验证明：在电压和零件的材质不变的情况下，电解质等离子抛光的材料去除速率与电流密度成正比。不锈钢的去除速度约为1 ～ 4 μm/min。由于通常情况下不锈钢在抛光2 ～ 10 min后就能达到一般外观装饰要求的抛光效果，因此认为电解质等离子抛光对一般零件外形尺寸的影响可以忽略。但对于装配精度要求极高的零件，必须在机械加工时按照材料的去除速率和加工时间为抛光留有一定的加工余量。

表2 零件厚度与抛光时间的关系Table 2 Relationship between the thickness of workpiece and polishing time

2. 6 电解质等离子抛光对表面微观形貌的影响

以现有电化学抛光工艺处理后的试件作为对比。原始试件先用丙酮擦拭以清除污渍。电化学抛光试件用碱性洗涤剂去油后再进行抛光，抛光液由磷酸和硫酸按质量比3∶1配制，抛光温度90 °C，电流密度为60 A/dm2。电解质等离子抛光试件除抛光、去离子水清洗以及烘干外未进行其他处理。由图6可知，原始表面存在极为明显的机械加工纹路，电化学和电解质等离子抛光后的试件表面均基本无机械加工纹路，且整个表面变得平整，去除了微观凸起和缺陷，表面质量得到明显改善。即使放大5 000倍，也无法从电解质等离子抛光后的试件表面看到明显的加工痕迹或者类似于电火花加工常见的电蚀坑，同时试件表面的晶格结构完整，不存在晶格错位，晶粒边界清晰，晶粒间也无析出物。电化学抛光试件表面还存在较多凸起，能谱分析发现凸起处除了正常的不锈钢成分外，还含有较多的Al、Ti等元素。凸起的形成可能是由电化学抛光过程的选择性反应使得不锈钢内部存在的微量元素偏析所致，它们可能会对不锈钢的真空间隙耐压造成一定的影响，因此从该角度上讲，电解质等离子抛光可以获得更适用于电真空器件用的不锈钢电极。

图6 不同试件的SEM照片Figure 6 SEM images of different samples

2. 7 电解质等离子抛光对显微硬度的影响

由于电解质等离子抛光会对不锈钢表面微观形貌造成较大的影响，依据电解质等离子抛光作用机制，电解质等离子抛光只作用于工件表层金属，而且无宏观作用力，理论上对拉伸性能造成的影响很小，却可能显著影响工件表面的硬度。由图8可知，电解质等离子抛光对试件表面显微硬度有一定程度的影响，随着抛光时间延长，显微硬度逐渐降低，并趋于一个稳定值。显微硬度由200 HV逐渐稳定在180 HV左右。这可能是由于电解质等离子抛光会对试件表面微观成分造成影响，破坏了原有加工硬化层，后续还需进行更深入的分析。

图7 电化学抛光试件凸起部位的EDS图谱Figure 7 EDS spectrum of the protruding area on the electrochemically polished sample

图8 试件显微硬度与抛光时间的关系Figure 8 Relationship between microhardness and polishing time

3 结论

电解质等离子体抛光技术不需要复杂的前处理，通过控制电解液浓度、抛光温度及时间等参数，一步即可显著降低不锈钢的表面粗糙度，改善其表面形貌，且不会由于材料成分不均而形成微凸，在电真空器件制造领域具有良好的应用前景。但由于电解质等离子体抛光会在一定程度上降低表面显微硬度，显微硬度的降低是否会影响电极的真空间隙耐压特性还有待研究，因此在后续的研究过程中需开展电解质等离子抛光技术对电极间隙耐压特性的研究，以更全面地掌握电解质等离子抛光技术对不锈钢材料表面的影响，实现电解质等离子抛光技术在电真空器件制造过程中的应用。