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影响电化学抛光效果的六个主要因素

来源: 保玉抛光 时间:2020-12-29 次浏览

信息摘要:电化学抛光是一个多因素的综合过程。因此, 影响电抛光效果的工艺因素较多 ,而且这些影响因素是相互关联的,有时是某种因素起主要作用,有时则几种因素共同起重要作用。所以,要使电..

    电化学抛光是一个多因素的综合过程。因此,影响电抛光效果的工艺因素较多,而且这些影响因素是相互关联的,有时是某种因素起主要作用,有时则几种因素共同起重要作用。所以,要使电抛光工艺长期保持稳定和处于较佳状态,就必须从多方面创造和掌握好各种影响抛光效果的主要因素。

    一、电化学抛光电解液

    毋庸置疑,电解液选用的合理与否是直接影响电化学抛光效果的最基本因素之一。根据上述的电化学抛光机理,组成电解液的金属的“接受体”(或配体)应当具有以下几种特性:

    (1)扩散系数小,黏度大。

    (2)易与溶解下来的金属离子形成扩散速度更小的多核聚合配合物。

    (3)本身是一种黏稠的酸。

    因为电化学抛光通常是由扩散控制的,在阳极极化曲线中有平台出现,黏度大、扩散系数小的配体可在较低电流密度下达到扩散控制区,即可在较低槽电压下进行抛光,这就是通常选用磷酸、有机膦酸和浓硫酸构成电化学抛光电解液的原因。

    当然,仅仅“接受体”的扩散速度小,若它不能接受溶解下来的金属离子,使其转变为扩散速度更小的配离子,这种接受体也是无抛光效果的。某些接受体本身的黏度不很大,但可以与溶解下来的金属离子形成黏度更大、扩散系数更小的配离子,同样也可得到良好的抛光效果。磷酸、有机膦酸均易与铜离子形成黏度更大、扩散系数更小的聚合多核配合物,所以具有很好的抛光效果。黏稠的氧化性酸(如高氯酸),不仅可以形成黏度大、扩散系数小的黏液层,还容易在阳极表面形成更加致密的固体膜,它有利于进行微观整平,也容易使表面光亮。某些添加剂可以提高电化学抛光的效果。

    例如甘油、明胶以及具有表面活性的各种有机物(特别是表面活性剂),是常用的电化学抛光添加剂,有时可以获得很好的效果。当甘油与磷酸并同时,它可以与磷酸形成甘油磷酸酯CzH<(OH)2HPO4,它具有更大的黏度和更小的扩散系数,而且更容易与金属离子形成扩散系数更小、更加致密的配合物,使黏液层更加致密、厚实,因而拋光效果也更好。某些醇类、多元醇、蛋白质和表面活性剂具有抑制阳极过腐蚀的作用,从而防止了过腐蚀凹痕的形成,其作用机理是它可与溶解的金属离子配位后形成具有特殊物理性质的阳极液或阳极膜,这种阳极液具有良好的缓蚀作用。一种实用的电抛光电解液,除了要具备上述的条件外,电解液对基体金属和工夹具不得有过强的腐蚀作用,同时还要具备价格低廉、稳定性好、毒性低、抛光的工艺范围宽等特点。

    二、电化学抛光电流密度和电压

    电化学抛光的电流密度或电压通常应控制在极限扩散电流控制区,即图1-3中阳极极化曲线的平坦区(CD段),低于此区的电流密度时,表面会出现腐蚀。高于此电流密度区时,因有氧气析出,表面易出现气孔、麻点或条纹。这个平坦区不是固定不变的,它会随温度、配位剂的浓度和添加剂的种类而变化。图1-6是羟基乙叉二膦酸(HEDP)电抛光铜时,HEDP浓度对阳极电流密度一电压曲线的影响情况。由图可见,随着配位剂HEDP浓度的升高,平坦区对应的阳极电流密度DA下降,槽电压也降低,即高浓度配位剂可在较低阳极电流或电压下形成高黏度的黏液膜。但配位剂浓度太高时,电解液黏度过大,电阻大,电流密度很小,金属的溶解速度过慢,此时被抛光的铜表面易出现麻点或生成蓝色沉淀物,表面反而不亮。

    图1-15

    图1-15是添加剂OP-10乳化剂对HEDP电抛光铜的阳极极化曲线的影响,加人OP一10后,平坦区对应的电流密度明显下降,其作用类似于提高配位剂浓度的效果。这是由于加人OP一10后,铜片表面生成了一层吸附膜,阳极表面容易钝化,使抛光效果提高。同时OP-10乳化剂是一种表面活性剂,具有降低表面张力的作用,使阳极析出的氧气不会长时间停留在表面上,从而减小了试片表面的点状和线状腐蚀,并不易生成蓝色沉淀物膜。

    三、温度

    图1-16是温度对阳极极化曲线的影响曲线。随着电解液温度的升高,极限扩散电流逐渐增大,当温度高于90C时,表面抛光的起始电流密度大,阳极铜片的溶解速度过快,因而铜片表面易生成点状或条状腐蚀。当电解液温度低于60度时,传质过程慢,抛光的起始电流密度太低,阳极铜片的溶解速度慢,溶解下来的离子不能很快地扩散开来,容易在阳极表面形成Cu?+和HEDP的多核配合物,使铜片表面出现蓝色沉淀物膜或麻点。因此,对应任何一种电化学抛光液,均有一个最佳的抛光温度范围。对于HEDP电抛光铜而言,最佳的温度范围是70C~80C。

    温度对阳极极化曲线的影响曲线

    四、抛光时间

    电化学抛光应持续的时间,要受到下列因素的影响:

    (1)被抛光零件的材质及其表面的预处理程度。

    (2)阳、阴极间的距离。

    (3)电解液的抛光性能及温度。

    (4)电抛光过程使用的阳极电流密度的大小及槽电压的高低。

    (5)工艺上对抛光表面光亮度的要求等。

    因此,电化学抛光的持续时间,是一个可变性较大的参数。对于一个确定的电抛光体系,应有一个适当的时间范围,是获得预期抛光效果的必要条件。应当指出,在适当的时间范围内,抛光效果与时间成正比。超过这个时间范围时,抛光效果就会降低,甚至适得其反,发生过腐蚀。这是由于电极表面电解液因电流长时间通过而使温度升高的结果。国内大多人喜欢采用大阳极电流,小极间距离(数毫米)来适当缩短电化学抛光的持续时间,以获得较好的抛光效果和效率。这与国外恰恰相反,国外不少人采用5A/dm?~10A/dm?的小电流,10cm~12cm的大极间距离进行电抛光加工,这时所需的持续时间就要长些。

    五、阳极、阴极极间距离

    阳极、阴极极间距离的选取应兼顾以下几个因素:

    (1)便于调整电流密度到工艺规范,并尽量使抛光件表面的电流密度分布得均匀一致些。

    (2)尽量减少不必要的能耗,因电解液浓度高、电阻大,耗电量较大。

    (3)阴极产生的气体搅拌是否已破坏了黏液层,降低了拋光效果。

    具体极间距离的选用,应视被抛光制件的大小和工艺要求灵活掌握。一般来说,大制件的极间距离可大些,反之则应小些。小型制件或中型制件的局部抛光,极间距离大多为10mm~20mm左右,大型制件抛光的极间距离应选取80mm~100mm。用于去毛刺作业的抛光,极间距离应在50mm左右为宜。

    电化学抛光

    六、抛光前制件表面状态及金相组织

    由上述可知,被抛光制件在抛光前的表面状态及其金相组织,均会直接影响电抛光加工的工艺效果。

    (1)被抛光制件表面的金相组织越均匀,越细密,例如结晶特别细密的纯金属,越有利于抛光过程的进行,而且抛光效果也越好。

    (2)被抛光制件的材料为合金,特别是多组分合金时,抛光工艺的控制比较麻烦。要获得满意的电抛光效果,就应当选用更严格的工艺规范,使组成合金的各个组分尽量能溶蚀均匀。

    (3)当被抛光制件的金相组织不均匀,特别是含有非金属成分时,就会使电抛光体系呈现出不一致的电化学敏感性。这对电抛光工艺就提出了更加苛刻的要求。若非金属含量太大时,电抛光将无法进行。

    (4)制件在抛光前表面处理得越干净越细密,越有利于电抛光过程的进行,越容易获得预期的抛光效果。反之亦然。实践证明,电抛光前将被抛光制件表面进行预处理,使其粗糙度达到R。1.6~R0.8,是获得明显电抛光效果的必要条件。若能达到R.0.4~R.0.2,则可获得更加理想的电抛光效果。