不锈钢保持架的电解抛光工艺
发布时间：2013-12-06段欣生 陈蓉 王灿辉
（洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039）
摘 要：介绍了一种不锈钢保持架的电抛光原理，分析了抛光工艺条件和抛光质量影响因素，实际使用表明，该工艺能满足生产需要，经抛光处理的不锈钢保持架得到均匀的光亮层。（洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039）
关键词：滚动轴承；保持架；不锈钢；电抛光
1 电抛光原理
将工件放入特定的溶液中进行阳极电解，使金属表面平滑并产生金属光泽的过程，称为电解抛光或电抛光。其去除了机械抛光过程中产生的表面层，在表面上生成了具有高耐蚀性和反光率的金属氧化物层，同时也降低了表面应力和摩擦系数。电解抛光是不锈钢表面的阳极电化学腐蚀过程，当以不锈钢工件为阳极进行电解时，首先是表面氧化层和金属的电化学和化学溶解，以及工件上析出的氧气泡的物理冲刷，使表面层脱离工件表面而除去。
电化学抛光可能进行如下反应：
（1）金属原子失去电子，转变为金属离子进入溶液中
M→M2+＋2e
（2）氧化膜的形成
M+H2O→MO+2H＋+2e
（3）氧气析出
2H2O→O2+4H+＋4e
（4）溶液中其他物质的阳极氧化。
电解抛光过程可用黏膜理论解释如下：当以不锈钢工件为阳极进行电解抛光时，若阳极的溶解速度大于阳极溶解产物离开阳极表面向电解液深处扩散速度，溶解产物就会在阳极表面附近积累。形成一层电阻比较大的黏性液膜，其在阳极表面的分布是不均匀的。凸起处黏膜薄，电阻小。电流密度大，氧气析出多，溶液易更新，溶解速度快；凹处黏膜厚，电阻大，电流密度小，溶解缓慢。随着抛光时间的延续，阳极表面的凸起处逐渐被削平，使表面变得平滑光洁[1]。
2 电解抛光工艺
2.1 抛光前处理
不锈钢保持架材料应用较多的是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。奥氏体不锈钢保持架大多表面相对干净，根据需要可不进行前处理直接抛光。马氏体不锈钢保持架需要经过淬火、回火等热处理，其表面有一层厚的氧化皮与油污，如不除去将严重影响抛光质量，可在预处理溶液中去除。预处理液配方按体积分数为：H2SO4 20％-25％，HCI 5％-8％，HNO3 3％-7％，甘油为1％-2％，蒸馏水余量。
上述预处理液中H2SO4，HCI，HNO3可去除保持架表面氧化皮和油污，甘油预防过腐蚀，将工件浸泡在该溶液中3-8min，并适当搅动，直到氧化皮去除为止，经流动水清洗后，去除水分待用。
2.2 电解抛光
抛光液配方按质量分数为：H3PO4 50％-60％，H2SO4 10％-18％，CrO3 4％-8％，甘油14％-18％，蒸馏水余量。
（1）配制工艺。先用蒸馏水溶解CrO3；然后按比例加入H3PO4，搅拌均匀；再缓慢加入H2 SO4，搅拌均匀；稳定10min，再加入少量甘油发生反应，甘油一定要少量多次逐步添加到溶液中；新配的抛光液需要在1～2A电流条件下通电24h进行预处理。
（2）抛光。用不锈钢心轴穿适当数量的保持架放入抛光槽中，并不断晃动工件以使其与电极接触良好使抛光均匀；温度控制在80～95℃，电流密度为5～10A/dm2，时间为5-10min，阴极为铅板。
（3）清洗。在5％的稀盐酸溶液中清洗工件，再用流动的自来水冲洗工件1min，然后在5％Na2CO3。溶液中中和，再用流动水清洗干净；用无水乙醇清洗去水，在烘干机上烘干后封装即可。
抛光前、后轴承保持架外观如图1所示：中间黑色为抛光前，周围光亮为抛光后。
3.1 电解液成分的影响
（1）磷酸。在电解过程中能促使抛光表面产生一层阻止膜，对不锈钢溶解起一定的阻止作用，从而提高阳极极化，使抛光面获得镜面光亮。含量高时，槽液电阻增大，黏度提高导致所需电压较高，使整平速度迟缓；含量过低，活化倾向小，导致工件表面不均匀腐蚀。
（2）硫酸。能促使阳极较快地溶解，和磷酸以一定比例配合，是抛光的主要材料。含量高时，抛光速度快，工件光亮度好，但活化倾向大，易使抛光表面出现过腐蚀，呈现密集麻点；含量过低时，抛光速度慢，工件光亮度差，出现严重不均匀腐蚀。
（3）铬酐。铬酐是强氧化剂，能使工件表面生成一层钝化膜，而使不锈钢表面在抛光过程中被整平，获得光亮的表面。铬酐在酸性电解抛光液中水解成重铬酸离子（
）。
其含量过低时，被抛光的工件表面不光亮；含量过高时会降低抛光速度。
（4）甘油。甘油能吸附到阳极的表面，对阳极溶解起到一定的缓蚀作用。还能够与磷酸形成C3H5（OH）2PO4络合物，可在阳极表面形成一层更牢固的阻止膜，阻止阳极的溶解，从而使抛光表面非常光亮细致。其含量过低时，抛光面光亮，但粗糙；含量高时，抛光面光亮而细致，但含量过高时，泡沫太多影响操作。
3.2 操作条件的影响
3.2.1 电流密度
多数情况下，阳极电流密度与被溶解金属的量几乎成正比。只有选择好阳极电流密度，并控制在一定的阳极电位区间，才能获得 良好的抛光质量，对任何一种金属一电抛光系统都存在着Z适宜的电流密度。一般而言，电流密度过低，电极处于活化状态，由于金属的阳极溶解，表面将产生浸蚀，致使其表面粗糙；电流密度过高时，氧气将大量析出，使阳极局部表面被覆盖而导电不良，还有可能引起阳极表面局部过热，造成金属表面过腐蚀。
3.2.2 槽液温度
抛光液的温度应维持在规定的工艺范围内，使不锈钢表面抛光整平速度正常，以便有效降低电解液的黏度，减少阳极黏膜厚度， 加速阳极溶解产物的扩散，使溶液对流加快，有利于阳极上滞留气泡脱附，避免产生斑点、麻点。温度过高，会导致溶液过热，加速六价铬向三价铬的转变（Cr6＋+3e→Cr3＋），易产生表面腐蚀，且产生的气体和蒸汽可能将抛光液从金属表面挤开，从而降低抛光的效果。温度过低，使溶液黏度增大，阳极表面黏膜增厚，不利于阳极溶解产物的扩散，使抛光整平效果明显降低。
3.2.3 抛光时间
抛光时间取决于下列因素：金属制品原始的表面状态、所用的电流密度和温度、电解液的组成以及金属的性质等。在电抛光开始的一段时间内，阳极表面的整平速度Z快，以后就越来越慢，甚至到某一时间后，反而会使表面粗糙度增加。因此，抛光时间应综合考虑以上因素。一般情况下，随着电流密度的增加和温度的提高，抛光时间应缩短。当工件原始表面质量好且要求高时，抛光时间应缩短。
3.2.4 阳极移动
阳极移动使阳极溶解产物加快扩散出去，起到搅拌作用，有效排除阳极表面滞留的气泡，避免产生的气流生成条纹，防止局部过热造成表面过腐蚀；并能使阳极表面附近的抛光液更新，抛光液的温度更加均匀，防止金属表面局部过热，加快黏膜的溶解速度；阳极移动有助于提高阳极电流密度，提高不锈钢零件表面的电化学抛光质量。
3.2.5 阴极材料
电解抛光的阴极一般选择铅板。从电流效率的观点分析，增加阴极面积是有利的，但是，增大阴极面积会使Cr6＋还原成Cr3＋的速度加快。阴极面积应控制在阳极面积的1/2-1/3.5，这样可以防止三价铬的增长，三价铬含量过多，易使抛光液老化。
电抛光常见故障及原因见表1。
（4）甘油。甘油能吸附到阳极的表面，对阳极溶解起到一定的缓蚀作用。还能够与磷酸形成C3H5（OH）2PO4络合物，可在阳极表面形成一层更牢固的阻止膜，阻止阳极的溶解，从而使抛光表面非常光亮细致。其含量过低时，抛光面光亮，但粗糙；含量高时，抛光面光亮而细致，但含量过高时，泡沫太多影响操作。
3.2 操作条件的影响
3.2.1 电流密度
多数情况下，阳极电流密度与被溶解金属的量几乎成正比。只有选择好阳极电流密度，并控制在一定的阳极电位区间，才能获得 良好的抛光质量，对任何一种金属一电抛光系统都存在着Z适宜的电流密度。一般而言，电流密度过低，电极处于活化状态，由于金属的阳极溶解，表面将产生浸蚀，致使其表面粗糙；电流密度过高时，氧气将大量析出，使阳极局部表面被覆盖而导电不良，还有可能引起阳极表面局部过热，造成金属表面过腐蚀。
3.2.2 槽液温度
抛光液的温度应维持在规定的工艺范围内，使不锈钢表面抛光整平速度正常，以便有效降低电解液的黏度，减少阳极黏膜厚度， 加速阳极溶解产物的扩散，使溶液对流加快，有利于阳极上滞留气泡脱附，避免产生斑点、麻点。温度过高，会导致溶液过热，加速六价铬向三价铬的转变（Cr6＋+3e→Cr3＋），易产生表面腐蚀，且产生的气体和蒸汽可能将抛光液从金属表面挤开，从而降低抛光的效果。温度过低，使溶液黏度增大，阳极表面黏膜增厚，不利于阳极溶解产物的扩散，使抛光整平效果明显降低。
3.2.3 抛光时间
抛光时间取决于下列因素：金属制品原始的表面状态、所用的电流密度和温度、电解液的组成以及金属的性质等。在电抛光开始的一段时间内，阳极表面的整平速度Z快，以后就越来越慢，甚至到某一时间后，反而会使表面粗糙度增加。因此，抛光时间应综合考虑以上因素。一般情况下，随着电流密度的增加和温度的提高，抛光时间应缩短。当工件原始表面质量好且要求高时，抛光时间应缩短。
3.2.4 阳极移动
阳极移动使阳极溶解产物加快扩散出去，起到搅拌作用，有效排除阳极表面滞留的气泡，避免产生的气流生成条纹，防止局部过热造成表面过腐蚀；并能使阳极表面附近的抛光液更新，抛光液的温度更加均匀，防止金属表面局部过热，加快黏膜的溶解速度；阳极移动有助于提高阳极电流密度，提高不锈钢零件表面的电化学抛光质量。
3.2.5 阴极材料
电解抛光的阴极一般选择铅板。从电流效率的观点分析，增加阴极面积是有利的，但是，增大阴极面积会使Cr6＋还原成Cr3＋的速度加快。阴极面积应控制在阳极面积的1/2-1/3.5，这样可以防止三价铬的增长，三价铬含量过多，易使抛光液老化。
电抛光常见故障及原因见表1。
（1）不锈钢工件在抛光前必须彻底除油，以免油污污染抛光槽液。
（2）在使用过程中需要经常测量抛光液的相对密度。如果相对密度小于配方规定值，表明抛光液含水过多，可用蒸发法将溶液加热至80℃以上将多余水分除去，体积不足部分可按配方比例补充磷酸和硫酸。在工件进入抛光槽前，Z好将工件上所附着的水分沥干或吹干。如果相对密度太高，超过配方规定值，表示水分过少，要适当补充水，使其相对密度降至规定值。
（3）溶液的老化。由于抛光过程中不锈钢表面的溶解，溶液中的铁、钴、镍含量将逐渐升高，此时溶液逐渐失去抛光能力。无论如何增高温度，加大电流，均无助于恢复抛光能力。分析溶液，如果铁含量超过60g/L，三价铬含量超过25g/L，说明溶液已经老化。对于抛光溶液再生，恢复抛光能力，可更换部分溶液，Z好保留20％旧溶液，补充80％新溶液。采取少通电或不通电处理，很快即可实现正常抛光[2]。
（4）清理阴极铅板。在抛光过程中阴极铅板表面会沉积出一层厚厚的铁、镍等杂质，影响阴极表面导电，导致电流下降，使抛光表面的阳极电流密度降低，严重影响抛光质量。因此，应及时将阴极板上的沉淀物除去；若形成硬质厚膜，采取强力敲打去除，Z后冲洗干净，以保持整个电路通畅。
（5）阴极与阳极之间的距离过大，电阻增大，电能消耗增大，溶液容易升温，影响抛光质量。距离过小，易造成短路打火，烧黑工件。阴、阳极之间的距离以100～300mm为宜。
（6）氯离子的危害。在电化学抛光液中不允许有活性氯离子存在，氯离子能破坏电化学抛光中表面形成的保护性黏膜，使不锈钢表面形成过腐蚀性的麻点。氯离子可在阳极高电流密度上氧化成氯气逸出而除去。氯离子的来源可能是用盐酸酸洗后未洗净而带入槽 液中，或原料中含有不纯的氯离子。
（7）六价铬和三价铬的Z佳配比。在电抛光中六价铬有氧化性，对不锈钢起钝化作用，三价铬对维护电抛光有作用，新配成的电抛光液如果没用化学反应产生三价铬就不能获得良好的抛光表面，只有当电解到溶液中有一定量的三价铬存在时才能出现理想的抛光表面。这就是为什么通电处理后才可电解抛光，Z佳的抛光质量是在电解过程的中间阶段。含有铬酐的溶液中，加入明胶或甘油，其能和铬酐起强烈的还原反应，部分六价铬还原成三价格。六价铬为黄色，三价铬为绿色，其在电解液中呈黄绿色，在生产过程中电解液要保持黄绿色。此时根据化学分析数据，六价铬与三价格的配比是：Cr6＋30％，Cr3＋70％，如果溶液呈深绿色，可适当加入溶解好的铬酐，如果呈黄色，可适当加入甘油[2]。
（8）象形阴极。抛光复杂工件，可制作象形阴极以保持阳极电流分布均匀，特别对内腔工件，有适当的象形阴极安置在内腔中， 才能使内腔各部分抛光一致。
5 结束语
经实践验证，所介绍的工艺对不锈钢保持架具有较好的抛光效果，表面光亮均匀，能满足不锈钢轴承保持架的电抛光质量要求。特别对经过热处理的马氏体不锈钢保持架，能很好地解决其抛光不均匀，有局部腐蚀的问题，工件的表面光洁度和耐蚀性都有所提高。
参考文献：
[1]胡传圻.实用表面前处理手册[K].北京:化学工业出版社,2003.
[2]陈天玉.不锈钢表面处理技术[M].北京:化学工业出版社,2004.
来源：《轴承》2009年6期