【正文】 研究電解拋光工藝中的硫酸濃度、糖精濃度、槽液溫度、甘油濃度、電流密度、拋光時(shí)間等參數(shù)對(duì) 304 不銹鋼無(wú)鉻電解著色膜性能的影響，分析影響膜層各性能的主要因素，確定最佳電解拋光工藝。 材 料表面狀態(tài)對(duì)著色膜性能的影響研究 目前， 304 不銹鋼材料表面有拋光面、亞光面兩種表面狀態(tài)，因此研究不同的表面狀態(tài)對(duì)無(wú)鉻電解著色膜性能的影響。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 10 實(shí)驗(yàn)裝置圖及工藝流程 實(shí)驗(yàn)裝置圖 實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖 21。 其中主要工序的工藝參數(shù)及配方設(shè)計(jì)如下： 物理除油：用脫脂棉沾酒精清洗試樣表面； 電化學(xué)除油：電化學(xué)除油是在直流電的作用下，在堿性除油液中將不銹鋼表面作為陰極或陽(yáng)極進(jìn)行電解，從而達(dá)到除油的效果。 直流電阻箱 電流表 不銹鋼陰極 不銹鋼試樣 著色液 恒溫水浴鍋 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 11 表 24 除油工藝參數(shù)及配方 電解拋光： 以不銹鋼作為陽(yáng)極，鉛板作為陰極，通入一定電流使兩電極在電化學(xué)拋光液中進(jìn)行電解。電化學(xué)拋光的機(jī)理主要是陽(yáng)極電極過(guò)程和表面磷酸膜共同作用的結(jié)果。 表 25 拋光工藝配方及參數(shù) 活化處理：按活化工藝配方配置好溶液后，采用不銹鋼板為陰極，不銹鋼試片作為陽(yáng)極進(jìn)行活化處理， 活化工藝配方及參數(shù)見(jiàn)表 26。 氫氧化鈉 g/L 碳酸鈉 g/L 磷酸鈉 g/L 硅酸鈉 g/L 電流密度 A/dm2 溫度 /℃ 時(shí)間 t/min 60 30 30 5 10 80 5 磷酸 ml/L 硫酸 ml/L 甘油 ml/L 糖精 g/L 烏洛托品 g/L 溫度 /℃ 時(shí)間 t/min 電流密度 A/dm2 700 160230 3070 19 8 4565 10 30 氟硅酸 ml/L 硫酸 ml/L 磷酸 ml/L 硫酸銨 g/L 溫度 /℃ 時(shí)間 t/min 電流密度 A/dm2 19 3565 19 80120 室溫 5 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 12 表 27 無(wú)鉻電解著色工藝配方及參數(shù) 無(wú)鉻電解著色膜的性能檢測(cè) 1）著色膜的外觀： 外觀評(píng)定通常是所有性能檢查中的第一步也是最基本的一步。通過(guò)肉眼或光學(xué)顯微鏡觀看不銹鋼著色膜表面 , 應(yīng)無(wú)明顯的缺陷包括針孔、斑點(diǎn)、麻點(diǎn)和其它的缺陷 。由于在測(cè)量試樣光澤度的過(guò)程中，結(jié)果波動(dòng)較大，試驗(yàn)采用人工定性的方式進(jìn)行試樣結(jié)果分析，光澤度在 500800 之間取間隔 50 為一個(gè)評(píng)分點(diǎn)，初始評(píng)分為 2。 取試樣亞光面為分析面，在試樣表面滴 5 個(gè)點(diǎn)， 3 分鐘之后去離子水洗觀察 試樣表面腐蝕狀況，腐蝕一個(gè)點(diǎn)減 2 分，滿分為 10 分。為了考察金屬和溶液體系的電化學(xué)性能，測(cè)定極化曲線是不可缺少的重要環(huán)節(jié)，本試驗(yàn)采用塔菲爾法，對(duì)比塔菲爾極化曲線中的自腐蝕電位，腐蝕電位測(cè)量也稱開(kāi)路電位測(cè)量。表征試樣發(fā)生腐蝕傾向的大小。 極化曲線測(cè)定裝配圖見(jiàn)圖 22 所示。 5 4 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 13 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 電解 拋光工藝對(duì)無(wú)鉻電解著色膜性能的影響 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 試驗(yàn)中使用的是電化學(xué)拋光的方法，該法使不銹鋼試樣表面被整平，達(dá)到高度光滑和光澤的外觀。各個(gè)因素的水平如表 31 所示。 實(shí)驗(yàn)中采用 L9（ 34） 正交試驗(yàn)表，設(shè)計(jì)試驗(yàn)如表 32 所示。為方便記錄和計(jì)算，對(duì)上述所選定的性能指標(biāo)進(jìn)行分等級(jí)評(píng)分：光澤度 50%，膜耐蝕性50%。評(píng)分 =膜層光澤度 +耐蝕性。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 15 根據(jù)正交試驗(yàn)分析表得出四因素指標(biāo)（糖精濃度，硫酸濃度，溫度，甘油濃度）和膜層綜合性能關(guān)系曲線分別如圖 31 (a) (b) (c) (d)所示。 （ b）隨 著硫酸溶度增加，膜層綜合性能先下降后上升，硫酸溶度達(dá)到 230ml/L時(shí)，膜層綜合性能最好，隨著硫酸溶度繼續(xù)增加，膜層綜合性能下降。 （ c）溫度為 45℃時(shí)，膜層綜合性能最好，隨著溫度升高，膜層綜合性能下降，當(dāng)溫度低于 45℃時(shí)，膜層綜合性能也下降，因此溫度的范圍為 3565℃，最佳為 45℃。 10 20 30 40 50 60 70 綜合評(píng)分甘油濃度 /m l/L160 180 200 220 240 260 綜合評(píng)分硫酸濃度 /m l/L0 2 4 6 8 10 綜合評(píng)分糖精 濃度 /g/ L35 40 45 50 55 60 65 綜合評(píng)分溫度 / ℃南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 16 拋光時(shí)間對(duì)著色膜性能的影響 研究拋光時(shí)間對(duì)著色膜的影響時(shí)，固定 糖精濃度 5g/L、硫酸濃度 230ml/L、溫度45℃、甘油濃度 30ml/L 及電流密度 30A/dm2，對(duì)拋光時(shí)間進(jìn)行單因素研究，性能評(píng)定同拋光正交試驗(yàn)，性能結(jié)果如圖 32 所示。不銹鋼電解拋光 時(shí)間太短，表面整平效果不好，電解著色膜生長(zhǎng)不平整，導(dǎo)致光澤性差；電解拋光時(shí)間長(zhǎng)，不銹鋼表面可能出現(xiàn)過(guò)腐蝕，出現(xiàn)針孔或麻點(diǎn)，降低電解著色膜耐蝕性。 拋光電流密度對(duì)著色膜性能的影響 拋光電流密度對(duì)著色膜的性能影響也是一個(gè)非常大的影響因素，在研究拋光電流密度對(duì)著色膜的影響時(shí)，固定 糖精濃度 5g/L、硫酸濃度 230ml/L、溫度 45℃、甘油濃度 30ml/L 及拋光時(shí)間 10min，對(duì)拋光電流密度進(jìn)行單因素研究，性能評(píng)定同拋光正交試驗(yàn)，性能結(jié)果如圖 33 所示 20 25 30 35 401234567 綜合評(píng)分電流密 度 /A/dm2 圖 33 電解拋 光電流密度對(duì)著色 膜性能的影響 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 17 從圖 33 可得，電解拋光陽(yáng)極電流密度為 30A/dm2時(shí)，膜層的性能最佳。因此 最佳拋光電流密度 為 30A/dm2。 活化體系的初步確定 在確定不銹鋼活化體系時(shí)，固定電解拋光工藝和電解著色工藝對(duì)常規(guī)的幾種體系檸檬酸體系、氟硅酸體系、稀硫酸體系及稀硫酸加硫酸銨活化體系進(jìn)行篩選，通過(guò)測(cè)試極化曲線圖比較可以看出氟硅酸為最佳的活化體系。試樣經(jīng)稀硫酸體系、稀硫酸加硫酸銨體系、檸檬酸體系和氟硅酸體系活化后，電解著色膜自腐蝕電位分別為 、 、 、 ，因此明顯可以得出，不銹鋼試樣經(jīng)氟硅酸活化后，耐蝕性最佳。 表 34 不銹鋼活化因素水平表 實(shí)驗(yàn)號(hào) 影響因素 硫酸 ml/L 磷酸 ml/L 硫酸銨 g/L 氟硅酸 ml/L 1 35 1 80 1 2 50 5 100 5 3 65 9 120 9 注：活化時(shí)間固定為 5min，電流密度固定為 。 表 35 活化正交實(shí)驗(yàn)表 正交試驗(yàn)的結(jié)果 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方式同拋光正交實(shí)驗(yàn)，對(duì) 膜的光澤度及耐蝕性進(jìn)行測(cè)試，正交試驗(yàn)結(jié)果如下表 36 所示。 根據(jù)正交試驗(yàn)分析表得出四因素指標(biāo)（硫酸，磷酸，硫酸銨及氟硅酸）和膜層綜合性能關(guān)系曲線分別如圖 35（ a）（ b）（ c）（ d）所示。 （ b）隨著磷酸溶度增加，膜層綜合性能呈下降趨勢(shì)，在磷酸溶度 1ml/L 時(shí)，膜層綜合性能最好 ，因此磷酸最佳 的濃度范圍為 19ml/L，最佳點(diǎn)為 1ml/L。 （ d）隨著氟硅酸溶度增加，膜層綜合性能先上升后下降，在氟硅酸溶度為 5ml/L時(shí)，膜層綜合性能最好，因此氟硅酸的最佳溶度范圍為 19ml/L，最佳點(diǎn)為 5ml/L。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 綜合評(píng)分時(shí)間 /分鐘 圖 36 活化時(shí)間對(duì)著色膜性能的影響 從圖 36 中可得：活化時(shí)間為 5min 時(shí)，著色膜性能最好。 因此活化時(shí)間 最佳 為 5min。 綜合評(píng)分電流密 度 /A/dm2 圖 37 活化電流密度對(duì)著色膜性能的影響 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 22 從圖 37 中可得：陽(yáng)極電流密度小，陽(yáng)極氧化速率小，對(duì)試樣表面陽(yáng)極溶解作用小，對(duì)試樣表面活化力度小，表面仍殘余雜質(zhì)，阻礙著色膜的生長(zhǎng)，著色膜 耐蝕性降低；陽(yáng)極電流密度大，試樣在陽(yáng)極發(fā)生的氧化速率大，表面過(guò)度生成一層氧化膜，試樣無(wú)法露出新鮮的活化表面，該層氧化膜影響了電解著色膜的生長(zhǎng)，因此著色膜耐蝕性降低。 材料表面狀態(tài)對(duì)無(wú)鉻電解著色膜性能的影響 本 試驗(yàn) 用的是市面上所售的 304 不銹鋼，試片一面為拋光面，一面為亞光面，為了研究基材表面狀態(tài)對(duì)著色膜性能的影響，試驗(yàn)進(jìn)行了四種不同方式的研究并測(cè)試極化曲線圖做為分析，為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試樣只進(jìn)行除油、活化和著色處理，試樣制備如表 37 所示。 304 不銹鋼經(jīng)除油、電解拋光、活化得到的電解著色膜亞光面在后處理研究中性能更優(yōu)于機(jī)械拋光面，但得到的電解著色膜亞光面的光澤度略低于機(jī)械拋光面，經(jīng)綜合評(píng)定，得到的電解著色膜亞光面性能優(yōu)于機(jī)械拋光面。 （ 2）在活化體系篩選中，氟硅酸活化體系最優(yōu)，其最佳工藝范圍為：磷酸 19ml/L，氟硅酸 19ml/L，硫酸 3565ml/L，硫酸銨 80120g/L；最佳工藝配方為：磷酸 1ml/L，氟硅酸 5ml/L，硫酸 50ml/L，硫酸銨 100g/L，電流密度 ，時(shí)間為 5min。 （ 4） 304 不銹鋼無(wú)鉻電解著色較含鉻著色而言重現(xiàn)性較好，著色種類更豐富，對(duì)環(huán)境的污染較小，符合現(xiàn)今可持續(xù)發(fā)展的要求。 （ 2）本試驗(yàn)并沒(méi)有對(duì)無(wú)鉻電解著色膜進(jìn)行耐磨性的測(cè)試，所以在最終的性能測(cè)試結(jié)果上有些許出入，在之后進(jìn)行這方面研究時(shí)可以加入耐磨性測(cè)試。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020屆畢業(yè)論文 24 參 考 文 獻(xiàn) [1] 張述林 ,王曉波 ,陳世波 .不銹鋼著色的研究進(jìn)展 [J].電鍍與精飾 ,2020,29(1):3638. 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