金属表面的电化学抛光

二、金属的电化学抛光
电化学抛光是近年来最好的基本表面处理方法之 一。对于复杂的工件来说，是一种很好的有效的方法。 1834年，法拉第发现了金属阳极溶解基本定律，为电 化学抛光奠定了理论基础。
二、金属的电化学抛光
电化学抛光作为高级精饰 处理方法，能去除表面较轻微 的磨具痕和擦划伤条纹，去除 机械抛光中可能形成的摩擦条 纹、热变形层、氧化膜层等， 使粗糙的表面趋于光滑而获得 近似镜面光亮的表面，提高了 铝制品的装饰效果（如反射性 能、光亮度等），并可以赋予 更高的商业价值，极大地满足 消费市场对具有光亮表面的铝 制品要求。因此，对于需要表 面平整、均匀又光亮等特殊外 观要求的阳极氧化膜，需要预 先进行电化学抛光。
一、电极的极化现象
但当有外电流流入电极/电解质溶液界面 时，电解界面的平衡状态被打破，电极电位也 随之偏离平衡电极电位。动力学研究中，将这 种当有外电流通过电极/电解质溶液界面时， 电极电位随电流密度改变所发生的偏离平衡电 极电位的现象，称为电极的极化。极化的本质： 是电子迁移速度比电极反应过程中的其他步骤 更快的结果。
三、铝的电化学抛光
铝在化学抛光时，表面所形成的光滑多孔的薄膜层，是由于 凸突部位的溶解（腐蚀）速度快，而低凹部位的溶解（腐蚀）速 度小，形成局部阳极，发生部分钝化作用，溶解速度慢所致。 Fischer和和Koch等科学家研究了高纯铝的抛光过程，并根据抛 光过程中铝的溶解速度、逸出气体量及腐蚀电流密度等实验数据， 得出铝在化学抛光中发生的化学反应是由于形成（-）Al/酸（或 碱）/氧化还原体系/惰性金属（+）构成局部电池发生氧化-还原 反应的结果。化学抛光机理模型如下图（1）
一、电极的极化现象
金属的电化学腐蚀热力学分析是判断金属 材料在腐蚀介质中的腐蚀倾向，即判断金属是 否会发生腐蚀，而金属的电化学腐蚀动力学分 析是探究腐蚀作用的动力学规律来解决腐蚀反 应发生、腐蚀扩展机制和原理以及腐蚀发生和 扩展的速度等问题。 根据热力学研究可知，当电化学反应的阳 极氧化反应和阴极还原反应的反应速度大小相 等，则整个反应处于稳定平衡态。且电极电位 处于该电极反应的平衡电极电位。
二、金属的电化学抛光
电化学抛光又称为电解抛光，是一种在特殊条件 下的电化学腐蚀，它是通过控制金属表面选择性的溶 解，使金属表面微观突出部位较其凹洼部位优先溶解， 而达到表面平整和光亮的目的。以铝电解抛光为例： 铝材做为阳极浸入到配置好的电解质溶液中，以耐腐 蚀且导电性良好的材料做为阴极，根据电化学尖端放 电原理，通电后的铝材表面微小突出部位优先溶解， 与此同时溶解产物与表面的电解液形成高电阻的粘稠 性液膜层，微小突出部位的液膜层较薄，其电阻较小， 从而继续保持优先溶解。同时表面凹洼部位的液膜层 厚，电阻大，凹洼部位的溶解速度相对缓慢，经过短 时间电解处理后，突出部位被溶解整平至凹洼部位的 位置，铝材表面粗糙度降低达到平滑光亮。
四、电化学抛光的阳极极化曲线
图1-1（a）为处于活化状态的极化曲线，如图示 电流密度随阳极金属溶解作用均随阳极电位的提高而 增大，阳极金属表面一直处于电化学阳极溶解状态 （又称活化状态）。铁在盐酸中的电化学阳极极化曲 线就属于这一类型。
四、电化学抛光的阳极极化曲线
图1-1（b）为活化-钝化-过钝化的变化过程，AB段与图1-1（a） 一样为阳极活化溶解。过了B点后，随阳极电位的增大，阳极电 流会突然下降，金属溶解速度也剧减，这一现象称为钝化现象， 对应于图中BC段称为过渡钝化区，CD段称为稳定钝化区。B点 电位叫做临界钝化电位，相应的电流密度叫做临界电流密度。D 点之后，随阳极电位的升高，阳极电流又继续增大。这是因为 阳极发生过钝化现象，即钝化膜溶解或脱落，同时阳极溶解速 度也继续增大。钢在硝酸钠溶液中的阳极极化曲线属于此类。
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四、电化学抛光的阳极极化曲线
一般来讲 , 对于铝的电化 学抛光是在铝的维钝与钝 化膜破裂的区域进行效果 最为理想。右图为铝在复 配溶液中的阳极极化曲线, 复配溶液成分为氢氧化钠、 碳酸钠、磷酸三钠、草酸 铵、酒石酸钠。从图可 见选择维钝电流密度 44A/dm2 “ 进 行 抛 光 可 达 到较好的抛光效果。
二、金属的电化学抛光
与机械抛光相比较，具有 以下优点： 1 、设备简单， 工艺参数易于调控，可大大 节省机械抛光需要的基建与 设备费用，表面光亮度更高； 2 、可处理大型零部件或大 批量小型零部件，以及形状 复杂而无法进行自动化机械 抛光处理的工件； 3 、化学 电化学抛光后表面洁净，无 残留机械抛光粉尘，有良好 的抗腐蚀性； 4 、电化学抛 光后表面镜反射率更高，金 属质感更好。
铝在复配溶液中的阳极极化曲线
五、影响电化学抛光的因素
影响电化学抛光的质量是多方面的，也是很复杂 的。主要有：（1）阴阳极材料参数：被抛光阳极金属 成分越复杂、晶粒越粗大、原始表面越粗糙，其抛光 性能越差；而阴极材料则根据阳极材料的不同可分别 选择石墨、不锈钢、铅等。（2）电化学抛光液参数： 对抛光过程起决定性作用，其成分、浓度、使用温度、 预处理与否、搅拌、流速等等都在很大程度上影响着 抛光质量。（3）电参数：电压、电流密度、阴阳极形 状、阴阳极间距等。（4）抛光时间：时间过短，金属 处于溶解状态，不能生成阳极钝化膜，等于阳极表面 受腐蚀，虽可起一定的整平作用，但无金属光泽。而 时间过长容易造成过钝化腐蚀。
四、电化学抛光的阳极极化曲线
图1-1（c）为活化-不完全钝化（抛光）-过钝化的变 化过程，该过程中的变化与上述图1-1（b）中的变化类似， AB为活化区，BD（有的是C’D’过程）称不完全钝化区， 随后DE又进入超钝化区。在不完全钝化区内，电流密度和 阳极溶解速度变化很小，但阳极溶解还在进行，且阳极溶 解后的表面往往是平滑有光泽的，所以将不完全钝化区称 为抛光区。铝在硫酸中的极化曲线属于此类。
四、电化学抛光的阳极极化曲线
如右图，通过铝的极化曲线图来说明 铝的电化学抛光：AB段电流密度随阳极电 位升高而增大，是正常的阳极溶解过程， 即Al→Al3++3e,这时铝阳极表面呈通常的 浸湿外观。到 B 点后，电位继续升高时， 电流密度反而下降， B 点表示金属阳极的 溶解速度与溶解产物向向电解液内部的 扩散速度相等。B点之后由于金属溶解速度大于腐蚀产物扩散速 度，使得阳极溶解产物开始在表面积累而出现粘膜层，此时阳极 电阻增大，实际电流密度下降。一直到C点，阳极表面附近液层 中溶解的金属盐达到饱和状态，粘膜层增长到一个确定不变得厚 度，这时阳极的反应速度完全受扩散速度步骤控制，所以电流密 度与电位无关延续到D点，电位到D点后电极上有新的反应发生， 如OH—析氧等，此后电流密度又随电位升高而迅速增加。
图（1）
三、铝的电化学抛光
铝在酸性溶液中的抛光由氧化膜的形成和氧化膜的 溶解两个过程交替进行的机理说明，可以用以下表达： 14Al+10HNO3→7Al2O3+4N2+2NO2+5H2O Al2O3+6H3PO4→2Al(H2PO4)3+3H2O 铝在碱性化学抛光是利用铝及铝合金在碱性溶液中的选 择性自溶解作用来整平和抛光铝的表面，改善其表面粗 糙度的化学方法，其抛光过程： 2Al+6NaOH→2Na3AlO3+3H2↑ Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O 电化学抛光是以被抛光的铝材料为阳极，以不溶性 金属做为阴极，在电解抛光液中利用直流电进行电解的 过程。其原理与化学抛光原理相似。电化学抛光是借助 电流的作用，使铝凹凸部分发生不同程度溶解，最终使 铝材表面光滑又光亮。
一、电极的极化现象
当有外电流流过电极界面时，电极/电解 质溶液界面的电极电位就会发生改变，产生极 化现象，而电极电位的改变是由于电极界面电 荷密度的分布发生改变，进而导致电极界面相 间电位差发生改变的结果。电子的流入将使阴 极反应方向电极反应速度加快，发生了阴极方 向的电极极化。电子的流出将使阳极反应方向 反应速度加快，发生阳极方向的电极极化。
随着工业的要求和技术的不断发展，电化 学抛光以其特有的优点逐渐广泛应用于金属精 加工、金相样品制备及那些需要控制表面质量 与光洁度的领域，同时在化工、轻工、机械制 造、强激光系统、食品加工设备、装饰行业、 生物医学等领域也获得应用。尤其在航空航天 领域，它是保证产品质量的一个重要环节。涉 及电解抛光的材料有铁锰合金、纯金属、碳钢、 合金钢、有色金属及其合金、贵金属等几乎所 有的金属材料。目前电化学抛光不锈钢、铜、 铝及其合金在工业生产中已成功应用。