摘要：冷軋BA表面不銹鋼在拋光裝飾行業(yè)中作為鏡面板加工基板得到廣泛應(yīng)用。著重介紹了拋光行業(yè)對(duì)鏡面不銹鋼表面的判定標(biāo)準(zhǔn),并從拋光原理、設(shè)備、拋光溶液、工藝技術(shù)等方面介紹了電解拋光、化學(xué)拋光、機(jī)械拋光以及化學(xué)機(jī)械拋光等目前拋光行業(yè)最常見(jiàn)的四種鏡面拋光技術(shù);同時(shí)從設(shè)備要求、鏡面板質(zhì)量、加工效率、對(duì)環(huán)保影響等多方面對(duì)四種拋光技術(shù)的優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比。收集了拋光鏡面板過(guò)程中容易出現(xiàn)的缺陷,對(duì)其原因進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的解決方案。
由于良好的加工性能、耐腐蝕性能和裝飾性能,不銹鋼的需求在國(guó)內(nèi)井噴提高,中國(guó)不銹鋼的冷軋技術(shù)和質(zhì)量不斷提高完善的同時(shí),國(guó)內(nèi)不銹鋼深加工客戶對(duì)不銹鋼的認(rèn)知也飛速發(fā)展,不銹鋼除用于深沖制品行業(yè)外,裝飾行業(yè)的需求不斷擴(kuò)大,在不銹鋼深加工市場(chǎng)上占據(jù)了半壁江山。而不銹鋼應(yīng)用在裝飾行業(yè)則需要對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行鏡面加工,獲得最終的鏡面(8K)不銹鋼。該表面直接應(yīng)用到電梯、裝潢等行業(yè),同時(shí)也是進(jìn)行彩色不銹鋼加工的基礎(chǔ)表面。
8K表面(No.8)即鏡面拋光表面,反射率高,反射圖像清晰,通常用解像度和表面缺陷率來(lái)衡量鏡面不銹鋼質(zhì)量,一般用目測(cè)法進(jìn)行評(píng)定,胡社軍在文獻(xiàn)[1]中提出了如下判定標(biāo)準(zhǔn):1級(jí)為表面光亮如鏡,能清晰地看到人的五官和眉毛;2級(jí)為表面光亮,能看到人的五官和眉毛,但眉毛部分不清晰;3級(jí)為表面光亮較好,能看到的人的五官和輪廓,眉毛部分模糊;4級(jí)為表面有光澤,但看不清人的五官;5級(jí)為表面無(wú)光澤,發(fā)白。
隨著不銹鋼冷軋工藝的發(fā)展,寧波寶新不銹鋼有限公司通過(guò)控制冷軋軋輥質(zhì)量、光亮退火生產(chǎn)出來(lái)BA產(chǎn)品能達(dá)到2級(jí)水平甚至是1級(jí)水平。同時(shí),隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,有部分拋光加工用戶已經(jīng)希望用數(shù)據(jù)對(duì)8K表面進(jìn)行量化管理,中華人民共和國(guó)浙江省出入檢驗(yàn)檢疫局、高鴻不銹鋼(浙江)有限公司(目前改名寶鴻)聯(lián)合起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《出口不銹鋼裝飾板表面質(zhì)量檢查規(guī)程》中規(guī)定(SN/T 1671—2005),鏡面不銹鋼按照如下標(biāo)準(zhǔn)判定,見(jiàn)表1。
表1 鏡面板檢測(cè)
Table 1 Mirror stainless steel inspection
但由于鏡面不銹鋼的用途不同,對(duì)鏡面質(zhì)量的要求也不同,因此,對(duì)鏡面質(zhì)量進(jìn)行量化的檢測(cè)并未得到廣泛的推廣和應(yīng)用,而通過(guò)界限樣板的目測(cè)比對(duì)方法更容易得到市場(chǎng)的認(rèn)可和接受。
獲取高質(zhì)量的鏡面不銹鋼主要采用的拋光技術(shù)有:電解拋光、化學(xué)拋光和機(jī)械拋光。
2.1 電解拋光
電解拋光工藝是將不銹鋼浸泡在電解液中的一種拋光工藝,在此工藝中不銹鋼作為陽(yáng)極,借助直流電流通過(guò)電解質(zhì)特定溶液傳遞到金屬,在陽(yáng)極工件表面形成一種高電阻率的稠性黏膜,稠性黏膜在不銹鋼制品表面微觀凹凸處厚度不同,導(dǎo)致陽(yáng)極表面電流密度的微觀分布不均勻,凸起處電流密度大,溶解快,凹處電流密度小,溶解慢,從而降低不銹鋼表面粗糙度,提高平整和亮度,同時(shí)形成無(wú)缺陷的鈍化層。
電解拋光液中必須含有足量的氧化劑,切不能有破壞鈍化膜的活性離子存在。常見(jiàn)的拋光工藝規(guī)程如表2[2]。
表2 電解拋光常見(jiàn)電解液組成及常見(jiàn)工藝參數(shù)
Table 2 Common electrolyte composition and process parameters for the electropolishing composition
2.2 化學(xué)拋光
化學(xué)拋光和電解拋光原理相似,將不銹鋼置于一定組成的溶液中,其表面微觀凸起部分的溶解速度大于微觀凹入部位的溶解速度,而使不銹鋼表面平整、光潔。可以看出:化學(xué)拋光方法和電解拋光方法的原理基本一致,只是電解拋光在加入了電壓電解的強(qiáng)制作用下加速對(duì)凸起部分的溶解,而化學(xué)拋光方法則完全依靠溶液的自腐蝕能力使不銹鋼表面平整。由此決定了化學(xué)拋光中溶液的組成非常重要。在化學(xué)拋光的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,溶液經(jīng)常由多種酸溶液組成。
同時(shí),由于拋光原理是不銹鋼的局部腐蝕,則需要在溶液中加入一些添加劑,如表面活性劑、黏度調(diào)節(jié)劑、緩蝕劑等提高拋光性,保持拋光液的有效成分,同時(shí)抑制酸霧的揮發(fā)、逸出,防止過(guò)腐蝕。常見(jiàn)溶液組成如表3[2]。
2.3 機(jī)械拋光
機(jī)械拋光是指在高速旋轉(zhuǎn)的黏有拋光膏的拋光輪上機(jī)械消除不銹鋼表面凹凸不平而獲得光亮表面的加工方式[3]。拋光輪根據(jù)其制成布料種類(lèi)的不同,用來(lái)區(qū)分其粒度級(jí)別,而結(jié)構(gòu)形式主要有縫合式、折疊式等。拋光膏則根據(jù)拋光需要由拋光能力強(qiáng)的氧化鉻和黏結(jié)劑組成的綠拋光膏,也有由磨料、有機(jī)膏體、添加劑組成的拋光蠟。
機(jī)械拋光一般分為粗拋、精拋,兩個(gè)階段層層遞進(jìn)。配合不同的拋光膏和拋光輪,在機(jī)械旋轉(zhuǎn)的作用下最終獲得反射圖像清晰的鏡面不銹鋼。隨著不銹鋼冷軋工藝技術(shù)的提高,國(guó)內(nèi)能穩(wěn)定生產(chǎn)出表面粗糙度極小的BA表面,當(dāng)用戶選擇BA不銹鋼進(jìn)行鏡面拋光操作,不再需要粗拋工序。目前針對(duì)來(lái)料板材一般選擇的機(jī)械拋光工藝如表4所示。
表3 化學(xué)拋光常見(jiàn)溶液組成及常見(jiàn)工藝參數(shù)
Table 3 Common solution composition and process parameters for the chemical polishing
表4 機(jī)械拋光常見(jiàn)工藝組合
Table 4 Common mechanical polishing process
隨著對(duì)鏡面不銹鋼表面質(zhì)量要求的不斷提高,同時(shí)為了提高拋光效率,將化學(xué)拋光和機(jī)械拋光相結(jié)合的一種新型拋光技術(shù)即化學(xué)機(jī)械拋光法得以發(fā)展和完善。在一定組成的溶液中對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行機(jī)械拋光,通過(guò)化學(xué)溶液提高不銹鋼表面活性,同時(shí)進(jìn)行高速的機(jī)械拋光,用來(lái)消除表面凹凸而獲得更高質(zhì)量的光潔鏡面。
3.1 化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備
化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備要求較高,在化學(xué)法的基礎(chǔ)上要增加機(jī)械拋光系統(tǒng),目前主要的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備分為單輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)、多輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)。多輪機(jī)械拋光機(jī)中有4輪、5輪、48輪等。隨設(shè)備制造能力的提高,最近也有96輪、128輪的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)投入使用。
3.1.1 單輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)
在鏡面品質(zhì)要求極高、對(duì)加工效率要求不高、人工成本較低的工廠,一般配備單輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)。該設(shè)備在一個(gè)裝有固定板材裝置的加工平臺(tái)上安裝機(jī)械拋光輪?？梢苿?dòng)覆蓋整個(gè)加工平臺(tái)的伸長(zhǎng)臂上安裝變頻或非變頻電動(dòng)機(jī),連接上拋光輪。通過(guò)人工壓下力在固定組成的溶液中對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行機(jī)械拋光。圖1為某廠的單輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)。
圖1 單輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)
Fig.1 Single wheel chemical mechanical polishing machine
單輪機(jī)械拋光機(jī)有節(jié)省成本、防止表面過(guò)拋、局部自由修復(fù)缺陷等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)就在于工作環(huán)境較差、加工效率低、拋光溶液回收不完全等問(wèn)題。
3.1.2 多輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)
為解放人力,同時(shí)提高加工效率,一些自動(dòng)化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)被設(shè)計(jì)出來(lái),如上所介紹,目前自動(dòng)多輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)的拋光輪從4個(gè)到128個(gè)之多,這樣的設(shè)備大大提高了加工效率,同時(shí)對(duì)設(shè)備和加工技術(shù)也提出了更高要求。
多輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)和單輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)基本相同,只是引進(jìn)了自動(dòng)控制系統(tǒng),通過(guò)拋光輪軸的橫向擺動(dòng)覆蓋整個(gè)加工臺(tái)面,通過(guò)液壓或者氣壓系統(tǒng)控制拋光輪的壓下力。設(shè)定固定的拋光時(shí)間后對(duì)加工后板面進(jìn)行清洗、烘干,檢查表面質(zhì)量,同時(shí)配備拋光溶液循環(huán)使用設(shè)備使拋光溶液循環(huán)再利用。圖2為某廠5輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī),圖3為某多組化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)。
圖2 5輪化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)
Fig.2 Five wheels chemical mechanical polishing machine
圖3 多組化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)
Fig.3 More groups of chemical mechanical polishing machine
3.2 化學(xué)機(jī)械拋光溶液
如前所述,化學(xué)機(jī)械拋光方式結(jié)合了化學(xué)法和機(jī)械法的原理,故拋光溶液需要對(duì)不銹鋼凸起部位有溶解作用。在實(shí)際拋光過(guò)程中發(fā)現(xiàn),雖然濃硝酸能夠鈍化不銹鋼,形成致密的鈍化膜,但含量很低的稀硝酸卻能促進(jìn)不銹鋼的腐蝕。另為了提高磨拋能力,同時(shí)中和酸溶液,防止硝酸對(duì)不銹鋼的過(guò)度腐蝕,在溶液中添加適量的氧化鋁或者氧化鐵粉,有些為了拋光效果也添加少量專(zhuān)用研磨液,目前常見(jiàn)拋光溶液組成見(jiàn)表5。
表5 化學(xué)機(jī)械拋光常見(jiàn)拋光溶液組成
Table 5 Common polishing solutions for the chemical mechanical polishing
3.3 化學(xué)機(jī)械拋光參數(shù)對(duì)拋光質(zhì)量的影響
張強(qiáng)對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,該論文在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用表5中第3種拋光液組成進(jìn)行拋光試驗(yàn),深入研究拋光液的壓力載荷、拋光時(shí)間、拋光線速度、pH值對(duì)拋光質(zhì)量的影響,成功得出了各參數(shù)對(duì)材料拋光去除率的線性關(guān)系。具體結(jié)果可參考文獻(xiàn)[4],此處不再重復(fù)。
(1) 化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)環(huán)境污染最小,鏡面拋光質(zhì)量最好,但受制于對(duì)工件的形狀要求,在電子行業(yè)、制品行業(yè)以及其他異型件行業(yè)很難得到推廣。
(2) 化學(xué)機(jī)械拋光采用的溶液組成十分關(guān)鍵,各拋光加工行業(yè)對(duì)酸的種類(lèi)選擇、濃度控制差異較大,返修率較高。需對(duì)溶液組成進(jìn)行深入摸索,使化學(xué)機(jī)械拋光工藝技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。
(3) 不斷提升拋光鏡面加工技術(shù)、拋光基材表面質(zhì)量,才能做好更高品質(zhì)的鏡面(8K)不銹鋼。