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304不锈钢中的金属元素主要有铁、镍、锰、铬等,其中,铁、镍、锰可以与稀释的酸溶液发生置换反应,生成氢气和相应的金属盐,铬在酸溶液中会发生表面钝化,去钝化后易溶解于除硝酸以外几乎所有的无机酸。铬与酸反应生成蓝色溶液,与空气接触则很快变成绿色。铁镍锰铬与酸的反应方程式如下:
$ 2 n M_{\mathrm{e}}+2 m n \mathrm{H}^{+}=2 n {M_\mathrm{e}}^{m+}+m n \mathrm{H}_{2} \uparrow $
(1) 式中,Me为不锈钢中的金属元素,m为金属离子价态,n为参与反应的金属原子数目(n为正整数)。
盐酸是一种在水中完全电离的无机强酸,能够除去不锈钢表面上的氧化层并与不锈钢的金属元素发生化学反应。盐酸溶液中的氯离子能优先地、有选择地吸附在钝化膜(主要成分为Cr2O3、NiO)上,把氧离子排挤掉,然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性的氯化物[16]。反应方程式如下所示:
$ \left\{\begin{array}{l}{6 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{3}=2 \mathrm{Cr}^{3+}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}} \\ {2 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{Ni} 0=\mathrm{Ni}^{2+}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}}\end{array}\right. $
(2) 磷酸是中等强度的无机酸, 在抛光过程中溶解能力不强,它的主要作用是在不锈钢表面上生成一层不溶性的磷酸盐转化膜(FePO4·2H2O), 从而有效地抑制不锈钢的过度溶解[17],阻碍金属表面和本体溶液之间的扩散,使得金属的腐蚀相对减慢,表面凹凸部位最终平整化。反应方程式如下:
$ \mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{H}_{3} \mathrm{PO}_{4}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}=\mathrm{FePO}_{4} \cdot 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+3 \mathrm{H}^{+} $
(3) 硝酸钠是一种强氧化剂,在抛光液中取代了原来使用的硝酸,以避免抛光过程中产生黄烟,同时还可有效地去除不锈钢表面上的氧化层[18]。当硝酸根离子浓度不高时,反应方程式如下:
$ 3 M+8 \mathrm{H}^{+}+3 \mathrm{NO}_{3}^{-} \rightarrow 2 M^{2+}+2 \mathrm{NO} \uparrow+4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} $
(4) 式中,M为不锈钢中的金属元素(除铬元素外)。
由于在抛光过程中金属的量远多于作为氧化剂硝酸根离子的量,因此在反应后的溶液中,铁元素会以亚铁离子的形式存在,镍锰等元素会以二价镍离子与二价锰离子形式存在,由于铁元素在不锈钢组成成分中占比例最高,亚铁盐溶液颜色为浅绿色。因此,反应后溶液的颜色为浅绿色。
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实验中主要研究在激光化学复合抛光后304不锈钢的表面形貌以及激光参量对表面质量的影响规律。试验加工图形为6mm×2mm的矩形区域,采用线填充扫描加工,填充间距为0.02mm,激光聚焦平面位于待加工304不锈钢表面。在溶液中进行加工需要将304不锈钢片放置在陶瓷坩埚内并采用装置固定,注入液体时,保持液面距离304不锈钢待加工表面2mm深度。实验装置放置如图 1所示。抛光完成后采用奥林巴斯显微镜进行测量观察,得出表面形貌图以及粗糙度数据等信息。
实验中采用的激光器是IPG光纤激光有限公司生产的钇铝石榴石1064nm远红外激光器,最大输出功率为200W,输出频率为200kHz~2000kHz,最大扫描速率为7000mm/s,最小光斑直径为50μm,最小填充间隔为0.02mm。不锈钢抛光前后的表面粗糙度和表面形貌由奥林巴斯DSX-510光学数码显微镜测量观察。选取的化学试剂有:盐酸、磷酸、硝酸钠、硫酸、氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠和OP乳化剂等,选用的实验仪器为:陶瓷坩埚、烧杯、量筒、玻璃棒、胶头滴管、镊子和药匙,实验材料为304奥氏体不锈钢,尺寸为30mm×20mm×1.5mm,主要成分如表 1所示。
Table 1. Chemical composition (mass fraction w) of 304 austenitic stainless steel
element C Si Mn Cr Ni P S Fe mass fraction ≤0.0008 ≤0.0100 ≤0.0200 0.1800~0.2000 0.0800~0.1050 ≤0.0004 ≤0.0003 remains -
实验主要研究在激光化学复合抛光后304不锈钢的表面形貌以及激光主要参量对表面质量的影响规律。试验加工图形为6mm×2mm的矩形区域,采用线填充扫描加工,填充间距为0.02mm,激光聚焦平面位于待加工304不锈钢表面。在溶液中进行加工需要将304不锈钢片放置在陶瓷坩埚内并采用装置固定,注入液体时,保持液面距离304不锈钢待加工表面2mm深度。实验装置放置如图 1所示。抛光完成后采用奥林巴斯显微镜进行测量观察,得出表面形貌图以及粗糙度数据等信息。
在进行抛光前,需要对304不锈钢片进行脱脂处理,脱脂液的成分为:氢氧化钠30g/L, 碳酸钠20g/L,磷酸三钠50g/L,OP乳化剂5.0mL/L。脱脂处理时间:10min。脱脂完成后,由于所选用的304不锈钢片表面过于光滑,在实验进行前,需要用激光器对表面进行粗化处理。进行表面粗化处理时,激光器参量设定为:功率100W,频率200kHz,扫描速率800m/s,填充间距0.12mm。扫描加工3次。粗化处理前后表面如图 2所示。
通过对比图 2a和图 2b可知,经过表面粗化处理,不锈钢的表面形貌有了明显的改变,在激光加工的区域内,不锈钢表面经过激光刻蚀后出现凹槽,在凹槽附近有明显的氧化发黑和重铸层,粗糙度Ra由0.493μm增加到0.845μm。
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实验中采用的激光器是1064nm远红外激光器,当激光波长较长时,材料的去除主要是光热效应,材料吸收激光光束照射在材料表面转化为热能,待加工区域吸收热能从而熔化甚至汽化,通过激光脉冲本身压力和材料汽化蒸发产生的反作用力来达到去除的目的。在水及抛光液中进行激光抛光时,由于水及水溶液的冷却作用,在激光作用的瞬间,加工区域会瞬间升高到熔点发生刻蚀,高温下铁会与水发生反应,生成氢气和黑色的四氧化三铁,反应方程式为:
$ 3 \mathrm{Fe}+4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \stackrel{\text { heating }}{\longrightarrow} \mathrm{Fe}_{3} \mathrm{O}_{4}+4 \mathrm{H}_{2} \uparrow $
(5) 四氧化三铁熔点为1594.5℃,铁的熔点为1538℃,因此在水下和抛光液中激光抛光后,会出现黑色的氧化区域。在抛光液中进行激光抛光时,由于抛光液含有磷酸盐酸等酸性物质,会与高温下生成的四氧化三铁迅速反应,从而减少黑色氧化区域的面积,随着激光器功率的增大和抛光次数的增加,抛光区域的热量累积,导致不锈钢表面达到甚至超过抛光液的沸点,此时不锈钢加工区域会产生大量的气泡。产生的气泡对激光抛光有两方面的影响:气泡对抛光液在不锈钢表面形成的钝化膜产生破坏作用,造成抛光效果不均匀,表面粗糙度增大;大量的气泡也阻碍激光到达抛光区域,使激光抛光的效率降低。而采用合适的工艺参量进行激光化学抛光可以有效增加抛光效率和表面质量。
激光化学复合抛光工艺参量对304不锈钢性能的影响
Effect of process parameters of laser chemical composite polishing on 304 stainless steel surface properties
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摘要: 为了提高304不锈钢表面抛光质量,采用激光化学复合抛光的方法分别在纯净水和抛光液中对304不锈钢进行抛光实验研究,并对1064nm激光的加工功率和扫描次数对加工区域表面形貌和表面质量的影响进行了分析。气泡对抛光液在不锈钢表面形成的钝化膜产生破坏作用,造成抛光效果不均匀,表面粗糙度增大。结果表明,在抛光液中的激光抛光在抑制表面氧化发黑的同时,能够显著改善表面形貌,表面粗糙度由0.845μm下降到0.181μm;激光化学复合抛光304不锈钢表面质量与抛光功率和扫描次数有密切关系;当抛光功率过高或者扫描次数过大时,304不锈钢表面会产生大量气泡。采用激光化学复合抛光,可以提高不锈钢抛光质量、减少环境污染,该方法具有极大的应用前景。Abstract: In order to improve the surface polishing quality of SUS 304, a laser chemical composite polishing method was proposed based on chemical polishing and laser polishing. SUS 304 was adopted as workpiece being polished by 1064nm laser in purified water and polishing solution, respectively. The influence of laser processing power and scanning times on the surface topography and quality of machined area was analyzed. The bubbles have a damaging effect on the passivation film formed on the surface of stainless steel, resulting in uneven polishing effect and increasing surface roughness. The results show that, laser polishing in polishing solution can significantly improve surface topography while suppressing surface oxidation blackening, and the surface roughness decreases from 0.845μm to 0.181μm. Laser chemical composite polishing can improve the polishing quality of stainless steel and reduce environmental pollution. This study has a great application prospect.
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Key words:
- laser technique /
- composite polishing /
- 304 stainless steel /
- surface roughness
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Table 1. Chemical composition (mass fraction w) of 304 austenitic stainless steel
element C Si Mn Cr Ni P S Fe mass fraction ≤0.0008 ≤0.0100 ≤0.0200 0.1800~0.2000 0.0800~0.1050 ≤0.0004 ≤0.0003 remains -