碳钢复杂结构零件的化学抛光方法与试验

朱明方东

摘要：目前，中碳钢和低碳钢制造的各种复杂零件在工业领域应用十分广泛，但手工或机械去毛刺、除锈和抛光存在诸多缺点，如质量差、效率低、工作环境恶劣、存在安全隐患等。文章提出采用化学反应原理，如置换反应、氧化反应和还原反应等对结构复杂的碳钢零件进行去毛刺、抛光和除锈的一体化综合加工，以汽车滤油器底座为例，探究了合理的工艺流程，分析了新工艺在其他工业领域应用的普适性，并进行试验验证得出结论：与传统机械抛光技术相比，新工艺的效率是传统机械工艺的130倍，产品外观质量明显改善，表面粗糙度降低2级，光亮度提高3级，毛刺去除干净彻底，单件综合成本有所降低。

关键词：化学反应；碳钢零件；抛光方法

一、新工艺的特色

与传统的机械抛光技术相比，化学抛光具有新颖性、先进性和实用性。

（一）新颖性

1. 工作原理

化学抛光、去毛刺是让金属在特定条件下发生化学侵蚀，即金属材料表面在抛光液中发生一系列的化学反应。在抛光溶液中，金属微观表面形成不均匀的钝化膜，这种不均匀导致微观表面的溶解速度不一致，凸出部分因钝化膜更厚，其溶解速度大于凹陷处的溶解速度，由此加工表面逐步平整，从而使金属表面变得平滑、光亮[1]。

2. 抛光剂

化学抛光摒弃了传统的硝酸、硫酸等强酸，以及铬酸、重铬酸钾等含重金属离子的抛光液，其采用的新型抛光剂的成分随抛光工件材料的不同而改变，常为配比合理的腐蚀剂、氧化剂、分散剂组成的混合液，无毒无害且安全环保。经过查新未见同类抛光剂配方及组分。新型抛光剂在使用过程中发生消耗后，只需添加适当的剂量，保证合理的抛光效率即可。同时，使用过程中会有适量的氢气、水蒸气排放，不会造成环境污染。工作现场可适当进行通风或抽风，以免氢气浓度过大造成安全隐患。

3. 设施

传统机械抛光的工序多、设备复杂且庞大，而化学抛光只需抛光槽和清洗槽。

（二）先进性

手工或机械去毛刺、除锈、抛光存在诸多缺点，如效率低、劳动强度大、工序多而复杂；产品质量差，毛刺去除不彻底，深孔、窄缝等工具不能到达的部位无法去毛刺；切削力较大，对刚性较差的薄壁、细长杆件会造成工件变形或者损坏；工作环境差，粉尘多，存在粉尘爆炸隐患；高速回转机械（工具）存在工伤隐患，且使用成本较高。

与机械抛光相比，化学抛光有许多优点。

第一，化学抛光重在配方，实际操作简便、快捷，成本低，且无需电源，可随时随地对工件进行抛光处理。

第二，化学抛光没有切削力，发热也少，抛光后的工件不会变形和翘曲，表面无变形层、烧伤层，特别适合低刚度零件和复杂零件。

第三，化学抛光设施简单，不需高速回转机械，没有噪声，没有扬尘。

第四，化学抛光有较好的抛光效果，且提高了零件的内在质量，工件无机械划痕，表面粗糙度降低，工件外观十分平坦、光亮。更重要的是，微观形貌由机械方式的尖峰状变为低洼弧状，显著改善了机械性能，提高了工件的耐磨性、抗腐蚀能力和抗疲劳强度。

第五，化学抛光的效率高，零件与抛光剂接触的内外表面、沟槽、棱边、内孔等都能得到抛光，可大面积、多个表面或多件抛光，适用于结构复杂的零件。大型抛光槽一次可以容纳数百件工件，效率极高。

（三）实用性

化学抛光的诸多优点赋予了其良好的实用性和广阔的应用前景。化学抛光可用于表面粗糙度小的金属制品的终加工，获得较低的粗糙度、较好的平滑度和光亮度。目前主要运用于医疗器械、石油及化工、食品器械、五金加工、纺织机械、电子、汽车、航空航天、通信等行业的各类零件，如反射镜、不锈钢餐具、不锈钢管件、装饰品、注射针、弹簧、叶片等，可抛光的材料有：碳钢、铝及其合金、铜及其合金、不锈钢、镍及其合金、钛合金、铬镍合金等，还可用于某些模具（如胶木模具和玻璃模具等）和金相磨片的抛光。

化学抛光还可去油污、防锈、清洗，用作镀前表面处理，使镀层获得良好的结合力，提高工件的光亮度、整平性和抗蚀性等。

二、试验效果及分析

碳钢是工业领域运用最为广泛的金属材料， 特别是中碳钢和低碳钢占金属材料的75%以上。中低碳钢加工性能好、来源广泛、成本低廉，制成的零部件花样繁多、品种和规格各异。但机械加工的零件容易留下毛刺，表面较为粗糙，放置久了还会生锈。据统计，在各种造成机械零件失效的因素中，由毛刺造成的失效占总数的16%。所以为了达到零件的要求，传统的机械加工过程中常常会安排手工去毛刺、机械抛光或除锈专门工序。文章以汽车滤油器底座为例进行对比试验。

（一）外观对比

从图1可知，化学抛光后的零件在光亮度、光滑度方面有十分明显的改善。汽车滤油器底座上的六个小孔若有较深的毛刺，长期流经的润滑油可能会使毛刺脱落进入润滑部位，如凸轮面、活塞销、曲轴轴颈等部位，造成配合面的机械拉伤；中心螺纹孔若有较深的毛刺，在安装滤油器时毛刺也可能脱落进入润滑油里，造成机械拉伤。

（二）孔口、孔壁毛刺对比

从图2可发现，未经化学抛光的零件在孔口边缘和孔壁存在较深的毛刺或飞边；经过化学抛光后，孔口边缘和孔壁的毛刺或飞边明显减少或变短。

（三）表面粗糙度实测对比

用粗糙度仪对10个汽车滤油器底座化学抛光前后的粗糙度进行测量，结果如表1所示。

按照粗糙度等级规定，Ra从3.2μm降低到0.8μm，粗糙度降低兩级。10个汽车滤油器底座的粗糙度平均值从3.18μm降低到0.77μm，粗糙度降低2级，光滑度提高了2级。

（四）光亮度对比

将汽车滤油器底座实物图样与表2进行对比，零件抛光前的光亮度为1级，化学抛光后的光亮度约为4级，可见零件经过化学抛光后光亮度可以提高约3级。

（五）效率分析与对比

以100件汽车滤油器底座为参考，分别采用机械抛光和化学抛光进行同等效果对比试验，得出以下数据：

1. 机械抛光

由于零件上下表面不平整，上下表面采用砂带叶轮、聚氨酯发泡柔性砂轮分两次抛光需要约2分30秒，六个孔采用窄砂带穿入手工抛光需要约3分钟，中心螺纹孔采用砂带抛光约1分钟，故单个零件抛光需要约6分30秒，即390秒。且零件整体抛光质量不一致，光亮度也不一致。

2. 化学抛光

单个零件抛光时间为8秒，清洗时间为10秒。采用合理设计的治具（挂具），100件同时抛光的时间为8秒，清洗时间为10秒，100件排放到挂具上约3分钟，抛光液调配等其他準备时间约1分42秒，故化学抛光100件的总时间为5分钟，平均下来单个零件的抛光时间为3秒。

由此可见，化学抛光的效率是机械抛光的130倍。

（六）成本比较

根据前述的效率对比，以单班满负荷8小时工作计算，汽车滤油器底座抛光的成本核算如下。

采用机械抛光，抛光零件数量为74件（8×60÷6.5≈74），工具、能源耗损约15元，人工成本为100元。所以，机械抛光单件成本为1.55元（100÷74+15÷74≈1.55）。

采用化学抛光，抛光零件数量为9600件（8×60×60÷3=9600），每个零件的化学抛光液耗损成本约0.1元，单件人工成本为0.01元（100÷9600≈0.01），所以，化学抛光单件成本为0.11元（0.1+0.01=0.11）。

由此可见，单个零件机械抛光成本约为化学抛光成本的14倍（1.55÷0.11≈14）。

（七）操作环境对比

如图3所示，机械抛光的工作环境十分恶劣，粉尘多、噪声大，即便配备工业吸尘器也不能够彻底消除粉尘漂浮的现象，有粉尘爆炸隐患，工人容易患职业病，劳动强度大，且刚度较差的工件无法进行机械抛光。

如图4所示，化学抛光的工作环境较为干净整洁，两者形成鲜明的对比。

三、结语

通过一系列理论探究和试验验证，找到了适用于中碳钢、低碳钢的抛光剂配方和组分比例。经过对比可知，化学抛光的效率是传统机械抛光的130倍，零件外观质量明显改善，表面粗糙度降低2级，光亮度提高3级，毛刺去除干净彻底，单个零件化学抛光成本是机械抛光成本的1/14。

参考文献

[1]梅锦波.铝合金化学机械抛光工艺技术的研究[D].湖南大学，2013.