铝—硅合金制品新型抛光工艺的研究
铝—硅合金制品新型抛光工艺的研究
李远才 彭莉华 刘洋 刘金涛 魏海琴
（华中科技大学材料科学与工程学院 430074）
（华中科技大学材料科学与工程学院 430074）
摘要：针对含硅量较高的铝合金复杂制品难以使用普通机械抛光和化学抛光的不足，本文采用螺旋振动抛光工艺对含硅量为9.15%的铝—硅合金制品进行抛光试验。结果表明，利用螺旋振动抛光工艺，配合自制的抛光液，抛光后制品的表面具有较低的粗糙度和较好的光亮性。
近年来在汽车、化工、仪器、纺织、机械和厨房炊具等行业，铝合金的应用迅速增长，为提高铝合金制件的表面质量和外观，常需进行抛光处理。但对于含硅量较高的铝—硅合金铸件难于化学抛光，并且普通机械抛光也难于抛光内外型面复杂的零件，因此，针对含硅量为9.15%的铝—硅合金制品，可采用一种新型抛光工艺—螺旋振动抛光进行抛光处理，利用其螺旋翻滚和振动，使零件与磨料互研，从而提高零件表面光亮度，并降低表面粗糙度。
螺旋振动光饰机适用于金属、有色金属和非金属制成的各种零件的去毛刺、去锈、倒圆和光亮抛光，特别适用于腔形复杂的铝合金零件的表面光整加工。广泛应用于汽车、摩托车、自行车、发动机、压缩机、内燃机、纺织机械、铝型材、锌铝铸件、非金属铸件、不锈钢精密铸件、缝纫机、磁性材料、工艺装饰品等行业。
1 螺旋振动抛光与其他光饰工艺效果对比
1.1 试验工艺
取相同加工条件、同一批次的铝—硅合金试样(15 mm×15 mm×60 mm)，分别按照以下3种光饰工艺对试样进行抛光。
（1）普通机械抛光：采用抛光织物为金丝绒、抛光材料为M2.5研磨膏，在P-2型双盘金相抛光机上，设定转速为1350 r/min，手工磨光制品表面。
（2）螺旋振动抛光：在PLZG100型螺旋光饰机中投入一定比例的钢珠(φ3mm)、试样、抛光液，电机转速1430 r/min，螺旋振动抛光35 min。
（3）化学抛光：在由质量比为77.5：15.5：6：0.5的磷酸、硫酸、硝酸和硼酸这4种无机酸组成的化学抛光液中进行抛光，抛光温度设为100℃，抛光时间1~4 min。
1.2 上述3种抛光工艺的抛光效果比较
表1是按上述试验工艺(1.1）3种抛光工艺对铝—硅合金制品抛光效果的比较。其中试样1#，2#采用机械抛光，试样3#，4#采用螺旋振动抛光，试样5#，6#采用化学抛光。铝—硅合金试样在抛光后的失重率由抛光前后称重的重量差确定。
表1 3种抛光方式对铝—硅合金制品抛光效果的比较
近年来在汽车、化工、仪器、纺织、机械和厨房炊具等行业，铝合金的应用迅速增长，为提高铝合金制件的表面质量和外观，常需进行抛光处理。但对于含硅量较高的铝—硅合金铸件难于化学抛光，并且普通机械抛光也难于抛光内外型面复杂的零件，因此，针对含硅量为9.15%的铝—硅合金制品，可采用一种新型抛光工艺—螺旋振动抛光进行抛光处理，利用其螺旋翻滚和振动，使零件与磨料互研，从而提高零件表面光亮度，并降低表面粗糙度。
螺旋振动光饰机适用于金属、有色金属和非金属制成的各种零件的去毛刺、去锈、倒圆和光亮抛光，特别适用于腔形复杂的铝合金零件的表面光整加工。广泛应用于汽车、摩托车、自行车、发动机、压缩机、内燃机、纺织机械、铝型材、锌铝铸件、非金属铸件、不锈钢精密铸件、缝纫机、磁性材料、工艺装饰品等行业。
1 螺旋振动抛光与其他光饰工艺效果对比
1.1 试验工艺
取相同加工条件、同一批次的铝—硅合金试样(15 mm×15 mm×60 mm)，分别按照以下3种光饰工艺对试样进行抛光。
（1）普通机械抛光：采用抛光织物为金丝绒、抛光材料为M2.5研磨膏，在P-2型双盘金相抛光机上，设定转速为1350 r/min，手工磨光制品表面。
（2）螺旋振动抛光：在PLZG100型螺旋光饰机中投入一定比例的钢珠(φ3mm)、试样、抛光液，电机转速1430 r/min，螺旋振动抛光35 min。
（3）化学抛光：在由质量比为77.5：15.5：6：0.5的磷酸、硫酸、硝酸和硼酸这4种无机酸组成的化学抛光液中进行抛光，抛光温度设为100℃，抛光时间1~4 min。
1.2 上述3种抛光工艺的抛光效果比较
表1是按上述试验工艺(1.1）3种抛光工艺对铝—硅合金制品抛光效果的比较。其中试样1#，2#采用机械抛光，试样3#，4#采用螺旋振动抛光，试样5#，6#采用化学抛光。铝—硅合金试样在抛光后的失重率由抛光前后称重的重量差确定。
表1 3种抛光方式对铝—硅合金制品抛光效果的比较
从表1可知：普通机械抛光适合于较平整的外表面的抛光，抛光后的外观效果是3种抛光方式中最好的。但是，机械抛光的失重率是3种抛光方式中最高的，在实际的大批量生产中对于原料的浪费是很大的；且机械抛光还易在制品表面留下划痕，影响最终制品的外观；更为重要的是，机械抛光方式只能逐个进行，属于间歇式操作，操作强度大，生产效率低，极大地限制了其在实际生产中的应用。
化学抛光不受制品形状的影响，对纯铝和含硅量低于1%的铝—硅合金抛光性能好，但是针对本试验中所使用的含硅量较高的铝—硅合金，抛光后，表面产生的硅灰很大程度上降低了制品的光亮程度，而且容易出现过度腐蚀，在制品表面留下麻点，影响最终制品的外观，同时化学抛光液对环境会造成较大污染，不利于环保。
螺旋振动抛光不仅可以抛光形状复杂制品的内外表面，而且可以对含硅量较高的铝合金制品进行抛光处理，其失重率可忽略不计，也不会产生麻点或划痕，同时所使用的抛光液主要由无毒、无害的表面活性剂及助剂等组成，有利于环保。螺旋振动抛光生产效率较高，适合批量生产。
2 螺旋振动抛光工艺
2.1 抛光液的组成
抛光液是由多种化合物配制而成的溶液，它在抛光中起到很重要的作用，主要是清洗表面，起到清洗制品与磨料的作用；并能软化制品表面，以加速磨料的抛光作用，并减少磨料对制品的冲击。合理使用抛光液和适宜的添加量，能使加工出的制品表面光亮美观，色泽鲜艳，还可防止表面锈蚀，保持与提高制品表面的金属光泽。
试验中所用的抛光液是我们自行研制的，主要由清洗剂、发泡剂、防锈剂、光亮剂等组分组成。清洗剂中含有叔酰胺类表面活性剂，其分子结构中有一个酰胺键，具有较大的极性，加上分子中存在醇羧基，因此对铝—硅合金制品有较大的亲和力及润湿性。发泡剂的主要成分是三乙醇胺油酸皂阴离子表面活性剂，具有很好的起泡性能和净洗作用。防锈剂是由高模数的水玻璃和三乙醇胺组成的复合体系，对锌-硅合金制品具有良好的防锈效果。加入的光亮剂BN-1可使制品表面光亮均匀。
2.2 抛光工艺的确定
影响螺旋振动抛光质量的因素主要是抛光工艺和抛光液。一般都是根据加工零件的形状、大小、材质、研磨目的和加工数量来确定磨料材质、形状、大小和其加入量，确定抛光液的浓度（即抛光液+水）和加入量，确定抛光时间等工艺参数。对于铝—硅合金制品的抛光，还需作抛光前处理，即用浓硝酸和氢氟酸组成的混和酸进行酸洗。前处理后的工件呈现均匀的灰白色。抛光后的钢珠磨料，还需用NaNO2溶液保护，以防止钢珠生锈。
3 抛光液性能的对比试验
3.1 试验工件
采用EAGLE ⅢⅩ射线荧光探针(XRF)对生产厂家提供的压铸铝—硅合金咖啡壶制品进行了化学元素分析，如图1所示。结果表明，铝—硅合金制品中主要含Al（85.03%），Si(9.15%)，此外还含有少量的Mg，Cu，Zn，Mn，Fe，Cr，P，S等。
用AFO-LI型接触与非接触两用轮廓测量仪测量咖啡壶制品抛光前的表面粗糙度Ra=0.93μm，如图2所示。
化学抛光不受制品形状的影响，对纯铝和含硅量低于1%的铝—硅合金抛光性能好，但是针对本试验中所使用的含硅量较高的铝—硅合金，抛光后，表面产生的硅灰很大程度上降低了制品的光亮程度，而且容易出现过度腐蚀，在制品表面留下麻点，影响最终制品的外观，同时化学抛光液对环境会造成较大污染，不利于环保。
螺旋振动抛光不仅可以抛光形状复杂制品的内外表面，而且可以对含硅量较高的铝合金制品进行抛光处理，其失重率可忽略不计，也不会产生麻点或划痕，同时所使用的抛光液主要由无毒、无害的表面活性剂及助剂等组成，有利于环保。螺旋振动抛光生产效率较高，适合批量生产。
2 螺旋振动抛光工艺
2.1 抛光液的组成
抛光液是由多种化合物配制而成的溶液，它在抛光中起到很重要的作用，主要是清洗表面，起到清洗制品与磨料的作用；并能软化制品表面，以加速磨料的抛光作用，并减少磨料对制品的冲击。合理使用抛光液和适宜的添加量，能使加工出的制品表面光亮美观，色泽鲜艳，还可防止表面锈蚀，保持与提高制品表面的金属光泽。
试验中所用的抛光液是我们自行研制的，主要由清洗剂、发泡剂、防锈剂、光亮剂等组分组成。清洗剂中含有叔酰胺类表面活性剂，其分子结构中有一个酰胺键，具有较大的极性，加上分子中存在醇羧基，因此对铝—硅合金制品有较大的亲和力及润湿性。发泡剂的主要成分是三乙醇胺油酸皂阴离子表面活性剂，具有很好的起泡性能和净洗作用。防锈剂是由高模数的水玻璃和三乙醇胺组成的复合体系，对锌-硅合金制品具有良好的防锈效果。加入的光亮剂BN-1可使制品表面光亮均匀。
2.2 抛光工艺的确定
影响螺旋振动抛光质量的因素主要是抛光工艺和抛光液。一般都是根据加工零件的形状、大小、材质、研磨目的和加工数量来确定磨料材质、形状、大小和其加入量，确定抛光液的浓度（即抛光液+水）和加入量，确定抛光时间等工艺参数。对于铝—硅合金制品的抛光，还需作抛光前处理，即用浓硝酸和氢氟酸组成的混和酸进行酸洗。前处理后的工件呈现均匀的灰白色。抛光后的钢珠磨料，还需用NaNO2溶液保护，以防止钢珠生锈。
3 抛光液性能的对比试验
3.1 试验工件
采用EAGLE ⅢⅩ射线荧光探针(XRF)对生产厂家提供的压铸铝—硅合金咖啡壶制品进行了化学元素分析，如图1所示。结果表明，铝—硅合金制品中主要含Al（85.03%），Si(9.15%)，此外还含有少量的Mg，Cu，Zn，Mn，Fe，Cr，P，S等。
用AFO-LI型接触与非接触两用轮廓测量仪测量咖啡壶制品抛光前的表面粗糙度Ra=0.93μm，如图2所示。
3.2 试验条件
采用质量比为3：1的浓硝酸、氢氟酸组成的混合酸，酸洗15 s，以去除铝—硅合金制品试样表面的油污，并使试样表面发白，接着用大量的蒸馏水冲洗试样表面，以除去残留酸液，再将试样在室温条件下自然晾干。
然后在PLZG100型螺旋抛光机里投入一定量的钢珠，并放入试样。试样的投放量与钢球的质量比为1：8。待振动3 min后加入抛光液和蒸馏水，蒸馏水取PLZG100型螺旋抛光机容器容积的3%，抛光液加入量根据蒸馏水的加入量而定，每升蒸馏水加入抛光液10～15 g，设定电机转速1430 r/min，螺旋振动抛光35 min，取出制品，用蒸馏水清洗后，在80℃的烘箱中烘15 min，即完成整个工艺过程。
3.3 试验结果
试验选用上述螺旋振动抛光工艺，分别使用自制抛光液PPG-1，PPG-2，PPG-3，日本产同类抛光液商品JPP型及国内某同类抛光液商品ZJP型对铝—硅合金制品进行抛光对比试验，结果如表2所示。
表2 不同抛光液光亮性比较
螺旋振动抛光过程中，抛光液的增亮作用是十分明显的，并且这种增亮作用只是在由制品、钢珠和抛光液组成的振动体系中才能得以体现，如果脱离了这一体系，抛光液便无法发挥其增亮作用。从试验结果可以看出，我们研制的抛光液的抛光效果要好于ZJP型抛光液，与JPP型抛光液接近。
试验选用的ZJP型抛光液是国内市场上最为常见的商品，该商品的优点是价格低廉，缺点是抛光效果一般，与国外的商品存在较大差距；而日本的JPP型抛光液是目前市场上的高端商品，代表了抛光液的较高水平，抛光效果好，但缺点是价格大大高于国内的抛光液。自行研制的抛光液，配合螺旋抛光工艺，能达到JPP型抛光液的效果，但是成本上远低于JPP型抛光液，具有一定的市场前景。
从表2中还可看出，使用性能好的抛光液抛光后的制品，光亮度高，粗糙度也低。这是由于在抛光过程中，一方面表面光滑的钢珠借助振动槽高频低幅的振动获得能量后撞击制品表面，使其产生微观塑性变形，从而降低表面粗糙度。另一方面，抛光液对铝—硅合金制品的较大亲和力使得在表面形成一层保护膜来缓冲由于转筒的转动，制品与研磨介质之间的撞击摩擦；并且抛光液在制品表面形成的保护膜不是一成不变的，而是在运动中的动平衡。黏性液体与制品之间的滑动而产生滑动摩擦，这种摩擦更均匀，更细致，制品可达到较低的粗糙度和较好的光亮性。
制品的表面抛光不仅是为了美观，还更注重制品表面的耐腐蚀性、耐磨性。因为经过抛光的制品，表面晶体结构更加细密，能够提高材料表面对环境的耐受能力。有学者曾利用扫描电子显微镜，观察试件滚磨加工前后表面形貌。发现在抛光前，表面形貌可辨出表面纹理，并且表面起伏明显；抛光后表面形貌细化。这说明该抛光工艺确实可以细化表面形貌，有利于提高制品表面质量。
4 结语
（1）螺旋振动抛光工艺既克服了普通机械抛光不宜对形状复杂制品进行抛光的限制，也解决了铝—硅合金制品难于化学抛光的缺陷；
（2）实验室自行研制的抛光液性能高于国内同类商品的水平，接近日本进口商品水平，而价格上更具优势，具有较好的市场前景。
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