紀(jì)剛強(qiáng)，孫桓五，段海棟，楊冬亮

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.煤炭資源開(kāi)采利用與裝備工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太原 030024；3.太原工業(yè)學(xué)院工程訓(xùn)練中心，山西 太原 030008）

1 引言

304奧氏體不銹鋼因其優(yōu)異的延展性、耐腐蝕性、耐疲勞性、良好的綜合力學(xué)性能和低廉的成本被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、食品加工生產(chǎn)、石油化工、建筑、汽車(chē)生產(chǎn)、航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域[1]。但是304不銹鋼表面硬度較低、抗晶界腐蝕能力差、承載力能力差，在實(shí)際使用過(guò)程中易發(fā)生磨損而導(dǎo)致工件失效[2-3]。為了提高304不銹鋼的性能，需要對(duì)其進(jìn)行特定的處理來(lái)改善其表面質(zhì)量。不銹鋼零件在表面改性或直接使用前進(jìn)行拋光是非常必要的，不僅可以降低表面粗糙度、增加腐蝕或耐磨性、提高零件的使用壽命，還可以對(duì)涂裝表面進(jìn)行預(yù)處理以達(dá)到更好的效果[4]。在工業(yè)上，常用的奧氏體不銹鋼拋光方法根據(jù)其對(duì)表面的作用機(jī)理可以分為：機(jī)械拋光[5]、物理拋光（離子束、超聲波和激光）[6-7]、化學(xué)和電化學(xué)拋光[8]。然而，這些拋光方法都或多或少有一些無(wú)法解決的缺點(diǎn)。

例如，機(jī)械拋光難以對(duì)形狀復(fù)雜的異形件進(jìn)行加工，并且有產(chǎn)生微裂紋或亞表面損傷等缺陷的可能。物理方法因?yàn)樾枰嘿F的電氣和自動(dòng)化控制設(shè)備而成本偏高。與機(jī)械法相比，化學(xué)和電化學(xué)拋光方法工人勞動(dòng)強(qiáng)度小，但缺點(diǎn)更加明顯，通常使用以強(qiáng)酸為主的多組分高毒性溶液作為拋光液，不僅會(huì)造成環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕，同時(shí)拋光液消耗量巨大且難以處理。

電解質(zhì)等離子體拋光（Electrolytic Plasma Polishing，EPP）是電解質(zhì)等離子體技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用，是一種新型的非傳統(tǒng)拋光工藝[9-10]。電解質(zhì)等離子體拋光具有傳統(tǒng)拋光方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，包括：加工速度較快、表明質(zhì)量高、采用無(wú)腐蝕性無(wú)毒性的無(wú)機(jī)鹽溶液作為電解液、可加工形狀復(fù)雜的零件等，是一種高效、精密、“綠色”的加工方法[11-12]。

而針對(duì)不銹鋼的電解質(zhì)等離子體拋光的研究也有許多，包括：拋光機(jī)理、電化學(xué)溶解的作用、連續(xù)蒸汽氣層（Vapor Gaseous Envelope，VGE）的放電作用、工藝參數(shù)（電壓、電流密度、電解液成分、處理時(shí)間、溫度、初始表面粗糙度、形狀和尺寸的工件）對(duì)表面粗糙度、材料去除率和拋光后表面性能的影響[13-15]。文獻(xiàn)[16]用電解質(zhì)等離子體拋光工藝對(duì)316Ti 不銹鋼拋光5min 后，粗糙度Ra從1.69μm降至0.78μm，光澤度從8.8GU提高到201.7GU，材料去除率達(dá)到了2.06μm∕min。文獻(xiàn)[17]提出了一種被廣泛接受的材料去除機(jī)理，穩(wěn)定VGE的出現(xiàn)是EPP的標(biāo)志，在一定區(qū)域內(nèi)的凸起部分電場(chǎng)強(qiáng)度較大，會(huì)優(yōu)先形成連續(xù)的VGE，而電解質(zhì)從沸騰的電解液中釋放出的陰離子在電場(chǎng)存在的情況下攜帶電流，VGE（水蒸氣、電解質(zhì)的揮發(fā)性成分和陽(yáng)極的原子化金屬）中的離子和電子是在介電電離過(guò)程中放電而形成的。在這種情況下，材料的去除是陽(yáng)極與電子、VGE中的離子在電化學(xué)和帶電粒子的相互耦合作用下的結(jié)果。

其中用于電化學(xué)作用的電流效率約占30%，并且低強(qiáng)度的VGE放電不會(huì)對(duì)材料表面造成損傷。文獻(xiàn)[18]采用低濃度的硫酸銨溶液作為304不銹鋼EPP 的電解液，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨著硫酸銨濃度的增加而降低，但是濃度高于10wt%粗糙度反而會(huì)增大。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為VGE 的穩(wěn)定性是由電解液的溫度決定的，70℃以下或90℃以上均不利于EPP的進(jìn)行。此外，材料表面初始粗糙度值越低，經(jīng)過(guò)EPP 處理后所能達(dá)到的表面粗糙度值也越低。

綜上所述，不銹鋼的電解質(zhì)等離子體拋光有更高的加工效率和更低的表面粗糙度。EPP處理不銹鋼適用的工藝參數(shù)為:電壓（200～420）V，電解液主要是濃度不高于10wt%的硫酸銨溶液，溫度（70～90）℃，拋光時(shí)間不超過(guò)20min，這些研究都有利于EPP的進(jìn)一步發(fā)展，為提高EPP在工業(yè)上的應(yīng)用提供指導(dǎo)。然而，目前針對(duì)不銹鋼EPP的研究主要集中于粗糙度、材料去除率、工藝參數(shù)等方面的研究，普遍認(rèn)為材料的去除是通過(guò)電流作用下的VGE、等離子態(tài)的陰離子與金屬表面或氧化膜的短暫接觸，在電化學(xué)和微放電的作用下實(shí)現(xiàn)的。

目前尚缺乏材料本身（表面織構(gòu)、殘余應(yīng)力、顯微組織、熱處理工藝等）對(duì)EPP的影響研究。主要研究了退火溫度對(duì)電解質(zhì)等離子體拋光304不銹鋼表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，對(duì)304不銹鋼進(jìn)行不同溫度下的真空退火處理，得到了不同表面狀態(tài)的初始樣品，并對(duì)拋光前后試樣的粗糙度、表面形貌、殘余應(yīng)力和物相變化進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)樣品選用1.5mm厚的冷軋304不銹鋼板，其化學(xué)元素組成，如表1所示。

表1 304不銹鋼樣品元素組成含量Tab.1 Elemental Composition of 304 Stainless Steel

將樣品用激光切割機(jī)加工至（20×15）mm大小，樣品一端鉆直徑2.5mm 的孔。切割好的樣品依次用240#、600#、800#和1000#的SiC砂紙?jiān)诮鹣嗄仚C(jī)上打磨，以去除表面氧化層并獲得相對(duì)一致的表面，然后在丙酮溶液中超聲清洗10min，用去離子水沖洗幾遍并在烘箱中干燥。

為了減小偶然因素和測(cè)量造成的誤差，預(yù)處理的每一個(gè)樣品都在不同位置測(cè)量7 個(gè)粗糙度值，并將平均值作為該預(yù)處理樣品的粗糙度，將3 個(gè)粗糙度值最接近的樣品編為一組，共取5組。將其中4 個(gè)組的樣品在真空退火爐中以5℃∕min 的升溫速度分別在300℃、500、℃700℃、1050℃下保溫1h，并隨爐冷卻，留取1組未處理作為對(duì)照樣品。

2.2 電解質(zhì)等離子體拋光實(shí)驗(yàn)

電解等離子拋光原理示意圖，如圖1所示。

圖1 電解質(zhì)等離子體拋光示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electrolytic Plasma Polishing

經(jīng)過(guò)前期的工藝參數(shù)優(yōu)化同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)[16-18]，發(fā)現(xiàn)304不銹鋼在以下條件下加工效果最佳，如表2所示。因此，選擇該工藝參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)條件。拋光結(jié)束后，用無(wú)水乙醇和去離子水依次沖洗數(shù)次，去除表面殘余的電解液，然后干燥密封保存。

表2 EPP工藝參數(shù)表Tab.2 The Process Parameters of EPP

2.3 測(cè)試與表征

通過(guò)X射線應(yīng)力分析儀（Proto iXRD，加拿大）測(cè)試加工前后樣品表面殘余應(yīng)力值，每個(gè)樣品在間隔相等的不同位置處測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，并取平均值。用粗糙度測(cè)量?jī)x（Mahr M400，德國(guó)）測(cè)試樣品的粗糙度（Ra）值，每個(gè)試樣分別選取不同的位置測(cè)量7次，取平均值。試樣表面形貌通過(guò)超景深光學(xué)顯微鏡（Leica DM6M，德國(guó)）在統(tǒng)一放大倍數(shù)下觀察得到。通過(guò)X射線衍射儀（Smartlab 9kW，日本）表征試樣表面物相和組織變化。材料去除率通過(guò)以下公式計(jì)算得出：

式中：Δm—拋光前后樣品的質(zhì)量變化，用精度為0.1mg的精密電子天平（上海浦春FA2004，中國(guó)）測(cè)量并計(jì)算求出；ρ—樣品密度7.93g∕cm3；A—樣品表面積；t—加工時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

3.1 粗糙度與材料去除率分析

EPP 能有效降低試樣表面的粗糙度。不同退火溫度下的304不銹鋼樣品EPP處理前后的粗糙度值Ra，如圖2所示。

圖2 試樣EPP前后的粗糙度Ra值Fig.2 Ra of Samples Before and After EPP

不同退火溫度處理后樣品的初始粗糙度Ra分別是：101nm、106nm、109nm、105nm、121nm，經(jīng)過(guò)EPP處理后粗糙度Ra明顯降低，分別達(dá)到了：48nm、46nm、47nm、47nm、63nm，且粗糙度值的降低幅度基本一致，此外還可以看出初始的粗糙度值越低EPP處理后的粗糙度值也越低。且粗糙度值的降低幅度基本一致，初始的粗糙度值越低EPP處理后的粗糙度值也越低，這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果是一致的。不同退火溫度下的304不銹鋼樣品EPP的材料去除率，如圖3所示。

圖3 不同退火溫度下樣品的MRRFig.3 MRR of Samples with Different Annealing Temperature

隨著退火溫度升高材料去除率有緩慢的下降趨勢(shì)，分別為1.154μm∕min、1.134μm∕min、1.128μm∕min、1.125μm∕min、1.122μm∕min。退火溫度對(duì)304不銹鋼EPP處理后粗糙度影響不大，但是隨著退火溫度的升高材料去除率有逐漸降低的趨勢(shì)。

3.2 表面形貌分析

不同退火溫度下的304不銹鋼樣品電解質(zhì)等離子體拋光前后表面高倍顯微圖像，如圖4所示。其中，拋光前的顯微圖像，如圖4（a）～圖4（e）所示；拋光后的顯微圖像，如圖4（f）～圖4（j）所示。

圖4 不同退火溫度下試樣EPP前后的表面顯微圖像Fig.4 Surface Micrographs of Samples with Different Annealing Temperature Before and After EPP

可以看到經(jīng)過(guò)退火處理的樣品表面形貌與未處理的樣品基本一致沒(méi)有明顯變化，可以清楚地看到表面“犁溝狀”形貌，這是由于預(yù)處理過(guò)程中用砂紙打磨留下的機(jī)械劃痕，經(jīng)過(guò)EPP處理后表面打磨留下的痕跡基本都被去除了，表面更加均勻光滑，并且可以清楚看到金相和晶界結(jié)構(gòu)。拋光前后的三維形貌圖，如圖5、圖6所示。可以看出拋光后的樣品表面比拋光前顏色變化更加均勻，說(shuō)明表面更加趨于平坦，這與粗糙度的測(cè)試結(jié)果是一致的。

圖5 EPP前的三維形貌圖Fig.5 Surface 3D Topography of the Samples Before EPP

圖6 EPP后的三維形貌圖Fig.6 Surface 3D Topography of the Samples After EPP

3.3 表面殘余應(yīng)力分析

退火處理能有效改變工件的殘余應(yīng)力分布。不同退火溫度下的304不銹鋼樣品EPP 前后殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，如圖7所示?？梢钥吹?，試樣的殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，初始樣品殘余應(yīng)力為-441.8MPa，隨著退火溫度的升高，殘余應(yīng)力逐漸減小，溫度從300℃升高到500 ℃的過(guò)程中殘余應(yīng)力變化不大，從-284.89MPa降到了-254.61MPa，但到了500℃以后殘余應(yīng)力下降速率變快，700 ℃時(shí)殘余應(yīng)力減小至-101.02MPa，1050℃退火處理后殘余應(yīng)力降至-37.83MPa。

圖7 不同退火溫度下的試樣EPP前后的殘余應(yīng)力Fig.7 The Residual Stress of Samples Before and After Epp at Different Annealing Temperature

經(jīng)過(guò)EPP處理后試樣表面殘余應(yīng)力都發(fā)生了進(jìn)一步松弛的現(xiàn)象，可以看到隨著退火溫度的升高，EPP拋光后樣品殘余應(yīng)力的松弛程度依次減小，殘余應(yīng)力值分別降低至-243.5MPa、-161.4MPa、-153.5MPa、-59.05MPa、-11.19MPa。

3.4 物相與組織分析

拋光前后樣品的XRD圖譜，如圖8所示。從圖8（a）中可知，拋光前304不銹鋼樣品主要是奧氏體組織和鐵素體組織，試樣在衍射角43°、50°、74°附近出現(xiàn)的衍射峰是奧氏體（JCPDS：33-0397）特征峰（1 1 1），（2 0 0）和（2 2 0），在衍射角44°、64°、81°附近的衍射峰是鐵素體（JCPDS：85-1410）特征峰（1 1 0），（2 0 0）和（2 1 1），鐵素體的出現(xiàn)可能是樣品在激光切割過(guò)程中由于高溫形成的。隨著退火溫度的升高，奧氏體的含量逐漸增加鐵素含量逐漸減少，這與圖中奧氏體衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)而鐵素體衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱相吻合。

圖8 試樣的XRD圖譜Fig.8 XRD Patterns of Samples

此外，還可以看到隨著退火溫度的升高，衍射峰對(duì)應(yīng)的角度也發(fā)生了偏移，這是因?yàn)殡S著溫度升高樣品的殘余應(yīng)力逐漸減小，對(duì)應(yīng)晶格的衍射角增大，這與殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果是一致的。從圖8（b）中可知，試樣在經(jīng)過(guò)EPP處理后鐵素體特征峰（1 1 0），（2 0 0）和（2 1 1）的衍射強(qiáng)度大幅度降低，而奧氏體特征峰（2 0 0）和（2 2 0）的衍射強(qiáng)度都得到了大幅度的增強(qiáng)，從圖4金相顯微圖中可以看出拋光后的樣品是典型奧氏體相，其中夾雜著極少量的針狀鐵素體。除此之外，所有衍射峰對(duì)應(yīng)的角度都發(fā)生了進(jìn)一步的偏移，說(shuō)明EPP是殘余應(yīng)力松弛的過(guò)程。

3.5 影響機(jī)理分析

304不銹鋼的電解質(zhì)等離子體拋光是在連續(xù)蒸汽氣層包覆下的帶電粒子、等離子體和陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)耦合作用下的復(fù)雜過(guò)程。在通電條件下，陽(yáng)極工件局部凸起部分優(yōu)先形成連續(xù)蒸汽氣層，并在極短的時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)大并破裂，在破裂的瞬間巨大的電壓降會(huì)在局部區(qū)域形成超高壓電場(chǎng)并形成等離子體通道，同時(shí)電解液會(huì)與工件短暫的接觸并發(fā)生陽(yáng)極氧化反應(yīng)，此時(shí)凸起部分在高能帶電粒子的轟擊、等離子體效應(yīng)和電化學(xué)溶解的耦合作用下被優(yōu)先去除，從而降低了表面粗糙度。

并且，工件表面在歐姆熱效應(yīng)、氣泡破裂的空化效應(yīng)和等離子態(tài)帶電粒子的轟擊效應(yīng)的交變能量作用下發(fā)生了組織和晶型的轉(zhuǎn)變，鐵素體在得到更高的能量后由亞穩(wěn)態(tài)向更加穩(wěn)定的奧氏體形態(tài)轉(zhuǎn)變，奧氏體中的{1 1 1}晶型向高能態(tài)的{2 0 0}和{2 2 0}轉(zhuǎn)變，在拋光過(guò)程中樣品溫度升高和晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變的過(guò)程中材料表面交替發(fā)生局部塑性變形和馳豫過(guò)程，從而使殘余應(yīng)力不斷松弛。

4 結(jié)論

電解質(zhì)等離子體拋光能有效降低304不銹鋼的表面粗糙度，使表面平整并達(dá)到鏡面效果，在退火溫度為500 ℃時(shí)粗糙度Ra的降幅最大，達(dá)到了56.9%。退火溫度對(duì)電解質(zhì)等離子體拋光304不銹鋼樣品的材料去除率有一定的影響，退火溫度越高材料去除率越低，但這種影響十分有限。對(duì)不同退火溫度下的304不銹鋼樣品進(jìn)行電解質(zhì)等離子體拋光，殘余應(yīng)力都能明顯降低，退火溫度越高，降幅越小，而未經(jīng)過(guò)退火的樣品殘余應(yīng)力降幅達(dá)到了44.9%。電解質(zhì)等離子體拋光能使304 不銹鋼樣品的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出明顯的晶體取向分布，{2 0 0}晶型和{2 2 0}晶型含量增加。