铝化学抛光方法范文

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篇1

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.213

1 引言

蓝宝石（α-Al2O3）晶体因其具有硬度高（莫氏9级）、熔点高（2045℃）、透光性好、热稳定性好、化学性质稳定等优良特性，在国防、航空航天、工业以及生活等领域中得到广泛应用[1]。在蓝宝石晶体的这些应用中都需要对其表面进行精密和超精密加工，尤其在蓝宝石衬底片上生长GaN时，更是要求蓝宝石衬底表面达到超光滑、无损伤的程度[2-4]，但由于蓝宝石的硬度仅次于金刚石，研磨、抛光加工非常困难，加工时间长，加工效率低。蓝宝石晶体为典型的脆硬材料，传统加工方法主要是采用游离磨料进行研磨和抛光，以机械方式去除材料，在加工过程中容易造成表面刮痕和亚表面损伤层，而这些表面和亚表面的损伤将会严重影响蓝宝石零件的使用性能，如作为蓝宝石光学零件的时，损伤层则会影响其光学特性，又如作为LED衬底片时，损伤层则会严重影响氮化镓膜的生长，从而影响LED灯的发光率和使用寿命[5-6]。为了满足对蓝宝石晶体应用发展的要求，获得高平整、超光滑、无损伤的表面，有必要对蓝宝石的机械化学加工进行研究，以实现蓝宝石晶片的超精密加工。

蓝宝石固相反应加工是一种能够实现蓝宝石高效精密加工的机械化学加工方法，主要是利用加工过程中蓝宝石与软磨料间的摩擦作用使得接触区域温度逐渐升高，在温度和压力的耦合作用下，蓝宝石和软磨料在接触区发生固相反应，生成一层松软的反应层，然后由软磨料以机械的方式去除[7]。作为一种高效精密的蓝宝石加工方法，近十多年来受到了广泛关注，大量学者进行了深入研究，本文将对蓝宝石晶体固相反应加工机理、加工效果及反应产物的检测等进行分析与总结。

2 蓝宝石固相反应加工机理分析

2.1 蓝宝石固相反应原理

2.1.1 蓝宝石与二氧化硅（SiO2）的固相反应

蓝宝石与SiO2发生固相反应的条件是接触表面温度达到372～561k[8]，压强达到32kpa，其反应产物为富铝红柱石（也称为莫来石），反应方程如式（1）所示：

Deng等人[5]用SiO2为磨料对蓝宝石晶片进行机械化学研磨抛光，实验结果表明，蓝宝石与SiO2磨粒发生了固相反应，并且获得了较好的表面加工质量，表面粗糙度Ra 达到6nm。邢星等人[6]研究以SiO2为磨料的蓝宝石化学机械抛光，分析了抛光过程中SiO2与蓝宝石固相反应的作用机制，实验结果表明，在抛光过程中蓝宝石与SiO2颗粒表面发生了固相反应，生成了硬度较小的硅铝酸盐。

2.1.2 蓝宝石与氧化镁（MgO）的固相反应

蓝宝石与MgO发生固相反应的条件是接触表面温度达到375K[11]，压强达到27.5kPa，其固相反应产物为尖晶石，反应方程如式（2）所示：

王军[7]用自制MgO磨料磨盘对蓝宝石晶片进行了磨抛实验发现，蓝宝石与MgO发生了固相化学反应，蓝宝石的材料去除率达到12μm/h，表面粗糙度Ra 为2nm。臧江龙[8]采用MgO磨料对蓝宝石晶片进行研磨发现，在研磨过程中蓝宝石与MgO发生了固相反应，能够实现13.2μm/h的蓝宝石材料去除率，且表面粗糙度Ra 达到lnm以下。

2.1.3 蓝宝石与氧化铁（Fe2O3）的固相反应

蓝宝石与Fe2O3发生固相反应的条件是接触表面温度达到340K[13]，压强达到25.4kPa，其固相反应的产物为铝铁固溶体，反应方程如式（3）所示：

程国良[9]用自制Fe2O3磨盘对蓝宝石晶片进行抛光，实验结果表明，在抛光过程中蓝宝石与氧化铁发生了固相反应，蓝宝石的材料去除率可达到4.2μm/h，表面粗糙度Ra 能够达到3.52nm。Zhang[14]等人用自制的含Fe2O3的软磨料砂轮在专用磨床上进行蓝宝石晶片的磨削实验，结果表明，在磨削过程中蓝宝石与氧化铁发生了固相反应，最终能获得无亚表面损伤的蓝宝石基片。

2.1.4 蓝宝石与氧化铈（CeO2 ）的固相反应

蓝宝石与CeO2 发生固相反应的条件是接触表面温度达到643k[15]，压强达到30.4kpa，其反应产物为铈铝复合氧化物，反应方程如式（4）所示：

赵云鹤等人[10]采用添加氧化铈的磨料对蓝宝石晶片进行抛光发现，在抛光过程中蓝宝石与氧化铈发生固了相反应，材料去除率达到8.7μm/h，表面粗糙度值Ra为0.567nm。Li等人[17]采用氧化铈磨料对光学玻璃和蓝宝石晶片进行抛光，实验结果表明在抛光过程中蓝宝石与氧化铈发生了固相反应，能够获得表面粗糙度值Ra为0.5nm的光滑表面。

2.1.5 蓝宝石与混合物的固相反应

{宝石与混合磨料（SiO2/ZnO/CeO2等）发生固相反应的条件是接触表面温度达到473k[18]，压力20.8kpa，反应过程如（5）所示：

4A12O3+2SiO2+ZnO----3A12O3.2SiO2+ZnO.A12O3 （5）

白林山等人[12]将制备的复合磨料用于蓝宝石晶片抛光，实验表明，抛光过程中蓝宝石与混合物发生了复杂的固相反应，复合磨料抛光的材料去除率为0.984μm/h，表面粗糙度值Ra为0.32nm。于江勇等人[20]分析了混合磨料（SiO2/A12O3）在蓝宝石晶片化学机械抛光（CMP）过程中的作用机理，研究结果显示，在主磨料SiO2中加入同粒径的A12O3可以使CMP过程中的机械与化学作用达到相互平衡，在抛光过程中蓝宝石与混合物发生了固相反应，最终蓝宝石表面粗糙度值Ra为0.236nm。

2.2 蓝宝石固相反应加工过程

蓝宝石固相反应加工过程实际上是蓝宝石与软磨料发生固相反应的机械化学研磨/抛光的过程，主要可分为四个阶段，如图1所示，分别为：（I）机械接触阶段：由于磨盘的转动，软磨料与蓝宝石基片表面在一定的压力作用下开始接触；（II）钝化层预生成阶段：磨盘表面磨料的微突起与蓝宝石基片表面接触，由于相对运动所产生的摩擦作用，接触局部会产生较高的温度和较大的压力；（Ⅲ）固相化学反应阶段：在热量和压力的耦合作用下，蓝宝石基片表面和磨料微突起部分发生固相反应，在蓝宝石基片表面突起或者微观高点处生成一层极薄的钝化层，钝化层的硬度远低于蓝宝石基片的硬度；（Ⅳ）反应层去除阶段：生成的钝化层由于较软，很容易被软磨料去除。在蓝宝石固相反应加工过程中，软磨料与蓝宝石基片表面接触不断产生新的钝化层，与此同时钝化层又不停地被磨料去除形成新的表面，如此往复，便可实现蓝宝石基片表面的超光滑无损伤加工。

2.3 蓝宝石固相反应的影响因素

蓝宝石固相反应是一个多因素耦合的过程，反应条件复杂，反应速度较为缓慢，反应过程不稳定。蓝宝石固相反应的过程涉及旧键断裂和新键形成、固相改变、能级跃迁等许多因素。因此对于固相反应来说，物质的组成结构、颗粒尺寸、温度、压强、催化剂等因素对固相反应有着重要的影响[13]。

2.3.1 反应物化学组成与结构的影响

反应物的化学组成对反应的活性有很大的影响，因为不同化学组成的物质的键能和相变能量不一样，所以反应活性有较大的差异。

SiO2、MgO、Fe2O3、CeO2这四种软磨料和蓝宝石发生固相化学反应的临界温度存在一定的差异，分别为372K、375K、340K、643K。这说明不同化学组成和结构的物质，发生固相反应的条件各不相同。

2.3.2 反应物颗粒尺寸的影响

颗粒尺寸可以改变反应界面的接触表面积，反应颗粒尺寸越小，单位质量反应颗粒数目越多，总的接触表面积越大，反应速度越快，同时可以获得更好的表面质量。但是反应物颗粒的尺寸会影响固相反应层的去除率，颗粒尺寸越小，反应层去除率越低。

周海等人[15]采用不同粒径（1nm、7nm和15nm）的SiO2磨粒对蓝宝石晶片进行抛光，结果显示，抛光速度随着粒径的增大而增加，而表面粗糙度也会随着粒径的增大而增大，综合分析，粒径在7nm时加工效果最好。

2.3.3 反应温度T和压强P的影响

温度是影响固相反应速率的重要条件，随着温度升高，质点热运动的动能增大，固相反应速度加快。对固相反应来说，压强P增大，可以缩短反应物颗粒间距离，增大接触面积，提高固相化学反应速率。同时，当压强增大时，磨粒与基片表面的摩擦力增大，摩擦所产生的热量增大，使得局部温度更高，也会增大固相反应速度。但是在实际加工中，温度和压强须控制在一个合理的范围内，因为压强和温度太大，不仅加工表面质量降低，而且还会造成蓝宝石基片破碎等严重后果。

高翔等人[16]在研究中采用Si02磨粒的抛光液对蓝宝石晶片进行抛光实验，结果表明，抛光压力增大，材料去除率增加，表面粗糙度则先减小后增大，当抛光压力为14KPa时加工效果最好，此时材料去除率达到4.8μm/h，表面粗糙度Ra达到0.2nm。

2.3.4 催化剂的影响

催化剂在反应过程中不与反应物或反应产物起化学反应，但是催化剂可以在反应过程中一定程度的降低反应所需的活化能，所以在某些反应中，催化剂可以用来加快反应的进程。

王娟等人[17]对Si02磨料抛光蓝宝石衬底片进行了研究，结果表明，在抛光液中加入适量催化剂可以获得较好的表面质量（Ra为0.3nm）和较高的材料去除速率（6.7μm/h）。

2.4 蓝宝石固相反应加工效果

蓝宝石是一种典型的硬脆性难加工材料，在蓝宝石晶片的传统磨抛加工中，加工效率较低，且容易产生加工损伤。如何提高加工效率、控制加工损伤，获得超光滑、无损伤的蓝宝石晶片，一直是蓝宝石晶片加工中存在的核心问题。而蓝宝石固相反应加工无论是加工效率还是加工质量相比传统加工都具有明显的优势。

2.4.1 加工效率

蓝宝石固相反应加工的原理是蓝宝石与软磨料发生固相反生成松软的反应层之后再利用机械作用去除。在加工过程中，蓝宝石与磨料发生固相反应的速率决定了蓝宝石的加工效率，而影响蓝宝石固相反应速率的因素较多，因此，可通过研究蓝宝石固相反应加工机理，控制蓝宝石固相反应条件，提高固相反应速度，从而实现蓝宝石晶片的高效抛光加工。一些学者的实验研究也表明蓝宝石固相反应加工相比传统的磨抛加工，其加工效率有较大的提高。如周兆忠等人[25]对比了机械抛光、发生固相反应的机械化学抛光、普通的化学机械抛光等现有的几种蓝宝石的超光滑表面加工方法的加工效率，发现发生固相反应的机械化学抛光的抛光速率较高，能达到3.1μm/h，普通的机械抛光的速率最低，只有1.3μm/h。

2.4.2 亚表面损伤

在蓝宝石晶片的传统磨抛加工中，由于蓝宝石的硬度高、脆性大，采用机械方式去除时很容易引起损伤，而蓝宝石固相反应加工是晶片和软磨料先发生固相反应，生成较软且易去除的反应层，后经过机械作用将反应层去除，而软磨料的硬度远远低于蓝宝石的硬度，加工过程不易造成表面和亚表面损伤。因此，可实现蓝宝石晶片的超光滑、低损伤加工。大量学者的实验研究也表明，采用固相反应加工蓝宝石可实现表面粗糙度约为纳米级的光滑表面。如Zhu等人用α- Al3O2和β- Al3O2为磨料进行抛光实验，测出的蓝宝石表面粗糙度Ra小于0.3nm，仅有轻微亚表面损伤。

3 结论

蓝宝石固相反应加工是一种能够实现蓝宝石晶片高效精密加工的有效方法，蓝宝石能够与SiO2、MgO、Fe2O3、CeO2及SiO2/ZnO/ CeO2的混合磨料等在一定的条件下发生固相反应，生产一种较软的反应层，再由机械作用去除。蓝宝石与软磨料的固相反应速率受磨料的物质组成结构，颗粒尺寸、温度、压强、催化剂等因素的影响。可采用EDS和XRD对固相反应产物进行检测，分析蓝宝石是否与软磨料发生了固相反应及固相反应的产物。

参考文献：

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[15]周海，姚绍峰. 蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程，2005，149（5）：28-31.

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球墨铸铁的硬度高，而铝硅合金的硬度较低，两者是实验室金相试样制备的典型金属材料。金相显微分析是研究材料内部组织的重要方法之一，试样制备的目的是为了展示材料的真实显微组织并使其得以准确观察、鉴定、记录和测量。众所周知，合金的成分、加工工艺等因素直接影响金属材料的内部组织结构的变化，用金相分析的方法来观察检验金属内部的组织结构是工业生产中的一种重要手段，材料测试和分析，试样制备是关键，笔者根据反复实验总结了球墨铸铁和铝硅合金两种试样制备过程中出现的问题、产生原因和解决技巧，以期为初学者提供帮助，其他金相检验工作者也可以借b。

1 金相试样的取样

从被检验材料或零部件上切取一定尺寸试样的过程称为取样。选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析极其重要的一步，包括选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。

1.1 试样的取样原则

取样部位应具有代表性，所取的试样能真实反映材料的组织特征，取样部位要根据金相分析的目的来取。试样截取的部位确定后，还需进一步明确选取哪一个截面作为金相试样的磨面，磨面一般分为横截面与纵截面，这两个截面研究的目的是不同的。

横截面主要研究：试样从中心到边缘组织分布的渐变情况，表面渗层、硬化层、镀层等表面处理的深度及组织，表面缺陷以及非金属夹杂物在横截面上的分布情况，即类型、形态、大小、数量和分布及等级等。

纵截面主要研究：非金属夹杂物在纵截面上的分布情况、大小、数量及形状，金属的变形程度，如有无带状组织存在等。

有时为了研究某种组织的立体形貌，在一个试样上选取两个互相垂直的磨面。对于裂纹、夹杂物的深度测量，往往也需要在另外一个垂直磨面上进行。

试样截取时的注意事项：

1）保证材料不发生任何组织变化。

2）尺寸大小要合适，易于磨制为宜。推荐尺寸球墨铸铁试样？准17×18，铝硅合金？准16×20。试样尺寸以磨面面积小于400mm2、高度15-20mm为宜。如果没有特殊要求，一般情况下要对试样进行倒角，以免在以后的制备过程中划破砂纸与抛光布。

3）截取试样时应注意保护试样的特殊表面，如热处理表面强化层、化学热处理渗层、热喷涂层及镀层、氧化脱碳层、裂纹区以及废品或失效零件上的损坏特征，不应因截取而造成损伤。

以上所述是取样的一般原则，对于一些常规检验的取样部位，有关的技术标准中都有明确的规定，必须严格执行。

1.2 试样的截取方法

试样的截取方法很多，常用的有：

1）电切割：电火花切割、线切割。

2）气切割（氧-乙炔火焰）。

3）机械切割：切割机、锯（手锯、锯床）、机床（车床、剪床、刨床）、敲击。具有一定硬度的材料如普通碳钢、普通合金钢、淬火处理后的材料用砂轮切割机或电火花切割。常用的切割方法是薄片水冷砂轮切割机，砂轮厚度在1.2-2.0mm，规格为？准250×1.5mm。砂轮片是由颗粒状碳化硅（或氧化铝）与树脂、橡胶粘合而成[1]。

2 试样的磨制

2.1 试样粗磨出现的问题

在砂轮机上磨制易出现试样烫手的情况，和表面变黑氧化现象。

产生原因：由于砂轮机的转速极快，在砂轮机上磨削容易产生大量的热，并且接触压力越大，产生的热量也越大，变形也越大，从而使试样表面过热，组织氧化且发生变形。

解决技巧：操作时手持试样前后用力要均匀，接触压力不可过大，待表面基本平整将试样由砂轮外圆移到砂轮侧面磨平，力度逐渐减小，以防过量发热及机械变形。磨制时要不断冷却试样，以保证试样的组织不因受热而发生变化。凡不作表面层金相检验的试样必须倒角。软材料（如铝硅合金）操作要用锉刀锉平，不能在砂轮机上平整，以免产生较大的粗磨痕与大的变形层。平整完毕后，必须将手和试样清洗干净，以防止粗大沙粒带入下一道工序，造成较深的磨痕[1]。

2.2 试样细磨出现的问题

1）球墨铸铁和铝硅合金在磨制过程磨面中有明显的磨痕不一致现象且出现多个面。

产生原因：在磨面上施加的压力应力不均衡或者磨制的姿势不规范。

解决技巧：单程向前推进，返程试样提离砂纸。随砂纸号换细，力度也逐渐减轻，与上道磨痕成90。推磨至其完全被覆盖。如出现多个面，可针对凸起的面加深力度推磨，随时观察，较易恢复成一个平面。

2）磨制过程中出现极少量不同方向的划痕。

产生原因：可能是上道砂纸上的大颗粒掉落到砂纸上，操作者的手上或磨面上粘有大颗粒带入到砂纸上，也有可能玻璃板不干净，上面有沙粒。所以在磨削过程中出现不同方向的划痕。

解决技巧：砂纸的叠放顺序为由细到粗，每次进入下道磨制时，都需将砂纸倾放掸去表面杂质，清洗或用纸巾轻抚手和试样。水磨会极大减少以上情况的产生。

3）铝硅合金在磨制过程中易出现大颗粒硅，导致大而深的划痕出现。

产生原因：铝硅合金质软，容易在磨削过程中因为产热而表面被氧化变黑。铝硅合金中的大颗粒硅在磨削过程中易脱离磨面，致使大而深的划痕出现，极大影响了效率。

解决技巧：磨制铝硅合金的力度要控制合适，边推磨边清理砂纸。编者在多次实验发现大颗粒出现是在W1000这道砂纸上，所以可以在不影响磨制效果的情况下，可以尽量避免使用该道砂纸。一旦出现大划痕可在清理砂纸的情况下，在本道砂纸上垂直该划痕推磨直至消除。

4）过旧的砂纸不宜继续使用。

原因：因旧砂纸上的磨粒已变钝，磨削的效果较差[3]，并且旧砂纸不利于保护试样中的石墨，会使石墨部分脱落，脱落形成的空洞会由于周围金属的变形而变小或由于侵蚀而扩大，同时空洞容易被污物填充，影响石墨评定的正确性[2]。因此应及时更换新的砂纸。

3 试样的抛光

试样抛光过程中出现的问题

1）抛光过程中操作者身上易被溅上抛光液而需穿操作服。

产生原因：抛光机的抛光罩因离心力转飞，引起抛光液四溅；因压力过大或抛光布不平整，抛光液从抛光中的试样的前端或后端飞溅。

解决技巧：在固定抛光布时，一定注意将抛光布拉平、箍紧。抛光罩要安装好再打开开关。抛光过程中力度要适中，随时观察，试样由抛光盘的边缘移向中心，压力逐渐减轻。

2）抛光过程中的飞样问题。

产生原因：抛光转盘顺时针转动，造成飞样；抛光过程中，试样不平衡抛光，造成飞样。

解决技巧：开启抛光机的开关，保证抛光转盘逆时针转动。抛光时手要握紧试样，用力要均匀，使试样整个磨面同时进行抛光。

3）抛光时抛光效率低，磨面失去金属光泽；铝硅合金还出现抛伤表面，出现麻点和黑斑的问题。

产生原因：抛光时抛光液的浓度过高不会提高抛光速度，浓度太低则会明显降低效率。湿度不足容易使磨面产生过热或粘结抛光剂并降低性，磨面失去光泽，软合金易抛伤表面，出现麻点、黑斑[1]。湿度太大会减弱抛光的磨削作用。

解决技巧：检验抛光织物上的湿度是否合适的办法是：观察试样抛光面上的水膜蒸发时间，当试样离开抛光盘后，抛光面上附着的水膜应在2-5s内蒸发完毕。

4）抛光过程中一些较软的试样如铝硅合金、铅、锡、锌等，易产生表面变形层的问题。

产生原因：抛光压力太大，抛光时间太久，或者反复抛光。

解决技巧：可用抛光―浸蚀交替操作或抛光―化学抛光方法进行消除[1]。抛光层一旦出现需要在较细的砂纸上进行重新磨制，以消除变形层。

5）抛光试样表面一直荡有水膜和同一个方向的水痕。

产生原因：有水膜是因为抛光液加的量过多。沿一个方向抛光，出现同向的细小划痕，所以出现同一个方向的水痕。

解决技巧：在抛光要结束时，可以采用用清水转抛的方法，因为抛光膏都具有一定的颗粒度，仍存在细小的划痕，转抛可以，使各个方向抛光均匀，以防出现一个方向的水痕。

6）球墨铸铁抛光时会出现大多数石墨沿同一个方向“拖尾巴”问题，即石墨曳尾题。

产生原因：抛光过程中试样的自传不够造成，抛光织物丝绒的绒毛过长也会产生曳尾问题[2]。

解决技巧：抛光时，试样不但要沿抛光盘的半径方向来回移动，还要不断自转，即试样和握持的手指间要有相对运动。

4 试样的侵蚀

试样侵蚀中出现的问题

1）试样侵蚀后，表面不是光洁的镜面状，而是不干净的。

产生原因：因为试样侵蚀不均匀。

解决技巧：最好选用浸入腐蚀法，可以保证试样整个面同时被腐蚀，而且确保被侵蚀面水平夹持冲洗干净，不会出现腐蚀不均匀现象。滴蚀法和用棉花蘸蚀法都需确保整个抛光面同时接触腐蚀液。

2）试样侵蚀后，在金相显微镜下几乎看不到晶界，或试样表面出现花斑。

产生原因：侵蚀时间没有把握好，试样侵蚀不够，则在金相显微镜下的晶界很少；试样侵蚀过度，表面被氧化，出现花斑。

解决技巧：侵蚀时试样变成浅灰色，需马上用清水冲洗。如果发现侵蚀不够需再次侵蚀，侵蚀过度则需重新抛光。球墨铸铁侵蚀时间一般为4-5秒，铝硅合金侵蚀时间一般为5-6秒。

特别需要注意的是已经制备好的试样应保存好，主要是防止生锈和机械损伤。一般将试样放在装有干燥硅胶的干燥缸内，并在缸盖上涂上凡士林密封，在缸内应铺上绒布[1]。

5 结语

金相试样的制备是显微组织检验过程中一个极其重要的环节，要快速制备高质量的球墨铸铁或铝硅合金金相试样，关键要掌握好磨制、抛光和侵蚀这几个环节的操作，同时了解不同试样的各自特性，在实践操作中不断去摸索并总结经验，熟能生巧，从而制备出高质量的金相试样。

【参考文献】

篇3

第一天我们做的是车工，我们分成两个小组，每个小组由一个老师带领，老师先给我们讲卧式车床的结构和一些基本操作及其工作原理，还亲自示范操作让我们看，边操作边说一些安全问题。然后让我们空车练习，等我们熟悉了操作就布置作业让我们做，老师要求我们把一个圆柱做成一边长20毫米，直径为10毫米的柱体，一边为长15毫米，直径为6毫米的柱体。

我们每人一台机器，各自按照老师的要求来加工零件。我先安装工件，安装工件时采用三爪自定心卡盘的方法，然后选择一把车刀，倾斜一定的角度，用来把端面削平，削光滑。接着校正工件，然后再选择另一把车刀，再调整车床的主轴转速和车刀的进给量，调整后主轴的转速是360转每分钟，然后是粗车和精车，粗车的目的是尽快地切去多余的金属层，使工件接近于最后的形状和尺寸，粗车后留下一定的加工余量。精车是切去余下少量的金属层以获得零件所求的精度和表面粗糙度。最后是纵向进给，纵向进给到所需长度时，关闭自动进给手柄，退处车刀，然后停车，检验。重复上述操作多次，直到达到老师的要求，然后再换另一边来加工工件，同样地安装工件，把端面削平，削光滑，然后校正工件，选择车刀……重复上述操作，直到把另一边也加工到老师要求的零件。在做的过程中，没发生什么安全事故，我们都按时完成了任务。我们做了一天，也站了一天，虽然有点累，但看到自己做的成品，就觉得是值得的了。

我觉得最需要耐心做的就是铸造了。铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成型方法。用铸造方法得到的金属件称为铸件。铸造的方法很多，主要有砂型铸造，金属型铸造，压力铸造，离心铸造以及熔模铸造等，我们用的就是砂型铸造。我们用的造型材料是型砂，良好的型砂具备透气星，强度，耐火性，退让性等性能。

我们采用整模两箱造型，步骤如下：第一，造下砂型：将模样安放在底板上的砂箱内，采用两个定位销座，加型砂后用砂冲子捣紧，用刮砂板刮平。第二：造上型砂：翻转下型砂，按要求放好上砂箱，横浇口，直浇口棒和定位销，撤分型砂后加型砂造上型砂。第三：取出浇口棒并按要求扎通气孔。第四：开箱起模与合型：打开上型砂，起初模样，修型。第五：浇注后经落砂得铸件。其中最需要耐心的就是修补。修补不同的形状，需要用不同的工具，一不小心，就会越修越坏，这就需要小心翼翼，慢慢地修补，没耐心的人是做不好这一步的。在做的过程中，我们有不懂的就问老师，老师耐心地给我们讲解，还给我们做示范。我们上午做了一个模型，做得好的就浇注蜡得铸件。下午我们又做了另一个模型，下午做的时候，我们熟练多了，效率也提高了。

我觉得最有趣的就是化学加工了。首先是铝的阳极氧化。在适当的电解质溶液中，将金属作为阳极，在外电流的作用下，使其表面生成氧化膜的过程，称为阳极氧化。铝及其铝合金的阳极氧化膜有以下特点：一，氧化膜具有多孔结构，可使膜层对各种有机物，无机物，树脂，地蜡，染料及油漆等表现出良好的吸附能力，因此，膜层可用作涂装底层，也可将其染成各种不同的颜色，获得装饰的外观。二，氧化膜的硬度高，可以增强尽是表面的耐磨性能。三，氧化膜的耐蚀性好。铝氧化膜在大气中很稳定，具有较好的耐蚀性，为进一步提高膜的防护性能，阳极氧化后的膜层通常需要再进行封闭式或喷漆处理。四，氧化膜的电绝缘性好，具有很高的绝缘电阻和击穿电压，击穿电压可达2000V。五，氧化膜具有良好的绝热性，在许多具有一定温度的场合下，铝及其铝合金零件须经阳极氧化处理才能安全稳定地工作。六，氧化膜与基本金属的结合强度高，不容易分离。

一般及其合金零件的处理工艺流程：机械抛光――除油脂――清洗――化学抛光或点解抛光――清洗――阳极氧化――清洗――(着色――清洗――)封闭处理――检验。铝及其铝合金阳极氧化按电解液的不同合氧化膜的特点可有硫酸阳极氧化，铬酸阳极氧化，草酸阳极氧化，磷酸阳极氧化，硬质阳极氧化以及瓷质阳极氧化等方法。我们用的硫酸阳极氧化法，用此法得到的氧化膜硬度较高，空隙多，吸附性好，易染色。经封闭处理后，具有较高的耐蚀性。该法工艺简单，操作方便，溶液稳定，电耗较少，成本低廉，氧化时间短，生产效率高，使用范围广。我们还使用有机染料染色。有机染料染色法法是染料分子对氧化膜通过物理吸附和化学反应进行填充。该法着泽鲜艳，但耐晒性差。

其次是化学腐蚀加工。化学腐蚀加工就是将零件要加工的部位与化学介质直接接触，发生化学反应，使该部位的材料被腐蚀溶解，以获得所需要的形状和尺寸。化学腐蚀加工有一下特点：一，可加工能被化学介质腐蚀的金属和非金属材料，不受被加工材料的硬度影响，不发生物理变化。二，加工后表面无毛刺，不变形，不产生加工硬化现象。三，只要腐蚀液能浸入的表面都可以加工。四，加工时不需要特殊夹具和贵重设备。五，腐蚀液和废气污染环境，对设备和人体液有危害作用，需采取适当的防护措施。经过阳极氧化的铝板再经烘干――描图――雕刻――腐蚀――去蜡（烘干），就得到工艺品了，我选择的图案是竹子，在铝板的背面写上友谊长存，铝板的颜色是绿色的，这样一个工艺品就诞生了，我还镶上了有机玻璃，这工艺品还可以当作礼物送给朋友呢！化学加工，不仅培养了我们的动手能力，还加强了我们对化学的探索愿望。

篇4

1、前言

镜面抛光作为一种重要表面处理技术，广泛地应用于中高档汽车轮毂。它可使轮毂表面显示出较强的金属质感，大大提高产品的表面质量。目前，国内主要采用机械抛光轮的方式进行汽车轮毂镜面抛光。这种方式是将抛光麻轮或布轮固定在电机上，手持轮毂在麻轮和布轮上进行抛光，一般至少经过粗、中、精三道工序。这种方式设备简单，投入成本低，一般小型工厂应用较多。但是这种方式有不可避免的局限性：如工人的劳动强度很大，对工人的熟练程度要求很高，且受制于轮毂造型的复杂性，加工效率较低，每个工人每天平均只能加工3～4个轮毂；在手工磨削过程中产生大量的粉尘，由呼吸道以及皮肤渗入工人的身体会对工人的健康产生很大伤害，对周围环境也会造成一定的破坏；轮毂表面的抛光质量也容易受各种因素的影响，其外观随抛光人员的技术而不同，抛光光洁度和表面整体质量重现性差，难以满足客户对产品的要求。

随着汽车产业的迅猛发展，人工抛光这种原始、落后的加工方式已经成为汽车抛光轮毂行业提升、发展的瓶颈。中信戴卡股份有限公司为了解决这一问题，经过多年的探索，成功开发出一种节能环保的绿色镜面抛光技术——光整抛光技术。

2、光整抛光技术

这种绿色镜面抛光技术被称为光整抛光技术，它采用四步逐级旋流式加工方法，以机械抛光、振动光饰和化学抛光相结合的一种生产工艺。光整抛光技术采用旋转木马全自动流水线结构，不仅改善轮毂表面亮度的一致性，而且大大提高了生产效率和自动化程度，降低劳动强度，改善生产环境。具体生产工艺是将被加工铝合金轮毂以一定角度倾斜置于盛有磨料和磨剂等介质的滚筒中，通过轮毂自身的转动以及磨料箱的转动，游离状态的磨料始终以一定的压力对轮毂表面进行碰撞、滚压及微量磨削，同时添加进的磨剂对轮毂表面有清洁和光亮的作用，在这种复杂运动的作用下，实现了对棱边倒圆、去除毛刺，降低表面粗糙度，去除微观加工缺陷，改善表面物理机械性能，达到提高轮毂表面质量和外观效果的目的。

这项技术需要经过预、粗、中、精四道工序。预抛和粗抛使用磨料为白刚玉、棕刚玉或碳化硅类材质，磨料为圆球形状，目数为80~320目，直径为3~10毫米。中抛使用的磨料为树脂磨料，磨料为圆锥形状，目数为100~300目，直径为5~10毫米。精磨使用磨料为氧化锆、锆铝或陶瓷类高目数磨料，磨料为圆球形状，目数为800~2500目，直径为2~5毫米。预抛和粗抛使用磨剂为自制粘稠状、环保型HYY磨剂，中抛使用磨剂为自制粘稠状、环保型CA磨剂，精抛使用的磨剂为自制粘稠状、环保型HYA磨剂，所述三种磨剂使用过程中需与水按3%~10%质量配比，其PH值在6~9范围内。

四步工作时间相同，在抛光轮毂时，需要按照轮毂造型和尺寸设定轮毂与料箱之间的夹角，根据轮型结构确定各步磨料种类、磨剂浓度，加工时间、机头倾角、转速等参数。选用配套卡具机头自动装卡的方式进行上下料，启动升降架行走机构将车轮送入至料箱上方，料箱开始旋转运动，同时磨剂循环系统开始运转往容器中喷磨剂，然后车轮自动没入盛有磨料和磨剂等介质的料箱进一步加工，根据设定的加工时间第一步加工完毕之后自动升降行走进入下一步加工过程，每步工作时间8~12分钟。

光整加工有以下特点：

（1）光整加工的余量很小，原则上只是上道工序公差带的几分之一。一般情况下只能改善表面质量。不影响加工精度。

（2）改善工件表面层应力状态，形成抗疲劳破坏的均匀压应力值。

（3）改善工件表面层金相组织状态，提高表面显微硬度，一般提高6%~20%，形成一定深度的耐磨损、抗疲劳的致密金属层，深度一般提高4倍以上。

（4）提高工件清洁度，改善部分性能指标。

（5）降低工艺成本，减轻工人劳动强度，提高生产效率，无污染，便于机械化和自动化生产。

3、光整抛光技术优势

与传统的抛光技术相比，本公司开发的这种绿色光整抛光技术具有以下优势。

（1）产品质量

从整体效果来看，由于光整工艺采用轮毂正面浸没的方式，轮毂正面、窗口及夹角色泽一致，均匀性极佳，具有较好的金属色泽，尤其对于曲面较大结构复杂的轮毂，曲面造型增加了加工过程中磨料的流动性，进一步提高了表面光泽和外观均匀一致性。

从物理性能来看，由于光整原理是通过磨料与轮毂表面的磨削来实现，增加了表层铝基体的致密性，使表面形成了一层致密的硬化层，大大提高了表面抗磕碰和抗划伤性能。

从耐蚀性能来看，由于光整抛光技术的起源是去毛刺机，在加工过程中具有去除尖端毛刺，平滑棱角的作用，所以增大了边角的圆角，提高了边角漆膜厚度，从而提高了抗腐蚀性能，同时由于表面致密性和硬质层的增加使轮毂整体的抗腐蚀性能得到了很大的改观。经过试验证实，通过240小时CASS试验单边腐蚀宽度小于0.5mm，且表面无任何鼓泡现象，防腐蚀性能优于人工抛光技术。

（2）生产效率

在光整技术加工过程中，影响产能最重要的因素是毛坯打磨质量，较差的毛坯质量需要较长的时间来打磨，从而变向的增加了成本，降低了产能。毛坯打磨质量决定于生产工艺，而生产工艺决定着产能。本公司针对铝合金轮毂抛光研发出的光整加工最优生产工艺：预抛12min＋粗抛12min＋中抛12min＋精抛12min，与传统工艺相比，这种工艺可提高生产效率3~4倍。且这四步抛光时间并不完全固定，每一步时间长短可根据毛坯打磨质量进行调整，从而来保证抛光效果。另外，在新开发这种工艺中，抛光介质始终以游离状态存在，因此轮毂造型对抛光效率的制约因素明显减少，这种光整抛光工艺针对多轮辐、大曲面的处理效果更好，效率更高。

（3）社会效益

整个生产过程不再需要工人手持轮毂进行抛光，大大降低了工人的劳动强度，整个加工过程均在水的介质的参与下，生产过程没有任何粉尘产生，改善了员工的作业环境。且使用的磨剂PH值在7~9，对环境没有任何危害。同时没有了粉尘，也不再使用大功率除尘设备来降低粉尘。

（4）经济效益

篇5

先将尺寸12cm×3cm×250μm的铝片(纯度为99•5%),在500℃氮气保护下退火4h后随炉冷却至室温;退火后样品分别在丙酮和去离子水中超声清洗30min,以去除表面油脂;然后在1•25mol/LNaOH溶液腐蚀10min去除表面自然氧化层;随后在体积比为4∶1高氯酸和无水乙醇混合液中进行恒电流电化学抛光,抛光电流为1A,抛光时间为10min。将上述处理后样品在0•3mol/L草酸电解液中进行一次阳极氧化,氧化工艺条件:氧化电压40V,温度6℃,氧化时间2h。然后再将其置入60℃、6%磷酸与1•6%Cr2O3的混合液中腐蚀4h,以去除一次氧化膜层;并在相同条件下进行二次阳极氧化,氧化时间为3h。并将制备样品剪成3cm×3cm大小,放入0•5mol/LNaOH溶液里,腐蚀时间分别为8,16,50min。随后将未腐蚀和腐蚀后样品放入氟硅烷溶液浸泡2min,并在80℃温度下处理30min即可获得在不同微结构表面修饰低表面能物质的样品。分别采用荷兰Philips-FEIXL30ESEM-TMP场发射扫描电镜(SEM)和英国Oxford公司Link-ISIS能谱仪对AAO膜和NaOH腐蚀后AAO样品进行形貌和成分分析,随后,利用日立F-7000荧光分光光度计分别对其光致发光光谱测试。并用芬兰KSV仪器公司Cam-200接触角测试仪对低表面能修饰后样品进行接触角测试。

2实验结果与分析

2•1SEM形貌分析图1为原始铝基AAO膜和其在NaOH溶液中不同腐蚀时间样品的表面形貌图。图1(a)为通过二次阳极氧化法直接制备的AAO膜,氧化铝膜孔的结构单元间成六角密排分布,孔径约为40~60nm之间,膜孔有序性较好。图1(b)为腐蚀8min的样品,可以看到上层原为网状的孔壁变成分离的柱状物,底层还基本保持孔洞状,只是孔径扩大到80~100nm之间。分析其原因,是由于在NaOH溶液里AAO膜在横向和纵向都受到腐蚀。在纵向上,AAO膜的厚度会逐渐减薄。与此同时,横向上由于NaOH进入膜孔对孔壁进行腐蚀,上层AAO膜的相邻纳米孔的孔壁在两个方向的共同作用下先被腐蚀完,而相邻三个纳米孔壁因较厚被腐蚀成柱状;底层AAO膜由于只有膜孔内NaOH在横向上腐蚀则只是孔洞扩大而已。腐蚀16min后的样品如图1(c)所示,氧化铝膜的多孔状结构已经消失,表面分布锥状的三维立体结构,这种结构是由一条条的纳米线堆积挤压组成的,每一个锥状结构尺寸为3~6μm,间距约为几个微米。如图1(d)所示,当腐蚀时间延长至50min时,铝基表面形成直径在1~7μm之间的凹坑,且相邻的几个凹坑围成一个尖凸,构成尖锥的三维结构,这是由于铝片缺陷在阳极氧化中产生凹陷以及后续腐蚀共同总用下,缺陷慢慢扩大而形成的。不同于前面的锥状结构,该锥状结构是由致密的物质组成的。根据以上分析,通过对阳极氧化制备的铝基AAO膜进行不同时间的化学腐蚀处理,获取三种不同粗糙度的微观结构,分别为纳米结构、微米纳米复合结构与微米结构。因此,通过对三种不同粗糙度的表面结构进行低表面能物质修饰处理,对于研究微观结构对超疏水性能影响具有非常重要意义。

2.2荧光发射光谱与能量色散谱(EDS)成分分析一般说来,采用草酸制备的阳极氧化铝具有蓝光发光特性[15-16],并认为光致发光强度与氧化铝含量之间有着直接关系,因此,可通过光致发光光谱对样品表面的氧化铝含量可进行定性分析。图2为原始AAO膜和NaOH腐蚀不同时间之后样品的荧光发射谱,选定激发波长为330nm,检测波长范围在350~640nm之间。可以看出:除腐蚀时间为50min的样品之外,其他样品在430nm处都有一个波峰;并且随着腐蚀时间的延长,峰值逐渐减小。析其原因是由于样品在NaOH溶液中具有蓝光发光特性的氧化铝被腐蚀,并且随着腐蚀时间的延长,氧化铝越来越少;当经过50min的腐蚀后,氧化铝已被腐蚀完,因此该样品不具备发射蓝光的特性。图3分别是原始AAO膜和腐蚀时间为50min样品的EDS谱图,由图可知原始AAO膜只含有铝元素和氧元素,且铝氧元素的原原子比例约为2∶3,腐蚀50min后,氧元素几乎没有,只剩下铝元素。对比两图,可以推测铝基上的AAO膜在NaOH溶液里随腐蚀时间延长,氧化铝逐渐减少,当腐蚀时间50min后,氧化铝被腐蚀完,铝基上的AAO膜消失,这与前面的荧光光谱分析结果是相吻合的。综合上面SEM、荧光光谱、EDS测试分析结果,得到不同腐蚀时间微观结构形成机理如下:铝基AAO在NaOH溶液的腐蚀过程中,铝基表面的Al2O3与NaOH溶液发生化学反应,生成可溶于水的偏铝酸钠,因上层的氧化铝易与NaOH液接触并发生反应,溶解速度较快。此外,由于AAO膜上两相邻孔的孔壁较薄三邻孔连接处孔壁较厚的特点因而,连续规整的网状AAO膜在膜层减薄的同时,纵向上出现上层是分离的柱状物,底层为孔洞状的表面结构。当纵横两个方向经过更长腐蚀时间后,两相邻孔的孔壁被腐蚀掉,而三邻孔连接处孔壁并不会被完全溶解掉,而是逐渐溶解形成纳米线,纳米线的长度在2~4μm之间,直径在100nm左右(见图4)。这些纳米线由于长宽比例大,受本身重力、溶液中铝与氢氧化钠放出氢气以及样品离开液面时溶液挥发所产生表面张力等因素影响,会发生倾倒聚集成簇状结构,形成具有三维立体结构的锥状结构。最后,铝基上面的AAO被全部腐蚀完,基底铝表面将被腐蚀成出凹凸不平微米级的结构。