代司晖，袁军平，陈绍兴，谢圳涛，谢林演
（广州番禺职业技术学院珠宝学院，广东 广州 511483）
316不锈钢饰品具有优良的耐蚀性，与铂金具有相近的金属光泽，同时其强度和硬度明显高于铂、钯等贵金属材料，长期佩戴使用可保持平滑、光泽及吸引人的外观，既高贵典雅，又具有现代感，成为广受时尚人士欢迎的流行饰品[1]。
饰品非常讲究表面品质，大部分情况下需要获得高度光亮的表面。目前不锈钢饰品的抛光工艺有机械抛光、化学抛光、化学机械抛光、电解抛光等。机械抛光是应用最广的传统抛光工艺，存在抛光效率低、生产成本高、缝隙或内凹部位不易处理到位、作业环境差等缺点；
化学抛光、化学机械抛光和电解抛光采用的抛光液大多含三氧化铬、强酸等有害物质，容易污染环境，危害工人健康，并且抛光液的使用寿命一般不长，校正和再生困难，废液处理麻烦[2-4]。
电解质等离子抛光是一种有别于传统工艺的新型抛光工艺，其基本技术原理是：将工件浸入抛光液中，两者直接接触而出现瞬间短路，造成大量放热使抛光液汽化，在抛光液与工件之间形成以水蒸气为主的汽化层，显著增大了它们之间的电阻，在高电压作用下，汽化层局部被电离击穿形成放电通道，产生氧等离子体，氧等离子体撞击工件表面，并与工件表面反应形成氧化疏松层，而气泡在参与化学反应的同时又被放电去除，最终令工件表面粗糙度下降，获得抛光效果[5]。
尽管电解质等离子抛光技术已逐渐应用于运动器材、汽车配件、医疗器材、洁具、餐具等领域，并取得了较好的效果，但能否应用于工艺饰品的表面抛光，抛光效果如何，生产成本如何，对环境有无影响等都是首饰行业比较关注的问题。鉴于此，本文采用绿色环保的电解抛光液对饰用316L不锈钢进行等离子抛光，研究了工件初始表面状态、抛光时间、抛光液温度、一次抛光数量等工艺参数对抛光效果的影响。
1.1 电解质等离子抛光工艺
以饰用316L不锈钢为基材，其化学组成为：0.018% C，0.35% Si，0.52% Mn，17.48% Cr，10.21% Ni，2.08% Mo，0.025% P，0.017% S，0.04% N，其余为Fe。
为便于检测表面粗糙度，将不锈钢制成30 × 20 × 1.5 mm的平整吊坠作为试片。先采用240#、400#或800#砂纸打磨，再置于等离子电浆抛光机上抛光。电解液的组成为：硫酸铵25 g/L，配位剂5 g/L，光亮剂A 5 g/L。改变试片表面初始状态、电解液的初始温度、一次抛光的试片数量、抛光时间等工艺参数，研究它们对抛光效果的影响。
1.2 表面性质分析
在试片表面按照九宫格方式取9个点作为测试区域，采用LEXT OLS4500型激光共聚焦显微镜检测它们在初始及抛光后的表面粗糙度，取Ra、Sa、Rz和Sz这4个粗糙度指标来评价抛光效果。Ra(Sa)为算术平均高度，表示基准线(面)内轮廓曲线(面)的高度绝对值的平均值；
Rz(Sz)为最大高度，表示基准线(面)内粗糙度曲线(面)中最高峰的高度与最深谷的深度相加之和。采用赛多利斯科学仪器(北京)有限公司的QUINTIX125D-1CN型高精密电子天平(精度为0.01 mg)称量抛光前后试样的质量，并计算质量损失率(w)。采用CM2600d分光光度计检测试片在抛光前后的表面颜色，检测条件为：SCI+E模式，观察角10°，标准光源D65，检测窗口直径8 mm。
2.1 电解液初始温度对抛光效果的影响
试片采用400#砂纸打磨后进行等离子抛光，分别将电解液的初始温度设置在25、50、75和90 ℃，每次只装1个试片进行抛光，时间为2 min。如图1所示，试样只用砂纸打磨时Ra曲线的振幅大、频率高。在电解液初始温度25 ℃下进行等离子抛光后，曲线基准线之上的峰值部分有较明显的下降，但是在基准线之下的波谷部分仍有较明显的尖谷；
随着电解液初始温度的升高，Ra曲线的振幅逐渐减小，基准线之上的部分总体更加平缓，同时基准线之下的部分也逐渐有了改善。
图1 不同电解液初始温度下抛光的表面线粗糙度曲线Figure 1 Line roughness curves for samples polished in electrolyte with different initial temperatures
从图2可知，随着电解液初始温度的提高，4个粗糙度指标都有不同程度的下降，初始温度在50 ℃以内时，粗糙度降幅不大，抛光效果不佳；
在50 ～ 75 ℃区间内，粗糙度降幅明显加大，抛光效果改善；
在75 ～ 90 ℃之间时，粗糙度仍有下降，但是Sz和Rz的降幅减小。因此，对不锈钢进行等离子抛光时电解液的初始温度应不低于75 ℃。
在初始温度较低时，工件与电解液接触部位产生的气体介质少，包围在工件周围的蒸汽层薄，电流容易穿透蒸汽层，但由于蒸汽层分布不均匀，蒸汽层和抛光过程不稳定，工件表面一些部位放电使材料被去除，一些部位出现电弧击穿引起烧蚀，还有一些微观起伏的部位放电少而未能被去除，因而抛光整平效果不佳[6]。随着电解液初始温度的升高，电解液汽化加强，蒸汽层温度升高且厚度增大，等离子抛光进入稳定阶段，试样表面微观凸起部位不断受到气泡空化力的切向作用而剥离，从而有利于表面粗糙度的下降。从图2还可以看出，面粗糙度Sa、Sz比线粗糙度Ra、Rz普遍要高一些，这是由于前者检测的是一个区域，后者是区域中的一条线，后者扫描的路径通常难以将区域内随机分布的划痕、凹坑、凸起等都涵盖在内，因而体现出来的线粗糙度要比面粗糙度低一些。
图2 电解液初始温度对抛光表面粗糙度的影响Figure 2 Effect of initial temperature of electrolyte on surface roughness of samples after being polished
如图3所示，随着电解液初始温度升高，试样表面亮度L*呈缓慢上升趋势，色度a*、b*略微下降，这与表面粗糙度的变化是对应的，说明即使各试片的材质完全相同，当其表面粗糙度变化时，呈现的颜色随之改变。根据颜色形成的物理学原理，物体呈色是其对入射光进行选择性吸收后余色光对人眼刺激的结果。当光源照射到物体表面时，会产生包括镜面反射和漫反射的反射光，试片表面粗糙度高时，镜面反射减弱而漫反射增强，使得表面亮度下降，而随着试片表面粗糙度下降，镜面反射光增强，亮度提高。
图3 电解液初始温度对抛光表面颜色的影响Figure 3 Effect of initial temperature of electrolyte on color of samples after being polished
2.2 试样表面初始状态对抛光效果的影响
先分别采用240#、400#和800#砂纸打磨不锈钢试片表面，再采用初始温度为90 ℃的电解液对它们同时进行等离子抛光15 min，图4为等离子抛光前后不锈钢试片的三维形貌(取样区域为642.410 μm × 642.633 μm)。从中可以看出，试片抛光后的表面比初始打磨面更平整，随着打磨砂纸号数的提高，试片表面平整度变好。
图4 采用不同型号砂纸打磨(上)及进一步等离子抛光后(下)试样的三维形貌Figure 4 Three-dimentional morphologies of samples after being polished with different types of sandpaper (top)and with plasma further (bottom)
从图5可知，随着砂纸号数增大，试样的初始表面粗糙度降低，等离子抛光后表面粗糙度进一步降低。采用240#砂纸打磨时，试样初始表面粗糙度Ra和Rz分别接近0.5 μm和5 μm，经过等离子抛光后分别降到0.2 μm和1 μm左右，降幅分别达到60%和80%，但是肉眼仍可见一些打磨痕，说明初始表面粗糙度高时，等离子抛光的整平作用有限，不容易出光。采用400#砂纸打磨的试样在等离子抛光后表面粗糙度下降较多，Sa和Ra都降到0.1 μm以下，获得了较光亮的抛光效果。当采用更细的800#砂纸打磨时，等离子抛光后表面粗糙度虽然相较于400#砂纸打磨时有所降低，但是降幅不大，并且Sz仍较高，说明一些过深的凹坑仍不能获得较彻底的整平。
图5 采用不同型号砂纸打磨及进一步等离子抛光后试样的表面粗糙度Figure 5 Surface roughness of samples after being polished with different types of sandpaper and with plasma further
如图6所示，抛光后的亮度明显高于抛光前，色度低于抛光前。随着砂纸号数的增大，试样抛光前的亮度L*略增，色度a*和b*则有不同程度的增大。但进一步抛光后，试样的L*、a*和b*随砂纸规格变化不明显。究其原因，在等离子抛光过程中，如果工艺条件保持一致，则放电去除材料的速率以及单次放电形成的凹坑深度可视为一致，试样的初始表面越粗糙，表面的起伏也越大，在微观凸起处具有更高的电场强度，与其余部位的电场强度的差异也更明显，凸起部位优先放电去除，相应地表面粗糙度下降也较快。因此，为获得较好的抛光效果，试样表面最好采用400#或更细的砂纸，又或粗糙度与之相近或更低的打磨工具进行预打磨。
图6 采用不同型号砂纸打磨及进一步等离子抛光后试样的表面颜色Figure 6 Surface color of samples after being polished with different types of sandpaper and with plasma further
2.3 抛光时间对抛光效果的影响
先用400#砂纸打磨试片，称其初始质量，然后分别采用单片或三片同时进行等离子抛光(电解液初始温度为90 ℃)，每隔一定时间取出，检测试片的质量及粗糙度，计算各阶段的质量损失率和粗糙度变化率。
图7是单个试片抛光后在各个取样阶段的质量损失速率和累计质量损失率。可以看出，在开始抛光的5 min以内，质量损失快速增大，此后质量损失基本保持稳定，而累计质量损失率与抛光时间之间则呈现较好的线性关系。
图7 等离子抛光过程中不同时间段内试片的质量损失速率和累计损失率Figure 7 Mass loss rate and cumulative mass loss percentage of sample at different periods during plasma polishing
图8是单片抛光和三片同时抛光不同时间后的表面粗糙度，图9是它们在抛光过程中的表面粗糙度降低速率。当采用单片抛光时，Ra和Sa在抛光2 min后快速下降；
抛光到5 min时进一步下降，但下降速率减缓，Ra和Sa最低；
5 min后Ra和Sa随着抛光时间延长而略增；
而Rz和Sz在抛光10 min时为最低，此后随着抛光时间延长反而有不同程度的增大。当采用三片同时抛光时，Ra和Sa在抛光15 min时为最低，此后略增；
Rz在抛光10 min后缓慢下降，Sz则在整个抛光过程中都不断下降。
图8 抛光时间对试样表面粗糙度的影响Figure 8 Effect of polishing time on surface roughness of sample
图9 抛光过程的表面粗糙度降低速率Figure 9 Decrease rate of surface roughness during polishing process
图10是试样表面颜色随抛光时间的变化情况，无论是单片还是三片同时抛光，抛光2 min时表面亮度L*均明显提高，而色度a*和b*均大幅下降，不过单片抛光的亮度和颜色值均略高于三片同时抛光。随抛光时间延长，单片抛光的亮度基本保持稳定，色度在抛光10 min后基本不变；
三片同时抛光的亮度和色度则都在抛光15 min后开始稳定。
图10 抛光时间对试样颜色的影响Figure 10 Effect of polishing time on color of sample
以上试验结果表明，饰品表面抛光效率与抛光工件的数量有关，抛光工件数量增多，表面积增大，达到相同抛光效果所需的时间相应延长。可以按照式(1)来预计饰品的适宜抛光时间。
式中t为抛光时间(单位：min)，A为饰品表面积(单位：cm2)。
等离子抛光是通过放电去除来获得抛光效果的。根据电场物理学原理，电场强度与凸峰曲率半径平方的倒数呈正比，由于凸峰处的曲率半径远小于凹谷处，因此前者的电场强度和电流密度远远高于后者，进而使凸峰处的氧化、疏化、溶解和剥离速率远大于凹谷处，导致凸峰处逐渐被削平，试样表面粗糙度下降，如图11所示。
图11 等离子抛光中凸峰处优先放电示意图[7]Figure 11 Schematic diagram of preferential discharging at peak during plasma polishing [7]
根据等离子抛光原理，在抛光过程中会同时进行表面氧化和放电去除反应，单次放电形成的并不是理想的平滑表面，而是产生新的放电凹坑。换言之，在放电降低表面粗糙度的同时，也在一定程度上创造了增大表面粗糙度的条件，只有当放电去除速率大于氧化层形成速率时才能获得抛光效果。在抛光初期，试样表面粗糙，凸峰尖锐、密集，它们优先放电后使表面粗糙度快速下降[8]。但当抛光到一定时间后，单次放电凹坑的存在使得表面粗糙度的降低和升高处于交替竞争的态势，这在图9呈现的Rz和Sz变化速率中得到体现。
(1) 在等离子抛光饰用不锈钢时，提高电解液初始温度有利于降低表面粗糙度，提高亮度。抛光电解液的初始温度应不低于75 ℃。
(2) 采用砂纸粗打磨饰品表面可改善等离子抛光效果，随着打磨砂纸号数的提高，试片表面抛光效果变好。采用400#以上的砂纸进行预打磨为佳。
(3) 抛光表面粗糙度降低速率取决于抛光工件的表面积，过长的抛光时间不利于获得好的抛光效果，一般可根据每平方厘米的抛光工件面积约0.37 min来估算抛光时间。
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