变极性脉冲酸洗控制方法
【专利说明】变极性脉冲酸洗控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面处理技术领域，特别涉及一种变极性脉冲酸洗控制方法。 【【背景技术】】
[0002] 金属在电镀、化学镀、转化膜等表面处理前都必须进行酸洗，其目的是除去金属制 件表面的锈蚀物及氧化层，这是获得高质量膜层的一个重要前提。根据锈蚀和氧化皮的情 况及性质的不同可采取不同的除锈方法。除锈方法主要分为两大类，即物理方法和化学方 法。物理方法主要有人工除锈和机械除锈（如喷砂、喷丸、抛光等）。化学除锈一般是采用 酸洗的方法，即将带有氧化皮或铁锈的钢铁工件在酸洗液中侵蚀，以去除钢铁工件表面的 氧化物或锈蚀层。
[0003] 相比传统的化学酸洗，电解酸洗是一种高效的酸洗方法，具有腐蚀能力强，速率快 等优点。电解酸洗时，工件既可以作为阳极，也可以作为阴极。工件作为阴极时，电解池阴 极区域所发生的反应为：
[0004] Fe2++2e - Fe
[0005] Fe3++3e - Fe
[0006] 2H++2e - 2 [Η] - H2 个
[0007] 当工件作为阳极时，电解池阳极区域所发生的反应为：
[0008] Fe_2e - Fe2+
[0009] Fe_3e - Fe3+
[0010] 40!T-4e - 2H20 O O2 个
[0011] 由上可知：工件作为阴极进行阴极酸洗时，电解液中的H+得电子变成活性氢原子 [H]，氢原子一部分结合成H 2逸出，对氧化皮和铁锈有机械剥离作用，有利于氧化皮和铁锈 的去除，酸洗效果也较好，但酸洗速率慢，而且一部分氢会以原子状态从晶格间隙中侵入金 属，扩散至内部，引起材料的氢脆。进行阳极酸洗时，虽然渗氢现象得到一定的控制，但金属 极易过腐蚀，且酸洗效果一般。 【
【发明内容】
】
[0012] 基于此，本发明提供一种变极性脉冲酸洗控制方法，通过电源系统输出幅值、频率 皆可独立调节的变极性脉冲波形，使工件交替进行阳极酸洗与阴极酸洗，在提高酸洗效率 的同时，抑制工件渗氢，降低工件表面的粗糙度，使处理后的工件表面更加光滑平整，呈现 金属光泽。
[0013] 本发明实施例的内容如下：
[0014] 一种变极性脉冲酸洗控制方法，包括如下步骤：
[0015] 在将工件置于酸性电解液中进行酸洗时，实时检测所述工件的电特征信息；
[0016] 判断所述电特征信息是否满足极性切换条件：
[0017] 若满足，则改变电源系统输出脉冲的极性，使所述工件由阴极酸洗切换为阳极酸 洗或者由阳极酸洗切换为阴极酸洗。
[0018] 本发明提供的变极性脉冲酸洗控制方法，通过实时检测工件的电特征信息，可自 动调整电源系统的输出极性，保证工件的酸洗过程处于或接近最优状态。本发明通过控制 电源系统进行变极性输出，使工件交替进行阳极酸洗与阴极酸洗，在保证较高酸洗速率的 同时，改善酸洗效果，避免工件材料发生氢脆现象。 【【附图说明】】
[0019] 图1为本发明实施例中一种变极性脉冲酸洗控制方法的流程示意图；
[0020] 图2为本发明实施例中变极性脉冲的波形示意图；
[0021] 图3为本发明实施例中典型的阳极极化曲线图；
[0022] 图4为本发明实施例中变极性脉冲的极性切换判断方法的流程示意图；
[0023] 图5为本发明实施例中对于不同频率处理过程中的电特性波形示意图；
[0024] 图6为本发明实施例中对于不同频率处理所得的工件表面效果图；
[0025] 图7为本发明实施例中最佳切换频率与电流密度之间的关系曲线。 【【具体实施方式】】
[0026] 下面结合附图对本发明的内容作进一步描述。
[0027] 如图1所示，本发明提供一种变极性脉冲酸洗控制方法，包括如下步骤：
[0028] Sll :在将工件置于酸性电解液中进行酸洗时，实时检测所述工件的电特征信息；
[0029] S12 :判断所述电特征信息是否满足极性切换条件，若满足，则进入S13 ;
[0030] S13:改变电源系统输出脉冲的极性，使所述工件由阴极酸洗切换为阳极酸洗或者 由阳极酸洗切换为阴极酸洗。
[0031] 在一个具体实例中，工件为304不锈钢热轧板，其尺寸为4cmX4cmX0. 4cm，酸性 电解液为：浓度为150g/L(克每升）的Na2S04(硫酸钠）以及浓度为60g/L(克每升）的 HNO3 (硝酸）。
[0032] 将两块相同的304不锈钢热轧板分别连接至电源系统的输出正端和负端，两者平 行放置，间距50mm ;则初始时刻阳极为一块304不锈钢热轧板，阴极为另一块304不锈钢热 轧板。利用电源系统输出如图2所示的变极性脉冲方波，使所述的两块304不锈钢热轧板 交替进行阳极酸洗与阴极酸洗；图2中，I p= 10A，I n= -10A，t P= 2ms，tn= 3ms，室温下 处理2min。
[0033] 304不锈钢热轧板表面氧化皮的组成由外到内主要分为三层：最外层为铁的氧 化物，包括Fe 203、FeA、FeO ;中间层为较稳定的铁铬氧化物FeOCr2O3，靠近基体的内层为 Cr2O3' NiO等，基体表面为"贫铬层"。
[0034] 通电之后，304不锈钢热轧板作为阴阳极时分别发生的电化学反应为：
[0035] 阳极反应：
[0036] H2O - [0] +2H.+2e
[0037] 2 [0] - O2 个
[0038] FexOy+(3x-y) [0]+xH20 XFeO42 +2xH+
[0039] Cr203+3 [0] +2H20 - 2Cr0广+4H+
[0040] Cr203+3 [0] +H2O - Cr2072>2H+
[0041] Ni0+2H+-Ni 2++2H20
[0042] 阴极反应：
[0043] FeO 广+8H++3e - Fe3++4H20
[0044] CyO2a- + 8H+ + Se ^ Cr3+ + 4H20
[0045] Cr2Op + 14H+ ( 6e 4 2Cr3+ + 7H20
[0046] 2H++2e - H2 t
[0047] 304不锈钢热轧板表面氧化皮具有疏松多孔性，阳极酸洗阶段，初生态的氧原子是 氧化反应的主要动力，阳极氧化作用首先在表面细小的孔洞及裂缝等反应活性点处发生， 将卩6〇、？63〇 4、？62〇3{6〇〇2〇3转化成？6〇 3和？6〇3〇2〇3，进而以？6(^_溶解在酸性电解液中， 使难溶的铬尖晶石疏松和分离，破坏氧化皮的骨架结构。同时Cr 2O3被氧化为CrO 3，在酸性 环境中以CrOl和Cr2Op存在，NiO溶于酸变成Ni2+等，这些氧化物的溶解进一步起到疏 松氧化皮的作用，导致氧化皮的剥落以小孔和裂缝为中心进行扩展；同时一部分活性氧原 子在304不锈钢热轧板的表面结合成氧气分子，氧气分子的聚集使气泡不断膨胀变大，最 终脱离304不锈钢热轧板以气体形式逸出，此过程对氧化皮有机械剥离作用。
[0048]阴极酸洗阶段，电极附近的Fe〇l'Cr〇|-和Cr2O疒得到电子变成Fe 3+和Cr 3+， 同时H+得电子产生氢原子，一部分氢原子结合成H2的逸出，对氧化皮产生机械剥离作用；一 部分氢以原子状态从晶格间隙中侵入金属，扩散至内部，引起304不锈钢热轧板材料的氢 脆。
[0049] 由此可知，阳极酸洗时，304不锈钢热轧板表面氧化物的电化学溶解再辅以氧气的 机械剥离作用导致氧化皮的脱落，故阳极酸洗的速率较快。进行阴极酸洗时，氧化物不参与 电化学反应，氧化皮的去除只能依靠氢气的机械剥离作用，氧化皮脱落速率较慢。单独采用 阳极酸洗时，易造成过酸洗且酸洗效果一般；单独采用阴极酸洗时，虽然效果较好，但是酸 洗速率慢，而且易造成工件的氢脆，破坏工件的力学性能。
[0050] 基于以上理由，本发明提出采用变极性脉冲酸洗控制方法，通过将阳极酸洗及时 切换为阴极酸洗、隔一段时间后再切换回阳极酸洗的交替方式，使氢气和氧气交替在工件 表面生成，不会发生渗氢而破坏工件材料的力学性能。
[0051] 再者，采用变极性酸洗时，阳极酸洗阶段内，在以氧化皮表面小孔、裂纹为反应活 性点处发生电化学反应，氧化皮以活性点为中心开始脱落，当切换到阴极酸洗阶段时，反应 活性点消失。当下一个阳极酸洗阶段到来时，重新形成反应活性点，且活性点位置较上一 个阳极酸洗阶段发生变化。如此循环，反应活性点在工件表面游离，氧化皮溶解去除更加 均匀，能够大大的降低工件表面的粗糙度，使处理后的工件表面更加光滑平整，呈现金属光 泽。而单独采用阳极酸洗时，反应活性点位置趋于固定不动，很容易在某一位置发生过酸 洗，形成腐蚀坑，使处理后的工件表面凹凸不平，粗糙度增加，缺乏金属光泽。
[0052] 在实际处理中，变极性脉冲参数，如脉冲幅值、脉冲持续时间，都对处理效率及工 件性能有较大影响，其中正负极性脉冲切换频率的选择更是直接影响酸洗效率，处理过程 中最佳的正负极性脉冲持续时间应该是变化的而非固定的。
[0053] 在阳极酸洗阶段，阳极氧化皮参与电化学反应，以较快的速率溶解，同时在阳极附 近生成Fe〇t、CrOf和Cr 2O^,忽略对流和电迀移的作用，这些离子在液相中传质过程 主要依赖于扩散作用，但是在不加外力时，扩散的作用有限。随着时间的进行，将会产生浓 差极化现象，上述离