研磨金属镜表面去氧化实验研究

杨振华，尚春民

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

近代高新技术产品对零件表面质量的要求日益提高。在精密机械、电子、能源、化工、国防等工业部门要求用高精度装备快速地加工出各种镜面［1］，因此将金属镜应用在光学系统中，既可以减少光学零件的数量，提高反射率，降低光能损失，又可以消除像差，提高光学系统成像质量［2］。6061铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，其镁、硅合金特性多，具有加工性能好、焊接优良、电镀性良好、抗腐蚀性和韧性高、加工后不变形、材料致密无缺陷、易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳等优点。同时光学铝制造周期短、成本低、可加工成轻质量结构［3-4］。因此，铝合金6061是目前常用的制作金属镜的材料，但是铝合金也具有一些缺点，例如铝合金抛光性能差，易于氧化，铝合金表面硬度相对较低，要抛光到光学表面质量非常困难。一般的抛光方法，如单点金刚石加工会在其加工表面产生严重的划痕，大大增加镜面散射现象［5］，并且抛光液也可能会使铝镜表面氧化而降低其反射性能，因此难以获得高精度的超光滑表面［6-7］。

金属镜在研磨过程中出现的氧化现象是目前研究者急于解决的问题，国内外现有的氧化膜去除方法主要有物理法、电化学法和化学法［8］。研究证明，化学法［9-10］可以在研磨过程中去除铝合金表面的氧化膜，这为本实验提供了去氧化的方法。在散粒研磨金属镜实验过程中使用清水做研磨液时，金属表面易形成氧化膜，而铝合金氧化膜具有一定的耐磨性、耐蚀性和表面硬度，这大大影响了研磨速率，且研磨过后表面暗淡［11］，光洁性差。同时电镀前如不将氧化膜去除，很容易导致电镀层脱落［12-13］，而在采用酸性、碱性、油性研磨液时表面相对光亮，研磨速率也有明显提高，因此本文通过能谱仪EDS（Energy Dispersive Spectrometer）观测表面氧含量来推断氧化膜的多少，进而得出在什么样的环境下可以较快速得到表面光亮的金属镜。

1 纯水环境下的金属镜研磨实验

铝合金6061的成分组成：铜Cu：0.15～0.4；锰Mn：0.15；镁Mg：0.8～1.2；铬Cr：0.04～0.35；硅Si：0.4～0.8；锌Zn：0.25；钛Ti：0.15；铁Fe：0.7。

实验过程中选用市场购买的铸铝板件做为原件研磨，实验机床如图1所示，在初步研磨过程后得到的金属镜面如图2所示。可以看出，市场上的铝合金6061铸件内部致密性不好，存在沙眼气孔，在数字显微镜下可观察到表面存在凹陷，这对研磨后的金属镜表面质量有影响。

图1 研磨机床

图2 金属镜数字显微镜贴图

实验理论分析：铝具有很强的亲氧化性，其表面能在较短时间形成一层0.001 μm到0.1 μm的氧化膜［14］，在正常情况下铝合金有以下反应：

首先，使用纯水为研磨液做金属镜研磨实验，研磨后金属镜表面较为暗淡，如图3所示，水中含有氧气，研磨剂中的磨料将所有凸起部分的氧化膜破坏了，露出了材料的新鲜面，新鲜面又重新开始化学作用，将所有的表面又覆盖上一层均匀的氧化膜［15］，因此用清水做研磨液容易产生氧化。实际观察此时铝合金研磨抛光过程中的表面氧化情况，通过扫描电镜EDS观测，数据如图4所示。从图中观察可知，在此时氧的元素含量在33.38%，通过白光干涉仪检测金属镜表面质量，如图5所示，可看出此时表面粗糙度在224.38 nm。实验目的是去除表面氧化同时保证金属表面质量，通过使用不同的酸性、碱性和油性研磨液研磨金属镜得到理想的金属镜面。

图3 清水环境下研磨后金属镜

图4 清水做研磨液情况下的EDS结果分析

图5 清水下金属镜表面粗糙度

2 酸性环境下的金属镜研磨实验

酸性环境下的研磨，实验过程中用柠檬酸做pH缓冲剂。柠檬酸主要用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、风味增进剂、胶凝剂、调色剂等，此外，柠檬酸还有抑制细菌的作用和螯合作用，能够清除某些有害金属。

在酸性条件下：

基于此原理可以在研磨过程中去除Al2O3和Al(OH)3。在研磨过程中加入柠檬酸，调节pH=2.5，经过研磨后，做EDS和白光干涉仪实验，金属镜表面参数如图6所示，图6（a）和图6（b）分别为pH=2.5时金属镜表面粗糙度和表面元素含量。

图6 pH=2.5金属镜表面参数

由图中得出在此环境下氧元素的质量含量为7.2%，较之在清水下研磨的结果，此时氧的含量有明显下降，说明在酸性条件下，金属镜研磨过程中产生的氧化膜会明显下降。而且在研磨过程中，由于金属镜较大，不方便用电子天平测重。理论上分析可知道由于酸的去氧化膜作用，加快了研磨速率，实验过程中研磨速率也有明显提高，表面粗糙度为209.47 nm。由于pH=2.5，酸性太强，对腐蚀金属镜表面，同时因为材料本身存在些气孔沙眼，使得金属镜表面质量差。

在pH=3.5的情况下做了同样实验，金属镜表面参数如图7所示，此时氧的含量为7.7%，与pH=2.5时的氧含量没有明显差距。此时的表面粗糙度为179.41 nm。可以看出表面仍存在一定的腐蚀。此时pH选择仍然较大。pH=4.1时的金属镜表面参数如图8所示，氧的含量为8.6%，表面粗糙度为144.35 nm。pH=5.3时金属镜表面参数如图9所示，氧含量为9.1%，表面粗糙度为160.46 nm。在酸性环境下研磨完后对研磨实验做了数据的整理，如表1和图10所示。表1记录了pH为2.5，3.5，4.1，5.3时金属镜表面的氧含量和表面粗糙度，图10为酸性条件下的参数趋势图，图10（a）为酸性条件下的表面粗糙度随pH值变化趋势图，图10（b）为酸性条件下金属镜表面氧含量随pH变化的趋势图。从折线图上可以看出氧含量在酸性条件下整体呈现上升趋势，这说明酸性的强弱与表面的去氧化有关系，酸性越强表面去氧化效果越好，但表面粗糙度呈现先降低再上升的趋势，在pH=4.1时表面粗糙度最低，表面质量最好。在酸性条件下研磨的金属镜，表面光亮度较纯水中研磨的金属镜有明显的提高，如图11所示。

图7 pH=3.5金属镜表面参数r

图8 pH=4.1金属镜表面参数

图9 pH=5.3金属镜表面参数

表1 酸性环境下的金属镜表面参数

图10 酸性条件下的参数趋势

图11 在酸性条件下研磨后的金属镜

3 碱性环境下的金属镜研磨实验

同样在碱性条件下基于理论：

在碱性条件下实验，选用NaOH作为铝合金碱性pH调节剂。氢氧化钠为强碱，用量低，其优点是无气味，pH值稳定。pH=13时，经过研磨后，通过EDS对元素进行分析并做白光干涉仪实验，得到金属镜表面参数如图12所示，此时氧含量为9.3%，表面粗糙度为251.67 nm，从氧含量来说在碱性条件下也可以有效地去除表面氧化，相较纯水中的研磨氧含量有了明显的下降，但是碱性太强对金属镜表面会造成腐蚀。在pH=12.1的研磨液下金属镜表面参数如图13所示，此时的氧含量为9.8%，表面粗糙度为208.83 nm，此时表面仍存在一定的腐蚀，所以并不是理想的研磨环境。在pH=11.4时金属镜表面参数如图14所示，氧含量为11.5%，表面粗糙度为172.67 nm，从图中可看出表面存在气孔，会不可避免的影响表面质量。pH=10.3时的金属镜表面参数如图15所示。金属镜表面氧含量为13.1%，此时的表面粗糙度为109.12 nm，可以看出此时金属镜表面质量由于碱性减弱，表面腐蚀变小，表面质量得到提高。pH=9.4时的金属镜表面参数如图16所示，金属表面氧含量为14.0%，表面粗糙度为149 nm。对在碱性环境下的数据进行整理如表2所示。表2记录了pH为9.4，10.3，11.4，12.1，13时金属镜表面的氧含量和表面粗糙度，数据折线图如图17所示。图17（a）为碱性条件下表面粗糙度随pH值的变化趋势，图17（b）为碱性条件下表面氧含量随pH值变化趋势。

图12 pH=13金属镜表面参数

图13 pH=12.1金属镜表面参数

图14 pH=11.4金属镜表面参数

图15 pH=10.3金属镜表面参数

图16 pH=9.4金属镜表面参数

表2 碱性环境下的金属镜表面参数

图17 碱性条件下的参数趋势

通过数据可以看出在碱性环境中，氧含量随着碱性的增强而下降，而表面粗糙度值呈现先降低后上升的趋势，在pH=10.3时表面粗糙度最低，在碱性环境下研磨的金属镜光亮度相较酸性环境较弱，比在清水中的较强，如图18所示。

图18 碱性环境下研磨得金属镜

从上述实验中可以看出在酸性环境里的金属镜表面氧含量要比碱性环境下的氧含量低，经过分析，铝合金6061中镁元素也很活泼，与氧反应易形成氧化镁。氧化铝是两性氧化物，可以酸和碱反应，而氧化镁是碱性氧化物，并不与碱反应，因此在酸性环境下金属镜表面氧含量更低，而在酸性条件下磨出的金属镜表面更加光亮。

4 油性环境下的金属镜研磨实验

无论使用碱性研磨液还是酸性研磨液，实验中用水作为研磨液时，水中都会含有一定的氧气，这就使研磨过程中会存在一定的氧化。使用油可以有效地隔绝氧气，基于此，本实验选用航空煤油作为研磨剂。航空煤油具有流动性好、热安定性好、抗氧化安定性好、不易蒸发、洁净度高、硫含量尤其是硫醇性硫含量低、腐蚀小等优点。实验结果数据如图19、图20所示，图19为金属镜表面元素含量，图20（a）为金属镜表面粗糙度、图20（b）为金属镜3D形貌图。从图中得出，在研磨液为油的情况下，氧元素含量仅为5.04%，表面粗糙度为138.26 nm，从3D形貌中可以看出材料的沙眼气孔等问题对金属镜的研磨实验存在影响，在煤油为研磨液的情况下的氧元素下降更为明显，说明去表面氧化效果更为明显。从物理观点上来说由于隔绝氧气，从而隔绝了氧气与铝合金表面的接触，因此不易产生氧化膜，实验过程中明显感到研磨速率提升更大。用航空煤油做研磨液得到的金属镜面与纯水做研磨液情况下的金属镜对比图，如图20所示，图20（a）为航空煤油作研磨液时研磨后铝镜，图20（b）为纯水作研磨液时研磨后的铝镜，用煤油做研磨液所得金属镜如图21所示。

图19 使用煤油做研磨液时的EDS分析结果

图20 油性情况下金属镜表面参数

图21 煤油做研磨液所得金属镜

5 结论

在酸性、碱性、油性环境下金属镜表面氧的含量都有明显的下降，说明这些研磨液可以有效地去除金属镜表面氧化膜，酸性环境下金属表面氧的去除率与酸性强弱有关，酸性越强去氧效果越好，碱性环境下也有同样的结论，碱性越强去氧效果越好。

氧化膜去除能力上油性环境＞酸性环境＞碱性环境，而金属镜表面光亮程度也呈现相同的关系。

在实验过程中随着氧化膜的去除，可以明显感到金属镜研磨速率的提升，原因是氧化膜具有耐磨、硬度大等特点，而铝镜基体相对较软，更容易加工。