黄铜在过氧化氢

   2019-07-03 44
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    由于硝酸抛光液易产生有毒的氮氧化物气体,在许多地方已不准使用。因此近年来用无污染的过氧化氢(双氧水)取代硝酸的黄铜化学抛光工艺,如过氧化氢-硫酸体系,过氧化氢一盐酸一磷酸(或磷酸盐)体系和过氧化氢-磷酸-硼酸盐体系,已纷纷在工业上获得应用,其中应用最广的是过氧化氢-硫酸体系。

    关于在过氧化氢-硫酸体系中化学抛光的机理,国际上已进行了一些研究。A.Hickling等曾研究了铁在H2O2-H2SO4液中的化学抛光,认为化学抛光过程中,金属表面的光亮化与其表面周期性的气体产生,与铁表面上极薄的氧化物的不断生成和溶解有关。1987年,Vengris等利用阴极还原法和电子衍射法,测定了铜及其合金在H2O2体系抛光液中抛光时所形成的表面钝化膜的组成和厚度,认为该体系化学抛光的机理也与电抛光的机理相似,是通过形成钝化膜来实现的。到目前为止,尚未见到人们对黄铜在过氧化氢-硫酸体系中化学抛光过程及其机理的系统研究。因此,我们在研究了黄铜在硝酸-硫酸体系中化学抛光的机理质,又进一步研究了黄铜在过氧化氢-硫酸体系中化学抛光的机理,以便探索同一种铜合金材料,在不同类型的化学抛光液中进行化学抛光时,其作用机理是否相同。

一、黄铜在过氧化氢-硫酸体系中化学抛光不同阶段时的表面形貌

    图2-32是黄铜在160mL/L 30% H2O2,40mL/L H2SO4,60mL/L异丙醇50℃下分别抛光5s、20s、70s的扫描电镜照片。

    由图2-32(a)可见,黄铜片在浸入上述抛光液55时,其表面已被侵蚀而出现许多腐蚀坑,表明这时是处在侵蚀阶段。在抛光液中浸渍20s时,黄铜片表面的腐蚀坑消失,表面平滑而光亮(见图2-32(b)),这是抛光的第二阶段——光亮阶段。当抛光时间延长至70s时,试片表面又变得不光亮,表面有许多腐蚀坑与麻点(见图2-32(c)),表明抛光已进入第三阶段——过腐蚀阶段。这一组照片表明:黄铜在过氧化氢-硫酸体系中化学抛光,其抛光过程与黄铜在硝酸-硫酸体系一样,都可以明显地分为三个阶段。

二、黄铜在不同浓度的H2O2液中抛光时的光反射率-时间曲线

    图2-33是黄铜在H2O2-H2SO4体系液中化学抛光时,抛光液中H2O2浓度改变时所得到的光反射率-时间曲线。由图2-33可见,在化学抛光的初始阶段,试片表面的光反射率随浸渍时间增加而迅速下降,与此相应的是此时试片表面出现许多腐蚀坑,因此从光反射率-时间曲线中光反射率随抛光时间迅速下降的区域即为化学抛光的第一阶段——浸蚀阶段。随着过氧化氢浓度的逐步升高,浸蚀的速度越来越快,浸蚀阶段所持续的时间越来越短,由数十秒而降为数秒。这可能是由于过氧化氢浓度高时,其氧化能力增强,金属的溶解速度加快,表面金属离子积聚而形成钝化膜的速度也加快,表面反射率上升的速度也加快。当抛光继续进行,表面的光反射率经一定时间后即超过试片的初始反射率,这意味着金属表面变得比未抛光时更加光亮,此时即进入抛光的第二阶段——光亮阶段。光亮阶段严格说来应从光反射率达最低点算起,到达光反射率最高点为止。当光反射率由最高点开始下降时,抛光过程进入第三个阶段——过腐蚀阶段。在实际生产时,往往并不按此划分,而是以出现腐蚀、出现光亮和出现过腐蚀未区分,即试片开始腐蚀至部分被整平的区域称为浸蚀阶段;把试片出现光亮至部分过腐蚀的区域称为光亮阶段,把已明显出现过腐蚀的区域称为过腐蚀阶段。

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    随着过氧化氢浓度的逐渐升高,保持较高光亮度的稳定区的范围变窄,反射率的最高点的数值也不见上升,这表明,所用过氧化氢的浓度并非越高越好,从本研究条件而言,其浓度以选择在150mL/L~170mL/L为宜。

三、抛光液工作温度对光反射率-时间曲线的影响

    为了弄清抛光液的温度对抛光效果的影响,我们测定了不同液温下抛光不同时间的黄铜片的反射率,结果如图2-34所示。由图可见,随着抛光液温度的上升,曲线逐渐向左移动,反射率的最高值没有明显的变化,这表明升高抛光液的温度,仅仅可以加速抛光过程,并不能提高金属表面的光亮度。同时,随着温度的升高,高反射率的稳定区变窄,反射率最高点的峰变窄,这意味着抛光时可以快速达到最高光亮度,但随即也以很快的速度进入过腐蚀区,过时工业生产是很不利的。因为要准确稳定在高反射区十分困难,因此用过氧化氢-硫酸体系化学抛光时,温度不宜过高。为防止抛光过程的自然升温,有时还要采取适当的降温措施,这样才能获得良好的抛光效果。

四、过氧化氢含量和温度对抛光液电位-时间曲线的影响

    图2-35和图2-36是黄铜浸入不同浓度过氧化氢液中和在相同过氧化氢浓度但温度不同的化学抛光液中,所测得的电位随时间变化的曲线。

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    由图2-35和图2-36可以看出,两个图中的两组曲线有类似的形状,开始时电位迅速负移,达峰值后开始向正移动,最后达到稳定的电位值。过氧化氢浓度升高时电位-时间曲线的变化同温度升高时相似,曲线都向负电位方向移动,但形状基本不变,表明在图中所示的条件下,反应的机制并未发生变化,只是反应速度整个加快而已。这一结果与Arrowsmish和Cunningham研究铝在化学抛光液中的电位-时间曲线很相似。

    由于电位-时间曲线属于热力学参数的变化,它难以显示动力学参数的变化,而抛光过程主要是个动力学过程,若用动力学的方法进行测定(如用下述的极化曲线或电流-电位曲线的测定),其结果可能更易说明问题。

五、过氧化氢含浓度且和温度对抛光液电流-电位曲线的影响

    图2-37和图2-38是黄铜浸入不同浓度的过氧化氢液中和在相同过氧化氢浓度但温度不同的化学抛光液中所测得的电流-电位曲线。

   由图2-37和图2-38可见,两组电流-电位曲线(极化曲线)与电抛光黄铜时的极化曲线非常相似,也与纯铜片在硝酸-硫酸系化学抛光液的极化曲线相似,它们都可以分为三个区域:在抛光开始时,电流逐迅上升,它对应于金属表面处于活性溶解阶段,即化学抛光的侵蚀阶段;当电位进一步正移时,电流随电位的变化很小,此时出现一个类似于电抛光的“平坦区”,表明金属此时已处于钝化状态,即抛光过程的光亮阶段;当电位进一步正移时,钝化状态又受到破坏,金属进一步被腐蚀,电流的数值又进一步增大,此时即达到过腐蚀阶段。因此,化学抛光液的阳极电流-电位曲线、反射率-时间曲线以及扫描电镜分析的结果,都证明化学抛光与电化学抛光一样,也存在明显的三个阶段,而光亮阶段的出现均在金属表面首先被快速溶解,大量金属离子在表面积聚而形成钝化膜后才实现的。金属的快速溶解可以通过电化学溶解(电抛光),也可以通过化学溶解(化学抛光)来实现,因此化学抛光与电化学抛光可以通过相同的作用机理来进行。实验结果也表明,黄铜在过氧化氢-硫酸体系中进行化学抛光和在硝酸-硫酸体系中进行抛光,其过程也是完全相似的,因此其作用机理也是相似的,并无多大差异。

 
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