CN100585027C - 一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺 - Google Patents

一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺，是在无氟处理液中进行的电化学抛光处理。本发明处理液解决了现有处理液中含有剧毒、强刺激性气味物质的缺陷，采用本发明处理液对钛及钛合金基体进行抛光处理，可以避免在阳极氧化前处理过程中氢氟酸的使用，同时也避免了甲醇、醚类等有毒物质及冰醋酸的使用，不会产生对人体不利的挥发物质及强烈刺激性气味，是一种环保安全的无氟电化学抛光工艺方法。

Description

一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺
技术领域
本发明涉及一种基体的处理工艺，更特别地说，是指一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺，即电化学抛光处理工艺。
背景技术
当前钛及钛合金的阳极氧化无论是在工程上的腐蚀与防护，还是在医疗上的人工关节表面生物相容性改良都有十分重要的意义。目前，一般工程上的阳极氧化前处理工艺中的化学抛光(酸腐蚀)步骤所采用的主要物质为含氢氟酸(或氟离子)的溶液。氢氟酸是一种高毒物质，极易挥发到空气中；将其对钛及钛合金基体进行化学抛光处理时会发生剧烈反应，氟离子能与钛离子的络合物稳定性很强，能够紧密吸附在钛及钛合金的表面，使钛及钛合金基体与空气隔绝，因此钛及钛合金基体表面也就无法生成钝化膜，这也是大部分钛及钛合金的阳极氧化、电镀及其它表面处理用含有氢氟酸的溶液腐蚀作为前处理的手段的原因。如HB/Z347-2002中的两种腐蚀液中均含有氢氟酸；而在医用方面，如义齿的表面抛光、人工关节表面HA涂层的沉积制备中也用到氢氟酸。ASTM E 1558-99中总结了较多的无氟钛合金电化学抛光溶液的配方，但是这些配方中较多地用到甲醇、冰醋酸及乙二醇独丁醚等醚类，这些物质或有毒或有强烈刺激性气味，于生产环境、人体健康不利。
一般对基体的阳极氧化处理包括有除油→抛光→阳极氧化，本发明人提出了一种新型的无氟化学抛光处理工艺。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺，本发明的处理液解决了现有处理液中含有剧毒、强刺激性气味物质的缺陷，采用本发明处理液对钛及钛合金基体进行抛光处理，可以避免在阳极氧化前处理过程中氢氟酸的使用，同时也避免了甲醇、醚类等有毒物质及冰醋酸的使用，不会产生对人体不利的挥发物质及强烈刺激性气味，是一种环保安全的无氟电化学抛光工艺方法。
本发明是一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺，其电化学抛光处理步骤有：
第一步：配制处理液
无水乙醇    275～550g/L；
乳酸        360～600g/L；
高氯酸      35～260g/L；
高氯酸盐    2～20g/L。
第二步：钛及钛合金基体打磨
将待处理的钛及钛合金基体打磨，使基体表面具有粗糙度Ra为6.4～1.6μm；然后将打磨后的基体采用酒精清洗1～3次，自然晾干待用；
第三步：抛光处理
将经第二步处理的基体与直流稳压稳流电源的正极连接，一铅板与直流稳压稳流电源的负极连接，放入装有处理液的电解槽中进行前处理；参见图1所示，经第二步处理的基体作为阳极，铅板作为阴极。
前处理条件：处理液温度20～30℃，
电流密度15～35A/dm2，
阴极与阳极的极间距5～20mm，
阴极与阳极的面积比2～5∶1，
搅拌强度200～250rpm，
抛光处理时间5～20min
第四步：超声清洗
将经第三步处理后的基体在无水乙醇中进行超声清洗2～5min后取出，即可进行阳极氧化处理了。
以本发明处理液进行钛及钛合金阳极氧化的基体前处理其最大的优点在于无毒、环保，无刺激性气味，极大地改善了抛光过程中的操作条件。采用本发明处理液和处理步骤对基体的前处理时间较短效果显著，在2～4min的抛光后即可获得清洁、活化的基体表面。本发明前处理所采用的电源为普通直流电源220～250V，配套控温、搅拌设备也是简单易制易得。
附图说明
图1是基体电解抛光示意图。
图2A是抛光前的TB6钛合金表面光学显微照片。
图2B是抛光后的TB6钛合金表面光学显微照片。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺，其电化学抛光处理步骤有：
第一步：配制处理液
无水乙醇    275～550g/L；
乳酸        360～600g/L；
高氯酸      35～260g/L；
高氯酸盐    2～20g/L。
在本发明中，处理液的高氯酸盐可以是高氯酸钠NaClO4、高氯酸钾KClO4、高氯酸铵NH4ClO4。
第二步：钛及钛合金基体打磨
将待处理的钛及钛合金基体打磨，使基体表面具有粗糙度Ra为6.4～1.6μm；然后将打磨后的基体采用酒精清洗1～3次，自然晾干待用；
第三步：抛光处理
将经第二步处理的基体与直流稳压稳流电源的正极连接，一铅板与直流稳压稳流电源的负极连接，放入装有处理液的电解槽中进行前处理；参见图1所示，经第二步处理的基体作为阳极，铅板作为阴极。
前处理条件：处理液温度20～30℃，
电流密度15～35A/dm2，
阴极与阳极的极间距5～20mm，
阴极与阳极的面积比2～5∶1，
搅拌强度200～250rpm，
抛光处理时间5～20min，
第四步：超声清洗
将经第三步处理后的基体在无水乙醇中进行超声清洗2～5min后取出，即可进行阳极氧化处理了。
在本发明中，无水乙醇的主要作用是作为溶剂，使用无水乙醇作为溶剂可以最大限度地减少溶液中水分的含量，因为水分的存在会增加钛合金表面钝化膜的稳定性，不利于抛光的进行。乳酸是一种弱电解质，在溶液中可以电离出氢离子(H+)。在抛光过程中随着反应的进行，氢离子会消耗，浓度会降低；乳酸则可以电离出氢离子补充反应中的消耗，因此乳酸起到了一种氢离子“储存器”的作用。高氯酸是抛光过程中的主要反应物质，在金属与溶液界面高氯酸根发生如下的反应：ClO4 -+8H++8e＝Cl-+4H2O，而钛则溶解成不同价态的离子，这就是抛光得以进行的原因；同时高氯酸也是添加剂高氯酸盐的溶剂，因为只有高氯酸才能溶解高氯酸盐。高氯酸盐作为添加剂，其主要作用是提供高氯酸根离子，从而间接地降低了高氯酸的用量。
采用本发明抛光后的钛及钛合金基体表面适当超声清洗后即可进行后续的阳极氧化步骤，得到的阳极氧化膜覆盖均匀，厚度一致，证明抛光对表面起到了活化作用。
实施例1
对TB6钛合金基体进行电化学抛光处理(即阳极氧化前处理)的步骤有：
第一步：配制处理液
无水乙醇                  500g/L；
乳酸                      400g/L；
高氯酸                    88g/L；
高氯酸钠NaClO4·H2O      7.5g/L。
第二步：TB6钛合金基体打磨
将待处理的TB6钛合金基体采用金相砂纸打磨，使基体表面具有粗糙度Ra为2.0～1.7μm；然后将打磨后的基体采用酒精清洗3次，自然晾干待用；
第三步：抛光处理
将经第二步处理的基体与直流稳压稳流电源的正极连接，一铅板与直流稳压稳流电源的负极连接，放入装有处理液的电解槽中进行前处理(参见图1所示)；其处理参数如下：
前处理条件：处理液温度25±2℃，
电流密度30A/dm2，
阴极与阳极的极间距10mm，
阴极与阳极的面积比5∶1，
搅拌强度200rpm，
抛光处理时间12min，
第四步：超声清洗
将经第三步处理后的基体在无水乙醇中进行超声清洗5min后取出，即可进行阳极氧化处理。
将经上述化学抛光处理的TB6钛合金进行抛光前后的光学显微镜照片对比，图2A是抛光前的TB6钛合金表面放大200倍数的照片，从照片中可以明显看出表面有大量的打磨痕迹，由于漫反射的原因，其亮度较低；经本发明的抛光处理后，参见图2B所示，在放大200倍数的照片中，打磨痕迹彻底消失，显现出镜面状，由于光线镜面反射，其亮度较高。
实施例2
对TA15钛合金基体进行化学抛光处理(即阳极氧化前处理)的步骤有：
第一步：配制处理液
无水乙醇        275g/L；
乳酸            600g/L；
高氯酸          35g/L；
高氯酸钾KClO4   2g/L。
第二步：TA15钛合金基体打磨
将待处理的TA15钛合金基体采用金相砂纸号打磨，使基体表面具有粗糙度Ra为6.4～3.2μm；然后将打磨后的基体采用酒精清洗2次，自然晾干待用；
第三步：抛光处理
将经第二步处理的基体与直流稳压稳流电源的正极连接，一铅板与直流稳压稳流电源的负极连接，放入装有处理液的电解槽中进行前处理(参见图1所示)；其处理参数如下：
前处理条件：处理液温度30℃，
电流密度15A/dm2，
阴极与阳极的极间距5mm，
阴极与阳极的面积比2∶1，
搅拌强度250rpm，
抛光处理时间20min，
第四步：超声清洗
将经第三步处理后的基体在无水乙醇中进行超声清洗2min后取出，即可进行阳极氧化处理。
将经上述化学抛光处理的TA15钛合金进行抛光前后的光学显微镜照片对比，抛光前的TA15钛合金表面存在大量平行的打磨痕迹；经上述抛光处理后的TA15钛合金表面平整、光滑如镜面。
实施例3
对TC4钛合金基体进行化学抛光处理(即阳极氧化前处理)的步骤有：
第一步：配制处理液
无水乙醇            550g/L；
乳酸                360g/L；
高氯酸              260g/L；
高氯酸钾KClO4       20g/L。
第二步：TC4钛合金基体打磨
将待处理的TC4钛合金基体采用金相砂纸号打磨，使基体表面具有粗糙度Ra为4.0～1.6μm；然后将打磨后的基体采用酒精清洗3次，自然晾干待用；
第三步：抛光处理
将经第二步处理的基体与直流稳压稳流电源的正极连接，一铅板与直流稳压稳流电源的负极连接，放入装有处理液的电解槽中进行前处理(参见图1所示)；其处理参数如下：
前处理条件：处理液温度20℃，
电流密度35A/dm2，
阴极与阳极的极间距20mm，
阴极与阳极的面积比4∶1，
搅拌强度250rpm，
抛光处理时间5min，
第四步：超声清洗
将经第三步处理后的基体在无水乙醇中进行超声清洗2min后取出，即可进行阳极氧化处理。
将经上述化学抛光处理的TC4钛合金进行抛光前后的光学显微镜照片对比，抛光前的TC4钛合金表面存在大量平行的打磨痕迹；经上述抛光处理后的TC4钛合金表面平整、光滑如镜面。
本发明应用于钛及钛合金的阳极氧化工艺，用作钛及钛合金阳极氧化的前处理步骤(化学抛光)。钛合金零件在其前期的加工过程中不可避免地其表面要受到污染，因此其表面不仅存在一层自然氧化膜，而且还存在一层污染层。由于自然氧化膜和污染层的存在，阳极氧化存在困难，因此在阳极氧化之前需要除去其表面的自然氧化膜和污染层。

Claims (2)

1、一种适用于钛及钛合金阳极氧化的基体前处理工艺，其特征在于有下列电化学抛光处理步骤：
第一步：配制处理液
无水乙醇                275～550g/L；
乳酸                    360～600g/L；
高氯酸                  35～260g/L；
高氯酸盐                2～20g/L；
第二步：钛及钛合金基体打磨
将待处理的钛及钛合金基体打磨，使基体表面具有粗糙度Ra为6.4～1.6μm；然后将打磨后的基体采用酒精清洗1～3次，自然晾干待用；
第三步：抛光处理
将经第二步处理的基体与直流稳压稳流电源的正极连接，一铅板与直流稳压稳流电源的负极连接，放入装有处理液的电解槽中进行前处理；
前处理条件：处理液温度20～30℃，
电流密度15～35A/dm2，
阴极与阳极的极间距5～20mm，
阴极与阳极的面积比2～5∶1，
搅拌强度200～250rpm，
抛光处理时间5～20min，
第四步：超声清洗
将经第三步处理后的基体在无水乙醇中进行超声清洗2～5min后取出，即可进行阳极氧化处理了。
2、根据权利要求1所述的基体前处理工艺，其特征在于：处理液的高氯酸盐是高氯酸钠NaClO4、高氯酸钾KClO4或高氯酸铵NH4ClO4。
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