CN101173361B - 非平衡液态复合脉冲等离子抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种抛光液，按质量百分比由以下组分组成：组分A：浓度为1％～10％的(NH₄)₂SO₄水溶液、组分B：浓度为0.2％～3％的乙二胺四乙酸、柠檬酸铵、酒石酸钠或草酸钠其中之一或两种以上的组合。利用该抛光液进行非平衡液态复合脉冲等离子抛光的方法，首先按上述组方配制抛光溶液，然后将待处理工件放入上述配制好的抛光液中，加入复合电脉冲或与之等效的不同正负脉冲的组合，控制正脉冲频率0.5～80kHz，占空比5％～95％，电压为200～480V，使反应处在最剧烈的状态，处理1～5分钟，即完成抛光处理过程。本发明采用了脉冲代替了直流，有利于等离子的产生，使放电等离子获得更高的动能，得到更好的镜面效果和更快的抛光速度。

Description

非平衡液态复合脉冲等离子抛光方法

技术领域

本发明属于金属材料表面处理和表面改性技术领域，涉及一种对金属材料进行表面处理的抛光液组方，尤其针对不锈钢、钛、铝合金、镁合金、铜等金属材料的抛光处理，本发明还涉及利用该抛光液对上述金属材料进行非平衡液态复合脉冲等离子抛光的方法。

背景技术

抛光既可作为金属结构件、装饰件表面处理的终端工艺从而有效改善其表面性能并提升装饰效果，也可作为各种(包括特种功能)表面改性技术的前期工序，使得后续处理十分简洁、方便。

目前常用的抛光工艺主要有机械抛光、化学抛光和电解抛光。

(1)机械抛光

机械抛光是借助抛光机和砂(布、毛毡)轮在有精细磨料的情况下，以一定的压力及旋转速度，对制品表面进行轻微切削处理和研磨，以除去毛刺、细微的不平和损伤，使之平整光滑的处理过程。

机械抛光存在有很多缺点：噪音污染非常大；抛光中产生的粉尘造成工作环境特别差；工人劳动强度大；而且机械抛光只能用于加工规则的工件，形状稍微复杂的工件很难进行机械抛光；工作效率低等。

(2)化学抛光

化学抛光是在一定温度、成分的酸碱溶液中对金属制品进行化学处理以提高其表面光亮度的过程。其基本原理是表面凹陷处容易积聚溶解产物，很快钝化，致使凹凸部位金属的溶解速度存在相当大的差别而得以实现的。

与机械抛光相比，用化学方法可以抛光形状较复杂和比较薄的金属、除去表面晶体变形层，获得表面装饰性良好的优质膜层。但是，化学抛光材料消耗大，运转费用高，抛光过程中产生有害气体，工作环境恶劣，抛光精度不高，不能满足高精度表面处理要求。

(3)电解抛光

电解抛光是将金属件或覆盖有金属层的电镀件作为阳极置入某种组成的溶液中时，该金属发生阳极极化并产生不稳定的钝化现象，如果将电流密度限定在该金属和该溶液所特有的一定电流密度范围内，此时无光泽的表面将变为抛光的光亮表面。电解抛光相对于化学抛光和机械抛光有如下优点：能够得到高的表面光洁度和高的抛光精度；能量消耗少；能够加工任何形状和尺寸的工件；抛光速度快，能大幅度提高生产效率；能改善金属零件表面的物理-机械性质、物理化学性质和使用性能。因此近三十年来电解抛光倍受人们的关注，并在工业中得到了一定的应用。

但是电解抛光自身也存在很多缺点，如：抛光前要对材料进行除油、除锈、脱脂、清洗等繁琐的工序；对溶液的组分、反应温度、搅拌情况有严格的要求；为了得到好的抛光效果通常在溶液中加入铬离子；溶液常为高浓度的强酸或强碱的混合溶液，成本较高，对废液的处理麻烦；在电解抛光前，通常要对工件进行机械抛光。

(4)等离子抛光

2001年和2003年台湾环宇真空科技股份有限公司分别公开了“物理化学的电子束抛光方法”(专利申请号01118250.4，公开号CN1388274，公开日2003.01.01)和“钛及钛合金制品的等离子体抛光方法”(专利申请号03121596.3，公开号CN1534113，公开日2004.10.06)两项技术方案。这种抛光方法不同于传统的电解抛光。它是将待抛光的金属制品放入含有NH₄ ⁺为基础的电解液中，再通过直流电压的输出，使得正极待抛光物周围的电解溶液因高电位差而瞬间蒸发产生气泡袋，此连续性的气泡袋会在被抛光物表面产生包覆气膜，气膜中间的蒸发等离子因高电压解离而产生放电等离子体，并通过放电等离子体把待抛光物表面上的突起部分击平，使其产生如镜面般的平面。这种方法与电解抛光相比，抛光速度快；处理方法简单，省去了除油、除锈、脱脂、清洗等预处理过程；溶液无毒，浓度低，无污染，可直接排放。但是这种方法所需要的电流和电压都较高，所以耗电量大。为了得到好的镜面效果，往往也需要预先进行机械整平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对金属材料进行表面处理的抛光液组方。

本发明的另一目的在于提供一种非平衡液态复合脉冲等离子抛光处理方法，采用复合电脉冲，代替目前使用于等离子抛光过程中所使用的直流电压，通过对输出电脉冲的调节，可以得到镜面效果。

本发明所采用的技术方案是，抛光液，按质量百分比由以下组分组成：

组分A：浓度为1％～10％的(NH₄)₂SO₄水溶液、

组分B：浓度为0.2％～3％的乙二胺四乙酸、柠檬酸铵、酒石酸钠或草酸钠其中之一或两种以上的组合。

本发明所采用的另一技术方案是，利用上述抛光液进行非平衡液态复合脉冲等离子抛光的方法，按以下步骤进行，

首先配制抛光溶液

取浓度为1％～10％的(NH₄)₂SO₄水溶液为组分A，取浓度为0.2％～3％的乙二胺四乙酸、柠檬酸铵、酒石酸钠或草酸钠其中之一或两种以上的组合水溶液为组分B，将组分A和组分B放入抛光槽中混合，使溶液温度为60～100℃；

然后对工件进行抛光处理

将待处理工件放入上述配制好的抛光液中，将待处理工件作为阳极，施加复合电脉冲或与之等效的不同正负脉冲的组合，控制正脉冲频率0.5～80kHz，占空比5％～95％，电压为200～480V，使反应处在最剧烈的状态，处理1～5分钟，即完成抛光处理过程。

本发明的复合脉冲等离子抛光处理方法，由于采用了脉冲代替了直流，可以在工件上施加瞬态电流和瞬态电压大于直流供电时相应电流和电压值，有利于等离子的产生，并使放电等离子获得更高的动能，得到更好的镜面效果和更快的抛光速度。由于采用脉冲电流，虽然峰值电流很大，但平均电流和平均电压不高，又加之抛光速度快，所以能耗低。在脉冲抛光过程中，由于脉冲电流的间歇作用和阶跃变化，可以避免直流等离子抛光过程中在电流过高时引起工件表面烧蚀的现象，使工艺过程更容易控制。

附图说明

附图是电脉冲及几种复合电脉冲示意图，其中，a为普通电脉冲，b、c、d为几种正负复合电脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的抛光液，按质量百分比由组分A和组分B组成，其中，组分A：浓度为1％～10％的(NH₄)₂SO₄水溶液、组分B：浓度为0.2％～3％的乙二胺四乙酸、柠檬酸铵、酒石酸钠或草酸钠其中之一或两种以上的组合，各组分之间没有配比要求。

本发明提供的利用上述抛光液进行非平衡液态复合脉冲等离子抛光的方法，按以下步骤进行，

首先配制抛光溶液

取浓度为1％～10％的(NH₄)₂SO₄水溶液为组分A，取浓度为0.2％～3％的乙二胺四乙酸、柠檬酸铵、酒石酸钠或草酸钠其中之一或两种以上的组合水溶液为组分B，将组分A和组分B放入抛光槽中混合，控制溶液温度为60℃～100℃。

然后对工件进行抛光处理

将待处理工件放入上述配制好的抛光液中，将待处理工件作为阳极，施加复合电脉冲或与之等效的不同正负脉冲的组合，控制正脉冲频率0.5～80kHz，占空比5％～95％，电压为200～480V，使反应处在最剧烈的状态，处理1～5分钟，即完成抛光处理过程。

本发明方法使用现有的材料处理的装置，包括电解槽、阴极极板(可选用不锈钢、铅、铂)、电源(电压0～600V，频率0.5～80kHz，占空比5％～95％)、温度控制装置和循环冷却装置。

通过对阴极极板的设计，可以对不同曲面形状的工件以及管状工件的内壁进行抛光。

所加的电脉冲可以如附图的波形，a为普通电脉冲，b、c、d为几种正负复合电脉冲，其中各电脉冲可以为方波，也可以为三角波或正弦波，也可以是直流与脉冲的组合，其中正脉冲和负脉冲的比值m∶n可取任意值。

本发明的非平衡液态复合脉冲等离子抛光处理方法是将待抛光金属工件作为阳极，放入电解质溶液中，在高电压作用下，在电极表面气体层产生等离子，等离子轰击以及工件与电解质溶液的电化学反应使得工件表面得到好的镜面效果。

本发明方法中的等离子是靠强电场产生的。在一定的温度下，电压高于等离子体产生的电压时，在电解液和工件表面生成一层气囊，在气囊层内产生的等离子轰击阳极表面。一方面在电场下阳极的自身氧化，在工件表面生成一层氧化层，另一方面在等离子体的轰击下，氧化层溶解。当氧化与溶解达到平衡时，工件表面的粗糙度减小，反射率提高，达到镜面效果。

采用脉冲的好处是，电压不断变化，脉冲上升和下降阶段，极高的电压变化率(du/dt)对工件表面起到整平的作用；高压阶段对工件起到抛光效果。因此抛光前不需要对工件进行机械抛光。在两个脉冲间隔的时间内由于溶液的扩散，使工件表面的溶液浓度得以恢复，相当于对溶液的搅拌。

复合脉冲，是将不同形状的电脉冲按照一定规律进行组合或叠加，通过不同波形的脉冲的变化达到改变电场的目的，从而获得切削效果合适、光洁度高、粗糙度小的抛光效果。

下面将结合实施例对发明的效果进行说明。

实施例1

待处理工件：304不锈钢片

配制抛光液为：组方A浓度为3％的(NH₄)₂SO₄水溶液，组方B浓度为1％的柠檬酸铵水溶液，组方A和组方B混合，溶液温度90℃。

将八片完全相同的304不锈钢片分成两组，分别采用直流和脉冲在不同条件下抛光：

直流1：电压200V，温度90℃，时间2分钟。

直流2：电压250V，温度90℃，时间2分钟。

直流3：电压300V，温度90℃，时间2分钟。

直流4：电压350V，温度90℃，时间2分钟。

脉冲1：电压200V，温度90℃，时间2分钟，频率10KHz，占空比50％。

脉冲2：电压250V，温度90℃，时间2分钟，频率10KHz，占空比50％。

脉冲3：电压300V，温度90℃，时间2分钟，频率10KHz，占空比50％。

脉冲4：电压350V，温度90℃，时间2分钟，频率10KHz，占空比50％。

表1直流抛光和脉冲抛光的比较

实施例2

待处理工件：304不锈钢片

配制抛光液为：组分A浓度为6％的(NH₄)₂SO₄水溶液，组分B浓度为2％的EDTA和1％的草酸钠的混合水溶液，组分A和组分B混合，溶液温度95℃。

将四片完全相同的304不锈钢片分成两组，分别采用直流脉冲和复合电脉冲在不同条件下抛光：

直流脉冲1：电压280V，频率80KHz，占空比95％，时间2分钟。

直流脉冲2：电压350V，频率80KHz，占空比95％，时间2分钟。

复合脉冲1：正脉冲电压280V，频率80KHz，占空比95％，负脉冲电压100V，时间2分钟。

复合脉冲2：正脉冲电压350V，频率80KHz，占空比95％，负脉冲电压100V，时间2分钟。

上述复合电脉冲采用附图b中的波形。

表2直流脉冲抛光和复合脉冲抛光的比较

	直流脉冲1	直流脉冲2	复合脉冲1	复合脉冲2
					抛前粗糙度(Ra)	0.772	0.771	0.767	0.775
抛前光亮度(％)	30.3	30.2	30.0	31.2
					抛后粗糙度(Ra)	0.103	0.072	0.070	0.066
抛后光亮度(％)	89	93	94	96

实施例3

待处理工件：白铜(含镍7％)，钛

配制抛光液为：浓度为1％(NH₄)₂SO₄和浓度为3％的柠檬酸铵水溶液，溶液温度90℃。

分别在直流脉冲和复合脉冲处理下：

直流脉冲：电压350V，频率0.5KHz，占空比50％，时间2分钟。

复合脉冲2：正脉冲电压350V，频率0.5KHz，占空比50％，负脉冲电压100V，时间2分钟。

上述复合电脉冲采用附图d中的波形，其中m∶n＝2∶1。

表3脉冲抛光和复合电脉冲抛光的比较

实施例4

待处理工件：铝合金

组方A浓度为10％的(NH₄)₂SO₄水溶液，组方B浓度为0.2％的酒石酸钠水溶液，组方A和组方B混合，溶液温度60℃。

将待处理工件作阳极，施加复合电脉冲，参数控制如下：复合脉冲采用附图d中的波形，其中m∶n＝1∶2，正脉冲电压480V，频率80KHz，占空比5％，负脉冲电压100V，时间5分钟。

表4铝合金抛光效果

编号	抛前粗糙度(Ra)	抛前光亮度(％)	抛后粗糙度(Ra)	抛后光亮度(％)
					1	0.802	25.3	0.366	60.2
2	0.811	24.7	0.359	61.0

Claims (1)

1.一种非平衡液态复合脉冲等离子抛光的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

首先配制抛光溶液

取浓度为1％～10％的(NH₄)₂SO₄水溶液为组分A，取浓度为0.2％～3％的乙二胺四乙酸、柠檬酸铵、酒石酸钠或草酸钠其中之一或两种以上的组合水溶液为组分B，将组分A和组分B放入抛光槽中混合，使溶液温度为60～100℃；

然后对工件进行抛光处理

将待处理工件放入上述配制好的抛光液中，将待处理工件作为阳极，施加复合电脉冲或与之等效的不同正负脉冲的组合，控制正脉冲频率0.5～80kHz，负脉冲电压100V，占空比5％～95％，正脉冲电压为200～480V，使反应处在最剧烈的状态，处理1～5分钟，即完成抛光处理过程；

所述复合电脉冲是指将不同形状的电脉冲按照一定规律进行组合或叠加，通过不同波形的脉冲的变化达到改变电场的目的，从而获得切削效果合适、光洁度高、粗糙度小的抛光效果。