CN101994148B - 一种钛及钛合金抛光液及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面处理技术领域，涉及一种钛及钛合金抛光液，该抛光液包括该抛光液包括乳酸、甲醇、丙三醇、氟的无机盐和光亮剂。本发明的抛光液中不含有氢氟酸，不会产生对人体不利的挥发物质及强烈刺激性气味，是一种环保安全的抛光液，使用本发明的抛光液对钛及钛合金进行抛光，可以使钛及钛合金表面不产生纹路，可以得到镜面光的效果。本发明还提供了一种抛光方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解抛光液及抛光方法，尤其涉及一种钛及钛合金电解抛光液及抛光方法。
背景技术
钛及钛合金因为具有质量轻、强度高、抗腐蚀性能优异，并且对人体皮肤不会产生过敏等特性成为继钢、铝、镁之后的21世纪的新型金属，被广泛的应用在飞机、导弹、轮船、汽车、石油、化工、生物医学等领域。而且由于钛的无极性、钛铌合金的超导性、钛铁合金的储氢能力等特性等使钛合金在尖端科学和高科技领域发挥着极其重要的作用。
由于钛及钛合金的广泛应用，钛及钛合金的加工也日益受到重视。其中，钛及钛合金的抛光可以处理钛及钛合金在加工过程所形成的粗糙面，因此钛及钛合金的抛光是整个钛及钛合金加工过程中不可或缺的加工程序。
钛及钛合金的抛光方法可分为三种，即机械抛光、化学抛光和电解抛光。
机械抛光，是指抛光轮高速旋转，抛光件与抛光轮摩擦产生高温，使抛光件金属塑性提高，在抛光力的作用下，抛光件表面产生塑性变形，凸起的部分被压入并流动，凹进的部分被填平，从而使不平的表面得到改善。但是一般的机械抛光后有比较严重的抛光纹的弊端。
化学抛光即酸腐蚀，所采用的主要物质为氢氟酸或氟离子的溶液。其机理为：金属在化学抛光液中，由于酸的氧化作用，表面形成一层较厚的粘液膜，这层粘液膜在金属表面较凸的部位较薄，较凹的部分较厚。同时，由于酸的还原作用，使金属表面发生溶解反应，溶解的金属离子向溶液中扩散时，在金属表面较凸的部位则相反，这种化学反应反复进行，从而金属表面达到整平的目的。对钛或钛合金基体进行化学抛光处理时会发生剧烈反应，氟离子与钛离子的络合物稳定性很强，能够紧密吸附在钛或钛合金的表面，使钛或钛合金基体与空气隔绝，因此钛或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电镀及其他表面处理用含有氢氟酸的溶液腐蚀作为前处理的原因。但是，氢氟酸是一种高毒物质，极易挥发到空气中。
电解抛光，与机械抛光相比，电解抛光可大大减小抛光件内部和表面的应力，适用于任何硬度的金属和合金，它依靠选择性溶解材料表面微小的凸出部分使表面光滑，其抛光后的光洁度与表面平整度比机械抛光保持得更长久。
现有技术中公开了一种不含有氢氟酸的钛合金抛光液，给钛合金抛光液包括：
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
但是由于钛及钛合金基体表面容易生成氧化膜，且氧化膜硬度高，抛光难度大，该钛合金抛光液容易产生抛光纹路，难以达到镜面光的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的钛及钛合金的抛光液抛光后会在钛及钛合金表面产生抛光纹路，难以得到镜面光效果的钛合金表面的缺陷，从而提供一种不产生纹路，可以得到镜面光效果的钛及钛合金抛光液。
本发明提供了一种钛及钛合金抛光液，该抛光液包括乳酸、甲醇、丙三醇、氟的无机盐和光亮剂。
本发明要解决的另一个技术问题是现有的抛光技术对钛及钛合金的抛光难度大，容易产生抛光纹路，难以达到镜面光的效果的缺陷，从而提供一种容易抛光，不产生抛光纹路，可以达到镜面光的效果的钛及钛合金抛光方法，该方法为先将钛或钛合金进行机械抛光，然后进行电解抛光，所述电解抛光的抛光液为本发明所述的抛光液。
本发明所用的电解抛光液及抛光方法克服了现有的电解抛光液和抛光方法抛光难度大，容易产生抛光纹路，难以达到镜面光的效果的弊端，从而拥有容易抛光，不产生抛光纹路，可以达到镜面光的效果。
具体实施方式
本发明提供了一种钛及钛合金抛光液，该抛光液包括乳酸、甲醇、丙三醇、氟的无机盐和光亮剂。
根据本发明提供的钛及钛合金抛光液，在优选情况下，所述乳酸的含量为200-450ml/L。在本发明中，抛光液选用了相对粘性低的乳酸，使电流密度较低，阳极溶解缓慢，以达到缓慢抛光的目的。同时，所述乳酸是一种弱电解质，在溶液中可以电离出氢离子。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消耗的氢离子。当乳酸的含量小于200ml/L，抛光速度太慢，需要的时间太长；当乳酸的含量大于450ml/L时，抛光得到的镜面光效果差。
根据本发明提供的钛及钛合金抛光液，在优选情况下，所述甲醇的含量为300-500ml/L。所述甲醇的主要作用是作为溶剂，使用甲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。但是当甲醇的含量小于300ml/L时，抛光液中水分所占的比例相对较大，钛合金表面的钝化膜相对会比较稳定，因此如上所说，不利于抛光的进行；当甲醇的含量大于500ml/L时，甲醇作为溶剂，会使抛光液中其余的有效成分的含量降低，不利于抛光的进行。
根据本发明提供的抛光液，在优选情况下，所述的丙三醇含量为30-50ml/L。所述丙三醇是缓蚀剂，从丙三醇的分子结构式看，极性机体上的氧元素为共用的电子对与酸液中的氢离子成键形成阳离子并吸附在钛或钛合金的表面腐蚀微电池的阴极区域，改变了钛合金表面的双层电层结构，提高了钛合金离子化过程的活化能，而非极性基团远离金属表面作定向排布，形成一层疏水的薄膜，产生了覆盖效应。成为氢离子扩散的屏障，因而增加了氢离子的还原过电位，即产生了阴极极化而降低腐蚀，这样就使腐蚀反应在一定程度上受到抑制，起到缓蚀剂的作用。经过大量试验发现，丙三醇含量在30-50ml/L范围内，钛及钛合金表面不产生抛光纹路，镜面光的效果最好。
根据本发明提供的抛光液，在优选情况下，所述氟的无机盐的含量为3-6g/L。所述氟的无机盐为氟化钡、氟化钠、氟化钾中的一种或多种。所述抛光液中的氟离子能与钛表面形成的氧化膜发生反应，使其迅速活化。且氟离子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，使钛及钛合金与空气隔绝，抑制氧化膜的产生。当氟的无机盐的含量小于3g/L，氟离子在抛光液中的含量相对较低，不能快速有效地祛除钛和钛合金表面的氧化膜，不利于抛光的进行；当氟的无机盐的含量大于6g/L，氟离子过量，对实验效果变化不明显。
根据本发明提供的抛光液，所述抛光液中的在优选情况下，所述光亮剂的含量为3-12g/L，所述光亮剂为糖精、明胶、硬脂酸钠、苯骈三氮唑等中的一种或多种。所述光亮剂的作用是使钛及钛合金的表面更光亮，能够得到光亮的镜面效果。当光亮剂的含量小于3g/L，不利于钛及钛合金表面的出光；当光亮剂的含量大于12g/L，对产品的出光效果没有明显的提升。
根据本发明提供的抛光液适合钛及各种型号的钛合金，如TC4、TA15、TA10、TB6。
本发明还提供了一种钛及钛合金抛光方法，其中，先将钛或钛合金进行机械抛光，然后进行电解抛光，所述电解抛光的抛光液为本发明所述的抛光液。
本发明提供的抛光方法是利用机械抛光和电解抛光的有效结合，同时电解抛光的抛光液是本发明所述的抛光液，使钛合金基体表面无抛光纹路并且达到镜面光的效果。
根据本发明提供的抛光方法，在优选情况下，所述电解抛光是将待抛光的钛或钛合金作为阳极，钛板作为阴极进行电解抛光，所述电解抛光的温度为20-30℃，电流密度为10-30A/dm2，抛光时间为10-20min。
电解抛光的温度对抛光过程有很大的影响，当温度低于20℃时，抛光液的粘度较高，金属溶解慢，溶液的导电性不好，达不到好的抛光效果；电解抛光的温度升高，抛光液的粘度低，金属溶解速度加快，效率高。但若温度高于30℃时，易使金属表面产生腐蚀麻点而降低抛光质量。电流密度对待抛光件表面的粗糙度的影响也非常敏感，随着电流密度的增加，腐蚀速度增大，抛光质量提高；电流密度低于10A/dm2，抛光质量下降。但是若电流密度高于30A/dm2，将导致阳极析出大量的氧气，同时产生的热量不能及时扩散，电极表面的温度很快升高，导致金属表面产生麻点，影响表面的光亮度。
根据本发明提供的抛光方法，在优选情况下，所述阴极与阳极表面积之比为1-4∶1。阴极表面积大于阳极表面，有利于提高电流利用率，有助于提高抛光的效果，但是如阴极面积过大，即大于阳极表面积的4倍，导致电流效率过高，致使素材表面发生过腐蚀，起不到抛光的效果。
所述机械抛光时将钛或钛合金先用粗布轮进行粗抛，然后用风轮进行半精抛，最后用白布轮进行精抛，进行抛光可以去除钛或钛合金本身在压铸过程中产生的毛刺、氧化皮等，减小表面的粗糙度，提高表面光亮效果并增强后续电镀的结合力。
根据本发明提供的抛光方法，在优选情况下，将经电解抛光处理后的钛或钛合金用无水乙醇清洗2-5min后取出，即可得到表面平整光亮的镜面抛光效果，可以直接进行后续的电镀处理工序。
本发明的抛光液中不含有氢氟酸，不会产生对人体不利的挥发物质及强烈刺激性气味，是一种环保安全的抛光液，使用本发明的抛光液对钛及钛合金进行抛光，可以使钛及钛合金表面不产生纹路，可以得到镜面光的效果。本发明中机械抛光部分选用了特定的抛光轮进行初步处理，去除素材表面的毛刺，氧化膜等。传统的机械抛光很容易使素材表面产生抛光纹，严重影响素材表面的外观效果。本发明所选用机械抛光虽然可以一定程度上减少抛光纹的产生，但是仍不能完全消除抛光纹。故本发明选择在机械抛光后增加一步电解抛光，补充了机械抛光的缺陷，使素材表面更加均匀，光亮度更高，甚至产生镜面光的效果。采用本发明抛光方法处理后的钛及钛合金基体表面平整光亮，进行后续的电镀工艺，得到的电镀层覆盖均匀，结合力好，金属光泽度高，表面呈镜面光效果。
以下将以具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
以40×60×3mm3的TC4钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
将TC4钛合金分别用粗布轮进行粗抛、用风轮进行半精抛和用白布轮进行精抛以除原素材本身在冲压过程中产生的毛刺、氧化膜，减小表面的粗糙度，提高镜面光亮效果并增强后续电镀的结合力。
(2)电解抛光
1)配制电解抛光液
将乳酸250ml，甲醇450ml，丙三醇50ml，氟化钡5g，硬脂酸钠4g和苯骈三氮唑3g混合均匀制成1L溶液即得到本实施例的抛光液。
2)电解抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为2∶1。抛光温度为20℃，电流密度15A/dm2，处理时间15min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，可得到表面平整光亮的镜面抛光效果的钛合金。
将经过上述抛光处理的TC4钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)照片对比，抛光前的TC4钛合金表面平整，但是存在大量平行的打磨痕迹，经过上述抛光处理后的TC4钛合金表面平整、没有抛光纹路、光滑如镜面。
实施例2：
以40×60×3mm3的TB6钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
同实施例1。
(2)电化学抛光
1)配制电化学抛光液
将乳酸220ml，甲醇400ml，丙三醇40ml，氟化钡4g，硬脂酸钠2g和苯骈三氮唑1g混合均匀制成1L溶液即得到本实施例的抛光液。
2)电解抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为4∶1。抛光温度为25℃，电流密度12A/dm2，处理时间12min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，可得到表面平整光亮的镜面抛光效果的钛合金。
将经过上述抛光处理的TB6钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)照片对比，抛光前的TB6钛合金表面存在大量平行的打磨痕迹；经过上述抛光处理后的TB6钛合金表面平整、没有抛光纹路、光滑如镜面。
实施例3
以40×60×3mm3的TA10钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
同实施例1。
(2)电化学抛光
1)配制电解抛光液
将乳酸200ml，甲醇400ml，丙三醇40ml，氟化钡4.5g，硬脂酸钠5g和苯骈三氮唑4g混合均匀制成1L溶液即得到本实施例的抛光液。
2)电解抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为3∶1。抛光温度为20℃，电流密度20A/dm2，处理时间15min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，可得到表面平整光亮的镜面抛光效果的钛合金。
将经过上述抛光处理的TA10钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)照片对比，抛光前的TA10钛合金表面存在大量平行的打磨痕迹；经过上述抛光处理后的TA10钛合金表面平整、没有抛光纹路、光滑如镜面。
实施例4
以40×60×3mm3的TA15钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
同实施例1。
(2)电解抛光
1)配制电化学抛光液。
将乳酸300ml，甲醇300ml，丙三醇30ml，氟化钡3g和糖精5g混合均匀制成1L溶液即得到本实施例的抛光液。
2)电解抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为1∶1。抛光温度为30℃，电流密度10A/dm2，处理时间20min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，可得到表面平整光亮的镜面抛光效果的钛合金。
将经过上述抛光处理的TA15钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)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；经过上述抛光处理后的TA15钛合金表面平整、没有抛光纹路、光滑如镜面。
实施例5
以40×60×3mm3的TA10钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
同实施例1。
(2)电解抛光
1)配制电解抛光液
将乳酸450ml，甲醇500ml，丙三醇45ml，氟化钡6g和苯骈三氮唑5g混合均匀制成1L溶液即得到本实施例的抛光液。
2)电解抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为2∶1。抛光温度为20℃，电流密度30A/dm2，处理时间10min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，可得到表面平整光亮的镜面抛光效果的钛合金。
将经过上述抛光处理的TA10钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)照片对比，抛光前的TA10钛合金表面存在大量平行的打磨痕迹；经过上述抛光处理后的TA10钛合金表面平整、没有抛光纹路、光滑如镜面。
实施例6
以40×60×3mm3的TA10钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
同实施例1。
(2)电解抛光
1)配制电解抛光液。
将乳酸400ml，甲醇400ml，丙三醇40ml，氟化钡4.5g，明胶4g、硬脂酸钠5g和苯骈三氮唑3g混合均匀制成1L溶液即得到本实施例的抛光液。
2)电解抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为2∶1。抛光温度为20℃，电流密度25A/dm2，处理时间20min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，可得到表面平整光亮的镜面抛光效果的钛合金。
将经过上述抛光处理的TA10钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)照片对比，抛光前的TA10钛合金表面存在大量平行的打磨痕迹；经过上述抛光处理后的TA10钛合金表面平整、没有抛光纹路、光滑如镜面。
对比例1
以40×60×3mm3的TC4钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
同实施例1。
(2)电解抛光
1)配制电解抛光液
将乳酸600g，无水乙醇275g，高氯酸35g，高氯酸钾2g混合均匀制成1L溶液即得到本对比例的抛光液。
2)电解抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为2∶1。抛光温度为20℃，电流密度20A/dm2，处理时间15min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，可发现钛合金表面光亮度比较差。
将经过上述抛光处理的TC4钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)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；经过上述抛光处理后的TC4钛合金表面仍有明显的抛光纹，表面光泽度也比实施例1差。
对比例2
以40×60×3mm3的TC4钛合金为实验样品进行抛光处理。
(1)机械抛光
同实施例1。
(2)电解抛光
1)配制电解抛光液
将氢氟酸200ml和铬酸酐500g混合均匀制成1L溶液即得到本对比例的抛光液。
2)抛光处理
将经过机械抛光的钛合金与直流稳流电源的正极相连，一钛板与直流稳流电源的负极相连，放入装有步骤1)得到的抛光液的电解槽中进行电解处理，待处理的钛合金作为阳极，钛板作为阴极。钛板与钛合金的表面积之比为2∶1。抛光温度为30℃，电流密度30A/dm2，处理时间10min。
(3)清洗
将经电解抛光处理后的钛合金用无水乙醇清洗5min后取出，发现经此方法抛光处理后的钛合金表面呈现雾蒙蒙的状态，没有光亮度。
将经过上述抛光处理的TC4钛合金进行抛光前后的电化学显微镜(三目体显微成像系统，型号为：SDZ-TR)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；经过上述抛光处理后的TC4钛合金表面仍有明显的抛光纹，表面光泽度也比实施例1差。
由实施例1-6与对比例1-2进行比较得出，用本发明的抛光液及抛光方法得到的钛合金产品的表面平整，没有抛光纹路、光滑如镜面。但是对比例1-2得到的抛光产品有明显的抛光纹，表面光泽度也比实施例差。综上所述，本发明的抛光液及抛光方法使抛光产品的表面平整、没有纹路、光滑如镜。
Claims (3)
1.一种钛及钛合金抛光液，其特征在于：该抛光液包括乳酸、甲醇、丙三醇、氟的无机盐和光亮剂；所述乳酸的含量为200-450ml/L，所述甲醇的含量为300-500ml/L，所述的丙三醇含量为30-50ml/L，所述氟的无机盐的含量为3-6g/L，所述光亮剂的含量为3-12g/L；所述氟的无机盐为氟化钡、氟化钠、氟化钾中的一种或多种，所述光亮剂为糖精、明胶、硬脂酸钠、苯骈三氮唑中的一种或多种。
2.一种钛及钛合金抛光方法，其特征在于：先将钛或钛合金进行机械抛光，然后进行电解抛光，所述电解抛光的抛光液为权利要求1所述的抛光液；所述电解抛光是将待抛光的钛或钛合金作为阳极，钛板作为阴极进行电解抛光，所述电解抛光的温度为20-30℃，电流密度为10-30A/dm2，抛光时间为10-20min。
3.根据权利要求2所述的抛光方法，所述阴极与阳极表面积之比为1-4∶1。
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2009
- 2009-08-22 CN CN2009101896190A patent/CN101994148B/zh not_active Expired - Fee Related
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| JP特表2006-526071A 2006.11.16 |
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