CN106567122B

CN106567122B - 一种钛及钛合金的电化学抛光电解液及其抛光方法

Info

Publication number: CN106567122B
Application number: CN201610943266.9A
Authority: CN
Inventors: 陈艳文; 周正荣; 林志雄
Original assignee: Double Medical Technology Inc
Current assignee: Zhangzhou Third Hospital; Double Medical Technology Inc
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: CN106567122A

Abstract

本发明公开了一种钛及钛合金的电化学抛光电解液及其抛光方法，电解液包括质量分数为10%~90%的腐蚀剂、质量分数为1%~5%的添加剂以及质量分数为1%~5%的多氮化合物，余量为水。电化学抛光方法包括以下步骤：预处理，表面除油及酸洗处理，配置电解液，电化学抛光处理以及后处理。本发明的电化学抛光电解液配方简单、性能稳定、使用寿命长且价格低廉，可多次循环使用，不需要低温以及相对高电压或大电流等反应条件，更适用于大规模工业化生产；本发明的电化学抛光方法得到的工件成品表面反射率在70%~95%之间，表面粗糙度Ra＜0.05μm。

Description

一种钛及钛合金的电化学抛光电解液及其抛光方法

技术领域

本发明涉及电化学抛光电解液及其抛光方法，尤其涉及一种钛及钛合金的电化学抛光电解液及其抛光方法。

背景技术

钛及钛合金因其良好的物理、化学和生物特性，在医疗器械、化工机械、航天航空甚至是生活用品等领域得到越来越广泛的应用，表面抛光对提高钛及钛合金的装饰性、耐蚀性、耐磨性等具有重要的意义。

为了使钛材表面达到平整光亮的效果，目前常用的抛光方法有机械抛光以及化学抛光等，然而这些方法存在一些缺陷及不足，如机械抛光需要多工位的机械抛光装置以及动力，材料摩擦损耗大，手工或自动操作需要大量人工及设备费用，其处理效率较低，而且机械抛光只能处理规则的工件,对异形件及含空腔样件很难处理。同时，处理后表面存在加工硬化层与内应力，耐腐蚀性能也相对比较差等缺点。而化学抛光的样品处理后表面抛光效果较差，局部呈现哑光状态，难以达到平整光亮的效果，并且化学抛光普遍时间较长，处理效率偏低。

相比之下，在众多的表面抛光技术中，电化学抛光因其具有高效率、高精度、速度快、劳动强度小的优势，并且形成的表面无加工硬化层、耐蚀、耐磨、反射率高等一系列优点而得到广泛的应用，同时电化学抛光处理，针对复杂及异型件适用范围广，处理效率高，因此可应用于大规模生产，值得大力推广使用。

电化学抛光借助于直流稳压电源，将工件接于阳极，在金属与电解液的界面发生金属氧化及氧化物溶解的过程。溶解过程中，金属以阳离子形式离开基体并进入溶液中。传统的钛及钛合金电化学抛光的电解液一般为含氢氟酸电解液（如CN101798702A），但是氢氟酸挥发性较强，防护不当可引发人体呼吸道黏膜、人体骨骼以及牙齿的严重损害，危险性极高，不利于工人健康和设备的长期使用。重庆大学张丁非等2013年公开了一种用于钛及钛合金的电解抛光液以及电解抛光工艺（CN102899711A），该工艺以高氯酸和乙酸的混合溶液为抛光电解液，但是该工艺所需操作温度为零下5~10℃，且电压为50~80V。条件相对苛刻，难以在工业上实现大规模的应用。

在传统的钛及钛合金电化学抛光中，常使用有毒有害或者低温（0℃以下）和相对高电压或大电流的工艺，这类电化学抛光方法操作性不高并且安全系数较低，样品表面易产生浸蚀、点蚀和流痕等缺陷，难以取得令人满意的抛光效果，同时低温条件难以在工业上实现大规模的应用。

因此，有必要开发一种在室温低电压条件下对人体毒害少且适用于工业生产的钛及钛合金电化学抛光电解液及其抛光方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种室温低电压条件下的钛及钛合金的电化学抛光电解液及其抛光方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种钛及钛合金的电化学抛光电解液，所述电解液包括质量分数为10%~90%的腐蚀剂、质量分数为1%~5%的添加剂以及质量分数为1%~5%的多氮化合物，余量为水；所述腐蚀剂为高氯酸、草酸、柠檬酸、乙酸、氨基磺酸、磷酸中的一种或多种，所述添加剂为尿素、聚乙二醇、聚乙烯醇、丙三醇、糖精中的一种或多种。

进一步地，所述电解液的黏度为5~85mPa.s，电导率≥200mS/cm。

进一步地，所述多氮化合物为苯并三氮唑或六亚甲基四胺。

本发明还公开了一种钛及钛合金的电化学抛光方法，包括如下步骤：

S1、预处理：采用不同目数的金相砂纸打磨工件，然后用去离子水洗净后吹干；

S2、表面除油及酸洗处理：对S1的产品进行超声波除油，随后用去离子水清洗，接着在硝酸及氢氟酸的混合溶液中酸洗处理，再用去离子水清洗，吹干；

S3、配置电解液：将质量分数为10%~90%的腐蚀剂、质量分数为1%~5%的添加剂以及质量分数为1%~5%的多氮化合物加入水溶剂中混合均匀，所述腐蚀剂为高氯酸、草酸、柠檬酸、乙酸、氨基磺酸、磷酸中的一种或多种，所述添加剂为尿素、聚乙二醇、聚乙烯醇、丙三醇、糖精中的一种或多种；

S4、电化学抛光处理：以S2的产品作为阳极，以钛板或石墨材料作为阴极，将阳极与阴极浸入电解液中，接通电源，控制电压为10~45 V，电流密度为0.1~0.4A/cm2；

S5、后处理：将S4所得产品取出，冲洗后置于去离子水中超声波清洗10~30 min，取出后吹干即得工件成品。

优选地，所述电解液的黏度为5~85mPa.s，所述电解液的电导率≥200mS/cm。

进一步地，所述多氮化合物为苯并三氮唑或六亚甲基四胺。

优选地，步骤S4中所述电解液的剪切速度为1.5~7.0 m/s，温度为15~30℃。

优选地，所述电化学抛光处理时间为15~360秒。

进一步地，所述工件成品的表面成分中只含有基体元素。

进一步地，所述工件成品的表面反射率在70%~95%之间，表面粗糙度Ra＜0.05μm。

本发明的电解液中多氮化合物的加入，明显提升了产品的抛光效果。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的电化学抛光电解液配方简单、性能稳定、使用寿命长且价格低廉，可多次循环使用；

（2）本发明的电化学抛光电解液不包含类似氢氟酸或者硝酸等对人体呼吸道黏膜、人体骨骼以及牙齿造成损害的物质，从而避免对人体造成伤害；

（3）本发明的电化学抛光电解液中添加剂的加入，避免了传统电化学抛光所需的低温以及相对高电压或大电流等反应条件，更适用于大规模工业化生产；

（4）本发明的电化学抛光方法通过控制电解液的粘度及剪切速度，实现了工件表面平整及光亮的双重效果，同时通过控制电解液的粘度及电导率，有效地避免了电化学抛光过程中工件局部电烧伤等缺陷；

（5）本发明的电化学抛光方法得到的工件成品表面平整光滑，表面粗糙度Ra＜0.05μm，且具有良好的镜面反射效果，反射率在70%~95%之间，同时产品表面元素除基体以外，不含有其他元素成分。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的钛合金经预处理后的SEM图；

图2是本发明的钛合金经表面除油及酸洗处理后的SEM图；

图3是本发明的钛合金经表面除油及酸洗处理后的AFM图；

图4是本发明的钛合金成品的SEM图；

图5是本发明的钛合金成品的AFM图；

图6是本发明的钛合金成品的EDS图；

图7是本发明的纯钛经预处理后的SEM图；

图8是本发明的纯钛经表面除油及酸洗处理后的SEM图；

图9是本发明的纯钛成品的SEM图；

图10是本发明的纯钛成品的EDS图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例采用本发明的电化学抛光电解液及其抛光方法对钛合金表面进行了电化学抛光处理，并采用德国蔡司公司的Zeiss sigma高分辨扫描电镜观察钛合金的表面微观形貌，具体步骤如下：

S1、预处理：将尺寸大小为10mm×10mm×2mm的钛合金依次用320目、500目、800目、1500目和2000目的金相砂纸打磨工件，然后用去离子水洗净后吹干；图1是钛合金经预处理后的SEM图，从图1中明显可以看到手工打磨留下的划痕；

S2、表面除油及酸洗处理：采用丙酮溶液对S1的产品进行超声波除油，随后用去离子水清洗，接着在硝酸及氢氟酸的混合溶液中酸洗处理，再用去离子水清洗，吹干；图2为钛合金经表面除油及酸洗处理后的SEM图，从图2中可以看到，钛合金的表面凹凸不平；图3为钛合金经表面除油及酸洗处理后的AFM图，根据该图得出粗糙度为403nm；

S3、配置电解液：将腐蚀剂、添加剂以及多氮化合物加入水中混合均匀，腐蚀剂的质量分数为10%，包括5%的高氯酸和5%的草酸，添加剂的质量分数为5%，包括2%的尿素和3%的聚乙二醇（分子量为10000），多氮化合物为质量分数3%的苯并三氮唑，电解液的黏度为5mPa.s，电解液的电导率为200mS/cm；

S4、电化学抛光处理：以直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以S2的产品作为阳极，以钛板作为阴极，将阳极与阴极浸入电解液中，电解液的温度为30℃，接通电源，控制电压为10 V，电流密度为0.1A/cm²，电解液的剪切速度为7.0m/s，电化学抛光处理时间为360秒；

S5、后处理：将S4所得产品取出，采用自来水冲洗后置于去离子水中超声波清洗10min，取出后吹干即得工件成品。图4是钛合金成品的SEM图，从图4中可以看到，钛合金经过电化学抛光后，其表面的划痕消失了，不存在明显的凹陷或者突起，表面平整且光亮度高，反射率约为90%；图5是钛合金成品的AFM图，根据该图得出粗糙度为33.2nm；图6是钛合金成品的EDS图，从图6可以看出钛合金成品表面元素除基体以外，不含有其他元素成分。

实施例2

本实施例采用本发明的电化学抛光电解液及其抛光方法对纯钛表面进行了电化学抛光处理，并采用德国蔡司公司的Zeiss sigma高分辨扫描电镜观察纯钛的表面微观形貌，具体步骤如下：

S1、预处理：将尺寸大小为10mm×10mm×2mm的纯钛依次用320目、500目、800目、1500目和2000目的金相砂纸打磨工件，然后用去离子水洗净后吹干；图7是纯钛经预处理后的SEM图，从图7中明显可以看到手工打磨留下的划痕；

S2、表面除油及酸洗处理：采用酒精溶液对S1的产品进行超声波除油，随后用去离子水清洗，接着在硝酸及氢氟酸的混合溶液中酸洗处理，再用去离子水清洗，吹干；图8是纯钛经表面除油及酸洗处理后的SEM图，从图8中可以看出纯钛表面凹凸不平，存在点蚀坑，粗糙度为510nm；

S3、配置电解液：将腐蚀剂、添加剂以及多氮化合物加入水中混合均匀，腐蚀剂的质量分数为90%，包括40%的乙酸、20%的氨基磺酸和30%的磷酸，添加剂的质量分数为1%，包括0.5%的聚乙烯醇（分子量为30000）和0.5%的丙三醇，多氮化合物为质量分数2%的六亚甲基四胺，电解液的黏度为85mPa.s，电导率为500mS/cm；

S4、电化学抛光处理：以直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以S2的产品作为阳极，以石墨材料作为阴极，将阳极与阴极浸入电解液中，电解液的温度为15℃，接通电源，控制电压为45 V，电流密度为0.4A/cm²，电解液的剪切速度为1.5m/s，电化学抛光处理时间为15秒；

S5、后处理：将S4所得产品取出，采用自来水冲洗后置于去离子水中超声波清洗30min，取出后吹干即得工件成品。图9是本发明的纯钛成品的SEM图，从图9中可以看出，纯钛经过电化学抛光后，其表面原本的机械加工的痕迹消失了，不存在明显的凹陷或者突起，表面平整，表面粗糙度为34.6 nm，反射率为95%；图10是本发明的纯钛成品的EDS图，从图10可以看出钛合金成品表面元素除基体以外，不含有其他元素成分。

实施例3

S1、预处理：将尺寸大小为10mm×10mm×2mm的钛合金依次用320目、500目、800目、1500目和2000目的金相砂纸打磨工件，然后用去离子水洗净后吹干；

S2、表面除油及酸洗处理：采用丙酮溶液对S1的产品进行超声波除油，随后用去离子水清洗，接着在硝酸及氢氟酸的混合溶液中酸洗处理，再用去离子水清洗，吹干；处理后的钛合金表面凹凸不平，粗糙度为460 nm；

S3、配置电解液：将腐蚀剂、添加剂以及多氮化合物加入水中混合均匀，腐蚀剂的质量分数为30%，包括7%的乙酸和23%的磷酸，添加剂的质量分数为4%，包括2%的丙三醇和2%的聚乙二醇（分子量为10000），多氮化合物为质量分数1%的苯并三氮唑，电解液的黏度为65mPa.s，电解液的电导率为350 mS/cm；

S4、电化学抛光处理：以直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以S2的产品作为阳极，以钛板作为阴极，将阳极与阴极浸入电解液中，电解液的温度为25℃，接通电源，控制电压为30 V，电流密度为0.3A/cm2，电解液的剪切速度为5.0m/s，电化学抛光处理时间为180秒；

S5、后处理：将S4所得产品取出，采用自来水冲洗后置于去离子水中超声波清洗20min，取出后吹干即得工件成品。钛合金成品的表面平整且光亮度高，反射率约为91%，粗糙度为32.5nm；钛合金成品表面元素除基体以外，不含有其他元素成分。

实施例4

S2、表面除油及酸洗处理：采用酒精溶液对S1的产品进行超声波除油，随后用去离子水清洗，接着在硝酸及氢氟酸的混合溶液中酸洗处理，再用去离子水清洗，吹干；处理后的钛合金表面凹凸不平，粗糙度为550 nm；

S3、配置电解液：将腐蚀剂、添加剂以及多氮化合物加入水中混合均匀，腐蚀剂的质量分数为10%，包括4%的乙酸和6%的氨基磺酸，添加剂的质量分数为5%，包括2.5%的丙三醇和2.5%的聚乙烯醇，多氮化合物为质量分数5%的苯并三氮唑，电解液的黏度为50mPa.s，电解液的电导率为300 mS/cm；

S4、电化学抛光处理：以直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以S2的产品作为阳极，以钛板作为阴极，将阳极与阴极浸入电解液中，电解液的温度为30℃，接通电源，控制电压为35 V，电流密度为0.32A/cm2，电解液的剪切速度为4.6m/s，电化学抛光处理时间为160秒；

S5、后处理：将S4所得产品取出，采用自来水冲洗后置于去离子水中超声波清洗25min，取出后吹干即得工件成品。钛合金成品的表面平整且光亮度高，反射率约为88%，粗糙度为42.3nm；钛合金成品表面元素除基体以外，不含有其他元素成分。

实施例5

S2、表面除油及酸洗处理：采用丙酮溶液对S1的产品进行超声波除油，随后用去离子水清洗，接着在硝酸及氢氟酸的混合溶液中酸洗处理，再用去离子水清洗，吹干；处理后的钛合金表面凹凸不平，粗糙度为420 nm；

S3、配置电解液：将腐蚀剂、添加剂以及多氮化合物加入水中混合均匀，腐蚀剂的质量分数为20%，包括17%的乙酸和3%的氨基磺酸，添加剂的质量分数为4%，包括2%的聚乙烯醇和2%的聚乙二醇（分子量为10000），多氮化合物为质量分数3%的六亚甲基四胺，电解液的黏度为60mPa.s，电解液的电导率为340 mS/cm；

S4、电化学抛光处理：以直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以S2的产品作为阳极，以钛板作为阴极，将阳极与阴极浸入电解液中，电解液的温度为25℃，接通电源，控制电压为30 V，电流密度为0.3A/cm2，电解液的剪切速度为5.5m/s，电化学抛光处理时间为200秒；

S5、后处理：将S4所得产品取出，采用自来水冲洗后置于去离子水中超声波清洗30min，取出后吹干即得工件成品。钛合金成品的表面平整且光亮度高，反射率约为93%，粗糙度为31.6nm；钛合金成品表面元素除基体以外，不含有其他元素成分。

本发明的有益效果是：

以上所述是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种钛及钛合金的电化学抛光电解液，其特征在于，所述电解液由质量分数为10％～90％的腐蚀剂、质量分数为1％～5％的添加剂以及质量分数为1％～5％的多氮化合物，余量为水组成；

所述腐蚀剂为草酸、柠檬酸、乙酸、氨基磺酸中的一种或多种，所述添加剂为聚乙二醇和聚乙烯醇的组合，所述多氮化合物为六亚甲基四胺。

2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金的电化学抛光电解液，其特征在于，所述电解液的黏度为5～85mPa.s，电导率≥200mS/cm。

3.一种钛及钛合金的电化学抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3、配置电解液：将质量分数为10％～90％的腐蚀剂和质量分数为1％～5％的添加剂以及质量分数为1％～5％的多氮化合物加入水溶剂中混合均匀，所述腐蚀剂为草酸、柠檬酸、乙酸、氨基磺酸中的一种或多种，所述添加剂为聚乙二醇和聚乙烯醇的组合，所述多氮化合物为六亚甲基四胺；

S4、电化学抛光处理：以S2的产品作为阳极，以钛板或石墨材料作为阴极，将阳极与阴极浸入电解液中，接通电源，控制电压为10～45V，电流密度为0.1～0.4A/cm²；

S5、后处理：将S4所得产品取出，冲洗后置于去离子水中超声波清洗10～30min，取出后吹干即得工件成品。

4.根据权利要求3所述的一种钛及钛合金的电化学抛光方法，其特征在于，所述电解液的黏度为5～85mPa.s，所述电解液的电导率≥200mS/cm。

5.根据权利要求4所述的一种钛及钛合金的电化学抛光方法，其特征在于，步骤S4中所述电解液的剪切速度为1.5～7.0m/s，温度为15～30℃。

6.根据权利要求5所述的一种钛及钛合金的电化学抛光方法，其特征在于，所述电化学抛光处理时间为15～360秒。

7.根据权利要求3所述的一种钛及钛合金的电化学抛光方法，其特征在于，所述工件成品的表面成分中只含有基体元素。

8.根据权利要求7所述的一种钛及钛合金的电化学抛光方法，其特征在于，所述工件成品的表面反射率在70％～95％之间，表面粗糙度Ra＜0.05μm。