CN107488872A - 一种电化学抛光方法与电化学抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属表面处理领域，公开了一种电化学抛光方法与装置，电化学抛光方法包括：对金属工件进行初步的电化学抛光；设置一吻合金属工件表面形状的参考面，并使得参考面贴近金属工件的表面；使参考面沿靠近‑远离金属工件的方向振动，同时进行电化学抛光；判定金属工件的表面质量是否达到要求，如果达到要求，终止电化学抛光；如果未达到要求，调整参考面振动时距离金属工件表面的最小距离，并重复步骤S30与步骤S40，以此循环。本发明可以将粘性膜的厚度人为控制在合适的区间，加快金属选择性溶解速度或者延长金属选择性溶解时间，从而可以大大提高工件的表面质量，将工件表面的无论高频还是低频，宏观还是微观的所有波形全部进行整平。

Description

一种电化学抛光方法与电化学抛光装置

技术领域

本发明涉及金属表面处理领域，尤其是涉及电化学抛光工艺与抛光装置。

背景技术

电化学抛光是近几十年发展起来的表面处理技术，目的是为了改善金属表面的微观几何形状，降低金属表面的显微粗糙程度。电化学抛光的原理是在一定电解液中以金属工件为阳极，同时进行两个互相矛盾的过程(即金属表面氧化膜的生成和溶解)，使金属工件表面的粗糙度下降，光亮度提高，并产生一定的金属光泽。

参照说明书附图1，示出了阳极电位-电流密度的曲线图，有图可知：

(1)阳极电位在U1-U2之间时，阳极电流密度随电压的增大而迅速增大，金属的溶解速率也相应的迅速增大，工件表面被腐蚀，此区称为活化区；

(2)阳极电位在U2-U3时，电流密度随电压升高而下降，这主要是阳极表面生成的粘性薄膜提高了阳极表面的电阻而引起，此区称为过渡区；

(3)阳极电位在U3-U4时，随着阳极电压的增大，电流基本上处于稳定，阳极表面溶解，金属离子不断进入附近的溶液中。

由于金属离子产生的速率大于向溶液扩散的速率，于是在金属表面和电解液之间形成一层粘稠金属盐液体膜，同时钝化膜也有效的形成，此时，系统反应速率受溶解产物扩散快慢的控制。此区域内阳极溶解产物向电解液中的扩散在宏观整平过程中起主导作用。由于金属表面凸起处其溶解产物浓度梯度比在凹处高，因此，溶解速度大。粘膜层的存在使得金属表面产生了选择性溶解，表面被整平。

(4)阳极电位在U4-U5时，工件表面产生的固体钝化膜使金属表面中结晶不完整的晶粒优先溶解，去除了金属表面微观的不平，使金属表面达到光亮如镜的效果。

当金属离子进入钝化膜的速度与从钝化膜中溶解到溶液中去的速度基本相同时，表面亮度可达到极值。

理论上而言，金属表面经过上述电化学抛光可以得到非常平整甚至光洁如镜的表面，无论宏观还是微观粗糙度钧可以大幅提升。但是在实际生产过程中，电化学抛光的工件质量受到诸多因素的影响，诸如电解液温度、浓度、种类以及电流电压大小等，并不能将宏观的几何外形完全均匀化，其原因在于：随着金属阳极的溶解，金属离子不断的向电解液中扩散，存在于金属表面和电解液之间的粘稠金属盐液体膜越来越厚，金属表面凸起处溶解产物浓度梯度降低，溶解速率变慢，选择性溶解越来越不明显，最终导致表面不能完全被整平。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电化学抛光方法，用于解决现有技术无法完全整平技工件表面的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电化学抛光方法，包括以下步骤：

S10对金属工件进行初步的电化学抛光；

S20设置一吻合金属工件表面形状的参考面，并使得参考面贴近金属工件的表面；

S30使参考面沿靠近-远离金属工件的方向振动，同时进行电化学抛光；

S40判定金属工件的表面质量是否达到要求，

如果达到要求，终止电化学抛光；

如果未达到要求，调整参考面振动时距离金属工件表面的最小距离，并重复步骤S30与步骤S40，以此循环。

作为上述方案的进一步改进方式，包括位于步骤S20与步骤S30之间的确定参考面振幅的步骤S50，步骤S50包括：

S51设置参考面的零点位置；

S52使参考面相对零点位置朝靠近金属工件的方向运动一设定距离；

S53判断步骤S52中参考面是否与金属工件的表面发生干涉，

如果未发生干涉，参考面返回零点位置，并以此次参考面运动的距离值为振幅振动；

如果发生干涉，参考面返回零点位置，缩小设定距离值，并重复步骤S52和S53，以此循环。

作为上述方案的进一步改进方式，步骤S40中调整参考面振动时距离金属工件表面的最小距离的方法为：调整参考面振动时的振幅。

作为上述方案的进一步改进方式，步骤S40中调整参考面振动时距离金属工件表面的最小距离的方法为：调整零点位置距离金属工件表面的距离。

作为上述方案的进一步改进方式，零点位置为金属工件未抛光前的初始表面。

作为上述方案的进一步改进方式，步骤S53中判断参考面是否与金属工件的表面发生干涉的方法为：设置一传感器检查参考面所受到的压力值，如果压力值超过设定的阈值则判定发生干涉。

作为上述方案的进一步改进方式，参考面满足：粗糙度要求小于等于1纳米，形面精度要求小于等于2微米。

作为上述方案的进一步改进方式，参考面振动时距离金属工件表面的最小距离大于5微米，参考面的振幅为1微米至100微米。

作为上述方案的进一步改进方式，参考面为玻璃、金属或者陶瓷的表面。

一种电化学抛光装置，包括电解槽、电极、参考面、电源与驱动组件，电解槽用于存放电解液，电极位于电解槽内，电源的负极与电极连接，电源的正极用于与金属工件连接，参考面由驱动组件驱动，以贴近金属工件，以及相对金属工件振动。

本发明的有益效果是：

本发明通过设置可以相对工件表面振动的参考面，可以将粘性膜的厚度人为控制在合适的区间，加快金属选择性溶解速度或者延长金属选择性溶解时间，从而可以大大提高工件的表面质量，将工件表面的无论高频还是低频，宏观还是微观的所有波形全部进行整平。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是电化学抛光过程中阳极电位-电流密度的曲线图；

图2是本发明电化学抛光方法的组成示意图；

图3是本发明电化学抛光方法的流程示意图；

图4是抛光前工件表面的微观示意图；

图5是抛光后工件表面的微观示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图2，示出了本发明电化学抛光装置的组成示意图。如图所示，电化学抛光装置包括电解槽100、电极200、超光滑玻璃300、电源组件与驱动组件。

电解槽100用于存放电解液，电解槽100与电解液均可以采用公知技术，在此不作具体限定。电极200优选采用铂金电极，其固定在电解槽100内，并完全浸入在电解液中。

电源组件包括提供电能的电源410，以及用于控制电路的可变电阻器420、开关430、电流表440与电压表450，电源410、可变电阻器420、开关430、电流表440与电压表450串联连接。电源410的负极与电极200连接，正极则与浸泡在电解液中的金属工件连接，从而形成回路。工作时，电源组件利用电流表440和电压表450实时监测通电抛光过程中的电流和电压值，同时利用可变电阻器420对电流、电压值进行调节，并利用开关430控制回路的开闭。

超光滑玻璃300上靠近金属工件的一面为参考面301，参考面301优选应满足如下的要求：粗糙度要求小于等于1纳米，形面精度要求小于等于2微米。

参考面的形状应与待抛光的金属工件的表面吻合，本实施例中参考面优选为平面，如果待抛光的表面涉及到曲面，也可以按需调整参考面的形状。同时，除本实施例所用的玻璃板之外，参考面还可以是超光滑的金属板或者陶瓷板等的表面。

驱动组件用于驱动超光滑玻璃300贴近金属工件，以及相对金属工件振动，由于超光滑玻璃300的运动尺寸十分精细，故驱动组件应当具有较高的控制精度。本实施例中驱动组件采用电机-丝杆传动系统，具体包括步进电机510、精密模组520、连接臂530与压力传感器540。其中超光滑玻璃300与连接臂530连接，压力传感器540设于超光滑玻璃300与连接臂530之间，用于检测超光滑玻璃300所受到的压力，连接臂530通过滑块与精密模组520滑动连接，步进电机510通过精密模组520驱动连接臂530运动。

基于上述电化学抛光装置，本发明还公开了一种电化学抛光方法，参照图3，示出了本发明电化学抛光方法的流程示意图。如图所示，其包括以下步骤：

一、在电解槽100内放入电解液，将金属工件600浸入电解液中，通过夹具固定并与电源410的正极连接。

二、然后根据实验数据，将可变电阻器420调至一合理数值，按下开关430在铂金电极、金属工件和电解液之间形成回路，金属工件600在电流的作用下丢失电子以金属离子的形态溶于电解液中。将电阻值调小，阳极电流密度迅速增大，金属溶解的速率也随之升高，工件表面被腐蚀。

三、继续调小电阻值，可以观测到电压表450数值上升，电流表440数值无明显变化，说明在工件阳极表面已经形成了粘性膜，提高了阳极的电阻值。此时粘性膜覆盖在工件凹凸不平的粗糙表面上，大体上随着工件的几何外形分布，但是在凸出的地方黏性膜较薄，在凹进去的地方粘性膜较厚。

四、再一次调小电阻值，仍然观测到电压表450数值上升而电流表440保持基本恒定，这时阳极表面即工件表面开始溶解，金属离子不断的进入到溶液中。由于金属离子产生的速率大于向溶液中扩散的速率，于是金属工件600表面和电解液之间的粘性膜越积越厚，凸起处的粘性膜依然比凹陷处的粘性膜薄，这导致凸起出的电流密度大而凹陷处的地方电流密度小，凸起处其溶液产物浓度比在凹陷处高，因而扩散速度快。系统的反应速率受溶解产物扩散快慢的控制，这时阳极溶解产物向电解液中不断扩散将工件表面外形整平。

五、通过金属离子的溶解扩散，首先将工件表面的高频粗糙度抚平，继而缓慢平整工件表面的低频粗糙度。但是由于金属的溶解速度一直大于金属离子向溶液中的扩散速度，所以覆盖在金属表面的粘性膜越来越厚，而且随着工件表面不断的被平整，金属表面凹凸处的粘性膜厚度差值越来越小，这导致凹凸处的电流密度差值变小，金属离子的扩散速度相当，金属选择性溶解的特性越来越小，最后工件表面的几何波形不能被完全整平。

六、此时已经完成金属工件的初步抛光。启动驱动组件，根据工件的初始高度，驱动组件驱动超光滑玻璃300运动，令参考面与金属工件600被抛光前的初始表面重合，以该初始表面作为参考面的零点位置。因为金属工件600的表面已被腐蚀，并且经过了一轮抛光过程，故金属工件600的高度有所降低，不会与参考面发生干涉。

金属工件600的初始表面为零点位置的优选实施例，本发明还可以自由选择其他位置作为零点位置。

七、然后需要确定参考面的振幅。作为确定振幅的一种优选方法，首先给压力传感器540设定一个阈值，然后由驱动组件驱动参考面向下运动一设定距离s，如果运动过程中压力传感器540所检测到的压力低于阈值，则判定参考面与工件未发生干涉，此时参考面回到零点位置，并且以上述设定距离s为振幅振动，同时进行电化学抛光；如果运动过程中压力传感器540所检测到的压力大于或者等于阈值，则判定参考面与工件发生干涉，此时参考面同样回到零点位置，调小上述的设定距离s，继续驱动参考面向下运动并再次进行上述判断，重复上述过程直至参考面不再与金属工件600干涉时，参考面回到零点位置，并且以此次设定距离s为振幅进行振动。

参考面在振动过程中存在一个离金属工件600表面的最小距离值，通过该最小距离值可以将粘性膜的厚度人为控制在合适的区间，加快金属选择性溶解速度或者延长金属选择性溶解时间，从而可以大大提高工件的表面质量，将工件表面的无论高频还是低频，宏观还是微观的所有波形全部进行整平。同时，参考面在远离金属工件的过程中，参考面与工件表面之间的间隙内会吸入新的电解液，促使金属溶解持续的进行。

缩小设定距离s的方法可以采用二分减小法，即每次缩小至上一设定距离s的一半，当然也可以采用其他的调节方法，本发明对此不做限定。

此外，本发明对于判定参考面与工件表面是否干涉的方法也不局限于压力传感器，任何其它原理的传感器如光学或超声波学传感器等，只要能够完成参考面与工件表面是否发生干涉的判定即可采用；又或者并非采用传感器而采用其他方式方法来实现参考面与工件表面干涉的判定也可采用。

八、此时可以先行检测金属工件600的表面质量是否达到要求，如果达到精度要求，则终止电化学抛光过程；如果尚未到达要求，则应该调整参考面与工件表面之间的最小距离值，然而继续电化学抛光过程。

作为调整参考面与工件表面之间的最小距离值的优选方案，本实施例优选对参考面的振幅进行调节，即在零点位置不便的情况下，增大振幅则缩小该最小距离值；缩小增幅则扩大该最小距离值。

除此之外，还可以采用调节零点位置的方法，即在振幅保持不变的情况下，升高零点位置则扩大该最小距离值；降低零点位置则缩小该最小距离值。

当然，本发明还可以同步调整振幅与零点位置以调节该最小距离值。

值得注意的是，如果选择通过增大振幅或者降低零点位置的方式缩小最小距离值，则在振动之前都应该进行干涉判定，干涉判定的具体步骤详见上述。

优选地，参考面振动时距离金属工件表面的最小距离大于5微米，参考面的振幅为1微米至100微米。

九、重复检测金属工件600的表面质量是否达到要求，如果达到精度要求，则终止电化学抛光过程；如果尚未到达要求，继续调整最小距离值并继续抛光过程，直至达到精度要求。

参照图4、图5，分别示出了抛光前与抛光后工件表面的微观示意图，观测工具为扫描电子显微镜。由图可知，抛光前的工件表面存在若干的刮痕与凸起，而采用本发明创造的抛光工艺进行抛光后，刮痕与凸起均已被整平，表面质量得到了极大地提高。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种电化学抛光方法，包括以下步骤：

S10对金属工件进行初步的电化学抛光；

S20设置一吻合金属工件表面形状的参考面，并使得所述参考面贴近所述金属工件的表面；

S30使所述参考面沿靠近-远离所述金属工件的方向振动，同时进行电化学抛光；

S40判定所述金属工件的表面质量是否达到要求，

如果达到要求，终止电化学抛光；

如果未达到要求，调整所述参考面振动时距离所述金属工件表面的最小距离，并重复步骤S30与步骤S40，以此循环。

2.根据权利要求1所述的电化学抛光方法，其特征在于，包括位于步骤S20与步骤S30之间的确定所述参考面振幅的步骤S50，步骤S50包括：

S51设置所述参考面的零点位置；

S52使所述参考面相对所述零点位置朝靠近所述金属工件的方向运动一设定距离；

S53判断步骤S52中所述参考面是否与所述金属工件的表面发生干涉，

如果未发生干涉，所述参考面返回所述零点位置，并以此次参考面运动的距离值为振幅振动；

如果发生干涉，所述参考面返回所述零点位置，缩小所述设定距离，并重复步骤S52和S53，以此循环。

3.根据权利要求2所述的电化学抛光方法，其特征在于，步骤S40中调整所述参考面振动时距离所述金属工件表面的最小距离的方法为：调整所述参考面振动时的振幅。

4.根据权利要求2或3所述的电化学抛光方法，其特征在于，步骤S40中调整所述参考面振动时距离金属工件表面的最小距离的方法为：调整所述零点位置距离所述金属工件表面的距离。

5.根据权利要求2或3所述的电化学抛光方法，其特征在于，所述零点位置为金属工件未抛光前的初始表面。

6.根据权利要求2或3所述的电化学抛光方法，其特征在于，步骤S53中判断所述参考面是否与所述金属工件的表面发生干涉的方法为：设置一传感器检查所述参考面所受到的压力值，如果压力值超过设定的阈值则判定发生干涉。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学抛光方法，其特征在于，所述参考面满足：粗糙度要求小于等于1纳米，形面精度要求小于等于2微米。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学抛光方法，其特征在于，所述参考面振动时距离所述金属工件表面的最小距离大于5微米，所述参考面的振幅为1微米至100微米。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学抛光方法，其特征在于，所述参考面为玻璃、金属或者陶瓷的表面。

10.一种电化学抛光装置，其特征在于，包括电解槽、电极、参考面、电源与驱动组件，所述电解槽用于存放电解液，所述电极位于所述电解槽内，所述电源的负极与所述电极连接，所述电源的正极用于与金属工件连接，所述参考面由所述驱动组件驱动，以贴近所述金属工件，以及相对所述金属工件振动。