CN108221041B - 用于金属基材的电解抛光的方法 - Google Patents

用于金属基材的电解抛光的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于金属基材的电解抛光的方法，该方法包括以下步骤：(i)向包括至少一个电极的电解槽中提供电解质(EL)；(ii)在电解槽中设置金属基材作为阳极；(iii)在所述至少一个电极和金属基材之间以来自电源的270V至315V的电压施加电流；以及(iv)将金属基材浸没在电解质(EL)中，其中电解质(EL)包含(a)至少一种酸化合物(A)；(b)至少一种氟化物化合物(F)；以及(c)至少一种络合剂(CA)。

Description

用于金属基材的电解抛光的方法
技术领域
本发明涉及用于金属基材的电解抛光的方法。
背景技术
金属基材的成形和表面精加工经常被证明是挑战。特别是由生成工艺(例如，附加层制造)获得的金属基材的成形和表面精加工经常表现出粗糙的表面。众所周知的成形和表面精加工方法，例如喷砂、铣削、磨料流加工往往不适用于复杂的表面。此外，已知电化学方法，例如电解抛光。电解抛光效果依赖于当施加电流时发生在形成电解槽的一部分的金属基材上的溶解反应，其中金属基材以离子形式溶解进电解质中。不希望受理论束缚，认为在金属基材的表面上形成电解质膜，并且由于表面比的差异和放电行为，峰比平表面更快速地溶解，导致表面粗糙度降低。然而，已有技术的电解抛光方法经常是成本和时间密集的，或者不产生期望的表面粗糙度的降低。此外，经常需要应用需要麻烦的处置的危险化学品。
还发现，在用于金属基材的电解抛光的常规方法中，存在当施加电流时在待抛光的金属基材的一些斑点上形成气体的趋势。气体在金属基材上以气泡局部地并且变化强度地出现。然而，例如由于包含在电解质中的水的电解或者由于电解质的任何其他组分的电解分解的这样的气体形成是不利的，因为其引起电解质中不可预见的局部紊流，即，在金属基材的整个表面上存在电解质的局部不同混合。此外，暂时或甚至较长时间段被气泡覆盖的金属基材的那些部分根本没有与电解质充分接触。因此，直接接触或密切接近形成于基材上的气体(气泡)的金属基材的这些部分的电解抛光减弱。这导致在金属基材的整个表面上电解抛光的不希望的变化，例如出现在抛光的表面上的小波纹和/或凹槽。这种效果在抛光大尺寸金属基材的情况下特别显著。换言之，待抛光的金属基材越大，电解抛光由于气体形成所致的不希望的变化越明显。
发明内容
因此，本发明的目的是提供没有上述缺点的电解抛光方法。
本发明的发现是用于金属基材的电解抛光的方法，其得到优异的表面粗糙度降低。本发明的用于金属基材的电解抛光的方法包括以下步骤：
(i)在包括至少一个电极的电解槽中提供电解质(EL)；
(ii)在电解槽中布置金属基材作为阳极；
(iii)在所述至少一个电极和金属基材之间以来自电源的270V至315V的电压施加电流；以及
(iv)将金属基材浸没在电解质(EL)中。
其中电解质(EL)包含：
(a)至少一种酸化合物(A)；
(b)至少一种氟化物化合物(F)；以及
(c)至少一种络合剂(CA)。
在一个实施方案中，以285V至305V的电压施加电流，优选以295V至305V，更优选以298V至302V，并且最优选以300V的电压施加电流。
在一个实施方案中，电解质的温度为10℃至95℃，优选温度为40℃至95℃，更优选温度为60℃至95℃，甚至更优选温度为70℃至90℃，还甚至更优选温度为75℃至85℃。
在一个实施方案中，电流以0.05A/cm2至10A/cm2的电流密度施加，优选以0.05A/cm2至5A/cm2的电流密度施加，更优选以0.1A/cm2至2.5A/cm2的电流密度施加，甚至更优选以0.1A/cm2至2.0A/cm2的电流密度施加，还甚至更优选以0.1A/cm2至1.5A/cm2的电流密度施加。
在一个实施方案中，将电流施加1分钟至240分钟的时间，优选1分钟至120分钟的时间，更优选1分钟至60分钟的时间，甚至更优选1分钟至30分钟的时间，还甚至更优选2分钟至20分钟的时间。
在一个实施方案中，所述方法包括用清洁组合物处理金属基材的至少一个额外的方法步骤。
在一个实施方案中，在用于金属基材的电解抛光的方法中使用的金属基材选自Ti-6Al-4V、因科耐尔(Inconel)718、因瓦(Invar)、及其组合。
在一个实施方案中，在用于金属基材的电解抛光的方法中使用的电解质还包含：
(iv)至少一种介质(M)，和
(v)任选的添加剂(AD)。
在一个实施方案中，在用于金属基材的电解抛光的方法中使用的电解质(EL)包含：
(i)基于所述电解质(EL)的重量，量不多于20重量％的至少一种酸化合物(A)，优选量不多于15重量％，更优选量不多于10重量％，甚至更优选量不多于5重量％，如量为0.05重量％至20重量％，优选量为0.5重量％至15重量％，更优选量为1重量％至10重量％，甚至更优选量为1重量％至5重量％，和/或
(ii)基于所述电解质(EL)的重量，量不多于40重量％的至少一种氟化物化合物(F)，优选量不多于30重量％，更优选量不多于15重量％，甚至更优选量不多于10重量％，如量为1重量％至40重量％，优选量为1重量％至30重量％，更优选量为2重量％至15重量％，甚至更优选量为4重量％至10重量％，和/或
(iii)基于所述电解质(EL)的重量，量不多于30重量％的至少一种络合剂(CA)，优选量不多于20重量％，更优选量不多于10重量％，甚至更优选量不多于5重量％，如量为0.5重量％至30重量％，优选量为0.5重量％至20重量％，更优选量为0.5重量％至10重量％，甚至更优选量为0.5重量％至5重量％，还甚至更优选量为1重量％至3重量％。
在一个实施方案中，在用于金属基材的电解抛光的方法中使用的电解质(EL)包含：
(i)基于所述电解质(EL)的重量，量不多于20重量％的至少一种酸化合物(A)，优选量不多于15重量％，更优选量不多于10重量％，甚至更优选量不多于5重量％，如量为0.05重量％至20重量％，优选量为0.5重量％至15重量％，更优选量为1重量％至10重量％，甚至更优选量为1重量％至5重量％，和/或
(ii)基于所述电解质(EL)的重量，量不多于40重量％的至少一种氟化物化合物(F)，优选量不多于30重量％，更优选量不多于15重量％，甚至更优选量不多于10重量％，如量为1重量％至40重量％，优选量为1重量％至30重量％，更优选量为2重量％至15重量％，甚至更优选量为4重量％至10重量％，和/或
(iii)基于所述电解质(EL)的重量，量不多于30重量％的至少一种络合剂(CA)，优选量不多于20重量％，更优选量不多于10重量％，甚至更优选量不多于5重量％，如量为0.5重量％至30重量％，优选量为0.5重量％至20重量％，更优选量为0.5重量％至10重量％，甚至更优选量为0.5重量％至5重量％，还甚至更优选量为1重量％至3重量％，和/或
(iv)基于所述电解质(EL)的重量，量为至少10重量％的至少一种介质(M)，优选量为至少30重量％，更优选量为至少50重量％，甚至更优选量为至少70重量％，如量为10重量％至98.5重量％，优选量为30重量％至95重量％，更优选量为50重量％至90重量％，甚至更优选量为70重量％至85重量％，和/或
(v)基于所述电解质(EL)的重量，量不多于25重量％的添加剂(AD)，优选量不多于15重量％，更优选量不多于10重量％，甚至更优选量不多于5重量％，还甚至更优选量不多于2重量％，如量为0.01重量％至25重量％，优选量为0.01重量％至10重量％，更优选量为0.01重量％至5重量％，甚至更优选量为0.01重量％至2重量％。
在一个实施方案中，在用于金属基材的电解抛光的方法的电解质(EL)中使用的至少一种酸化合物(A)选自无机酸或有机酸，例如硫酸、硝酸、磷酸、盐酸、甲酸、乙酸、丙酸、或其混合物，优选选自硫酸、硝酸、磷酸、或其混合物，更优选为硫酸。
在一个实施方案中，在用于金属基材的电解抛光的方法的电解质(EL)中使用的至少一种氟化物化合物(F)选自氟化铵、氟化钠、氟化钾、氟化镁、氟化钙、三氟乙酸、或其混合物，优选选自氟化铵、氟化钠、氟化钾、氟化镁、氟化钙、或其混合物，更优选为氟化铵。
在一个实施方案中，在用于金属基材的电解抛光的方法的电解质(EL)中使用的至少一种络合剂(CA)选自甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)、乙二胺四乙酸盐/酯(EDTA)、二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)、氨基多羧酸(APC)、二亚乙基三胺五乙酸盐/酯(DTPA)、次氮基三乙酸盐/酯(NTA)、三磷酸盐/酯、1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTA)、膦酸盐/酯、葡糖酸、β-丙氨酸二乙酸(ADA)、N-双[2-(1,2二羧基-乙氧基)乙基]甘氨酸(BCA5)、N-双[2-(1,2-二羧基乙氧基)乙基]天冬氨酸(BCA6)、四(2-羟丙基)乙二胺(THPED)、N-(羟乙基)-乙二胺三乙酸(HEDTA)、或其混合物，优选选自甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)、乙二胺四乙酸盐/酯(EDTA)、二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)、氨基多羧酸(APC)、二亚乙基三胺五乙酸盐/酯(DTPA)、四(2-羟丙基)乙二胺(THPED)、N-(羟乙基)-乙二胺三乙酸(HEDTA)、或其混合物，更优选为甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)。
应理解，本发明与上述和下述实施方案相关，因此这些公开内容互相补充。例如，上述和下述任何电解质均可应用于根据本发明的方法中。
附图说明
图1描绘了在用根据实施例1的方法处理之前金属基材Ti-6Al-4V的SEM图像。该SEM图像提供了100倍放大倍数，并且在15,000kV的电压和4.5mm的工作距离下获得。
图2描绘了在用根据实施例1的方法处理之后金属基材Ti-6Al-4V的SEM图像。该SEM图像提供了100倍放大倍数，并且在15,000kV的电压和14.6mm的工作距离下获得。
具体实施方式
下文中，更详细地描述本发明：
用于金属基材的电解抛光的方法
本发明涉及用于金属基材的电解抛光的方法。
描述了用于金属基材的电解抛光的方法，包括以下步骤：
(i)在包括至少一个电极的电解槽中提供电解质(EL)；
(ii)在电解槽中布置金属基材作为阳极；
(iii)在至少一个电极和金属基材之间以来自电源的270V至315V的电压施加电流；以及
(iv)将金属基材浸没在电解质(EL)中，
其中电解质(EL)包含：
(a)至少一种酸化合物(A)；
(b)至少一种氟化物化合物(F)；以及
(c)至少一种络合剂(CA)。
根据本发明使用的术语“电解槽”涉及在施加电能时进行氧化还原反应的电化学电池。特别是包含电解质的电化学电池，通过该电解质，外部产生的电流通过电极系统以产生电化学反应。电解槽可以用于在称为电解的过程中分解金属基材。
根据本发明，在还包括合适的阴极的电解槽中提供电解质(EL)。在一个优选的实施方案中，电解槽包括容纳电解质的容器，其中容器制成电解槽的阴极。然而，也可能至少一个单独的电极存在于电解槽中，该至少一个单独的电极制成电解槽的阴极。此外，电解槽还可以包括容纳电解质的容器和至少一个单独的电极，其中容器和至少一个单独的电极均制成电解槽的阴极。阴极材料不重要，并且合适的材料包括铜、镍、低碳钢、不锈钢、石墨、碳等。
在一个优选的实施方案中，阴极表面与阳极表面的表面比为至少10:1，优选表面比为至少12:1，甚至更优选表面比为至少15:1，如表面比为10:1至100:1，优选表面比为12:1至100:1，更优选表面比为12:1至50:1，甚至更优选表面比为12:1至20:1。
在一个优选的实施方案中，在将金属基材浸没在电解质(EL)中之前，在至少一个电极和金属基材之间(即，在电解槽的阴极和阳极之间)施加来自电源的电流。换言之，在一个优选的实施方案中，方法步骤(iii)在方法步骤(iv)之前进行。然而，还可以在将金属基材浸没在电解质(EL)中之后，在至少一个电极和金属基材之间(即，在电解槽的阴极和阳极之间)施加来自电源的电流。换言之，在另一个实施方案中，方法步骤(iii)在方法步骤(iv)之后进行。
上述和下述电解质[EL]用于本发明的方法中。因此，在本发明的用于金属基材的电解抛光的方法中使用的电解质(EL)包含至少一种酸化合物(A)；至少一种氟化物化合物(F)；以及至少一种络合剂(CA)。
在一个优选的实施方案中，在本发明的用于金属基材的电解抛光的方法中优选地使用的电解质(EL)由以下组成：至少一种酸化合物(A)；至少一种氟化物化合物(F)；至少一种络合剂(CA)；至少一种介质(M)；和任选的添加剂(AD)。
应理解，上文和下文提供的关于至少一种酸化合物(A)、至少一种氟化物化合物(F)、至少一种络合剂(CA)、至少一种介质(M)和任选的添加剂(AD)的信息彼此适用于在至少一种酸化合物(A)、至少一种氟化物化合物(F)、至少一种络合剂(CA)、至少一种介质(M)和/或任选的添加剂(AD)的存在下的用于金属基材的电解抛光的本发明的方法。
本发明的一个优点是用于金属基材的电解抛光的方法尤其可以应用于具有复杂表面的金属基材。因此，金属基材可以是任何形式，例如条、板、平片、膨胀金属片、立方体或复杂结构。
本发明的另一个优点是，在用于金属基材的电解抛光的方法中，有效地抑制了金属基材上气泡的形成。因此，即使电解抛光大的金属基材，例如飞机系统的金属部件，如支承件和/或托架(例如FCRC(空勤人员休息舱)托架或用于管道、管子、柜子、床等的托架)、房间隔板和/或舱室隔板、扰流器或扰流器的部件、弯曲件、管道弯头等，本发明的方法也提供具有非常好或甚至优异抛光均匀性的经抛光的基材。此外，本发明的方法可以提供具有光泽外观的经抛光的基材。这样的光泽外观是期望的，因为其表现出优异的抛光均匀性。
本文中使用的术语“金属基材”意在涵盖包含至少一种导电金属或金属合金的基材。优选地，金属基材由至少一种导电金属或金属合金组成。应理解，金属基材包含选自以下的金属，优选由选自以下的金属组成：铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、铌、钼、银、铪、钨、铂、金、钢、及其组合，例如合金，优选选自铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、铌、钼、钢、及其组合，例如合金，更优选选自铝、钛和钒、及其组合，例如合金。在一个优选的实施方案中，金属基材选自Ti-6Al-4V、因科耐尔718、因瓦、及其组合。因科耐尔718是由以下组成的金属合金：50.00重量％至55.00重量％镍(加钴)，17.00重量％至21.00重量％铬，4.75重量％至5.50重量％铌(加钽)，2.80重量％至3.30重量％钼，0.65重量％至1.15重量％钛，0.20重量％至0.80重量％铝，最大1重量％钴，最大0.08重量％碳，最大0.35重量％锰，最大0.35重量％硅，最大0.015重量％磷，最大0.015重量％硫，最大0.006重量％硼，和最大0.30重量％铜，余量为铁和不可避免的杂质。因瓦是技术人员熟知的铁和镍的合金，例如FeNi36(即，64份左右的铁和36份左右的镍的合金)或Fe65Ni35(即，65份左右的铁和35份左右的镍的合金)，在本发明中优选FeNi36。
已经发现，本发明的用于金属基材的电解抛光的方法导致在275 V至315 V的电压下获得的抛光表面的非常好的表面粗糙度降低和非常好的均匀性。
应理解，电流优选在285V至305V的电压下施加，更优选在295V至305V下，甚至更优选在298V至302V下，并且最优选在300V下施加。特别地，如果以298V至302V或者甚至以300V的电压施加电流，则实现获得的抛光表面的优异表面粗糙度降低和优异的均匀性。
此外，应理解，电流可以以0.05A/cm2至10A/cm2的电流密度施加，优选以0.05A/cm2至5A/cm2的电流密度施加，更优选以0.1A/cm2至2.5A/cm2的电流密度施加，甚至更优选以0.1A/cm2至2.0A/cm2的电流密度施加，还甚至更优选以0.1A/cm2至1.5A/cm2的电流密度施加。
温度看起来不是重要参数。然而，增加的温度似乎提高了用于金属基材的电解抛光的方法的效率。应理解，电解质的温度为至少10℃，优选为至少40℃，更优选为至少60℃，甚至更优选为至少70℃，还甚至更优选为至少75℃，如温度为10℃至95℃，优选温度为40℃至95℃，更优选温度为60℃至95℃，甚至更优选温度为70℃至90℃，还甚至更优选温度为75℃至85℃。
处理时间通常在1分钟至240分钟的范围内。然而，根据诸如初始表面粗糙度和期望表面粗糙度、表面积、表面几何形状等的因素，因期望的表面粗糙度降低，一些金属基材的处理可能需要较短或较长的处理。在一个优选的实施方案中，将电流施加1分钟至240分钟的时间，优选1分钟至120分钟的时间，更优选1分钟至60分钟的时间，甚至更优选1分钟至30分钟的时间，还甚至更优选2分钟至20分钟的时间。
在一个优选的实施方案中，在金属基材的电解抛光过程中连续搅拌电解质。存在在金属基材的电解抛光期间搅拌电解质的多种方法。搅拌可以通过浸渍加压气体来实现。用于浸渍的合适气体为例如，氮、氢、氦、氩、及其组合。在浸渍期间，加压气体通过电解质鼓泡。加压气体的压力可为0.01kg/cm2至1000kg/cm2，优选压力为1kg/cm2至1000kg/cm2。
如果使金属基材经历预处理或后处理步骤，例如用清洁组合物处理金属基材，则对用于金属基材的电解抛光的方法可能是有益的。在一个实施方案中，用于金属基材的电解抛光的方法包括用清洁组合物处理金属基材的后处理步骤，优选用水(优选去离子水)处理金属基材的后处理步骤。
用于金属基材的电解抛光的方法提供了具有降低的表面粗糙度的金属基材。此外，即使抛光较大尺寸的金属基材，用于金属基材的电解抛光的方法也提供具有优异的抛光表面均匀性的金属基材。
应理解，根据所述用于金属基材的电解抛光的方法处理的金属基材的平均表面粗糙度(Ra)降低至少0.1μm，优选降低至少0.5μm，甚至更优选降低至少1.0μm，如为0.1μm至100μm，优选为0.5μm至20μm，更优选为0.5μm至10μm，甚至更优选为1.0μm至10μm，并且最优选为5.0μm至10μm。
此外，应理解，由所述用于金属基材的电解抛光的方法获得的金属基材的平均表面粗糙度(Ra)不大于15μm，优选不大于10μm，优选不大于5μm，更优选不大于1μm，甚至更优选不大于0.5μm，还甚至更优选不大于0.1μm，如平均表面粗糙度(Ra)为10μm至0.01μm，优选平均表面粗糙度(Ra)为5μm至0.01μm，更优选平均表面粗糙度(Ra)为1μm至0.01μm，甚至更优选平均表面粗糙度(Ra)为0.5μm至0.01μm，还甚至更优选平均表面粗糙度(Ra)为0.1μm至0.01μm。
特别优选的本发明的方法包括以下步骤：
(i)在包括至少一个电极的电解槽中提供电解质(EL)；
(ii)在所述电解槽中布置选自Ti-6Al-4V、因科耐尔718、因瓦、及其组合的金属基材作为阳极；
(iii)在所述至少一个电极和所述金属基材之间以来自电源的270V至315V的电压施加电流，优选以285V至305V，更优选以295V至305V，甚至更优选以298V至302V，并且最优选以300V的电压施加电流；以及
(iv)将所述金属基材浸没在所述电解质(EL)中，
其中所述电解质(EL)包含：
(a)至少一种酸化合物(A)；
(b)至少一种氟化物化合物(F)；以及
(c)至少一种络合剂(CA)。
应用特别优选的方法可以显著降低所用基材的平均表面粗糙度，即，获得的基材具有非常低的平均表面粗糙度，同时，所得抛光表面具有优异的均匀性。
上文和下文，特别是在“电解质”部分中更详细地描述电解质(EL)。
电解质(EL)
在本发明的方法中，使用具有优异的长期稳定性和表面粗糙度降低效率的用于金属基材的电解抛光的电解质(EL)。
根据本发明使用的术语“电解质”涉及可以作为导电介质施加在电解槽中的流体，在所述导电介质中电流的流动伴随着离子形式的物质的运动。
用于金属基材的电解抛光的电解质(EL)包含至少一种酸化合物(A)；至少一种氟化物化合物(F)；以及至少一种络合剂(CA)。
在一个优选的实施方案中，除至少一种酸化合物(A)、至少一种氟化物化合物(F)和至少一种络合剂(CA)以外，电解质(EL)不包含任何其他酸化合物、氟化物化合物和络合剂。
在一个优选的实施方案中，电解质(EL)为酸性。应理解，电解质的pH不大于6.5，优选pH不大于6.0，更优选pH不大于5.5，如pH为0.5至6.5，优选pH为1.0至6.0，更优选pH为2.0至5.5，甚至更优选pH为3.0至5.0。
酸化合物(A)
根据本发明使用的术语“酸化合物”涉及可以接受一对电子而形成共价键的有机或无机化合物。
至少一种酸化合物(A)是电解质(EL)的必要成分。至少一种酸化合物(A)增加电解质的电导率，并且可以作为催化剂有利于电解抛光方法，这取决于待处理的金属基材。
优选至少一种酸化合物(A)以以下量包含在电解质(EL)中：基于电解质(EL)的重量，不大于20重量％，优选不大于15重量％，更优选不大于10重量％，甚至更优选不大于5重量％，如量为0.05重量％至20重量％，优选量为0.5重量％至15重量％，更优选量为1重量％至10重量％，甚至更优选量为1重量％至5重量％。
应理解，至少一种酸化合物(A)选自无机酸或有机酸，例如硫酸、硝酸、磷酸、盐酸、甲酸、乙酸、丙酸、或其混合物，优选选自硫酸、硝酸、磷酸、或其混合物，更优选为硫酸。
在一个优选的实施方案中，至少一种酸化合物(A)为硫酸水溶液，其中以以下量包含硫酸：基于至少一种酸化合物(A)的重量，100重量％至20重量％，优选98重量％至50重量％，更优选98重量％至80重量％，甚至更优选98重量％至90重量％。
因此，不需要包括需要麻烦处理的有毒酸化合物，例如氢氟酸，其在已有技术中公开为用于金属基材的电解抛光的合适酸化合物。
氟化物化合物(F)
根据本发明使用的术语“氟化物化合物”涉及可以用作氟离子的来源的化合物。根据待在电解抛光过程中处理的金属基材，可能需要氟离子来支持溶解过程，例如通过与溶解的金属离子形成稳定的络合物。
优选至少一种氟化物化合物(F)以以下量包含在电解质(EL)中：基于电解质(EL)的重量，不大于40重量％，优选不大于30重量％，更优选不大于15重量％，甚至更优选不大于10重量％，如量为1重量％至40重量％，优选量为1重量％至30重量％，更优选量为2重量％至15重量％，甚至更优选量为4重量％至10重量％。应理解，至少一种氟化物化合物(F)选自氟化铵、氟化钠、氟化钾、氟化镁、氟化钙、三氟乙酸、或其混合物，优选选自氟化铵、氟化钠、氟化钾、氟化镁、氟化钙、或其混合物，更优选为氟化铵。
据信氟化铵的应用通过提供改变电极极化的阳离子润湿剂(NH4+)而另外有利于金属基材的电解抛光方法。
络合剂(CA)
根据本发明使用的术语“络合剂”涉及与金属原子或离子形成配位键的化合物。螯合剂是形成特定类型的络合物的络合剂，其涉及在多齿(多键合)配体和多价单个中心原子之间形成或存在两个或更多个单独的配位键。通常这些配体是有机化合物，并且称为螯合掩蔽剂、螯合试剂、螯合剂、掩蔽剂。术语“络合剂”包括非螯合络合剂和螯合络合剂二者，后者是优选的。
至少一种络合剂(CA)是电解质(EL)的必要组分。至少一种络合剂(CA)有利于电解质(EL)的长期稳定性，并且提高通过金属基材的电解抛光实现的表面粗糙度降低的效率。
优选至少一种络合剂(CA)以以下量包含在电解质(EL)中：基于电解质(EL)的重量，不大于30重量％，优选不大于20重量％，更优选不大于10重量％，甚至更优选不大于5重量％，如量为0.5重量％至30重量％，优选量为0.5重量％至20重量％，更优选量为0.5重量％至10重量％，甚至更优选量为0.5重量％至5重量％，还甚至更优选量为1重量％至3重量％。
应理解，至少一种络合剂(CA)选自甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)、乙二胺四乙酸盐/酯(EDTA)、二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)、氨基多羧酸(APC)、二亚乙基三胺五乙酸盐/酯(DTPA)、次氮基三乙酸盐/酯(NTA)、三磷酸盐/酯、1,4,7,10四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTA)、膦酸盐/酯、葡糖酸、β-丙氨酸二乙酸(ADA)、N-双[2-(1,2二羧基-乙氧基)乙基]甘氨酸(BCA5)、N-双[2-(1,2-二羧基乙氧基)乙基]天冬氨酸(BCA6)、四(2-羟丙基)乙二胺(THPED)、N-(羟乙基)-乙二胺三乙酸(HEDTA)、或其混合物，优选选自甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)、乙二胺四乙酸盐/酯(EDTA)、二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)、氨基多羧酸(APC)、二亚乙基三胺五乙酸盐/酯(DTPA)、四(2-羟丙基)乙二胺(THPED)、N-(羟乙基)-乙二胺三乙酸(HEDTA)、或其混合物，更优选为甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)。
介质(M)
电解质(EL)可包含至少一种介质(M)。根据本发明使用的术语“介质”涉及适用于提供其中可以进行金属基材的电解抛光的介质的任何有机或无机化合物。优选地，至少一种介质(M)例如如下有利于金属基材的电解抛光方法：提高电解槽的电导率，使由至少一种络合剂(CA)形成的络合物稳定，和/或提供针对包含在电解质(EL)中的化合物的足够的溶解度。
优选至少一种介质(M)以以下量包含在电解质(EL)中：基于电解质(EL)的重量，至少10重量％，优选至少30重量％，更优选至少50重量％，甚至更优选至少70重量％，如量为10重量％至98.5重量％，优选量为30重量％至95重量％，更优选量为50重量％至90重量％，甚至更优选量为70重量％至85重量％。
应理解，至少一种介质(M)选自水、醇、醚、酯、羧酸、及其混合物，如C1至C8脂肪族醇、C1至C8脂肪族醚、C1至C8脂肪族酯、C1至C8脂肪族羧酸、及其混合物，优选选自水、醇、醚、及其混合物，如C1至C8脂肪族醇、C1至C8脂肪族醚、及其混合物。在一个优选的实施方案中，至少一种介质(M)为水。
在一个优选的实施方案中，术语“水”涉及去离子水。
在一个实施方案中，至少一种介质(M)是与至少一种酸化合物(A)、至少一种氟化物化合物(F)、至少一种络合剂(CA)和任选的添加剂(AD)混配形成电解质(EL)的电解质。在一个优选的实施方案中，至少一种介质(M)是与至少一种酸化合物(A)、至少一种氟化物化合物(F)、至少一种络合剂(CA)和任选的添加剂(AD)混配形成电解质(EL)的水。换言之，在一个优选的实施方案中，电解质(EL)为包含至少一种酸化合物(A)、至少一种氟化物化合物(F)以及至少一种络合剂(CA)的电解质水溶液。
添加剂(AD)
电解质(EL)可包含应用于金属基材的电解抛光中以使方法受益的额外的添加剂(AD)。典型的添加剂是金属基材的电解抛光领域技术人员已知的，并且根据需要使用。用于金属基材的电解抛光的典型添加剂为例如，表面活性剂、多价醇、硅酸盐、增稠剂等。
应理解，添加剂(AD)以以下量存在于电解质(EL)中：基于电解质(EL)的重量，不大于25重量％，优选不大于15重量％，更优选不大于10重量％，甚至更优选不大于5重量％，还甚至更优选不大于2重量％，如量为0.01重量％至25重量％，优选量为0.01重量％至10重量％，更优选量为0.01重量％至5重量％，甚至更优选量为0.01重量％至2重量％。
实施例
定义和测量方法
根据DIN EN 4287:1998-10使用根据DIN EN ISO 3274(Hommel TesterT1000Wave of Jenoptik，尖端半径5μm，锥角90°)的触觉切口(tactile incision)技术来确定平均表面粗糙度(Ra)
根据DIN 19261:2005-6确定pH。
进一步视觉观察整个金属基底上的抛光品质(即，抛光的均匀性)并评估如下：
-差的品质：大量的波纹(corrusion)和/或凹槽，表面粗糙度不均匀的降低
-次的品质：一些波纹和/或凹槽，表面粗糙度不太均匀的降低
+非常好的品质：只有非常少的波纹和/或凹槽，表面粗糙度均匀的降低
++优异的品质：无波纹和/或凹槽，表面粗糙度均匀的降低
实施例1
将初始平均表面粗糙度为Ra＝20.0μm的Ti-6Al-4V的32mm×16mm×30mm金属板形式的金属基材布置在包括不锈钢阴极的电解槽中作为阳极。在阴极和金属基材之间施加来自直流电源的300V下的电流。将金属基材浸没在包含6重量％NH4F、4重量％H2SO4和1重量％MGDA的电解质中。电解质的pH为3.5。将金属基材处理30分钟。实现Ra＝2.0μm的最终平均表面粗糙度。抛光基材的抛光均匀性是优异的。在经抛光的基材上看不到波纹或凹槽。抛光的基材具有光泽外观。
实施例2
评估施加的电压在250V至350V的范围内对平均表面粗糙度的降低的影响。
进行一系列实验2-1至2-7。对于该系列的每个独立实验，在包括不锈钢阴极的电解槽中独立地布置具有如下表1指定的初始平均表面粗糙度的Ti-6Al-4V的116mm×25mm×30mm金属板形式的金属基材作为阳极。在每个实验中，在阴极和金属基材之间独立地施加来自直流电源的如下表1中指定的250V至350V下的多种电流。将每个金属基材独立地浸没在包含6重量％NH4F和1重量％H2SO4的电解质中。电解质的pH为3.5。将每个金属基材处理10分钟。换言之，在这一系列独立实验中，除了所施加的250V至350V的电压以外，所有参数都保持恒定。对于该系列的每个独立实验，获得如下表1所示的最终平均表面粗糙度。表面粗糙度的降低由最终粗糙度相对于初始粗糙度的百分比差来表示。
表1：
Figure BDA0001516998840000151
在实验2-2、2-3、2-4和2-5(即，施加275、290、300和310的电压的实验)中，观察到期望的非常高的表面粗糙度降低，该表面粗糙度降低表示为最终粗糙度相对于初始粗糙度的百分比差。而且，在所述实验2-2、2-3、2-4和2-5中，在电解抛光期间观察到在金属基材处显著减少的气体形成。此外，在所述实验2-2、2-3、2-4和2-5中获得的抛光基材上观察不到波纹和/或凹槽。抛光的表面具有光泽的外观(实验2-2至2-5)。在实验2-1、2-6和2-7中，由于不均匀的表面粗糙度降低以及由于波纹和/或凹槽的形成，表面粗糙度的降低较小，并且金属基材的抛光表面品质次。抛光的表面具有无光泽的外观。
实施例3
在包括不锈钢阴极的电解槽中布置具有初始平均表面粗糙度Ra＝14μm的因科耐尔718的50mm×10mm×20mm金属板形式的金属基材作为阳极。在阴极和金属基材之间施加来自直流电源的300V下的电流。将金属基材浸没在包含6重量％NH4F、4重量％H2SO4和1重量％MGDA的电解质中。电解质的pH为3.5。将金属基材处理10分钟。获得最终平均表面粗糙度Ra＝4μm。抛光基材的表面具有光泽的外观。在经抛光的基材上观察不到视觉可见的波纹或凹槽。

Claims (17)

1.一种用于金属基材的电解抛光的方法，包括以下步骤：
(i)在包括至少一个电极的电解槽中提供电解质(EL)；
(ii)在所述电解槽中布置金属基材作为阳极；
(iii)在所述至少一个电极和所述金属基材之间以来自电源的270V至315V的电压施加电流；以及
(iv)将所述金属基材浸没在所述电解质(EL)中，
其中所述电解质(EL)包含：
(a)至少一种酸化合物(A)；
(b)至少一种氟化物化合物(F)；以及
(c)至少一种络合剂(CA)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流在285V至305V的电压下施加。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质的温度为10℃至95℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流以0.05A/cm2至10A/cm2的电流密度施加。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述电流施加1分钟至240分钟的时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属基材选自Ti-6Al-4V、因科耐尔718、因瓦、及其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电解质还包含：
(iv)至少一种介质(M)，和
(v)任选的添加剂(AD)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述电解质(EL)的重量，
(i)以不多于20重量％的量包含所述至少一种酸化合物(A)，
和/或
(ii)以不多于40重量％的量包含所述至少一种氟化物化合物(F)，
和/或
(iii)以不多于30重量％的量包含所述至少一种络合剂(CA)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中基于所述电解质(EL)的重量，
(iv)所述至少一种介质(M)的量为至少10重量％，
和/或
(v)所述添加剂(AD)的量不多于25重量％。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种酸化合物(A)选自无机酸或有机酸。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一种酸化合物(A)选自硫酸、硝酸、磷酸、盐酸、甲酸、乙酸、丙酸、或其混合物。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一种酸化合物(A)选自硫酸、硝酸、磷酸、或其混合物。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一种酸化合物(A)为硫酸。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种氟化物化合物(F)选自氟化铵、氟化钠、氟化钾、氟化镁、氟化钙、三氟乙酸、或其混合物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一种氟化物化合物(F)选自氟化铵、氟化钠、氟化钾、氟化镁、氟化钙、或其混合物。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一种氟化物化合物(F)为氟化铵。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种络合剂(CA)选自甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)、乙二胺四乙酸盐/酯(EDTA)、二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)、氨基多羧酸(APC)、二亚乙基三胺五乙酸盐/酯(DTPA)、次氮基三乙酸盐/酯(NTA)、三磷酸盐/酯、1,4,7,10四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸(DOTA)、膦酸盐/酯、葡糖酸、β-丙氨酸二乙酸(ADA)、N-双[2-(1,2二羧基-乙氧基)乙基]甘氨酸(BCA5)、N-双[2-(1,2-二羧基乙氧基)乙基]天冬氨酸(BCA6)、四(2-羟丙基)乙二胺(THPED)、N-(羟乙基)-乙二胺三乙酸(HEDTA)、或其混合物。
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