CN110026629A - 一种钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，包括以下步骤，S1：采用动电位扫描法测得样品在电解质溶液中的阳极极化曲线，工件为钝化性金属及其合金；S2：将工件与电源的阳极端电连接，将铂金电极与电源的阴极端电连接，S3：将工件和铂金电极固定在电解池中，工件、铂金电极的电极头浸没在电解质溶液中，将参比电极的电极头浸没在电解质溶液中；S4：电源供电，控制工件表面的电流密度位于样品的阳极极化曲线过渡区的电流密度区间。本发明通过外加电场的控制，加速工件表面点蚀的发生，促使工件加工表面形成大量孔洞，形成多孔的工件表面，工艺简单，加工不受工件表面形状限制，可适用于复杂形成的工件表面加工，适用范围广。

Description

一种钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法

技术领域

本发明涉及金属的表面加工领域，具体涉及一种钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法。

背景技术

由于金属与氧化性物质作用时在金属表面生成一种非常薄的、致密的、覆盖性能良好的、牢固地吸附在金属表面上的钝化膜。这层膜成独立相存在，通常是氧化金属的化合物。它起着把金属与腐蚀介质完全隔开的作用，防止金属与腐蚀介质接触，从而使金属基本停止溶解形成钝态达到防腐蚀的作用。钝化性金属表面容易发生小孔腐蚀(即点蚀)而形成孔洞，这是一种典型的电化学局部腐蚀形式，通常认为小孔腐蚀形成数量少，破坏性强，因此有关钝化性金属表面小孔腐蚀的研究主要集中于如何避免腐蚀的发生。

微观结构是影响材料表面性能的重要因素，而多孔结构是表面微结构中最具代表性的一种，现有的金属表面多孔结构制备方法由于加工原理的限制并不适用于钝化性金属，如脱合金法，阳极氧化法等，而少数能够用于钝化性金属的方法，例如模板电化学法、群电极法等，模板法就是将光刻技术与电解加工技术结合，将不许加工的区域用模板保护起来，未被模板保护的表面则会通过电解加工进行溶解，形成与模板相对应的表面结构。但是这种传统掩膜加工技术需要进行光刻处理，加工工艺复杂。群电极法实质上是利用微群电极在材料表面反铐而形成表面微结构。上述两种方法均在极化曲线的超钝化阶段进行，而且需要借助模板或成型电极来实现表面多孔结构加工由于工艺复杂、成本高、无法适用于复杂形状表面等原因使其应用受到限制。因此，亟需一种工艺简单、适用范围广的钝化性金属表面多孔结构的电解加工方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出一种工艺简单、适用范围广的钝化性金属表面多孔结构的电解加工方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，包括以下步骤，

S1：采用动电位扫描法测得对应工件材质的样品在电解质溶液中的阳极极化曲线，确定样品的阳极极化曲线过渡区的电流密度，工件为钝化性金属或含有钝化性金属的合金；

S2：将工件与电源的阳极端电连接，将铂金电极与电源的阴极端电连接；

S3：将工件和铂金电极固定在装有对应电解质溶液的电解池中，工件、铂金电极的电极头浸没在电解质溶液中，将参比电极的电极头浸没在电解质溶液中；

S4：电源供电，控制工件表面的电流密度位于样品的阳极极化曲线过渡区的电流密度区间。

在本发明的其中一个具体实施方式中，电源为高频脉冲电源。

高频脉冲电源产生的脉冲电流使铂金电极在电化学反应中逸出的氢气是断续的，断续逸出的氢气对电解液其搅拌作用，有利于工件表面和铂金电极表面电解产物的去除，提高电解加工精度。

在本发明的其中一个具体实施方式中，参比电极为Ag/AgCl电极。

采用Ag/AgCl电极，动电位扫描法测量过程中一致性较强，测试结果的重现性好。

在本发明的其中一个具体实施方式中，电解质溶液为5％-20％的硝酸钠溶液。

采用5％-20％的硝酸钠作为电解质溶液具有较好的非线性性能，加工区域成形精度高，对相关电极、工件和电解池的腐蚀性小。

在本发明的其中一个具体实施方式中，工件为不锈钢材质。

不锈钢材质的工件作为典型的钝化性金属，以各种形状被广泛应用于生活中，由于其特有的物化性质，导致传统的金属表面孔加工工艺难以适用，而本发明中采用简单的加工工艺克服这一难题。

在本发明的其中一个具体实施方式中，采用砂纸逐级打磨工件的加工表面至5000#。

为使工件表面具有一致的表面状态，避免由于表面平整度差影响工件待加工表面电流密度差异大。

在本发明的其中一个具体实施方式中，步骤S2之前，分别采用丙酮和水超声清洗。

为防止油污等杂质影响工件表面加工，采用不与工件反应且易除去的丙酮和水超声清洗。

在本发明的其中一个具体实施方式中，步骤S2之前，采用环氧树脂封装工件的非加工表面。

采用环氧树脂封装工件的非加工表面，保证工件的非加工表面的绝缘性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明利用钝化性金属易钝化的特性，通过外加电场的控制，加速工件表面点蚀的发生，促使工件加工表面形成大量孔洞，形成多孔的工件表面，工艺简单，加工不受工件表面形状限制，可适用于复杂形成的工件表面加工，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式的阳极极化曲线。

图2为本发明的具体实施方式的304不锈钢工件加工表面。

图3为图2的方框中孔的二维形貌图。

图4为图3的方框中孔的三维形貌图。

图5为水滴在未加工的工件表面的成像。

图6为水滴在加工后工件表面的成像。

图7为水滴在采用十二硫醇修饰的未加工工件表面的成像。

图8为水滴在采用十二硫醇修饰的加工后工件表面的成像。

图9为未加工的工件浸泡2h后细胞粘附图。

图10为加工后工件浸泡2h后细胞粘附图。

图11为未加工的工件浸泡1天后细胞粘附图。

图12为加工后工件浸泡1天后细胞粘附图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中，对本发明实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做出创造性劳动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。

本具体实施方式提供一种钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，包括以下步骤，

S1：采用动电位扫描法测得304不锈钢材质的样品在15％硝酸钠溶液中的阳极极化曲线，确定样品的阳极极化曲线过渡区的电流密度，扫描自开路电压开始，扫描速度为1Mv/s，扫描终止电压为4V，结果如图1所示，304不锈钢的动态极化曲线分为钝化区(AB段)、过渡区(BC段)和活化区(CD段)；

S2：将尺寸为5mm×5mm×2mm的304不锈钢与高频脉冲电源的阳极端电连接，将铂金电极与高频脉冲电源的阴极端电连接；

S3：将304不锈钢和铂金电极固定在装有15％硝酸钠溶液的电解池中，304不锈钢、铂金电极的电极头浸没在15％硝酸钠溶液中，将参比电极的电极头浸没在15％硝酸钠溶液中，参比电极为Ag/AgCl电极；

S4：高频脉冲电源供电，控制304不锈钢表面的电流密度位于样品的阳极极化曲线过渡区的电流密度区间，具体的，高频脉冲电源施加恒定电位5V，加工2min，结果如图2-5所示，其中，图5中孔的孔径为14.563μm，孔深为3.507μm。

分别采用320#、800#、2000#和5000#的砂纸逐级打磨304不锈钢的加工表面至5000#后，分别采用丙酮和水超声清洗。

采用环氧树脂封装304不锈钢的非加工表面。

性能测试：

采用接触角测试仪测试一下实验组的水接触角:加工后的工件表面、采用十二硫醇修饰的加工后工件表面、未加工的工件表面和采用十二硫醇锈蚀的未加工工件表面；结果如表1以及图5-8所示，

表1水接触角测试

样品编号	水接触角
		未加工的工件表面	96°
加工后工件表面	43°
		采用十二硫醇锈蚀的未加工工件表面	103°
采用十二硫醇修饰的加工后工件表面	137°

由表1和图5-8可知，水滴在未加工的工件表面呈半球型，接触角为96°(图5)，采用十二硫醇锈蚀的未加工工件表面的水接触角为103°(图7)，可见十二硫醇能够降低表面能，提高未加工的工件表面的水接触角，但并不能改变未加工的工件表面的润湿性质。通过本发明电解加工方法在工件表面制备多孔结构后，水滴与工件表面的接触形态发生了明显变化，水滴在加工后工件表面铺展开，其水接触角为43°(图6)，呈现亲水特性；采用十二硫醇修饰的加工后工件表面呈现明显的疏水性质(图8)，水滴与采用十二硫醇修饰的加工后工件表面的接触角变为137°。

细胞粘附性测试，将加工后的工件和未加工的工件浸泡到细胞含量相同的溶液中，于显微镜下放大216倍观察对应的工件表面，结果如图9-12所示，图中黑色部分为粘附的细胞，浸泡时间相同，加工后的工件表面对细胞的粘附能力提高。

在本发明中，304不锈钢的加工表面的电流密度可以通过电解液的浓度、高频脉冲电源的电压大小和频率、304不锈钢与铂金电极的距离进行调整。

本发明中，电解液的浓度可以为5％-20％的硝酸钠溶液。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：采用动电位扫描法测得对应工件材质的样品在电解质溶液中的阳极极化曲线，确定所述样品的阳极极化曲线过渡区的电流密度，所述工件为钝化性金属或含有所述钝化性金属的合金；

S2：将所述工件与电源的阳极端电连接，将铂金电极与电源的阴极端电连接；

S3：将所述工件和所述铂金电极固定在装有对应所述电解质溶液的电解池中，所述工件、铂金电极的电极头浸没在电解质溶液中，将参比电极的电极头浸没在电解质溶液中；

S4：所述电源供电，控制所述工件表面的电流密度位于所述样品的阳极极化曲线过渡区的电流密度区间。

2.根据权利要求1所述的钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，所述电源为高频脉冲电源。

3.根据权利要求1所述的钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，所述参比电极为Ag/AgCl电极。

4.根据权利要求1所述的钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，所述电解质溶液为5％-20％的硝酸钠溶液。

5.根据权利要求1所述的钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，所述工件为不锈钢材质。

6.根据权利要求5所述的钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，采用砂纸逐级打磨所述工件的加工表面至5000#。

7.根据权利要求6所述的钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，步骤S2之前，分别采用丙酮和水超声清洗。

8.根据权利要求1所述的钝化性金属表面多孔微结构的电解加工方法，其特征在于，步骤S2之前，采用环氧树脂封装所述工件的非加工表面。