CN111235579A

CN111235579A - 金属抛光方法

Info

Publication number: CN111235579A
Application number: CN202010144071.4A
Authority: CN
Inventors: 邓辉; 易蓉
Original assignee: Southern University of Science and Technology
Current assignee: Southern University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-06-05

Abstract

本发明提供一种具有更好的抛光效果的金属抛光方法。该金属抛光方法包括以下步骤：(1)在金属材料表面形成钝化膜；(2)将表面形成钝化膜的金属材料浸入刻蚀液并施加电场。本发明的金属抛光方法在对金属材料进行抛光前预先在金属材料表面形成纳米尺度的钝化膜。当形成钝化膜的金属材料浸入刻蚀液并施加电场时，钝化膜上较薄处在电场作用下被击穿，金属基体在电场和强氧化性酸的共同作用下发生各向同性刻蚀，刻蚀孔不断生长并融合，初始的粗糙表面逐渐被光滑的刻蚀孔内表面所取代。随着刻蚀孔的不断生长，整个表面的起伏逐渐消失，表面粗糙度可以降低到几个纳米，从而实现较好的抛光效果。

Description

金属抛光方法

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其是涉及一种金属抛光方法。

背景技术

常见金属零件的制造过程通常包括：精炼、铸造、锻造、挤压、机械加工等步骤。加工后的金属零件表面通常会存在一些缺陷(划痕、裂纹、杂质)或内应力，在应用前还需要进行表面抛光来提高表面质量，进而提高零件的使用性能和延长使用寿命。到目前为止，已经有大量的文献报道了金属的表面抛光技术，常见的表面抛光方法有：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光、电化学抛光等。而随着技术的发展，又有许多新的抛光方法被提出，比如：磁流变抛光、激光抛光、离子束抛光等。已有的研究表明抛光不仅可以将金属材料的表面粗糙度降低，还可以去除表面杂质颗粒，提高表面质量和表面耐腐蚀性。

电化学抛光方法在作业过程中不会产生亚表面损伤层，能够高效处理复杂形状表面，是目前应用最为广泛的一种抛光方法。它的抛光原理在于，电场作用下金属材料表面的凸起部位优先与电解液发生反应而被溶解，使得表面整平从而抛光。对于该原理的各种解释中最广为接受的是粘液层理论，该理论认为在电化学抛光的开始阶段，金属材料的表面发生溶解生成了一层厚度不均匀的粘液层，表面凸起部位的粘液层较薄，其电阻较小而电流密度较大，所以凸起部位溶解速率较高；而表面下凹部位的粘液层厚度较大，其电阻较大而电流密度较小，使得下凹部位的溶解缓慢；由于溶解速率的差异，粘液层也随之流动，金属材料表面的凹凸情况也不断发生变化，整体的粗糙度下降、光亮度提高从而实现了抛光。例如，一种钛合金的电化学抛光工艺，选取硫酸-甲醇无水体系作为抛光液，将清洗后的钛合金工件作为阳极，石墨为阴极，通以直流电后，使阳极钛合金工件表面发生溶解而抛光。然而，该工艺过程中表面粘液层电阻较高，影响了抛光效率，进而使得抛光效果有所欠缺。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有更好的抛光效果的金属抛光方法。

第一方面，本发明的一个实施例提供了一种金属抛光方法，该金属抛光方法包括以下步骤：

(1)在金属材料的表面形成钝化膜；

(2)将表面形成钝化膜的金属材料浸入刻蚀液并施加电场；

其中，金属材料是指包括但不仅限于金属单质、合金的金属材料。钝化膜是一层与金属材料基体结合紧密的氧化膜，其可以采用包括但不仅限于诸如强氧化性溶液氧化、热氧化等本领域所知晓的方法形成。刻蚀液是指任选能够溶解金属材料的溶液。

本发明实施例的金属抛光方法至少具有如下有益效果：

本发明在对金属材料进行抛光前预先在金属材料表面形成纳米尺度的钝化膜。当形成钝化膜的金属材料浸入刻蚀液并施加电场时，钝化膜上较薄处在电场作用下被击穿，击穿部位的金属基体裸露出来形成钝化膜-金属基体的界面，在此界面上的金属基体在电场和刻蚀液的共同作用下发生各向同性刻蚀，各向同性刻蚀过程中各个晶面的刻蚀速度一致，因此刻蚀孔以半球形的方式长大而且刻蚀孔内表面光滑，随着刻蚀的进行，界面上的钝化膜失去基体金属的支持而逐渐掉落到刻蚀液中。刻蚀孔不断生长于周围的刻蚀孔连接、融合，初始的粗糙表面逐渐被光滑的刻蚀孔内表面所取代。在刻蚀的起始阶段，刻蚀孔半径较小，整个表面还存在较大的起伏。而随着刻蚀孔的不断生长，整个表面的起伏逐渐消失，表面粗糙度可以降低到几个纳米，从而实现较好的抛光效果。

本方案所采用的各向同性刻蚀与电化学抛光的区别在于：

电化学抛光在抛光过程中会形成一层粘液层来达到表面凸起部位优先溶解从而实现抛光的目的，因而表面会逐渐变得光滑，同时该粘液层只有在施加电场时才会形成，如果外加电场消失则粘液层消失。而在本方案所采取得各向同性刻蚀中，刻蚀开始前已在金属材料表面预先形成了一层金属氧化物组成的钝化层，随后的刻蚀过程中钝化层薄弱的位置优先被击穿，继而该位置的金属基体被优先溶解，因此表面形貌的变化包括两个过程，第一个过程是由于刻蚀孔的产生而变粗糙，第二个过程是刻蚀孔的融合而表面变光滑。两种方法的机理不同，表面形貌的发展也不相同，可以通过观察刻蚀过程中表面是否有刻蚀孔的产生来区分。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，刻蚀液选自能够溶解金属材料的酸、碱和无机盐溶液，例如，可以是无机酸、有机酸、碱、非氧化性盐和氧化性盐。针对各种金属材料，无机酸可以是氧化性酸或非氧化性酸，具体可以是浓、稀硝酸，浓硫酸，高氯酸等氧化性酸或盐酸等非氧化性酸。有机酸可以是乙酸、丙酸、酒石酸等有机酸，这些有机酸在室温下溶解金属的能力较弱，但随温度升高溶解能力有一定上升。碱液具体可以是氢氧化钠、氢氧化钾等。非氧化性盐可以是氯化钠、氯化钾等中性盐，硫酸铵、氯化铵等酸性盐，磷酸钠、硼酸钠等碱性盐。氧化性盐可以是高锰酸钾等中性盐、氯化铁等酸性盐、次氯酸钠等碱性盐。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，刻蚀液除前述的任选酸、碱和无机盐溶液外，还包括有机溶剂。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，有机溶剂为低元醇，低元醇的碳原子数为1至4。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，刻蚀液包括强氧化性酸和有机溶剂，强氧化性酸和有机溶剂的体积比为(0.01～0.02)：1。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，强氧化性酸选自硝酸、浓硫酸、高氯酸。通过上述强氧化性酸与电场共同作用，所使用的强氧化性酸在电场的辅助下，在金属表面发生各向同性刻蚀，在此过程中，不会产生亚表面损伤层。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，低元醇为甲醇。采用甲醇作为刻蚀液的强氧化性酸的溶剂，使其在刻蚀过程中促进钝化膜的脱落，加快刻蚀速率。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，刻蚀液包括体积比为(0.01～0.02)：1的硫酸和甲醇。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，在金属材料的表面形成钝化膜的方法为：将金属材料与钝化液接触。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，钝化液包括强氧化性酸。利用强氧化性酸的钝化作用，在金属表面形成钝化膜。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，钝化液的组成与刻蚀液相同。在抛光过程中配制刻蚀液后，首先将经过预处理的金属基材浸入刻蚀液中使其表面形成纳米尺度的钝化膜，随后对刻蚀液和金属基材的体系施加电场。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，施加电场的方式与传统的电化学抛光方法相同，但所采用的原料与发生的反应有所不同，即，将直流电源分别与浸入刻蚀液的阳极和阴极电连接，阳极为表面形成钝化膜的金属材料，阴极为不溶性阴极。通电后，金属材料表面发生各向同性刻蚀而非电化学抛光。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，不溶性阴极任选为本领域熟知的不溶性电极材料，其包括但不仅限于诸如铂、石墨等金属和非金属电极材料。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，直流电源为恒压模式或恒流模式。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，直流电源的电压为大于10V，直流电源的电流大于0.6A/cm²。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，金属合金可以是包括但不仅限于钛合金、镍合金、铁合金、铝合金、钴合金、钼合金等合金材料。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，采用搅拌器使刻蚀液中反应离子的分布更为均匀，从而使抛光反应进行得更加均匀。

根据本发明的一些实施例的金属抛光方法，采用冷却槽或加热槽对刻蚀液进行温度控制，从而调节抛光速度。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的金属抛光方法所用刻蚀装置的示意图。

图2是本发明的一个实施例的金属抛光方法的原理示意图。

图3是本发明的一个实施例的TC4钛合金板抛光前后的镜面效果对比，其中，a为抛光前，b为抛光后。

图4是本发明的一个实施例的TC4钛合金板抛光前(a)、中(b)、后(c)的SEM形貌对比。

图5是本发明的一个实施例的TC4钛合金板抛光前(a)、后(b)的AFM形貌对比。

图6是本发明的另一个实施例的其他金属材料抛光前后的镜面效果对比。

图7是本发明的另一个实施例的其他金属材料抛光前后的AFM形貌对比。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

提供一种金属抛光方法，具体包括以下步骤：

(1)刻蚀溶液配制：

按照0.01:1的体积比用量筒分别量取甲醇和浓硫酸置于烧杯中，利用玻璃棒引流，将浓硫酸加入有甲醇的烧杯内，得到刻蚀液。配制好的刻蚀液静置冷却到室温。

(2)样品预处理：

将TC4钛合金板用砂纸在磨抛机上打磨去除表面油污，然后用无水乙醇超声清洗，再放入烘箱干燥备用。

(3)样品表面钝化：

将预处理好的TC4钛合金板在配制好的刻蚀液中浸泡1min进行钝化处理，使TC4钛合金板表面形成钝化膜。

(4)样品固定：

把表面形成钝化膜的TC4钛合金板置于样品夹上，样品夹夹持TC4钛合金板的一端浸入刻蚀液中，另一端放置于样品架上固定。把铂片电极的导线端固定在样品架上，铂片端浸入刻蚀液中，使TC4钛合金板需要抛光的表面与铂电极相对放置。

(5)连接电路：

将TC4钛合金板与直流电源的正极连接，铂片电极与电源负极连接，铂片电极与TC4钛合金板保持一定的距离。直流电源另外与电脑连接，以记录实验电流和电压。

(6)各向同性刻蚀抛光：

设置直流电源为恒流模式，选择刻蚀电流和刻蚀时间后开始刻蚀，刻蚀完成后关闭电源。

(7)样品后处理：

将刻蚀后的TC4钛合金板从样品架取下，先用超纯水冲洗，以去除表面残留刻蚀液，再用超声清洗5min，最后放入烘箱内干燥备用。

实验过程中的刻蚀装置参考图1，包括样品架100、烧杯200、直流电源300、电脑500，直流电源300的正极通过导线连接TC4钛合金板420，直流电源300的负极通过导线连接有铂片电极410，TC4钛合金板420和铂片电极410各自通过样品夹(图中未示出)架设在样品架100上。

参考图2，是金属抛光方法的原理示意图。采用该方法，预先在金属材料表面形成纳米尺度的钝化膜。当形成钝化膜的金属材料浸入刻蚀液并施加电场时，钝化膜上较薄处在电场作用下被击穿，击穿部位的金属基体裸露出来形成钝化膜-金属基体的界面，在此界面上的金属基体在电场和强氧化性酸的共同作用下发生各向同性刻蚀，各向同性刻蚀过程中各个晶面的刻蚀速度一致，因此刻蚀孔以半球形的方式长大而且刻蚀孔内表面光滑，随着刻蚀的进行，界面上的钝化膜失去基体金属的支持而逐渐掉落到刻蚀液中。刻蚀孔不断生长于周围的刻蚀孔连接、融合，初始的粗糙表面逐渐被光滑的刻蚀孔内表面所取代。在刻蚀的起始阶段，刻蚀孔半径较小，整个表面还存在较大的起伏。而随着刻蚀孔的不断生长，整个表面的欺负逐渐消失，表面粗糙度可以降低到几个纳米，从而实现较好的抛光效果。

干燥后的样品进行扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表面结构表征，结果见图3～图5。图3是TC4钛合金板抛光前后对比结果，其中，a为抛光前的钛合金板表面照片，b为抛光后的钛合金板表面照片。从图中可以看出相对于原始表面，抛光后的表面达到了镜面的抛光效果，样品下方的文字可以清晰地倒影在样品表面。图4是TC4钛合金板抛光前(a)、中(b)、后(c)的SEM形貌对比。从中可以看到，抛光前TC4钛合金板表面分布有大量的划痕、孔洞以及颗粒物(a)。在各向同性刻蚀抛光过程中，TC4钛合金板表面均匀分布的刻蚀孔(b)，其中部分刻蚀孔由于发生了连接呈现出不规则的刻蚀孔，这些刻蚀孔的出现，证明发生的是各向同性刻蚀抛光而不是电化学抛光。而到各向同性刻蚀抛光后，TC4钛合金板表面的划痕、孔洞及颗粒物均被去除(c)。在由于TC4是双相组织，抛光后的表面可以清晰地看到颜色深浅不同的两相组织分布情况，这说明抛光效果很好。图5是TC4钛合金板抛光前(a)、后(b)的AFM形貌对比。与扫描结果类似，原始TC4钛合金板表面高度差较大，可以看到分布有颗粒物及划痕，表面粗糙度为32.5nm。经过各向同性刻蚀抛光后，整个表面比较平整，可以看到高度有微小差异的两种合金相。抛光后的表面粗糙度降低到了4.49nm，证明了本实施例所提供的各向同性刻蚀抛光方法抛光TC4钛合金板具有较好的抛光效果。

实施例2

参考实施例1的方法分别对304不锈钢、6063铝合金和纯镍进行抛光，抛光前后的照片如图6所示。图6是其他金属材料抛光前后的镜面效果对比。从图6中可以看到，抛光前的表面都比较粗糙，不能很好的倒影出文字，而抛光后的样品由于表面光滑，都能清晰地倒影出样品下方的文字，说明各向同性刻蚀抛光可以在这三种金属材料表面得到镜面抛光效果。图7是上述金属材料抛光前后的AFM形貌对比。从图中可以看到，抛光前的样品表面都分布有大量的划痕和颗粒状夹杂物，其中304不锈钢的表面粗糙度是17.3nm，6063铝合金的表面粗糙度是78.0nm，纯镍的表面粗糙度是37.4nm。经过各向同性刻蚀抛光后，这些金属材料表面的划痕都已经被去除，表面更加均匀、平滑，其中304不锈钢的表面粗糙度降低到1.01nm，6063铝合金的表面粗糙度降低到5.39nm，纯镍的表面粗糙度降低到3.26nm。该结果表明本方法可以对常见的金属材料都能够进行高效的超精密抛光。

实施例3

将铝合金板置入硝酸溶液中形成钝化膜，随后采用实施例1中的抛光装置和刻蚀液进行抛光。采用该方法，同样可以将铝合金板的表面粗糙度经AFM检测同样达到纳米级别。

从上述实施例可以看出，本发明实施例所提供的金属抛光方法具有良好的普适性，可以采用同样的参数抛光各种不同的金属材料。采用本发明实施例所提供的金属抛光方法利用化学反应去除材料，表面缺陷被去除的同时不会产生亚表面损伤层。另外，本发明实施例所提供的金属抛光方法所采用的刻蚀液成分简单，对环境危害较小。在刻蚀完成后，刻蚀液中的强氧化性酸会重新在金属材料表面形成钝化层，从而有效提高金属材料表面的耐腐蚀性。采用本实施例所提供的金属抛光方法可以加工形状复杂的零件。抛光速度较快，能大大减少制备的时间。而且本实施例所提供的金属抛光方法在常温下即可实施，不必像现有的其他金属抛光方法必须通过加热或冷却。

实施例4

将纯镍板加热到450℃从而在其表面形成致密的钝化膜，随后采用实施例1中的抛光装置进行抛光，刻蚀液选择18％体积浓度的KOH溶液。通过该方法得到的纯镍板的表面粗糙度经AFM检测达到纳米级别。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种金属抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在金属材料的表面形成钝化膜；

(2)将表面形成所述钝化膜的所述金属材料浸入刻蚀液并施加电场。

2.根据权利要求1所述的金属抛光方法，其特征在于，所述刻蚀液选自酸、碱、无机盐溶液。

3.根据权利要求2所述的金属抛光方法，其特征在于，所述刻蚀液还包括有机溶剂。

4.根据权利要求3所述的金属抛光方法，其特征在于，所述有机溶剂为低元醇，所述低元醇的碳原子数为1至4。

5.根据权利要求4所述的金属抛光方法，其特征在于，所述刻蚀液包括体积比为(0.01～0.02)：1的浓硫酸和甲醇。

6.根据权利要求1所述的金属抛光方法，其特征在于，在所述金属材料的表面形成所述钝化膜的方法为：将所述金属材料与钝化液接触。

7.根据权利要求6所述的金属抛光方法，其特征在于，所述钝化液包括强氧化性酸。

8.根据权利要求1至7任一项所述的金属抛光方法，其特征在于，所述施加电场的方式为：将直流电源分别与浸入所述刻蚀液的阳极和阴极电连接，所述阳极为所述表面形成所述钝化膜的所述金属材料，所述阴极为不溶性阴极。

9.根据权利要求8所述的金属抛光方法，其特征在于，所述直流电源为恒压模式或恒流模式。

10.权利要求8所述的金属抛光方法，其特征在于，所述直流电源的电压为大于10V，所述直流电源的电流大于0.6A/cm²。