CN115198276B - 一种用于处理钛合金的抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及金属抛光剂领域，具体公开了一种用于处理钛合金的抛光液及其制备方法；所述用于处理钛合金的抛光液包含以下原料制成：磨料、磨料改性剂、氧化剂、助氧化剂、pH调节剂、去离子水；所述磨料改性剂为钛酸酯偶联剂；其制备方法为包括以下步骤：称取所述原料备用；磨料改性；原料搅拌混合；调节抛光液pH值；得到所述抛光液。本申请的抛光液可用于钛合金精密抛光，其具有抛光效率高、高表面质量、悬浮性好、分散性、好使用寿命长、无腐蚀优点；另外，本申请的制备方法具有工艺简单、成本低，适合批量生产的优点。

Description

一种用于处理钛合金的抛光液及其制备方法

技术领域

本申请涉及金属抛光剂领域，更具体地说，它涉及一种用于处理钛合金的抛光液及其制备方法。

背景技术

钛合金因为具有质量轻、强度高、抗腐蚀性能优异，并且对人体皮肤不会产生过敏等特性成为许多手机中框青睐的材料。钛合金强度高，但因其韧性大，对磨料粘附性强；导热性差，摩擦热不易散发等特点，使得钛合金中框抛光加工难度较大。在传统的CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)中，由于钛合金含有铁、铝、钒等金属，化学腐蚀软化程度不一样，很容易形成橘皮、坑点等不良品。

传统的金属抛光液有酸性CMP抛光液、氧化型抛光液和中性乳化CMP抛光液等。其中，酸性CMP抛光液含有大量有机或无机强酸性物质，对抛光机台腐蚀严重，且对环境污染较大。氧化型抛光液，氧化剂对钛合金各金属组分氧化选择性存在差异，容易形成橘皮等表面不良，抛光效率不高。中性乳化CMP抛光液含有不溶于水的油类蜡类物质，抛光液制备需加热乳化，制备成本高，且增加后工段清洗难度，通过循环系统循环使用时会产生大量泡沫，影响正常生产。重要的是采用以上方式加工的钛合金表面很难达到所需的超镜面效果。

有鉴于此，本申请发明人认为开发一种具备环境友好型、并能提升对钛合金抛光效果的抛光液迫在眉睫。

发明内容

为了改善抛光液对钛合金的抛光效率低的问题，本申请提供一种用于处理钛合金的抛光液及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种用于处理钛合金的抛光液，采用如下的技术方案：

一种用于处理钛合金的抛光液，所述抛光液包含以下重量份的原料制成：

磨料0.4～5份；磨料改性剂0.005～0.2份；氧化剂0.5～6份；助氧化剂0.1-1.2份；pH调节剂0.01～0.1份；去离子水80～100份；所述磨料改性剂为钛酸酯偶联剂；

所述氧化剂为硝酸钠、过硫酸钾、过硫酸钠、次氯酸钠的一种或多种的组合；

所述助氧化剂为2,2,6,6四甲基哌啶氧化物、4,甲基吗啉－N-氧化物中的一种或两种组合；

所述抛光液的pH为6.5-7.5。

通过采用上述技术方案，磨料在磨料改性剂的作用下，提升磨料的悬浮性和分散性，同时增加了磨料在聚胺脂抛光垫上的结合力，方便在抛光过程中磨料与钛合金的充分接触，磨料单位时间内磨削力更大；由于上述氧化剂和助氧化剂相配合，提升了对钛合金中各种金属成分的氧化选择性，有效轻腐蚀软化工作表面，采用强氧化性的氧化剂，能在接触工件时，快速氧化腐蚀并后续形成致密的钝化保护膜，达到腐蚀和缓蚀的平衡；同时通过pH调节剂调节抛光液的整体pH值，使抛光液pH值呈现为偏中性，降低抛光液对机台的腐蚀，延长抛光机台的使用寿命。

可选的，所述抛光液包含以下重量份的原料制成：

磨料0.5～4份；磨料改性剂0.01～0.1份；氧化剂1～5份；助氧化剂0.3～0.7份；

pH调节剂0.07～0.1份；去离子水80～100份。

通过采用上述技术方案，在上述组分配伍下，抛光液的稳定性、抛光效率更佳。

可选的，所述磨料为粒径1～3um的片状α-氧化铝。

通过采用上述技术方案，采用上述粒径范围的以及片状的α-氧化铝作为磨料，与常规粉末颗粒状的α-氧化铝相比，片状的α-氧化铝的分散性更好，提升抛光液整体的稳定性；再者，片状氧化铝具有坚硬的晶体结构和平齐的板状结构，粉体微粒排列整齐，可以使磨料与产品间的磨擦力增大，加快了磨削速度，提升抛光效率；其三，常见的氧化铝磨料在实际使用中存在易划伤产品的问题，而平整光滑的片形表面对于被磨对象(如半导体硅晶片，智能手机外壳等等)来说不易划伤，可提高产品的合格品率。

可选的，所述钛酸酯偶联剂为异丙三基(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙三基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯中的一种或多种的组合。

通过采用上述技术方案，采用上述钛酸酯偶联剂对磨料进行改性，主要原理为：钛酸酯偶联剂具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，与氧化铝磨料无机物表面起化学反应，包裹着磨料；另一个是亲有机物的基团，能与聚胺脂抛光垫发生化学反应或生成氢键溶于其中。

可选的，所述抛光液还包括1-5份的催化氧化剂，所述催化氧化剂为平均粒径为10nm的钛白粉。

通过采用上述技术方案，抛光液中通过添加上述催化氧化剂，一方面钛白粉具的分散性好，另一方面利用钛白粉在一定波长光作用下，形成氧化还原，最终产生高活性羟基的原理，可以加快在抛光过程中对钛合金工件表面形成轻度腐蚀，从而进一步提升抛光效率。

可选的，所述pH调节剂为水溶性强碱弱酸盐。

通过采用上述技术方案，采用强碱弱酸盐对抛光液进行pH调节，使抛光液整体pH比较稳定，并与其他组分不会发生相互反应。

可选的，还包括氧化剂稳定剂0.01～0.1份；所述氧化剂稳定剂为氨基羧酸类金属螯合剂。

通过采用上述技术方案，氧化剂稳定剂可以使氧化剂在存放静止时，不分解不反应，提高了存放寿命，抛光过程中使氧化速度保持持续缓慢地行进，不会因为前期过度消耗氧化剂而导致后期氧化剂不足。

可选的，还包括缓蚀平衡剂0.01～0.1份；所述缓蚀平衡剂为生物多糖的聚合物。

通过采用上述技术方案，添加上述生物多糖的聚合物可以形成一层网状结构，网状结构沉积在金属表面形成保护膜，防止金属被腐蚀，而且这层保护膜在机械作用下很容易脱离，在磨料和抛光垫的作用下轻易脱落，完全不影响抛光效果。

第二方面，本申请提供一种抛光液的制备方法，采用如下的技术方案：

一种抛光液的制备方法，包括以下步骤：

改性预混，将部分上述重量份的去离子水、磨料和磨料改性剂加入搅拌罐，搅拌混合，得到改性磨料混合液；

搅拌分散，继续搅拌改性磨料混合液，同时依次加入上述重量份的氧化剂、助氧化剂和pH调节剂，搅拌至溶液完全分散，得到所述抛光液。

通过采用上述技术方案，磨料经过改性匀混后，可以提升磨料的稳定性和分散性，从而延长磨料的使用时限；同时制备工艺简单，适合规模工业化生产。

可选的，在所述改性磨料混合液中还加入1-5份催化氧化剂或/和0.01～0.1份的氧化剂稳定剂，或/和0.01～0.1份的缓蚀平衡剂。

通过采用上述技术方案，制得的抛光液具有良好的抛光性能、抛光效率以及腐蚀缓蚀平衡。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请的抛光液配方所有成份均为可溶性物质；磨料通过磨料改性剂后，悬浮性好、分散性好，不容易产生团聚或块状沉淀，且略有沉淀轻摇即可恢复均质状态；

2、本申请抛光液稳定性好寿命长，放置一年仍能保持原有效果；

3、本申请抛光液各种成分协同作用，对钛合金各金属优质的选择比，具有优良的抛光性能，抛光后表面细腻、光洁度高，抛光后清洗简单；此外本申请抛光液可循环使用，当抛光液浓度降低时只需加入适量新的抛光液即可继续使用，使用过程节省人力，无需特别维护，适合自动化程度比较高的生产模式；且配方中无有毒有害成分，降低使用过程中对操作工人身体健康危害；

4、本申请抛光液具有极佳的腐蚀缓蚀平衡，可以有效轻腐蚀软化工作表面，提高加工效率，同时有效缓蚀，避免橘皮、坑点产生，对机台本身无腐蚀破坏；

5、本申请的抛光液制备方法具有工艺简单、成本低，适合批量生产的特点，并且可对成分调整即可改变抛光液性能制备成为一系列针对不同金属产品的抛光液。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。予以特殊说明的是：以下实施例中未注明具体条件者按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。

实施例

一种用于处理钛合金的抛光液的制备方法，包括以下步骤：

S1称取去离子水、磨料、磨料改性剂、pH调节剂和助氧化剂；

S2依次将称好的去离子水、磨料、磨料改性剂加入工业搅拌器，在搅拌频率为800-1000rpm下，搅拌10min，得到改性磨料混和液；

S3不停止搅拌，在改性混合液中依次加入氧化剂、助氧化剂和pH调节剂，在搅拌频率为200-600rpm下，搅拌20～60min，至溶液完全分散，得到pH值为6.5-7.5的用于处理钛合金的抛光液。

其中磨料采用粒径为1-3um的片状α-氧化铝；

磨料改性剂采用异丙三基(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙三基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯中的至少一种；

氧化剂采用硝酸钠、过硫酸钾、过硫酸钠、次氯酸钠的至少一种；

助氧化剂采用2,2,6,6四甲基哌啶氧化物、4,甲基吗啉－N-氧化物中的一种或两种组合；

pH调节剂为水溶性的强碱弱酸性盐，采用碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾的至少一种。

性能检测试验

1)抛光测试

用上述方法制备的抛光液分别对1000片经过中磨后的钛合金片进行精抛光，前工序的中磨采用5000#砂纸搭配抛光液，记录该1000片钛合金片经过中磨后的不良情况，并记录。

采用五轴机搭配3寸聚氨脂精抛白皮对钛合金片进行精抛光。抛光参数：压力：140N，转速：600RPM，时间：6min。记录现场良量检测效果、计算平均去除量(失重/g)和表面粗糙度测量。

平均去除量计算：通过型号为奥豪斯PX84ZH的分析天平称量抛光前后重量，w＝W_q-W_h；平均去除量反映了抛光液对钛合金工件的切削力高低；

表面粗糙度测量：采用型号为ZYGO,PTI 250的激光干涉仪测量；

表面光泽度测量：采用型号为威福光电的WG68的60度光泽度仪测量；

G光泽度＝φ被测物光通量/φ标准板光通量×G标准版光泽度。

2)腐蚀测试

用以上26款抛光液，各取5公斤液体，投放质量为50克的标准铸铁块，进行腐蚀测试，采用小数点后3位数的分析天平，型号JCS-1，记录累积失重，分别测量24h、48h和72h腐蚀情况。腐蚀测试主要检验抛光液对抛光机台的腐蚀影响，失重越低，缓蚀率越高，表示抛光液对机台的腐蚀影响越低。合格标准为：72h缓蚀率不小于95％。

表1实施例1-5用于处理钛合金的抛光液的组成原料、其用量及pH值(重量份)

其中，实施例1-5，磨料采用粒径为2um的片状α-氧化铝。

表2实施例1-5用于处理钛合金的抛光液性能测试结果

实施例6-10

实施例6-10与实施例1的区别在于，抛光液的各组分不同，具体参照表3

表3实施例6-10用于处理钛合金的抛光液的组成原料、其用量及pH值(重量份)

其中在其他实施例中，氧化稳定剂还可以是乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠的一种；

缓蚀平衡剂为生物多糖类聚合物，还可以是魔芋胶、定优胶、葡聚糖中的至少一种。

表4实施例6-10用于处理钛合金的抛光液性能测试结果

实施例11-15

实施例11-15与实施例1的区别在于，抛光液的原料组成不同，具体参照表5。

表5实施例11-15用于处理钛合金的抛光液的组成原料、其用量及pH值(重量份)

表6实施例11-15用于处理钛合金的抛光液性能测试结果

实施例16

实施例16与实施例12的区别在于，磨料采用粒径为1um的α-氧化铝。

实施例17

实施例17与实施例12的区别在于，磨料采用粒径为3um的α-氧化铝。

实施例18-19

实施例18-19与实施例12的区别在于，抛光液的组分除磨料和催化氧化剂外，其他组分组成不同，但用量相同，具体参照表7

表7实施例18-19用于处理钛合金的抛光液的组成原料及pH值(重量份)

表8实施例16-19用于处理钛合金的抛光液性能测试结果

对比例

对比例1

称取35重量份的氧化铝，氧化铝的粒径为1um，8重量份的过硫酸氢钾，8重量份的聚乙二醇200作为分散剂，以磷酸为pH调节剂，4重量份的苯甲酸钠为络合剂；

依次加入干净的工业搅拌器中，并不断的搅拌10分钟，使得各个原料都充分搅拌均匀，直至完全溶解。在搅拌过程中加入适量的盐酸，调节pH值为3.0；得到酸性抛光液。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于，磨料采用粒径为0.5um的α-氧化铝。

对比例3

对比例3与实施例1的区别在于，磨料采用粒径为4um的α-氧化铝。

对比例4

对比例4与实施例1的区别在于，不含磨料改性剂。

对比例5

对比例5与实施例1的区别在于，不含pH调节剂。

对比例6-7

对比例6-7与实施例11的区别在于，抛光剂的各组分用量不同，具体参照表9.

表9对比例6-7用于处理钛合金的抛光液的组成原料及pH值(重量份)

表10对比例1-7用于处理钛合金的抛光液性能测试结果

从表1的性能测试结果来看，实施例1-5可以看出：实施例1-3在限定的范围内良率92％-95％，实施例4-5超出范围良率90％-92％，良率有着明显的降低，因为氧化剂太少，氧化作用不够充分，磨料改性剂太少无法充分包裹磨料，效果打了折扣，最终导致切削力不足；相反，如果氧化剂太多，氧化作用太快，无法彻底磨削氧化部分就导致表面粗糙度变大，而如果磨料改性剂太多，导致磨料被致密地包裹起来，将失去磨料原有的磨削效果，不但切削力下降，还会表面粗糙度变大。

结合实施例1和对比例1，可以看出：对比例1采用了酸的腐蚀和氧化效果对钛合金表面进行软化，磨料和化学软化没有达到很好的平衡，而且缓蚀剂没有起到很好的缓蚀选择，对铸铁的保护不够。

结合实施例1和对比例2-3，可以看出：对比例2-3采用氧化铝粒径范围1-3um外的氧化铝，粒径太小，化学作用起到了主导作用，表面效果会好，但是切削力不足，无法切削上一度的纹路；反之，粒径过大，物理作用起到了主导作用，得出比较粗糙的表面，无法满足客户的镜面要求。

结合实施例1和对比例4，可以看出：对比例4没有添加磨料改性剂，一方面磨料没有做到很好的分散作用，另一方面磨料没有改性，无法在抛光垫上更长时间停留，最终导致良率低下。

结合实施例1和对比例5，可以看出：对比例5没有添加pH调节剂，抛光液整体pH值为5.01，pH值过低，氧化剂和助氧化剂在大量氢离子子的存在下，氧化作用会大大加强，切削力有一定程度提高，但是表面粗糙度也变大，影响了表面镜面的效果。再者，较低pH值影响到一定的缓蚀率，不过主要影响因素还是在于缓蚀剂。

结合实施例11和对比例6-7，可以看出：超出设定的配比范围，化学和物理磨削将无法平衡，无法抛出高镜面表面，良率是大大不如实施例11。

比较实施例1和实施例12-20的抛光剂的性能测试结果，可以看出：在抛光的过程中，首先氧化剂对钛合金表面进行软化作用，助氧化剂协同作用下，加大了氧化剂的效果，与此同时催化氧化剂起到复合作用进一步加强了氧化作用。其次磨料改性剂增强了磨料的分散性和悬浮性，并对磨料进行改性，使其更贴合抛光垫，起到更好的磨削作用。接着，氧化剂稳定剂提高了液体存放寿命，并在提高了抛光液的使用寿命。最后pH调节剂和缓蚀平衡剂，保护了机台不被抛光液腐蚀，并让pH维持6-8之间，氧化剂和助氧化剂在这个pH值中起到比较好的效果。

结合实施例1和实施例14-15：缓蚀平衡剂过少的情况下，缓蚀短时间内无法形成保护膜，抛光液对机台造成腐蚀；缓蚀平衡剂过多的情况下，钛合金表面保护膜过于紧密，磨料和抛光垫无法有效破坏，影响了抛光的效果。催化氧化剂过少的情况下，无法充分覆盖在工件表面，充分氧化工件表面，而且催化氧化剂采用的钛白粉本身不溶于，和磨料混合在一起，在过多的情况下会影响磨料和工作的有效接触，从而影响切削力。

结合实施例1和实施例16-17：可以看出，在氧化铝粒径1-3um范围内对抛光效果基本一致，说明在这个粒径范围内，没有打破原有体系的化学物理平衡，能达到很好的抛光效果和加工良率。

结合实施例1和实施例18-19：单组分中多种组合，在规定范围内的比例调整，都在平衡的窗口内，最终能有好的抛光效果和抛光良率。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种用于处理钛合金的抛光液，其特征在于：所述抛光液包含以下重量份的原料制成：

磨料0.4~5份；

磨料改性剂0.005~0.2份；

氧化剂0.5~6份；

助氧化剂0.1-1.2份；

pH调节剂0.01~0.1份；

去离子水80~100份；

所述磨料改性剂为钛酸酯偶联剂；

所述氧化剂为硝酸钠、过硫酸钾、过硫酸钠、次氯酸钠的一种或多种的组合；

所述助氧化剂为2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、4-甲基吗啉-N-氧化物中的一种或两种组合；

所述抛光液的pH为6.5-7.5；所述pH调节剂为水溶性强碱弱酸盐；

所述磨料为粒径1~3um的片状α-氧化铝。

2.根据权利要求1所述的用于处理钛合金的抛光液，其特征在于：所述抛光液包含以下重量份的原料制成：

磨料0.5~4份；

磨料改性剂0.01~0.1份；

氧化剂1~5份；

助氧化剂0.3~0.7份；

pH调节剂0.07~0.1份；

去离子水80~100份。

3.根据权利要求1所述的用于处理钛合金的抛光液，其特征在于：所述钛酸酯偶联剂为异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯、异丙基三（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的用于处理钛合金的抛光液，其特征在于：所述钛酸酯偶联剂为异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯、异丙基三（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述的用于处理钛合金的抛光液，其特征在于：还包括1-5份的催化氧化剂，所述催化氧化剂为平均粒径为10nm的钛白粉。

6.根据权利要求1所述的用于处理钛合金的抛光液，其特征在于：还包括氧化剂稳定剂0.01~0.1份；所述氧化剂稳定剂为氨基羧酸类金属螯合剂。

7.根据权利要求1所述的用于处理钛合金的抛光液，其特征在于：还包括缓蚀平衡剂0.01~0.1份；所述缓蚀平衡剂为生物多糖的聚合物。

8.一种权利要求1所述的用于处理钛合金的抛光液的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

改性预混，将所述重量份的去离子水、磨料和磨料改性剂加入搅拌罐，搅拌混合，得到改性磨料混合液；

搅拌分散，继续搅拌改性磨料混合液，同时依次加入所述重量份的氧化剂、助氧化剂和pH调节剂，搅拌至溶液完全分散，得到所述抛光液。

9.根据权利要求8所述的用于处理钛合金的抛光液的制备方法，其特征在于：在所述改性磨料混合液中还加入1-5份催化氧化剂或/和0.01~0.1份的氧化剂稳定剂，或/和0.01~0.1份的缓蚀平衡剂。