CN1358240A - 用于钛的电解抛光的电解液组合物及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电解抛光非合金化钛制成的金属表面的电解液组合物,其特征在于它包含:硫酸(95－98%的溶液):20－40体积%,氢氟酸(40－48%的溶液):10－18体积%,和醋酸(90－100%的溶液):42－62体积%,适用于改变在溶液/金属界面上的电化学平衡,醋酸可以更好地控制钛表面的氧化和溶解,并产生金属表面的化学溶解的自限制性。
Description
本发明涉及一种用于非合金化钛制成的金属表面的电解抛光的电解液组合物，并涉及使用这种电解液的方法。
术语“抛光”理解为，为了降低金属表面粗糙度，从而提高其亮度，因此具有更低的腐蚀敏感性而进行的一种处理。
除了用于该目的的机械方法(例如减小颗粒尺寸的磨料粉末、精加工、珩磨等)以外，还有一些依赖于使用化学和/或电解反应的技术。因此，当发生的反应不依靠外部电流源时，该技术称为“化学抛光”，当反应依赖于外部电流源，电极之一(一般连接到电流源的正极)由待抛光的工件组成时，该技术称为“电解抛光”。
本发明在电解抛光的技术范畴内。
电解抛光依赖于两个同时的但相反的反应，其中，在金属/溶液界面上的相对速度和扩散现象控制操作过程。这些反应之一是溶解反应，在溶解反应过程中，金属以离子形式进入溶液中；另一个反应是一种氧化反应，在该反应中，形成一种氧化层，该层在一定程度上是防护性的，在其存在时，限制第一个反应的进行。这两个相反的复杂反应相互竞争，结果是由金属表面进行的化学腐蚀是自限性的，抛光只是这种腐蚀的一种特殊结果。
电解获得的抛光主要受所用的电解质的粘度和/或电阻影响。已知使用各种酸组合物，特别是以各种浓度的氢氟酸、硫酸、硝酸和磷酸为基础的组合物。这些酸中的一些(例如氢氟酸)使得在金属表面上形成的氧化物层被溶解，而其它的酸(例如磷酸、硫酸等)形成进行电解抛光所必需的粘性介质。为了保证该工艺过程合适进行并确定这些电解质的寿命，正确控制电解质组分的浓度是必要的。
许多电解抛光电解液组合物是已知的(见例如US3,766,030、US3,864,238、US5,591,320、US5,565,084等)。这些已知组合物中的一些是多用途的，可以处理纯钛及其合金。由于这个原因，这些电解液的作用质量是一种折衷的结果，所处理的金属表面的抛光不是最佳的。
所以，本发明的目的主要是提供一种专门电解抛光非合金化钛的电解液组合物，以便获得具有高质量和可测量的抛光程度的金属表面，而且通过在使用该组合物时合适选择电参数，获得具有可以预先确定的(“可调节的”)和可测量的(例如在用钛制成的生物相容的活体植入物的情况下)粗糙度的金属表面。
为了这些目的，根据本发明，一种用于非合金化钛制成的金属表面的电解抛光的电解液组合物，特征在于它包含：
-硫酸(95-98％的溶液)：20-40体积％，这种酸具有微氧化性和高粘度；
-氢氟酸(40-48％的溶液)：10-18体积％，这种酸产生可溶的盐；和
-醋酸(90-100％的溶液)：42-62体积％，适用于改变在溶液/金属界面上的电化学平衡，醋酸可以更好地控制钛表面的氧化和溶解，并产生金属表面的化学溶解的自限制性，金属表面的抛光是其结果之一。
根据待抛光金属(非合金化钛)的类型，设计硫酸和氢氟酸的溶液和浓度特性。
现有技术已知的配方中没有一种使用醋酸来用于专门抛光钛。醋酸由于其化学性质(低离解等)，在钛进行电化学抛光时，可以更好地调节所用的电化学过程。
有利的是，还可以向上述电解液组合物中加入一种称为“阳离子润湿剂”的添加剂，例如，季铵盐如十六烷基三甲基溴化铵，或一种取代衍生物如十六烷基溴化吡啶鎓，加入量在0.1-0.5g/l范围内。这种试剂改变在介质中的两个电极之一的极化(交替吸附和解吸现象)，并导致双电层现象的改变。结果，改善了抛光质量并去除更少的金属。
在使用上述组合物时，必须结合下列条件：
-电解液温度在20-22℃之间，使得在氧化速度与所形成的氧化层的溶解速度之间必须的平衡不会被打破；
-阳极电流密度约7A/dm；
-抛光电压(电极间电压)约为11伏，这些电特性(电流密度和电压)根据待抛光表面的形状和/或根据一个或多个辅助阳极的可能使用来设计；
-电解液的适度搅拌，这能够调节以适用于每种特定用途，以便保持在电极(待抛光表面)与液体溶液之间的界面上的粘滞层的稳定性(太剧烈的搅拌或不充分的搅拌会使该界面层失稳，导致抛光效果差)，从而使钛的溶解速度约为6微米/分钟。
使用本发明提出的措施，可以极为精确地调节和控制钛金属表面的电化学溶解条件，还可以获得大大优于目前为止已知技术可以获得的钛的抛光程度。因此，为了给出一种特定的情况，从最大粗糙度Rt为1-2微米左右、平均粗糙度Ra为0.1-0.15微米左右的轧制钛表面开始，在本发明的条件下电解抛光后，可以获得0.5微米左右的最大粗糙度Rt、0.05-0.10微米左右的平均粗糙度Ra，溶解的金属厚度为约50-100微米。此外，首先，电解抛光进行的条件是完全可控的，从而获得可测量的且可预先确定的粗糙度。最后，使用如上所述的添加剂通过更好地控制所述过程进行的条件，使得可以去除更小厚度的金属来获得给定的粗糙度值。
没有添加剂的上述组合物的一种具体实施例如下：
-硫酸：98％的溶液；密度1.84；25体积％；
-氢氟酸：40％的溶液；密度1.10；15体积％；
-冰醋酸：100％的溶液；密度1.05；60体积％。
在电解抛光前后，在非合金化钛金属表面上进行的粗糙度测量，获得下列结果(Rt＝最大粗糙度；Ra＝平均粗糙度)：
抛光前
(轧制态表面)：Rt＝1.80微米，Ra＝0.176微米
抛光后(溶解的金属厚度＝22微米)
Rt＝0.670微米，Ra＝0.080微米
抛光后(溶解的金属厚度＝59微米)
Rt＝0.396微米，Ra＝0.057微米
抛光后(溶解的金属厚度＝116微米)
Rt＝0.432微米，Ra＝0.080微米
Claims (4)
1.一种用于电解抛光非合金化钛制成的金属表面的电解液组合物，其特征在于它包含：
-硫酸(95-90％的溶液)：20-40体积％，
-氢氟酸(40-48％的溶液)：10-18体积％，和
-醋酸(90-100％的溶液)：42-62体积％，适用于改变在溶液/金属界面上的电化学平衡，醋酸可以更好地控制钛表面的氧化和溶解，并产生金属表面的化学溶解的自限制性。
2.根据权利要求1的组合物，特征在于它包含：
-硫酸：90％的溶液；密度1.84；25体积％；
-氢氟酸：40％的溶液；密度1.10；15体积％；
-冰醋酸：100％的溶液；密度1.05；60体积％。
3.根据权利要求1或2的组合物，特征在于它还包含一种添加剂，选自十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基溴化吡啶鎓，用量在0.1-0.5g/l范围内。
4.一种使用根据权利要求1-3的任一项的用于电解抛光钛的电解液组合物的方法，其特征在于：
-电解液温度在约20-22℃之间；
-阳极电流密度约7A/dm2；
-抛光电压约为11伏；
-适度搅拌电解液，
从而使钛的溶解速度约为6微米/分钟。
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