CN1534113A - 钛及钛合金制品的等离子体抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用等离子体抛光钛及钛合金制品的方法，本发明是将钛及钛合金制品的待抛光物置入含有铵离子(NH₄ ⁺)为基础的电解液中，再通过直流电压的输出，使得正极待抛光物周围的电解溶液因高电位差而瞬间蒸发产生气泡袋(Air gap)，此连续性的气泡袋会在被抛光物表面产生包覆气膜，气膜中间的蒸发粒子因高电压解离而产生放电等离子体，并通过放电等离子体把待抛光物表面上的突起部分击平，使其产生如镜面般的平面，从而完成抛光的目的。

Description

钛及钛合金制品的等离子体抛光方法

技术领域

本发明是关于一种钛及钛合金制品的抛光方法，特别是关于一种利用等离子体抛光钛及钛合金制品的方法。

背景技术

钛金属及钛合金因为具有质轻、高强度、优异的抗腐蚀性，并且对于人体皮肤不会产生过敏等特性，因此被广泛的应用在各种领域。钛金属在机械特性上具有高的相对强度(抗张力/密度)、高拉伸强度、抗疲劳、耐撞击性以及高抗热性等特性，因此已被应用于航天工业、运动器材、自行车零件、高尔夫球头、眼镜及其它多项民用制品上。此外，钛金属及钛合金不会使人体皮肤产生过敏反映，因此可以取代以往会造成皮肤发痒或皮肤炎的镍或镍合金制品。另外，钛金属及钛合金可应用于医疗器材，如镊子，并且可作为生物体植入物的材料，如骨骼固定板、螺丝和脊椎支撑笼(Cage)等。正因为钛金属及钛合金的应用广泛，因此，钛材料的加工也日益受到重视，其中抛光过程可以处理加工过程所形成的粗糙面，并且赋予产品更佳的质感，因此是整个钛金属及钛合金加工过程中不可或缺的加工程序。

公知的钛金属及钛合金的抛光方法大致上可分为三种，即机械抛光法、化学抛光法以及电解抛光法等方法，但是各有其限制及缺点。

公知的机械抛光法耗费人力，并且比较适合平面材料，对于非平面的材料，将有无法抛光的死角。此外，钛金属为一种活性金属，经过镜面抛光处理一段时间后，镜面的表面性状又会氧化，因此深井英明等人于日本专利JP4041656揭示了一种利于热处理的技术，来防止镜面表面性状氧化的现象。但是，这种热处理的方法所使用的温度相当高(300～800℃)，同时需要控制在高真空度(10-3torr)的环境中进行抛光。另外，平田修一等人在日本专利JP6170721中揭示了另一种在抛光研磨时加入氧化剂的技术，其目的是使钛金属表面形成一表面氧化层，以防止研磨剂埋入并混入钛金属表面而形成研磨剂层，并通过此改善研磨抛光效果。但是此种方法仍较适于处理平面板才，对于立体曲面或有空洞等制品，在处理上有盲点及困难处。

公知的化学抛光法多数利用酸性溶液对钛金属做处理，如苏联专利SU1715887所揭示的利用硝酸、硫酸、40％的醋酸及氢氟酸以25～30％∶40～45％∶2～5％∶25～28％的比例所混合的水溶液来进行抛光。另外，松尾智幸等人在日本专利JP4088178揭示一种二段式化学抛光法，是先将钛制品在磷酸、醋酸与氢氟酸的混合溶液(混合比例为2∶1∶1)中加热至50℃进行第一段的抛光，接着再以7∶1的混合比例混合双氧水与氢氟酸而完成第二段的抛光。由此可知，化学抛光法大多利用高浓度的酸性溶液，对于废酸液的回收或处理，将会产生问题，对环保上也可能造成不利的影响。此外，对于抛光完成的钛制品而言，因为材料微观表面不同相(Phase)之间或晶粒(Grain)与晶界(Grainboundary)之间的蚀刻速率有差异，将使成品表面难以达到光亮平整的效果。

至于电解抛光法方面，如同化学抛光法，也需利用高浓度的酸性溶液作为电解液，如Uradoren Mihairobuitsuchi Shiy等人于日本专利JP56016700所揭示的利用硫酸、硝酸及氢氟酸并且混合表面活性剂所成的水溶液作为钛及钛合金的电解抛光液，此种方法仍存在着高毒性、高危险性、制作过程管理不易以及废液污染等种种问题。

因此，由上述可知，公知技术中存在着加工技术上的限制以及其他多项不易处理的缺点，因此，若能提供一种制作过程简便、安全性高、并且加工成品优良的方法，将能降低抛光制作过程的成本，并且进一步提高钛制品的利用性。

发明内容

本发明的目的的之一就是提供一种快速、便宜的抛光方法，使钛及钛合金制品能得到洁净光亮的表面，赋予成品更佳的质感。

本发明的另一目的就是改善公知抛光技术中的前处理步骤，可同步进行除油、除锈、脱脂、清洗与抛光的制作过程，进而增加效率，减少不便及浪费。

本发明的再一目的就是提供无毒性与无污染性的电解溶液，减少制作过程中的危险性，同时低浓度的电解液不会造成环保问题，并且可以节省配制溶液的成本。

本发明的又一目的就是提供一简便快速的方法来抛光任何形状的钛制品，包括具有曲面、中空管状物以及立体形状等钛制品，并且使抛光完成的被抛光物表面不受任何化学物质的污染。

本发明是一种利用等离子体抛光的方式，抛光钛及钛合金制品表面的方法。此等离子体抛光是先配制总浓度为1～15％，并以铵离子(NH₄ ⁺)为基础的电解液，将钛及钛合金制品的待抛光物置入电解液中，通过直流电压的输出，使得正极待抛光物周围的电解溶液因高电位差而瞬间蒸发产生气泡袋(Air gap)，并进而形成连续性的气膜，此气膜内所产生的放电等离子体会蚀刻被抛光物表面，同时，被抛光物表面因电化学作用而产生阳极氧化。当蚀刻速率与氧化速率达到最佳比例时，将在被抛光物表面造成优良的抛光效果。此外，高电位差通过在被抛光物表面与气膜间形成电场，相对于局部突起处的周围区域，被抛光物表面的局部突起处具有较大的电场，因此，该处的等离子体蚀刻速率也比较大。随着处理时间的增加，被抛光物表面的粗糙度将随之降低，最终达成完全平整的抛光面。因此，只要待抛光物为导电体，如钛或钛合金制品，并且可浸入电解液中，即可进行等离子体抛光。另外，不论待抛光物的形状如何，如曲面的立体制品或是中空管状物制品，只要其能浸泡于电解液中，均可进行外表面及内面的抛光。

以下将以具体实施例进一步说明本发明，下述实施例是用以阐明本发明，并非用以限定本发明的范围，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许变动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书的范围为准。

附图说明

图1为Ti-6A1-4V钛合金螺钉在等离子体抛光前后的一组螺纹光学显微镜金属相照片。

图1A为等离子体抛光前的螺纹光学显微镜金属相照片。

图1B为等离子体抛光后的相同位置的该组螺纹光学显微镜金属相照片。

图2为Ti-6A1-4V钛合金螺钉在等离子体抛光前后的另一组螺纹光学显微镜金属相照片。

图2A为等离子体抛光前的螺纹沟槽光学显微镜金属相照片。

图2B为等离子体抛光后的相同位置的该组螺丝沟槽光学显微镜金属相照片。

具体实施方式

实施例1

以150×150×3mm³的纯钛平板为实验样品，配制1～8％的氯化铵水溶液，并将工作电流密度设定为0.3A/cm²，工作电压设定为280～380V，电解液的加热温度为70～98℃，在上述条件下进行等离子体抛光，在不同抛光时间测定被抛光物的表面粗糙度及相对反射率，其结果如表一所示。其中，表面粗糙度(Ra)是以触针式表面粗糙度仪所测量，并且相对反射率的计算如下所示：

相对反射率(％)＝(光泽计测量值/银境测量值(视为100％反射))×100％

由表一中可看出，随着抛光时间增加，表面粗糙度迅速降低，而相对反射率则快速增加，等离子体抛光7分钟后，粗糙度由原来的0.71μm下降至0.11μm，而相对反射率由34％提升至91％。由此可见，本发明以相当温和的处理条件，就可达到优良的抛光效果。

表一：本发明实施例1所得抛光后样品的表面粗糙度及相对反射率

抛光时间(min)	表面粗糙度(μm)	相对反射率(％)
			0(抛光前)	0.71	34
0.25	0.67	36
			0.5	0.61	44
1	0.49	53
			2	0.37	69
3	0.22	82
			5	0.13	90
7	0.11	91

实施例2

以Ti-6A1-4V的钛合金高尔夫球头为实验样品，其尺寸为长130mm，宽90mm，高54mm中空铸造体，配制0.5～5％的氯化铵及0.5～5％的氟化铵的混合溶液为电解液，并将工作电流密度设定为0.42A/cm²，工作电压设定为300～420V，电解液的加热温度为60～95℃，在前述条件下进行等离子体抛光。因为此实施例中的样品为立体弧形，因此难以测量表面粗糙度的变化，而仅以光泽计测量固定位置的相对反射率表示，其相对反射率的测定及计算与实施例1相同，其结果如表二所示。

表二中显示随着抛光时间增加，相对反射率快速增加，等离子体抛光5分钟后，不论电压为380V或420V，均可大幅度提升被抛光样品的相对反射率。由此可见，对于立体形状如具有曲面的物体，本发明的等离子体抛光法也能提供绝佳的抛光效果。

     表二：本发明实施例2所得抛光后样品的相对反射率

抛光时间(min)	相对反射率(％)
			电压380V	电压420V
	0(抛光前)	58			59
0.5			61	70
	1	70			78
2			79	87
	3	82			88
5			84	88
	7	83			86

实施例3

以Ti-6A1-4V的钛合金螺丝为实验样品，此螺钉为医疗用人体植入物，其尺寸为长10mm，直径约为6mm。先配制0.5～5％的氯化铵，0.5～5％的硫酸铵及0.5～5％的氯化铵的混合溶液为电解液，并将工作电流密度设定为0.1A/cm²，工作电压设定为210～320V，电解液的加热温度为75～96℃，在前述条件下进行等离子体抛光。因为螺丝样品的表面粗糙度及相对反射率难以测量，因此此处以抛光前包含二组螺纹的光学显微镜金属相照片与相同位置抛光1分钟后的金属相照片(如图1所示及图2所示)加以对照。由图1及图2的照片显示，抛光后的螺纹毛边已去除，而表面也变的非常光亮，此外，沟槽内的加工纹路已被去除并整平。

由上述说明及实施例中可发现，本发明钛及钛合金制品的等离子体抛光方法可彻底改善公知技术的缺点，并且制作过程简便，适用于任何形状的钛制品，提高作业的安全性，并且不会制造环保问题。且检索相关的文献资料，并未发现相同的申请，申请人依法提出发明专利申请，请审查员审查，并授予专利权。

Claims (20)

1.一种用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为至少包含下列步骤：

(a)配制含有铵离子(NH₄ ⁺)的电解液；

(b)将该电解液的温度维持在60～98℃的范围内；

(c)将待抛光物浸入该电解液中；

(d)对该待抛光物施加210～420V的直流正电压以产生放电等离子体进行抛光；以及

(e)抛光完成后，取出已抛光的成品。

2.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该含有铵离子的电解液浓度为1-15％。

3.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该含有铵离子的电解液包含氯化铵溶液。

4.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该含有铵离子的电解液包含氟化铵溶液。

5.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该含有铵离子的电解液包含硫酸铵溶液。

6.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该含有铵离子的电解液为1～8％氯化铵溶液。

7.如权利要求6所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该电解液的温度维持在70～98℃的范围内。

8.如权利要求6所述的用于钛及钛合金制品的电抛光方法，其特征为：对该待抛光物所施加的直流正电压为280～380V。

9.如权利要求7所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：对该待抛光物所施加的直流正电压为280～380V。

10.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该含有铵离子的电解液为0.5～5％氯化铵溶液与0.5～5％氟化铵溶液的混合溶液。

11.如权利要求10所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该电解液的温度维持在60～95℃的范围内。

12.如权利要求10所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：对该待抛光物所施加的直流正电压为300～420V。

13.如权利要求11所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：对该待抛光物所施加的直流正电压为300～420V。

14.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该含有铵离子的电解液为0.5～5％氯化铵溶液，0.5～5％硫酸铵溶液与0.5～5％氟化铵溶液的混合溶液。

15.如权利要求14所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该电解液的温度维持在75～96。的范围内。

16.如权利要求14所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：对该待抛光物所施加的直流正电压为210～320V。

17.如权利要求15所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：对该待抛光物所施加的直流电压为210～320V。

18.如权利要求1所述用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该待抛光物为具有曲面的立体物品。

19.如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法，其特征为：该待抛光物为中空管状物。

20.一种利用如权利要求1所述的用于钛及钛合金制品的等离子体抛光方法所制成的物品。

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