DE102016125244A1

DE102016125244A1 - Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat

Info

Publication number: DE102016125244A1
Application number: DE102016125244.1A
Authority: DE
Inventors: Sarah Bagehorn; Tobias Mertens
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21
Also published as: JP7112842B2; CN108221041B; JP2018109224A; US20180171504A1; CN108221041A; EP3339483A1; EP3339483B1; US11162185B2

Abstract

Die vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat gerichtet, umfassend die Schritte von (i) Bereitstellen eines Elektrolyten (EL) in einer elektrolytischen Zelle, umfassend zumindest eine Elektrode, (ii) Anordnen eines metallischen Substrats als eine Anode in der elektrolytischen Zelle, (iii) Anlegen eines Stroms aus einer Stromquelle mit einer Spannung von 270 bis 315 V zwischen der zumindest einen Elektrode und dem metallischen Substrat, und (iv) Eintauchen des metallischen Substrats in den Elektrolyten (EL), worin der Elektrolyt (EL) (a) zumindest eine Säureverbindung (A), (b) zumindest eine Fluorverbindung (F), und (c) zumindest einen Komplexbildner (CA) umfasst.

Description

Das Formen und die Oberflächenveredelung von metallischen Substraten hat sich häufig als eine Herausforderung dargestellt. Insbesondere das Formen und die Oberflächenveredelung von metallischen Substraten, die aus generativen Verfahren wie zum Beispiel Additive Layer Manufacturing erhalten werden, zeigt häufig raue Oberflächen. Die allgemein bekannten Form- und Oberflächenveredelungsverfahren wie beispielsweise Abstrahlen, Abfräsen, abtragendes Strömungsschleifen sind häufig auf komplexe Oberflächen nicht anwendbar. Weiterhin sind elektrochemische Verfahren wie beispielsweise Elektropolieren bekannt. Der Elektropoliereffekt beruht auf einer Lösungsreaktion, die auf einem metallischen Substrat, das Teil einer elektrolytischen Zelle bildet, stattfindet, wenn ein Strom angelegt wird, wobei das metallische Substrat in den Elektrolyten in Form von Ionen gelöst wird. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass ein elektrolytischer Film auf der Oberfläche des metallischen Substrats gebildet wird und aufgrund des Unterschiedes in Oberflächenverhältnis und Entladungsverhalten Spitzen schneller gelöst werden als ebene Oberflächen, was zu einer Verringerung der Oberflächenrauheit führt. Elektropolierverfahren nach dem Stand der Technik sind jedoch häufig kosten- und zeitintensiv oder führen nicht zu der gewünschten Reduzierung der Oberflächenrauheit. Weiterhin ist es häufig notwendig gefährliche Chemikalien anzuwenden, die eine umständliche Entsorgung benötigen.
Es wurde weiterhin festgestellt, dass bei herkömmlichen Verfahren zum Elektropolieren von metallischen Substraten eine Tendenz besteht, dass Gas an einigen Stellen der zu polierenden Oberflächen gebildet wird, wenn ein Strom angelegt wird. Das Gas tritt lokal in Blasen und mit variierender Intensität an den metallischen Substraten auf. Eine solche Gasentwicklung, beispielsweise aufgrund der Elektrolyse von in dem Elektrolyten enthaltenem Wasser oder aufgrund von elektrolytischem Zerfall von irgendeinem anderen Bestandteil des Elektrolyten ist jedoch nachteilig, da es unvorhersehbare lokale Verwirbelungen im gesamten Elektrolyten verursacht, d.h. dass eine lokal variierende Vermischung des Elektrolyten an der Oberfläche des metallischen Substrats auftritt. Weiterhin haben die Teile des metallischen Substrats, die zeitweilig oder sogar für eine längere Zeitspanne mit Gasblasen bedeckt sind, überhaupt nicht genügend Kontakt mit dem Elektrolyten. Als Konsequenz ist das Elektropolieren von solchen Teilen des metallischen Substrats, die in direktem Kontakt mit oder in unmittelbarer Nähe von dem auf dem Substrat gebildeten Gas (Blasen) sind, verringert. Dies führt zu ungewünschten Unregelmäßigkeiten des Elektropolierens über die gesamte Oberfläche des metallischen Substrats, wie beispielsweise kleinen Furchen und/oder Rillen, die auf der Oberfläche erscheinen. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn größer dimensionierte metallische Substrate poliert werden. Mit anderen Worten, je größer das zu polierende metallische Substrat, desto stärker ausgeprägt sind die unerwünschten Unregelmäßigkeiten des Elektropolierens aufgrund von Gasbildung.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für das Elektropolieren bereitzustellen, das die oben angezeigten Schwächen nicht aufweist.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist eine Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat, das zu einer hervorragenden Verringerung von Oberflächenrauheit führt. Das Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte von

(i) Bereitstellen eines Elektrolyten (EL) in einer elektrolytischen Zelle, umfassend zumindest eine Elektrode,
(ii) Anordnen eines metallischen Substrats als eine Anode in der elektrolytischen Zelle,
(iii) Anlegen eines Stroms aus einer Stromquelle mit einer Spannung von 270 bis 315 V zwischen der zumindest einen Elektrode und dem metallischen Substrat, und
(iv) Eintauchen des metallischen Substrats in den Elektrolyten (EL), worin der Elektrolyt (EL) umfasst
1. (a) zumindest eine Säureverbindung (A),
2. (b) zumindest eine Fluorverbindung (F), und
3. (c) zumindest einen Komplexbildner (CA).

In einer Ausführungsform wird der Strom mit einer Spannung von 285 bis 305 V angelegt, bevorzugt mit 295 bis 305 V, bevorzugter mit 298 bis 302 V und am bevorzugtesten mit 300 V.
In einer Ausführungsform weist der Elektrolyt eine Temperatur im Bereich von 10 bis 95°C auf, bevorzugt in einem Bereich von 40 bis 95°C, bevorzugter eine Temperatur im Bereich von 60 bis 95°C, noch bevorzugter eine Temperatur im Bereich von 70 bis 95°C, sogar noch bevorzugter eine Temperatur im Bereich von 75 bis 85 °C.
In einer Ausführungsform wir der Strom mit einer Stromdichte im Bereich von 0,05 bis 10 A/cm² angelegt, bevorzugt mit einer Stromdichte im Bereich von 0,05 bis 5 A/cm², bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 2,5 A/cm², noch bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 2,0 A/cm², und sogar noch bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 1,5 A/cm².
In einer Ausführungsform wird der Strom für eine Zeit im Bereich von 1 bis 240 min angelegt, bevorzugt für eine Zeit im Bereich von 1 bis 120 min, bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 1 bis 60 min, noch bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 1 bis 30 min, sogar noch bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 2 bis 20 min.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zumindest einen zusätzlichen Verfahrensschritt des Behandelns des metallischen Substrates mit einer Säuberungszusammensetzung.
In einer Ausführungsform ist das in dem Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat verwendete metallische Substrat aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Ti-6AI-4V, Inconel 718, Invar und Kombinationen davon.
In einer Ausführungsform umfasst der in dem Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat verwendete Elektrolyt ferner

(iv) zumindest ein Medium (M), und
(v) wahlweise Zusatzstoffe (AD).

In einer Ausführungsform umfasst der in dem Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat verwendete Elektrolyt

(i) die zumindest eine Säureverbindung (A) in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,05 bis 20 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,5 bis 15 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 5 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL), und/oder
(ii) die zumindest eine Fluorverbindung (F) in einer Menge von nicht mehr als 40 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 1 bis 40 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 1 bis 30 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 2 bis 15 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 4 bis 10 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL), und/oder
(iii) den zumindest einen Komplexbildner (CA) in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,5 bis 30 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,5 bis 20 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,5 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,5 bis 5 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 3 Gewichts-%,

(i) die zumindest eine Säureverbindung (A) in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,05 bis 20 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,5 bis 15 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 5 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL), und/oder
(ii) die zumindest eine Fluorverbindung (F) in einer Menge von nicht mehr als 40 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 1 bis 40 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 1 bis 30 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 2 bis 15 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 4 bis 10 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL), und/oder
(iii) den zumindest einen Komplexbildner (CA) in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,5 bis 30 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,5 bis 20 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,5 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,5 bis 5 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 3 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL) und/oder
(iv) das zumindest eine Medium (M) in einer Menge von zumindest 10 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von zumindest 30 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von zumindest 50 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von zumindest 70 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 10 bis 98.5 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 30 bis 95 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 50 bis 90 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 70 bis 85 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL) und/oder
(v) die Zusatzstoffe (AD) in einer Menge von nicht mehr als 25 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 2 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,01 bis 25 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,01 bis 10 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,01 bis 5 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,01 bis 2 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).

In einer Ausführungsform ist die zumindest eine in dem Elektrolyten (EL) für das Verfahren zum Elektropolieren von einem metallischen Substrat verwendete Säureverbindung (A) aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus anorganischen oder organischen Säuren, wie beispielsweise Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure oder Mischungen davon, ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure oder Mischungen davon, ist bevorzugter Schwefelsäure.
In einer Ausführungsform ist die zumindest eine in dem Elektrolyten (EL) für das Verfahren zum Elektropolieren von einem metallischen Substrat verwendete Fluorverbindung (F) aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Ammoniumfluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Trifluoressigsäure oder Mischungen davon, ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Ammoniumfluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid oder Mischungen davon, ist bevorzugter Ammoniumfluorid.
In einer Ausführungsform ist der zumindest eine in dem Elektrolyten (EL) für das Verfahren zum Elektropolieren von einem metallischen Substrat verwendete Komplexbildner (CA) aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentakismethylenphosphonsäure (DTPMP), Aminopolycarbonsäuren (APC), Diethylentriaminpentaacetat (DTPA), Nitrilotriacetat (NTA), Triphosphat, 1,4,7,10-tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure (DOTA), Phosphonat, Gluconsäure, β-Alanindiessigsäure (ADA), N-bis[2-(1,2-dicarboxy-ethoxy)ethyl]glycin (BCA5), N-bis[2-(1,2-dicarboxyethoxy)ethyl]asparaginsäure (BCA6), Tetrakis(2-hydroxypropyl)ethylendiamin (THPED), N-(hydroxyethyl)-ethylendiamintriessigsäure (HEDTA) oder Mischungen davon, ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentakismethylenphosphonsäure (DTPMP), Aminopolycarbonsäuren (APC), Diethylentriaminpentaacetat (DTPA), Tetrakis(2-hydroxypropyl)ethylendiamin (THPED), N-(hydroxyethyl)-ethylendiamintriessigsäure (HEDTA) oder Mischungen davon, ist bevorzugter Methylglycindiessigsäure (MGDA).
Es ist zu verstehen, dass die Erfindung und die oben und unten beschriebenen Ausführungsformen miteinander in Verbindung stehen, so dass sich die Offenbarungen gegenseitig ergänzen. Zum Beispiel kann jeder oben und unten beschriebene Elektrolyt in dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Detail beschrieben.
Das Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat.
Es wird ein Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat beschrieben, umfassend die Schritte von

Der Begriff „elektrolytische Zelle“, wie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, richtet sich auf eine elektrochemische Zelle, die eine Redoxreaktion eingeht, wenn elektrische Energie angelegt wird. Insbesondere eine elektrolytische Zelle, die einen Elektrolyten enthält, durch den ein extern erzeugter elektrischer Strom durch ein System von Elektroden geleitet wird, um eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen. Die elektrolytische Zelle kann verwendet werden, um ein metallisches Substrat zu zersetzen, insbesondere in einem Verfahren, das Elektrolyse genannt wird.
In Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird der Elektrolyt (EL) in einer elektrolytischen Zelle bereitgestellt, die auch eine geeignete Kathode enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrolytische Zelle einen Behälter, der den Elektrolyten aufnimmt, worin der Behälter zur Kathode der elektrolytischen Zelle gemacht wird. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest eine separate Kathode in der elektrolytischen Zelle vorhanden ist, die zur Kathode der elektrolytischen Zelle gemacht wird. Es ist weiterhin möglich, dass die elektrolytische Zelle einen Behälter, der den Elektrolyten aufnimmt, und zumindest eine separate Kathode umfasst, worin sowohl der Behälter als auch die zumindest eine separate Kathode zur Kathode der elektrolytischen Zelle gemacht werden. Das Kathodenmaterial ist nicht wesentlich und geeignete Materialien beinhalten Kupfer, Nickel, Weichstahl, rostfreier Stahl, Graphit, Kohlenstoff und Ähnliche.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Oberfläche der Kathode und die Oberfläche der Anode ein Oberflächenverhältnis von zumindest 10:1, bevorzugt ein Oberflächenverhältnis von zumindest 12:1, sogar bevorzugter ein Oberflächenverhältnis von zumindest 15:1, wie beispielsweise ein Oberflächenverhältnis im Bereich von 10:1 bis 100:1, bevorzugt ein Oberflächenverhältnis im Bereich von 12:1 bis 50:1, sogar bevorzugter ein Oberflächenverhältnis im Bereich von 12:1 bis 20:1.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Strom aus einer Stromquelle zwischen der zumindest einen Elektrode und dem metallischen Substrat, d.h. zwischen der Kathode und der Anode der elektrolytischen Zelle, angelegt, bevor das metallische Substrat in den Elektrolyten (EL) eingetaucht wird. Mit andere Worten wird in einer bevorzugten Ausführungsform Verfahrensschritt (iii) vor Verfahrensschritt (iv) ausgeführt. Es ist jedoch auch möglich, dass der Strom aus einer Stromquelle zwischen der zumindest einen Elektrode und dem metallischen Substrat, d.h. zwischen der Kathode und der Anode der elektrolytischen Zelle, angelegt wird, nachdem das metallische Substrat in den Elektrolyten (EL) eingetaucht wurde. Mit andere Worten, in einer weiteren Ausführungsform wird Verfahrensschritt (iii) nach Verfahrensschritt (iv) ausgeführt.
Ein Elektrolyt (EL) wie oben und unten beschrieben wird in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Daher umfasst der in dem Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Elektrolyt (EL) zumindest eine Säureverbindung (A), zumindest eine Fluorverbindung (F) und zumindest einen Komplexbildner (CA).
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der in dem Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Elektrolyt (EL) aus zumindest einer Säureverbindung (A), zumindest einer Fluorverbindung (F), zumindest einem Komplexbildner (CA), zumindest einem Medium (M) und wahlweise Zusatzstoffen (AD).
Es ist zu verstehen, dass die oben und unten bereitgestellte Information hinsichtlich der zumindest einen Säureverbindung (A), der zumindest einen Fluorverbindung (F), des zumindest einen Komplexbildners (CA), des zumindest einem Mediums (M) und wahlweise Additiven (AD) gleichermaßen zutrifft für das erfindungsgemäße Verfahren für das Elektropolieren eines metallischen Substrats in der Gegenwart von zumindest einer Säureverbindung (A), zumindest einer Fluorverbindung (F), zumindest einem Komplexbildner (CA), zumindest einem Medium (M) und/oder wahlweise Additiven (AD).
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat unter anderem auf metallische Substrate mit komplexen Oberflächen angewendet werden kann. Daher kann das metallische Substrat in jeder Form vorliegen, wie beispielsweise als Stangen, Bleche, flache Bleche, Bleche aus Streckmetall, Quadern oder komplexen Strukturen.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass in dem Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat die Bildung von Gasblasen an dem metallischen Substrat effektiv unterdrückt wird. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellt daher ein poliertes Substrat bereit, das eine sehr gute oder sogar hervorragende Gleichmäßigkeit des Politur aufweist, selbst wenn große metallische Substrate elektrolytisch poliert werden, wie beispielsweise metallische Teile für Flugzeugsysteme wie beispielsweise Träger und/oder Halterungen (brackets) (beispielsweise FCRC (Ruhebereich für die Flugbesatzung)-Halterungen oder Halterungen für Rohre, Schläuche, Regale, Betten, etc.), Raumteiler, und/oder Kabinenteiler, Spoiler oder Teile von einem Spoiler, Krümmungen, Rohrbögen, usw. Zusätzlich kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein poliertes Substrat bereitstellen, das ein glänzendes Erscheinungsbild aufweist. Ein solches glänzendes Erscheinungsbild ist wünschenswert, da es eine hervorragende Gleichmäßigkeit der Politur anzeigt.
Der Begriff „metallisches Substrat“, wie hierein verwendet, soll Substrate zu umfassen, die zumindest ein leitfähiges Metall oder Metalllegierung umfassen. Bevorzugt besteht das metallische Substrat aus zumindest einem leitfähigen Metall oder Metalllegierung. Es wird durchaus gehen, dass das metallische Substrat umfasst, bevorzugt besteht aus, Metallen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Aluminium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Niob, Molybdän, Silber, Hafnium, Wolfram, Platin, Gold, Stahl und Kombinationen davon, wie beispielsweise Legierungen, bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Aluminium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Niob, Molybdän, Stahl und Kombinationen davon, wie beispielsweise Legierungen, bevorzugter aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Aluminium, Titan und Vanadium und Kombinationen davon, wie beispielsweise Legierungen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das metallische Substrat aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Ti-6AI-4V, Inconel 718, Invar und Kombinationen davon. Inconel 718 ist eine Metalllegierung bestehend aus 50,00-55 Gewichts-% Nickel (plus Kobalt), 17,00-21,00 Gewichts-% Chrom, 4,75-5,50 Gewichts-% Niob (plus Tantal), 2,80-3,30 Gewichts-% Molybdän, 0,65-1,15 Gewichts-% Titan, 0,20-0,80 Gewichts-% Aluminium, maximal 1 Gewichts-% Kobalt, maximal 0,08 Gewichts-% Kohlenstoff, maximal 0,35 Gewichts-% Mangan, maximal 0,35 Gewichts-% Silizium, maximal 0,015 Gewichts-% Phosphor, maximal 0,015 Gewichts-% Schwefel, maximal 0,006 Gewichts-% Bor und maximal 0,30 Gewichts-% Kupfer, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist. Invar ist eine Legierung aus Eisen und Nickel, die dem Fachmann allgemein bekannt ist, wie beispielsweise FeNi36 (d.h. eine Legierung von ungefähr 64 Teilen Eisen und ungefähr 36 Teilen Nickel) oder FeNi35 (d.h. eine Legierung von ungefähr 65 Teilen Eisen und ungefähr 35 Teilen Nickel) und ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt FeNi36.
Es wurde herausgefunden, dass das Verfahren zum Elektropolieren von einem metallischen Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer sehr guten Verringerung der Oberflächenrauigkeit und sehr guter Gleichmäßigkeit der erhaltenen polierten Oberfläche bei Spannungen zwischen 275 und 315 V führt.
Es wird durchaus gehen, dass der Strom bevorzugt mit einer Spannung von 285 bis 305 V angelegt wird, bevorzugter mit 295 bis 305 V, sogar bevorzugter mit 298 bis 302 V und am bevorzugtesten mit 300 V. Insbesondere wird eine hervorragende Verringerung der Oberflächenrauheit und hervorragende Gleichmäßigkeit der erhaltenen polieren Oberfläche erreicht, wenn der Strom mit einer Spannung von 298 bis 302 V oder sogar mit 300 V angelegt wird.
Weiterhin wird anerkannt, dass der Strom mit einer Stromdichte im Bereich von 0,05 bis 10 A/cm² angelegt wird, bevorzugt mit einer Stromdichte im Bereich von 0,05 bis 5 A/cm², bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 2,5 A/cm², noch bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 2,0 A/cm², sogar noch bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 1,5 A/cm².
Die Temperatur scheint kein wesentlicher Parameter zu sein., Jedoch scheint eine erhöhte Temperatur die Effizienz des Verfahrens zum Elektropolieren von einem metallischen Substrat zu verbessern. Es wird durchaus gehen, dass die Temperatur des Elektrolyten zumindest 10°C beträgt, bevorzugt zumindest 40°C beträgt, bevorzugter zumindest 60°C beträgt, noch bevorzugter zumindest 70°C beträgt, sogar noch bevorzugter zumindest 75°C beträgt, wie beispielsweise eine Temperatur im Bereich von 10 bis 95°C, bevorzugt eine Temperatur im Bereich von 40 bis 95°C, bevorzugter eine Temperatur im Bereich von 60 bis 95°C, noch bevorzugter eine Temperatur im Bereich von 70 bis 90°C, sogar noch bevorzugter eine Temperatur im Bereich von 75 bis 85°C.
Die Behandlungszeit liegt im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 240 min. Jedoch kann die Behandlung von manchen metallischen Substraten eine kürzer oder längere Behandlung für die gewünschte Verringerung der Oberflächenrauheit benötigen, abhängig von Faktoren wie beispielsweise anfängliche Oberflächenrauheit und gewünschte Oberflächenrauheit, Oberflächenfläche, Oberflächengeometrie und Ähnliches. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Strom für eine Zeit im Bereich von 1 bis 240 min angelegt, bevorzugt für eine Zeit im Bereich von 1 bis 120 min, bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 1 bis 60 min, noch bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 1 bis 30 min, sogar noch bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 2 bis 20 min.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wird der Elektrolyt während des Verfahrens für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat kontinuierlich gerührt. Es gibt viele Verfahren zum Rühren eines Elektrolyten während des Elektropolierens von einem metallischen Substrat. Das Rühren kann durch Einleiten von Druckgas erreicht werden. Geeignete Gase zum Einleiten sind beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff, Helium, Argon und Kombinationen davon. Während des Einleitens wird das Druckgas durch den Elektrolyten gesprudelt. Das Druckgas kann einen Druck im Bereich von 0,01 bis 1000 kg/cm² aufweisen, bevorzugt im Bereich von 1 bis 1000 kg/cm².
Es kann für das Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat vorteilhaft sein, wenn das metallische Substrat Vor- oder Nachbehandlungsschritten unterzogen wird, wie beispielsweise Behandeln des metallischen Substrats mit einer Reinigungszusammensetzung. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat einen Nachbehandlungsschritt des Behandelns des metallischen Substrats mit einer Reinigungszusammensetzung, bevorzugt einen Nachbehandlungsschritt des Behandelns des metallischen Substrats mit Wasser, bevorzugt mit entionisiertem Wasser.
Das Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat stellt metallische Substrate mit verringerter Oberflächenrauheit bereit. Weiterhin stellt das Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat metallische Substrate bereit, die eine hervorragende Gleichmäßigkeit der polierten Oberfläche aufweisen, selbst wenn größer dimensionierte metallische Substrate poliert werden.
Er wird anerkannt, das die durchschnittliche Oberflächenrauheit (R_a) eines gemäß dem beschriebenen Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat behandelten Substrats zumindest um 0,1 µm verringert wird, bevorzugt zumindest um 0,5 µm verringert wird, sogar bevorzugter zumindest um 1,0 µm verringert wird, wie beispielsweise im Bereich von 0,1 µm bis 100 µm, bevorzugt im Bereich von 0,5 µm bis 20 µm, bevorzugter im Bereich von 0,5 µm bis 10 µm, sogar bevorzugter im Bereich von 1,0 µm bis 10 µm, und besonders bevorzugt im Bereich von 5,0 µm bis 10 µm.
Weiterhin wird anerkannt, dass aus dem beschriebenen Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat ein metallisches Substrat mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit (R_a) von nicht mehr als 15 µm erhalten wird, bevorzugt von nicht mehr als 10 µm, bevorzugt von nicht mehr als 5 µm, bevorzugter von nicht mehr als 1 µm, noch bevorzugter von nicht mehr als 0,5 µm, sogar noch bevorzugter von nicht mehr als 0,1 µm, wie beispielsweise eine durchschnittliche Oberflächenrauheit (R_a) im Bereich von 10 bis 0,01 µm, bevorzugt eine durchschnittliche Oberflächenrauheit (R_a) im Bereich von 5 bis 0,01 µm, bevorzugter eine durchschnittliche Oberflächenrauheit (R_a) im Bereich von 1 bis 0,01 µm, noch bevorzugter eine durchschnittliche Oberflächenrauheit (R_a) im Bereich von 0,5 bis 0,01 µm, sogar noch bevorzugter eine durchschnittliche Oberflächenrauheit (R_a) im Bereich von 0,1 bis 0,01 µm.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte:

(i) Bereitstellen eines Elektrolyten (EL) in einer elektrolytischen Zelle, umfassend zumindest eine Elektrode,
(ii) Anordnen eines metallischen Substrats, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Ti-6AI-4V, Inconel 718, Invar und Kombinationen davon, als eine Anode in der elektrolytischen Zelle,
(iii) Anlegen eines Stroms aus einer Stromquelle mit einer Spannung von 270 bis 315 V, bevorzugt 285 bis 305 V, bevorzugter 295 bis 305 V, noch bevorzugter 298 bis 302 V und besonders bevorzugt 300 V, zwischen der zumindest einen Elektrode und dem metallischen Substrat, und
(iv) Eintauchen des metallischen Substrats in den Elektrolyten (EL), worin der Elektrolyt (EL) umfasst
1. (a) zumindest eine Säureverbindung (A),
2. (b) zumindest eine Fluorverbindung (F), und
3. (c) zumindest einen Komplexbildner (CA).

Durch Anwenden des besonders bevorzugten Verfahrens kann die durchschnittliche Oberflächenrauheit der verwendeten Substrate signifikant verringert werden, d.h. die erhaltenen Substrate haben eine sehr geringe durchschnittliche Oberflächenrauheit und gleichzeitig hat die erhaltene polierte Oberfläche eine hervorragende Gleichmäßigkeit.
Der Elektrolyt (EL) wird oben und insbesondere unten im Abschnitt „Der Elektrolyt“ eingehender beschrieben.
Der Elektrolyt (EL)
In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Elektrolyt (EL) für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat mit hervorragender Langzeitstabilität und Effizienz für Verringerung von Oberflächenrauheit verwendet.
Der Begriff „Elektrolyt“, wie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, richtet sich auf eine Flüssigkeit, die in einer elektrolytischen Zelle als leitfähiges Medium, in dem der Stromfluss mit Bewegung von Materie in Form von Ionen einhergeht, verwendet werden kann.
Der Elektrolyt (EL) für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat umfasst zumindest eine Säureverbindung (A), zumindest eine Fluorverbindung (F) und zumindest einen Komplexbildner (CA).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Elektrolyt (EL) außer der zumindest einen Säureverbindung (A), der zumindest einer Fluorverbindung (F) und dem zumindest einen Komplexbildner (CA) keine anderen Säureverbindungen, Fluorverbindungen und Komplexbildner.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt (EL) sauer. Es wird durchaus gehen, dass der Elektrolyt einen pH von nicht mehr als 6,5 aufweist, bevorzugt einen pH von nicht mehr als 6,0, bevorzugter einen pH von nicht mehr als 5,5, wie beispielsweise einen pH im Bereich von 0,5 bis 6,5, bevorzugt einen pH im Bereich von 1,0 bis 6,0, bevorzugter einen pH im Bereich von 2,0 bis 5,5, sogar bevorzugter einen pH im Bereich von 3,0 bis 5,0.
Die Säureverbindung (A)
Der Begriff „Säureverbindung“, wie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, richtet sich auf eine organische oder anorganische Verbindung, die einen Elektronenpaar aufnehmen kann, um eine kovalente Bindung zu bilden.
Die zumindest eine Säureverbindung (A) ist ein wesentlicher Bestandteil des Elektrolyten (EL). Die zumindest eine Säureverbindung (A) erhöht die Leitfähigkeit des Elektrolyten und kann ein Elektropolierverfahren als ein Katalysator abhängig von dem zu behandelnden metallischen Substrat begünstigen.
Bevorzugt umfasst der Elektrolyt (EL) die zumindest eine Säureverbindung (A) in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,05 bis 20 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,5 bis 15 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 5 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).
Es wird durchaus gehen, dass die zumindest eine Säureverbindung (A) aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus anorganischen und organischen Säuren, wie beispielsweise Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure oder Mischungen davon, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe ist, bestehend aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure oder Mischungen davon, bevorzugter Schwefelsäure ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Säureverbindung (A) wässrige Schwefelsäure, worin die Schwefelsäure in einer Menge im Bereich von 100 bis 20 Gewichts-% enthalten ist, bevorzugt in einer Menge im Bereich von 98 bis 50 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge im Bereich von 98 bis 80 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge im Bereich von 98 bis 90 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht der zumindest einen Säureverbindung (A).
Es ist daher nicht notwendig, giftige Säureverbindungen einzuschließen, die eine umständliche Entsorgung benötigen, wie beispielsweise Flusssäure, die im Stand der Technik als eine geeignete Säureverbindung für das Elektropolieren von metallischen Substraten beschrieben wird.
Die Fluorverbindung (F)
Der Begriff „Fluorverbindung“, wie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, richtet sich auf eine Verbindung, die als eine Quelle für Fluoridionen dienen kann. Abhängig von dem zu behandelnden metallischen Substrat können in einem Verfahren zum Elektropolieren Fluoridionen benötigt werden, um den Lösungsprozess zu unterstützen, beispielsweise durch Bilden von stabilen Komplexen mit gelösten Metallionen.
Bevorzugt umfasst der Elektrolyt (EL) die zumindest eine Fluorverbindung (F) in einer Menge von nicht mehr als 40 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 1 bis 40 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 1 bis 30 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 2 bis 15 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 4 bis 10 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).
Es wird durchaus gehen, dass die zumindest eine verwendete Fluorverbindung (F) ausgewählt aus der Gruppe ist, bestehend aus Ammoniumfluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Trifluoressigsäure oder Mischungen davon, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe ist, bestehend aus Ammoniumfluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid oder Mischungen davon, bevorzugter Ammoniumfluorid ist
Es wird erwartet, dass die Anwendung von Ammoniumfluorid zusätzlich das Verfahren zum Elektropolieren von metallischen Substraten durch Bereitstellen eines kationischen Benetzungsmittels (NH₄ ⁺), das die Polarisation der Elektroden verändert, begünstigt.
Der Komplexbildner (CA)
Der Begriff „Komplexbildner“, wie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, richtet sich auf Verbindungen, die Koordinationsbindungen mit einem Metallatom oder Ion bilden. Chelatbildner sind Komplexbildner, die eine besondere Art von Komplex bilden, was die Bildung oder Anwesenheit von zwei oder mehr voneinander getrennten Koordinationsbindungen zwischen einem mehrzähnigen (mehrfach gebundenen) Liganden und einem polyvalenten einzelnen Zentralatom einschließt. Gewöhnlich sind diese Liganden organische Verbindungen und werden Chelatoren, Chelatbildner, Komplexbildner oder Sequestriermittel genannt. Der Begriff „Komplexbildner“ schließt sowohl nicht-chelatierende Komplexbildner als auch chelatierende Komplexbildner mit ein, wobei die Letzteren bevorzugt sind.
Der zumindest eine Komplexbildner (CA) ist ein wesentlicher Bestandteil des Elektrolyten (EL). Der zumindest eine Komplexbildner (CA) begünstigt die Langzeitstabilität des Elektrolyten (EL) und erhöht die Effizienz der durch Elektropolieren von einem metallischen Substrat erreichten Verringerung der Oberflächenrauheit.
Bevorzugt umfasst der Elektrolyt (EL) den zumindest einen Komplexbildner (CA) in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,5 bis 30 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,5 bis 20 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,5 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,5 bis 5 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 1 bis 3 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).
Es wird durchaus gehen, dass der zumindest eine Komplexbildner (CA) aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentakismethylenphosphonsäure (DTPMP), Aminopolycarbonsäuren (APC), Diethylentriaminpentaacetat (DTPA), Nitrilotriacetat (NTA), Triphosphat, 1,4,7,10-tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure (DOTA), Phosphonat, Gluconsäure, β-Alanindiessigsäure (ADA), N-bis[2-(1,2-dicarboxy-ethoxy)ethyl]glycin (BCA5), N-bis[2-(1,2-dicarboxyethoxy)ethyl]asparaginsäure (BCA6), Tetrakis(2-hydroxypropyl)ethylendiamin (THPED), N-(hydroxyethyl)-ethylendiamintriessigsäure (HEDTA) oder Mischungen davon, bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentakismethylenphosphonsäure (DTPMP), Aminopolycarbonsäuren (APC), Diethylentriaminpentaacetat (DTPA), Tetrakis(2-hydroxypropyl)ethylendiamin (THPED), N-(hydroxyethyl)-ethylendiamintriessigsäure (HEDTA) oder Mischungen davon, bevorzugter Methylglycindiessigsäure (MGDA) ist.
Das Medium (M)
Der Elektrolyt (EL) kann zumindest ein Medium (M) umfassen. Der Begriff „Medium“, wie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, richtet sich auf eine organische oder anorganische Verbindung, die geeignet ist, ein Medium bereitzustellen, worin das Elektropolieren von metallischen Substraten durchgeführt werden kann. Bevorzugt begünstigt das zumindest eine Medium (M) das Verfahren des Elektropolierens von metallischen Substraten, beispielsweise durch Erhöhen der Leitfähigkeit der elektrolytischen Zelle, durch Stabilisieren der durch den zumindest einen Komplexbildner (CA) gebildeten Komplexe und/oder Bereitstellen einer hinreichenden Löslichkeit in Bezug auf die in dem Elektrolyten (EL) enthaltenen Verbindungen.
Bevorzugt umfasst der Elektrolyt (EL) das zumindest eine Medium (M) in einer Menge von zumindest 10 Gewichts-%, bevorzugt in einer Menge von zumindest 30 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von zumindest 50 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von zumindest 70 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 10 bis 98.5 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 30 bis 95 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 50 bis 90 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 70 bis 85 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).
Es wird durchaus gehen, dass das zumindest eine Medium (M) ausgewählt aus der Gruppe ist, bestehend aus Wasser, Alkoholen, Ethern, Estern, Carbonsäuren und Mischungen davon, wie beispielsweise C₁ bis C₈ aliphatische Alkohole, C₁ bis C₈ aliphatische Ether, C₁ bis C₈ aliphatische Ester, C₁ bis C₈ aliphatische Carbonsäuren und Mischungen davon, bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Alkoholen, Ethern und Mischungen davon, wie beispielsweise C₁ bis C₈ aliphatische Alkohole, C₁ bis C₈ aliphatische Ether und Mischungen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Medium (M) Wasser.
In einer bevorzugten Ausführungsform richtet sich der Begriff „Wasser“ auf entionisiertes Wasser.
In einer Ausführungsform ist das zumindest eine Medium (M) ein Elektrolyt, der mit der zumindest einen Säureverbindung (A), der zumindest einen Fluorverbindung (F), dem zumindest einen Komplexbildner (CA) und wahlweise Zusatzstoffen (AD) gemischt wird, um den Elektrolyten (EL) zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Medium (M) Wasser, das mit der zumindest einen Säureverbindung (A), der zumindest einen Fluorverbindung (F), dem zumindest einen Komplexbildner (CA) und wahlweise Zusatzstoffen (AD) gemischt wird, um den Elektrolyten (EL) zu bilden. Mit anderen Worten, in einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt (EL) ein wässriger Elektrolyt, umfassend die zumindest eine Säureverbindung (A), die zumindest eine Fluorverbindung (F) und den zumindest einen Komplexbildner (CA).
Die Zusatzstoffe (AD)
Der Elektrolyt (EL) kann zusätzliche Additive (AD) umfassen, die für das Elektropolieren von metallischen Substraten verwendet werden, um das Verfahren zu begünstigen. Typische Zusatzstoffe sind dem Fachmann auf dem Gebiet des Elektropolierens von metallischen Substraten bekannt und werden nach Bedarf angewendet. Typische Zusatzstoffe für das Elektropolieren von metallischen Substraten sind beispielsweise Tenside, mehrwertige Alkohole, Silikate, Verdickungsmittel und Ähnliches.
Es wird durchaus gehen, dass die Zusatzstoffe (AD) in dem Elektrolyten (EL) in einer Menge von nicht mehr als 25 Gewichts-% vorliegen, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 2 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,01 bis 25 Gewichts-%, bevorzugt eine Menge im Bereich von 0,01 bis 10 Gewichts-%, bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,01 bis 5 Gewichts-%, noch bevorzugter eine Menge im Bereich von 0,01 bis 2 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).
Figurenliste

1 zeigt eine SEM Aufnahme von dem metallischen Substrat Ti-6AI-4V vor der Behandlung in dem Verfahren gemäß Beispiel 1. Die SEM Aufnahme stellt eine 100fache Vergrößerung bereit und wurde mit einer Spannung von 15000 kV und einem Arbeitsabstand von 4,5 mm aufgenommen.
2 zeigt eine SEM Aufnahme von dem metallischen Substrat Ti-6AI-4V nach der Behandlung in dem Verfahren gemäß Beispiel 1. Die SEM Aufnahme stellt eine 100fache Vergrößerung bereit und wurde mit einer Spannung von 15000 kV und einem Arbeitsabstand von 14,6 mm aufgenommen.

Beispiele
Definitionen und Messverfahren
Die durchschnittliche Oberflächenrauheit (R_a) wird gemäß DIN EN 4287:1998-10 unter Verwendung des Tastschnittverfahrens gemäß DIN EN ISO 3274 (Hommel Tester T1000 Wave von Jenoptik, Spitzenradius 5µm, Kegelwinkel 90°) aufgenommen.
Der pH wird gemäß DIN 19261:2005-6 bestimmt.
Die Qualität der Politur, d.h. die Gleichmäßigkeit der Politur über das gesamte metallische Substrat, wird weiterhin visuell beobachtet und wie folgt bewertet:

--: schlechte Qualität: zahlreiche Furchen und/oder Rillen, ungleichmäßige Verringerung der Oberflächenrauheit
-: Geringe Qualität: einige Furchen und/oder Rillen, weniger gleichmäßige Verringerung der Oberflächenrauheit
+: Sehr gute Qualität: lediglich sehr geringfügige Furchen und/oder Rillen, gleichmäßige Verringerung der Oberflächenrauheit
++: Hervorragende Qualität: keine Furchen und/oder Rillen, gleichmäßige Verringerung der Oberflächenrauheit

Beispiel 1
Ein metallisches Substrat in der Form einer 32 mm × 16 mm × 30 mm Metallplatte aus Ti-6AI-4V, die eine anfängliche Oberflächenrauheit von R_a = 20,0 µm aufweist, wird als eine Anode in einer elektrolytischen Zelle, die eine Edelstahlkathode umfasst, angeordnet. Eine Spannung von 300 V wird aus einer direkten Stromquelle zwischen der Kathode und dem metallischen Substrat angelegt. Das metallische Substrat wird in einen Elektrolyten eingetaucht, der aus 6 Gewichts-% NH₄F, 4 Gewichts-% H₂SO₄ und 1 Gewichts-% MGDA besteht. Der Elektrolyt hat einen pH von 3,5. Das metallische Substrat wird für 30 min behandelt. Eine Endoberflächenrauheit von R_a = 2,0 µm wird erreicht. Die Gleichmäßigkeit der Politur des polierten Substrats ist hervorragend. Visuell können keine Furchen und/oder Rillen auf dem polierten Substrat beobachtet werden. Das polierte Substrat hat ein glänzendes Erscheinungsbild.
Beispiel 2:
Der Einfluss der angelegten Spannung auf die Verringerung der durchschnittlichen Oberflächenrauheit wird im Bereich von 250 bis 350 V bestimmt.

Eine Reihe von Experimenten 2-1 bis 2-7 wird durchgeführt. Für jedes einzelne Experiment dieser Reihe wird ein metallisches Substrat in der Form einer 116 mm × 25 mm × 30 mm Metallplatte aus Ti-6AI-4V, die eine anfängliche Oberflächenrauheit, wie in Tabelle 1 unten spezifiziert, aufweist, einzeln als eine Anode in einer elektrolytischen Zelle, die eine Edelstahlkathode umfasst, angeordnet. Verschiedene Spannungen im Bereich von 250 V bis 350 V, wie in Tabelle 1 unten spezifiziert, werden einzeln in jedem Experiment aus einer direkten Stromquelle zwischen der Kathode und dem metallischen Substrat angelegt. Jedes metallische Substrat wird einzeln in einen Elektrolyten eingetaucht, der aus 6 Gewichts-% NH₄F und 1 Gewichts-% H₂SO₄ besteht. Der Elektrolyt hat einen pH von 3,5. Jedes metallische Substrat wird für 10 min behandelt. Mit anderen Worten, in dieser Reihe von unabhängigen Experimenten wurden alle Parameter außer der angelegten Spannung, die sich zwischen 250 V und 350 V bewegt, konstant gehalten. Eine Endoberflächenrauheit, wie in Tabelle 1 spezifiziert, wird für jedes unabhängige Experiment der Serie erreicht. Die Abnahme der Oberflächenrauheit wird durch den prozentualen Unterschied im Verhältnis zur anfänglichen Oberflächenrauheit ausgedrückt. Tabelle 1:

Nr.	Spannung [V]	Anfängliche Rauheit Ra [µm]	Endrauheit R_a [µm]	Prozentualer Unterschied [%]	Qualität der Politur
2-1	250	18.7	12.3	34.3	-
2-2	275	18.5	11.7	36.8	+
2-3	290	15.3	9.7	36.4	+
2-4	300	21.1	11.6	45.0	++
2-5	310	18.4	11.0	40.3	+
2-6	325	17.1	13.8	19.3	-
2-7	350	19.0	14.6	23.0	--

In den Experimenten 2-2, 2-3, 2-4 und 2-5 (d.h. die Experimente, in denen Spannungen von 275, 290, 300 und 310 V angelegt werden) wird eine gewünschte sehr starke Verringerung der Oberflächenrauheit, ausgedrückt durch den prozentualen Unterschied der Endrauheit im Verhältnis zur anfänglichen Oberflächenrauheit, beobachtet. Weiterhin wird in diesen Experimenten 2-2, 2-3, 2-4 und 2-5 eine wesentlich verringerte Gasbildung an dem metallischen Substrat während des Elektropolierens beobachtet. Ebenfalls können keine Furchen und/oder Rillen auf den in diesen Experimenten 2-2, 2-3, 2-4 und 2-5 erhaltenen polierten Substraten beobachtet werden. Der polierten Oberflächen haben ein glänzendes Erscheinungsbild (Experimente 2-2 bis 2-5). In den Experimenten 2-1, 2-6 und 2-7 ist die Verringerung der Oberflächenrauheit geringer und die polierte Oberfläche von den metallischen Substraten ist von geringer Qualität aufgrund einer ungleichmäßigen Verringerung der Oberflächenrauheit und aufgrund der Bildung von Furchen und/oder Rillen. Die polierten Oberflächen haben ein mattes Erscheinungsbild.
Beispiel 3
Ein metallisches Substrat in der Form einer 50 mm × 10 mm × 20 mm Metallplatte aus Inconel 718, die eine anfängliche Oberflächenrauheit von R_a = 14,0 µm aufweist, wird als eine Anode in einer elektrolytischen Zelle, die eine Edelstahlkathode umfasst, angeordnet. Eine Spannung von 300 V wird aus einer direkten Stromquelle zwischen der Kathode und dem metallischen Substrat angelegt. Das metallische Substrat wird in einen Elektrolyten eingetaucht, der aus 6 Gewichts-% NH₄F, 4 Gewichts-% H₂SO₄ und 1 Gewichts-% MGDA besteht. Der Elektrolyt hat einen pH von 3,5. Das metallische Substrat wird für 10 min behandelt. Eine Endoberflächenrauheit von R_a = 4 µm wird erreicht. Das polierte Substrat hat ein glänzendes Erscheinungsbild. Keine sichtbaren Furchen und/oder Rillen können auf dem polierten Substrat beobachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 4287:1998-10 [0070]
DIN EN ISO 3274 [0070]
DIN 19261:2005-6 [0071]

Claims

Verfahren für das Elektropolieren von einem metallischen Substrat, umfassend die Schritte von (i) Bereitstellen eines Elektrolyten (EL) in einer elektrolytischen Zelle, umfassend zumindest eine Elektrode, (ii) Anordnen eines metallischen Substrats als eine Anode in der elektrolytischen Zelle, (iii) Anlegen eines Stroms aus einer Stromquelle mit einer Spannung von 270 bis 315 V zwischen der zumindest einen Elektrode und dem metallischen Substrat, und (iv) Eintauchen des metallischen Substrats in den Elektrolyten (EL), worin der Elektrolyt (EL) umfasst (a) zumindest eine Säureverbindung (A), (b) zumindest eine Fluorverbindung (F), und (c) zumindest einen Komplexbildner (CA).
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Strom mit einer Spannung von 285 bis 305 V angelegt wird, bevorzugt mit 295 bis 305 V, bevorzugter mit 298 bis 302 V und am bevorzugtesten mit 300 V.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, worin der Elektrolyt eine Temperatur im Bereich von 10 bis 95°C aufweist, bevorzugt im Bereich von 40 bis 95°C, bevorzugter im Bereich von 60 bis 95°C, noch bevorzugter im Bereich von 70 bis 95°C, sogar noch bevorzugter im Bereich von 75 bis 85 °C.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, worin der Strom mit einer Stromdichte im Bereich von 0,05 bis 10 A/cm² angelegt wird, bevorzugt mit einer Stromdichte im Bereich von 0,05 bis 5 A/cm², bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 2,5 A/cm², noch bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 2,0 A/cm², sogar noch bevorzugter mit einer Stromdichte im Bereich von 0,1 bis 1,5 A/cm².
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, worin der Strom für eine Zeit im Bereich von 1 bis 240 min angelegt wird, bevorzugt für eine Zeit im Bereich von 1 bis 120 min, bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 1 bis 60 min, noch bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 1 bis 30 min, sogar noch bevorzugter für eine Zeit im Bereich von 2 bis 20 min.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, worin das metallische Substrat ausgewählt aus der Gruppe ist, bestehend aus Ti-6AI-4V, Inconel 718, Invar und Kombinationen davon.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, worin der Elektrolyt ferner (iv) zumindest ein Medium (M), und (v) wahlweise Zusatzstoffe (AD) umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, worin (i) die zumindest eine Säureverbindung (A) in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-% umfasst ist, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,05 bis 20 Gewichts-%, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 15 Gewichts-%, bevorzugter im Bereich von 1 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter im Bereich von 1 bis 5 Gewichts-%, und/oder (ii) die zumindest eine Fluorverbindung (F) in einer Menge von nicht mehr als 40 Gewichts-%, umfasst ist, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 1 bis 40 Gewichts-%, bevorzugt im Bereich von 1 bis 30 Gewichts-%, bevorzugter im Bereich von 2 bis 15 Gewichts-%, noch bevorzugter im Bereich von 4 bis 10 Gewichts-%, und/oder (iii) der zumindest eine Komplexbildner (CA) in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichts-% umfasst ist, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 20 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,5 bis 30 Gewichts-%, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 20 Gewichts-%, bevorzugter im Bereich von 0,5 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter im Bereich von 0,5 bis 5 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter im Bereich von 1 bis 3 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).
Verfahren gemäß Anspruch 7, worin (iv) das zumindest eine Medium (M) in einer Menge von zumindest 10 Gewichts-% umfasst ist, bevorzugt in einer Menge von zumindest 30 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von zumindest 50 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von zumindest 70 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 10 bis 98.5 Gewichts-%, bevorzugt im Bereich von 30 bis 95 Gewichts-%, bevorzugter im Bereich von 50 bis 90 Gewichts-%, noch bevorzugter im Bereich von 70 bis 85 Gewichts-%, und/oder (v) Zusatzstoffe (AD) in einer Menge von nicht mehr als 25 Gewichts-% umfasst sind, bevorzugt in einer Menge von nicht mehr als 15 Gewichts-%, bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 10 Gewichts-%, noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 5 Gewichts-%, sogar noch bevorzugter in einer Menge von nicht mehr als 2 Gewichts-%, wie beispielsweise eine Menge im Bereich von 0,01 bis 25 Gewichts-%, bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 10 Gewichts-%, bevorzugter im Bereich von 0,01 bis 5 Gewichts-%, noch bevorzugter im Bereich von 0,01 bis 2 Gewichts-%, basierend auf dem Gewicht des Elektrolyten (EL).
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, worin die zumindest eine Säureverbindung (A) aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus anorganischen oder organischen Säuren, wie beispielsweise Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure oder Mischungen davon, bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure oder Mischungen davon, bevorzugter Schwefelsäure ist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, worin die zumindest eine Fluorverbindung (F) aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Ammoniumfluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Trifluoressigsäure oder Mischungen davon, bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Ammoniumfluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid oder Mischungen davon, bevorzugter Ammoniumfluorid ist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 11, worin der zumindest eine Komplexbildner (CA) aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentakismethylenphosphonsäure (DTPMP), Aminopolycarbonsäuren (APC), Diethylentriaminpentaacetat (DTPA), Nitrilotriacetat (NTA), Triphosphat, 1,4,7,10-tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure (DOTA), Phosphonat, Gluconsäure, β-Alanindiessigsäure (ADA), N-bis[2-(1,2-dicarboxy-ethoxy)ethyl]glycin (BCA5), N-bis[2-(1,2-dicarboxyethoxy)ethyl]asparaginsäure (BCA6), Tetrakis(2-hydroxypropyl)ethylendiamin (THPED), N-(hydroxyethyl)-ethylendiamintriessigsäure (HEDTA) oder Mischungen davon, bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentakismethylenphosphonsäure (DTPMP), Aminopolycarbonsäuren (APC), Diethylentriaminpentaacetat (DTPA), Tetrakis(2-hydroxypropyl)ethylendiamin (THPED), N-(hydroxyethyl)-ethylendiamintriessigsäure (HEDTA) oder Mischungen davon, bevorzugter Methylglycindiessigsäure (MGDA) ist.