DE10207632A1

DE10207632A1 - Verfahren zum Plasmapolieren von Titan und Titanlegierungen

Info

Publication number: DE10207632A1
Application number: DE2002107632
Authority: DE
Inventors: Klaus Lingath; Hubert Zeidler; Alexander Parshuta
Original assignee: Individual
Current assignee: Beckmann-Institut fur Technologieentwicklung De; Plasotec De GmbH
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: DE10207632B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen, Metalllegierungen und -verbindungen mit der Anode als zu behandelnder Gegenstand, der sich zur Bearbeitung in einer erwärmten wässrigen Elektrolytlösung befindet, wobei als Elektrolytlösung ein Gemisch von Ammoniumsalzen in Wasser gelöst, eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmapolieren von Gegenständen aus Metall und Metalllegierungen nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Bekannt ist die Bearbeitung von Gegenständen mittels Elektropolieren zum Glätten und Passivieren der Oberfläche des Gegenstands. Beim Einsetzen hoher Spannungen wird das Elektropolieren auch Plasmapolieren genannt, da es zu einer "Plasmabildung" an der Anode, die den zu polierenden Gegenstand darstellt, kommt. Bekannt ist vor allem ein Verfahren zum Elektropolieren von elektrisch leitenden Materialien (US 5,028,304) bei einer Spannung von 200-400 V in einer 2-12%igen Ammoniumsulfatlösung als Elektrolyten und bei einer Temperatur von 40-95°C. Nachteile dieses Verfahrens sind die ungleichmäßig polierte Oberfläche des Gegenstandes und die Filmbildung mit erhöhter Rauhigkeit an der Oberfläche und folglich ein verminderter Glanz.
Es ist weiterhin bekannt, Gegenstände aus Titan und Titanlegierungen mechanisch zu polieren. Dies ist jedoch relativ aufwendig und erzielt häufig nicht den gewünschten Glanzgrad, insbesondere bei fein strukturierten Oberflächen.
Aufgabe war es daher, ein elektrochemisches Verfahren zu finden, bei dem die oben genannten Nachteile nicht auftreten und mit dem es möglich ist, auch Titan und Titanlegierungen zu polieren und einen hohen Glanzgrad und somit hohe Oberflächenqualität zu erzielen.
Die Aufgabe konnte mittels der Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst werden.
Dabei stellt die Anode des erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen, Metalllegierungen und -verbindungen den zu behandelnden Gegenstand dar, der sich zur Bearbeitung in einer erwärmten wässrigen Elektrolytlösung befindet, wobei als Elektrolytlösung ein Gemisch von Ammoniumsalzen eingesetzt wird, die in Wasser gelöst werden. Bevorzugt werden Gegenstände aus Titan, Titanlegierungen und -verbindungen bearbeitet. Das Verfahren der elektrochemische Bearbeitung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 70 bis 95°C, insbesondere bei einer Temperatur von 80 bis 95°C, durchgeführt. Die Elektolytlösung hat erfindungsgemäß einen pH-Wert von 5,0 bis 7,0, insbesondere von 5,1 bis 7,0.
Als Elektolytlösung wird ein Gemisch von Ammoniumchlorid (NH₄Cl) und Ammoniumfluorid (NH₄F), in Wasser gelöst, eingesetzt.
Es werden in einer Menge von 1,5 bis 3,0 Gew.-% NH₄Cl und 1,25 bis 2,75 Gew.-% NH₄F, vorzugsweise in einer Menge von 1,5 bis 2,5 Gew.-% NH₄Cl und 1,75 bis 2,75 Gew.-% NH₄F eingesetzt, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytlösung.
Während der elektrochemischen Bearbeitung wird eine Spannung von 270 bis 330 V, insbesondere von 280 bis 320 V, angelegt.
Das Verfahren wird erfindungsgemäß während eines Zeitraums von 0,1 bis 10 min und bei einer Stromdichte von 0,1 bis 1,5 A/cm² durchgeführt.
Das Elektropolieren ist ein Verfahren, bei dem unter Einfluss von elektrischem Strom, Material von der Oberfläche eines Gegenstandes abgetragen wird, welcher sich in einer Elektrolytlösung befindet.
Das Prinzip der differenzierten Abtragung von Metall dient auch zum elektrochemischen Entgraten. An den feinen Spitzen eines jeden Grates treten nach Anlegen der Spannung an die elektrochemische Zelle besonders hohe Feldstärken auf, wobei die daraus resultierenden Stromdichten ein Abtragen der Grate bewirken. Gebiete geringerer Stromdichten werden weniger stark abgetragen.
Darüber hinaus kann das Elektropolieren auch zur Passivierung von Oberflächen dienen. Beispielsweise sind nämlich beim Elektropolieren von Stahl verschiedene Abtragungsraten einzelner Legierungskomponenten zu beobachten. Das Elektropolieren entfernt vorzugsweise Eisen und Nickel aus der Oberfläche des Gegenstandes und hinterlässt bei Vorhandensein von Chrom eine Schicht aus korrosionsresistentem Chromdioxid auf der Stahloberfläche.
Darüber hinaus wird beim Plasmapolieren durch Erhöhen der Spannung zwischen den Elektroden ein Gasstrom um den Gegenstand (Anode) herum erzeugt, welcher die gesamte Oberfläche des Gegenstandes umschließt. Dieser Effekt tritt durch die sehr hohe Differenz der Stromdichten zwischen der Kathode (Prozessbehälter) und dem Gegenstand auf. Der so formierte Gas- und Dampffilm verdrängt die Elektrolytlösung von der Oberfläche des Gegenstandes. Dadurch sinkt die Stromstärke sehr stark ab und die gesamte Spannung fällt über dem Gas- und Dampffilm an.
Es kommt zu einer partiellen Ionisation des Gasstroms und somit zur Formierung eines Plasmas um den Gegenstand, durch das pulsierend elektrische Entladungen stattfinden. Diese so geschaffene aktive Umgebung nimmt Einfluss auf die Oberfläche der Anode bzw. des Gegenstandes. Die größte Wahrscheinlichkeit einer elektrischen Entladung durch den Gasfilm tritt dabei an Kanten oder Spitzen der Anodenoberfläche auf, was auf die höheren Feldstärken zurückzuführen ist. An diesen Stellen erfolgt bevorzugt ein Materialabtrag. Dieser Effekt wird zur Verminderung der Oberflächenrauheit genutzt. Während des Prozesses ändern sich die Oberflächenstruktur des Gegenstandes und die Zusammensetzung der Elektrolytlösung.
Beim Plasmapolieren treten verschiedene chemische und elektrochemische Prozesse auf. Die Anode (der Gegenstand) wird oxidiert und gleichzeitig wird die sich an der Oberfläche befindende Oxidschicht chemisch geätzt. Wenn diese beiden Prozesse im Gleichgewicht sind, tritt der Poliereffekt ein. Das Maximum der Reflektivität wird bei einer minimalen Oxidschichtdicke erreicht, die gerade noch ausreicht, um die Gase der Elektrolytlösung am Ätzen der Oberfläche zu hindern. An Mikroirregularitäten, d. h., da wo die Oxidschicht dünner ist, kann ein Ätzprozess auftreten. Durch die erhöhte Feldstärke und den damit verbundenen Stromfluss an den Spitzen des Mikroreliefs der Oberfläche des Gegenstandes wird dieses abgerundet und somit die Oberflächenrauheit reduziert. Die Reflektivität und die Oberflächengüte des bearbeiteten Gegenstandes sind daher vom elektrischen Potential sowie den chemischen Komponenten und deren Konzentrationen in der Elektrolytlösung abhängig. Höhere Elektrolytkonzentrationen beeinträchtigen den Bearbeitungsprozess. Ist die Elektrolytkonzentration zu hoch, gewinnt der Ätzprozess die Oberhand und die Oberfläche verliert an Glanz. Temperaturen über 85°C können Oberflächenschäden aufgrund der in diesem Bereich gesteigerten chemischen Aktivität der Elektrolytlösung verursachen. Bei einer Spannung über 330 V steigt die Oberflächenrauheit durch verstärkte elektrische Überschläge - durch den Gasfilm über der Oberfläche des Gegenstandes - an. Außerdem steigt bei erhöhter Spannung natürlich der Stromverbrauch der Anlage an.
Das erfindungsgemäße Plasmapolieren dient zum Erzeugen von Glanz, zum Entgraten, Passivieren, zur Verringerung von Materialspannungen, Verbesserung des Oberflächenprofils, zum Reinigen für nachfolgende PVD-Beschichtung, zur Reibungsreduzierung und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und zum Entfernen aller Arten von Rückständen wie Rost, Oxide, Farben und Lacke.
Neben dem eigentlichen Verfahrensschritt des Plasmapolierens kann bzw. sollte der zu bearbeitende Gegenstand vor- und/oder nachbehandelt werden.
Eine Vorbehandlung (basische Reinigung, Kaltwasserspülung) ist zur Qberflächenvorreinigung vor dem Plasmapolierprozess vorteilhaft, insbesondere beim Vorhandensein von Konservierungsmitteln, starken Verschmutzungen und Schmiermitteln auf der Oberfläche. Eine chemische Reinigung ist eine der dafür möglichen Methoden.
Eine Nachbehandlung, nämlich Spülung des Gegenstandes mit heißem oder kaltem Wasser, ist zur Entfernung chemischer Rückstände oder Nebenprodukte des Polierungsprozesses und zur Unterstützung der Trocknung erforderlich.
Das während des Prozesses entstehende Gas wird durch eine Absaugeinrichtung entfernt.
Beim erfindungsgemäßen Plasmapolieren werden kombiniert Oberflächeneigenschaften erzeugt, die die Oberflächenqualität der Gegenstände verbessern und die mit keiner anderen Art der Oberflächenbehandlung erreicht werden können. Durch mechanisches Schleifen können zwar qualitativ hochwertige, spiegelnde Oberflächen erzeugt werden, aber der Prozess ist aufwendig und verändert die Oberflächeneigenschaften im Bezug auf Materialspannungen und Verunreinigungen durch das Schleifmittel negativ.
Prozesse zum chemischen Entgraten und Glänzen sind zwar verfügbar, erreichen aber nicht die durch Plasmapolieren erzeugten Oberflächenverbesserungen. Des weiteren ist die mit solchen Prozessen erzeugte Korrosionsbeständigkeit geringer als die mittels Plasmapolieren bearbeiteten Oberflächen.
Weiterhin erreichen die konventionellen Passivierungsmethoden nicht den hellen Glanz, der beim erfindungsgemäßen Plasmapolieren erreicht wird.

Beispiel

Nach den in Tabelle 1 aufgelisteten Versuchsbedingungen wurden 7 Versuche in unten angegebener Weise mit Gegenständen durchgeführt, deren Oberfläche mit einer unvermeidbaren Schicht aus Titandioxid versehen war. Der Gegenstand wurde als Anode verwendet. Die Dauer der Bearbeitung durch Plasmapolieren betrug jeweils 2 min 40 sec. Tabelle 1
Es konnte festgestellt werden, dass bei höheren Temperaturen ab ca. 95°C (Versuche 1 und 2) bereits das Sieden der Elektrolytlösung begann und Flecken auf der Anodenoberfläche entstanden. Außerdem rief der niedrige pH- Wert der Versuchsanordnungen 1 und 2 durch erhöhte Zugabe von NH₄Cl und NH₄F eine stärkere Ätzung ohne den gewünschten Glanz hervor. Der Glanz verschwindet auch dann wieder, wenn der pH-Wert sehr groß wird, da es nämlich zu einer Filmbildung an der Oberfläche des Gegenstandes kommt.
Somit konnte festgestellt werden, dass überraschenderweise die Versuchsanordnung 4, bei der eine Spannung von 300 V an die elektrochemische Zelle angelegt wurde und die Elektrolytlösung eine Temperatur von 85°C und einen pH-Wert von 5,7 besaß, das beste Ergebnis lieferte, nämlich den Gegenstand mit dem höchsten Reflexionskoeffizienten und der geringsten Rauheit an der Oberfläche. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher eine elegante Methode, einen Oberflächenglanz und damit verbunden, eine geringere Oberflächenrauheit auf einem Gegenstand zu erzeugen.

Claims

1. Verfahren zum Plasmapolieren von Gegenständen aus Metall oder Metalllegierungen, wobei die Anode den zu behandelnden Gegenstand darstellt, der sich zur Bearbeitung in einer erwärmten wässrigen Elektrolytlösung befindet, und an der Anode eine Spannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass Gegenstände aus Titan und/oder Titanlegierungen mittels Plasmapolieren bearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolytlösung ein Gemisch von in Wasser gelösten Ammoniumsalzen eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Bearbeitung bei einer Temperatur von 70 bis 95°C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Bearbeitung bei einer Temperatur von 80 bis 95°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektolytlösung einen pH-Wert von 5,0 bis 7,0 aufweist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektolytlösung einen pH-Wert von 5,1 bis 6,5 aufweist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektolytlösung ein Gemisch von in Wasser gelöstem Ammoniumchlorid (NH₄Cl) und Ammoniumfluorid (NH₄F) eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Menge von 1,5 bis 3,0 Gew.-% NH₄Cl und 1,25 bis 2,75 Gew.-% NH₄F, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytlösung, eingesetzt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Menge von 1,5 bis 2,5 Gew.-% NH₄Cl und 1,75 bis 2,75 Gew.-% NH₄F, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytlösung, eingesetzt werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der elektrochemischen Bearbeitung eine Spannung von 270 bis 330 V angelegt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während der elektrochemischen Bearbeitung eine Spannung von 280 bis 320 V angelegt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Bearbeitung bei einer Stromdichte von 0,1 bis 1,5 A/cm² durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Bearbeitung während eines Zeitraums von 0,1 bis 10 min durchgeführt wird.