KR20130126644A - Electrolyte solution and electrochemical surface modification methods - Google Patents
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Abstract
약 1.6g/L 내지 약 982g/L 범위의 시트르산 농도 및 유효량의 암모늄 비플루오라이드(ABF)를 포함하며, 실질적으로 강산을 함유하지 않는, 수성 전해질 용액이 개시된다. 비-철 금속 가공물의 표면을 약 300g/L이하 농도의 시트르산 및 약 10g/L이상 농도의 암모늄 비플루오라이드를 포함하며, 약 3.35g/L이하의 강산을 갖는 수성 전해질 용액의 욕에 노출시키는 단계, 상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계, 상기 가공물을 DC 전원의 애노드에 연결시키고, 상기 DC 전원의 캐소드를 상기 욕 내에 침지시키는 단계, 및 상기 욕에 걸쳐 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법이 개시된다.An aqueous electrolyte solution is disclosed, comprising a citric acid concentration in the range of about 1.6 g / L to about 982 g / L and an effective amount of ammonium bifluoride (ABF), which is substantially free of strong acids. Exposing the surface of the non-ferrous metal workpiece to a bath of an aqueous electrolyte solution comprising citric acid at a concentration of up to about 300 g / L and ammonium bifluoride at a concentration of at least about 10 g / L and having a strong acid of up to about 3.35 g / L Controlling the temperature of the bath above about 54 ° C., connecting the workpiece to an anode of a DC power source, immersing the cathode of the DC power source in the bath, and applying a current across the bath. A method of treating a surface of a non-ferrous metal workpiece is disclosed.
Description
본 출원은 본 출원과 동시에 제출된, "전해질 용액 및 전해 연마 방법(Electrolyte Solution and Electropolishing Methods)"이라는 발명의 명칭을 가진 공통 소유의 출원에 관한 것이다.
This application is directed to a commonly owned application with the name “Electrolyte Solution and Electropolishing Methods” filed concurrently with this application.
상기 용액 및 방법은 비철 금속 부품 및 표면을 전해 연마하는 일반적인 기술분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비철 및 반응성 금속, 특히 티타늄 및 티타늄 합금을 위한 균열 조절 및 산화물 제거를 포함하는 전해 연마에 의한 표면 처리에 관한 것이다. The solutions and methods relate to the general technical field of electropolishing non-ferrous metal parts and surfaces, and more particularly to surface by electropolishing including crack control and oxide removal for nonferrous and reactive metals, in particular titanium and titanium alloys. It is about processing.
금속 괴(metal ingot)로부터 완성된 밀 생성물(mill product)로 반응성 금속을 작업할 때에 그리고 완성된 부품 핫 워킹 후에, 또는 티타늄 및 티타늄 합금의 경우에 보통 알파 케이스라 칭하여지며, 이는 금속 산화물의 특정 표면층 물질을 제거하는 것이 요구된다. 이러한 산소-과급 상(oxygen-enriched phase)은 반응성 금속이 공기 또는 산소-함유 대기에서 가열될 경우에 발생한다. 산화물층은 금속의 물질 강도, 피로 강도 및 내식성에 영향을 준다. 그중에 티타늄 및 티타늄 합금은 반응성 금속이며, 이는 약 480℃(900℉)이상의 공기 또는 산화 대기에서 가열될 때마다 산소와 반응하고 부서지기 쉬운 완강한 산화물층(Ti에 대해 TiO2, Zr에 대해 ZrO2 등)을 형성함을 의미하며, 특정 합금 및 산화 대기에 따라 달라진다. 산화물층은 용접 결과로서 전형적인 밀 단조(mill forging) 또는 밀 롤링에 필요한 온도로 금속을 가열함으로써 생성되거나, 완성된 부품 단조 또는 핫 부품 성형을 위한 가열에 의해 생성된다. 반응성 금속 산화물 및 알파 케이스는 부서지기 쉬우며, 성형시 통상적으로 벌크 금속 내로 침투하는 일련의 표면 미소균열을 수반하며, 이는 잠재적으로 미성숙 인장 또는 피로 파괴를 일으키고, 표면이 화학적 공격에 대해 보다 민감해 지도록 한다. 따라서, 상기 산화물 또는 알파 케이스층은 어느 후속적인 열간 가공 또는 냉간 가공, 또는 최종 부품 제공 전에 반드시 제거되어야 한다.
When working with reactive metals from metal ingots to finished mill products and after hot parts of finished parts, or in the case of titanium and titanium alloys, they are usually referred to as alpha cases, which are specific to metal oxides. It is desired to remove the surface layer material. This oxygen-enriched phase occurs when the reactive metal is heated in air or in an oxygen-containing atmosphere. The oxide layer affects the material strength, fatigue strength and corrosion resistance of the metal. Among them, titanium and titanium alloys are reactive metals, which are rigid oxide layers (TiO 2 for Ti and ZrO for Zr) that react with oxygen and are brittle whenever they are heated in air or an oxidizing atmosphere above about 480 ° C (900 ° F). 2, etc.), depending on the particular alloy and oxidizing atmosphere. The oxide layer is produced by heating the metal to the temperature necessary for typical mill forging or mill rolling as a result of welding, or by heating for finished part forging or hot part forming. Reactive metal oxides and alpha cases are brittle and involve a series of surface microcracks that typically penetrate into the bulk metal during molding, potentially causing immature tensile or fatigue failure and making the surface more susceptible to chemical attack To lose. Thus, the oxide or alpha case layer must be removed before any subsequent hot or cold work, or provision of the final part.
또한, 티타늄 및 티타늄 합금과 같은 반응성 금속을 주괴로부터 완성된 부품으로 작업할 경우에, 열 및 기계적 공정에 의해 형성된 균열이 제거되는 것이 중요하다. 상술한 바와 같이, 이러한 균열은 알파 케이스 보다 더 깊을 수 있고 벌크 금속에 침투할 수 있다. 반응성 금속은 전형적으로 가열되고, 열 공정되고(예, 단조, 롤링, 드로우, 압출), 냉각되고, 4-8회의 추가 열 공정동안 재가열되어 주괴가 완성된 밀 생성물로 전환된다. 밀 생성물은, 이에 한정하는 것은 아니나, 열 회전 성형(hot spin forming), 고리 롤링(ring rolling), 초소성 성형(superplastic forming) 및 밀폐 다이 성형(closed die forming)을 포함하는 기술을 이용하여 완성된 부품 제조를 위해 종종 다시 가열된다. 매회, 상기 금속은 열 공정 후에 냉각되고, 균열이 표면에 형성되고 가공물 내로 확장된다. 통상적인 공정에서, 이러한 균열은 기계적 제거 또는 강산에서, 전형적으로 HF-HNO3에서 화학적 밀링을 포함하는 연마에 의해 가공물로부터 균일한 두께층 또는 양의 물질을, 가장 깊은 균열의 바닥이 노출되고 제거될 때까지 제거된다. 이러한 깊이로의 연마 또는 화학적 밀링은 모든 균열이 제거되는 것을 보장하나, 상당한 양의 시간 및 노동이 소요되고, 또한 현저한 고가의 재료 손실을 일으킨다. 이는 균열이 종종 가공물 또는 완성 부품의 두께 또는 직경의 5%이상의 깊이로 가공물 내로 확장되기 때문이다. 하지만, 균열의 제거가 요구되며, 그 이유는 만일 균열이 후속적인 열간 가공 단계 전에 또는 제공되는 완성 부품의 사용 전에 제거되지 않는다면, 균열은 가공물 또는 완성 부품에 퍼지고 괴멸시킬 수 있기 때문이다.
In addition, when working with reactive metals such as titanium and titanium alloys from finished ingots, it is important to remove the cracks formed by thermal and mechanical processes. As mentioned above, these cracks can be deeper than the alpha case and can penetrate the bulk metal. Reactive metals are typically heated, thermally processed (eg, forged, rolling, draw, extrusion), cooled, and reheated during 4-8 additional thermal processes to convert the ingot to a finished mill product. Mill products are completed using techniques including, but not limited to, hot spin forming, ring rolling, superplastic forming, and closed die forming. It is often reheated for the manufacture of finished parts. Each time, the metal cools after the thermal process, cracks form on the surface and expand into the workpiece. In conventional processes, such cracks are removed from the workpiece by a mechanical removal or polishing, including chemical milling, typically in HF-HNO 3 , to a uniform layer or amount of material from the workpiece, with the bottom of the deepest crack exposed and removed. Is removed until Polishing or chemical milling to this depth ensures that all cracks are removed, but takes a considerable amount of time and labor, and also results in significant expensive material losses. This is because the cracks often extend into the workpiece to a depth of at least 5% of the thickness or diameter of the workpiece or finished part. However, the removal of the cracks is required because if the cracks are not removed prior to the subsequent hot working step or the use of the finished part provided, the cracks can spread and destroy the workpiece or finished part.
화학 및 제조업에서, 전기 분해는 다른 비-자발적 화학 반응을 유도하기 위해 직류(DC)를 사용하는 방법이다. 전해 연마는 금속 부품을 디버링하고 밝고 유연한 표면 마감을 생성하는 것으로 잘 알려진 전기 분해의 응용이다. 전해 연마할 가공물은 전해질 용액의 욕에 담기고, 직류에 적용된다. 가공물은 애노드로 유지되고, 캐소드 연결은 욕 내에서 가공물을 감싸는 하나 이상의 금속 전도체로 이루어진다. 전해 연마는 그 공정을 제어하는 두 상반되는 반응에 의존한다. 제 1 반응은 가공물의 표면으로부터 금속이 이온 형태로 용액 내로 통과하는 동안 일어나는 용해 반응이다. 따라서, 금속은 가공물의 표면으로부터 이온에 의해 제거된다. 다른 반응은 산화물층이 가공물의 표면 상에 형성되는 동안 일어나는 산화 반응이다. 산화물 필름의 형성은 이온 제거 반응의 진행을 제한한다. 이러한 필름은 미세 저하(micro depression)에 비해 두껍고 미세 프로젝션(micro projection)에 비해 얇으며, 전기 저항성이 산화물 필름의 두께에 비례하기 때문에, 금속 용해의 가장 빠른 속도는 미세 프로젝션에서 일어나며, 금속 용해의 가장 느린 속도는 미세 저하에서 일어난다. 따라서, 전해 연마는 이에 상응하는 미세 저하 또는 "밸리(valleys)"에서의 공격 속도에 비해 더 빨리 미세 고점(microscopic high point) 또는 "피크(peaks)"를 선택적으로 제거한다.
In chemistry and manufacturing, electrolysis is a method of using direct current (DC) to induce other non-voluntary chemical reactions. Electropolishing is an application of electrolysis that is well known for deburring metal parts and producing bright, flexible surface finishes. The workpiece to be electropolished is placed in a bath of electrolyte solution and applied to a direct current. The workpiece remains an anode and the cathode connection consists of one or more metal conductors surrounding the workpiece in the bath. Electropolishing relies on two opposing reactions that control the process. The first reaction is a dissolution reaction that occurs during the passage of metal into the solution in the form of ions from the surface of the workpiece. Thus, the metal is removed by ions from the surface of the workpiece. Another reaction is an oxidation reaction that takes place while an oxide layer is formed on the surface of the workpiece. The formation of the oxide film limits the progress of the ion removal reaction. Since these films are thicker than micro depression, thinner than micro projection, and electrical resistivity is proportional to the thickness of the oxide film, the fastest rate of metal dissolution occurs in micro projection, The slowest rate occurs at fine degradation. Thus, electropolishing selectively removes microscopic high points or "peaks" faster than the corresponding rate of attack or attack speed in "valleys."
전기 분해의 또 다른 적용은 전기화학적 기계가공 공정(ECM)에 있다. ECM에서, 고 전류(종종 40,000암페어이상, 제곱미터당 150만 암페어이상의 전류 밀도로 인가됨)가 전극과 금속 가공물 사이를 통과하여 물질 제거를 일으킨다. 전기는 음 하전된 전극 "도구(tool)"(캐소드)로부터 전도성 유체(전해질)를 통해 전도성 가공물(애노드)로 이동한다. 캐소드 도구는 원하는 기계 가공 작업에 순응하도록 형성되고, 애노드 가공물 내로 이동한다. 가압된 전해질은 설정 온도로 기계가공되는 구역 내로 주입된다. 가공물의 물질은 제거되고, 본질적으로 도구 공급 속도에 의해 결정된 속도로 가공물 내로 액화된다. 상기 도구와 가공물 사이의 갭의 거리는 80 내지 800미크론(0.003 내지 0.030인치)의 범위 내로 다양하다. 전자가 갭을 지나감에 따라, 가공물 상의 물질은 용해되고, 도구는 원하는 형상으로 가공물로 형성된다. 전해질 유체는 전해질과 가공물 사이의 반응으로부터 공정시 형성된 금속 수산화물을 휩쓸어 간다. 전기화학적 기계가공 공정이 전해질 용액에 축적되는 금속 복합체에 대해 낮은 내성을 갖기 때문에, 플러싱이 요구된다. 이에 반해, 본 명세서에 나타낸 전해질 용액을 이용한 공정은 전해질 용액에 고농도의 티타늄을 가지더라도 안정하고 효과적으로 유지된다.
Another application of electrolysis is in electrochemical machining processes (ECMs). In ECM, high currents (often applied at current densities of more than 40,000 amps and more than 1.5 million amps per square meter) pass between the electrode and the metal workpiece to cause material removal. Electricity is transferred from the negatively charged electrode "tool" (cathode) through the conductive fluid (electrolyte) to the conductive workpiece (anode). The cathode tool is configured to conform to the desired machining operation and moves into the anode workpiece. Pressurized electrolyte is injected into the zone where it is machined to a set temperature. The material of the workpiece is removed and liquefied into the workpiece at a rate essentially determined by the tool feed rate. The distance of the gap between the tool and the workpiece varies within the range of 80 to 800 microns (0.003 to 0.030 inch). As the electrons pass the gap, the material on the workpiece dissolves and the tool is formed into the workpiece in the desired shape. The electrolyte fluid sweeps metal hydroxides formed in the process from the reaction between the electrolyte and the workpiece. Flushing is required because the electrochemical machining process has low resistance to metal complexes that accumulate in the electrolyte solution. In contrast, the process using the electrolyte solution shown herein is stably and effectively maintained even if the electrolyte solution has a high concentration of titanium.
금속 전해 연마를 위한 전해질 용액은 보통 광산(mineral acid)과 같이 농축된 강산(물에 완전히 분리된)을 함유하는 혼합물이다. 본 명세서에 기재된, 강산은 일반적으로 수성 용액에서 히드로늄 이온(H3O+)보다 더 강한 것들로 분류된다. 전해 연마에 일반적으로 사용되는 강산의 예는 황산, 염산, 과염소산 및 질산이며, 약산의 예는 포름산, 아세트산, 부티르산 및 시트르산과 같은 카르복시산 그룹에 있는 것들을 포함한다. 알코올, 아민 또는 카르복시산과 같은 유기 화합물은 가공물 표면의 과도한 에칭을 피하기 위해 용해 에칭 반응을 감속하기 위한 목적으로 강산과 혼합물로 가끔 사용된다. 참조 예, 미국 특허 제 6,610,194호(반응 감속제로서 아세트산의 사용에 대해 기재되어 있음).
Electrolyte solutions for metal electropolishing are usually mixtures containing concentrated strong acids (completely separated in water), such as mineral acids. Strong acids, as described herein, are generally classified as being stronger than hydronium ions (H 3 O + ) in aqueous solutions. Examples of strong acids commonly used in electropolishing are sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid and nitric acid, and examples of weak acids include those in carboxylic acid groups such as formic acid, acetic acid, butyric acid and citric acid. Organic compounds such as alcohols, amines or carboxylic acids are sometimes used in admixture with strong acids for the purpose of slowing the dissolution etch reaction to avoid excessive etching of the workpiece surface. See, eg, US Pat. No. 6,610,194, which describes the use of acetic acid as a reaction slower.
주로 건강상의 위험 및 사용된 용액의 일회용 폐기물 비용 때문에, 금속 마감욕(metal finishing baths)에서 이러한 강산의 사용을 줄이는 것이 장려된다. 시트르산은 국방부 및 ASTM 기준 모두에 의해 스테인리스강편에 대한 부동화제로서 이전에 승인되었다. 그러나, 이전 연구는 스테인리스강을 부동태화하기 위한 상업용 시트르산 부동화 욕 용액을 이용하는 것으로부터 절감을 보여주거나 정량화하였으나, 현저한 농도의 시트르산이 강산의 농도를 줄여줄 수 있는 적절한 전해질 용액을 찾는 것이 불가능하였다. 예를 들어, "Citric Acid & Pollution Prevention in Passivation & Electropolishing"(2002)라는 발명의 명칭으로 출원된 공개문헌에는, 보다 약한 유기산, 특히 시트르산이 이의 저 비용, 유용성 및 상대적으로 위험이 없는 처리물이므로, 이러한 보다 약한 유기산, 특히 시트르산의 일부 양의 치환으로, 강 광산의 양을 감소시킬 수 있는 여러 이점에 대해 기재되어 있으나, 최종적으로는 주로 인산과 황산의 혼합물을 포함하는 대체 전해질을 소량의 (시트르산이 아닌) 유기산으로 평가하였다.
It is encouraged to reduce the use of such strong acids in metal finishing baths, mainly due to health risks and the cost of disposable waste of the used solution. Citric acid was previously approved as a passivating agent for stainless steel pieces by both the Department of Defense and ASTM standards. However, previous studies have shown or quantified savings from using a commercial citric acid passivating bath solution to passivate stainless steel, but it was not possible to find a suitable electrolyte solution where significant concentrations of citric acid could reduce the concentration of strong acids. For example, in a publication filed under the name "Citric Acid & Pollution Prevention in Passivation &Electropolishing" (2002), weaker organic acids, particularly citric acid, are low cost, useful and relatively risk free treatments. Substitution of some of these weaker organic acids, in particular citric acid, has been described for several advantages that can reduce the amount of strong mines, but ultimately alternative electrolytes containing mainly mixtures of phosphoric acid and sulfuric acid may be used. Evaluation with organic acids (not citric acid).
알파 케이스 제거 및 균열 조절은 전형적으로 전해 연마 공정에 의해 치유되지 않는다. 전해 연마 기술분야에 사용되는 전형적인 전해질 용액에서 발견되는 강산 성분은 금속 표면에 수소 이동을 일으키고, 공격적인 비조절된 에칭을 일으키며, 이는 균열을 깊게 만들 수 있다. 강산 성분의 부재하에서, 약산 및 ABF의 용액을 이용한 새로운 전해 연마 욕 화학기술의 개발에 있어서, 본 발명자들은 알파 케이스 제거 및 균열 조절 모두가 전해 연마를 통해 효과적으로 치유될 수 있음을 발견하였다. 결론적으로, 이러한 방법에 적합한 새로운 욕 화학(bath chemistry)을 이용한 전해 연마 공정에 의한 산화물 제거 및 균열 조절 방법이 개시된다.
Alpha case removal and crack control are typically not cured by the electropolishing process. The strong acid component found in typical electrolyte solutions used in the electropolishing art can cause hydrogen migration to the metal surface and lead to aggressive uncontrolled etching, which can deepen cracks. In the absence of a strong acid component, in the development of new electrolytic polishing bath chemistry using a solution of weak acid and ABF, the inventors have found that both alpha case removal and crack control can be effectively cured through electropolishing. In conclusion, a method of oxide removal and crack control by an electropolishing process using a new bath chemistry suitable for this method is disclosed.
일 구현으로, 약 0.1중량% 내지 약 59중량%의 카르복시산 및 약 0.1중량% 내지 약 25중량%의 플루오르화 염을 포함하며, 실질적으로 강산이 없는 수성 전해질이 개시된다.
In one embodiment, an aqueous electrolyte comprising about 0.1% to about 59% carboxylic acid and about 0.1% to about 25% fluorinated salt, substantially free of strong acids, is disclosed.
다른 구현으로, 약 1.665g/L 내지 약 982g/L의 시트르산 및 약 2g/L 내지 약 360g/L의 플루오르화 염의 암모늄 비플루오라이드를 포함하며, 실질적으로 강산이 없는 수성 전해질이 개시된다.
In another embodiment, an aqueous electrolyte comprising ammonium bifluoride of about 1.665 g / L to about 982 g / L citric acid and about 2 g / L to about 360 g / L fluorinated salt is substantially free of strong acids.
일 구현으로, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법으로서, 상기 비-철 금속 가공물의 표면을 약 300g/L이하 농도의 시트르산 및 약 10g/L이상 농도의 암모늄 비플루오라이드를 포함하며, 약 3.35g/L이하의 강산을 갖는 수성 전해질 용액의 욕에 노출시키는 단계, 상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계, 상기 가공물을 DC 전원의 애노드에 연결시키는 단계 및 상기 DC 전원의 캐소드를 상기 욕 내에 침지시키는 단계, 및 상기 욕에 걸쳐 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법이 개시된다.
In one embodiment, a method of treating a surface of a non-ferrous metal workpiece, the surface of the non-ferrous metal workpiece includes citric acid at a concentration of about 300 g / L or less and ammonium bifluoride at a concentration of about 10 g / L or more, Exposing it to a bath of an aqueous electrolyte solution having a strong acid of about 3.35 g / L or less, adjusting the temperature of the bath to at least about 54 ° C., connecting the workpiece to an anode of a DC power source, and A method of treating a surface of a non-ferrous metal workpiece is disclosed that includes immersing a cathode in the bath, and applying a current across the bath.
일 구현으로, 비-철 금속 가공물의 표면에서 균열을 조절하는 방법으로서, 상기 비-철 금속 가공물의 표면을 약 300g/L이하 농도의 시트르산 및 약 10g/L이상 농도의 암모늄 비플루오라이드를 포함하며, 약 3.35g/L이하의 강산을 갖는 수성 전해질 용액의 욕에 노출시키는 단계, 상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계, DC 전원의 애노드에 상기 가공물을 연결하고 DC 전원의 캐소드를 상기 욕에 침지하는 단계, 및 상기 욕에 걸쳐 제곱 미터 당 약 53.8암페어 미만의 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 비-철 금속 가공물의 표면에서 균열을 조절하는 방법이 개시된다.
In one embodiment, a method of controlling cracking at a surface of a non-ferrous metal workpiece, wherein the surface of the non-ferrous metal workpiece includes citric acid at a concentration of about 300 g / L or less and ammonium bifluoride at a concentration of about 10 g / L or more Exposing it to a bath of an aqueous electrolyte solution having a strong acid of about 3.35 g / L or less, adjusting the temperature of the bath to about 54 ° C. or more, connecting the workpiece to an anode of a DC power source and a cathode of a DC power source. A method of controlling cracks in the surface of a non-ferrous metal workpiece is disclosed, comprising immersing the bath in the bath, and applying a current of less than about 53.8 amps per square meter across the bath.
일 구현으로, 비-철 금속 가공물의 표면에서 금속 산화물 제거 방법으로서, 상기 비-철 금속 가공물의 표면을 약 60g/L이하 농도의 시트르산 및 약 60g/L이상 농도의 암모늄 비플루오라이드를 포함하며, 약 3.35g/L이하의 강산을 갖는 수성 전해질 용액의 욕에 노출시키는 단계, 상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계, DC 전원의 애노드에 상기 가공물을 연결하고 DC 전원의 캐소드를 상기 욕에 침지하는 단계, 및 상기 욕에 걸쳐 제곱 미터 당 약 53.8암페어 미만의 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 비-철 금속 가공물의 표면에서 금속 산화물 제거 방법이 개시된다.
In one embodiment, a method of removing metal oxides from a surface of a non-ferrous metal workpiece, wherein the surface of the non-ferrous metal workpiece comprises citric acid at a concentration of about 60 g / L or less and ammonium bifluoride at a concentration of about 60 g / L or more; Exposing it to a bath of an aqueous electrolyte solution having a strong acid of about 3.35 g / L or less, adjusting the temperature of the bath to about 54 ° C. or more, connecting the workpiece to an anode of a DC power source and Disclosed is a method of removing metal oxides on a surface of a non-ferrous metal workpiece comprising immersing in the bath, and applying a current of less than about 53.8 amps per square meter across the bath.
일 구현으로, 티타늄 또는 티타늄 합금 가공물의 표면으로부터 알파 케이스 제거 방법으로서, 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 가공물의 표면을 약 60g/L이하 농도의 시트르산 및 약 60g/L이상 농도의 암모늄 비플루오라이드를 포함하며, 약 3.35g/L이하의 강산을 갖는 수성 전해질 용액의 욕에 노출시키는 단계, 상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계, DC 전원의 애노드에 상기 가공물을 연결하고 DC 전원의 캐소드를 상기 욕에 침지하는 단계, 및 상기 욕에 걸쳐 제곱 미터 당 약 53.8암페어 미만의 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 티타늄 또는 티타늄 합금 가공물의 표면으로부터 알파 케이스 제거 방법이 개시된다.
In one embodiment, a method of removing an alpha case from a surface of a titanium or titanium alloy workpiece, the surface of the titanium or titanium alloy workpiece comprising citric acid at a concentration of about 60 g / L or less and ammonium bifluoride at a concentration of about 60 g / L or more; Exposing it to a bath of an aqueous electrolyte solution having a strong acid of about 3.35 g / L or less, adjusting the temperature of the bath to about 54 ° C. or more, connecting the workpiece to an anode of a DC power source and A method of removing an alpha case from a surface of a titanium or titanium alloy workpiece is disclosed that includes immersing in the bath and applying a current of less than about 53.8 amps per square meter across the bath.
도 1a-1b는 20g/L의 중저 농도의 암모늄 비플루오라이드를 갖는 수성 전해질 용액에서 다양한 온도에 걸쳐 1076A/㎡의 고 전류 밀도에서 시트르산 농도에 따른 물질 제거 속도 및 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 2a-2b는 다양한 전류 밀도에 걸쳐, 각각, 대표적인 저온 및 고온에서 120g/L 시트르산을 포함하는 수성 전해질 용액 내의 암모늄 비플루오라이드 농도에 따른 물질 제거 속도를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 2c-2d는 각각, 도 2a-2b에 상응하는 조건하에서 암모늄 비플루오라이드에 따른 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 2e-2f는 85℃의 온도에서 실질적으로 시트르산이 없는 수성 전해질 용액에서 전류 밀도에 따른, 물질 제거 속도 및 표면 마감의 변화를 각각 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 3a-3d는 53.8A/㎡의 전류 밀도 및 각각, 21℃, 54℃, 71℃ 및 85℃의 온도에서 여러 가지 농도의 암모늄 비플루오라이드에 대한 수성 전해질 용액에서 시트르산 농도에 따른 물질 제거 속도를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 4a-4d는 54℃의 온도 및 각각, 10.8A/㎡, 215A/㎡, 538A/㎡ 및 1076A/㎡의 전류 밀도에서 여러 가지 농도의 암모늄 비플루오라이드에 대한 수성 전해질 용액에서 시트르산 농도에 따른 물질 제거 속도를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 4e-4g는 여러 가지 농도의 암모늄 비플루오라이드에 대하여 각각, 120g/L, 600g/L 및 780g/L의 시트르산을 갖는 수성 용액에서 85℃의 온도에서 전류 밀도에 따른 물질 제거 속도를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 4h-4j는 각각, 도 4e-4g에 상응하는 조건하에서 전류 밀도에 따른 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 5a-5b는 다양한 조합의 시트르산과 암모늄 비플루오라이드 농도에서 저온(21℃) 및 고 전류 밀도(538A/㎡)에서, 각각 제거된 물질의 양 및 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 6a-6b는 다양한 조합의 시트르산과 암모늄 비플루오라이드 농도에서 저온(21℃) 및 고 전류 밀도(1076A/㎡)에서, 각각 제거된 물질의 양 및 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 7a-7b는 다양한 조합의 시트르산과 암모늄 비플루오라이드 농도에서 고온(85℃) 및 고 전류 밀도(1076A/㎡)에서, 각각 제거된 물질의 양 및 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 8a-8b는 다양한 조합의 시트르산과 암모늄 비플루오라이드 농도에서 대표적인 고온(85℃) 및 저 전류 밀도(10.8A/㎡)에서, 각각 제거된 물질의 양 및 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 9a-9b는 다양한 조합의 시트르산과 암모늄 비플루오라이드 농도에서 대표적인 고온(85℃) 및 고 전류 밀도(538A/㎡)에서, 각각 제거된 물질의 양 및 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 10a-10b는 다양한 조합의 시트르산과 암모늄 비플루오라이드 농도에서 대표적인 중고온(71℃) 및 중 전류 밀도(215A/㎡)에서, 각각 제거된 물질의 양 및 표면 마감의 변화를 나타내는 데이터의 그래프이다.
도 11은 물질의 표면으로부터 가공물로 확장되는 균열을 제거하는 종래 기술의 방법에서 일어나는 시퀀스의 개요도이다.
도 12는 물질의 표면으로부터 가공물로 확장되는 균열을 조절하기 위한 본 명세서에 개시된 전해질을 이용한 방법에서 일어나는 시퀀스의 개요도이다.1A-1B show data showing changes in material removal rate and surface finish with citric acid concentration at a high current density of 1076 A /
2A-2B are graphs of data showing material removal rates according to ammonium bifluoride concentration in an aqueous electrolyte solution comprising 120 g / L citric acid at representative low and high temperatures, respectively, over various current densities.
2C-2D are graphs of data showing changes in surface finish with ammonium bifluoride, respectively, under conditions corresponding to FIGS. 2A-2B.
2E-2F are graphs of data showing changes in material removal rate and surface finish, respectively, with current density in an aqueous electrolyte solution substantially free of citric acid at a temperature of 85 ° C.
3A-3D show material removal rates according to citric acid concentration in aqueous electrolyte solutions for various concentrations of ammonium bifluoride at current densities of 53.8 A /
4A-4D show the concentrations of citric acid in aqueous electrolyte solutions for various concentrations of ammonium bifluoride at temperatures of 54 ° C. and current densities of 10.8 A /
4E-4G show data of material removal rates with current density at 85 ° C. in aqueous solutions with 120 g / L, 600 g / L and 780 g / L citric acid, respectively, for various concentrations of ammonium bifluoride Is a graph of.
4H-4J are graphs of data showing changes in surface finish with current density under conditions corresponding to FIGS. 4E-4G, respectively.
5A-5B are graphs of data showing changes in surface finish and the amount of material removed, respectively, at low temperatures (21 ° C.) and high current densities (538 A / m 2) at various combinations of citric acid and ammonium bifluoride concentrations.
6A-6B are graphs of data showing the amount of material removed and the change in surface finish at low temperature (21 ° C.) and high current density (1076 A / m 2), respectively, at various combinations of citric acid and ammonium bifluoride concentrations.
7A-7B are graphs of data showing the amount of material removed and the change in surface finish at high temperature (85 ° C.) and high current density (1076 A / m 2), respectively, at various combinations of citric acid and ammonium bifluoride concentrations.
8A-8B are graphs of data showing changes in surface finish and the amount of material removed, respectively, at high temperature (85 ° C.) and low current density (10.8 A / m 2) at various combinations of citric acid and ammonium bifluoride concentrations. to be.
9A-9B are graphs of data showing the amount of material removed and changes in surface finish, respectively, at representative high temperatures (85 ° C.) and high current densities (538 A / m 2) at various combinations of citric acid and ammonium bifluoride concentrations. .
10A-10B are graphs of data showing changes in surface finish and amount of material removed, respectively, at representative high and medium temperatures (71 ° C.) and medium current density (215 A / m 2) at various combinations of citric acid and ammonium bifluoride concentrations. to be.
FIG. 11 is a schematic diagram of a sequence occurring in the prior art method of removing cracks extending from the surface of a material to a workpiece.
12 is a schematic diagram of a sequence that takes place in a method using an electrolyte disclosed herein for controlling cracks extending from the surface of a material to a workpiece.
이에 한정하는 것은 아니나, 티타늄 및 티타늄 합금을 포함하는 반응성 금속의 표면 처리에 특히 유용한 수성 전해질 용액이 개시된다. 상대적으로 소량의 플루오라이드 염 및 카르복시산이, 실질적으로 광산과 같은 강산의 부재하에서 물에 용해되어 그 용액은 실질적으로 강산을 함유하지 않는다. 이러한 전해질 용액은, 이에 한정하는 것은 아니나, 티타늄 및 티타늄 합금을 포함하는 반응성 금속의 표면 처리용 전해욕에서, 전형적으로 강산을 사용하며 전해질 용액에서 물의 양은 절대 최소로 유지되는 것을 요구하는 이전 시도들로부터 주목할만한 출발이다.
Although not limited thereto, an aqueous electrolyte solution is particularly useful for surface treatment of reactive metals including titanium and titanium alloys. Relatively small amounts of fluoride salts and carboxylic acids are dissolved in water substantially in the absence of strong acids such as mineral acids so that the solution is substantially free of strong acids. Such electrolyte solutions include, but are not limited to, previous attempts in the electrolytic bath for surface treatment of reactive metals including titanium and titanium alloys, typically using strong acids and requiring that the amount of water in the electrolyte solution be kept to an absolute minimum. Notable departure from.
플루오라이드 염은 상기 용액에 플루오라이드 이온 공급원을 제공하며, 이에 한정하는 것은 아니나, 암모늄 비플루오라이드, NH4HF2(이하 "ABF"라고 약칭하기도 함)일 수 있다. 이론으로 한정하려는 것은 아니나, 카르복시산은 처리할 반응성 금속 표면상의 플루오라이드 이온 공격을 완화하는 것으로 믿어지며, 이에 한정하는 것은 아니나 시트르산일 수 있다. 미량의 강산이 존재할지라도 어떠한 양의 강산 또는 광산이 상기 용액에 의도적으로 첨가되지 않는다. 본 명세서에 사용된, 용어 "실질적으로 부재하에서(substantially in the absence of)" 및 "실질적으로 함유하지 않는(substantially free of)"은 약 3.35g/L이하, 바람직하게 약 1g/L이하, 그리고 보다 바람직하게 약 0.35g/L미만 농도의 강산을 칭하는 것으로 사용된다.
The fluoride salt provides a source of fluoride ions to the solution, which may be, but is not limited to, ammonium bifluoride, NH 4 HF 2 (hereinafter also abbreviated as “ABF”). Without wishing to be bound by theory, carboxylic acids are believed to mitigate fluoride ion attack on the reactive metal surface to be treated, but may not be limited to citric acid. No amount of strong acid or mineral acid is intentionally added to the solution, even if trace amounts of strong acid are present. As used herein, the terms “substantially in the absence of” and “substantially free of” refer to about 3.35 g / L or less, preferably about 1 g / L or less, and More preferably used to refer to a strong acid at a concentration of less than about 0.35 g / L.
상업적으로 순수한(CP) 티타늄의 시험재가 시트르산 60g/L 및 ABF 10g/L을 포함하는 수용액의 욕에 54℃에서 침지되고, 전류가 583A/㎡로 인가되었다. 이러한 용액에 15분간 노출된 밀-표면(mill-surface) 티타늄 스트립(0.52㎛ 표면 거칠기)로부터 잘려진 시험재는 균일하게 평활하였고(0.45㎛ 표면 거칠기) 외관적으로 반사적이었다. 그 다음, 소량의 42°Be HNO3(질산)을 점진적으로 첨가하고, 그 제조된 시험재를 표면 변화가 검출될 때까지 반복적으로 처리하였다. 상기 시험재는 질산 농도가 3.35g/L에 이를 때까지 매회의 질산 첨가 후에 상기 공정에 의해 영향받지 않았으며, 이 시점에서 상기 시험 패널은 0.65 내지 2.9㎛ 범위 및 그이상의 표면 거칠기를 갖는 시험재의 주변에 불규칙적인 공격을 갖는 피팅(pitting) 및 스폴링(spalling)을 포함하는 불균일한 미용적 외관을 나타내었다. 질산은 히드로늄 이온보다 많이 높지 않은 해리 상수를 갖는 경계선상의 강산인 것으로 간주된다. 따라서, 질산과 동일하거나 더 높은 해리 상수를 갖는 다른 보다 강한 산에 대해서, 유사한 전해질 용액은 약 3.35g/L미만의 강산의 농도에서 조절된 물질 제거 및 마이크로폴리싱에 유사하게 효과적일 것으로 예측된다. 그러나, 다른 농도의 시트르산 및 ABF를 가지며, 다른 비율의 시트르산 및 ABF 농도를 갖는 본 명세서에 개시된 다른 전해질 용액은 특정 강산뿐만 아니라 온도 및 전류 밀도와 같은 작동 파라미터에 따라 강산의 존재에 대해 보다 낮은 내성을 가질 수 있는 것으로 예측된다. 따라서, 수성 전해질 용액을 광범위한 범위의 온도 및 전류 밀도 내에서 광범위한 범위의 시트르산 및 ABF 농도에 걸쳐 물질 제거 및 표면 마감 개선에 효과적으로 사용할 수 있도록 약 1g/L이하의 강산, 바람직하게 약 0.35g/L이하의 강산이 존재해야 한다.
A test piece of commercially pure (CP) titanium was immersed at 54 ° C. in a bath of an aqueous solution containing 60 g / L citric acid and 10 g / L citric acid, and a current was applied at 583 A /
광범위한 전해연마 시험을 다양한 화학 농도, 전류 밀도 및 온도를 사용하여 티타늄 및 티타늄 합금 샘플에서 수행하였다. 구체적으로, 시험은 벌크 금속을 제거하고, 시트 금속 제품상의 표면 마감을 저 물질 제거 속도로 개선 또는 정제하고, 그리고/또는 금속 표면을 마이크로폴리싱하여 매우 낮은 물질 제거 속도로 매우 미세한 표면 마감이 이루어지는 다양한 용액 및 방법들의 능력을 측정하기 위해 "클린(clean)" 밀 제품(mill products)(ASTM(American Society for Testing and Materials) 또는 AMS(Aerospace Material Specification)에 부합하는 전형적인 밀 제조사의 처음에 배달되었을 때와 동일한 상태("as delivered" condition))에서 수행하였다. 또한, 대부분의 시험을 티타늄 및 티타늄 합금에 중점을 두었으나, 시험은 또한 동일한 용액 및 방법들이 보다 일반적으로 다수의 비철 금속을 처리하는데 적용가능함을 보여주었다. 예를 들어, 티타늄 및 티타늄 합금에 부가적으로, 이에 한정하는 것은 아니나, 금, 은, 크롬, 지르코늄, 알루미늄, 바나듐, 니오븀, 구리, 몰리브데늄, 아연 및 니켈을 포함하는 금속에서 우수한 결과를 얻었다. 또한, 티타늄-몰리브데늄, 티타늄-알루미늄-바나듐, 티타늄-알루미늄-니오븀, 티타늄-니켈(Nitinol®), 티타늄-크롬(Ti 17®), Waspaloy 및 Inconel®(니켈계 합금)과 같은 합금이 또한 긍정적으로 처리되었다.
Extensive electropolishing tests were performed on titanium and titanium alloy samples using various chemical concentrations, current densities and temperatures. Specifically, the tests are performed to remove bulk metals, improve or refine the surface finish on sheet metal products at low material removal rates, and / or micropolish the metal surfaces to achieve very fine surface finishes at very low material removal rates. When delivered at the beginning of a typical mill manufacturer conforming to "clean" mill products (American Society for Testing and Materials (ASTM) or Aerospace Material Specification (AMS) to measure the ability of solutions and methods In the same condition as the "as delivered" condition. In addition, although most of the tests focused on titanium and titanium alloys, the tests also showed that the same solutions and methods are more generally applicable to treating multiple nonferrous metals. For example, in addition to, but not limited to, titanium and titanium alloys, good results are obtained for metals including gold, silver, chromium, zirconium, aluminum, vanadium, niobium, copper, molybdenum, zinc, and nickel. Got it. In addition, alloys such as titanium-molybdenum, titanium-aluminum-vanadium, titanium-aluminum-niobium, titanium-nickel (Nitinol ® ), titanium-chromium (Ti 17 ® ), Waspaloy and Inconel ® (nickel-based alloys) It was also treated positively.
시트르산 및 암모늄 비플루오라이드를 함유하는 전해질 용액은 놀랍게도 두 성분의 희석된 농도에서 비철 금속 및 금속 합금을 에칭하는데 효과적인 것으로 입증되었다. 이러한 상황에서, 에칭은 실질적으로 균일한 표면 제거를 포함하는 것으로 이해된다. 또한, 표면 마감의 개선은 광범위한 범위의 시트르산 및 암모늄 비플루오라이드 농도 모두에 걸쳐 나타났다. 물을 함유한 포화점까지의 어떠한 시트르산 농도(표준 온도 및 압력에서 59중량% 또는 약 982g/L의 수용액)가 사용될 수 있으나, 물질 제거 속도가 극적으로 줄어들고, 물질 표면의 마이크로폴리싱이 증가되는, 암모늄 비플루오라이드의 해리에 의해 생성되는 플루오라이드 이온의 에칭 효과를 시트르산이 충분히 완화하는 시트르산 농도와 암모늄 비플루오라이드 농도 간의 상관성이 있는 것으로 보인다. 에칭 및 마이크로폴리싱 모두에 대해, 3.6중량% 또는 약 60g/L의 용액 정도로 낮은 시트르산 농도의 양을 갖는 여러 혼합물은, 최대 약 36중량% 또는 약 600g/L의 용액을 포함하는 양을 훨씬 넘는 시트르산의 농도와 비교할만한 티타늄에서의 에칭 속도 및 표면 마이크로폴리싱 결과가 나타났다. 따라서, 이러한 용액에서, 에칭 속도는 시트르산의 농도 보다는 ABF의 농도에 의해 분명히 보다 직접적으로 영향을 받는다. 효과적인 에칭 및 마이크로폴리싱은 약 1중량% 미만 또는 15g/L 미만의 용액의 상당히 낮은 시트르산 농도에서 나타났다. 그러나, 심지어 가장 소량의 플루오라이드가 존재하여도 일부 금속 제거가 일어나기에 충분한 것으로 보인다.
Electrolyte solutions containing citric acid and ammonium bifluoride have surprisingly proved effective in etching non-ferrous metals and metal alloys at dilute concentrations of both components. In such a situation, etching is understood to include substantially uniform surface removal. In addition, improvements in surface finish have been seen over a wide range of citric acid and ammonium bifluoride concentrations. Any citric acid concentration (59% by weight or about 982 g / L aqueous solution at standard temperature and pressure) up to the saturation point containing water can be used, but the rate of material removal is dramatically reduced and the micropolishing of the material surface is increased, It appears that there is a correlation between the concentration of citric acid and the concentration of ammonium bifluoride, in which citric acid moderates the etching effect of fluoride ions produced by dissociation of ammonium bifluoride. For both etching and micropolishing, several mixtures having an amount of citric acid concentration as low as 3.6% by weight or about 60 g / L of solution, far exceed the amount comprising up to about 36% by weight or about 600 g / L of solution Etch rates and surface micropolishing results in titanium are comparable to the concentration of. Thus, in such a solution, the etch rate is clearly more directly affected by the concentration of ABF than the concentration of citric acid. Effective etching and micropolishing have been shown at significantly lower citric acid concentrations of solutions of less than about 1% by weight or less than 15 g / L. However, even the presence of the smallest amount of fluoride appears to be sufficient for some metal removal to occur.
에칭 속도는 약 600g/L이상의 시트르산 농도에서 실질적으로 저하된다. 그러나, 이러한 고농도의 시트르산에서, 적어도 고 전류 밀도를 완화하는 경우에, 표면 마감 결과는 향상되고, 한편 에칭 속도는 저하된다. 따라서, 직류가 인가될 경우에, 보다 희석된 시트르산 혼합물은 표면 물질 제거의 속도를 더 높일 수 있으며, 한편 약 42중량% 또는 약 780g/L의 용액 정도로 높은, 보다 높은 농도의 시트르산 혼합물은 보다 낮은 농도의 시트르산 혼합물로 마감된 조각에 비하여 균일하고 우수한 입자로, 그리고 코로나 효과가 없이 보다 매끄럽고 보다 광택이 있는 마감을 제공한다.
Etch rates are substantially lowered at citric acid concentrations above about 600 g / L. However, at such high concentrations of citric acid, at least in the case of mitigating high current densities, the surface finish result is improved, while the etching rate is lowered. Thus, when direct current is applied, a more diluted citric acid mixture can speed up surface material removal, while higher concentrations of citric acid mixture, which are as high as about 42% by weight or about 780 g / L of solution, are lower. Compared to pieces finished with a concentration of citric acid mixture, it provides a smoother, more glossy finish with uniform, superior particles and no corona effect.
고 조절된 금속 제거는 본 명세서에 기재된 욕 용액 및 방법을 이용하여 달성될 수 있다. 구체적으로, 조절 수준은 벌크 금속이 0.0001 인치 정도로 작은 두께 내지 0.5000 인치 정도로 큰 두께로 제거될 수 있는 정도로 매우 우수하다. 이러한 우수한 조절은 시트르산과 ABF 농도의 조합, 온도, 및 전류 밀도를 조절함으로써, 뿐만 아니라 직류의 인가 기간 및 주기적인 인가를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 제거는 일반적으로 가공물의 모든 표면에 균일하게 수행되거나, 밀 제품 또는 제조된 부품의 특정 선택된 표면상에서만 선택적으로 적용될 수 있다. 제거의 조절은 이에 한정하는 것은 아니나, 온도, 출력 밀도, 동력 사이클, ABF 농도 및 시트르산 농도를 포함하는 여러 파라미터를 미세하게 튜닝함으로써 달성된다. 그럼에도 불구하고, 시트르산과 ABF의 농도를 특정 바람직한 범위 내로 유지함으로써, 고 수준의 마이크로폴리싱이 또한 예측되는 바와는 달리 고온에서 달성될 수 있다.
Highly controlled metal removal can be achieved using the bath solutions and methods described herein. Specifically, the level of control is so good that bulk metals can be removed in thicknesses as small as 0.0001 inches to thicknesses as large as 0.5000 inches. Such good control can be achieved by adjusting the combination of citric acid and ABF concentration, temperature, and current density, as well as by varying the application period and periodic application of direct current. Removal is generally performed uniformly on all surfaces of the workpiece or may be selectively applied only on a particular selected surface of the mill product or manufactured part. Control of removal is achieved by fine tuning various parameters including, but not limited to, temperature, power density, power cycle, ABF concentration and citric acid concentration. Nevertheless, by keeping the concentrations of citric acid and ABF within certain desired ranges, high levels of micropolishing can also be achieved at high temperatures, as would be expected.
제거 속도는 DC 전원이 적용되는 방식에 따라 달라진다. 예측되는 바와는 달리, 제거 속도는 연속적으로 적용되는 DC 전원과 반비례하는 것으로 보이며, 연속적으로 적용될 경우에, DC 출력 밀도 증가는 제거 속도를 감소시킨다. 그러나, DC 전원을 순환시킴으로써, 제거 속도는 앞당겨질 수 있다. 결론적으로, 현저한 물질 제거 속도가 원하여질 경우에, DC 전원은 처리 작동 내내 오프에서 온으로 순환된다. 반대로, 제거 속도의 미세한 조절이 원하여질 경우에, DC 전원이 연속적으로 적용된다.
The removal rate depends on how the DC power is applied. Unexpectedly, the removal rate appears to be inversely proportional to the DC power applied continuously, and when applied continuously, increasing the DC output density decreases the removal speed. However, by cycling the DC power supply, the removal rate can be advanced. In conclusion, where significant material removal rates are desired, the DC power source is cycled from off to on throughout the processing operation. Conversely, if fine control of the removal rate is desired, the DC power source is applied continuously.
이론으로 규정하고자 하는 것은 아니나, 제거는 금속 표면에 형성된 산화물층의 두께에 비례하여 느려지고, 보다 높은 인가 DC 전원은 금속의 플루오라이드 이온 공격에 대한 배리어로 작용할 수 있는 금속 표면에서 보다 높은 산화를 일으키는 것으로 생각된다. 따라서, DC 전원을 미리 정해진 속도로 온 및 오프로 순환시키는 것은 이러한 산소 배리어를 극복할 수 있게 하거나, 두꺼운 산화물이 표면을 주기적으로 부서뜨리도록 조장되는 메커니즘을 생성한다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 욕 온도, 인가 전압, 시트르산 농도 및 암모늄 비플루오라이드 농도, 전해질의 작동 파라미터를 변화시키는 것은 유익한 결과, 즉, 고 조절된 벌크 금속 제거 및 마이크로폴리싱을 특정 적용에 맞추는 능력을 제공한다. 또한, 작동 컨디션을 주어진 공정 셋트의 작동 파라미터 내에서 변화시키는 것은 금속 제거 및 표면 마감의 미세한-튜닝 조절에 대한 능력을 변화시키고 증가시킬 수 있다.
While not wishing to be bound by theory, removal is slowed in proportion to the thickness of the oxide layer formed on the metal surface, and higher applied DC power sources cause higher oxidation at the metal surface, which can act as a barrier to fluoride ion attack of the metal. It is thought to be. Thus, cycling the DC power source on and off at a predetermined rate may overcome this oxygen barrier or create a mechanism in which thick oxides are encouraged to break the surface periodically. As described herein, varying bath temperatures, applied voltages, citric acid concentrations and ammonium bifluoride concentrations, operating parameters of the electrolyte, are beneficial results, ie the ability to tailor highly controlled bulk metal removal and micropolishing to specific applications. To provide. In addition, changing the operating conditions within the operating parameters of a given process set can change and increase the ability for fine-tuning control of metal removal and surface finish.
예를 들어, 도 8a 및 9a는 85℃, 300g/L 시트르산, 10g/L 암모늄 비플루오라이드에서, 전류 밀도가 10.8A/㎡에서 538A/㎡으로 증가함에 따라 물질 제거 속도가 증가함을 보여준다. 이와 함께, 도 8b 및 9b는 동일한 조건에서, 전류 밀도가 10.8A/㎡에서 538A/㎡으로 증가한 경우에 표면 마감이 감퇴함을 보여준다. 이러한 두 전류 밀도 사이로 DC 전원 장치를 순환시킴으로써, 전체 공정에 대한 전류 밀도중 어느 하나의 단독으로 수행한 경우에 비해 더 우수한 최종적인 결과가 달성될 수 있다. 특히, 특정 양의 물질을 제거하기 위한 공정 시간은 10.8A/㎡에서 단독으로 수행한 경우와 비교하여 감소될 수 있다. 또한, 보다 낮은 전류 밀도의 평활 작용 때문에, 최종 제품의 전체 표면 마감은 538A/㎡에서 단독으로 처리하여 얻어진 것보다 더 우수하다. 따라서, (전류 밀도에서 나타난 바와 같이) 2이상의 전원 설정의 순환은 향상된 표면 및 정밀한 벌크 금속 제거 모두의 호평적인 결과를 가능하게 하며, 그 공정은 표면 증진 또는 벌크 금속 제거의 어느 단독을 위한 개별 공정 보다 더 적은 총 시간을 필요로 한다.
For example, FIGS. 8A and 9A show that at 85 ° C., 300 g / L citric acid, 10 g / L ammonium bifluoride, the material removal rate increases as the current density increases from 10.8 A /
듀티 사이클을 변화시키는 것에 부가적으로, 전력은 전해질 용액 및 가공물에 걸쳐 적용될 수 있으며, 최종적인 표면 마감을 희생하지 않고 처리 속도에 대한 부가적인 유익한 결과 및/또는 증진을 생성하기 위해 이에 한정하는 것은 아니나, 반파장, 정류 전파, 구형파 및 다른 중간 정류를 포함하는 DC 전원으로부터 이용가능한 다양한 파형일 수 있다. 50kHz 내지 1MHz 정도로 빠른 또는 15 내지 90분 사이클 정도로 느린 DC 스위칭 속도가 처리될 표면, 가공물의 질량 및 가공물의 특정 표면 조건에 따라 유익할 수 있다. 또한, DC 스위칭 사이클 자체는 최적으로 그 자신의 사이클을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 매우 거친 초기 표면 마감을 갖는 큰 질량의 가공물은 초기에 느린 스위칭 사이클, 그 다음 물질이 제거되고 표면 마감이 향상됨에 따라 증가된 빈도의 스위칭 사이클에 의해 가장 최대값으로 유익할 수 있다.
In addition to varying the duty cycle, power can be applied across the electrolyte solution and the workpiece, including but not limited to creating additional beneficial results and / or enhancements to processing speed without sacrificing final surface finish. However, there may be various waveforms available from the DC power supply, including half wavelength, rectified propagation, square wave and other intermediate rectification. DC switching speeds as fast as 50 kHz to 1 MHz or as slow as 15 to 90 minutes cycles may be beneficial depending on the surface to be treated, the mass of the workpiece and the specific surface conditions of the workpiece. In addition, the DC switching cycle itself may optimally require its own cycle. For example, large mass workpieces with very rough initial surface finishes may benefit most by the slow switching cycle initially, followed by increased frequency of switching cycles as material is removed and surface finish is improved. .
본 명세서에 기재된 타입의 전해질 욕을 시험한 결과, 전해연마는 금속 표면 내의 수소 농도를 증가시키지 않고 특정 구현에서 일어나며, 일부 경우에 수소 농도가 감소하는 것으로 나타났다. 물질 표면에서의 산소 배리어는 수소가 금속 매트릭스로 이동하지 못하게 하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 데이터는 이러한 산소 배리어가 또한 금속 표면으로부터 수소를 제거함으로써 존재할 수 있음을 제시한다. 보다 높은 플루오라이드 이온 농도는 제거 속도를 더 빠르게 하지만, 금속 매트릭스에 대한 수소 흡착에 대해 알려지지 않은 영향을 갖는다. 보다 높은 시트르산 농도는 제거 속도를 느리게 하고, 전해연마 동안에 보다 높은 전력 밀도를 요구하는 경향이 있을 뿐만 아니라 표면에 '평활(smoothing)' 또는 '광택(luster)'을 더하는 작용을 한다.
Testing of electrolyte baths of the type described herein has shown that electropolishing occurs in certain embodiments without increasing the hydrogen concentration in the metal surface, and in some cases the hydrogen concentration decreases. Oxygen barriers at the material surface can play an important role in preventing hydrogen from moving into the metal matrix. The data suggest that such an oxygen barrier may also be present by removing hydrogen from the metal surface. Higher fluoride ion concentrations result in faster removal rates but have an unknown effect on hydrogen adsorption to the metal matrix. Higher citric acid concentrations slow the removal rate and tend to require higher power densities during electropolishing, as well as adding 'smoothing' or 'luster' to the surface.
금속 제품을 마감하고 그리고/또는 산세척하는 종래 기술의 용액과 비교하여, ABF와 시트르산의 수성 전해질 용액을 이용하여 여러 이점이 얻어진다. 개시된 전해질 용액은 달성하고자 하는 마감 게이지를 정밀하게 조절가능하게 한다. 통상적인 생산 합금 평판 제품(시트 및 플레이트)의 마감은 마감 게이지에 미세 그라인딩 미디어(fine grinding media)를 이용하고, 전형적으로 그 다음, 플루오르화 수소산(HF) 및 질산(HNO3)을 포함하는 산욕(acid bath)에서 "린스 산세척(rinse pickling)"하여 잔류 그라인딩 물질, 그라운드-인 스메어드 금속(ground-in smeared metal) 및 표면이상을 제거하는 다단계 그라인딩을 포함한다. HF-HNO3 산 세척은 발열성이며, 이에 따라 조절하기 어렵고, 종종 금속이 치수 아래에 있게 되어, 금속의 보다 높은 스크랩 속도 또는 보다 낮은 값의 리퍼포징을 일으킨다. 본 발명의 전해질 용액을 이용함으로써, 린스 산세척에 필요로 할 수 있는 전형적인 2차 및 3차 그라인드가 생략될 수 있다. 기존의 그라인딩 및 산세척으로는 달성될 수 없는 정밀 설정된 마감 게이지가 달성될 수 있다. 또한, 본 발명의 전해질 용액은 처리될 부분에 응력을 도입하지 않는다. 이와 대조적으로, 어떠한 기계적 그라인딩 공정은 현저한 표면 응력을 부여하며, 이는 물질의 일부 퍼센트가 전형적인 또는 고객 약정 평면 사양에 부합하지 못하게 한다.
Compared to the prior art solutions for finishing and / or pickling metal products, several advantages are obtained using an aqueous electrolyte solution of ABF and citric acid. The disclosed electrolyte solution allows precise control of the finish gauge to be achieved. Finishing of conventional production alloy flat products (sheets and plates) utilizes fine grinding media in the finish gauge, typically followed by an acid bath comprising hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO 3 ). and "rinse pickling" in an acid bath to remove residual grinding material, ground-in smeared metal and multi-step grinding. HF-HNO 3 acid washes are exothermic and thus difficult to control, often causing the metal to be below the dimension, resulting in a higher scrap rate or lower value of refurbishing of the metal. By using the electrolyte solution of the present invention, typical secondary and tertiary grinds that may be required for rinse pickling can be omitted. A precisely set finish gauge can be achieved which cannot be achieved with conventional grinding and pickling. In addition, the electrolyte solution of the present invention does not introduce stress into the portion to be treated. In contrast, any mechanical grinding process imparts significant surface stress, which causes some percentage of the material to fail to meet typical or customer contract planar specifications.
HF-HNO3 산 세척을 이용한 전형적인 공정은 수소를 표적 물질 내로 충전시키고, 이는 물질의 취화를 억제하기 위해 비용이 드는 진공 탈가스에 의해 종종 제거되어야 한다. Ti-6Al-4V의 전형적인 밀 생산 실제 크기 시트 상에 그리고 CP 티타늄, 6Al-4V 티타늄 및 니켈계 합금 718의 시편 상에 시트르산 및 ABF를 함유하는 수성 전해질 욕을 이용하여 수행된 시험은, 통상적인 강산 세척 용액에 노출된 시료와 비교하여 감소된 수소 침투 결과를 나타내었다. 특히, 전형적으로 강산 세척에 의해 달성되는 것과 동일한 알파-케이스 프리, 클린 표면 마감 결과를 달성하기 위해 Ti-6Al-4V 및 CP 티타늄 처리가, 암모늄 비플루오라이드 및 시트르산을 포함하는 수성 전해질 용액 조성물, 다양한 범위의 온도 및 전류 밀도 조건을 이용한 경우에 수소가 가공물의 물질 내로 충전되지 않았으며, 다수의 이러한 작동 조건에서, 수소는 실제로 상기 물질에서 빠져나온 것으로 확인되었다. 모든 금속 및 합금에 대해서, 시험은 바람직한 작동 범위를 개량하는 것으로 진행하였으며, 결과는 지금까지 최적이 아닌 조건하에서도, 강산 세척욕을 이용한 동일한 작동 조건하에서 충전된 것에 비해 보다 적은 수소가 물질 내로 충전되는 것으로 일관적으로 나타났다. 일반적으로, 보다 낮은 농도의 암모늄 비플루오라이드는 전해질 용액에 노출된 물질로부터 보다 많은 수소 제거를 형성하거나 상기 물질 내로 보다 적은 수소 침투가 일어나도록 한다.
Typical processes using HF-HNO 3 acid washes charge hydrogen into the target material, which must often be removed by expensive vacuum degassing to inhibit embrittlement of the material. Tests performed using an aqueous electrolyte bath containing citric acid and ABF on typical mill production actual size sheets of Ti-6Al-4V and on specimens of CP titanium, 6Al-4V titanium and nickel-based alloy 718, Reduced hydrogen infiltration results were observed compared to samples exposed to strong acid wash solutions. In particular, an aqueous electrolyte solution composition comprising ammonium bifluoride and citric acid may be prepared by treating Ti-6Al-4V and CP titanium to achieve the same alpha-case free, clean surface finish results as are typically achieved by strong acid washing, Hydrogen was not charged into the material of the workpiece when using a wide range of temperature and current density conditions, and in many of these operating conditions, hydrogen was found to actually escape from the material. For all metals and alloys, the test proceeded to improve the desired operating range, and the results so far were filled with less hydrogen into the material than under the same operating conditions with a strong acid wash bath, even under conditions that were not optimal. Consistently. In general, lower concentrations of ammonium bifluoride form more hydrogen removal from the material exposed to the electrolyte solution or allow less hydrogen penetration into the material.
고 조절된 금속 제거, 표면 마감 및 Highly regulated metal removal, surface finish and 마이크로폴리싱Micropolishing
부품의 마이크로폴리싱 또는 마이크로스무딩, 특히 이미 상대적으로 평활한 표면의 마이크로스무딩이 수동 또는 기계 폴리싱과 비교하여 더 우수한 정밀성으로 본 발명의 용액 및 방법을 이용하여 달성될 수 있다. 현재의 기계적 방법에 내재하는 문제인, 표적 가공물 또는 물질에서 유해한 잔류 응력을 발생시키지 않고, 그리고 가공물에서 금속의 스메어링없이, 마이크로폴리싱이 일어난다. 또한, 인간 변동성을 제거함으로써, 결과적으로 형성되는 연마의 수준은 특이적이고 재현가능하다. 또한, 본 발명의 전해질 용액을 이용하여 기존 방법에 비해 비용 절감이 이루어질 수 있다.
Micropolishing or microsmoothing of parts, in particular microsmoothing of already relatively smooth surfaces, can be achieved using the solutions and methods of the invention with better precision compared to manual or mechanical polishing. Micropolishing occurs without generating harmful residual stress in the target workpiece or material, which is a problem inherent in current mechanical methods, and without smearing of metal in the workpiece. In addition, by eliminating human variability, the resulting level of polishing is specific and reproducible. In addition, cost reduction can be achieved using the electrolyte solution of the present invention compared to the existing method.
시험시, 마이크로폴리싱에 대한 우수한 결과가 고농도의 시트르산, 저 내지 중 농도의 ABF, 고온 및 고 DC 전류 밀도에서 획득되었으며, 이는 연속적으로 또는 주기적으로 인가될 수 있었다. 그러나, DC 전류 밀도는 처리될 합금에 기초하여 조절되어야 한다. 알루미늄-함유 티타늄 합금(일반적인 Ti-6Al-4V 합금을 포함하는, 전형적으로 알파-베타 야금의 합금)은 40볼트를 초과하는 인가 DC 전압에서 광택을 잃는 경향이 있다. 그러나, 이러한 금속에 대해, 약 40볼트에서 전압을 캐핑하고, 보다 높은 전류(즉, 보다 높은 전류 밀도를 달성하기 위해)를 인가하는 것은 그 물질로 하여금 다시 광택이 생기도록 할 수 있다. 이론으로 규정하려는 것은 아니나, 이는 알파 안정화 요소의 결과일 수 있으며, (Ti-6Al-4V를 포함하는) 대부분의 알파-베타 합금의 경우에 이는 연마되기 보다는 Al2O3로의 알루미늄 양극산화이다. 또한, 그러나, 티타늄-몰리브데늄(모두 베타상 야금) 및 상업적으로 순수한(CP) 티타늄(모두 알파상)은 유사한 상한 전압으로 명확히 한정하지 않고 DC 전류 밀도 증가로 더 밝아진다. 특히, 다른 금속에 있어서, 예를 들어, 니켈계 합금 718에 대해 적어도 150볼트까지의 보다 높은 전압이 사용되어 본 발명의 전해질 용액을 이용하여 전해연마, 마이크로폴리싱 및 표면 처리시 유익한 결과를 생성하는 것으로 발견되었다.
In testing, good results for micropolishing have been obtained at high concentrations of citric acid, low to medium concentrations of ABF, high temperature and high DC current densities, which can be applied continuously or periodically. However, the DC current density must be adjusted based on the alloy to be treated. Aluminum-containing titanium alloys (typically alpha-beta metallurgical alloys, including common Ti-6Al-4V alloys) tend to lose gloss at applied DC voltages in excess of 40 volts. However, for such metals, capping the voltage at about 40 volts and applying a higher current (ie, to achieve higher current density) can cause the material to be polished again. While not wishing to be bound by theory, this may be the result of an alpha stabilizing element, and for most alpha-beta alloys (including Ti-6Al-4V), this is aluminum anodization with Al 2 O 3 rather than polished. In addition, however, titanium-molybdenum (both beta phase metallurgy) and commercially pure (CP) titanium (both alpha phase) are not brightly limited to similar upper limit voltages but become brighter with increasing DC current density. In particular, for other metals, higher voltages, for example up to at least 150 volts, for nickel based alloy 718 may be used to produce beneficial results in electropolishing, micropolishing and surface treatment using the electrolyte solutions of the present invention. Was found.
본 명세서에 개시된 용액 및 방법은 기계 가공된 금속 부품 상에서, 특히, 기계 가공된 부분이 티타늄 및 니켈계 합금과 같은 금속을 기계 가공하는데 어렵게 제조되는 경우에, 버(burrs)를 우선적으로 가공함으로써 기계 가공된 부분을 데버링하는데 사용될 수 있다. 당해 기술분야의 현 상태에 있어서, 기계 가공된 부품의 데버링은 전형적으로 수동 작업으로 수행되므로, 인적 과오 및 인적 불일치와 관련된 다수의 문제들로부터 시달리고 있다. 본 발명의 용액을 이용한 시험은, 전기화학 전지에서 시트르산의 저항성에 기인하여 데버링이 시트르산 농도가 낮을 때 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 그리고 ABF에서 플루오라이드 이온이 높을 때 가장 우수하였다. 또한, 유사한 용액이 표면 불순물을 제거하는데 사용될 수 있으며, 또는 HF-HNO3 욕으로 강산 세척을 이용하여 다르게 수행될 수 있는 것과 같이 기계 가공 후 가공물을 세척하는데 사용될 수 있다.
The solutions and methods disclosed herein provide a machine by preferentially processing burrs on machined metal parts, in particular when the machined parts are made difficult to machine metals such as titanium and nickel base alloys. It can be used to deburr machined parts. In the state of the art, the deburring of machined parts is typically performed by manual work and thus suffers from a number of problems associated with human error and human mismatch. Testing with the solution of the present invention showed that deburring was most effective at low citric acid concentrations due to the resistance of citric acid in electrochemical cells, and best at high fluoride ions in ABF. In addition, similar solutions can be used to remove surface impurities, or can be used to clean workpieces after machining, such as can be done differently using strong acid washing with an HF-HNO 3 bath.
비철 및 특히 반응성 금속은 상기한 바와 같이 광범위한 범위의 희석된 시트르산 혼합물에서 화학적 에칭의 유효 속도를 입증한다. 이는 특정 비철 금속 가공물에 대한 마감 공정의 주문 제작을 가능하게 하며, 이는 선택적으로 피크 영역을 감소시키기 위해 전해 연마를 시작하기 전에 표면 금속의 일부를 제거하고 반응하도록 전류를 인가하기 전에 욕에서 선택된 체류 시간을 포함할 수 있다.
Non-ferrous and especially reactive metals demonstrate the effective rate of chemical etching in a wide range of diluted citric acid mixtures as described above. This allows customization of the finishing process for certain nonferrous metal workpieces, which selectively selects the residence in the bath before applying a current to remove and react to a portion of the surface metal before starting electropolishing to reduce the peak area. May include time.
시트르산계 전해질은 전해 연마 전해질에 일반적으로 사용되는 강산과 비교하여 시트르산의 상당히 낮은 해리 상수에 일부 기인하여 통상적인 전해 연마 혼합물 보다 상당히 낮은 점도를 갖는다. 물질 수송시 보다 낮은 점도의 산 및 보다 낮은 전기 저항성으로 통상적인 전해 연마에 비해 보다 낮은 전압이 사용될 수 있다. 최종적으로 획득된 전해 연마 마감은 실질적으로 사용된 전해질의 점도 및 저항성에 의해 영향을 받는다. 가장 우수한(고 마이크로폴리싱된) 표면 마감은 고 전해 연마 전압(이에 따라 중 내지 고 전류 밀도)과 함께 고 저항성 전해질 용액을 이용하여 달성될 수 있다. 또한, 다소 보다 높은 전도성인(덜 높게 저항적인) 전해질 용액이 사용될 경우에, 우수한 마이크로폴리싱이 여전히 고 전압 및 고 전류 밀도에서 달성될 수 있다.
Citric acid-based electrolytes have significantly lower viscosity than conventional electropolishing mixtures due in part to the significantly lower dissociation constants of citric acid compared to the strong acids commonly used in electrolytic polishing electrolytes. Lower voltages can be used compared to conventional electropolishing with lower viscosity acids and lower electrical resistance in material transport. The final electropolishing finish obtained is substantially influenced by the viscosity and resistance of the electrolyte used. The best (high micropolished) surface finish can be achieved using a high resistance electrolyte solution with a high electrolytic polishing voltage (and therefore medium to high current density). In addition, when a slightly higher conductive (less highly resistant) electrolyte solution is used, good micropolishing can still be achieved at high voltages and high current densities.
이에 상응하는 이득이 전기화학 기계 가공에 적용되는 것으로 후속된다. 구체적으로, 본 명세서에 기재된 조성물을 갖는 전해질 욕은 실질적인 환경적 이득 및 비용적 이득으로 통상적인 전기화학 기계 가공 및/또는 산세척 용액 대신에 효과적으로 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 전해질 용액은 본질적으로 강산을 함유하고 있지 않기 때문에, 위험한 폐기물 처리 및 취급의 문제가 최소화된다. 또한, 요구되는 전류 밀도는 통상적인 전기화학 기계 가공에 요구되는 것보다 상당히 적다.
The corresponding gain is subsequently followed by application to electrochemical machining. Specifically, electrolyte baths having the compositions described herein can be effectively used in place of conventional electrochemical machining and / or pickling solutions with substantial environmental and cost benefits. Since the electrolyte solutions disclosed herein are essentially free of strong acids, the problem of hazardous waste handling and handling is minimized. In addition, the required current density is significantly less than that required for conventional electrochemical machining.
일반적으로, 암모늄 비플루오라이드의 농도 증가는 전해질 용액의 전기 저항성을 감소시키며(즉, 암모늄 비플루오라이드는 전해질 용액의 전기 전도성을 증가시킴), 한편으로, 시트르산의 존재 또는 암모늄 비플루오라이드의 농도에 대한 시트르산의 농도 증가는 전기 저항성에 대한 암모늄 비플루오라이드의 효과를 완화한다. 즉, 마이크로폴리싱을 촉진하도록 전해질 용액의 전기 저항성을 고 수준으로 유지하기 위해서는, 암모늄 비플루오라이드 농도를 낮게 유지하거나 보다 높은 농도의 시트르산과 함께 보다 높은 농도의 암모늄 비플루오라이드를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 암모늄 비플루오라이드의 농도 및 암모늄 비플루오라이드 및 시트르산의 상대적인 농도를 변화시킴으로써, 전해질 용액의 전기 저항성은 유익하게 조절되어 가공물 표면의 마이크로폴리싱의 원하는 수준을 달성할 수 있다.
In general, increasing the concentration of ammonium bifluoride reduces the electrical resistance of the electrolyte solution (ie, ammonium bifluoride increases the electrical conductivity of the electrolyte solution), while on the other hand, the presence of citric acid or the concentration of ammonium bifluoride Increasing the concentration of citric acid to the alleviates the effect of ammonium bifluoride on the electrical resistance. That is, in order to maintain a high level of electrical resistance of the electrolyte solution to promote micropolishing, it is preferable to keep the ammonium bifluoride concentration low or to use a higher concentration of ammonium bifluoride with higher concentrations of citric acid. . Thus, by varying the concentration of ammonium bifluoride and the relative concentrations of ammonium bifluoride and citric acid, the electrical resistance of the electrolyte solution can be advantageously adjusted to achieve the desired level of micropolishing of the workpiece surface.
본 명세서에 개시된 방법에 있어서, 캐소드에 대한 가공물(애노드)의 근접성은 통상적인 전해 연마 또는 전기화학적 기계 가공과는 달리 정밀할 필요는 없다. 성공적인 공정은 가공물로부터 약 0.1-15cm의 범위 내에서 캐소드에서 일어난다. 캐소드와 애노드 가공물 사이의 최대 거리에 대한 실제 한계는 욕 크기, 가공물 크기 및 전해질 용액의 전기 저항성을 포함하여 대부분 상업적으로 유래한다. 전기화학 기계 가공에 의해 요구되는 것보다 총 전류 밀도가 보다 낮고, 종종 상당히 낮기 때문에, 보다 큰 가공물 대 캐소드 거리를 사용하는 것이 가능하고, 이에 따라 전원 용량을 간단히 증가시키는 것이 가능하다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 보다 낮은 점도의 전해질 용액은 고 조절된 벌크 금속 제거, 표면 마감 및 마이크로폴리싱을 가능하게 하기 때문에, 동일한 용액은 또한 전기화학적 기계 가공시 효과적인 것으로 기대된다.
In the methods disclosed herein, the proximity of the workpiece (anode) to the cathode need not be precise, unlike conventional electropolishing or electrochemical machining. Successful processing takes place at the cathode in the range of about 0.1-15 cm from the workpiece. The practical limits on the maximum distance between the cathode and the anode workpiece are mostly commercially derived, including bath size, workpiece size and electrical resistance of the electrolyte solution. Since the total current density is lower and often considerably lower than that required by electrochemical machining, it is possible to use larger workpiece-to-cathode distances, thus simply increasing the power supply capacity. Moreover, because the lower viscosity electrolyte solutions disclosed herein allow for highly controlled bulk metal removal, surface finish and micropolishing, the same solution is also expected to be effective in electrochemical machining.
금속 가공물의 전해 연마는 가공물 및 적어도 하나의 캐소드를 전해질 용액의 욕에 노출시키고, 애노드에 가공물을 연결함으로써 수행된다. 전해질 용액은 약 0.1중량% 내지 약 59중량%의 범위로 카르복시산의 양을 포함한다. 전해질 용액은 또한 알칼리 금속 플루오라이드, 알칼리토 금속 플루오라이드, 실리케이트 에칭 화합물 및/또는 이의 혼합물로부터 선택된 플루오라이드 염을 약 0.1중량% 내지 약 25중량%로 포함할 수 있다. 전류는 가공물에 연결된 적어도 하나의 애노드와 가공물의 표면으로부터 금속을 제거하기 위해 욕에 침지된 캐소드 사이의 전원으로부터 인가된다. 전류는 약 0.6밀리볼트 직류(mVDC) 내지 약 100볼트 직류(VDC) 범위의 전압으로 인가된다. 시트르산이 바람직한 카르복시산이나, 이에 한정하는 것은 아니지만 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, 카프론산, 에난트산, 카프릴산, 펠라곤산, 카프르산, 라우르산, 팔미트산 및 스테아르산을 포함하는 다른 카르복시산이 사용될 수 있다. ABF가 바람직한 플루오라이드 염이다.
Electropolishing of the metal workpiece is performed by exposing the workpiece and the at least one cathode to a bath of electrolyte solution and connecting the workpiece to the anode. The electrolyte solution comprises an amount of carboxylic acid in the range of about 0.1% to about 59% by weight. The electrolyte solution may also comprise from about 0.1% to about 25% by weight of a fluoride salt selected from alkali metal fluorides, alkaline earth metal fluorides, silicate etching compounds, and / or mixtures thereof. Current is applied from a power source between at least one anode connected to the workpiece and a cathode immersed in the bath to remove metal from the surface of the workpiece. The current is applied at a voltage ranging from about 0.6 millivolts direct current (mVDC) to about 100 volt direct current (VDC). Citric acid is a preferred carboxylic acid, but is not limited to formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, enanthic acid, caprylic acid, pelagonic acid, capric acid, lauric acid, palmitic acid and stearic acid. Other carboxylic acids including can be used. ABF is the preferred fluoride salt.
다른 견지의 전해 연마 방법으로, 전류는 약 0.6VDC 내지 약 150VDC의 전압으로 인가된다. 전류는 약 255,000A/㎡(암페어 퍼 제곱미터)(대략 24,000암페어 퍼 제곱피트)이하의 전류 밀도로 인가될 수 있으며, 여기서 분모는 가공물의 총 유효 표면적을 나타낸다. 니켈계 합금과 같은 일부 비철 금속에 대하여, 약 5,000A/㎡(대략 450A/ft2)까지 그리고 이를 포함하는 전류 밀도가 사용될 수 있으며, 그리고 티타늄 및 티타늄 합금에 대하여, 약 1 내지 약 1100A/㎡(대략 0.1 내지 100A/ft2)의 전류 밀도가 바람직하다. 전해질 용액을 이용한 전해 연마 공정은 예를 들어, 약 2℃ 내지 약 98℃의 온도에서, 바람직하게 약 21℃ 내지 약 85℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
In another aspect of the electropolishing method, the current is applied at a voltage of about 0.6 VDC to about 150 VDC. The current can be applied at a current density of less than about 255,000 A / m 2 (amperes per square meter) (approximately 24,000 amps per square foot), where the denominator represents the total effective surface area of the workpiece. For some nonferrous metals, such as nickel-based alloys, current densities up to and including about 5,000 A / m 2 (about 450 A / ft 2 ) can be used, and for titanium and titanium alloys, about 1 to about 1100 A /
실제로, 물질은 분당 약 0.0001인치(0.00254mm) 내지 약 0.01인치(0.254mm)의 속도로 금속 기질로부터 제거될 수 있다. 하기 실시예는 농도 및 작동 조건 변화시 전해질의 효과를 보여준다.
In practice, the material can be removed from the metal substrate at a rate of about 0.0001 inches (0.00254 mm) to about 0.01 inches (0.254 mm) per minute. The following examples show the effect of the electrolyte on changing concentrations and operating conditions.
실시예Example 1: 상업적으로 순수한 티타늄의 에칭 1: etching of commercially pure titanium
대략, 중량%로, 물 56%, 시트르산 43%(716g/L) 및 암모늄 비플루오라이드 1%(15.1g/L)로 본질적으로 구성되고 185℉(85℃)에서 수행되는 전해질에서, 상업적으로 순수한 티타늄 플레이트 샘플을 물질의 표면 마감을 향상시키기 위해(즉, 밀-스탠다드 마감을 더욱 평활하게 하기 위해) 처리하였다. 상기 물질은 약 160마이크로인치의 표면 마감에서 시작하였으며, 그리고 처리 후에, 표면 마감은 50마이크로인치의 최종 판독으로 90마이크로인치 감소하였으며, 또는 약 69%의 향상을 나타내었다. 30분간 수행한 처리는 0.0178인치의 물질 두께 감소를 이끌었다.
In an electrolyte that consists essentially of 56% water, 43% citric acid (716 g / L) and 1% (15.1 g / L) ammonium bifluoride, in weight percent, and is carried out at 185 ° F. (85 ° C.), commercially Pure titanium plate samples were treated to improve the surface finish of the material (ie, to make the mill-standard finish more smooth). The material started at a surface finish of about 160 microinches, and after treatment, the surface finish was reduced by 90 microinches with a final reading of 50 microinches, or showed an improvement of about 69%. The treatment carried out for 30 minutes led to a material thickness reduction of 0.0178 inches.
다수의 최종 사용 적용에 티타늄 플레이트 제품의 중요한 특징인 냉간 성형성은 제품의 표면 마감에 상당히 의존한다. 본 명세서에 개시된 전기화학 공정의 구현을 이용하여, 물질 표면 마감 향상은 통상적인 그라인딩 및 산세척 방법에 비해 더 저렴한 비용으로 달성될 수 있다. 개시된 용액 및 방법들의 구현을 이용하여 획득되는 마감은 통상적인 방법 보다 더 높은 정도로 플레이트 제품의 냉간 성형성을 향상시키는 것으로 입증되었다.
Cold formability, an important feature of titanium plate products in many end-use applications, is highly dependent on the surface finish of the product. Using the implementation of the electrochemical processes disclosed herein, material surface finish enhancement can be achieved at lower cost compared to conventional grinding and pickling methods. Finishes obtained using implementations of the disclosed solutions and methods have been demonstrated to improve the cold formability of plate products to a higher degree than conventional methods.
실시예Example
2: 6A1-4V 시편의 에칭 2: Etching 6A1-4V Specimen
하기 실시예는 52mm x 76mm 치수의 6Al-4V 티타늄 합금 시트 스톡 시편 상에서 처리하였다. 전해질은 다양한 농도 및 온도의 물(H2O), 시트르산(CA) 및 암모늄 비플루오라이드(ABF)로 구성되었다. 결과 관찰 및 판독을 하기 표 1에 나타내었다.
The following examples were processed on 6Al-4V titanium alloy sheet stock specimens measuring 52mm x 76mm. The electrolyte consisted of water (H 2 O), citric acid (CA) and ammonium bifluoride (ABF) at various concentrations and temperatures. Results observations and readings are shown in Table 1 below.
표 1Table 1
실시예Example 3: 6 3: 6 AlAl -4V 시편의 전해 연마Electropolishing of -4V Specimen
하기 실시예는 52mm x 76mm 치수의 6Al-4V 티타늄 합금 시트 스톡 시편 상에서 처리하였다. 전해질은 다양한 농도 및 온도의 물(H2O), 시트르산(CA) 및 암모늄 비플루오라이드(ABF)로 구성되었다. 결과 관찰 및 판독을 하기 표 2에 나타내었다.The following examples were processed on 6Al-4V titanium alloy sheet stock specimens measuring 52mm x 76mm. The electrolyte consisted of water (H 2 O), citric acid (CA) and ammonium bifluoride (ABF) at various concentrations and temperatures. Results observations and readings are shown in Table 2 below.
표 2Table 2
더욱 광범위한 시험을 약 0g/L 내지 약 780g/L(약 0% 내지 약 47중량%)의 범위로 시트르산 및 약 0g/L 내지 약 120g/L(약 0% 내지 약 8중량%)의 범위로 암모늄 비플루오라이드를 함유하며, 실질적으로 강산을 함유하지 않는(즉, 약 1g/L미만 또는 0.1중량%미만으로 함유하는) 수성 전해질 용액을 이용하여, 약 21℃ 내지 약 85℃의 범위의 욕 온도에서, 그리고 가공물 표면적의 약 0A/㎡ 내지 약 1076A/㎡의 범위의 인가 전류 밀도로 수행하였다. (물에 함유된 780g/L의 시트르산은 21℃에서 포화 농도임) 적어도 225,000A/㎡ 정도로 높은 전류 밀도는 150볼트이상의 인가 전압에 사용될 수 있다. 시험된 금속은 상업적으로 순수한 티타늄뿐만 아니라 6Al-4V 티타늄 및 니켈계 합금 718에서의 일부 스폿 시험을 포함하였다. 이러한 결과에 기초하여, 유사한 전해 연마, 마이크로폴리싱 및 표면 처리 결과가 비철 금속 및 합금류에서 얻어질 수 있는 것으로 기대된다. 그 결과를 하기 표 및 설명으로 도면을 참조하여 요약하였다. 달리 특정하지 않는 한, 시험은 약 21℃, 약 54℃, 약 71℃ 및 약 85℃의 온도에서, 그리고 약 0A/㎡, 약 10.8A/㎡, 약 52.8A/㎡, 약 215A/㎡, 약 538A/㎡ 및 약 1076A/㎡의 전류 밀도에서 수행하였다. 미량의 강산이 그 결과에 현저하게 영향을 미치지 않는 것으로 보임에도 불구하고, 어떠한 시험 용액에 어떠한 양의 강산도 의도적으로 첨가하지 않았다.
More extensive tests range from about 0 g / L to about 780 g / L (about 0% to about 47% by weight) citric acid and about 0 g / L to about 120 g / L (about 0% to about 8% by weight) Baths in the range of about 21 ° C. to about 85 ° C., using an aqueous electrolyte solution that contains ammonium bifluoride and is substantially free of strong acids (ie, less than about 1 g / L or less than 0.1 wt%). Temperature and applied current density in the range of about 0 A /
도 1a-1b는 20g/L의 중저 농도의 암모늄 비플루오라이드 및 약 0g/L 내지 약 780g/L 농도의 시트르산을 포함하는 수성 전해질 용액을 이용한 경우에, 4가지 다른 온도에서, 그리고 1076A/㎡의 전류 밀도에서의, 각각 물질 제거 속도 및 표면 마감의 변화를 나타낸다. 도 1a는 물질 제거 속도가 온도, 특히 보다 낮은 농도의 시트르산에서 직접적으로 변화함을 보여준다. 욕 온도가 증가함에 따라, 제거 속도 역시 증가한다. 21℃, 54℃ 및 71℃의 저온에서, 180g/L의 시트르산은 암모늄 비플루오라이드의 물질 제거 효과를 완화하기 시작하는데 충분하며, 한편 85℃의 고온에서 상대적으로 빠른 물질 제거는 최대 약 300g/L의 시트르산까지 계속된다. 이와 대조적으로, 도 1b는 보다 낮은 시트르산 농도에서, 특히 120g/L 내지 180g/L이하의 시트르산 농도에서, 표면 마감은 가장 낮은 온도를 제외하고는 모든 온도에서 감퇴한다. 즉, 보다 낮은 시트르산 농도에서 현저한 물질 제거에 작용하는 플루오라이드 이온은 표면 손상을 생성하지만, 불충분한 농도의 시트르산의 존재는 플루오라이드 이온 공격에 대한 유익한 배리어로서 작용하는 것으로 보인다. 그러나, 시트르산 농도가 180g/L이상으로 증가함에 따라, 표면 마감은 실제로 향상되며, 특히 600g/L이상의 시트르산 수준에서 향상되며, 여기서 물질 제거의 속도는 현저히 감소된다. 더욱이, 물질 제거가 여전히 일어나는 약 120-600g/L의 시트르산 수준에서도 표면 마감의 향상이 동시에 달성될 수 있다.
1A-1B show an aqueous electrolyte solution comprising medium and low concentrations of ammonium bifluoride at 20 g / L and citric acid at a concentration of about 0 g / L to about 780 g / L, at four different temperatures, and at 1076 A /
시험 결과, 원하는 물질 제거 및 표면 마감 향상을 달성하기 위해, 암모늄 비플루오라이드와 같은 플루오라이드 이온의 공급원이 필요로 하는 것으로 나타났다. 물에 본질적으로 시트르산 단독으로 구성된 전해질 용액에서, 실질적으로 암모늄 비플루오라이드의 부재하에서, 욕 또는 전류 밀도의 온도에 상관없이 실제로 물질 제거가 확보되지 않으며, 또한 표면 마감의 변화가 최소이었다. 티타늄 또는 다른 반응성 금속이 시트르산만 포함하는 수성 전해질에서 처리되는 경우에, 물질의 표면은 본질적으로 매우 얇은(즉, 약 200nm 내지 약 600nm 두께) 산화층으로 양극산화되고 신속히 형성된다. 애노드 산화층이 형성된 후에, 인가된 DC 전력은 더이상 물질 표면을 공격할 수 없기 때문에, 이는 물을 가수분해한다. 그 결과적으로 형성된 발생 산소는 다른 단원자 산소를 재빨리 찾아 상기 애노드에 O2 가스로서 주어진다.
Testing has shown that a source of fluoride ions such as ammonium bifluoride is needed to achieve the desired material removal and surface finish enhancement. In an electrolyte solution consisting essentially of citric acid alone in water, substantially no material removal was obtained, regardless of the temperature of the bath or current density, substantially in the absence of ammonium bifluoride, and the change in surface finish was minimal. When titanium or other reactive metals are treated in an aqueous electrolyte containing only citric acid, the surface of the material is anodized and rapidly formed into an oxide layer that is essentially very thin (ie, about 200 nm to about 600 nm thick). After the anode oxide layer is formed, it hydrolyzes water because the applied DC power can no longer attack the material surface. The resulting generated oxygen quickly finds other monoatomic oxygen and is given to the anode as O 2 gas.
도 2a-2b 및 2c-2d는 120g/L 농도의 시트르산 및 약 0g/L 내지 약 120g/L 농도의 암모늄 비플루오라이드를 포함하는 수성 전해질 용액을 이용한 경우에, 각각 물질 제거 속도 및 표면 마감의 변화를 나타낸다. 도 2a 및 2c는 21℃의 대표적인 저온에서의 데이터를 나타내며, 도 2b 및 2c는 71℃의 대표적인 고온에서의 데이터를 나타낸다. 도 2a-2b는 물질 제거가 암모늄 비플루오라이드 농도 및 온도와 크게 관련되나, 전류 밀도에 의해서는 최소로 영향받음을 보여준다. 보다 높은 물질 제거 속도는 암모늄 비플루오라이드 농도 및 온도 중 하나 또는 둘 모두를 증가시킴으로써 일반적으로 획득된다. 도 2c-2d는 물질 제거가 일부 표면 감퇴와 함께 일어나는 것을 보여준다. 그러나, 예기치 않게도, 온도가 증가하고 물질 제거 속도가 증가함에 따라, 표면 마감 감퇴의 양은 감소한다. 도 2c에서와 같이, 21℃의 저온에서, 전류 밀도 증가는 표면 감퇴 효과를 완화시키고, 최고 전류 밀도에서, 일부 표면 마감 향상이 입증된다. 도 2d에서와 같이, 71℃의 보다 높은 온도에서, 표면 마감의 변화는 전류 밀도 변화로 현저히 변하지 않는다.
2A-2B and 2C-2D illustrate the removal of materials and surface finish, respectively, when aqueous electrolyte solutions comprising 120 g / L citric acid and ammonium bifluoride at a concentration of about 0 g / L to about 120 g / L are used. Indicates a change. 2A and 2C show data at a representative low temperature of 21 ° C. and FIGS. 2B and 2C show data at a representative high temperature of 71 ° C. FIG. 2A-2B show that material removal is highly related to ammonium bifluoride concentration and temperature, but is minimally affected by current density. Higher material removal rates are generally obtained by increasing one or both of ammonium bifluoride concentration and temperature. 2C-2D show that material removal occurs with some surface decay. Unexpectedly, however, as the temperature increases and the material removal rate increases, the amount of surface finish decay decreases. As in FIG. 2C, at low temperatures of 21 ° C., the increase in current density mitigates the surface decay effect, and at the highest current density, some surface finish improvement is demonstrated. As in FIG. 2D, at higher temperatures of 71 ° C., the change in surface finish does not change significantly with a change in current density.
도 2e-2f는, 물에 본질적으로 암모늄 비플로오라이드로 구성되며, 시트르산을 의도적으로 첨가하지 않은 수성 전해질 용액을 이용한 경우에, 85℃의 고온에서 수행하였을 때, 전류 밀도에 따른, 각각, 물질 제거 속도 및 표면 마감의 변화를 나타낸다. 높은 속도의 물질 제거는 ABF-단독 전해질로 달성될 수 있으나, 이러한 물질 제거는 표면 마감의 훼손을 일으키며, 이는 종종 전해질 용액에 의해 현저히 감퇴되도록 완화된다. 그럼 에도 불구하고, 특정 수행 조건에서(도면에 나타내지 않음), 표면 마감의 최소 감퇴 또는 보통의 향상이 달성되었다. 예를 들어, ABF-단독 전해질 용액으로부터 표면 마감의 향상은 21℃ 및 215-538A/㎡에서 그리고 54-71℃ 및 1076A/㎡에서 10g/L ABF 용액으로, 21℃ 및 215-1076A/㎡에서 20g/L ABF 용액으로, 그리고 21℃ 및 538-1076A/㎡에서 60g/L ABF 용액으로 달성되었다.
2E-2F show, respectively, when performed at a high temperature of 85 ° C. when using an aqueous electrolyte solution consisting essentially of ammonium bifluoride in water and without intentionally adding citric acid, Changes in material removal rate and surface finish are shown. High rates of material removal can be achieved with ABF-only electrolytes, but such material removal results in damage to the surface finish, which is often mitigated to significantly decay by the electrolyte solution. Nevertheless, at certain operating conditions (not shown), minimal decay or moderate improvement of the surface finish was achieved. For example, the improvement of surface finish from the ABF-only electrolyte solution is at 21 ° C. and 215-538 A /
이론으로 규정하려는 것은 아니나, 표면 마감을 향상시키며 한편으로는 최소한으로 영향을 주는 물질 제거 속도를 위해 증가된 전류 밀도의 능력에 대한 가능성 설명은, 전류의 한 기능이 물질 표면에서 자연적인 산화물층을 성장시키는 것이다. 시트르산과 함께 이러한 과잉 산소는 물질 표면의 공격에 대한 유익한 배리어로서 작용하는 것으로 여겨진다. 따라서, 전류 밀도가 증가함에 따라, 보다 높은 농도의 산소가 애노드에서 생성되고, 이는 그 다음 질량 이동 배리어로서 작용할 수 있다. 변형적으로, 물질의 표면 형태학을 "피크(peaks)"와 "밸리(valleys)"의 연속으로서 극단적으로 단순화하여 보면, 시트르산 및 산소가 밸리에 놓여, 플루오라이드 이온에 대한 표면 형태학의 피크만 노출되는 것으로 상정된다. 시트르산 및 산소 배리어가 강도가 증가함에 따라(즉, 보다 높은 시트르산 농도 및 보다 높은 전류 밀도), 표면의 최고 피크만이 화학적 공격에 이용가능하다. 이러한 이론하에서, 저 전류 밀도 및 저 시트르산 농도는 표면 평활화를 위한 최소한의 가능한 공정을 제공하며, 고 전류 밀도 및 고 시트르산 농도는 표면 평활화를 위한 최대한의 가능한 공정을 제공하는 것으로 예측된다. 이러한 이론이 정확한지 여부에 관계없이, 상기 데이터는 상기 분석과 일치되는 결과를 증명하는 것으로 보인다.
While not wishing to be bound by theory, a description of the possibility of increased current density for improved surface finish and, on the other hand, minimally affecting material removal rates, suggests that a function of the current is to provide a natural oxide layer on the material surface. It is to grow. Such excess oxygen, along with citric acid, is believed to act as a beneficial barrier to attack of the material surface. Thus, as the current density increases, higher concentrations of oxygen are produced at the anode, which can then act as a mass transfer barrier. Alternatively, if the surface morphology of the material is extremely simplified as a series of "peaks" and "valleys," citric acid and oxygen lie in the valleys, exposing only the peaks of the surface morphology to fluoride ions. It is assumed to be. As the citric acid and oxygen barriers increase in strength (ie, higher citric acid concentration and higher current density), only the highest peak on the surface is available for chemical attack. Under this theory, low current density and low citric acid concentration provide the least possible process for surface smoothing, and high current density and high citric acid concentration are expected to provide the maximum possible process for surface smoothing. Regardless of whether the theory is correct or not, the data appear to prove a result consistent with the analysis.
(전류에 의해 생성되는) 산소 및 시트르산은 제거 공정에 대한 마이크로-배리어로서 작용하는 것으로 보이는 것은 ABF 농도 및 온도가 물질 제거 및 마이크로폴리싱 결과를 조절하기 위해 사용하기에 가장 잘 받아들이는 것으로 보이는 변수인 것으로 이해된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 공정에서, 전류 밀도는 대부분 산소를 생성하는데 일차적으로 작용하는 것으로 보이며, 전체 물질 제거를 증가시키는데 중요한 제제가 아니다. 오히려, 물질 제거는 플루오라이드 이온에 의해 거의 배타적으로 유도되는 것으로 보이며, 이의 활성은 온도의 열역학적 충격에 의해 일부 정도로 통제된다. 요컨대, 조절 변수로서 전류 밀도는 예기치 않게도, 플루오라이드 이온의 존재가 전류 밀도의 영향을 압도하는, 상대적으로 작은 중요도를 갖는 것으로 보인다.
Oxygen and citric acid (generated by current) appearing to act as micro-barriers to the removal process, which is the variable that ABF concentration and temperature seem to best accept for use to control material removal and micropolishing results. It is understood that. Thus, in the processes described herein, current density appears to primarily play a role in producing oxygen mostly and is not an important agent for increasing total material removal. Rather, material removal appears to be induced almost exclusively by fluoride ions, the activity of which is controlled to some degree by thermodynamic impact of temperature. In sum, the current density as a control variable unexpectedly appears to have a relatively small importance, where the presence of fluoride ions overwhelms the influence of the current density.
도 3a-3d는, 53.8A/㎡의 대표적인 전류 밀도에서 물질 제거의 속도가 온도와 직접적인 관련성으로 변화할 수 있어, 이에 따라 시트르산, 암모늄 비플루오라이드 및 물의 동일한 혼합물에 대하여 보다 우수한 물질 제거가 보다 높은 온도에서 일어남을 나타낸다. 유사한 경향이 0 내지 1076A/㎡의 모든 전류 밀도에서 관찰되었다.
3A-3D show that at a typical current density of 53.8 A /
도 4a-4d는, 54℃의 대표적인 온도에서, 물질 제거의 속도가 전류 밀도와 상대적으로 일치하여, 어떠한 주어진 욕 온도에서 시트르산과 암모늄 비플루오라이드의 동일한 혼합물에 대하여 물질 제거의 속도가 전류 밀도의 변화에 상대적으로 둔감함을 나타낸다. 유사한 경향은 21-85℃의 모든 온도에서 관찰되었으며, 이러한 경향은 21℃이하(하지만, 그 용액의 어는 점이상) 및 81℃이상(하지만, 그 용액의 비등점이하)에서 유지된다. ABF 농도에 관계없이 거의 모든 온도 및 전류 조건에서 일어남에 따라, 시트르산 농도가 특정 수준이상으로, 전형적으로 600g/L 내지 780g/L로 올라가면, 물질 제거의 속도는 현저히 단축된다. 가공물 성형이 원하여질 경우, 물질 제거의 일부 수준을 달성하는 능력을 유지하기 위해, 시트르산 농도는 일반적으로 600g/L 미만으로 유지되어야 한다.
4A-4D show that, at a representative temperature of 54 ° C., the rate of material removal is relatively consistent with the current density such that the rate of material removal is equal to the current density for the same mixture of citric acid and ammonium bifluoride at any given bath temperature. Relatively insensitive to change. Similar trends were observed at all temperatures of 21-85 ° C., and this trend remained below 21 ° C. (but above the freezing point of the solution) and above 81 ° C. (but below the boiling point of the solution). As it occurs at almost all temperature and current conditions irrespective of the ABF concentration, as the citric acid concentration rises above a certain level, typically from 600 g / L to 780 g / L, the rate of material removal is significantly reduced. If workpiece molding is desired, the citric acid concentration should generally be kept below 600 g / L to maintain the ability to achieve some level of material removal.
도 4e-4g는, 85℃의 대표적인 고온 및 시트르산의 3가지 다른 농도에서 물질 제거 속도에 대한 전류 밀도의 영향을 나타내며, 그리고 도 4h-4j는, 동일한 설정의 조건하에서 표면 마감에 대한 전류 밀도의 영향을 나타낸다. 도 4e는, 도 4f 및 4g와 같이, 다만 더 작은 규모로, 전해질 용액의 물질 제거 능력이 최고 농도의 암모늄 비플루오라이드에서 최대이며, 고온에서 상당히 현저한 것임을 보여준다. 도 4e는 120g/L 시트르산에서의 데이터만 보여주고 있으나, 본질적으로 동일한 물질 제거 속도가 60g/L, 120g/L 및 300g/L의 시트르산 농도에서 나타남을 유의해야 한다. 하지만, 도 4f에 나타낸 바와 같이, 600g/L 시트르산에서, 시트르산의 농도는 대규모 공격으로부터 표면에 대한 보호의 일부 양을 제공하며, 물질 제거 속도는 보다 낮은 시트르산 농도와 비교하여 저하한 것으로 보인다. 780g/L에서, 도 4g에 나타낸 바와 같이, 제거 속도는 더 감소된다. 암모늄 비플루오라이드 및 시트르산의 농도와 관계없이, 물질 제거는 전류 밀도에 의해 거의 영향을 받지 않는 것으로 보인다.
4E-4G show the effect of current density on material removal rate at representative high temperatures of 85 ° C. and three different concentrations of citric acid, and FIGS. 4H-4J show the current density for surface finish under the same set of conditions. Influence. FIG. 4E shows that, on a smaller scale, as shown in FIGS. 4F and 4G, the material removal capability of the electrolyte solution is maximum at the highest concentration of ammonium bifluoride and is significant at high temperatures. 4E only shows data at 120 g / L citric acid, but it should be noted that essentially the same material removal rates are seen at citric acid concentrations of 60 g / L, 120 g / L and 300 g / L. However, as shown in FIG. 4F, at 600 g / L citric acid, the concentration of citric acid provides some amount of protection to the surface from large-scale attack, and the rate of material removal appears to be lower compared to lower citric acid concentrations. At 780g / L, as shown in FIG. 4G, the removal rate is further reduced. Regardless of the concentration of ammonium bifluoride and citric acid, material removal appears to be hardly affected by the current density.
도 4h는 고온 및 보통의 시트르산 농도에서 중간 정도 양의 표면 마감 감퇴가 거의 모든 암모늄 비플루오라이드 농도 및 전류 밀도에서 일어남을 보여준다. 그러나, 도 4e 및 4h를 함께 보면, 하나의 공정 조건이 두드러진다. 120g/L의 시트르산 농도에서, 저 수준의 10g/L 암모늄 비플루오라이드 및 1076A/㎡의 고 전류 밀도에서, 물질 제거는 억제되고, 표면 마감의 현저한 향상이 일어난다. 이는 암모늄 비플루오라이드의 해리에 의해 생성된 플루오라이드 이온에 의해 "피크"가 우선적으로 공격받도록 표면에서 "밸리"를 메우기 위해 상승된 전류 밀도는 물질 표면에서 충분히 과도한 산소를 생성할 수 있는 점에서, 상술한 이온의 추가적인 증거를 제공할 수 있다. 이러한 효과는 시트르산의 가능한 마이크로-배리어 효과와 함께, 도 4i(600g/L 시트르산) 및 도 4j(780g/L 시트르산)에 보다 강하게 나타날 수 있으며, 이는 보다 높은 시트르산 농도 및 보다 높은 전류 밀도 단독에서 표면 마감의 감소된 감퇴를 보여주며, 일부 경우에는 표면 마감의 향상을 보여주며, 그리고 또한 보다 높은 시트르산 농도와 보다 높은 전류 밀도의 조합에서도 그러한 결과를 보여준다. 예를 들어, 600g/L 내지 780g/L 시트르산 중에서 10g/L 및 20g/L 암모늄 비플루오라이드에서 표면 마감의 현저한 향상이 있다.
4H shows that moderate amounts of surface finish decay at high temperatures and moderate citric acid concentrations occur at almost all ammonium bifluoride concentrations and current densities. 4E and 4H, however, one process condition stands out. At a citric acid concentration of 120 g / L, at low levels of 10 g / L ammonium bifluoride and a high current density of 1076 A /
그러나, 표면 마감은 120g/L의 최고 농도의 암모늄 비플루오라이드 및 120g/L 내지 600g/L의 보다 높은 전류 밀도 및 추가로 780g/L 시트르산에서 극적으로 악화된 것으로 알 수 있는 바와 같이, 이러한 효과에는 한계가 있는 것으로 보인다. 유사한 결과가 적어도 600g/L 내지 780g/L의 시트르산 농도 중에서 60g/L 암모늄 비플루오라이드에서 획득되었다.
However, the surface finish is such an effect as it can be seen that the highest concentration of ammonium bifluoride of 120 g / L and higher current densities of 120 g / L to 600 g / L and further worsen at 780 g / L citric acid. There seems to be a limit. Similar results were obtained at 60 g / L ammonium bifluoride in citric acid concentrations of at least 600 g / L to 780 g / L.
표 3a-3c 및 4a-4c에 나타낸 바와 같이, 최소 물질 제거가 요구되고, 중 내지 고 표면 마감 향상이 원하여지는 시트 제품 마감, 및 사실상 물질 제거가 필요없고 매우 높은 표면이 원하여지는 마이크로폴리싱에 대한 공정 조건은 광범위한 범위의 전해질 혼합물, 온도 및 전류 밀도에 걸쳐 달성될 수 있다. 이러한 용액은 광범위한 범위의 온도 및 전류 밀도에 걸쳐 본질적으로 제로 물질 제거 및 중 내지 고 표면 향상을 달성할 수 있음 에도 불구하고, 이러한 조건들은 도 1a-1c를 참조로 개별적으로 논의되었기 때문에, 표 3a-3c 및 4a-4c는 본질적으로 물 및 시트르산으로 구성되고, 실질적으로 암모늄 비플루오라이드를 함유하지 않는 전해질을 포함하지 않는다. 마찬가지로, 이러한 조건들은 도 2a-2d를 참조로 개별적으로 논의되었기 때문에, 표 3a-3c 및 4a-4c는 본질적으로 물 및 암모늄 비플루오라이드로 구성되고, 실질적으로 시트르산을 함유하지 않는 전해질을 포함하지 않는다. 도 3a-3c는 표면 마감 개선의 수준으로 구분하고, 그 다음 증가된 ABF 농도의 순서로 정리한 것이다. 표 4a-4c는 시트르산 농도의 수준으로 구분하고, 그 다음 증가된 ABF 농도의 순서로 정리한 것이다.
As shown in Tables 3a-3c and 4a-4c, sheet product finishes that require minimal material removal and want to improve medium to high surface finish, and micropolishs that virtually eliminate material removal and require very high surfaces Process conditions for can be achieved over a wide range of electrolyte mixtures, temperatures and current densities. Although these solutions can achieve essentially zero material removal and medium to high surface enhancement over a wide range of temperature and current densities, since these conditions are discussed separately with reference to FIGS. 1A-1C, Table 3A -3c and 4a-4c consist essentially of water and citric acid and contain no electrolyte substantially free of ammonium bifluoride. Likewise, since these conditions were discussed separately with reference to FIGS. 2A-2D, Tables 3A-3C and 4A-4C consist essentially of water and ammonium bifluoride and contain substantially no citric acid-containing electrolyte. Do not. 3A-3C are divided by the level of surface finish improvement and then arranged in order of increased ABF concentration. Tables 4a-4c break down the levels of citric acid concentrations and then sort them in order of increased ABF concentrations.
여러 경향이 표 3a-3c의 데이터로부터 드러난다. 우선, 저 또는 거의 0에 가까운 물질 제거 및 향상된 표면 마감은 전 범위의 시트르산 농도(60g/L 내지 780g/L), 알루미늄 비플루오라이드 농도(10g/L 내지 120g/L), 온도(21-85℃) 및 전류 밀도(10.8-1076A/㎡)에 걸쳐 획득되었다. 따라서, 실질적인 강산의 존재하에서 시트르산 및 ABF의 수용액은 60g/L 시트르산 및 10g/L ABF 정도로 낮은 농도에서, 그리고 780g/L 시트르산 및 120g/L ABF 정도로 높은 농도에서, 그리고 이들 사이의 여러 조합에서 최소 물질 손실로 우수한 표면 마감을 생성할 수 있다.
Several trends emerge from the data in Tables 3a-3c. First, low or near zero material removal and improved surface finish include full range of citric acid concentrations (60 g / L to 780 g / L), aluminum non-fluoride concentrations (10 g / L to 120 g / L), temperature (21-85). ° C) and current density (10.8-1076 A / m 2). Thus, aqueous solutions of citric acid and ABF in the presence of substantial strong acid are minimal at concentrations as low as 60 g / L citric acid and 10 g / L ABF and at concentrations as high as 780 g / L citric acid and 120 g / L ABF, and in various combinations between them. Material loss can produce excellent surface finish.
표 3A: 최고 표면 마감 개선Table 3A: Improved Top Surface Finish
일반적으로, 표 3a에 나타낸 바와 같이, 최소 수준의 표면 마감 향상(즉, 표면 거칠기에서 30%이상 감소)은 538-1076A/㎡의 고 전류 밀도, 120-780g/L의 고 시트르산 농도, 그리고 일반적으로 10-20g/L의 저 ABF 농도에서 획득되었다. ABF 농도가 10-20g/L의 범위로 더 낮은 경우에, 71-85℃의 보다 높은 온도가 600-780g/L의 보다 높은 시트르산 농도에서 보다 우수한 표면 마감을 생성하며, 한편 54℃의 보다 중간 정도의 온도는 120-300g/L의 중간의 시트르산 농도에서 우수한 표면 마감을 생성하는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 또한 표면 마감의 현저한 향상은 저 ABF, 중간 시트르산 및 고온 조건(10g/L ABF, 120g/L 시트르산, 85℃) 및 저 ABF, 중 시트르산 및 저온 조건(20g/L ABF, 180g/L 시트르산, 54℃)에서 획득되었다. ABF 농도가 60-120g/L의 범위로 더 높은 경우에, 21-54℃의 보다 낮은 온도가 600-780g/L의 보다 높은 시트르산 농도 및 보다 높은 전류 밀도에서 더 우수한 표면 마감을 생성하는 경향이 있다. 또한, 현저한 표면 마감 개선은 도 4h에 나타낸 바와 같이, 10g/L의 저 ABF 농도 및 120g/L의 고 ABF 농도 모두에 대해 780g/L의 고 시트르산 농도 및 71-85℃의 고온에서 10.8-53.8A/㎡의 보다 낮은 전류 밀도에서 달성되었다.
In general, as shown in Table 3a, the minimum level of surface finish improvement (ie, a reduction of more than 30% in surface roughness) is high current density of 538-1076 A /
표 3B: 최고 표면 마감 개선Table 3B: Top Surface Finish Improvements
일반적으로, 표 3B에 나타낸 바와 같이, 높지만 최고는 아닌 표면 마감 개선 수준(즉, 표면 거칠기의 약 15% 내지 약 30% 감소)이 10-20g/L의 보다 낮은 ABF 농도 및 54-85℃의 중고 온도에서 획득되었고, 538-1076A/㎡의 보다 높은 전류에서 대체로 하지만 독점적이지 않은 표면 마감 개선이 획득되었다. 전형적으로, 이러한 결과는 600-780g/L의 고 시트르산 농도에서 달성되었다. 예를 들어, 10-20g/L 농도의 ABF는 일반적으로 보다 높은 전류 밀도 및 고 시트르산 농도에서 우수한 결과를 생성하나, 우수한 결과는 또한 10.8A/㎡의 저 전류 밀도 및 85℃의 고온에서, 그리고 53.8A/㎡의 저 전류 밀도 및 54℃의 중간 온도에서 60-300g/L의 보다 낮은 시트르산 농도를 이용하여 획득되었다. 표면 마감의 높은 향상은 또한, 모든 경우에 780g/L의 고 시트르산 농도로, 고온 및 저 전류 밀도(71-85℃ 및 10.8-53.8A/㎡) 그리고 저온 및 고 전류 밀도(21℃ 및 1076A/㎡) 모두에서 120g/L의 고수준의 ABF에서 달성되었다. 이와 관련하여, 유사한 표면 마감 결과가, 보다 낮은 온도로 보다 높은 전류 밀도를 이용함으로써 또는 보다 높은 온도로 보다 낮은 전류 밀도를 이용함으로써 고농도의 시트르산을 갖는 용액에 대해 달성될 수 있는 점에서 온도와 전류 밀도 간에 일부 상호보완적인 활성이 있는 것으로 보인다. 또한 도 4h-4j를 참조하면, 고 전류 밀도와 조합된 고온의 조건은 가장 우수한 표면 마감 향상을 생성하는 경향을 보여준다.
In general, as shown in Table 3B, the high but not high level of surface finish improvement (ie, a reduction of about 15% to about 30% of surface roughness) is achieved at lower ABF concentrations of 10-20 g / L and at 54-85 ° C. Acquired at medium temperature, a generally but not exclusive surface finish improvement was obtained at higher currents of 538-1076 A /
표 3C: 중간 표면 마감 개선Table 3C: Improved intermediate surface finish
일반적으로, 표 3C에 나타낸 바와 같이, 중간 수준의 표면 마감 향상(즉, 표면 거칠기의 약 15% 미만의 감소)은 10-20g/L의 보다 낮은 ABF 농도 및 71-85℃의 보다 높은 온도 및 대체로 10.8-1076A/㎡의 전 범위의 전류 밀도에 걸쳐 획득되었다. 전형적으로, 이러한 결과는 600-780g/L의 고 시트르산 농도에서 달성되었다. 이러한 경향에 대한 한 가지 주목할 만한 예외는 중고 표면 마감 향상이 또한 21℃의 저온 및 1076A/㎡의 고 전류 밀도에서 10-120g/L의 모든 ABF 농도 및 60-300g/L의 저중 시트르산 농도에서 획득되었다는 것이다.
In general, as shown in Table 3C, moderate surface finish enhancement (ie, less than about 15% reduction in surface roughness) results in lower ABF concentrations of 10-20 g / L and higher temperatures of 71-85 ° C. and Typically obtained over a full range of current densities of 10.8-1076 A /
표 4A: 최저 시트르산 농도Table 4A: Lowest Citrate Concentration
표 4A에 나타낸 바와 같이, 60-180g/L의 저 시트르산 농도에서 표면 마감의 향상은 고 전류 밀도를 필요로 하는 것으로 일정하게 나타났다. 전형적으로, 가장 우수한 표면 마감 향상은 10-20g/L의 저 ABF 농도 및 54-85℃의 중고온에서 획득되었다. 저중 표면 마감 향상은 10-60g/L의 ABF 농도 및 21℃의 온도에서 달성되었다.As shown in Table 4A, the improvement of surface finish at low citric acid concentrations of 60-180 g / L was consistently shown to require high current density. Typically, the best surface finish improvements were obtained at low ABF concentrations of 10-20 g / L and high temperatures of 54-85 ° C. Low surface finish improvements were achieved at ABF concentrations of 10-60 g / L and temperatures of 21 ° C.
표 4B: 중간 시트르산 농도Table 4B: Medium Citric Acid Concentration
표 4B에 나타낸 바와 같이, 300-600g/L의 중간 시트르산 농도에서, 표면 마감의 현저한 향상은 일반적으로 538-1076A/㎡의 보다 높은 전류 밀도를 요구하며, 주로 10-20g/L ABF의 낮은 ABF 농도에서 일어난다. 10g/L의 최저 ABF 농도에서, 54-85℃의 보다 높은 온도는 최상의 결과를 달성하며, 한편으로 20g/L의 ABF 농도에서 우수한 결과는 21-85℃ 범위에서 달성된다. 60-120g/L의 보다 높은 ABF 농도에서, 표면 마감 향상은 보다 전형적으로 21℃의 보다 낮은 온도에서 일어난다.
As shown in Table 4B, at intermediate citric acid concentrations of 300-600 g / L, a marked improvement in surface finish generally requires higher current densities of 538-1076 A /
표 4C: 최고 시트르산 농도Table 4C: Maximum Citric Acid Concentration
표 4C와 표 4A 및 4B를 비교하면, 사실상 물질 손실이 없거나 최소한의 물질 손실로 표면 향상을 얻기 위한 최고 공정 조건은 780g/L의 높은 시트르산 농도에서 일어난다. 표 4C에 나타낸 바와 같이, 780g/L의 고 시트르산 농도에서 표면 마감의 현저한 향상은 10.8-1076A/㎡의 거의 모든 전류 밀도 및 21-85℃의 저 내지 고온에서, 그리고 10-20g/L ABF의 저 ABF 농도 및 120g/L ABF의 고 ABF 농도 모두에서 획득될 수 있다.
Comparing Tables 4C and 4A and 4B, the highest process conditions to achieve surface enhancement with virtually no material loss or minimal material loss occur at high citric acid concentrations of 780 g / L. As shown in Table 4C, a significant improvement in surface finish at high citric acid concentrations of 780 g / L is achieved with almost all current densities of 10.8-1076 A /
도 5a 및 5b는 21℃의 대표적인 저온 및 538A/㎡의 대표적인 고 전류 밀도에서 물질 제거 속도 및 표면 마감 변화를 보여준다. 도 5b로부터, 표면 마감 감퇴는 60g/L이하의 ABF 농도에 대해 600g/L이하의 모든 시트르산 농도에서 보통이며, 그리고 표면 마감은 실제로 600g/L이상의 고 시트르산 농도, 특히 780g/L에서 10-120g/L의 모든 ABF 농도에 대해 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5a는 이러한 공정 조건에서 물질 제거의 속도는 상대적으로 낮음을 보여준다. 따라서, 이러한 범위의 조성물, 온도 및 전류 밀도에서 수행하는 것이 최소의 표면 감퇴로 보통의 조절된 물질 제거를 달성하는데 바람직할 수 있으며, 또는 아마도 보통의 표면 마감 향상이 일어나지만 대규모 물질 제거에는 특히 효과적이지 않을 수 있다.
5A and 5B show material removal rates and surface finish changes at representative low temperatures of 21 ° C. and representative high current densities of 538 A /
마찬가지로, 도 6a 및 도 6b는 21℃의 대표적인 저온 및 1076A/㎡의 고 전류 밀도에서 물질 제거 속도 및 표면 마감 변화를 보여준다. 도 6b으로부터, 작거나 보통의 표면 마감 향상은 10g/L이상 내지 120g/L 미만의 ABF 농도에 대하여 600g/L이하의 모든 시트르산 농도에서 달성되며, 표면 마감은 600g/L이상의 시트르산 농도에서 가장 현저히 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6a는 이러한 공정 조건에서 물질 제거의 속도는, 어떠한 현저한 표면 감퇴를 일으키지 않고 물질 제거 속도가 더 높은 300g/L 시트르산 및 120g/L ABF 부근의 조성물을 제외하고는, 상대적으로 낮음을 보여준다. 따라서, 이러한 범위의 조성물, 온도 및 전류 밀도에서 수행하는 것이 최소의 표면 감퇴로 보통의 조절된 물질 제거를 달성하는데 바람직할 수 있으며, 또는 아마도 보통의 표면 마감 향상이 일어나지만 대규모 물질 제거에는 특히 효과적이지 않을 수 있다.
Likewise, FIGS. 6A and 6B show material removal rates and surface finish changes at representative low temperatures of 21 ° C. and high current densities of 1076 A /
도 7a 및 7b는 특정 조건하에서 조절된 물질 제거 및 표면 마감 향상이 동시에 달성될 수 있음을 보여준다. 특히, 약 10g/L의 ABF 농도에서, 도 7a는 가공물이 85℃의 고온 및 1076A/㎡의 고 전류 밀도에서 전해질 용액에 노출될 경우에 모든 시트르산 농도에 걸쳐 일정한 보통의 물질 제거 속도를 나타낸다. 도 7b는 60g/L이상의 모든 시트르산 농도에서 표면 마감의 실질적인 향상을 나타낸다. 20g/L 내지 120g/L ABF의 보다 높은 ABF 농도에서도, 물질 제거는 실질적인 표면 마감의 감퇴없이 ABF 농도와 직접적인 상관성으로 획득될 수 있다. 그러나, 600g/L 시트르산이상의 최고 시트르산 농도에서 물질 제거 속도는 현저히 단축된다.
7A and 7B show that under certain conditions controlled material removal and surface finish enhancement can be achieved simultaneously. In particular, at an ABF concentration of about 10 g / L, FIG. 7A shows a constant normal material removal rate across all citric acid concentrations when the workpiece is exposed to electrolyte solution at high temperatures of 85 ° C. and high current densities of 1076 A /
보통 약 50%미만으로 거칠기를 증가시키는 정도로 표면 마감 감퇴는 그리 많지 않으면서도 조절된 물질 제거가 달성될 수 있는 여러 범위의 수행 조건이 확인되었다. 도 8a-8b, 9a-9b 및 10a-10b는 이러한 카테고리 내에 있는 예시적인 수행 조건을 나타낸다.
A range of performance conditions have been identified in which controlled material removal can be achieved while not having much surface finish decay to increase roughness, typically less than about 50%. 8A-8B, 9A-9B and 10A-10B show exemplary performance conditions that fall within this category.
도 8a는 고온(85℃) 및 저 전류 밀도(10.8A/㎡) 조건에서, 상당히 일정한 물질 제거 속도가 약 60g/L 내지 약 300g/L 범위의 시트르산 농도에 대해 모든 ABF 농도에서 달성될 수 있으며, 보다 높은 물질 제거 속도가 ABF 농도와 직접적인 상관성으로 획득됨을 보여준다. 도 8b는 이러한 시트르산 및 ABF 농도 범위에 대해, 표면 마감 감퇴가 특정 시트르산 및 ABF 농도와 거의 관계없이 일정하게 중간 정도임을 보여준다. 600g/L이상의 시트르산 농도는 전해질 용액의 물질 제거 능력을 크게 감소시키거나 심지어는 중단시키며, 또한 60g/L의 ABF 농도를 제외하고는, 표면 마감 감퇴를 완화하고, 표면 마감을 약간 향상시키는 경향이 있을 수 있다. 도 9a 및 9b는 고온(85℃) 및 고 전류 밀도(538A/㎡) 조건에서 매우 유사한 결과를 보여주며, 그리고 도 10a 및 10b는 71℃의 다소 보다 더 낮은 온도 및 215A/㎡의 중간 전류 밀도에서도 유사한 결과가 얻어질 수 있음을 보여준다.
8A shows that at high temperature (85 ° C.) and low current density (10.8 A / m 2) conditions, a fairly constant material removal rate can be achieved at all ABF concentrations for citric acid concentrations ranging from about 60 g / L to about 300 g / L. As a result, higher material removal rates are obtained in direct correlation with ABF concentrations. FIG. 8B shows that for these citric acid and ABF concentration ranges, the surface finish decay is consistently medium regardless of the specific citric acid and ABF concentration. Citric acid concentrations above 600 g / L significantly reduce or even stop the material removal capacity of the electrolyte solution, and also, except for ABF concentrations of 60 g / L, tend to mitigate surface finish deterioration and slightly improve surface finish. There may be. 9A and 9B show very similar results at high temperature (85 ° C.) and high current density (538 A / m 2) conditions, and FIGS. 10A and 10B show somewhat lower temperatures of 71 ° C. and an intermediate current density of 215 A /
본 명세서에 개시된 시험 데이터에 기초하여, 온도 및 전류 밀도를 조절함으로써, 동일한 수성 전해질 용액 욕은, 상대적으로 낮은 전류 밀도에서 중간 정도의 조절된 양의 물질을 먼저 제거하고, 그 다음 온도를 유지하거나 약간 낮게 하면서 전류 밀도를 고 수준으로 증가시킴으로써 표면을 치유하는 것을 포함하는 다단계 공정으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 300g/L 시트르산 및 120g/L ABF를 갖는 용액을 이용한 경우에, 보통의 물질 제거 속도는 표면 마감을 30%미만으로 감퇴시키면서 85℃의 온도 및 53.8A/㎡의 전류 밀도에서 획득될 수 있으며(참조 도 3d), 그 다음, 표면 향상은 물질을 덜 제거하면서 동일한 온도 및 1076A/㎡의 전류 밀도(참조 도 7a 및 7b)에서 획득될 수 있다.
Based on the test data disclosed herein, by adjusting the temperature and current density, the same aqueous electrolyte solution bath first removes moderately controlled amounts of material at a relatively low current density, and then maintains the temperature or It can be used in a multi-step process including healing the surface by increasing the current density to a high level while slightly lowering it. For example, when using a solution with 300 g / L citric acid and 120 g / L ABF, normal material removal rates are obtained at temperatures of 85 ° C. and current densities of 53.8 A /
다단계 공정을 위한 보다 많은 조합의 조건들은, 시트르산 농도가 600g/L이상으로 증가할 경우에 일어나는 강한 물질 제거 완화 효과에 기인하여, 온도 및 전류 밀도에 부가적으로 시트르산 농도를 변화시킴으로써 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 8a 및 8b를 참조하면, 85℃의 온도 및 10.8A/㎡의 전류 밀도에서 120g/L ABF를 갖는 전해질 용액을 이용한 경우에, 보통의 표면 감퇴가 일어나면서 공격적인 물질 제거는 1차 공정 단계에서 300g/L의 시트르산 농도에서 수행하고, 그 다음 2차 공정 단계에서 단순히 시트르산 농도를 780g/L로 증가시킴으로써 달성될 수 있으며, 표면 마감이 현저히 향상되면서 물질 제거는 사실상 중단될 수 있다. 유사한 결과가 도 9a 및 9b의 고온, 고 전류 밀도 조건, 또는 도 10a 및 10b의 중고온, 중 전류 밀도 조건을 이용하여 얻어질 수 있다.
More combinations of conditions for the multi-step process can be achieved by changing the citric acid concentration in addition to the temperature and current density, due to the strong material removal mitigation effect that occurs when the citric acid concentration increases above 600 g / L. For example, referring to FIGS. 8A and 8B, in the case of using an electrolyte solution having 120 g / L ABF at a temperature of 85 ° C. and a current density of 10.8 A /
매우 낮은 농도의 암모늄 비플루오라이드가 물질 제거 및 마이크로폴리싱 모두에서 효과적인 것으로 나타났다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 물질 제거 속도는 상승된 온도에서 우수하므로, 보다 낮은 농도의 암모늄 비플루오라이드가 85℃이상과 같이 보다 높은 온도에서 효과적인 것으로 예상된다. 모두 2g/L의 시트르산 및 암모늄 비플루오라이드 농도를 갖는 일 예시적인 전해질 용액에서, 물질 제거 및 표면 마감 변화가 관찰되었다. 285A/㎡에서, -156%에 상응하는 표면 마감 변화(감퇴)와 함께 0.008mm/hr의 물질 제거 속도가 기록되었다. 0A/㎡에서 -187%에 상응하는 표면 마감 변화와 함께 0.0035mm/hr의 물질 제거 속도가 기록되었다.
Very low concentrations of ammonium bifluoride have been shown to be effective in both material removal and micropolishing. As shown in FIG. 1, the rate of material removal is good at elevated temperatures, so that lower concentrations of ammonium bifluoride are expected to be effective at higher temperatures, such as 85 ° C. or higher. In one exemplary electrolyte solution with both citric acid and ammonium bifluoride concentrations of 2 g / L, material removal and surface finish changes were observed. At 285 A /
이와 유사하게, 2g/L ABF 및 시트르산을 함유하지 않는 수용액에서 271A/㎡의 인가 전류로 처리한 경우에, -162%에 상응하는 표면 마감 변화(감퇴)와 함께 0.004mm/hr의 물질 제거 속도가 기록되었으며, 0A/㎡에서, -168%에 상응하는 표면 마감 변화와 함께 0.0028mm/hr의 물질 제거 속도가 기록되었다.
Similarly, when treated with an applied current of 271 A /
효과를 나타내는데 필요한 최소량의 ABF를 사용하는 것이 바람직할 수 있으나, 240-360g/L 정도로 높은 수준으로 암모늄 비플루오라이드 농도를 포함하는 120g/L를 현저히 초과하는 농도, 심지어 물에 과포화 상태의 농도가 사용될 수 있다. 고 농도의 ABF에서 전해질 용액의 효과는 67℃로 고정된 온도 및 10.8-255.000A/㎡ 범위의 전류 밀도에서 ABF를 179.9g/L 시트르산의 용액에 점증적으로 첨가함으로써 시험되었다. 이러한 용액은 상대적으로 낮은 전기 저항성을 갖기 때문에, 보다 높은 농도의 ABF가 상기 용액에, 특히 보다 높은 수준의 전류 밀도에서 보다 높은 전도성을 제공할 수 있는 것으로 예측되었다. 또한, 온도는 전해질의 저항을 감소시키기 위해 실온이상으로 상승시켰다. CP 티타늄 및 니켈계 합금 718 모두의 샘플을 상기 전해질에 노출시키고, ABF를 첨가함에 따라 벌크 물질 제거 및 마이크로폴리싱이 계속되었다. ABF는 상기 전해질에 이의 포화점이상으로 첨가되었다. 이러한 파라미터하에서 ABF의 포화점(온도 및 압력에 따라 달라짐)은 약 240-360g/L이었다. 표 5의 데이터는 상기 전해질 용액이, 물에 과포화 농도이상의 ABF 농도에서 벌크 금속 제거 및 마이크로폴리싱 모두에 효과적이었음을 나타낸다.
It may be desirable to use the minimum amount of ABF required to have an effect, but at levels as high as 240-360 g / L, concentrations significantly above 120 g / L, including ammonium bifluoride concentrations, even in supersaturated water Can be used. The effect of the electrolyte solution at high concentrations of ABF was tested by the incremental addition of ABF to a solution of 179.9 g / L citric acid at a fixed temperature of 67 ° C. and a current density in the range of 10.8-255.000 A /
시험은 255.000A/㎡에 근접한 것을 포함하는 상대적으로 높은 전류 밀도에서 마이크로폴리싱 및 벌크 금속 제거에 대한 전해질 용액의 효과를 측정하기 위해 수행하였다. 저 저항값을 갖는 전해질은 고 전류 밀도를 허용할 수 있는 것으로 문헌으로부터 이해된다. 특정 조합의 시트르산 농도 및 ABF 농도는 특히 저 저항성을 나타낸다. 예를 들어, 약 71-85℃의 온도 범위에서 약 180g/L의 시트르산을 포함하는 전해질 용액을 고 전류 밀도에서 조사하였다. 상업적으로 순수한(CP) 티타늄 및 니켈계 합금 718의 샘플을 전류 밀도를 10.8-255.000A/㎡ 범위로 점진적으로 증가시키면서 이러한 전해질 용액에 노출하였다. 표 5의 데이터는 벌크 물질 제거 및 마이크로폴리싱이 255.000A/㎡를 포함하는 범위에서 시험된 모든 전류 밀도에서 달성되었음을 보여준다. 티타늄 및 티타늄 합금을 처리하는 것과 비교하여, 보다 높은 전류 밀도, 특히 약 5000A/㎡에서 니킬계 합금을 처리하는데 유용할 수 있다.
The test was conducted to determine the effect of the electrolyte solution on micropolishing and bulk metal removal at relatively high current densities, including close to 255.000 A /
CP 티타늄은 약 40볼트이하의 상대적으로 낮은 전압을 이용하여 효과적으로 처리되나, 보다 높은 전압이 또한 사용될 수 있다. 일 예시적인 시험으로, CP 티타늄은 85.6℃에서 약 180g/L 시트르산 및 약 120g/L ABF를 포함하는 수성 전해질 용액의 욕에서 64.7VDC의 포텐셜 및 53.160A/㎡의 전류 밀도를 인가하여 처리되었다. 이러한 조건하에서, 표면 조면계 거칠기의 37.8% 향상과 함께 5mm/hr 벌크 금속 제거 속도가 달성되었으며, 이는 시각적으로 균일하게 밝고 투명한 외관을 갖는 표면을 형성하였다. 동일한 화학적 전해질은, 전압을 150VDC로 증가시키고 전류 밀도를 5,067A/㎡으로 감소시킨 후에 벌크 금속 제거에 대한 CP 티타늄 샘플에서 효과적인 것으로 유지되었으나, 이러한 조건하에서 금속 제거 속도는 0.3mm/hr로 느려지고 마감은 새틴(satin) 외관으로 약간 감퇴하였다.
CP titanium is effectively treated with relatively low voltages of about 40 volts or less, although higher voltages may also be used. In one exemplary test, CP titanium was treated at 85.6 ° C. by applying a potential of 64.7 VDC and a current density of 53.160 A /
일부 금속 및 합금에 대하여, 보다 높은 전압은 벌크 물질 제거 및 표면 마감 향상 중 하나 또는 모두를 달성하는데 동등하게 효과적이거나 더 효과적일 수 있다. 특히, 이에 한정하는 것은 아니나 니켈계 합금(와스팔로이 및 니켈 합금 718과 같은), 18k 금, 순수 크롬 및 니티놀 합금을 포함하는 특정 금속은 보다 신속한 벌크 금속 제거 및/또는 보다 우수한 표면 마감 향상과 함께 보다 높은 전압 공정으로부터 유익한 것으로 보인다. 일 예시적인 실험에서, 니켈 합금 718에서 상대적으로 높은 전압에서, 150VDC의 포텐셜 및 4,934A/㎡의 전류 밀도를 이용하여 약 180g/L 시트르산 및 약 120g/L ABF를 포함하는 수성 전해질에서 처리된 시편은 단지 0.09mm/hr의 벌크 금속 제거 속도를 형성하였으나, 표면 조면계 측정에 기초하여 33.8%의 균일한 표면 마감 향상을 형성하였다.For some metals and alloys, higher voltages may be equally or more effective at achieving one or both of bulk material removal and surface finish enhancement. In particular, certain metals, including but not limited to nickel-based alloys (such as Waspalloy and Nickel Alloy 718), 18k gold, pure chromium and nitinol alloys, provide faster bulk metal removal and / or better surface finish enhancement. It appears to be beneficial from higher voltage processes. In one exemplary experiment, specimens treated in an aqueous electrolyte comprising about 180 g / L citric acid and about 120 g / L ABF at a relatively high voltage in nickel alloy 718 using a potential of 150 VDC and a current density of 4,934 A /
표 5Table 5
전해질 용액에 축적되고 용해된 금속의 효과를 평가하기 위해, 6.6cm x 13.2cm x 약 3.3미터의 치수를 갖는 21 Ti-6Al-4V 직사각형 바의 배치(batch)를 약 1135리터의 욕에 연속적으로 처리하였다. 그 공정은 전형적인 밀 제품 형태에서 고 조절된 금속 제거를 입증하기 위한 것이었다. 21개 조각의 직사각형 바에 대해, 물질의 70.9kg의 총 체적을 상기 바로부터 제거하고, 상기 전해질 용액에 현탁하였다. 첫 번째 바는 공정을 용액에 0g/L의 용해 금속으로 시작하였고, 마지막 바는 공정을 60g/L의 초과량의 용해 금속 함량으로 수행하였다. 공정의 시작에서 공정의 마지막에, 금속 표면 조건 또는 금속 제거 속도에 대한 유해한 영향은 검출되지 않았으며, 전해질 용액에서 증가된 용해 금속 함량의 결과로서 어떠한 작동 파라미터에 있어서 현저한 변화가 요구되지 않았다. 이는 그 용액이 용액에서 12g/L의 티타늄 농도에서도 실질적으로 덜 효과적인 티타늄의 HF/HNO3 산 세척 결과와는 상반적이다. 마찬가지로, 전기화학 기계 가공은, 금속 입자가 캐소드와 애노드 가공물 사이의 갭을 방해할 수 있고, 만일 고형물이 전기적으로 전도성인 경우에는 심지어 합선을 일으킬 수 있기 때문에 전해질 용액에서 고수준의 용해 금속에 의해 방해받는다.
In order to evaluate the effect of the metal accumulated and dissolved in the electrolyte solution, a batch of 21 Ti-6Al-4V rectangular bars having dimensions of 6.6 cm x 13.2 cm x about 3.3 meters was continuously subjected to a bath of about 1135 liters. Treated. The process was to demonstrate high controlled metal removal in typical mill product forms. For 21 pieces of rectangular bars, a total volume of 70.9 kg of material was removed from the bars and suspended in the electrolyte solution. The first bar started the process with 0 g / L of dissolved metal in solution and the last bar performed the process with an excess of dissolved metal content of 60 g / L. At the beginning of the process and at the end of the process, no deleterious effects on metal surface conditions or metal removal rates were detected and no significant change in any operating parameters was required as a result of the increased dissolved metal content in the electrolyte solution. This is in contrast to the HF / HNO 3 acid wash results of titanium, where the solution is substantially less effective at titanium concentrations of 12 g / L in solution. Likewise, electrochemical machining interferes with high levels of molten metal in the electrolyte solution because the metal particles can interfere with the gap between the cathode and the anode workpiece and even cause short circuits if the solid is electrically conductive. Receive.
균열 조절 및 산화물층 제거Crack control and oxide layer removal
본 명세서에 개시된 수성 전해질은 표면 균열의 바닥을 조절하거나 둥글게 하여, 이에 따라 금속 표면에 걸친 다양한 깊이에 형성되며, 이에 한정하는 것은 아니나, 티타늄 및 티타늄 합금, 니켈계 합금, 지르코늄 등을 포함하는 반응성 금속 패밀리에서 이러한 금속들이 산소-함유 분위기에서 상승된 온도로부터 냉각될 경우에 가장 해로운 날카로운 첨단 균열 팁을 제거하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 표면 균열은 이에 한정하는 것은 아니나, 열간 가공(예, 단조, 롤링, 초가소성 성형 등), 용접 및 열 처리를 포함하는 공정으로부터 냉각시 일어날 수 있다. 더욱이, 상기 수성 전해질 용액은 상대적으로 수율 손실이 거의 없이 이러한 균열을 조절할 수 있다. 둥근 또는 조절된 균열 팁은, 이러한 균열이 후속적인 열 작업시 "치유(heal)"될 수 있기 때문에 후속적인 열 금속 공정에 적합하며, 한편 완전히 제거되지 않는다면 전형적인 금속-냉각 균열이 후속적인 공정에서 "일어나고(runs)" 금속이 부서지거나 깨진다.
The aqueous electrolytes disclosed herein control or round the bottom of the surface cracks, and thus are formed at various depths across the metal surface, including but not limited to reactivity including titanium and titanium alloys, nickel-based alloys, zirconium, and the like. These metals in the metal family can be used to remove the sharpest tip crack tips that are most harmful when cooled from elevated temperatures in an oxygen-containing atmosphere. For example, such surface cracks may occur upon cooling from processes including, but not limited to, hot working (eg, forging, rolling, superplastic forming, etc.), welding, and heat treatment. Moreover, the aqueous electrolyte solution can control these cracks with relatively little yield loss. Rounded or controlled crack tips are suitable for subsequent thermal metal processes because such cracks may be "heal" during subsequent thermal operations, while typical metal-cooled cracks may not be removed in subsequent processes if not completely removed. "Runs" and the metal is broken or broken.
도 11은 균열을 제거하는 통상적인 공정을 나타내며, 이는 전형적으로 물질의 전체 균일한 층을 그라인딩 또는 기계 가공함으로써 기계적으로 제거하여 가장 깊은 표면 균열의 바닥을 노출시키는 것을 포함한다. 도식적으로 나타낸 바와 같이, 이는 물질의 실질적인 손실을 일으킨다. 이와 상반적으로, 도 12는 전류의 인가와 함께 전해질 용액을 이용하여 균열을 넓히고 이의 바닥에서 균열의 팁을 둥글게 하여, 이에 따라 가공물이 추가의 열 처리 작업을 받거나 서비스에 놓이게 될 경우에 균열이 전파되지 않는 균열 조절 방법을 나타낸다.
11 shows a conventional process for removing cracks, which typically involves mechanically removing the entire uniform layer of material by grinding or machining to expose the bottom of the deepest surface crack. As shown schematically, this causes substantial loss of material. In contrast, Figure 12 shows the use of an electrolyte solution with the application of a current to widen the crack and round the tip of the crack at the bottom thereof, so that if the workpiece is subjected to further heat treatment or placed in service, A method of controlling cracks that does not propagate.
따라서, 균열 팁 조절 또는 제거를 위해 바람직한 공정 조건은 수소 픽업을 최소화하거나 없애면서 매우 빠른 제거 속도를 생성하는 것이다. 하기에 더 기술되는 바와 같이, 이러한 조건은 일반적으로 카르복시산(예, 시트르산)의 농도가 낮고, 플루오라이드 이온(예, 암모늄 비플루오라이드 형태로)이 높고, 그리고 온도가 높은 경우에 획득된다. 효과적인 대규모 제거가 모든 전력 밀도에서 수행될 수 있으나, 우수한 결과는 물질에 부여되는 수소 함량을 최소화하기 위해, 전력 밀도가 낮고, 공정이 견디게 되는 상당한 오프(OFF) 듀티를 가지도록 전력이 순환될 경우에 달성되었다.
Thus, the preferred process conditions for crack tip control or removal are to produce very fast removal rates while minimizing or eliminating hydrogen pickup. As described further below, such conditions are generally obtained when the concentration of carboxylic acid (eg, citric acid) is low, the fluoride ions (eg in the form of ammonium bifluoride) are high, and the temperature is high. Effective large-scale removal can be performed at all power densities, but good results are obtained when the power is cycled to have a low power density and significant off duty that the process will withstand to minimize the hydrogen content imparted to the material. Was achieved.
이러한 공정 파라미터 내에서 수행함으로써, 수성 전해질 용액의 균열 조절 능력은, 가장 깊은 균열 바닥이 주변 금속과 같은 높이로 둥글게 될 때까지 금속 표면이 균일하거나 국소적으로 기계적으로 제거되는 전류 처리법에 비해 현저한 전체 금속 수율 향상을 제공한다. 또한, 본 명세서에 개시된 전해질 용액 및 방법을 이용하는 경우에 처리 비용 및 소모 비용은 전류 기계적 제거법에 비해 현저히 낮다.
By performing within these process parameters, the crack control capability of the aqueous electrolyte solution is significantly greater than the current treatment where the metal surface is uniformly or locally mechanically removed until the deepest crack bottom is rounded to the same height as the surrounding metal. To improve metal yield. In addition, the treatment and consumption costs when using the electrolyte solutions and methods disclosed herein are significantly lower than current mechanical removal.
상기 수성 전해질 용액으로 얻어질 수 있는 또 다른 현저한 공정상의 이점은 반응성 금속의 산화물층의 제거 또는 티타늄 및 티타늄 합금의 경우에는 알파 케이스이다. 다른 반응성 금속의 산화물층과 유사하게, 알파 케이스는 티타늄 및 그 합금이 가열된 공기 또는 산소에 노출될 경우에 일어나는 산소-농축 상이다. 알파 케이스는 부서지기 쉬우며, 일련의 표면 마이크로균열을 생성하는 경향이 있으며, 이는 금속 부품의 강도, 피로특성 및 내식성을 포함하는 성능을 감소시킨다. 티타늄 및 티타늄 합금은 특히 반응성 금속이며, 이는 자연 산화물층이 형성되는 온도에서 또는 그이상의 온도에서 공기 또는 산화 분위기에서 가열될 때마다 산소와 반응하고 부서지기 쉬운 강인한 산화물층(Ti에 대해 TiO2, Zr에 대해 ZrO2 등)을 형성하는 것을 의미하며, 이는 특정 합금 및 산화 분위기에 따라 달라진다. 상기한 바와 같이, 산화물층 또는 알파 케이스 산화물층은 용접의 결과로서 밀 단조 또는 밀 롤링에 필요한 온도로 금속을 가열하거나, 또는 마감된 부분의 단조 또는 가열 부 형성을 위해 가열하여 생성될 수 있다. 알파 케이스는 부서지기 쉬우며, 벌크 금속 내로 침투하는 마이크로-균열로 가득차 있어, 잠재적으로 미성숙한 인장력 또는 피로파괴를 일으키며, 표면을 화학적 공격에 보다 민감하게 한다.
Another significant process advantage that can be obtained with the aqueous electrolyte solution is the removal of the oxide layer of the reactive metal or the alpha case in the case of titanium and titanium alloys. Similar to oxide layers of other reactive metals, the alpha case is an oxygen-enriched phase that occurs when titanium and its alloys are exposed to heated air or oxygen. Alpha cases are brittle and tend to produce a series of surface microcracks, which reduce performance including the strength, fatigue properties and corrosion resistance of metal parts. Titanium and titanium alloys are particularly reactive metals, which are tough oxide layers (TiO 2 , Ti for Ti) that react with oxygen whenever they are heated in air or an oxidizing atmosphere at or above the temperature at which the natural oxide layer is formed. ZrO 2, etc.) to Zr, which depends on the particular alloy and oxidizing atmosphere. As noted above, the oxide layer or alpha case oxide layer may be produced by heating the metal to the temperature required for mill forging or mill rolling as a result of welding, or by heating for forging or heating of the finished portion. Alpha cases are brittle and filled with micro-cracks penetrating into the bulk metal, potentially causing immature tensile or fatigue failure, making the surface more susceptible to chemical attack.
따라서, 알파 케이스층은 어떠한 후속적인 열간 또는 냉간 작업 또는 최종 부품 서비스 전에 제거되어야 한다. 본 명세서에 기재된 수성 전해질 용액, 및 이러한 용액을 이용한 방법은 알파 케이스를 제거하여 영향을 받지 않은 베이스 금속을 드러낸다. 알파 케이스 제거는 티타늄 및 티타늄 합금 공정에 있어서 도전적인 문제이다. 그 이유는 알파 케이스는 공격에 상당히 저항적이며, 일부 기계적 개입이 전기화학적 공정 전에 요구되는 일반적인 통념이 있기 때문이다.
Thus, the alpha case layer must be removed before any subsequent hot or cold work or final part service. The aqueous electrolyte solutions described herein, and methods using such solutions, remove the alpha case to reveal unaffected base metals. Alpha case removal is a challenging problem for titanium and titanium alloy processes. The reason is that alpha cases are quite resistant to attack, and there is a common belief that some mechanical intervention is required before the electrochemical process.
이러한 곤란성은 초기 시험에 강조되었으며, 여기서 티타늄 알파 케이스는 일차 그릿-블라스팅되고(grit-blasted) 그리고/또는 전기화학적 처리를 위한 전처리로서 가볍게 그라인딩되었다. 한 번 마멸되면, 잔류 산화물층은 DC 전력 사이클 온(ON), 그 다음 간단한 스크럽 브러시 마모, 그 다음 DC 전원의 오프(OFF) 사이클, 그 다음 이는 수회 반복되는 순환 공정에 의해 대부분 쉽게 제거된다. 스크럽 브러시 마모에 대한 대안은 고압, 고 용량 펌프 시스템일 수 있음을 주의바란다. 알파 케이스층이 제거되면, 전기화학 에칭의 물질 제거 속도는 증가한다. 그러나, 이러한 다단계 공정 사이클은 수행하기에 매우 비용적이며, 낮은 수익을 생성한다.
This difficulty was emphasized in the initial test, where the titanium alpha case was lightly ground as a pre-treatment for primary grit-blasted and / or electrochemical treatment. Once abraded, the residual oxide layer is most easily removed by a DC power cycle on, followed by a simple scrub brush wear, followed by an off cycle of the DC power source, which is then repeated several times. Note that an alternative to scrub brush wear may be a high pressure, high capacity pump system. When the alpha case layer is removed, the material removal rate of the electrochemical etch increases. However, this multi-step process cycle is very costly to carry out and produces low profits.
이러한 곤란성을 극복하기 위해, 산화물 또는 알파 케이스층을 갖는 가공물은 낮은 카르복시산(예, 시트르산) 농도, 높은 플루오라이드 이온(예, 암모늄 비플루오라이드) 농도, 높은 온도, 그리고 바람직하게 낮은 전력 밀도를 갖는 수성 전해질 용액의 욕에서 처리된다. 낮은 시트르산 농도, 높은 암모늄 비플루오라이드 농도 및 높은 온도은 물질 제거 속도를 최대화하며, 제거 속도는 전력이 주기적으로 인가될 경우에 전류 밀도에 상대적으로 둔감해지기 때문에 보다 적은 수소가 물질 표면에 침투되도록 하는데 보다 낮은 전력 밀도가 사용된다.
To overcome this difficulty, workpieces with oxide or alpha case layers have low carboxylic acid (eg, citric acid) concentrations, high fluoride ion (eg, ammonium nonfluoride) concentrations, high temperatures, and preferably low power densities. It is treated in a bath of aqueous electrolyte solution. Low citric acid concentrations, high ammonium bifluoride concentrations, and high temperatures maximize the rate of material removal, which allows less hydrogen to penetrate the material surface because it is relatively insensitive to current density when power is applied periodically. Lower power densities are used.
요약하면, 본 명세서에 개시된 이러한 용액을 이용한 수성 전해질 용액 및 방법은 조절된 반복가능한 형태로 반응성 금속 표면으로부터 산화물층 및 티타늄 알파 케이스의 제거를 가능하게 한다. 이는 강하게 발열성 반응이며, 티타늄의 경우에 반응시 촉매로서 발달된(evolved) 티타늄을 사용하여, 이에 따라 산 농도 및 반응 속도의 연속적인 변화를 일으키고, 반복성을 어렵게 하고 축적된 표면 금속 제거가 거의 불가능하게 하는, 전류 HF-HNO3 산 세척과는 상반되는 것이다. 더욱이, 상기 수성 전해질 용액 및 방법은 유해한 수소를 벌크 금속 내로 충전시키지 않는다. 결국, 본 발명의 방법은 벌크 금속으로부터 수소를 제거하는 방식으로 수행될 수 있다. 이와 상반적으로, 전류 공정은 본질적으로 유해한 수소를 벌크 금속 내로 도입하여, 수소를 제거하기 위한 추가의 비용적인 탈기 단계를 필요로 한다.
In summary, aqueous electrolyte solutions and methods using such solutions disclosed herein enable the removal of oxide layers and titanium alpha cases from reactive metal surfaces in controlled repeatable forms. This is a strongly exothermic reaction and in the case of titanium uses evolved titanium as a catalyst in the reaction, thus causing a continuous change in acid concentration and reaction rate, making it difficult to repeat and eliminating accumulated surface metals. This is in contrast to the current HF-HNO 3 acid wash, which makes it impossible. Moreover, the aqueous electrolyte solution and method do not charge harmful hydrogen into the bulk metal. As a result, the process of the invention can be carried out in a manner that removes hydrogen from the bulk metal. In contrast, current processes inherently introduce harmful hydrogen into the bulk metal, requiring an additional costly degassing step to remove the hydrogen.
상기 수성 전해질 용액은 친환경적이며 위험한 폐기물을 생성하지 않으나, 전류 공정은 환경적으로 도전적이며 위험한 불산(HF) 및 질산(HNO3)을 사용하며, 이는 취급이 상당히 어렵고 엄격한 허용 프로그램 하에서만 사용될 수 있는 것이다. 결과적으로, 상기 수성 전해질 용액을 이용한 방법은 현저한 공기 취급 장비없이 수행될 수 있으며, 전류 HF-HNO3) 공정을 사용하는데 요구되는 위험한 화학적 보호 장비가 작업자에게 요구되지 않는다.
The aqueous electrolyte solution does not produce environmentally friendly and hazardous waste, but the current process uses environmentally challenging and hazardous hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO 3 ), which are quite difficult to handle and can only be used under strict acceptance programs. will be. As a result, the method using the aqueous electrolyte solution can be carried out without significant air handling equipment, and no dangerous chemical protection equipment required for using the current HF-HNO 3 ) process is required of the operator.
균열 조절 및 알파 케이스 제거를 위해, 표면 마감이 특히 중요하지 않으며 표면 마감 개선이 후속될 추가의 작업 단계에 기인하여 불필요하더라도, 물질 표면을 심하게 감퇴시키지 않거나 물질 내의 핏팅(pitting) 또는 다른 깊은 결함을 일으키지 않는 것이 여전히 바람직하다.
For crack control and alpha case removal, surface finish is not particularly important and if surface finish improvement is unnecessary due to further work steps to be followed, it will not severely deteriorate the material surface or will cause pitting or other deep defects in the material. It is still desirable not to cause it.
도 3d, 4e-4j, 7a, 8a, 9a 및 10a에서, 가장 높은 물질 제거 속도는 시트르산 농도를 300g/L이하로 유지하면서 ABF 농도 및 온도를 최대화함으로써(즉, 그래프에 나타낸 바와 같이 120g/L의 ABF 농도 및 85℃의 온도에서) 획득됨을 알 수 있다. 또한, 도 4e-4g를 포함하는 여러 도면에 강조된 바와 같이, 시트르산은 플루오라이드 이온의 물질 표면에 대한 공격을 완화시키는 경향이 있기 때문에, 물질 제거 속도는 시트르산 농도가 0g/L에 근접함에 따라 위로 향하는 경향이 있음을 알 수 있다. 그러나, 제로 시트르산 농도에서, 도 4h, 7b, 8b, 9b 및 10b는 표면 핏팅 및 심한 표면 마감 감퇴가 일어날 수 있음을 보여준다.
In Figures 3d, 4e-4j, 7a, 8a, 9a and 10a, the highest mass removal rate is achieved by maximizing the ABF concentration and temperature while maintaining the citric acid concentration below 300 g / L (i.e. 120 g / L as shown in the graph). At an ABF concentration and a temperature of 85 ° C.). In addition, as cited in various figures including FIGS. 4E-4G, citric acid tends to mitigate the attack of fluoride ions on the material surface, so that the rate of material removal increases as the citric acid concentration approaches 0 g / L. It can be seen that there is a tendency towards. However, at zero citric acid concentrations, Figures 4H, 7B, 8B, 9B and 10B show that surface fit and severe surface finish deterioration can occur.
따라서, 심한 표면 감퇴가 바람직하게 회피되는 균열 조절을 위해 상기 수성 전해질 용액을 사용하는 경우에, 예를 들어 1g/L 또는 10g/L와 같이 적어도 소량의 시트르산이 플루오라이드 이온 공격의 가장 심한 영향을 완화시키기 위해 사용되어야 한다. 그러나, 심한 표면 감퇴가 특히 유해하지 않을 수 있는 알파 케이스 제거를 위해 수성 전해질 용액을 사용하는 경우에, 플루오라이드 이온 공격은 심한 핏팅을 야기하지 않고 가능한 한 공격적인 것으로 허용될 수 있으며, 이에 따라 시트르산 농도는 거의 0으로 감소될 수 있다.
Thus, when using the aqueous electrolyte solution for crack control where severe surface deterioration is preferably avoided, at least a small amount of citric acid, such as, for example, 1 g / L or 10 g / L, has the most severe effect of fluoride ion attack. It should be used to mitigate. However, when using an aqueous electrolyte solution for alpha case removal where severe surface deterioration may not be particularly detrimental, fluoride ion attack can be tolerated as aggressive as possible without causing severe fitting, thus allowing citric acid concentration to be Can be reduced to nearly zero.
균열 조절 및 알파 케이스 제거 환경 모두에서, 취화가 억제되도록 물질 내에 수소 도입을 회피하는 것이 바람직하다. 특히, 도 1a-1c, 2a-2b 및 4e-4g에 나타낸 바와 같이, 물질 제거 속도는 전류 밀도에 상대적으로 둔감하기 때문에, 그리고 보다 높은 전류 밀도는 수소가 물질 내로 유도되도록 하는 경향이 있기 때문에, 가장 낮은 유효 전류 밀도에서 수행하는 것이 바람직하다.
In both crack control and alpha case removal environments, it is desirable to avoid introducing hydrogen into the material so that embrittlement is suppressed. In particular, as shown in Figures 1A-1C, 2A-2B and 4E-4G, because the material removal rate is relatively insensitive to the current density, and because the higher current density tends to induce hydrogen into the material, It is desirable to perform at the lowest effective current density.
예시적인 구현과 관련하여 설명하였으나, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 첨부된 특허청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 특별히 설명하지 않은 부가, 삭제, 변형 및 치환을 할 수 있을 것이며, 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정 구현들로 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다.
Although described in connection with an exemplary embodiment, one of ordinary skill in the art may make additions, deletions, modifications and substitutions that are not specifically described without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that the invention is not limited to the specific implementations disclosed herein.
Claims (14)
약 0.1중량% 내지 약 25중량%의 플루오르화 염
을 포함하며, 실질적으로 강산을 함유하지 않는, 수성 전해질 용액.
About 0.1% to about 59% by weight of carboxylic acid; And
About 0.1% to about 25% by weight of fluorinated salt
An aqueous electrolyte solution, substantially free of strong acids.
상기 플루오르화 염은 알칼리 금속 플루오라이드, 알칼리토 금속 플루오라이드, 실리케이트 에칭 화합물 및 이의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 수성 전해질 용액.
The method of claim 1,
Wherein said fluorinated salt is selected from the group consisting of alkali metal fluorides, alkaline earth metal fluorides, silicate etching compounds and combinations thereof.
상기 플루오르화 염은 암모늄 비플루오라이드인, 수성 전해질 용액.
3. The method of claim 2,
Wherein said fluorinated salt is ammonium bifluoride.
상기 카르복시산은 시트르산인, 수성 전해질 용액.
The method of claim 1,
Wherein the carboxylic acid is citric acid.
약 2g/L 내지 약 360g/L의 플루오르화 염의 암모늄 비플루오라이드
를 포함하며, 실질적으로 강산을 함유하지 않는, 수성 전해질 용액.
From about 1.665 g / L to about 982 g / L citric acid; And
Ammonium bifluoride of about 2 g / L to about 360 g / L fluorinated salt
An aqueous electrolyte solution, comprising substantially no acid.
상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계;
상기 가공물을 DC 전원의 애노드에 연결시키고, 상기 DC 전원의 캐소드를 상기 욕 내에 침지시키는 단계; 및
상기 욕에 걸쳐 전류를 인가하는 단계
를 포함하는, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법.
Exposing the surface of the non-ferrous metal workpiece to a bath of an aqueous electrolyte solution comprising citric acid at a concentration of up to about 300 g / L and ammonium bifluoride at a concentration of at least about 10 g / L and having a strong acid of up to about 3.35 g / L step;
Adjusting the temperature of the bath to about 54 ° C. or higher;
Connecting the workpiece to an anode of a DC power source and immersing the cathode of the DC power source in the bath; And
Applying a current across the bath
A method of treating a surface of a non-ferrous metal workpiece comprising a.
상기 욕의 온도는 약 71℃이상으로 조절되는, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the temperature of the bath is adjusted to about 71 ° C. or greater.
상기 욕에 걸쳐 인가되는 전류는 약 538A/㎡이하인, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the current applied across the bath is about 538 A / m 2 or less.
상기 욕에 걸쳐 인가되는 전류는 약 53.8A/㎡이하인, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the current applied across the bath is less than or equal to about 53.8 A / m 2.
상기 시트르산의 농도는 약 60g/L미만인, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법.
The method according to claim 6,
And wherein said concentration of citric acid is less than about 60 g / L.
상기 암모늄 비플루오라이드의 농도는 약 60g/L이상인, 비-철 금속 가공물의 표면을 처리하는 방법.
The method according to claim 6,
And wherein said concentration of ammonium bifluoride is at least about 60 g / L.
상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계;
DC 전원의 애노드에 상기 가공물을 연결하고 DC 전원의 캐소드를 상기 욕에 침지하는 단계; 및
상기 욕에 걸쳐 약 53.8A/㎡미만의 전류를 인가하는 단계
를 포함하는, 비-철 금속 가공물의 표면에서 균열을 조절하는 방법.
Exposing the surface of the non-ferrous metal workpiece to a bath of an aqueous electrolyte solution comprising citric acid at a concentration of about 600 g / L and less than ammonium bifluoride at a concentration of about 60 g / L and having a strong acid of about 3.35 g / L or less. step;
Adjusting the temperature of the bath to about 54 ° C. or higher;
Connecting the workpiece to an anode of a DC power source and immersing the cathode of the DC power source in the bath; And
Applying a current of less than about 53.8 A / m 2 over the bath;
Comprising a crack at the surface of the non-ferrous metal workpiece.
상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계;
DC 전원의 애노드에 상기 가공물을 연결하고 DC 전원의 캐소드를 상기 욕에 침지하는 단계; 및
상기 욕에 걸쳐 약 53.8A/㎡미만의 전류를 인가하는 단계
를 포함하는, 비-철 금속 가공물의 표면에서 금속 산화물 제거 방법.
Exposing the surface of the non-ferrous metal workpiece to a bath of an aqueous electrolyte solution comprising citric acid at a concentration of about 60 g / L or less and ammonium bifluoride at a concentration of about 60 g / L or more and having a strong acid of about 3.35 g / L or less step;
Adjusting the temperature of the bath to about 54 ° C. or higher;
Connecting the workpiece to an anode of a DC power source and immersing the cathode of the DC power source in the bath; And
Applying a current of less than about 53.8 A / m 2 over the bath;
A method of removing metal oxides from the surface of a non-ferrous metal workpiece comprising a.
상기 욕의 온도를 약 54℃이상으로 조절하는 단계;
DC 전원의 애노드에 상기 가공물을 연결하고 DC 전원의 캐소드를 상기 욕에 침지하는 단계; 및
상기 욕에 걸쳐 약 53.8A/㎡미만의 전류를 인가하는 단계
를 포함하는, 티타늄 또는 티타늄 합금 가공물의 표면으로부터 알파 케이스 제거 방법.The surface of the titanium or titanium alloy workpiece is exposed to a bath of an aqueous electrolyte solution comprising citric acid at a concentration of about 60 g / L and ammonium bifluoride at a concentration of at least about 60 g / L and having a strong acid of about 3.35 g / L or less. step;
Adjusting the temperature of the bath to about 54 ° C. or higher;
Connecting the workpiece to an anode of a DC power source and immersing the cathode of the DC power source in the bath; And
Applying a current of less than about 53.8 A / m 2 over the bath;
A method of removing an alpha case from a surface of a titanium or titanium alloy workpiece comprising a.
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