CN102312277B

CN102312277B - 一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液及其使用方法

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Publication number: CN102312277B
Application number: CN201110327361.3A
Authority: CN
Inventors: 王周成; 严维力
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN102312277A

Abstract

一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液及其使用方法，涉及一种电解液。电解液由甲酰胺、乙二醇、氨基磺酸、氯化钠和添加剂组成，甲酰胺为80％～90％，乙二醇为10％～20％，在每升甲酰胺和乙二醇溶液中加入氨基磺酸120～200g、氯化钠1～5g和添加剂0.1～0.5g。将氨基磺酸溶解于甲酰胺中，加入乙二醇、氯化钠和添加剂，混合后即得。使用时将电解液温度稳定在0～10℃；以待抛光的钛或钛合金作为阳极，不锈钢板或钛板作为阴极；将阴极和阳极浸入电解液中，接通电源；将抛光后的样品取出清洗，烘干。不含有传统钛电化学抛光中常用的氢氟酸、铬酸、高氯酸、甲醇、醚类等对人体及环境有毒有害物质。

Description

一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种电解液，尤其是涉及一种钛及钛合金电化学抛光的电解液及其抛光方法。

背景技术

钛及其合金因其良好的物理、化学和生物特性，在医学器械、化工机械、航天航空甚至是日常生活用品等领域得到越来越广泛的应用。表面抛光对提高钛及钛合金的装饰性、耐蚀性、耐磨性和生物相容性等具有重大的意义。在众多的表面抛光技术中，电化学抛光因其具有高效率、高精度、速度快、劳动强度小的优势，并且具有表面无加工硬化层、耐蚀、耐磨反射率高等一系列优点而得到广泛的应用。然而，由于钛的钝化和自钝化能力很强，因此难以在传统的电化学抛光液中取得令人满意的抛光效果，表面易产生浸蚀、点蚀和流痕等加工缺陷。

在传统的钛及钛合金电化学抛光中，常以氢氟酸、高氯酸、醚类、甲醇、无水氯化铝和无水氯化锌等易挥发、强刺激性且对人体和环境有毒有害的化学品作为基本的电解液。这类电解液不仅增加了操作的危险性，而且对人体和环境均有严重的毒害作用。相比之下，甲酰胺-氨基磺酸体系因其低毒低害、环境友好等特点得到较多的关注。然而该体系却存在着电解液容易老化失效、难以再生而且价格昂贵等致命缺点，难以在工业上实现大规模的应用。因此，优化甲酰胺-氨基磺酸电化学抛光体系具有重要的工业应用意义。

中国专利CN101798702A公开一种钛及钛合金电化学抛光的电解液及其表面抛光方法，所述电解液包括氢氟酸1～3质量％，去离子水20～30质量％，余量为乙二醇。抛光方法包括如下步骤：(1)配制电解液；(2)阳极氧化处理；(3)去氧化层处理。利用该电解液进行抛光处理可得到光滑钛及钛合金表面。该电解液具有很好的安全性和环保性。

发明内容

本发明的目的是提供一种不含有传统钛电化学抛光中常用的氢氟酸、铬酸、高氯酸、甲醇、醚类等对人体及环境有毒有害物质的适用于钛和钛合金电化学抛光电解液及其使用方法。

所述钛及钛合金电化学抛光电解液由甲酰胺、乙二醇、氨基磺酸、氯化钠和添加剂组成，按体积比，所述甲酰胺为80％～90％，乙二醇为10％～20％，在每升甲酰胺和乙二醇溶液中加入氨基磺酸120～200g、氯化钠1～5g和添加剂0.1～0.5g。

所述添加剂可选用OP-10乳化剂、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵等中的一种。

所述钛及钛合金电化学抛光电解液的制备方法如下：

将氨基磺酸溶解于甲酰胺中，再依次加入乙二醇、氯化钠和添加剂，混合后即得钛及钛合金电化学抛光电解液。

所述钛及钛合金电化学抛光电解液的使用方法为：

1)利用低温冷却液循环泵将电解液温度稳定在0～10℃；

2)选用直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以待抛光的钛或钛合金作为阳极，不锈钢板或钛板作为阴极；将阴极和阳极浸入钛及钛合金电化学抛光电解液中，接通电源，选用恒电流模式；

3)将抛光后的样品取出，清洗后，取出烘干。

在步骤2)中，所述恒电流模式中，电流密度为0.8～2.0A/cm²，电化学抛光时间为2～5min。

在步骤3)中，所述清洗，可先用清水冲洗，再置于去离子水中超声波清洗。

所述钛及钛合金经电解液电化学抛光后的表面效果用表面粗糙度和表面光泽度这两个指标进行评价，并通过表面微观形貌检测加以比较说明，具体方法如下：

1)表面粗糙度。按照GB/T3505-2000中的规定进行检测，选用评定轮廓算术平均偏差(Ra)作为表面粗糙度的评价指标。Ra值由北京时代之峰科技有限公司的TR200手持式粗糙度仪直接测得。

2)表面光泽度。通过测量表面反射率(R％)来间接反映样品的表面光泽度。表面反射率由Varian Cary 5000紫外-可见-近红外分光光度计的镜面反射模式测得。测定时，以标准光学镜面的表面反射率作为基准，即认定其表面反射率为100％，然后以此来考察钛及钛合金的表面反射率。

3)微观形貌检测。抛光前后的钛及钛合金的表面微观形貌由德国LEO公司的1530场发射高分辩扫描电镜检测。

与现有的钛及钛合金电化学抛光技术相比，本发明具有如下的优点：

1)本发明提供的钛及钛合金电化学抛光电解液，不含有传统钛电化学抛光中常用的氢氟酸、高氯酸、醚类、甲醇、无水氯化铝和无水氯化锌等易挥发、强刺激性且对人体和环境有毒有害的化学品，且电化学抛光过程中不产生有毒有害的刺激性气体。电解液对环境危害小，有较好的安全性和环保型。

2)相比于常用的甲酰胺-氨基磺酸电解液，在本发明所述电解液中，乙二醇的引入不仅使得所述电解液的使用寿命和操作稳定性有了明显的改进，而且也降低电解液的成本，这是由于相同体积的乙二醇价格要比甲酰胺低。

3)钛及钛合金经本发明所述电解液抛光后，表面平整光滑，且具有较好的镜面反射效果。

附图说明

图1为工业纯钛(TA2)依次经过220目、320目、800目、1000目、1500目和2000目金相砂纸的打磨后表面形貌的SEM图。在图1中，标尺为10μm。

图2为工业纯钛(TA2)经过本发明所述电解液和电化学抛光方法抛光后表面形貌的SEM图。在图2中，标尺为10μm。

图3为钛合金(TC4)依次经过220目、320目、800目、1000目、1500目和2000目金相砂纸的打磨后表面形貌的SEM图。在图3中，标尺为20μm。

图4为钛合金(TC4)经过本发明所述电解液和电化学抛光方法抛光后表面形貌的SEM图。在图4中，标尺为10μm。

具体实施方式

实施例1

(1)预处理。将尺寸大小为10mm×10mm×3mm的TA2工业纯钛和TC4钛合金依次经320目和800目的金相砂纸打磨，然后依次用清水和去离子水冲洗干净，晾干后备用。

(2)配置电解液。按如下的配方配置钛电化学抛光的电解液：

所用的添加剂选用十六烷基三甲基溴化铵。

电解液配置时先将氨基磺酸溶解于甲酰胺中，待氨基磺酸全部溶解后，依次加入乙二醇、氯化钠和十六烷基三甲基溴化铵，混合均匀后即得钛及钛合金电化学抛光电解液。由于甲酰胺容易吸湿，而该电抛光体系不耐水，因此在制备过程中应减少甲酰胺暴露在空气中的时间从而减少电解液的吸湿量。

(3)电化学抛光。选用直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以洁净干燥的待抛光钛或者钛合金作为阳极，不锈钢板作为阴极；将阴阳两极同时浸入电解液中。按如下的操作条件进行电化学抛光：

温度：0～5℃

电流密度：0.8A/cm²

两极板间距：2cm

搅拌速度：600rpm

时间：5min

(4)后处理。将电化学抛光后的钛及钛合金依次用清水和去离子水冲洗，然后用超声波清洗5min以去除表面的杂质，最后将样品放入沸水中封闭5min，取出晾干后即得成品。

TA2工业纯钛和TC4钛合金经本发明所述电解液及电化学抛光方法处理后，降低了表面粗糙度，提高了表面光泽度，镜面效果明显。表1给出了未经任何处理、机械抛光(依次经过220目、320目、800目、1000目、1500目和2000目金相砂纸的打磨处理)和按本发明所述电解液电化学抛光后的TA2工业纯钛和TC4钛合金的表面粗糙度和反射率。

表1 TA2工业纯钛和TC4钛合金电化学抛光前、后的粗糙度和反射率

从表1可以看出，钛及钛合金经过机械抛光后其表面粗糙度降低了，而其表面反射率却没有明显地提高。与此不同的是，钛及钛合金经本发明所述电解液和电化学抛光处理后，不仅表面粗糙度降低了，而且其表面反射率也明显地提高。

实施例2

(1)预处理。将尺寸大小为10mm×10mm×3mm的TA₂工业纯钛和TC₄钛合金依次经320目和800目的金相砂纸打磨，然后依次用清水和去离子水冲洗干净，晾干后备用。

(2)配置电解液。按如下的配方配置钛电化学抛光的电解液：

所用的添加剂选用十二烷基磺酸钠。

电解液配置时先将氨基磺酸溶解于甲酰胺中，待氨基磺酸全部溶解后，依次加入乙二醇、氯化钠和十二烷基磺酸钠，混合均匀后即得钛及钛合金电化学抛光电解液。由于甲酰胺容易吸湿，而该电抛光体系不耐水，因此在制备过程中应减少甲酰胺暴露在空气中的时间从而减少电解液的吸湿量。

温度：5～10℃

电流密度：1.4A/cm²

两极板间距：3.5cm

搅拌速度：700rpm

时间：4min

TA2工业纯钛和TC4钛合金经本发明所述电解液及电化学抛光方法处理后，降低了表面粗糙度，提高了表面光泽度，镜面效果明显。表2给出了未经任何处理、机械抛光(依次经过220目、320目、800目、1000目、1500目和2000目金相砂纸的打磨处理)和按本发明所述电解液电化学抛光后的TA2工业纯钛和TC4钛合金的表面粗糙度和反射率。

表2 TA2工业纯钛和TC4钛合金电化学抛光前、后的粗糙度和反射率

从表2可以看出，钛及钛合金经过机械抛光后其表面粗糙度降低了，而其表面反射率却没有明显地提高。与此不同的是，钛及钛合金经本发明所述电解液和电化学抛光处理后，不仅表面粗糙度降低了，而且其表面反射率也明显地提高。

实施例3

(2)配置电解液。按如下的配方配置钛电化学抛光的电解液：

所用的添加剂选用十二烷基苯磺酸钠

电解液配置时先将氨基磺酸溶解于甲酰胺中，待氨基磺酸全部溶解后，依次加入乙二醇、氯化钠和十二烷基苯磺酸钠，混合均匀后即得钛及钛合金电化学抛光电解液。由于甲酰胺容易吸湿，而该电抛光体系不耐水，因此在制备过程中应减少甲酰胺暴露在空气中的时间从而减少电解液的吸湿量。

温度：0～5℃

电流密度：2.0A/cm²

两极板间：5cm

搅拌速度：800rpm

时间：2min

TA2工业纯钛和TC4钛合金经本发明所述电解液及电化学抛光方法处理后，降低了表面粗糙度，提高了表面光泽度，镜面效果明显。表3给出了未经任何处理、机械抛光(依次经过220目、320目、800目、1000目、1500目和2000目金相砂纸的打磨处理)和按本发明所述电解液电化学抛光后的TA2工业纯钛和TC4钛合金的表面粗糙度和反射率。

表3 TA2工业纯钛和TC4钛合金电化学抛光前、后的粗糙度和反射率

从表3可以看出，钛及钛合金经过机械抛光后其表面粗糙度降低了，而其表面反射率却没有明显地提高。与此不同的是，钛及钛合金经本发明所述电解液和电化学抛光处理后，不仅表面粗糙度降低了，而且其表面反射率也发生了明显地提高。

实施例4

(2)配置电解液。按如下的配方配置钛电化学抛光的电解液：

所用的添加剂选用OP-10乳化剂。

电解液配置时先将氨基磺酸溶解于甲酰胺中，待氨基磺酸全部溶解后，依次加入乙二醇、氯化钠和OP-10乳化剂，混合均匀后即得钛及钛合金电化学抛光电解液。由于甲酰胺容易吸湿，而该电抛光体系不耐水，因此在制备过程中应减少甲酰胺暴露在空气中的时间从而减少电解液的吸湿量。

温度：0～10℃

电流密度：1.5A/cm²

两极板间距：4cm

搅拌速度：700rpm

时间：3min

TA2工业纯钛和TC4钛合金经本发明所述电解液及电化学抛光方法处理后，不仅表面粗糙度降低了，而且表面光泽度大大地提高，镜面效果很明显。表4给出了未经任何处理、机械抛光(依次经过220目、320目、800目、1000目、1500目和2000目金相砂纸的打磨处理)和按本发明所述电解液电化学抛光后的TA2工业纯钛和TC4钛合金的表面粗糙度和反射率。

表4 TA2工业纯钛和TC4钛合金电化学抛光前、后的粗糙度和反射率

从表4可以看出，钛及钛合金经过机械抛光后其表面粗糙度降低了，而其表面反射率却没有明显地提高。与此不同的是，钛及钛合金经本发明所述电解液和电化学抛光处理后，不仅表面粗糙度降低了，而且其表面反射率也发生了明显地提高。

从图1和3中可以明显看到机械磨光所留下的划痕，特别是纯钛，其表面存在着较多较深的凹陷。

从图2和4中可以看到，钛及钛合金经过电化学抛光后，不仅其表面原本的机加工的痕迹消失了，而且不存在明显的凹陷或者突起，表面平整。

Claims

1.一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液，其特征在于由甲酰胺、乙二醇、氨基磺酸、氯化钠和添加剂组成，按体积比，所述甲酰胺为80%～90%，乙二醇为10%～20%，在每升甲酰胺和乙二醇溶液中加入氨基磺酸120～200g、氯化钠1～5g和添加剂0.1～0.5g；

所述添加剂选用OP-10乳化剂、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种。

2.如权利要求1所述的一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液的制备方法，其特征在于其具体步骤如下：

3.如权利要求1所述的一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液的使用方法，其特征在于其步骤为：

1）利用低温冷却液循环泵将电解液温度稳定在0～10℃；

2）选用直流稳压电源作为电化学抛光的电源，以待抛光的钛或钛合金作为阳极，不锈钢板或钛板作为阴极；将阴极和阳极浸入钛及钛合金电化学抛光电解液中，接通电源，选用恒电流模式；

3）将抛光后的样品取出，清洗后，取出烘干。

4.如权利要求3所述的一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液的使用方法，其特征在于在步骤2）中，所述恒电流模式中，电流密度为0.8～2.0A/cm²，电化学抛光时间为2～5min。

5.如权利要求3所述的一种适用于钛和钛合金电化学抛光电解液的使用方法，其特征在于在步骤3）中，所述清洗，是先用清水冲洗，再置于去离子水中超声波清洗。