CN109267143A - 一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，包括电流‑电压传感器、电压控制器、计算机、电源和电解槽，所述电解槽内设有电解液、阴极和作为阳极的工件，所述阴极和工件分别置于所述电解液中并对应设置，所述工件与所述电源的阳极连接，所述电源的阴极串联所述电流‑电压传感器、电压控制器后与所述阴极连接，所述电流‑电压传感器的输出端与所述计算机连接。本发明还提供了一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法。本发明的有益效果是：通过逐渐升高电压，实时监测“电流‑电压曲线”，捕捉理想的抛光电压和电流。

Description

一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备及其方法

技术领域

本发明涉及化学抛光设备，尤其涉及一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备及其方法。

背景技术

电解抛光是一种表面处理技术，目的是为了改善金属表面的微观几何形状，降低金属表面的显微粗糙程度。目前，电解抛光技术已在金属精加工、金相样品制备及那些需要控制表面质量与光洁度的领域获得了极其广泛的应用，并应用于化工、轻工、机械制造、强激光***、食品加工设备、装饰行业、生物医学等领域。尤其在航空、航天领域，它是保证产品质量的一个重要环节。涉及电解抛光的材料有铁锰合金、纯金属、碳钢、合金钢、有色金属及其合金、贵金属等几乎所有的金属材料。而在实验室内研究某些材料的金属性能，如光学性能、电化学性能、摩擦性能、腐蚀性能、磁性能、电极的衍射性能时，也常运用电解抛光。因为机械抛光过程中，金属表面组织或大或小地在某种程度上被歪曲，在这种情况下进行研究往往不能准确地提供关于金属试片的真正组织和性质，而电解抛光却能满足此要求。

1、电化学抛光设备原理

电化学抛光技术是一种阳极反应，它可以视为电镀过程的逆过程。制件作为阳极置于电解液中，通以直流电，制件的表面将要发生金属的电化学溶解，在晶格内的金属原子会脱离晶格移动到晶格外，并进一步离子化而形成金属离子和放出电子。

2、电化学抛光技术特点

电解抛光是是基于阳极溶解原理去除金属，没有宏观“切削力”和“切削热”的作用，因此工件表面不会产生像切削加工中所形成的塑性变形层，也不会产生残余应力，更不会像电火花、激光加工那样在加工面上产生再铸层，反而还会将原有的变形层和残余应力层去掉。

切削加工的表面粗糙度主要反映在与刀痕垂直的方向上，一般而论，其表面和表面层质量在刀痕平行方向和刀痕垂直方向也不尽相同。电解抛光其阳极溶解不存在方向问题，所以电解抛光表面质量在各个方向上大体相同，其表面粗糙度、几何形貌与切削加工有很大差别。它可以优先溶解掉金属表面的形变层、位错、空穴聚积等电位相组织，从而得到等电位表面。

与机械抛光相比，电解抛光可大大减小工件内部和表面的应力，适用于任何硬度的金属和合金，它依靠选择性溶解材料表面微小的凸出部分使表面光滑，其抛光后的光洁度与表面平整度比机械抛光保持得更长久。它具有其它表面精加工技术无法比拟的高效率、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。

3、电化学抛光技术关键因素

(1)电解液

不同金属材料所用的电解液配方不同，并且某一种金属材料存在多种电解液配方，抛光效果也不尽相同。在实际操作中，不同电解液所需要的工艺参数也存在差别，例如温度的选择、电压和电流、以及抛光时间。

(2)电压和电流

电压电流是影响电化学抛光的重要因素，直接影响着抛光过程中阳极电流密度。一般的金属或合金都有类似图1所示的电化学抛光电压、电流的特征曲线。平稳抛光阶段(CD段)为理想电压电流工作区。不同金属对应的不同电解液体系，“电流—电压”曲线不同。

(3)温度

通常电解液的使用都有一定的温度范围，电解液的工作温度低，则粘度大，离子扩散的速度慢，金属溶解速度越慢。在允许的范围内，选择较高的温度，会加快电解速度，但是温度过高，容易引起表面腐蚀过快，影响表面质量。

(4)时间

在适宜的时间范围内，抛光质量与抛光时间成正比，与温度和电流密度成反比。当抛光温度或阳极电流密度较高时，则抛光时间应短，反之则长。

现有技术的缺陷如下：

1、电流电压人工控制困难

电压和电流主要通过影响电流密度来影响抛光效果，当制样的尺寸存在差异，理想抛光电压和电流区间(图1的CD区间)同样会发生变化。因此理想电压和电流值的确定是极为困难的，也是电解抛光过程中最难点。目前，电解抛光设备的电压电流主要通过人工控制，通过选取不同电压-电流值进行测试来摸索，过程耗时费力，抛光效果较差。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备及其方法。

本发明提供了一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，包括电流-电压传感器、电压控制器、计算机、电源和电解槽，所述电解槽内设有电解液、阴极和作为阳极的工件，所述阴极和工件分别置于所述电解液中并对应设置，所述工件与所述电源的阳极连接，所述电源的阴极串联所述电流-电压传感器、电压控制器后与所述阴极连接，所述电流-电压传感器的输出端与所述计算机连接，所述电流-电压传感器将监测到的电流数值、电压数值传给所述计算机，所述计算机与所述电压控制器的输入端连接，所述计算机通过所述电压控制器控制电压。

作为本发明的进一步改进，所述化学抛光设备还包括电解槽温度控制***、热电偶和搅拌器，所述电解槽设置在所述电解槽温度控制***内，所述热电偶和搅拌器分别设置在所述电解槽内，所述热电偶的输出端与所述计算机连接，所述计算机与所述电解槽温度控制***的输入端连接。

本发明还提供了一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法，基于上述任意一项所述自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，进行以下步骤：

S1、打开电源；

S2、通过电压控制器将电压从0V逐渐增加；

S3、通过电流-电压传感器得到电流数值、电压数值，将电流数值、电压数值传给计算机，通过计算机绘制“电流-电压”曲线，得到金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段；

S4、通过电压控制器将电压控制在金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段中的某一值，进入电解抛光。

作为本发明的进一步改进，步骤S1还包括设置温度和选取电解液。

作为本发明的进一步改进，还包括步骤S5：如果电流出现明显波动，则停止电解抛光。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，通过计算机绘制“电流-电压”曲线，得到金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段，从而得到了理想抛光电流I_CD以及理想电压V_CD，由理想抛光电流I_CD能够得到该工件的理想电流密度J_CD(A/m²)，其关系见公式1-1：

J_CD＝I_CD/S (1-1)

其中：

I_CD为理想电流(A)；

S为制样垂直于电流方向等效面积(m²)。

本发明的有益效果是：通过上述方案，通过逐渐升高电压，实时监测“电流-电压曲线”，捕捉理想的抛光电压和电流，从而解决了电压电流及时间的设置问题，有利于提高抛光质量。

附图说明

图1是现有技术中的金属电化学抛光电流电压特性曲线图。

图2是本发明一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备的示意图。

图3是本发明一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，包括电流-电压传感器9、电压控制器8、计算机7、电源1和电解槽11，所述电解槽11内设有电解液10、阴极6和作为阳极的工件3(又称样品)，所述阴极6和工件3分别置于所述电解液10中并对应设置，所述工件3与所述电源1的阳极连接，所述电源1的阴极串联所述电流-电压传感器9、电压控制器8后与所述阴极6连接，所述电流-电压传感器9的输出端与所述计算机7连接，所述电流-电压传感器9将监测到的电流数值、电压数值传给所述计算机7，所述计算机7与所述电压控制器8的输入端连接，所述计算机7通过所述电压控制器8控制电源1的电压。

如图2所示，阴极6和工件3平行设置，阴极6位于工件3的正下方，工件3为金属材料。

如图2所示，所述化学抛光设备还包括电解槽温度控制***5、热电偶2和搅拌器4，所述电解槽11设置在所述电解槽温度控制***5内，所述热电偶2和搅拌器4分别设置在所述电解槽11内，所述热电偶2的输出端与所述计算机7连接，所述计算机7与所述电解槽温度控制***5的输入端连接，所述热电偶2用于侦测所述电解槽11的温度并实时回传给计算机7，所述计算机7则通过电解槽温度控制***5来控制电解槽11的温度，实现电解槽11的闭环温度控制。

如图1至3所示，一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法，基于上述任意一项所述自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，进行以下步骤：

S1、设置温度、选取电解液，打开电源1；

S2、通过电压控制器8将电压从0V逐渐增加；

S3、通过电流-电压传感器9得到电流数值、电压数值，将电流数值、电压数值传给计算机7(或者后台***)，通过计算机7绘制“电流-电压”曲线，得到金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段，即图1中的“CD区间”；

S4、通过电压控制器8将电压控制在金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段中的某一值，进入电解抛光；

S5：如果电流出现明显波动，则停止电解抛光；或者人为观察到样品表面抛光完成，停止电解抛光；

S6、取出样品，对样品表面进行清洗。

与传统的电解抛光设备相比，改进后的电解抛光设备配置了电压控制器8、电流-电压传感器9和计算机7，电流-电压传感器9和计算机7形成了自动电压控制***，电流-电压传感器9和计算机7形成了电压电流监控***。在电解抛光过程中，设备首先从0V升高电压，电压电流监控***得到“电流-电压”曲线，自动获得理想抛光区间“CD段”，即得到理想抛光电流I_CD以及理想电压V_CD范围。因此还可以可由I_CD能够得到该工件3(工件3为金属材料)在该工艺条件下(电解液、温度、电压电流、搅拌速度等)的理想电流密度J_CD(A/m²)，其关系见公式1-1：

J_CD＝I_CD/S (1-1)

其中：I_CD为理想电流(A)；

S为制样垂直于电流方向等效面积(m²)。

本发明提供的一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备及其方法，通过逐渐升高电压，实时监测“电流-电压曲线”的方法，捕捉理想的抛光电压和电流，从而解决了电压电流的设置问题；同时，当采用理想电压-电流进行抛光一段时间后，当电流出现明显波动时候，为抛光结束时间，这样便解决了抛光时间因式样尺寸不同而变化的问题。因此使得化学抛光方法重复性差、抛光质量不稳定的问题得到了很大程度上改善。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，其特征在于：包括电流-电压传感器、电压控制器、计算机、电源和电解槽，所述电解槽内设有电解液、阴极和作为阳极的工件，所述阴极和工件分别置于所述电解液中并对应设置，所述工件与所述电源的阳极连接，所述电源的阴极串联所述电流-电压传感器、电压控制器后与所述阴极连接，所述电流-电压传感器的输出端与所述计算机连接，所述电流-电压传感器将监测到的电流数值、电压数值传给所述计算机，所述计算机与所述电压控制器的输入端连接，所述计算机通过所述电压控制器控制电压。

2.根据权利要求1所述的自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，其特征在于：所述化学抛光设备还包括电解槽温度控制***、热电偶和搅拌器，所述电解槽设置在所述电解槽温度控制***内，所述热电偶和搅拌器分别设置在所述电解槽内，所述热电偶的输出端与所述计算机连接，所述计算机与所述电解槽温度控制***的输入端连接。

3.一种自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法，其特征在于，基于权利要求1至2中任意一项所述自动控制电流、电压及时间的化学抛光设备，进行以下步骤：

S1、打开电源；

S2、通过电压控制器将电压从0V逐渐增加；

S3、通过电流-电压传感器得到电流数值、电压数值，将电流数值、电压数值传给计算机，通过计算机绘制“电流-电压”曲线，得到金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段；

S4、通过电压控制器将电压控制在金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段中的某一值，进入电解抛光。

4.根据权利要求3所述的自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法，其特征在于，步骤S1还包括设置温度，通过热电偶将电解槽内温度及时反馈到计算机，监控温度变化，通过电解槽温度控制***维持电解槽内温度为设定值；选取电解液。

5.根据权利要求3所述的自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法，其特征在于：还包括步骤S5：如果电流出现明显波动，则停止电解抛光。

6.根据权利要求3所述的自动控制电流、电压及时间的化学抛光方法，其特征在于：在步骤S3中，通过计算机绘制“电流-电压”曲线，得到金属电化学抛光电流电压特性曲线中的最佳抛光阶段，从而得到了理想抛光电流I_CD以及理想电压V_CD，由理想抛光电流I_CD能够得到该工件的理想电流密度J_CD(A/m²)，其关系见公式1-1：

J_CD＝I_CD/S (1-1)其中：

I_CD为理想电流(A)；

S为制样垂直于电流方向等效面积(m²)。