WO2001000906A1 - Composition de bain pour le polissage electrolytique du titane, et son procede d'utilisation - Google Patents

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    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00—Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/16—Polishing
    • C25F3/22—Polishing of heavy metals
    • C25F3/26—Polishing of heavy metals of refractory metals

Definitions

  • the present invention relates to a bath composition for the electrolytic polishing of a metallic surface of unalloyed titanium, as well as to a method of using this bath.
  • polishing is meant a treatment aimed at reducing the roughness of a metal surface and, consequently, at increasing its gloss with, as a consequence, a lower sensitivity to corrosion.
  • the present invention is situated in the technical context of electrolytic polishing.
  • Electrolytic polishing is based on two simultaneous and antagonistic reactions, whose relative speeds and diffusion phenomena at the metal / solution interface control the operating process.
  • One of these reactions is a dissolution reaction during which the metal goes into solution in ionic form; the other reaction is an oxidation reaction during which an oxide layer is formed more or less protective limiting by its presence the evolution of the first reaction.
  • These two reactions, antagonistic and complex enter into competition with the consequence of a self-limitation of the chemical attack on the metallic surface, the polishing of which is only a particular result.
  • the polishing obtained by electrolytic means is appreciably influenced by the viscosity and / or the resistivity of the electrolyte used. It is known to use various acid compositions, in particular compositions based on hydrofluoric, sulfuric, nitric, phosphoric acids in various concentrations. Some of these acids (for example hydrofluoric acid) allow the dissolution of the oxide layer formed on the metal surface, while others (for example phosphoric acid, sulfuric, etc.) form the viscous medium necessary for the evolution of electrolytic polishing. Correct control of the concentrations of the constituents of the electrolytes is essential to ensure the proper development of the process and determine the life of these electrolytes.
  • the main object of the present invention is therefore to propose a bath composition for the specific electrolytic polishing of unalloyed titanium, so to obtain a metal surface having a high quality and measurable degree of polishing, but also so as to obtain, by an appropriate choice of the electrical parameters for processing the composition, metal surfaces having a predetermined roughness ("adjustable") and measurable (for example for biocompatible titanium body implants).
  • a bath composition for the electrolytic polishing of a metal surface of unalloyed titanium is characterized, being in accordance with the invention, in that it comprises:
  • a so-called addition agent can also be added to the above-mentioned bath composition.
  • cationic wetting agent for example a quaternary ammonium salt such as cetyltrimethylammonium bromide or a substituted derivative such as hexadecylpyridinium bromide in an amount of 0.1 to 0.5 g / l.
  • This agent modifies the polarization of one of two electrodes (alternating phenomena of adsorption and desorption) in the medium and leads to modifications of the phenomena of double layer. This results in an improvement in the quality of polishing with less removal of metal.
  • bath temperature of between 20 and 22 ° C., so that the necessary balance between the speed of oxidation and the speed of dissolution of the oxide layer formed; density of the anode current of about 7 A / dm; electrical polishing voltage (voltage between electrodes) of approximately 11 volts, these electrical characteristics (current density and voltage) being adapted according to the shape of the surfaces to be polished and / or the possible use of anode ( s) auxiliary (s); moderate agitation of the bath, adaptable for each specific application, so as to respect the stability of the viscous layer at the interface of the electrode (surface to be polished) and the liquid solution (excessive agitation or insufficient fisante would destabilize this interfacial layer and lead to poor polishing results), which makes the titanium dissolution rate around 6 microns / min.
  • the means proposed by the invention it is possible to regulate and control with extreme precision the conditions of electrochemical dissolution of the metal surface in titanium and it is also possible to achieve a degree of polishing of the titanium much higher than what allowed the techniques known to date.
  • a surface in rough rolling titanium which has a maximum roughness Rt of the order of 1 to 2 ⁇ m and an average roughness Ra of the order of 0.1 to 0.15 ⁇ m
  • composition mentioned above without addition agent, is the following: - sulfuric acid: 98% solution; density

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Abstract

Composition de bain pour le polissage électrolytique d'une surface métallique en titane non allié, caractérisée en ce qu'elle comprend: de l'acide sulfurique (solution 95 à 98 %): 20 à 40 % vol.; de l'acide fluorhydrique (solution 40 à 48 %): 10 à 18 % vol.; et de l'acide acétique (solution 90 à 100 %): 42 à 62 % vol.; propre à modifier les équilibres électrochimiques à l'interface solution-métal, l'acide acétique permettant de mieux contrôler l'oxydation et la dissolution de la surface de titane et de conduire à une auto-limitation de la dissolution chimique de la surface métallique.

Description

COMPOSITION DE BAIN POUR LE POLISSAGE ELECTROLYTIQUE DU TITANE, ET SON PROCEDE D'UTILISATION
La présente invention concerne une composition de bain pour le polissage electrolytique d'une surface métallique en titane non allié, ainsi qu'un procédé d'utilisation de ce bain.
Sous le terme "polissage", on entend un traitement visant à diminuer la rugosité d'une surface métallique et, partant, à en augmenter la brillance avec, comme conséquence, une moindre sensibilité à la corrosion.
Mis à part les moyens mécaniques utilisés dans ce but (emploi de poudres abrasives de granulométries décroissantes, usinages fins, rodages, etc.), il existe également des techniques reposant sur la mise en œuvre de réactions chimiques et/ou électrolytiques . C'est ainsi que l'on parle de polissage chimique lorsque les réactions engendrées ne font pas appel à une source extérieure de courant et de polissage electrolytique lorsque les réactions sont sous la dépendance d'une source extérieure de courant, une des électrodes ( en principe celle reliée au pôle positif de la source de courant électrique) étant constituée par la pièce à polir.
La présente invention se situe dans le contexte technique du polissage electrolytique.
Le polissage electrolytique repose sur deux réactions simultanées et antagonistes, dont les vitesses relatives et les phénomènes de diffusion à l'interface métal/solution contrôlent le processus opératoire. L'une de ces réactions est une réaction de dissolution au cours de laquelle le métal passe en solution sous forme ionique ; l'autre réaction est une réaction d'oxydation durant laquelle se forme une couche d'oxyde plus ou moins protectrice limitant par sa présence l'évolution de la première réaction. Ces deux réactions, antagonistes et complexes, entrent en compétition avec pour conséquence une auto-limitation de l'attaque chimique de la surface métallique, dont le polissage n'est qu'un résultat particulier .
Le polissage obtenu par voie electrolytique est sensiblement influencé par la viscosité et/ou la résistivité de l' electrolyte mis en œuvre. Il est connu d'avoir recours à diverses compositions d'acides, notamment des compositions à base d'acides fluorhydrique, sulfurique, nitrique, phosphorique dans des concentrations diverses. Les uns de ces acides (par exemple l'acide fluorhydrique) permettent la dissolution de la couche d'oxyde formée sur la surface métallique, tandis que les autres (par exemple acide phosphorique, sulfurique, etc.) forment le milieu visqueux nécessaire à l'évolution du polissage electrolytique. Un contrôle correct des concentrations des constituants des électrolytes est indispensable pour assurer l'évolution convenable du processus et déterminer la durée de vie de ces électrolytes .
De nombreuses compositions de bain d' électropolissage sont connues (voir par exemple US 3 766 030, US 3 864 238, US 5 591 320, US 5 565 084, etc.). Certaines de ces compositions connues sont polyvalentes et permettent de traiter aussi bien le titane pur que ses alliages. De ce fait, la qualité d'action de ces bains est le résultat d'un compromis et le polissage des surfaces métalliques traitées n'est pas optimum.
La présente invention a donc essentiellement pour but de proposer une composition de bain pour le polissage electrolytique spécifique du titane non allié, de manière à obtenir une surface métallique ayant un degré de polissage de haute qualité et mesurable, mais aussi de manière à obtenir, par un choix approprié des paramètres électriques de mise en œuvre de la composition, des surfaces métalliques présentant une rugosité prédéterminable ("réglable") et mesurable (par exemple pour des implants corporels en titane biocompatibles).
A ces fins, une composition de bain pour le polissage electrolytique d'une surface métallique en titane non allié se caractérise, étant conforme à l'invention, en ce qu'elle comprend :
- acide sulfurique (solution 95 à 98 %) : 20 à 40 % en volume, cet acide présentant de légères propriétés oxydantes et une forte viscosité ; - acide fluorhydrique (solution 40 à 48 %) : 10 à
18 % en volume, cet acide donnant naissance à des sels qui sont solubles ; et
- acide acétique (solution 90 à 100 %) : 42 à 62 % vol., propre à modifier les équilibres électrochimiques à l' interface solution-métal, l'acide acétique permettant de mieux contrôler l'oxydation et la dissolution de la surface de titane, et de conduire à une auto-limitation de la dissolution chimique de la surface métallique, dont le polissage de la surface métallique est l'un des résultats.
Les caractéristiques de solution et de concentration des acides sulfurique et fluorhydrique sont adaptées au type de métal à polir (titane non allié) . Aucune des formulations connues de l'état de la technique ne met en œuvre l'acide acétique pour polir spécifiquement le titane. L'acide acétique, eu égard à ses propriétés chimiques ( faible dissociation, etc ) , permet une meilleure régulation des processus électrochimiques mis en œuvre lors de la réalisation du polissage electrolytique du titane.
De façon avantageuse, on peut ajouter en outre à la composition de bain précitée un agent d'addition dit
"mouillant cationique", par exemple un sel quaternaire d'ammonium tel que le cétyltriméthylammonium bromure ou un dérivé substitué tel que l' hexadécylpyridinium bromure à raison de 0,1 à 0,5 g/1. Cet agent modifie la polarisation de l'une de deux électrodes (phénomènes alternés d' adsorption et de désorption) dans le milieu et conduit à des modifications des phénomènes de double couche. Il en résulte une amélioration de la qualité du polissage avec un enlèvement moindre de métal . Pour la mise en œuvre de la composition de bain précitée, on réunira les conditions suivantes : température du bain comprise entre 20 et 22 °C, de manière que ne soit pas perturbé l'équilibre nécessaire entre la vitesse d'oxydation et la vitesse de dissolution de la couche d'oxyde formée ; densité du courant anodique d' environ 7 A/dm; tension électrique de polissage (tension entre électrodes) d'environ 11 volts, ces caractéristi- ques électriques (densité de courant et tension) étant adaptées en fonction de la forme des surfaces à polir et/ou de l'utilisation éventuelle d'anode (s) auxiliaire (s) ; agitation modérée du bain, adaptable pour chaque application spécifique, de manière à respecter la stabilité de la couche visqueuse à l'interface de l'électrode (surface à polir) et de la solution liquide (une agitation trop importante ou insuf- fisante déstabiliserait cette couche interfaciale et conduirait à de mauvais résultats de polissage) , ce grâce à quoi la vitesse de dissolution du titane est d'environ 6 microns/mn.
Grâce aux moyens proposés par l'invention, il est possible de réguler et de contrôler avec une extrême précision les conditions de dissolution électrochimique de la surface métallique en titane et on est aussi en mesure de parvenir à un degré de polissage du titane bien supérieur à ce que permettaient les techniques connues à ce jour. Ainsi, pour fixer les idées, à partir d'une surface en titane brute de laminage qui présente une rugosité maximale Rt de l'ordre de 1 à 2 μm et une rugosité moyenne Ra de l'ordre de 0,1 à 0,15 μm, il est possible d'obtenir, après polissage electrolytique dans les conditions de l'invention, une rugosité maximale Rt de l'ordre de 0,5 μm et une rugosité moyenne Ra de l'ordre de 0,05 à 0,10 μm avec une épaisseur dissoute de métal de l'ordre de 50 à 100 μm. En outre et surtout, les conditions de conduite du processus de polissage electrolytique sont parfaitement maîtrisables de manière à obtenir une rugosité mesurable et prédéterminable . Enfin le recours à un agent d'addition comme indiqué plus haut permet, par un meilleur contrôle des conditions d'évolution du processus, d'éliminer une épaisseur moindre de métal pour parvenir à une valeur donnée de rugosité.
Un exemple spécifique de la composition mentionnée plus haut, sans agent d'addition, est la suivante : - acide sulfurique : solution à 98 % ; densité
1,84 ; 25 % vol ; acide fluorhydrique : solution à 40 % ; densité 1, 10 ; 15 % vol ; acide acétique glacial : solution à 100 % ; densité 1,05 ; 60 % vol.
Des mesures de rugosité effectuées sur une surface métallique en titane non allié, avant et après polissage electrolytique, ont donné les résultats suivants (Rt = rugosité maximale ; Ra = rugosité moyenne) :
avant polissage (surface brute de laminage) Rt = 1,80 μm Ra = 0,176 μm
après polissage (épaisseur de métal dissoute = 22 uni) Rt = 0,670 μm Ra = 0,080 μm
après polissage (épaisseur de métal dissoute = 59 μm) Rt = 0,396 μm Ra = 0,057 μm
après polissage (épaisseur de métal dissoute = 116 μm) Rt = 0,432 μm Ra= 0,080 μm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composition de bain pour le polissage electrolytique d'une surface métallique en titane non allié, caractérisée en ce qu'elle comprend : acide sulfurique (solution 95 à 98 %) : 20 à 40 % vol., acide fluorhydrique (solution 40 à 48 %) : 10 à 18 % vol., et - acide acétique (solution 90 à 100 %) : 42 à 62 % vol., propre à modifier les équilibres électrochimiques à l'interface solution-métal, l'acide acétique permettant de mieux contrôler l'oxydation et la dissolution de la surface de titane et de conduire à une auto-limitation de la dissolution chimique de la surface métallique.
2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend : - acide sulfurique : solution à 98 % ; densité
1,84 ; 25 % vol ;
- acide fluorhydrique : solution à 40 % ; densité 1,10 ; 15 % vol ;
- acide acétique glacial : solution à 100 % ; densité 1,05 ; 60 % vol.
3. Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un agent d'addition choisi parmi le cetyltrimethylammonium bromure et l'hexadécylpyridinium bromure, à raison de 0,1 à 0,5 g/1.
4. Procédé d'utilisation d'une composition de bain pour le polissage electrolytique du titane selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que : la température du bain est comprise entre environ 20 et 22°C, la densité de courant est d'environ 7 A/dm2, la tension de polissage est d'environ 11 volts, le bain est agité de façon modérée, ce grâce à quoi la vitesse de dissolution du titane est d'environ 6 microns/mn.
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