專利名稱：用于鈦的電解拋光的電解液組合物及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于非合金化鈦制成的金屬表面的電解拋光的電解液組合物，并涉及使用這種電解液的方法。
術(shù)語“拋光”理解為，為了降低金屬表面粗糙度，從而提高其亮度，因此具有更低的腐蝕敏感性而進行的一種處理。
除了用于該目的的機械方法(例如減小顆粒尺寸的磨料粉末、精加工、珩磨等)以外，還有一些依賴于使用化學(xué)和/或電解反應(yīng)的技術(shù)。因此，當(dāng)發(fā)生的反應(yīng)不依靠外部電流源時，該技術(shù)稱為“化學(xué)拋光”，當(dāng)反應(yīng)依賴于外部電流源，電極之一(一般連接到電流源的正極)由待拋光的工件組成時，該技術(shù)稱為“電解拋光”。
本發(fā)明在電解拋光的技術(shù)范疇內(nèi)。
電解拋光依賴于兩個同時的但相反的反應(yīng)，其中，在金屬/溶液界面上的相對速度和擴散現(xiàn)象控制操作過程。這些反應(yīng)之一是溶解反應(yīng)，在溶解反應(yīng)過程中，金屬以離子形式進入溶液中；另一個反應(yīng)是一種氧化反應(yīng)，在該反應(yīng)中，形成一種氧化層，該層在一定程度上是防護性的，在其存在時，限制第一個反應(yīng)的進行。這兩個相反的復(fù)雜反應(yīng)相互競爭，結(jié)果是由金屬表面進行的化學(xué)腐蝕是自限性的，拋光只是這種腐蝕的一種特殊結(jié)果。
電解獲得的拋光主要受所用的電解質(zhì)的粘度和/或電阻影響。已知使用各種酸組合物，特別是以各種濃度的氫氟酸、硫酸、硝酸和磷酸為基礎(chǔ)的組合物。這些酸中的一些(例如氫氟酸)使得在金屬表面上形成的氧化物層被溶解，而其它的酸(例如磷酸、硫酸等)形成進行電解拋光所必需的粘性介質(zhì)。為了保證該工藝過程合適進行并確定這些電解質(zhì)的壽命，正確控制電解質(zhì)組分的濃度是必要的。
許多電解拋光電解液組合物是已知的(見例如US3,766,030、US3,864,238、US5,591,320、US5,565,084等)。這些已知組合物中的一些是多用途的，可以處理純鈦及其合金。由于這個原因，這些電解液的作用質(zhì)量是一種折衷的結(jié)果，所處理的金屬表面的拋光不是最佳的。
所以，本發(fā)明的目的主要是提供一種專門電解拋光非合金化鈦的電解液組合物，以便獲得具有高質(zhì)量和可測量的拋光程度的金屬表面，而且通過在使用該組合物時合適選擇電參數(shù)，獲得具有可以預(yù)先確定的(“可調(diào)節(jié)的”)和可測量的(例如在用鈦制成的生物相容的活體植入物的情況下)粗糙度的金屬表面。
為了這些目的，根據(jù)本發(fā)明，一種用于非合金化鈦制成的金屬表面的電解拋光的電解液組合物，特征在于它包含-硫酸(95-98％的溶液)20-40體積％，這種酸具有微氧化性和高粘度；-氫氟酸(40-48％的溶液)10-18體積％，這種酸產(chǎn)生可溶的鹽；和-醋酸(90-100％的溶液)42-62體積％，適用于改變在溶液/金屬界面上的電化學(xué)平衡，醋酸可以更好地控制鈦表面的氧化和溶解，并產(chǎn)生金屬表面的化學(xué)溶解的自限制性，金屬表面的拋光是其結(jié)果之一。
根據(jù)待拋光金屬(非合金化鈦)的類型，設(shè)計硫酸和氫氟酸的溶液和濃度特性。
現(xiàn)有技術(shù)已知的配方中沒有一種使用醋酸來用于專門拋光鈦。醋酸由于其化學(xué)性質(zhì)(低離解等)，在鈦進行電化學(xué)拋光時，可以更好地調(diào)節(jié)所用的電化學(xué)過程。
有利的是，還可以向上述電解液組合物中加入一種稱為“陽離子潤濕劑”的添加劑，例如，季銨鹽如十六烷基三甲基溴化銨，或一種取代衍生物如十六烷基溴化吡啶鎓，加入量在0.1-0.5g/l范圍內(nèi)。這種試劑改變在介質(zhì)中的兩個電極之一的極化(交替吸附和解吸現(xiàn)象)，并導(dǎo)致雙電層現(xiàn)象的改變。結(jié)果，改善了拋光質(zhì)量并去除更少的金屬。
在使用上述組合物時，必須結(jié)合下列條件-電解液溫度在20-22℃之間，使得在氧化速度與所形成的氧化層的溶解速度之間必須的平衡不會被打破；-陽極電流密度約7A/dm；
-拋光電壓(電極間電壓)約為11伏，這些電特性(電流密度和電壓)根據(jù)待拋光表面的形狀和/或根據(jù)一個或多個輔助陽極的可能使用來設(shè)計；-電解液的適度攪拌，這能夠調(diào)節(jié)以適用于每種特定用途，以便保持在電極(待拋光表面)與液體溶液之間的界面上的粘滯層的穩(wěn)定性(太劇烈的攪拌或不充分的攪拌會使該界面層失穩(wěn)，導(dǎo)致拋光效果差)，從而使鈦的溶解速度約為6微米/分鐘。
使用本發(fā)明提出的措施，可以極為精確地調(diào)節(jié)和控制鈦金屬表面的電化學(xué)溶解條件，還可以獲得大大優(yōu)于目前為止已知技術(shù)可以獲得的鈦的拋光程度。因此，為了給出一種特定的情況，從最大粗糙度Rt為1-2微米左右、平均粗糙度Ra為0.1-0.15微米左右的軋制鈦表面開始，在本發(fā)明的條件下電解拋光后，可以獲得0.5微米左右的最大粗糙度Rt、0.05-0.10微米左右的平均粗糙度Ra，溶解的金屬厚度為約50-100微米。此外，首先，電解拋光進行的條件是完全可控的，從而獲得可測量的且可預(yù)先確定的粗糙度。最后，使用如上所述的添加劑通過更好地控制所述過程進行的條件，使得可以去除更小厚度的金屬來獲得給定的粗糙度值。
沒有添加劑的上述組合物的一種具體實施例如下-硫酸98％的溶液；密度1.84；25體積％；-氫氟酸40％的溶液；密度1.10；15體積％；-冰醋酸100％的溶液；密度1.05；60體積％。
在電解拋光前后，在非合金化鈦金屬表面上進行的粗糙度測量，獲得下列結(jié)果(Rt＝最大粗糙度；Ra＝平均粗糙度)拋光前(軋制態(tài)表面)Rt＝1.80微米，Ra＝0.176微米拋光后(溶解的金屬厚度＝22微米)Rt＝0.670微米，Ra＝0.080微米拋光后(溶解的金屬厚度＝59微米)Rt＝0.396微米，Ra＝0.057微米拋光后(溶解的金屬厚度＝116微米)Rt＝0.432微米，Ra＝0.080微米
權(quán)利要求
1.一種用于電解拋光非合金化鈦制成的金屬表面的電解液組合物，其特征在于它包含-硫酸(95-90％的溶液)20-40體積％，-氫氟酸(40-48％的溶液)10-18體積％，和-醋酸(90-100％的溶液)42-62體積％，適用于改變在溶液/金屬界面上的電化學(xué)平衡，醋酸可以更好地控制鈦表面的氧化和溶解，并產(chǎn)生金屬表面的化學(xué)溶解的自限制性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，特征在于它包含-硫酸90％的溶液；密度1.84；25體積％；-氫氟酸40％的溶液；密度1.10；15體積％；-冰醋酸100％的溶液；密度1.05；60體積％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的組合物，特征在于它還包含一種添加劑，選自十六烷基三甲基溴化銨和十六烷基溴化吡啶鎓，用量在0.1-0.5g/l范圍內(nèi)。
4.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項的用于電解拋光鈦的電解液組合物的方法，其特征在于-電解液溫度在約20-22℃之間；-陽極電流密度約7A/dm2；-拋光電壓約為11伏；-適度攪拌電解液，從而使鈦的溶解速度約為6微米/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及電解拋光非合金化鈦制成的金屬表面的電解液組合物,其特征在于它包含:硫酸(95－98%的溶液):20－40體積%,氫氟酸(40－48%的溶液):10－18體積%,和醋酸(90－100%的溶液):42－62體積%,適用于改變在溶液/金屬界面上的電化學(xué)平衡,醋酸可以更好地控制鈦表面的氧化和溶解,并產(chǎn)生金屬表面的化學(xué)溶解的自限制性。
文檔編號C25F3/00GK1358240SQ0080945
公開日2002年7月10日 申請日期2000年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者J·古爾林 申請人:歐洲核研究組織