Композиция и способ электролитической полировки титана на основе композиции
Изобретение относится к области электролитической обработки металлической поверхности и может быть использовано для полирования изделий, выполненных из нелегированного титана. Композиция содержит серную кислоту в количестве 20-40 об. % с концентрацией 95-98 %, фтористоводородную кислоту в количестве 10-18 об. % с концентрацией 40-48 %, уксусную кислоту в количестве 42-62 об.% с концентрацией 90-100%, вызывающую изменение электрохимических равновесных состояний на поверхности раздела "раствор - металл", при этом уксусная кислота позволяет эффективнее контролировать окисление и растворение титановой поверхности и ограничивает химическое растворение металлической поверхности. Способ включает полировку в электролитической ванне при температуре в ванне около 20-22°С, плотности тока около 7 А/дм2, напряжении около 11 В и при умеренном перемешивании композиции в ванне, обеспечивая скорость растворения титана около 6 мкм/мин. Технический результат: изобретение позволяет получать металлические поверхности высокого качества с заданной и измеряемой шероховатостью. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.
Область техники
Настоящее изобретение относится к композиции для электролитической полировки металлической поверхности, выполненной из нелегированного титана, обычно осуществляемой в электролитической ванне, и к способу электролитической полировки металлической поверхности из нелегированного титана, осуществляемому на основе данной композиции.
Под термином "полировка" понимается обработка с целью устранения шероховатости на металлической поверхности и, следовательно, повышения ее блеска, обеспечивающего, как следствие, снижение чувствительности к коррозии.
Кроме механических средств для этой цели (использование абразивных порошков с уменьшающимся классом крупности, чистовая обработка, пришлифовка и пр.) применяются также приемы, основанные на использовании химических и/или электролитических реакций. Химическая полировка применяется в том случае, когда для протекания реакций не требуется наличия внешнего источника электрического тока, а электролитическая полировка, - когда реакции зависят от внешнего источника электрического тока, причем одним из электродов служит полируемая деталь (в принципе, связанная с положительным полюсом источника электрического тока).
Настоящее изобретение относится к разделу техники, связанному с электролитической полировкой.
Электролитическая полировка основана на двух одновременно протекающих и противодействующих реакциях, относительные скорости протекания которых и явления диффузии на поверхности раздела "металл/раствор" контролируют технологический процесс. Одной из этих реакций является реакция растворения, во время которой металл переходит в раствор в ионной форме; другой реакцией служит реакция окисления, при которой образуется более или менее защитный окисный слой, ограничивающий своим присутствием протекание первой реакции. Эти обе реакции, оставаясь противодействующими и комплексными, ограничивают разъедание металлической поверхности, полировка которой является лишь частным результатом.
Полировка электролитическим способом существенно зависит от вязкости и/или удельного сопротивления используемого электролита. Известно применение разных кислотных составов, в частности, составов на основе фтористоводородной, серной, азотной и фосфорной кислот, взятых в разных концентрациях. Одни из этих кислот (например, фтористоводородная) позволяют производить растворение окисного слоя на металлической поверхности. Другие кислоты (например, фосфорная, серная кислоты и др.) образуют вязкую среду, необходимую для проведения электролитической полировки. Необходим строгий контроль за концентрацией компонентов электролитов для обеспечения соответствующего протекания процесса и определения срока службы этих электролитов.
Предшествующий уровень техники
Известны многочисленные композиции для электрополировки, которые осуществляются в ванне (см., например, US 3766030, US 3864238, US 5591320, US 5565084 и др.). Некоторые из этих известных композиций являются поливалентными и позволяют обрабатывать как чистый титан, так и его сплавы. В связи с этим качество обработки в таких ваннах является невысоким, а полировка металлических поверхностей является оптимальной.
Раскрытие существа изобретения
Целью настоящего изобретения является создание композиции для электролитической полировки специально нелегированного титана, осуществляемой в электролитической ванне таким образом, чтобы получаемая металлическая поверхность характеризовалась высоким и измеряемым показателем качества и чтобы в результате соответствующего подбора электрических параметров для применяемого состава можно было получать металлические поверхности с задаваемой и измеряемой шероховатостью (например, для трансплантатов тела из биосовместимого титана).
С этой целью была создана композиция для электролитической полировки металлической поверхности из нелегированного титана, осуществляемой в электролитической ванне, состоящая из следующих компонентов: серная кислота в количестве 20-40 об.% с концентрацией 95-98%, которая обладает низким окисляющим действием и высокой вязкостью; фтористоводородная кислота в количестве 10-18 об.% с концентрацией 40-48%, которая образует растворимые соли; уксусная кислота 42-62 об.% с концентрацией 90-100%, способная изменять электрохимические равновесные состояния на поверхности раздела "раствор - металл", причем уксусная кислота позволяет эффективнее контролировать окисление и растворение титановой поверхности и ограничить химическое растворение металлической поверхности, а также обеспечить ее полировку.
Характеристики раствора и концентрации серной и фтористоводородной кислот подобраны в соответствии с типом полируемого металла (нелегированный титан).
Ни в одной из композиций, известных из уровня техники, не используется уксусная кислота для полировки специально титана. Химические свойства уксусной кислоты (низкая диссоциация и пр.) позволяют наиболее оптимально регулировать электрохимические процессы при электролитической полировке титана.
Предпочтительно вводить в указанную выше композицию также аддитивный агент, так называемый "катионный смачиватель", например, четвертичную соль аммония, такую, как бромид цетилтриметиламмония или полученное замещением производное, такое, как бромид гексадецилпиридиния, из расчета 0,1-0,5 г/л. Данный агент изменяет поляризацию одного из двух электродов (чередующиеся явления адсорбции и десорбции) в среде и вызывает изменения явлений двойного слоя, что обеспечивает улучшение качества полировки и снижение потери металла.
Для применения указанной выше композиции в процессе электролитической полировки металлической поверхности должны осуществляться следующие условия: температура в электролитической ванне составляет 20-22°С, при этом не должно нарушаться необходимое равновесие между скоростью окисления и скоростью растворения образовавшегося окисного слоя; плотность анодного тока составляет около 7 А/дм; электрическое напряжение при полировке (напряжение между электродами) составляет около 11В, эти электрические характеристики (плотность тока и напряжение) подобраны с учетом конфигурации полируемой поверхности и/или возможного применения вспомогательного анода (анодов); умеренное перемешивание композиции в ванне, соответствующее каждому отдельному случаю применения и производимое таким образом, чтобы соблюдалась стабильность вязкого слоя на поверхности раздела между электродом (полируемой поверхностью) и жидким раствором (слишком интенсивное или недостаточное перемешивание дестабилизирует межфазный слой и приводит к неудовлетворительным результатам полировки), в результате чего скорость растворения титана составляет около 6 мкм/мин.
Благодаря предложенным в изобретении композиции и способу можно регулировать и контролировать с высокой точностью условия электрохимического растворения титановой поверхности, а также возможно получить степень качества полировки титана, которая существенно превосходит качество, обеспечиваемое ранее известными способами. Таким образом на титановой поверхности, не обработанной после прокатки и характеризующейся максимальной шероховатостью Rt порядка 1-2 мкм и средней шероховатостью R a порядка 0,1-0,15 мкм, можно получить после электролитической полировки максимальную шероховатость Rt порядка 0,5 мкм и среднюю шероховатость Ra порядка 0,05-0,10 мкм при толщине слоя растворенного металла порядка 50-100 мкм. Кроме того, условия ведения процесса электролитической полировки легко осуществляемы и позволяют получать измеряемую и задаваемую шероховатость. Дополнительное применение указанного выше аддитивного агента позволяет благодаря более эффективному контролю за условиями ведения процесса снимать металл меньшей толщины и получать заданную величину шероховатости. В примере специально для указанного выше состава без добавки аддитивного агента предусмотрены серная кислота в количестве 25 об.% с концентрацией 98% и плотностью 1,84; фтористоводородная кислота в количестве 15 об.% с концентрацией 40% и плотностью 1,10; ледяная уксусная кислота в количестве 60 об.%. с концентрацией 100% и плотностью 1,05.
Замеры шероховатости, проведенные на металлической поверхности из нелегированного титана до и после электролитической полировки, дали следующие результаты: R t - максимальная шероховатость; Ra - средняя шероховатость - до полировки (необработанная поверхность после прокатки) Rt=1,80 мкм, Rа=0,176мкм; после полировки (толщина слоя растворенного металла 22 мкм) Rt =0,670 мкм, Ra=0,080 мкм; после полировки (толщина слоя растворенного металла 59мкм) Rt=0,396 мкм, R a=0,057 мкм; после полировки (толщина слоя растворенного металла 116 мкм) Rt=0,432 мкм, Ra=0,080 мкм.
Формула изобретения
1. Композиция для электролитической полировки металлической поверхности, выполненной из нелегированного титана, включающая серную и фтористоводородную кислоты, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит уксусную кислоту при следующем соотношении компонентов, об.%:
Серная кислота с концентрацией
95-98% 20-40
Фтористоводородная кислота с концентрацией 40-48% 10-18
Уксусная кислота с концентрацией 90-100% 42-62
причем уксусная кислота вызывает изменение электрохимического равновесного состояния на поверхности раздела "раствор - металл", контролирует окисление и растворение титановой поверхности и ограничивает химическое растворение металлической поверхности.
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, об.%:
Серную кислоту с концентрацией 98% и
плотностью 1,84 25
Фтористоводородную кислоту с концентрацией 40% и плотностью 1,10 15
Ледяную уксусную кислоту с концентрацией 100% и плотностью 1,05 60
3. Композиция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит аддитивный агент, выбранный из группы, включающей бромид цетилтриметиламмония и бромид гексадецилпиридиния, взятого в количестве 0,1-0,5 г/л.
4. Способ электролитической полировки металлической поверхности, выполненной из нелегированного титана, включающий полировку в электролитической ванне, отличающийся тем, что применяют композицию по пп.1-3 при температуре в ванне около 20-22°С, плотности тока около 7 А/дм2, напряжении около 11 В и при умеренном перемешивании композиции в ванне, обеспечивая скорость растворения титана около 6 мкм/мин.
