專利名稱：鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種鈦及鈦合金制品的拋光方法，特別是關(guān)于一種利用等離子體拋光鈦及鈦合金制品的方法。
背景技術(shù)：
鈦金屬及鈦合金因?yàn)榫哂匈|(zhì)輕、高強(qiáng)度、優(yōu)異的抗腐蝕性，并且對(duì)于人體皮膚不會(huì)產(chǎn)生過(guò)敏等特性，因此被廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域。鈦金屬在機(jī)械特性上具有高的相對(duì)強(qiáng)度(抗張力/密度)、高拉伸強(qiáng)度、抗疲勞、耐撞擊性以及高抗熱性等特性，因此已被應(yīng)用于航天工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器材、自行車零件、高爾夫球頭、眼鏡及其它多項(xiàng)民用制品上。此外，鈦金屬及鈦合金不會(huì)使人體皮膚產(chǎn)生過(guò)敏反映，因此可以取代以往會(huì)造成皮膚發(fā)癢或皮膚炎的鎳或鎳合金制品。另外，鈦金屬及鈦合金可應(yīng)用于醫(yī)療器材，如鑷子，并且可作為生物體植入物的材料，如骨骼固定板、螺絲和脊椎支撐籠(Cage)等。正因?yàn)殁伣饘偌扳伜辖鸬膽?yīng)用廣泛，因此，鈦材料的加工也日益受到重視，其中拋光過(guò)程可以處理加工過(guò)程所形成的粗糙面，并且賦予產(chǎn)品更佳的質(zhì)感，因此是整個(gè)鈦金屬及鈦合金加工過(guò)程中不可或缺的加工程序。
公知的鈦金屬及鈦合金的拋光方法大致上可分為三種，即機(jī)械拋光法、化學(xué)拋光法以及電解拋光法等方法，但是各有其限制及缺點(diǎn)。
公知的機(jī)械拋光法耗費(fèi)人力，并且比較適合平面材料，對(duì)于非平面的材料，將有無(wú)法拋光的死角。此外，鈦金屬為一種活性金屬，經(jīng)過(guò)鏡面拋光處理一段時(shí)間后，鏡面的表面性狀又會(huì)氧化，因此深井英明等人于日本專利JP4041656揭示了一種利于熱處理的技術(shù)，來(lái)防止鏡面表面性狀氧化的現(xiàn)象。但是，這種熱處理的方法所使用的溫度相當(dāng)高(300～800℃)，同時(shí)需要控制在高真空度(10-3torr)的環(huán)境中進(jìn)行拋光。另外，平田修一等人在日本專利JP6170721中揭示了另一種在拋光研磨時(shí)加入氧化劑的技術(shù)，其目的是使鈦金屬表面形成一表面氧化層，以防止研磨劑埋入并混入鈦金屬表面而形成研磨劑層，并通過(guò)此改善研磨拋光效果。但是此種方法仍較適于處理平面板才，對(duì)于立體曲面或有空洞等制品，在處理上有盲點(diǎn)及困難處。
公知的化學(xué)拋光法多數(shù)利用酸性溶液對(duì)鈦金屬做處理，如蘇聯(lián)專利SU1715887所揭示的利用硝酸、硫酸、40％的醋酸及氫氟酸以25～30％∶40～45％∶2～5％∶25～28％的比例所混合的水溶液來(lái)進(jìn)行拋光。另外，松尾智幸等人在日本專利JP4088178揭示一種二段式化學(xué)拋光法，是先將鈦制品在磷酸、醋酸與氫氟酸的混合溶液(混合比例為2∶1∶1)中加熱至50℃進(jìn)行第一段的拋光，接著再以7∶1的混合比例混合雙氧水與氫氟酸而完成第二段的拋光。由此可知，化學(xué)拋光法大多利用高濃度的酸性溶液，對(duì)于廢酸液的回收或處理，將會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，對(duì)環(huán)保上也可能造成不利的影響。此外，對(duì)于拋光完成的鈦制品而言，因?yàn)椴牧衔⒂^表面不同相(Phase)之間或晶粒(Grain)與晶界(Grainboundary)之間的蝕刻速率有差異，將使成品表面難以達(dá)到光亮平整的效果。
至于電解拋光法方面，如同化學(xué)拋光法，也需利用高濃度的酸性溶液作為電解液，如Uradoren Mihairobuitsuchi Shiy等人于日本專利JP56016700所揭示的利用硫酸、硝酸及氫氟酸并且混合表面活性劑所成的水溶液作為鈦及鈦合金的電解拋光液，此種方法仍存在著高毒性、高危險(xiǎn)性、制作過(guò)程管理不易以及廢液污染等種種問(wèn)題。
因此，由上述可知，公知技術(shù)中存在著加工技術(shù)上的限制以及其他多項(xiàng)不易處理的缺點(diǎn)，因此，若能提供一種制作過(guò)程簡(jiǎn)便、安全性高、并且加工成品優(yōu)良的方法，將能降低拋光制作過(guò)程的成本，并且進(jìn)一步提高鈦制品的利用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的的之一就是提供一種快速、便宜的拋光方法，使鈦及鈦合金制品能得到潔凈光亮的表面，賦予成品更佳的質(zhì)感。
本發(fā)明的另一目的就是改善公知拋光技術(shù)中的前處理步驟，可同步進(jìn)行除油、除銹、脫脂、清洗與拋光的制作過(guò)程，進(jìn)而增加效率，減少不便及浪費(fèi)。
本發(fā)明的再一目的就是提供無(wú)毒性與無(wú)污染性的電解溶液，減少制作過(guò)程中的危險(xiǎn)性，同時(shí)低濃度的電解液不會(huì)造成環(huán)保問(wèn)題，并且可以節(jié)省配制溶液的成本。
本發(fā)明的又一目的就是提供一簡(jiǎn)便快速的方法來(lái)拋光任何形狀的鈦制品，包括具有曲面、中空管狀物以及立體形狀等鈦制品，并且使拋光完成的被拋光物表面不受任何化學(xué)物質(zhì)的污染。
本發(fā)明是一種利用等離子體拋光的方式，拋光鈦及鈦合金制品表面的方法。此等離子體拋光是先配制總濃度為1～15％，并以銨離子(NH4+)為基礎(chǔ)的電解液，將鈦及鈦合金制品的待拋光物置入電解液中，通過(guò)直流電壓的輸出，使得正極待拋光物周圍的電解溶液因高電位差而瞬間蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡袋(Air gap)，并進(jìn)而形成連續(xù)性的氣膜，此氣膜內(nèi)所產(chǎn)生的放電等離子體會(huì)蝕刻被拋光物表面，同時(shí)，被拋光物表面因電化學(xué)作用而產(chǎn)生陽(yáng)極氧化。當(dāng)蝕刻速率與氧化速率達(dá)到最佳比例時(shí)，將在被拋光物表面造成優(yōu)良的拋光效果。此外，高電位差通過(guò)在被拋光物表面與氣膜間形成電場(chǎng)，相對(duì)于局部突起處的周圍區(qū)域，被拋光物表面的局部突起處具有較大的電場(chǎng)，因此，該處的等離子體蝕刻速率也比較大。隨著處理時(shí)間的增加，被拋光物表面的粗糙度將隨之降低，最終達(dá)成完全平整的拋光面。因此，只要待拋光物為導(dǎo)電體，如鈦或鈦合金制品，并且可浸入電解液中，即可進(jìn)行等離子體拋光。另外，不論待拋光物的形狀如何，如曲面的立體制品或是中空管狀物制品，只要其能浸泡于電解液中，均可進(jìn)行外表面及內(nèi)面的拋光。
以下將以具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，下述實(shí)施例是用以闡明本發(fā)明，并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許變動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍為準(zhǔn)。


圖1為Ti-6A1-4V鈦合金螺釘在等離子體拋光前后的一組螺紋光學(xué)顯微鏡金屬相照片。
圖1A為等離子體拋光前的螺紋光學(xué)顯微鏡金屬相照片。
圖1B為等離子體拋光后的相同位置的該組螺紋光學(xué)顯微鏡金屬相照片。
圖2為Ti-6A1-4V鈦合金螺釘在等離子體拋光前后的另一組螺紋光學(xué)顯微鏡金屬相照片。
圖2A為等離子體拋光前的螺紋溝槽光學(xué)顯微鏡金屬相照片。
圖2B為等離子體拋光后的相同位置的該組螺絲溝槽光學(xué)顯微鏡金屬相照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1以150×150×3mm3的純鈦平板為實(shí)驗(yàn)樣品，配制1～8％的氯化銨水溶液，并將工作電流密度設(shè)定為0.3A/cm2，工作電壓設(shè)定為280～380V，電解液的加熱溫度為70～98℃，在上述條件下進(jìn)行等離子體拋光，在不同拋光時(shí)間測(cè)定被拋光物的表面粗糙度及相對(duì)反射率，其結(jié)果如表一所示。其中，表面粗糙度(Ra)是以觸針式表面粗糙度儀所測(cè)量，并且相對(duì)反射率的計(jì)算如下所示相對(duì)反射率(％)＝(光澤計(jì)測(cè)量值/銀境測(cè)量值(視為100％反射))×100％由表一中可看出，隨著拋光時(shí)間增加，表面粗糙度迅速降低，而相對(duì)反射率則快速增加，等離子體拋光7分鐘后，粗糙度由原來(lái)的0.71μm下降至0.11μm，而相對(duì)反射率由34％提升至91％。由此可見(jiàn)，本發(fā)明以相當(dāng)溫和的處理?xiàng)l件，就可達(dá)到優(yōu)良的拋光效果。
表一本發(fā)明實(shí)施例1所得拋光后樣品的表面粗糙度及相對(duì)反射率

實(shí)施例2以Ti-6A1-4V的鈦合金高爾夫球頭為實(shí)驗(yàn)樣品，其尺寸為長(zhǎng)130mm，寬90mm，高54mm中空鑄造體，配制0.5～5％的氯化銨及0.5～5％的氟化銨的混合溶液為電解液，并將工作電流密度設(shè)定為0.42A/cm2，工作電壓設(shè)定為300～420V，電解液的加熱溫度為60～95℃，在前述條件下進(jìn)行等離子體拋光。因?yàn)榇藢?shí)施例中的樣品為立體弧形，因此難以測(cè)量表面粗糙度的變化，而僅以光澤計(jì)測(cè)量固定位置的相對(duì)反射率表示，其相對(duì)反射率的測(cè)定及計(jì)算與實(shí)施例1相同，其結(jié)果如表二所示。
表二中顯示隨著拋光時(shí)間增加，相對(duì)反射率快速增加，等離子體拋光5分鐘后，不論電壓為380V或420V，均可大幅度提升被拋光樣品的相對(duì)反射率。由此可見(jiàn)，對(duì)于立體形狀如具有曲面的物體，本發(fā)明的等離子體拋光法也能提供絕佳的拋光效果。
表二本發(fā)明實(shí)施例2所得拋光后樣品的相對(duì)反射率

實(shí)施例3以Ti-6A1-4V的鈦合金螺絲為實(shí)驗(yàn)樣品，此螺釘為醫(yī)療用人體植入物，其尺寸為長(zhǎng)10mm，直徑約為6mm。先配制0.5～5％的氯化銨，0.5～5％的硫酸銨及0.5～5％的氯化銨的混合溶液為電解液，并將工作電流密度設(shè)定為0.1A/cm2，工作電壓設(shè)定為210～320V，電解液的加熱溫度為75～96℃，在前述條件下進(jìn)行等離子體拋光。因?yàn)槁萁z樣品的表面粗糙度及相對(duì)反射率難以測(cè)量，因此此處以拋光前包含二組螺紋的光學(xué)顯微鏡金屬相照片與相同位置拋光1分鐘后的金屬相照片(如圖1所示及圖2所示)加以對(duì)照。由圖1及圖2的照片顯示，拋光后的螺紋毛邊已去除，而表面也變的非常光亮，此外，溝槽內(nèi)的加工紋路已被去除并整平。
由上述說(shuō)明及實(shí)施例中可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法可徹底改善公知技術(shù)的缺點(diǎn)，并且制作過(guò)程簡(jiǎn)便，適用于任何形狀的鈦制品，提高作業(yè)的安全性，并且不會(huì)制造環(huán)保問(wèn)題。且檢索相關(guān)的文獻(xiàn)資料，并未發(fā)現(xiàn)相同的申請(qǐng)，申請(qǐng)人依法提出發(fā)明專利申請(qǐng)，請(qǐng)審查員審查，并授予專利權(quán)。
權(quán)利要求
1.一種用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為至少包含下列步驟(a)配制含有銨離子(NH4+)的電解液；(b)將該電解液的溫度維持在60～98℃的范圍內(nèi)；(c)將待拋光物浸入該電解液中；(d)對(duì)該待拋光物施加210～420V的直流正電壓以產(chǎn)生放電等離子體進(jìn)行拋光；以及(e)拋光完成后，取出已拋光的成品。
2.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該含有銨離子的電解液濃度為1-15％。
3.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該含有銨離子的電解液包含氯化銨溶液。
4.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該含有銨離子的電解液包含氟化銨溶液。
5.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該含有銨離子的電解液包含硫酸銨溶液。
6.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該含有銨離子的電解液為1～8％氯化銨溶液。
7.如權(quán)利要求6所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該電解液的溫度維持在70～98℃的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求6所述的用于鈦及鈦合金制品的電拋光方法，其特征為對(duì)該待拋光物所施加的直流正電壓為280～380V。
9.如權(quán)利要求7所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為對(duì)該待拋光物所施加的直流正電壓為280～380V。
10.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該含有銨離子的電解液為0.5～5％氯化銨溶液與0.5～5％氟化銨溶液的混合溶液。
11.如權(quán)利要求10所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該電解液的溫度維持在60～95℃的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求10所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為對(duì)該待拋光物所施加的直流正電壓為300～420V。
13.如權(quán)利要求11所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為對(duì)該待拋光物所施加的直流正電壓為300～420V。
14.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該含有銨離子的電解液為0.5～5％氯化銨溶液，0.5～5％硫酸銨溶液與0.5～5％氟化銨溶液的混合溶液。
15.如權(quán)利要求14所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該電解液的溫度維持在75～96。的范圍內(nèi)。
16.如權(quán)利要求14所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為對(duì)該待拋光物所施加的直流正電壓為210～320V。
17.如權(quán)利要求15所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為對(duì)該待拋光物所施加的直流電壓為210～320V。
18.如權(quán)利要求1所述用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該待拋光物為具有曲面的立體物品。
19.如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法，其特征為該待拋光物為中空管狀物。
20.一種利用如權(quán)利要求1所述的用于鈦及鈦合金制品的等離子體拋光方法所制成的物品。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用等離子體拋光鈦及鈦合金制品的方法，本發(fā)明是將鈦及鈦合金制品的待拋光物置入含有銨離子(NH
文檔編號(hào)C25F3/16GK1534113SQ0312159
公開(kāi)日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2003年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月1日
發(fā)明者賴泰锽, 賴泰 申請(qǐng)人:環(huán)宇真空科技股份有限公司