鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法
2023-10-23 09:16:22
專利名稱：鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法
技術領域：
本發明是關於一種鈦及鈦合金製品的拋光方法，特別是關於一種利用等離子體拋光鈦及鈦合金製品的方法。
背景技術：
鈦金屬及鈦合金因為具有質輕、高強度、優異的抗腐蝕性，並且對於人體皮膚不會產生過敏等特性，因此被廣泛的應用在各種領域。鈦金屬在機械特性上具有高的相對強度(抗張力/密度)、高拉伸強度、抗疲勞、耐撞擊性以及高抗熱性等特性，因此已被應用於航天工業、運動器材、自行車零件、高爾夫球頭、眼鏡及其它多項民用製品上。此外，鈦金屬及鈦合金不會使人體皮膚產生過敏反映，因此可以取代以往會造成皮膚發癢或皮膚炎的鎳或鎳合金製品。另外，鈦金屬及鈦合金可應用於醫療器材，如鑷子，並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。正因為鈦金屬及鈦合金的應用廣泛，因此，鈦材料的加工也日益受到重視，其中拋光過程可以處理加工過程所形成的粗糙面，並且賦予產品更佳的質感，因此是整個鈦金屬及鈦合金加工過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，即機械拋光法、化學拋光法以及電解拋光法等方法，但是各有其限制及缺點。
公知的機械拋光法耗費人力，並且比較適合平面材料，對於非平面的材料，將有無法拋光的死角。此外，鈦金屬為一種活性金屬，經過鏡面拋光處理一段時間後，鏡面的表面性狀又會氧化，因此深井英明等人於日本專利JP4041656揭示了一種利於熱處理的技術，來防止鏡面表面性狀氧化的現象。但是，這種熱處理的方法所使用的溫度相當高(300～800℃)，同時需要控制在高真空度(10-3torr)的環境中進行拋光。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加入氧化劑的技術，其目的是使鈦金屬表面形成一表面氧化層，以防止研磨劑埋入並混入鈦金屬表面而形成研磨劑層，並通過此改善研磨拋光效果。但是此種方法仍較適於處理平面板才，對於立體曲面或有空洞等製品，在處理上有盲點及困難處。
公知的化學拋光法多數利用酸性溶液對鈦金屬做處理，如蘇聯專利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進行拋光。另外，松尾智幸等人在日本專利JP4088178揭示一種二段式化學拋光法，是先將鈦製品在磷酸、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，化學拋光法大多利用高濃度的酸性溶液，對於廢酸液的回收或處理，將會產生問題，對環保上也可能造成不利的影響。此外，對於拋光完成的鈦製品而言，因為材料微觀表面不同相(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到光亮平整的效果。
至於電解拋光法方面，如同化學拋光法，也需利用高濃度的酸性溶液作為電解液，如Uradoren Mihairobuitsuchi Shiy等人於日本專利JP56016700所揭示的利用硫酸、硝酸及氫氟酸並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、高危險性、製作過程管理不易以及廢液汙染等種種問題。
因此，由上述可知，公知技術中存在著加工技術上的限制以及其他多項不易處理的缺點，因此，若能提供一種製作過程簡便、安全性高、並且加工成品優良的方法，將能降低拋光製作過程的成本，並且進一步提高鈦製品的利用性。
發明內容
本發明的目的的之一就是提供一種快速、便宜的拋光方法，使鈦及鈦合金製品能得到潔淨光亮的表面，賦予成品更佳的質感。
本發明的另一目的就是改善公知拋光技術中的前處理步驟，可同步進行除油、除鏽、脫脂、清洗與拋光的製作過程，進而增加效率，減少不便及浪費。
本發明的再一目的就是提供無毒性與無汙染性的電解溶液，減少製作過程中的危險性，同時低濃度的電解液不會造成環保問題，並且可以節省配製溶液的成本。
本發明的又一目的就是提供一簡便快速的方法來拋光任何形狀的鈦製品，包括具有曲面、中空管狀物以及立體形狀等鈦製品，並且使拋光完成的被拋光物表面不受任何化學物質的汙染。
本發明是一種利用等離子體拋光的方式，拋光鈦及鈦合金製品表面的方法。此等離子體拋光是先配製總濃度為1～15％，並以銨離子(NH4+)為基礎的電解液，將鈦及鈦合金製品的待拋光物置入電解液中，通過直流電壓的輸出，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產生氣泡袋(Air gap)，並進而形成連續性的氣膜，此氣膜內所產生的放電等離子體會蝕刻被拋光物表面，同時，被拋光物表面因電化學作用而產生陽極氧化。當蝕刻速率與氧化速率達到最佳比例時，將在被拋光物表面造成優良的拋光效果。此外，高電位差通過在被拋光物表面與氣膜間形成電場，相對於局部突起處的周圍區域，被拋光物表面的局部突起處具有較大的電場，因此，該處的等離子體蝕刻速率也比較大。隨著處理時間的增加，被拋光物表面的粗糙度將隨之降低，最終達成完全平整的拋光面。因此，只要待拋光物為導電體，如鈦或鈦合金製品，並且可浸入電解液中，即可進行等離子體拋光。另外，不論待拋光物的形狀如何，如曲面的立體製品或是中空管狀物製品，只要其能浸泡於電解液中，均可進行外表面及內面的拋光。
以下將以具體實施例進一步說明本發明，下述實施例是用以闡明本發明，並非用以限定本發明的範圍，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許變動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視所附的權利要求書的範圍為準。
圖1為Ti-6A1-4V鈦合金螺釘在等離子體拋光前後的一組螺紋光學顯微鏡金屬相照片。
圖1A為等離子體拋光前的螺紋光學顯微鏡金屬相照片。
圖1B為等離子體拋光後的相同位置的該組螺紋光學顯微鏡金屬相照片。
圖2為Ti-6A1-4V鈦合金螺釘在等離子體拋光前後的另一組螺紋光學顯微鏡金屬相照片。
圖2A為等離子體拋光前的螺紋溝槽光學顯微鏡金屬相照片。
圖2B為等離子體拋光後的相同位置的該組螺絲溝槽光學顯微鏡金屬相照片。
具體實施例方式
實施例1以150×150×3mm3的純鈦平板為實驗樣品，配製1～8％的氯化銨水溶液，並將工作電流密度設定為0.3A/cm2，工作電壓設定為280～380V，電解液的加熱溫度為70～98℃，在上述條件下進行等離子體拋光，在不同拋光時間測定被拋光物的表面粗糙度及相對反射率，其結果如表一所示。其中，表面粗糙度(Ra)是以觸針式表面粗糙度儀所測量，並且相對反射率的計算如下所示相對反射率(％)＝(光澤計測量值/銀境測量值(視為100％反射))×100％由表一中可看出，隨著拋光時間增加，表面粗糙度迅速降低，而相對反射率則快速增加，等離子體拋光7分鐘後，粗糙度由原來的0.71μm下降至0.11μm，而相對反射率由34％提升至91％。由此可見，本發明以相當溫和的處理條件，就可達到優良的拋光效果。
表一本發明實施例1所得拋光後樣品的表面粗糙度及相對反射率
實施例2以Ti-6A1-4V的鈦合金高爾夫球頭為實驗樣品，其尺寸為長130mm，寬90mm，高54mm中空鑄造體，配製0.5～5％的氯化銨及0.5～5％的氟化銨的混合溶液為電解液，並將工作電流密度設定為0.42A/cm2，工作電壓設定為300～420V，電解液的加熱溫度為60～95℃，在前述條件下進行等離子體拋光。因為此實施例中的樣品為立體弧形，因此難以測量表面粗糙度的變化，而僅以光澤計測量固定位置的相對反射率表示，其相對反射率的測定及計算與實施例1相同，其結果如表二所示。
表二中顯示隨著拋光時間增加，相對反射率快速增加，等離子體拋光5分鐘後，不論電壓為380V或420V，均可大幅度提升被拋光樣品的相對反射率。由此可見，對於立體形狀如具有曲面的物體，本發明的等離子體拋光法也能提供絕佳的拋光效果。
表二本發明實施例2所得拋光後樣品的相對反射率
實施例3以Ti-6A1-4V的鈦合金螺絲為實驗樣品，此螺釘為醫療用人體植入物，其尺寸為長10mm，直徑約為6mm。先配製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，並將工作電流密度設定為0.1A/cm2，工作電壓設定為210～320V，電解液的加熱溫度為75～96℃，在前述條件下進行等離子體拋光。因為螺絲樣品的表面粗糙度及相對反射率難以測量，因此此處以拋光前包含二組螺紋的光學顯微鏡金屬相照片與相同位置拋光1分鐘後的金屬相照片(如圖1所示及圖2所示)加以對照。由圖1及圖2的照片顯示，拋光後的螺紋毛邊已去除，而表面也變的非常光亮，此外，溝槽內的加工紋路已被去除並整平。
由上述說明及實施例中可發現，本發明鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法可徹底改善公知技術的缺點，並且製作過程簡便，適用於任何形狀的鈦製品，提高作業的安全性，並且不會製造環保問題。且檢索相關的文獻資料，並未發現相同的申請，申請人依法提出發明專利申請，請審查員審查，並授予專利權。
權利要求
1.一種用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為至少包含下列步驟(a)配製含有銨離子(NH4+)的電解液；(b)將該電解液的溫度維持在60～98℃的範圍內；(c)將待拋光物浸入該電解液中；(d)對該待拋光物施加210～420V的直流正電壓以產生放電等離子體進行拋光；以及(e)拋光完成後，取出已拋光的成品。
2.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該含有銨離子的電解液濃度為1-15％。
3.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該含有銨離子的電解液包含氯化銨溶液。
4.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該含有銨離子的電解液包含氟化銨溶液。
5.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該含有銨離子的電解液包含硫酸銨溶液。
6.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該含有銨離子的電解液為1～8％氯化銨溶液。
7.如權利要求6所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該電解液的溫度維持在70～98℃的範圍內。
8.如權利要求6所述的用於鈦及鈦合金製品的電拋光方法，其特徵為對該待拋光物所施加的直流正電壓為280～380V。
9.如權利要求7所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為對該待拋光物所施加的直流正電壓為280～380V。
10.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵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.如權利要求10所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該電解液的溫度維持在60～95℃的範圍內。
12.如權利要求10所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為對該待拋光物所施加的直流正電壓為300～420V。
13.如權利要求11所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為對該待拋光物所施加的直流正電壓為300～420V。
14.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵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.如權利要求14所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該電解液的溫度維持在75～96。的範圍內。
16.如權利要求14所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為對該待拋光物所施加的直流正電壓為210～320V。
17.如權利要求15所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為對該待拋光物所施加的直流電壓為210～320V。
18.如權利要求1所述用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該待拋光物為具有曲面的立體物品。
19.如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法，其特徵為該待拋光物為中空管狀物。
20.一種利用如權利要求1所述的用於鈦及鈦合金製品的等離子體拋光方法所製成的物品。
全文摘要
本發明提供了一種利用等離子體拋光鈦及鈦合金製品的方法，本發明是將鈦及鈦合金製品的待拋光物置入含有銨離子(NH
文檔編號C25F3/16GK1534113SQ0312159
公開日2004年10月6日 申請日期2003年4月1日 優先權日2003年4月1日
發明者賴泰鍠, 賴泰 申請人:環宇真空科技股份有限公司