一种可循环使用的钛合金镜面抛光液及其制备方法与流程

1.本发明涉及金属材料抛光技术领域，具体涉及一种可循环使用的钛合金镜面抛光液及其制备方法。


背景技术：

2.钛合金具有质量轻、比强度高、耐蚀性好、耐热性好和生物相容性好等特点，被广泛应用在航空、军工、造船、化工、冶金、机械、医疗等领域。例如，钛与铝、铬、钒、钼、锰等元素组成的合金，经过热处理，强度极限可达1176.8-1471mpa，比强度达27-33，与它相同强度的合金钢，其比强度只有15.5-19。钛合金不仅强度高，而且耐腐蚀，因此在船舶制造、化工机械和医疗器械方面都有广泛的应用。其中耐蚀性钛合金主要用于各种强腐蚀环境的反应器、塔器、高压釜、换热器、泵、阀、离心机、管道、管件、电解槽等。随着人们对3c电子产品向轻、薄、耐腐蚀等要求发展，钛合金作为一种理想的材料，应用于3c电子产品的中框。
3.目前，3c电子产品对产品外观要求较高，一般要求表面进行高光处理，目前钛合金的抛光一般有化学抛光、电化学抛光以及化学机械抛光等，由于钛合金本身的耐腐蚀性能，钛合金的化学抛光、电化学抛光等一般使用氢氟酸、高氯酸等强酸和强氧化剂，对环境和操作人员带来极大的危害。现有报道的钛合金的化学机械抛光液较少，其中使用双氧水和硅溶胶的抛光液配方体系最为常见。在目前的3c加工领域内，由于抛光液的使用量大，为了节省成本，抛光液在使用过程中需循环使用以降低成本，双氧水作为易分解化学品，在使用过程中需不断的添加，且不断向空气中分解释放氧气，氧气的不断释放，在生产过程中有潜在的环境危险性。因此开发一种可循环使用、对环境友好且具有安全性能的钛合金化学机械抛光液具有重要的应用意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种可循环使用的钛合金镜面抛光液及其制备方法，所述抛光液的成分简单、使用安全性高，用于钛合金的表面抛光加工时，抛光效果好且效率高，能够循环使用；所述抛光液的制备方法简单、条件温和可控，适合于工业化生产。
5.本发明的目的通过下述技术方案予以实现：一种可循环使用的钛合金镜面抛光液，包括如下重量百分比的原料：
6.磨料
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20-50％；
7.反应促进剂
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0.1-2％；
8.缓蚀剂
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0.2-1％；
9.其余为去离子水。
10.优选的，所述抛光液的ph为2-4。
11.优选的，所述抛光液还包括ph调节剂，所述ph调节剂为氢氧化钾或硝酸。通过ph调节剂的加入调节和维持抛光液体系的ph环境。
12.优选的，所述磨料的粒径为20-140nm。
13.钛合金作为一种具有优异的耐腐蚀性能的合金，主要是因为在空气或含氧介质中，钛或钛合金的表面会快速形成一层致密且附着力强的氧化膜。本发明所述抛光液处于酸性条件下，通过采用反应促进剂中的氢离子被还原为氢原子，吸附在钛表面，并进入钛晶格间隙中生成tih
1.5
，进而破坏钛表面致密氧化膜的形成，从而使反应促进剂与钛发生反应；通过磨料的微机械摩擦以及反应促进剂与钛的反应共同作用，能够快速将反应促进剂与钛表面反应产生的产物去除，提高钛合金表面的抛光质量，提高钛表面反应产物的去除速率；通过采用缓蚀剂控制该反应速率，协调该化学反应速率和物理机械去除之间的平衡，从而实现钛合金表面的高质量镜面处理，提升抛光效果及效率。
14.优选的，所述反应促进剂为具有还原性质的酸。更优选的，所述反应促进剂为亚磷酸、亚硝酸、次磷酸、草酸、甲酸或乳酸中的至少一种。通过上述反应促进剂的加入，使抛光液处于酸性条件下使反应促进剂中的氢离子被还原为氢原子，吸附到钛表面并进入钛晶格间隙中生成tih1.5，破坏钛表面的氧化膜形成，使反应促进剂与钛表面发生反应。
15.优选的，所述缓蚀剂为硝酸钠、硅酸钠、钼酸铵、钨酸钠、聚磷酸钠、巯基苯并噻唑、苯并三氮唑或油酸三乙醇胺中的至少一种。
16.优选的，所述磨料为纳米硅溶胶或纳米氧化钛中的至少一种。作为本发明更优选的，所述磨料为纳米硅溶胶与纳米氧化钛以质量比为1:3-4混合组成的混合物。
17.当抛光液应用于钛合金的抛光处理时，磨料作为抛光液最主要的成分对抛光效果及抛光速率的影响较大。在本发明中，所述磨料为纳米硅溶胶与纳米氧化钛以质量比为1:3-4混合组成的混合物，其中，纳米硅溶胶的硬度较小、分散性好、并且能达到较高的平整度。而纳米氧化钛的加入能够提高磨料的硬度，使磨料与钛合金表面的微机械摩擦作用相当，既不会造成钛合金表面损伤，又能提高抛光的加工效率，有效缩短抛光的加工时间。纳米硅溶胶和纳米氧化钛均为纳米级别水平，颗粒细且均匀，分散性好，有效增强钛合金的镜面处理效果。
18.具体地，在本发明中，所述纳米硅溶胶的制备包括如下步骤：
19.a1、将正硅酸乙酯加入到无水乙醇中，超声处理3-5min，再加入去离子水和分散剂，继续超声处理3-5min得到预混液；
20.a2、向步骤a1所得的预混液中滴加稀硝酸，调节溶液ph为2-4，加热至80-100℃，并在80-100℃下保持反应2-4h，反应结束后降低温度至室温。
21.a3、向步骤a2所得的产物中加入等体积的无水乙醇和去离子水，搅拌均匀，加热至60-65℃，再缓慢滴加硅烷偶联剂，继续搅拌3-5h，冷却后即得到所述纳米硅溶胶。
22.优选的，在上述步骤a1中，所述正硅酸丁酯、无水乙醇、去离子水与分散剂的摩尔比为1:5-6.5:7-8:0.03-0.06，所述分散剂为聚乙烯比咯烷酮。
23.通过上述制备步骤得到的纳米硅溶胶粒径分布均匀，致密性和稳定性高，并且能够在钛合金表面铺展，平整度高。通过溶液ph调节使所述纳米硅溶胶呈酸性，进而使纳米硅溶胶作为磨料与反应促进剂配合时，有助于提高抛光效果和效率。本发明所述纳米硅溶胶的致密度较高，抛光过程中不容易碎裂，稳定性较好，能够循环使用，提高了抛光液的寿命。
24.在本发明中，所述纳米氧化钛的制备包括如下步骤：
25.s1、将无水乙醇缓慢加入至酞酸丁酯中，再加入冰醋酸，搅拌均匀配制成溶液a，备
用；
26.s2、将去离子水加入到无水乙醇中搅拌均匀配置成溶液b，备用；
27.s3、将步骤s1所得的溶液a加入到溶液b中，继续搅拌至溶胶状，并转至反应釜中，在180-200℃下反应2-3h，反应结束后，用水和乙醇洗涤、过滤、干燥后即得到所述纳米氧化钛。溶液a加入到溶液b的过程中边加入边快速搅拌。
28.优选的，在上述步骤s1中，无水乙醇、酞酸丁酯与冰醋酸的摩尔比为1:0.08-0.1:0.08-0.1。在步骤s2中，无水乙醇与去离子水的摩尔比为1:0.3-0.4。
29.优选的，在步骤s3中，溶液a和溶液b的体积比为1：0.6-0.7。
30.通过上述制备步骤得到的纳米氧化钛粒径均匀，硬度适中且耐磨性强。所述纳米氧化钛能够均匀分散于纳米硅溶胶中，通过纳米氧化钛的加入到纳米硅溶胶中能够有效提高磨料的硬度和耐磨性能，降低钛合金镜面的表面粗糙度，有效提高钛合金的镜面质量和抛光效率。同时，纳米氧化钛的质量稳定，能够循环使用，有助于提高抛光液的寿命。
31.如上述一种可循环使用的钛合金镜面抛光液的制备方法，包括如下步骤：
32.(1)称取去离子水，将反应促进剂加入到去离子水中配制成反应促进剂溶液，备用；
33.(2)称取去离子水，将缓蚀剂加入到去离子水中配制成缓蚀剂溶液，备用；
34.(3)称取去离子水，将磨料加入到去离子水中配制成磨料原液，备用；
35.(4)将步骤(1)配制的反应促进剂溶液和步骤(2)配制的缓蚀剂溶液依次加入到步骤(3)的磨料原液中，缓慢滴加ph调节剂，调节溶液ph为2-4，即得到所述抛光液。
36.本发明所述抛光液的制备方法简单，步骤简便，易于控制，适合于工业化的生产，且生产效率高，质量稳定。
37.本发明的有益效果在于：本发明公开了一种可循环使用的钛合金镜面抛光液，所述抛光液的成分简单，使用时安全性高，用于钛合金的表面加工具有良好的抛光性能，经所属抛光液加工处理使钛合金表面光泽度显著提高，并且钛合金表面粗糙度低，达到高质量的镜面效果。所述抛光液通过磨料与反应促进剂的配合提高了钛合金表面抛光效果和效率，并且可以在较长时间内循环使用，抛光液的寿命长，有效降低加工成本。
具体实施方式
38.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
39.实施例1
40.一种可循环使用的钛合金镜面抛光液，包括如下重量百分比的原料：
41.磨料
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20％；
42.反应促进剂
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0.15％；
43.缓蚀剂
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0.2％；
44.其余为去离子水。
45.在本实施例中，所述反应促进剂为亚磷酸，所述缓蚀剂为硅酸钠，所述ph调节剂为硝酸。所述磨料为纳米硅溶胶，所述纳米硅溶胶的制备包括如下步骤：
46.a1、将正硅酸乙酯加入到无水乙醇中，超声处理3-5min，再加入去离子水和分散
剂，继续超声处理3-5min得到预混液；
47.a2、向步骤a1所得的预混液中滴加稀硝酸，调节溶液ph为2，加热至80℃，在该温度下保持反应3h，反应结束后降低温度至室温。
48.a3、向步骤a2所得的产物中加入等体积的无水乙醇和去离子水，搅拌均匀，加热至60℃，再缓慢滴加硅烷偶联剂kh-560，继续搅拌4h，冷却后即得到所述纳米硅溶胶。
49.在上述步骤a1中，所述正硅酸丁酯、无水乙醇、去离子水与分散剂的摩尔比为1:6:8:0.04，所述分散剂为聚乙烯比咯烷酮。
50.本实施例所述抛光液的制备方法，包括如下步骤：
51.(1)称取去离子水，将反应促进剂加入到去离子水中配制成反应促进剂溶液，备用；
52.(2)称取去离子水，将缓蚀剂加入到去离子水中配制成缓蚀剂溶液，备用；
53.(3)称取去离子水，将磨料加入到去离子水中配制成磨料原液，备用；
54.(4)将步骤(1)配制的反应促进剂溶液和步骤(2)配制的缓蚀剂溶液依次加入到步骤(3)的磨料原液中，缓慢滴加ph调节剂，调节溶液ph为2，即得到所述抛光液。
55.实施例2
56.一种可循环使用的钛合金镜面抛光液，包括如下重量百分比的原料：
57.磨料
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40％；
58.反应促进剂
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1％；
59.缓蚀剂
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0.8％；
60.其余为去离子水。
61.在本实施例中，所述反应促进剂为甲酸，所述缓蚀剂为钨酸钠，所述ph调节剂为硝酸。所述磨料为纳米氧化钛，所述纳米氧化钛的制备包括如下步骤：
62.s1、将无水乙醇缓慢加入至酞酸丁酯中，再加入冰醋酸，搅拌均匀配制成溶液a，备用；
63.s2、将去离子水加入到无水乙醇中搅拌均匀配置成溶液b，备用；
64.s3、将步骤s1所得的溶液a加入到快速搅拌的溶液b中，继续搅拌至溶胶状，并转至反应釜中，在190℃下反应2h，反应结束后，用水和乙醇洗涤、过滤、干燥后即得到所述纳米氧化钛。
65.优选的，在上述步骤s1中，无水乙醇、酞酸丁酯与冰醋酸的摩尔比为1:0.08:0.08；在步骤s2中，无水乙醇与去离子水的摩尔比为1:0.3。
66.本实施例所述抛光液的制备方法，包括如下步骤：
67.(1)称取去离子水，将反应促进剂加入到去离子水中配制成反应促进剂溶液，备用；
68.(2)称取去离子水，将缓蚀剂加入到去离子水中配制成缓蚀剂溶液，备用；
69.(3)称取去离子水，将磨料加入到去离子水中配制成磨料原液，备用；
70.(4)将步骤(1)配制的反应促进剂溶液和步骤(2)配制的缓蚀剂溶液依次加入到步骤(3)的磨料原液中，缓慢滴加ph调节剂，调节溶液ph为4，即得到所述抛光液。
71.实施例3
72.一种可循环使用的钛合金镜面抛光液，包括如下重量百分比的原料：
73.磨料
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30％；
74.反应促进剂
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0.8％；
75.缓蚀剂
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0.6％；
76.其余为去离子水。
77.在本实施例中，所述反应促进剂为亚硝酸，所述缓蚀剂为硝酸钠，所述ph调节剂为硝酸。所述磨料为纳米硅溶胶与纳米氧化钛以质量比为1:3混合组成的混合物。
78.所述纳米硅溶胶的制备包括如下步骤：
79.a1、将正硅酸乙酯加入到无水乙醇中，超声处理5min，再加入去离子水和分散剂，继续超声处理5min得到预混液；
80.a2、向步骤a1所得的预混液中滴加稀硝酸，调节溶液ph为3，加热至90℃保持反应3h，反应结束后降低温度至室温。
81.a3、向步骤a2所得的产物中加入等体积的无水乙醇和去离子水，搅拌均匀，加热至60℃，再缓慢滴加硅烷偶联剂，继续搅拌3-5h，冷却后即得到所述纳米硅溶胶。
82.在上述步骤a1中，所述正硅酸丁酯、无水乙醇、去离子水与分散剂的摩尔比为1:6:8:0.05，所述分散剂为聚乙烯比咯烷酮。
83.所述纳米氧化钛的制备包括如下步骤：
84.s1、将无水乙醇缓慢加入至酞酸丁酯中，再加入冰醋酸，搅拌均匀配制成溶液a，备用；
85.s2、将去离子水加入到无水乙醇中搅拌均匀配置成溶液b，备用；
86.s3、将步骤s1所得的溶液a加入到快速搅拌的溶液b中，继续搅拌至溶胶状，并转至反应釜中，在190℃下反应2h，反应结束后，用水和乙醇洗涤、过滤、干燥后即得到所述纳米氧化钛。
87.优选的，在上述步骤s1中，无水乙醇、酞酸丁酯与冰醋酸的摩尔比为1:0.09:0.08；在步骤s2中，无水乙醇与去离子水的摩尔比为1:0.3。
88.本实施例所述抛光液的制备方法，包括如下步骤：
89.(1)称取去离子水，将反应促进剂加入到去离子水中配制成反应促进剂溶液，备用；
90.(2)称取去离子水，将缓蚀剂加入到去离子水中配制成缓蚀剂溶液，备用；
91.(3)称取去离子水，将磨料加入到去离子水中配制成磨料原液，备用；
92.(4)将步骤(1)配制的反应促进剂溶液和步骤(2)配制的缓蚀剂溶液依次加入到步骤(3)的磨料原液中，缓慢滴加ph调节剂，调节溶液ph为3，即得到所述抛光液。
93.对比例1
94.本对比例与实施例3的区别在于：本对比例采用的磨料为市售硅溶胶(山东百特新材料有限公司)。
95.对比例2
96.本对比例与实施例3的区别在于：本对比例采用的磨料为市售硅溶胶(山东百特新材料有限公司)与市售二氧化钛以质量比为1:3混合组成的混合物。
97.本发明中采用聚氨酯微孔发泡抛光垫为精抛垫，采用永辉五轴数控抛光机进行抛光测试，其中抛光垫直径为120mm，抛光盘转速为1000rpm/min，抛光液的加液速率为1l/
min，抛光压力为50n，测试材料为10mm*60mm的tc4钛合金，钛合金为经过3m 765sa5000#金字塔砂纸打砂后的表面，抛光时间为5min。抛光后的表面使用byk4563微型三角度光泽仪测量表面光泽度、三丰sj-210表面粗糙度仪测量表面粗糙度以及使用zeiss光学显微镜对表面进行放大50倍观察表面有无线纹、麻点等不良。抛光液的循环使用时间通过连续抛光实验进行测试。去除速率采用称重法，采用精度为万分之一的电子天平称取抛光前后的工件质量，通过公式：去除速率＝质量差/(密度*抛光面积*时间)进行计算。
[0098][0099][0100]
由上述数据表对比可知，本发明采用磨料、反应促进剂和缓蚀剂等得到的抛光液在钛合金的抛光加工中展现出较好的抛光效果，与对比例1-2相比，使用实施例1-3的抛光液抛光测得钛合金表面的光泽度在1100-1200gu之间，表面粗糙度在0.014-0.017ra/μm，说明本发明制备的抛光液对钛合金的抛光性能好，经抛光处理后的钛合金表面光泽度高，镜面效果佳。同时，从去除速率的结果来看，使用实施例1-3所制得的抛光液加工的去除速率为260-297，明显高于对比例1-2的去除速率，说明采用本发明的抛光液的抛光加工时间短、效率高。另外，通过本发明制备的纳米硅溶胶粒径均匀、致密性和稳定性较好，在抛光加工过程中能够循环使用，寿命长，显著降低加工成本。本发明通过将纳米硅溶胶和纳米氧化钛配合作为抛光液的磨料，有效提高了磨料的硬度和耐磨性，能够快速将反应促进剂与钛表面反应产生的产物去除，提高钛合金表面的抛光质量和抛光加工效率。
[0101]
上述的具体实施例是对本发明技术方案和有益效果的进一步说明，并非对实施方式的限定。对本领域技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。