Применение h2so4 в качестве электролита в процессах сглаживания и полирования металлов путем переноса ионов с помощью свободных твердых тел

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в ювелирном деле. Применение раствора H₂SO₄ в качестве электролита в процессах сглаживания и полирования металлов путем переноса ионов с помощью свободных полимерных твердых тел, являющихся электропроводными в газовой среде и состоящими из сферических частиц с пористостью и способностью удержания электролита с обеспечением электропроводности частиц, при этом применяют раствор H₂SO₄ с концентрацией, зависящей от типа полируемого металла или сплава. Технический результат: защита применения конкретного электролита для полирования нержавеющей стали, Cr-Co, титановых и алюминиевых сплавов. 13 з.п. ф-лы.

 

ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение, как указано в названии настоящего описания, относится к применению H₂SO₄ в качестве электролита в процессах сглаживания и полирования металлов путем переноса ионов с помощью свободных твердых тел с обеспечением преимуществ и особенностей, которые будут подробно описаны ниже и которые являются новыми по сравнению с известными в настоящее время в данной области техники.

Задачей настоящего изобретения является применение раствора на основе H₂SO₄ в качестве электролитической жидкости в процессах сглаживания и полирования металлических деталей, например, ювелирных изделий, путем переноса ионов с помощью свободных твердых тел, где указанные тела являются электропроводными и помещены вместе в газовую среду с расположением металлических деталей таким образом, чтобы они были соединены с положительным полюсом источника электроэнергии, такого как генератор постоянного тока, и, предпочтительно, с возможностью перемещения относительно объединения твердых тел (частиц) и расположения таким образом, чтобы создать электрический контакт с отрицательным полюсом источника питания, и где вышеуказанные твердые тела представляют собой макропористые полимерные частицы, способные удерживать в себе определенное количество указанной электролитической жидкости для обеспечения поддающейся определению электропроводности, что делает их электропроводными, где рассматриваемый электролит, состоящий из раствора H₂SO₄, применяется в различных пропорциях в зависимости от типа сглаживаемого или полируемого металла или сплава.

В частности, задачей настоящего изобретения является защита применения конкретного электролита для полирования стали, нержавеющей стали, Cr-Co, титановых и алюминиевых сплавов.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Область техники настоящего изобретения относится к промышленному сектору, связанному со сглаживанием и полированием металлических деталей, таких как золотые ювелирные изделия и сплавы, особенно, к процессам электролитического полирования с помощью частиц.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные системы для сглаживания и полирования металлов в средах со свободными твердыми телами (частицами).

В течение долгого времени применялся широкий спектр различных устройств, в которых механическое истирание достигалось за счет применения частиц, не прикрепленных к какой-либо подложке, с различной геометрией и размерами, а также с большей, чем у обрабатываемого материала, твердостью.

Указанные устройства обеспечивают трение частиц на обрабатываемых деталях за счет их относительного перемещения между собой.

К примеру, такие устройства состоят из вращающихся контейнеров (барабанов), вибрационных контейнеров или пескоструйных аппаратов.

Однако все системы, основанные на прямом механическом истирании, такие как ранее упомянутые системы, имеют серьезный недостаток, заключающийся в неоднородном воздействии на детали, означающем, что существует определенная пропорциональность между давлением, оказываемым абразивными средствами (частицами) на детали, и количеством разрушенного материала, и выступающие части детали зачастую излишне стираются и сглаживаются.

Кроме того, используемое в таких системах механическое воздействие во многих случаях является причиной повреждения деталей посредством ударов и деформаций от чрезмерного применения силы.

Более того, системы, основанные на механическом истирании, приводят к образованию поверхностей металлических деталей с пластической деформацией, и, тем самым, способствуют неизбежному закупориванию значительного количества посторонних материалов, во многих случаях делая обработку непригодной в связи с загрязнением поверхностных слоев материала.

Известны также системы для полирования, которое осуществляют посредством гальванической обработки, известное как электрополирование, где обрабатываемые металлические детали погружают в электролитическую жидкость без твердых частиц, таких как аноды.

Указанные процессы имеют преимущество по сравнению с описанным ранее исключительно механическим абразивным процессом в том, что они приводят к образованию поверхности без поверхностного загрязнения.

В настоящее время эффект выравнивания шероховатости более чем в несколько микрон во многих случаях является недостаточным, и таким образом, указанные виды обработки используют в основном в качестве чистовой обработки для предшествующих процессов механического истирания.

Кроме того, существуют гальванические процессы, в которых обрабатываемые металлические детали погружают в электролитическую жидкость, содержащую твердые тела (частицы), свободно перемещающиеся в ней.

Электролиты, разработанные для таких процессов, образуют более толстые анодные слои, чем в гальванических процессах без частиц, поэтому частицы, содержащиеся в электролите, механически взаимодействуют с анодным слоем, и шероховатость эффективно сглаживается вплоть до одного миллиметра.

Однако в обоих случаях гальванические процессы, применяемые до настоящего времени, часто приводят к появлению дефектов, таких как питинги или ступенчатые поверхности, которые связаны с кристаллической структурой и составом обрабатываемого металла, причем применение таких процессов часто ограничивается деталями, которые, благодаря своему составу (сплаву) и обработке литьем и формованием, демонстрируют способность к обработке без образования указанных недопустимых дефектов.

Эти недостатки были устранены заявителем в заявке на патент № ES2604830A1, владельцем которой он является, в которой описан процесс сглаживания и полирования металлов путем переноса ионов с помощью свободных твердых тел, а также электропроводных твердых тел для осуществления указанного процесса, включающего соединение деталей с положительным полюсом генератора тока посредством зажимного элемента, связанного с ним, и воздействие на детали трением частиц электропроводных свободных твердых тел, находящихся в контейнере с газовой средой, занимающих промежуточное пространство и электрически контактирующих с отрицательным полюсом (катодом) генератора тока непосредственно через контейнер или кольцо, выполняющее роль катода, при этом твердые тела обладают пористостью и сродством и способны удерживать в себе электролитическую жидкость ниже уровня насыщения, обладая таким образом электропроводностью.

На данный момент задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить рынку применение H₂SO₄ в качестве идеального электролита для указанного типа процесса и, кроме того, идельное соотношение H₂SO₄ в растворе в зависимости от типа металла или сплава полируемой детали для получения оптимальных результатов.

Как известно, H₂SO₄ является кислотой, которая широко применяется в процессах десорбции, травления и электрополирования различных металлов. Она образует растворимые соли практически со всеми металлами, поскольку является многоосновной кислотой, и подтверждает существование анодных слоев, которые делают возможным электрополирование.

Также, как можно видеть, при применении кислот с высоким давлением паров, таких как: HNO₃, HF, HCl и др., неизбежно происходит перенос электролита за счет испарения и последующей его конденсации в ядре полимерных сфер и на поверхности полируемых деталей. Это приводит к электрохимической коррозии, нарушающей взаимное расположение сфер и полируемой поверхности, и, как следствие, приводит к дефектам.

С другой стороны, применение H₂SO₄ с крайне низким давлением пара приводит к меньшему риску указанной коррозии. Таким образом, результаты, полученные, к примеру, для Ti оказались весьма приемлемыми, приводя к исключительно блестящим поверхностям и крайне низкой итоговой шероховатости.

С другой стороны, ссылаясь на современное состояние техники, можно утверждать, что заявителю не было известно о применении H₂SO₄ в качестве электролита в процессах сглаживания и полирования металлов путем переноса ионов с помощью свободных твердых тел или о других процессах электрополирования.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как указывалось ранее, в настоящем изобретении предложено, но не ограничено этим, применение H₂SO₄ в качестве электролита в процессах сглаживания и полирования металлов путем переноса ионов с помощью свободных твердых тел и, более конкретно, сглаживания и полирования металлических деталей, например ювелирных изделий, но не ограничиваясь ими, путем переноса ионов, осуществляемого свободными твердыми телами (частицами), которые являются электропроводными в газовой среде, где указанные твердые тела состоят из сферических частиц с достаточной пористостью и сродством для удержания определенного количества электролита для обеспечения поддающейся определению электропроводности.

Предпочтительно, вышеупомянутые свободные твердые тела, применяемые для указанного процесса представляют собой макропористые полимерные сферы, обменивающие ионы сульфированного полистирола, и, более конкретно, сферы, образованные матрицей из твердого сополимера стирола и дивинилбензола с сульфоновыми функциональными группами SO₃-, плотностью 1,24 кг/м³, с ионообменной емкостью равной или превышающей 1,7 г-экв/л, диаметром от 0,6 до 0,8 мм и влагоудерживающей способностью 52-58%, состоящей, например, из смолы, такой как смола, выпускаемая под названием AMBERLITE 252RFH®.

Причина применения именно такого типа сфер заключается в том, что, принимая во внимание то, что они состоят из органического полимера и, в свою очередь, содержат большую долю взаимосвязанных пор, равномерно распределенных в ядре сфер, они образуют материал, который обеспечивает подходящий компромисс между жесткостью и удерживающей способностью для электролитической жидкости и в то же время обладает способностью к кратковременному высвобождению электролитической жидкости под давлением и к возникающей в результате этого деформации сфер.

Кроме того, они также обладают высокой химической стойкостью, выдерживая высокие концентрации сильных кислот, таких как серная кислота H₂SO₄.

Они также имеют подходящие диаметры для предпочтительного полирования и выравнивания шероховатости, присутствующей в большинстве деталей для металлических зубных протезов.

В любом случае, как уже упоминалось, применяемая электролитическая жидкость представляет собой водный раствор H₂SO₄ с переменной концентрацией в зависимости от типа металла или сплава полируемой детали. Применение этого электролита было специально изучено на сталях, нержавеющих сталях, сплавах Cr-Co, а также никелевых, титановых и алюминиевых сплавах.

Сталь, нержавеющая сталь или Cr-Co сплавы

В качестве абсорбированного электролита и для его нанесения на подлежащие полировке детали из стали, нержавеющей стали или сплавов Cr-Co, используют водный раствор H₂SO₄ c концентрацией от 8 до 25 % (предпочтительно 15 %), и предпочтительно в пропорции от 40 до 50 % электролита в пересчете на сухой полимер.

Ni-сплавы

В качестве абсорбированного электролита для обработки деталей, изготовленных из Ni-сплавов типа «Инконель», применяют водный раствор H₂SO₄ c концентрацией от 15 до 30% (предпочтительно 20%).

Ti

В качестве абсорбированного электролита для обработки деталей, изготовленных из Ti и его сплавов, применяется раствор H₂SO₄ в спирте с молекулярной массой менее 100, причем указанные спирты могут быть простыми или многоатомными, такими как: метанол, этанол, пропанол, этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, и могут применяться отдельно либо одновременно.

Электролит, применяемый для Ti имеет очень низкое содержание воды, менее 5%, тем самым противодействуя сильной тенденции пассивирования указанного металла окислением в соответствии с уравнением: Ti + 2 H₂O = TiO₂ + 4H + 4 e-.

Применяя спирты с низкой вязкостью, такие как метанол и этанол (метанол: 0,5 сПз, вода: 1 сПз), можно достичь, с одной стороны, хорошей абсорбционной способности полимерных частиц сополимера стирола и дивинилбензола и, с другой стороны - высокой подвижности электролита через поровую систему частиц, что приводит к сглаживанию и полированию со скоростью, аналогичной скорости таких же процессов для сталей и Cr-Co сплавов (толщиной от 2 до 10 мкм/мин).

Предпочтительно и по вышеупомянутым причинам применяют электролит, состоящий из метанола и серной кислоты с концентрацией серной кислоты по отношению к метанолу от 10 до 30%, предпочтительно 20%.

Содержание воды предпочтительно должно составлять не более 5%.

Пример: H₂O: 80 % H₂SO₄: 18 % H₂O: 2 %

Процесс предпочтительно проводят в безводной газовой атмосфере, свободной от O₂ (например: N₂, CO₂, Ar и т.д.).

Предпочтительно, процесс проводят с приложенным напряжением от 30 до 80В и циклическими изменениями полярности с временным преобладанием полупериода, где полируемые детали являются анодами, например: 2 секунды + 0,5 секунды.

Для ускорения процесса в качестве добавок применяют галогениды, предпочтительно, хлориды и/или фториды в пропорциях от 0,05 до 0,4 %.

Пример: H₂O: 80 % H₂SO₄: 17,8 % H₂O: 2 % NaCl: 0,2 %

Помимо обеспечения хорошей растворимости хлоридов Ti, небольшой размер атомов Cl препятствует процессам пассивирования поверхности, происходящим за счет образования оксидных слоев, и, таким образом, приводит к эффективному переносу ионов.

Для сглаживания и полирования алюминия предпочтительно используют электролиты, аналогичные тем, которые подходят для Ti, но с большим содержанием воды и хлоридов.

Метанол: 30% вода: 40% H₂SO₄: 17 % NaCl: 13%

Содержание электролитической жидкости по отношению к полимерным абсорбирующим телам составляет от 40 до 50%.

Достаточно подробно описав природу настоящего изобретения и способы его осуществления, нет необходимости для дальнейшего пояснения для специалиста в данной области техники объема изобретения и преимуществ, вытекающих из него, принимая во внимание, что в пределах сущности изобретения, оно может быть осуществлено в других его вариантах, которые отличаются от представленного в качестве примера и которые также охватываются правовой охраной, при условии, что они не изменяют его основополагающий принцип.

1. Применение раствора H₂SO₄ в качестве электролита в процессах сглаживания и полирования металлов путем переноса ионов с помощью свободных полимерных твердых тел, являющихся электропроводными в газовой среде и состоящими из сферических частиц с пористостью и способностью удержания электролита с обеспечением электропроводности частиц, при этом применяют раствор H₂SO₄ с концентрацией, зависящей от типа полируемого металла или сплава.

2. Применение по п. 1, в котором для сглаживания и полирования деталей из стали или Cr-Co сплава применяют водный раствор H₂SO₄ с концентрацией от 8 до 25%.

3. Применение по п. 2, в котором для сглаживания и полирования деталей из стали или Cr-Co сплава концентрация H₂SO₄ в водном растворе составляет 15%.

4. Применение по п. 2 или 3, в котором для сглаживания и полирования деталей из стали или Cr-Co сплава содержание водного раствора H₂SO₄ составляет от 40 до 50% в пересчете на сухой полимер.

5. Применение по любому из пп. 2-4, в котором сталь представляет собой нержавеющую сталь.

6. Применение по любому из пп. 1-5, в котором для сглаживания и полирования деталей из сплавов Ni применяют водный раствор H₂SO₄ с концентрацией от 15 до 30%.

7. Применение по п. 6, в котором для сглаживания и полирования деталей из сплавов Ni применяют водный раствор H₂SO₄ с концентрацией 20%.

8. Применение по п. 1, в котором для сглаживания и полирования деталей из сплавов Ti применяют раствор H₂SO₄ в спирте с молекулярной массой менее 100.

9. Применение по п. 8, в котором раствор H₂SO₄ в спирте имеет содержание воды менее 5%.

10. Применение по любому из пп. 8 или 9, в котором для сглаживания и полирования деталей из сплавов Ti применяют электролит, состоящий из метанола и серной кислоты с концентрацией серной кислоты 10 и 30% по отношению к метанолу.

11. Применение по любому из пп. 8-10, в котором для сглаживания и полирования деталей из сплавов Ti процесс проводят в безводной газовой атмосфере, свободной от О₂, с приложенным напряжением от 30 до 80 В и с циклическими изменениями полярности с временным преобладанием полупериода, в котором полируемые детали являются анодами.

12. Применение по любому из пп. 8-11, в котором для сглаживания и полирования деталей из сплавов Ti добавляют галогениды в качестве добавок для ускорения процесса.

13. Применение по п. 12, в котором для сглаживания и полирования деталей из сплавов Ti указанные галогениды представляют собой хлориды и/или фториды с содержанием от 0,05 до 0,4% в электролите.

14. Применение по любому из пп. 1-13, в котором свободные твердые тела представляют собой макропористые полимерные сферы, образованные ионообменной матрицей из сополимера стирола и дивинилбензола с сульфоновыми функциональными группами.