一种新式电化学抛光装置及方法
阅读说明：本技术 一种新式电化学抛光装置及方法 (Novel electrochemical polishing device and method ) 是由 刘东光 黄炳喜 杨浩 黄亚男 于 2021-10-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新式电化学抛光装置及方法,包括电解槽、电解液石墨电极、铂金电极、固定活动座、加热磁力搅拌器,其中所述加热磁力搅拌器顶部设置有磁力转子,所述石墨电极和铂金电极均位于所述电解槽内部,并且所述电源的负极与石墨电极电性连接,所述电源的正极与铂金电极电性连接,所述固定活动座用于固定石墨电极和铂金电极,并调整二者距离,所述加热磁力搅拌器、温度感应器和磁力转子配合使用用于控制电解液温度以及搅拌所述电解槽盛放的电解液；采用上述装置和方法后,进一步的提高了工件表面抛光的均匀性,得到了粗糙度和亮度均匀的钨工件,提高了工件的表面质量,并且能够加工不同尺寸的钨工件。(The invention discloses a novel electrochemical polishing device and a novel electrochemical polishing method, which comprise an electrolytic bath, an electrolyte graphite electrode, a platinum electrode, a fixed movable seat and a heating magnetic stirrer, wherein a magnetic rotor is arranged at the top of the heating magnetic stirrer, the graphite electrode and the platinum electrode are both positioned in the electrolytic bath, the negative electrode of a power supply is electrically connected with the graphite electrode, the positive electrode of the power supply is electrically connected with the platinum electrode, the fixed movable seat is used for fixing the graphite electrode and the platinum electrode and adjusting the distance between the graphite electrode and the platinum electrode, and the heating magnetic stirrer, a temperature sensor and the magnetic rotor are matched for use and are used for controlling the temperature of the electrolyte and stirring the electrolyte contained in the electrolytic bath; after the device and the method are adopted, the uniformity of workpiece surface polishing is further improved, the tungsten workpiece with uniform roughness and brightness is obtained, the surface quality of the workpiece is improved, and the tungsten workpieces with different sizes can be processed.)
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种新式电化学抛光装置及方法。
背景技术
电化学抛光是近几十年发展起来的表面处理技术，又称为电解抛光。是以被抛工件为阳极，不溶性金属或石墨为阴极，两极同时浸入到电解池中，通以直流电产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面除去细微毛刺和光亮度增大的效果。由于电化学抛光的效率高，质量好，数分钟内即可降低金属表面的粗糙程度。
钨(W)由于其高熔点(3410℃)、高热导率、低的热膨胀系数、优异的抗溅射性能以及氚滞留低等优点，已广泛应用于机械密封、航空航天、电子和核聚变等领域。尤其在硬质合金密封件领域，硬质钨合金被认为是未来高润滑密封件中最有前景的合金材料，然而它的表面质量直接影响润滑损伤的程度。因此，为了提升面向硬质钨合金的表面质量，超精密抛光是不可缺少的一步。但是硬质钨合金作为一种硬脆材料，具有很低的可加工性，为了实现硬质钨合金的高效和高质量抛光，应用了电化学抛光。这种抛光方式不用考虑钨工件的硬度和脆性，并且抛光效率高，可以加工复杂形状的工件。但是在常见的电化学抛光装置中，阳极工件表面的不同区域的粘膜厚度和电场强度不同，会导致工件抛光不均匀，从而影响抛光质量。
发明内容
为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种新式电化学抛光装置及方法，通过将石墨电极和铂金电极采取上下对齐的安装方式，可以使得待抛光工件抛光面的各部分电场和粘性膜厚度相同，并且利用加热磁力搅拌器和磁力转子配合加速电解液的流动，促进离子扩散，从而提高了工件表面抛光的均匀性，得到了粗糙度和亮度均匀的钨工件，大大提高了工件的表面质量。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种新式电化学抛光装置，包括电解槽、电解液石墨电极、铂金电极、固定活动座、电源、电流表、电压表、加热磁力搅拌器、温度感应器和磁力转子，其中所述加热磁力搅拌器顶部设置有磁力转子，其中所述电解槽用于存放电解液，所述石墨电极和铂金电极均位于所述电解槽内部，并且所述电源的负极与石墨电极电性连接，所述电源的正极与铂金电极电性连接，所述固定活动座用于固定石墨电极和铂金电极，并调整二者距离，所述加热磁力搅拌器、温度感应器和磁力转子配合使用用于控制电解液温度以及搅拌所述电解槽盛放的电解液。
作为本发明进一步的方案：所述石墨电极和铂金电极之间的位置能够通过固定活动座上下左右调整。
作为本发明进一步的方案：所述石墨电极为L型或横向石墨电极。
作为本发明进一步的方案：所述铂金电极为L型或横向铂金电极。
作为本发明进一步的方案：所述铂金电极设置有由绝缘材料制作的活动挡板和固定挡板，避免工件放置之后掉落，活动挡板与弹性装置连接，可以固定尺寸不同的工件，其中弹性装置包括但不限于弹簧。
作为本发明进一步的方案：所述石墨电极和铂金电极采用上下平行对齐的安装方式。
作为本发明进一步的方案：一种新式电化学抛光方法，包括以下步骤：
步骤一、配制电解液；其中电解液的配方组成包括以下组分，氢氧化钠：10-30g/L，柠檬酸钠：0.1-0.2mo l/L，丙三醇：10-20mo l/L，去离子水适量。
步骤二、调整电化学抛光工艺参数；其中工艺参数为石墨电极和所述铂金电极距离为10mm，抛光电势为8-12V，电解液温度25℃，搅拌速率500-1000转/分钟，抛光时间5分钟；
步骤三、待抛光工件预处理；
步骤四、电化学抛光；
步骤五、抛光后清洗。
本发明的有益效果：
1、本发明提出一种新式电化学抛光装置，将石墨电极和铂金电极采取上下对齐的安装方式，可以使得待抛光工件抛光面的各部分电场和粘性膜厚度相同，并且利用加热磁力搅拌器和磁力转子配合加速电解液的流动，促进离子扩散，从而提高了工件表面抛光的均匀性，得到了粗糙度和亮度均匀的钨工件，大大提高了工件的表面质量。
2、本发明的改进方式中，所述固定活动座可根据实验要求，简单快捷的调节石墨电极和铂金电极之间的距离。此外铂金电极上的活动挡板可以调整，以满足不同尺寸的钨工件。
3、本发明提出的电化学抛光方法，电解液配方中氢氧化钠的作用是为溶液提供一个碱性环境，以保证钨工件的正常溶解；丙三醇作为成膜剂，在电解抛光过程中可以促进钨工件表面形成黏膜，以保证抛光效果；柠檬酸钠则与氧化钨反应，将金属的表面氧化物去除，从而得到光亮的表面。
4、本发明的提出的新式电化学抛光装置设计合理，结构简单，制作及安装方便，操作简单易行，使用该抛光方法的工件抛光质量好。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明中电化学抛光装置结构示意图；
图2是本发明中钨工件预处理后表面的原子力显微镜(AFM)图；
图3是本发明中实施例1硬质钨合金工件抛光后AFM测试图一；
图4是本发明中实施例1硬质钨合金工件抛光后AFM测试图二；
图5是本发明中实施例2硬质钨合金工件抛光后AFM测试图一；
图6是本发明中实施例2硬质钨合金工件抛光后AFM测试图二；
图7是本发明中实施例3硬质钨合金工件抛光后AFM测试图一；
图8是本发明中实施例3硬质钨合金工件抛光后AFM测试图二。
图中：1、加热磁力搅拌器；2、铂金电极；3、电解液；4、电解槽；5、电流表；6、电源；7、电压表；8、固定活动座；9、石墨电极；10、温度感应器；11、磁力转子。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的实施方式、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
如图1-8所示，一种新式电化学抛光装置，包括电解槽4、电解液3石墨电极9、铂金电极2、固定活动座8、电源6、电流表5、电压表7、加热磁力搅拌器1、温度感应器10和磁力转子11，其中所述加热磁力搅拌器1顶部设置有磁力转子11，所述加热磁力搅拌器1顶面与磁力转子11配合安装有电解槽4，在电解槽4内部盛放有电解液3，所述加热磁力搅拌器1背面一侧设置有安装架，安装架顶端固定连接有安装横杆，安装横杆左侧设置有两个固定活动座8，且两个固定活动座8能够左右移动，两个固定活动座8上均安装有连接杆一，且连接杆一为导电金属杆，两个连接杆一能够在对应的固定活动座8上上下移动，左侧连接杆一底端连接有铂金电极2，右侧连接杆一底端连接有石墨电极9，且在安装横杆右侧固定安装有安装座，在安装座中安装有连接杆二，其中连接杆二底端连接有温度感应器10，并且铂金电极2、石墨电极9和温度感应器10均位于电解液3中，左侧连接杆一顶端与电源6的正极电性连接，右侧连接杆一顶端与电源6的负极电性连接，且在电源6正极到左侧连接杆一顶端的线路上设置有电流表5和电压表7，用于监测电路中的电流和电压。
其中所述电解槽4用于存放电解液3，所述石墨电极9和铂金电极2均位于所述电解槽4内部，并且所述电源6的负极与石墨电极9电性连接，所述电源6的正极与铂金电极2电性连接，所述固定活动座8用于固定石墨电极9和铂金电极2，并调整二者距离，所述加热磁力搅拌器1、温度感应器10和磁力转子11配合使用用于控制电解液3温度以及搅拌所述电解槽4中盛放的电解液3。
两个所述固定活动座8能够上下左右调整两个连接杆一的位置，进而调整所述石墨电极9和铂金电极2之间的距离。
所述石墨电极9为L型或横向石墨电极；所述铂金电极2为L型或横向铂金电极；其中铂金电极2设置有由绝缘材料制作的活动挡板和固定挡板，避免工件放置之后掉落，活动挡板与弹性装置连接，可以固定尺寸不同的工件，其中弹性装置包括但不限于弹簧。
所述石墨电极9和铂金电极2采用上下平行对齐的安装方式。
一种新式电化学抛光方法，包括以下步骤：
步骤一、电解液3配制：氢氧化钠：10-30g/L，柠檬酸钠：0.1-0.2mo l/L，丙三醇：10-20mo l/L，去离子水适量。
步骤二、设置电化学抛光工艺参数：所述石墨电极9和铂金电极2距离为10mm，抛光电势为8-12V，电解液3温度25℃，搅拌速率500-1000转/分钟，抛光时间5分钟。
实施例1：
配制电解液3：本发明中电解液3的配方组成包括以下组分，其中各组分含量及本实施例优选含量如表1所示：表1。
组分名称
含量范围
本实施例优选
氢氧化钠
10-30g/L
10g/L
柠檬酸钠
0.1-0.2mol/L
0.1mol/L
丙三醇
10-20ml/L
10ml/L
水
适量
适量
抛光前的预处理：首先将待抛光钨工件使用砂纸打磨去除表面氧化层，然后用去离子水简单清洗去除表面灰尘，之后在超声波清洗器中使用无水乙醇去除表面油污和附着颗粒，再之后去离子水清洗表面去除能冲洗掉的所有杂质，最后在热气流中吹干。图2示出了抛光前钨工件的表面AFM图，粗糙度为12.749nm，表面存在明显的划痕。
电化学抛光：参照图1，用本发明设计的电化学抛光装置对钨工件进行电化学抛光，包括加热磁力搅拌器1、铂金电极2、电解液3、电解槽4、电流表5、电源6、电压表7、固定活动座8、石墨电极9、温度感应器10、磁力转子11，其中电解槽4用于放置电解液3，将石墨电极9和铂金电极2放在两个连接杆一上，调节固定活动座8，将二者距离调为10mm，然后固定石墨电极9和铂金电极2，石墨电极9和铂金电极2采取上下水平对齐的安装方式，置于电解液3中，钨工件放于铂金电极2上，电源6的负极与石墨电极9电性连接，电源6的正极于与铂金电极2电性连接，加热磁力搅拌器1放在电解槽4下方，设置电解液3温度为25℃，搅拌速率设为800转/分钟，搅拌时间设置为5分钟。电源6接通后，调节阳极电压为10V，并且利用电流表5和电压表7实时监测抛光过程中的电流和电压值。
抛光后清洗：首先去离子水洗去电解液3，然后在超声清洗器中通过无水乙醇清洗，最后在热气流中吹干钨工件。
采用上述电化学抛光参数和所述电化学抛光装置，本实施例中获得的钨工件具有均匀且低的表面粗糙度。经AFM测定，钨工件表面两端粗糙度分别为1.732nm和1.694nm，如参考图3和图4所示。
实施例2：
配制电解液3：本发明中电解液3的配方组成包括以下组分，其中各组分含量及本实施例优选含量如表2所示：表2。
组分名称
含量范围
本实施例优选
氢氧化钠
10-30g/L
20g/L
柠檬酸钠
0.1-0.2mol/L
0.15mol/L
丙三醇
10-20ml/L
20ml/L
水
适量
适量
处理方法如实施例1中所示；
采用上述电化学抛光参数和所述电化学抛光装置，本实施例中获得的钨工件具有均匀且低的表面粗糙度。经AFM测定，钨工件表面两端粗糙度分别为0.991nm和0.943nm，如参考图5和图6所示。
实施例3
配制电解液3：本发明中电解液3的配方组成包括以下组分，其中各组分含量及本实施例优选含量如表3所示：表3。
组分名称
含量范围
本实施例优选
氢氧化钠
10-30g/L
30g/L
柠檬酸钠
0.1-0.2mol/L
0.2mol/L
丙三醇
10-20ml/L
15ml/L
水
适量
适量
处理方法如实施例1中所示；
采用上述电化学抛光参数和所述电化学抛光装置，本实施例中获得的钨工件具有均匀且低的表面粗糙度。经AFM测定，钨工件表面两端粗糙度分别为0.757nm和0.748nm，如参考图7和图8所示。
本发明的工作原理：
石墨电极9和铂金电极2采取上下对齐的安装方式，使得待抛光工件抛光面的各部分电场和粘性膜厚度相同，并且利用加热磁力搅拌器1和磁力转子11配合使用加速电解液3的流动，促进离子扩散，从而提高了工件表面抛光的均匀性，得到了粗糙度和亮度均匀的钨工件。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
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