一种金属材料表面电解毛化方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面毛化技术领域，更具体地，涉及一种金属材料表面电解毛化方法。
背景技术
金属材料广泛运用于制造业，根据不同产品的性能要求，用金属材料制作的工件表面不仅需要有良好的强度、硬度、刚性、耐磨性、耐腐蚀性，有时还要具备良好的流动冲压性、涂覆性、吸光、吸波性等。金属材料工件表面经过毛化处理后恰好能使上述性能得到满足，因此表面毛化工艺在制造业中蓬勃发展。
表面毛化技术属于表面工程范畴,是表面技术的具体应用分支。毛化表面是指表面具有均匀、规则、致密小凹坑的工作表面。理想的情况是金属毛化表面具有较低的Ra值和尽可能多的凹坑，Ra是指表面轮廓对中线的算术平均偏差。
目前，喷丸毛化技术、电火花毛化技术、和激光毛化技术为三大常见的毛化技术。但是，喷丸处理后的金属材料表面在工作使用中其Ra和Pc值下降明显。喷丸处理残留的硬质颗粒也会使设备快速磨损。电火花毛化后的工件表面形貌呈统计分布，毛化后Ra和Pc之间比例不能调节，工件毛化前如果表面不干净易产生色差。激光毛化后的工件表面过于整齐和规律，喷漆后易可见螺旋纹路，影响喷漆后板材的美观，另外其加工设备普遍昂贵，维护困难，还会对环境和空气造成一定污染。
另外，采用电解方法进行金属产品表面毛化也是一个选择，但是，现有技术常用的电解液(NaCl、NaNO3等)电解加工时虽能产生一定的点蚀，但是毛化效果不均匀，点蚀坑直径大小差别较大，不同区域PC值也有较大差异，而且定域性较差。
因此，需要开发出新的金属材料表面电解毛化方法。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述电解方法的毛化效果不均匀、定域性较差的缺陷，提供一种金属材料表面电解毛化方法，提供的表面电解毛化方法采用特殊的高分子聚合物作为电解质，定域性好，毛化效果均匀，毛化区域内形貌可控，能够实现任意复杂表面或复杂工件表面的任意特定位置毛化，且能够提高能量利用率，是一种环境友好型的毛化方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种金属材料表面电解毛化方法，包括如下步骤：
S1.通过电解液导引喷头在金属材料的工件表面待加工区域导引高分子聚合物电解介质，使工具电极与工件表面之间充满高分子聚合物电解介质；所述高分子聚合物电解介质为聚丙烯酰胺水凝胶、羧甲基纤维素钠水凝胶或聚乙烯醇水凝胶中的一种或几种；
S2.利用电源在工具电极与工件表面之间施加电压进行电解反应，电解反应完成后，得到表面毛化的工件。
发明人研究发现，采用聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠或聚乙烯醇作为电解质，制备的高分子聚合物电解介质用于电解方式的表面毛化时，定域性好，毛化效果均匀，毛化区域内形貌可控，能够实现任意复杂表面或复杂工件表面的任意特定位置毛化，且能够提高能量利用率，是一种环境友好型的毛化方法。
以聚丙烯酰胺为例，原理阐述如下：
聚丙烯酰胺(PAM)是一种含有亲水性酰胺基团的聚合物，易溶于水，形成水凝胶。聚丙烯酰胺水凝胶(polyacrylamide hydrogel,PAHG)是大分子结构排列成网状的三维结构，呈无色、无味、透明均匀的胶冻状，pH值为6.7～9.0，化学性能稳定。
PAM水解后形成非牛顿流体，其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系，因而具有特殊的流变特性如剪切增稠、剪切变稀、触变性、存在屈服应力等。高分子电解介质特有的链状和网状结构，也能在加工过程中约束电解液的流动和约束电场分布(如下图1放大部位所示)。从而实现任意复杂表面或复杂工件表面的任意特定位置毛化，提高定域性、毛化形貌可控性以及提高能量利用率。
由于AM存在双键和酰胺键，在电解过程中，酰胺基团的发生水解、酰化，进而与金属发生氧化还原反应，金属被氧化成金属阳离子，随着电解加工的不断进行，最终实现毛化效果。
优选地，步骤S1中所述聚丙烯酰胺水凝胶中聚丙烯酰胺的质量分数为2％～10％。不同质量分数的PAM电解液其粘度不同，一般来说，随着质量分数的增大其粘度也会增大，选择一定粘度的电解液，使其流动性与分布更加可控、易控。
更优选地，步骤S1中所述聚丙烯酰胺水凝胶中聚丙烯酰胺的质量分数为2％～5％。
进一步优选地，步骤S1中所述聚丙烯酰胺水凝胶中聚丙烯酰胺的质量分数为3％～4％。
再进一步优选地，步骤S1中所述聚丙烯酰胺水凝胶中聚丙烯酰胺的质量分数为3％。
应用本发明的电解毛化方法时，可采用本领域已知的微细电解加工设备。可以通过微三维运动平台来控制工件的与工具电极之间的位置与运动关系，使工具电极针对工件的待毛化区域进行毛化。
可选或设置的参数有，电源的电压、电源的占空比、电源的频率、加工间隙(工具电极与工件表面之间的距离)、扫描速度(工具电极的线性移动速度)和工具电极转速。
优选地，步骤S2中所述电压为6～9V。
更优选地，步骤S2中所述电压为8V。
优选地，步骤S2中所述电源的占空比为10％～40％。
更优选地，步骤S2中所述电源的占空比为20％～30％。
进一步优选地，步骤S2中所述电源的占空比为20％。
可选地，电源的频率为1500Hz，加工间隙为1.2mm、扫描速度为0.8mm/s，工具电极转速为500r/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的金属材料表面电解毛化方法采用特殊的高分子聚合物作为电解质，定域性好，毛化效果均匀，毛化区域内形貌可控，能够实现任意复杂表面或复杂工件表面的任意特定位置毛化，且能够提高能量利用率，是一种环境友好型的毛化方法。
附图说明
图1为本发明的金属材料表面电解毛化方法的加工过程示意图。
图2为本发明实施例1～4的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面毛化形貌图。其中，图2a为实施例1，图2b为实施例2，图2c为实施例3，图2d为实施例4。
图3为本发明实施例1～4的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面粗糙度Ra。
图4为本发明实施例2及实施例5～7的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面毛化形貌图。其中，图4a为实施例5，图4b为实施例6，图4c为实施例2，图4d为实施例7。
图5为本发明实施例2及实施例5～7的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面粗糙度Ra。
图6为本发明实施例2及实施例8～10的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面毛化形貌图。其中，图6a为实施例8，图6b为实施例2，图6c为实施9，图6d为实施例10。
图7为本发明实施例2及实施例8～10的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面粗糙度Ra。
图8为本发明对比例1的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面毛化形貌图。
图9为本发明对比例2的金属材料表面电解毛化方法毛化后工件表面毛化形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例中的原料均可通过市售得到；
实施例中，实验材料为：
工件：304镜面不锈钢板(Ra＝0.025μm)，规格：40×40×1mm；
工具电极：直径D＝1mm，长度L＝4mm纯铜棒；
电解液(高分子聚合物电解介质)：
溶质：非离子型聚丙烯酰胺PAM(相对分子质量：600W)；
溶剂：去离子水；
引入量：覆盖要加工区域，充满工件与工具电极之间间隙即可。
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，电源电压为8V，电源占空比为20％，电解液中溶质的质量分数为2％，电源频率为1500Hz，加工间隙为1.2mm，扫描速度为0.8mm/s，工具电极转速为500r/min，得到表面毛化后的工件。
实施例2
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电解液中溶质的质量分数为3％；
其他条件与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电解液中溶质的质量分数为4％；
其他条件与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电解液中溶质的质量分数为4％；
其他条件与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电源电压为6V，电解液中溶质的质量分数为3％；
其他条件与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电源电压为7V，电解液中溶质的质量分数为3％；
其他条件与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电源电压为9V，电解液中溶质的质量分数为3％；
其他条件与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电源占空比为10％，电解液中溶质的质量分数为3％；
其他条件与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电源占空比为30％，电解液中溶质的质量分数为3％；
其他条件与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例1相比，区别在于，本实施例的电源占空比为40％，电解液中溶质的质量分数为3％；
其他条件与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例2相比，区别在于，本对比例的电解液中溶质为NaCl；
其他条件与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种金属材料表面电解毛化方法，与实施例2相比，区别在于，本对比例的电解液中溶质为NaNO3；
其他条件与实施例1相同
性能测试
(1)表面毛化形貌测试：
加工好的毛化样本，装入盛有乙醇的玻璃皿中，将玻璃皿放入超声清洗仪，清洗180秒后，用镊子取出，烘干。用日本奥林巴斯株式会社生产的OLS4000型激光共聚焦显微镜检测、观察并拍摄样本的毛化形貌。
(2)表面粗糙度Ra(单位μm)：
用日本奥林巴斯株式会社生产的OLS4000型激光共聚焦显微镜拍完毛化形貌后，调到表面粗糙度Ra测试模块，一个样本选取有代表性的5个测试区域，测其表面粗糙度Ra，最终结果取平均值。
测试结果
如图2～6所示，根据实施例1～10及对比例1～2的表面毛化形貌和表面粗糙度的测试结果可知，实施例1～10的方法定域性好，毛化效果均匀，毛化区域内形貌可控性较好。而对比例1采用传统的NaCl电解质，毛化效果十分不均匀，定域性差，使得毛化可控性较差。对比例2采用传统的NaNO3电解质，几乎无毛化效果。
另外，通过比较实施例1～4的毛化效果，如图2～3所示，随着电解液浓度的逐渐增大，毛化形貌质量先逐渐变好后逐渐变差，3％电解液浓度时毛化形貌质量最好。随着电解液浓度的逐渐增大，毛化表面Ra逐渐变大。
关于电源电压的影响，比较实施例2以及实施例5～7可知，如图4～5所示，随着电压的逐渐增大，毛化形貌质量先逐渐变好后逐渐变差，8V时毛化形貌质量最好。随着电压的逐渐增大，毛化表面Ra先逐渐变大后逐渐变小，7V时Ra最大。
还通过比较实施例2以及实施例8～10可知，如图6～7所示，随着占空比的逐渐增大，毛化形貌质量先逐渐变好后逐渐变差，20％占空比时毛化形貌质量最好。随着占空比的逐渐增大，毛化表面Ra先逐渐变大后逐渐变小，30％占空比时Ra最大。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动(比如更换高分子电解介质的种类、改进电解加工装置等)。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
