Innovative neutral electrolytes for electropolishing and electrochemically-assisted mass finishing of AISI 316

The increasing demand for high-quality surface finishes in industries such as medical, aerospace, and food processing has led to advancements in electropolishing techniques. However, conventional electropolishing relies on acidic electrolytes, which pose environmental and operational challenges due to their hazardous nature and disposal requirements. This study explores the development of neutral salt-based electrolytes as a sustainable alternative, aiming to reduce chemical hazards while maintaining or enhancing polishing efficiency. Additionally, the feasibility of in-mass electropolishing, a process that combines electropolishing with mechanical mass finishing, is investigated for its potential to improve processing efficiency in batch production. The combination of these techniques, offered as a distinctive process by Rösler Italiana, is evaluated for further optimization and industrial application. The study systematically investigates the electropolishing performance of neutral salt-based electrolytes with a particular emphasis on the role of polyelectrolyte additives in modifying viscosity and stabilizing the electropolishing process. Various anionic and cationic polyelectrolytes were tested at different concentrations to evaluate their effects on electrolyte rheology and surface finish. The experiments were conducted using DC and AC electropolishing, as well as in-mass electropolishing, where mechanical mass finishing was integrated with electropolishing for batch processing. Electrolyte characterization involved viscosity measurements, cyclic voltammetry, conductivity analysis, and pH assessments to determine optimal process conditions. The impact of viscosity on polishing efficiency was further analyzed by correlating surface roughness reduction during with electrolyte composition. Scanning electron microscopy and optical microscopy were employed for morphological assessments, while roughness and Gloss measurements provided additional insights into surface quality. The results demonstrate that the implementation of polyelectrolyte additives in sodium nitrate-based aqueous electrolytes preserves electropolishing performance while also stabilizing the viscous layer and optimizing ion transport. Cationic polyelectrolytes were particularly effective, enabling surface roughness as low as 0.1-0.2 µm and increased gloss levels compared to conventional solutions. The correlation between viscosity and electrochemical properties was critical, with optimal electropolishing conditions achieved by precisely adjusting additive concentration and salt content. Moreover, the integration of in-mass electropolishing with mechanical finishing showed considerable promise for batch treatment and reducing processing times in fixed-sample configurations. However, experiments revealed substantial challenges when samples were not securely fixed within the tumbler; freely moving samples exhibited significantly poorer outcomes, such as increased surface roughness and reduced gloss, primarily due to uneven current distribution and inhomogenous interaction with conductive media. Overall, while polyelectrolyte salt-based electrolytes present a promising sustainable alternative to acidic solutions, further research is required to optimize process control mechanisms for industrial applications.

La crescente domanda di finiture superficiali di alta qualità in settori come quello medico, aerospaziale e alimentare ha portato a progressi nelle tecniche di elettrolucidatura. Tuttavia, l'elettrolucidatura convenzionale si basa su elettroliti acidi, che comportano sfide ambientali e operative a causa della loro natura pericolosa e dei requisiti di smaltimento. Questo studio esplora lo sviluppo di elettroliti a base di sali neutri come alternativa sostenibile, con l'obiettivo di ridurre i rischi chimici mantenendo o migliorando l'efficienza della lucidatura. Inoltre, viene analizzata la fattibilità dell'elettrolucidatura in massa, un processo che combina l'elettrolucidatura con la finitura meccanica di massa, per il suo potenziale nel migliorare l'efficienza della lavorazione nella produzione in batch. La combinazione di queste tecniche, offerta come processo distintivo da Rösler Italiana, viene valutata per ulteriori ottimizzazioni e applicazioni industriali. Lo studio analizza in modo sistematico le prestazioni dell'elettrolucidatura con elettroliti a base di sali neutri, con particolare attenzione al ruolo degli additivi polielettrolitici nella modifica della viscosità e nella stabilizzazione del processo. Sono stati testati diversi polielettroliti anionici e cationici a varie concentrazioni per valutarne gli effetti sulla reologia dell'elettrolita e sulla qualità della superficie. Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando elettrolucidatura in corrente continua (DC) e alternata (AC), nonché l'elettrolucidatura in massa, in cui la finitura meccanica di massa è stata integrata con l'elettrolucidatura per la lavorazione in batch. La caratterizzazione degli elettroliti ha incluso misurazioni di viscosità, voltammetria ciclica, analisi della conducibilità e valutazioni del pH per determinare le condizioni ottimali del processo. L'impatto della viscosità sull'efficienza della lucidatura è stato ulteriormente analizzato correlando la riduzione della rugosità superficiale con la composizione dell'elettrolita. La microscopia elettronica a scansione e la microscopia ottica sono state impiegate per le valutazioni morfologiche, mentre le misurazioni di rugosità e gloss hanno fornito ulteriori informazioni sulla qualità della superficie. I risultati dimostrano che l'implementazione di additivi polielettrolitici negli elettroliti acquosi a base di nitrato di sodio preserva le prestazioni dell'elettrolucidatura, oltre a stabilizzare lo strato viscoso e ottimizzare il trasporto ionico. I polielettroliti cationici si sono rivelati particolarmente efficaci, permettendo di ottenere rugosità superficiali fino a 0,1-0,2 µm e livelli di gloss superiori rispetto alle soluzioni convenzionali. La correlazione tra viscosità e proprietà elettrochimiche si è rivelata cruciale, con condizioni di elettrolucidatura ottimali raggiunte mediante una regolazione precisa della concentrazione degli additivi e del contenuto di sale. Inoltre, l'integrazione dell'elettrolucidatura in massa con la finitura meccanica ha mostrato un notevole potenziale per il trattamento in batch e per la riduzione dei tempi di lavorazione in configurazioni a campione fisso. Tuttavia, gli esperimenti hanno evidenziato sfide significative quando i campioni non erano fissati saldamente all'interno del tamburo; i campioni in movimento libero hanno mostrato risultati significativamente peggiori, come un aumento della rugosità superficiale e una riduzione del gloss, principalmente a causa della distribuzione non uniforme della corrente e dell'interazione disomogenea con il mezzo conduttivo. Nel complesso, sebbene gli elettroliti a base di sali polielettrolitici rappresentino un'alternativa sostenibile promettente rispetto alle soluzioni acide, sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare i meccanismi di controllo del processo per le applicazioni industriali.