CN106566472A

CN106566472A - 一种磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料的制备方法及用途

Info

Publication number: CN106566472A
Application number: CN201610926918.8A
Authority: CN
Inventors: 朱延松; 肖和平; 左敦稳; 卢文壮
Original assignee: CHANGZHOU JOEL PLASTIC Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: CHANGZHOU JOEL PLASTIC Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2036-10-31
Also published as: CN106566472B

Abstract

一种磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料的制备，属于金属表面抛光技术领域，其特征是先将氨基模塑料进行破碎，后将破碎的氨基模塑料颗粒进行颗粒筛选，将筛选所得不同粒度级别的颗粒按一定比例混合后制成抛光磨料后对钛合金/铝合金试样表面进行磨料气射流抛光的一种氨基模塑料磨料的制备方法。其中，抛光试样为航空用钛合金和高强度铝合金板。通过此种方法制备的氨基模塑料磨料对钛合金和铝合金板表面进行磨料气射流抛光后，其表面未发现有明显损伤，抛光效果良好。使用后的氨基模塑料磨料还可回收利用。

Description

一种磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料的制备方法及用途

技术领域

本发明涉及一种抛光磨料的制备方法，尤其是一种氨基模塑料磨料的制备方法，具体地说是一种用于磨料气射流抛光的氨基模塑料磨料的制备方法及用途。

背景技术

钛合金、高强铝合金因具有密度小、强度高，热稳定性优良等特点使得其在航空航天领域内的应用越来越广。同时，由于航空航天领域内使用的零件将受到拉-压交变应力、剪切应力、冲击动应力、磨损以及温度、腐蚀介质等作用，其表面需具有良好的精度和表面完整性以满足实际工况的要求。

抛光作为最后一道工序，不仅能够去除切削加工痕迹，保持构件精度，提高表面粗糙度，还能对加工表面变质层内的加工硬化、残余应力、金相组织变化以及塑性变形等有着直接的影响，改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性等作用。因此，表面抛光加工有利于提高航空用钛合金、铝合金零件的使用性能和寿命。目前人们已经研究并开发了许多材料表面抛光加工技术以提高航空结构件表面精度和性能，磨料气射流抛光加工（Abrasive Air Jetfinishing-Machining，AAJM）就是其中一种。

磨料气射流抛光是利用磨料与空气或其他气体混合而成的高速喷射流，经喷嘴高速冲击射向工件，通过对表面材料的去除而达到提高材料表面精度和性能的新型抛光方法。与其它表面抛光方向相比，磨料气射流抛光避免了机械抛光易导致抛光表面产生塑性变形层及组织变化层的缺陷，降低了研磨材料或油脂等异物残存在工件抛光表面的可能性，同时可防止电化学抛光/化学抛光析出的有害气体对环境和人体健康产生影响，且与超声抛光加工相比，可显著提高抛光加工效率以及零件表面精度。另外，磨料气射流加工还具有良好的适用性和通用性、结构简单、成本低，加工后工件表面粗糙度均匀等优点。

目前磨料气射流加工方法所使用的抛光磨料大多为氧化铝、表面涂覆碳化硅和磁性材料的热塑性高分子聚合物、碳化硅颗粒等。但由于上述磨粒硬度（氧化铝、碳化硅莫氏硬度均大于9）较高，而钛合金和铝合金硬度较低（钛合金硬度约为370HV，铝合金硬度则更小），将导致钛合金/铝合金抛光表面产生损伤。而采用氨基模塑料磨料对钛合金/铝合金抛光表面进行气射流抛光，由于其硬度（400~450HB）与钛合金基体硬度和超硬型铝合金硬度相当，且具有多面体棱角结构，故可显著降低或在完全不产生表面损伤的条件下达到对钛合金/铝合金表面进行抛光的效果，从而提高其表面精度和性能。同时，由于磨料气射流抛光工艺对工件结构和尺寸无要求，且快速便捷、灵活方便、可控性强，氨基模塑料磨料具有无毒、环保等优越性能，故采用氨基模塑料磨料的气射流抛光技术在航空结构件材料表面精密抛光领域具有广阔的发展前景。但目前采用氨基模塑料磨料对钛合金/铝合金等航空用合金材料表面进行气射流抛光的方法国内外鲜有提及。

发明内容

本发明的目的是针对现有的磨料气射流抛光磨料存在的硬度高，易造成工件损伤的问题，发明一种磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料的制备方法，它尤其适用于适合损伤容限型钛合金TC4、超硬型铝合金7075表面磨料气射流抛光加工。

本发明的技术方案是：

一种磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料的制备方法，其特征是它包括氨基模塑料的破碎以及磨料的制备；

氨基模塑料的破碎是指：

将氨基模塑料原料（目数小于10目的颗粒状或尺寸大于10目对应孔径的块状原料）放入到破碎机内进行破碎，后将粉碎颗粒放入至振动筛内进行逐级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~60目备用；

磨料的制备是指：

将筛选所得不同粒度级别的颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。

所述的氨基模塑料破碎是在锤式中碎机内进行，主轴转速为1000~1500r/min，转子直径为350~750mm，锤头顶部与筛网之间调整间隙为2~6mm，破碎机筛网孔径为Ø6.0~10.0mm。

所述的氨基模塑料抛光磨料为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目粒径级别的混合颗粒。

所述的氨基模塑料抛光磨料的堆积密度为0.65~0.85g/cm³，莫氏硬度为3.5~4.5。

所述的氨基模塑料抛光磨料中16~20目颗粒的质量百分比为10~20%，20~30目颗粒的质量百分比为30~40%，30~40目颗粒的质量百分比为30~40%，40~50目粒径的质量百分比为≤30%或余量，各组份的质量百分比之和等于100%。

上述方法制备所得的抛光磨料被用于钛合金为TC系列中的损伤容限型钛合金TC4或其它TC系列的钛合金表面抛光。

上述方法制备所得的抛光磨料还可被用于铝合金为7系列中的超硬型铝合金7075，也可适用于其它7系列的铝合金表面抛光。

本发明的基理是：

利用氨基模塑料硬度与钛合金和超硬型铝合金硬度相当的特性，将氨基模塑料原料粉碎制成抛光磨粒，并与空气混合产成高速喷射流，经喷嘴高速冲击射向钛合金/铝合金工件表面，可在完全不产生表面损伤的条件下对钛合金/铝合金工件表面进行磨料气射流抛光加工，达到提高钛合金/铝合金工件表面精度，改善结构件表面性能的目的。具体实施时，氨基模塑料原料粒径过小（如粒径小于1mm，16目）时，破碎后由于无法获得1mm以上的磨粒，会影响抛光效率和效果，因此原料选择应尽量采用块料或粒径在1.7mm（10目）以上的颗粒。

本发明的有益效果：

1、本发明方法制备的磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料降低了磨料对钛合金/铝合金表面组织及主要性能造成负面影响的可能性。

2、本发明方法制备的磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料可在不产生表面损伤的条件下对钛合金/铝合金构件表面进行抛光，其工艺简单，经济高效、可控性强。

3、本发明方法制备的磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料在过程中不产生毒性，且抗磨擦性和抗静电性优良。

4、本发明方法制备的磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料不仅适用于钛合金TC4表面抛光，也可用于其它损伤容限型钛合金表面抛光。

5、本发明方法制备的磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料不仅适用于铝合金7系列中的超硬型铝合金7075表面抛光，也可适用于其它7系列的铝合金表面抛光。

6、本发明通过大量实验，选择了将16~20目，20~30目，30~40目，40~50目四种粒径的原料按比例进行混合，抛光所得的表面硬度、粗糙度、微观外形最佳。通过对比试验，选择其它粒径和配比时抛光效果（包括表面硬度、粗糙度、微观外形）明显下降。

7. 经使用后的氨基模塑料磨料还可回收利用。

附图说明

图1为本发明实例1经破碎后的20~30目氨基模塑料磨料微观形貌图。

图2为本发明实例1经抛光后的钛合金表面粗糙度轮廓曲线及粗糙度R_a值。

图3为本发明实例2经抛光后的铝合金表面粗糙度轮廓曲线及粗糙度R_a值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料的制备方法，所使用的部分设备有锤式中碎机、振动筛、球磨机、喷砂机，这些设备均为市场所售的常规产品。钛合金材料为损伤容限型钛合金TC4，铝合金材料为超硬型铝合金7075。氨基模塑料磨料，其主要化学成分为C和O。

具体步骤如下：

1、氨基模塑料破碎

将堆积密度为0.65~0.85g/cm³，莫氏硬度为3.5~4.5的氨基模塑料块或粒径大于1.7毫米的原料颗粒放入到在锤式中碎机内进行破碎，中碎机主轴转速为1000~1500r/min，转子直径为350~750mm，锤头顶部与筛网之间调整间隙为2~6mm，破碎机筛网孔径为Ø6.0~10.0mm。

2、颗粒筛分

将粉碎颗粒放入至振动筛内进行逐级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~60目。

3、磨料的制备

将筛选所得粒径级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒按16~20目颗粒的质量百分比为10~20%，20~30目颗粒的质量百分比为30~40%，30~40目颗粒的质量百分比为30~40%，40~50目粒径的质量百分比为≤30%或余量的比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。

实例1。

步骤1、氨基模塑料破碎

将堆积密度为0.8g/cm³，莫氏硬度为4的氨基模塑料块（尺寸为3×3×10毫米或其它尺寸的规则或不规则块状）放入到在锤式中碎机内进行破碎，中碎机主轴转速为1250r/min，转子直径为570mm，锤头顶部与筛网之间调整间隙为4mm，破碎机筛网孔径为Ø10.0mm。

步骤2、颗粒筛分

步骤3、磨料的制备

将筛选所得粒径级别为16~20目，20~30目（形貌如图1），30~40目，40~50目的颗粒按16~20目颗粒的质量百分比为10%，20~30目颗粒的质量百分比为40%，30~40目颗粒的质量百分比为40%，40~50目粒径的质量百分比为10%的比例放入到球磨机内搅拌10分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。

步骤4、表面抛光处理

将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，采用直径为Ø6.0mm的喷嘴在抛光喷射压力为0.35MPa，抛光喷射角为75º，抛光距离为200mm的条件下对钛合金TC4试样表面进行抛光1分钟。

取出试样进行检测。经X射线能谱仪（EDS）检测分析，氨基模塑料磨粒表层主要以C和O元素为主。经显微硬度计检测钛合金抛光表面层显微硬度为370HV_0.01~385HV_0.01，与基体钛合金表面硬度366HV_0.01~380HV_0.01相比，钛合金抛光表面硬度未发生明显变化。经美国AEPNanoMap 500LS接触式表面形貌仪对钛合金抛光表面粗糙度进行检测得出钛合金试样经抛光后其表面粗糙度为R_a=1.41μm。经光学显微镜（OM）检测，钛合金抛光表面光滑平整，未发现表面损伤。如图2。

实例2。

步骤1、氨基模塑料破碎

将堆积密度为0.85g/cm³，莫氏硬度为4.5的氨基模塑料放入到在锤式中碎机内进行破碎，中碎机主轴转速为1000r/min，转子直径为750mm，锤头顶部与筛网之间调整间隙为6mm，破碎机筛网孔径为Ø6.0mm。

步骤2、颗粒筛分

步骤3、磨料的制备

将筛选所得粒径级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒按16~20目颗粒的质量百分比为15%，20~30目颗粒的质量百分比为40%，30~40目颗粒的质量百分比为35%，40~50目粒径的质量百分比为10%的比例放入到球磨机内搅拌20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。

步骤4、表面抛光处理

将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，采用直径为Ø8.0mm的喷嘴在抛光喷射压力为0.35MPa，抛光喷射角为85º，抛光距离为200mm的条件下对超硬型铝合金7075试样表面进行抛光5分钟。

取出试样进行检测。经X射线能谱仪（EDS）检测分析，氨基模塑料磨粒表层主要以C和O元素为主。经显微硬度计检测铝合金抛光表面层显微硬度为170HV_0.01~190HV_0.01，与基体铝合金表面硬度155HV_0.01~180HV_0.01相比，抛光表面硬度未发生明显变化。经美国AEPNanoMap 500LS接触式表面形貌仪对铝合金抛光表面粗糙度进行检测得出铝合金试样经抛光后其表面粗糙度为R_a=2.49μm。经光学显微镜（OM）检测，铝合金抛光表面未发现明显表面损伤。如图3。

实例3。

步骤1、氨基模塑料破碎

将堆积密度为0.65g/cm³，莫氏硬度为3.5的氨基模塑料放入到在锤式中碎机内进行破碎，中碎机主轴转速为1500r/min，转子直径为350mm，锤头顶部与筛网之间调整间隙为2mm，破碎机筛网孔径为Ø8.0mm。

步骤2、颗粒筛分

步骤3、磨料的制备

将筛选所得粒径级别为16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒按16~20目颗粒的质量百分比为20%，20~30目颗粒的质量百分比为35%，30~40目颗粒的质量百分比为35%，40~50目粒径的质量百分比为10%的比例放入到球磨机内搅拌20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到抛光磨料。

步骤4、表面抛光处理

将所得氨基模塑料抛光磨料放入到喷砂机内，采用直径为Ø4.0mm的喷嘴在抛光喷射压力为0.35MPa，抛光喷射角为85º，抛光距离为200mm的条件下对超硬型铝合金7075试样表面进行抛光3分钟。

取出试样进行检测。经X射线能谱仪（EDS）检测分析，氨基模塑料磨粒表层主要以C和O元素为主。经显微硬度计检测铝合金抛光表面层显微硬度为170HV_0.01~190HV_0.01，与基体钛合金表面硬度155HV_0.01~180HV_0.01相比，铝合金抛光表面硬度未发生明显变化。经美国AEPNanoMap 500LS接触式表面形貌仪对铝合金抛光表面粗糙度进行检测得出钛合金试样经抛光后其表面粗糙度为R_a=2.56μm。经光学显微镜（OM）检测，铝合金抛光表面未发现明显表面损伤。显微图与图3类似。

实施例4。

在实施例1的步骤3中加入粒径小于10目的原料10%，减少40-50目的颗粒的比例混合后进行抛光加工，表面粗糙度明显上升，损伤裂纹肉眼可见，虽然加工效率有所上升，但机械性能下降。

实施例5。

在实施例2的基础上，调整16~20目，20~30目，30~40目，40~50目的颗粒混合比例，使它们超出限定范围，如16~20目的质量百分数为5%，20~30目的质量面分数为45%，30~40目的质量百分数为25%，40~50目的质量百分数为25%，混合后进行抛光加工，存在效率明显下降，表面外观不均的问题。采用16~20目的质量百分数为25%，20~30目的质量面分数为25%，30~40目的质量百分数为45%，40~50目的质量百分数为5%时则存在抛光效率增加，但粗糙度下降的问题。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种磨料气射流抛光用氨基模塑料磨料的制备方法，其特征是首先将目数小于10目的颗粒状氨基模塑料或块状氨基模塑料放入到破碎机内进行破碎，再将破碎后的粉碎颗粒放入至振动筛内进行逐级筛选至粒度级别分别为<10目，10~16目，16~20目，20~30目，30~40目，40~60目；选择16~20目，20~30目，30~40目，40~50目粒径级别的颗粒按16~20目颗粒的质量百分比为10~20%，20~30目颗粒的质量百分比为30~40%，30~40目颗粒的质量百分比为30~40%，40~50目粒径的质量百分比为≤30%的比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分均匀混合，得到磨料气射流抛光用磨料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的氨基模塑料破碎是在锤式中碎机内进行，主轴转速为1000~1500r/min，转子直径为350~750mm，锤头顶部与筛网之间调整间隙为2~6mm，破碎机筛网孔径为Ø6.0~10.0mm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的氨基模塑料抛光磨料的堆积密度为0.65~0.85g/cm³，莫氏硬度为3.5~4.5。

4.一种权利要求1所述制备方法制备所得的氨基模塑料抛光磨料，其特征是它被用于对钛合金为TC系列的钛合金和铝合金为7系列的铝合金表面进行抛光。

5.根据权利要求4所述的氨基模塑料抛光磨料，其特征是所述的钛合金为TC系列中的损伤容限型钛合金TC4或其它TC系列的钛合金。

6.根据权利要求4所述的氨基模塑料抛光磨料，其特征是所述的铝合金为7系列中的超硬型铝合金7075或其它7系列的铝合金。