CN109554659A - 一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法及超精加工液配方 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法及超精加工液配方。该超精加工液由富氮水基超精浓缩液与水配制而成，所述富氮水基超精浓缩液中含有25～30％(质量)的混合极压添加剂和5～10％(质量)的渗透剂混合物；所述混合极压添加剂含以下质量百分比的原料：脂肪酸咪唑啉硼酸酯10～20％、松香酰胺3～5％、聚乙二醇烷基醚3～6％和余量的水；所述渗透剂混合物为乙二胺四乙酸二钠、稀土化合物与乙醇按照任意比例的混合物。本发明所述的加工方法采用不含煤油的富氮水基超精液，利用装在振动头上的细粒度油石对精加工表面进行精整加工，过程简单，易于操作，效率高，适用于大规模批量化生产。

Description

一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法及超精加工 液配方

技术领域

本发明属于合金工件表面的超精加工领域，具体涉及一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法及超精加工液配方。

背景技术

金属材料表面加工技术(尤其是表面超精改性技术)可大大提高材料的强度、耐磨性能和疲劳寿命，已被广泛应用于机械零部件的加工领域。

现有技术已经公开了很多金属材料表面改性的相关技术。其中，等离子注入法是目前应用最为广泛的一种金属材料表面改性技术。刘宣勇等人的发明专利CN102191454B公开了一种医用钛金属材料的表面改性方法，采用复合等离子注入工艺在钛合金表面注入金属元素或非金属元素提高工件的表面硬度、耐腐性和抗菌性，但该方法需在真空、高电压的环境下进行，并需较长的注入时间(0.5～3小时)，难以应用于大工件、大批量的快速生产，且难以保证加工后工件的精度。崔承云等人的发明专利CN103643243A公开了一种金属材料高强韧化表面改性方法，将工件进行打磨、抛光、清洗、激光喷丸、磁场渗氮、磁场淬火等一系列加工以增加渗氮层深度，提高渗氮层强韧性，但该方法加工工艺过程较为繁琐，涉及的步骤众多，加工成本较高，工艺技术难以把握，且加工后工件的精度难以保证。

一直以来，对合金工件进行表面加工都难以达到以下综合技术效果，即：既能获取高精度的表面尺寸，并提高其表面硬度，形成有利于抗疲劳、耐磨损的加工表面油囊和纹理及残余压力等有益效果，又能实现加工的高效与节能，还能使材料工件获得更为显著利于抗疲劳、抗磨损的加工表面的改性层。

发明人刘晓初教授早期的发明专利CN 103878703A公开了一种合金工件的表面强化研磨方法，将混合料以100～300m/s的速度和15～75°的喷射角喷射到合金工件表面上，并使喷射点完全覆盖合金工件表面进行强化处理，将氮和硼离子注入工件表面，以提高工件的疲劳寿命和表面硬度。该方法既能工件的表面粗糙度，并提高其表面硬度，形成有利于抗疲劳、耐磨损的加工表面油囊和纹理及残余压力等有益效果，又能实现加工的高效与节能，还能使材料工件获得更为显著利于抗疲劳、抗磨损的加工表面的改性层，加工效率高，适用范围广。但该方法无法获取高精度的工件表面尺寸，不适用于工件表面的超精加工。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液配方。

本发明的另一目的在于提供一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法。该方法可在超精加工的过程中对耐磨合金工件表面进行强化处理，以提高工件的表面强度、耐磨性能和疲劳寿命。该方法不但可去除前工序留下的薄变质层及改善表面粗糙度和形状精度，而且使工件表面获得较佳的形貌和交叉纹理以及粗糙度的同时，获得具有油囊交叉纹理的表面织构层、含残余应力的富氮表面强化层、含氮和硼化合物的富氮化学物理强化层的三层复合结构，以提高工件的表面强度、耐磨性能和疲劳寿命。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液，其特征在于，其由富氮水基超精浓缩液与水配制而成，所述富氮水基超精浓缩液中含有25～30％(质量)的混合极压添加剂和5～10％(质量)的渗透剂混合物；按质量百分比计所述混合极压添加剂包含以下原料：脂肪酸咪唑啉硼酸酯10～20％、松香酰胺3～5％、聚乙二醇烷基醚3～6％和余量的水；所述渗透剂混合物为乙二胺四乙酸二钠、稀土化合物与乙醇按照任意比例的混合物。

所述脂肪酸咪唑啉硼酸酯可直接在市场购买，或者参照《辽宁石油化工大学学报》2014年第03期记载的方法制备。

所述松香酰胺是通过松香与异腈酸的酰胺化反应在100～150℃下合成得到。参照文献：松香酰胺在中性造纸施胶中的应用[J]，林产化学与工业，1996年第03期。

优选的，所述稀土化合物为氯化镧或氧化镧。

优选的，按质量百分比计，所述富氮水基超精浓缩液由以下原料组成：混合极压添加剂25～30％、渗透剂混合物5～10％、非离子表面活性剂1～2％、防锈剂0.5～0.8％、烷基磺酸钠0.5～3％、防腐剂0.1～0.3％、软化剂0.3～0.8％、pH调节剂4～6％、pH缓冲剂2～5％、消泡剂0.1～0.2％、NaOH 1～1.5％、棕刚玉2～5％、余量为水。

优选的，按质量百分比计，所述富氮水基超精浓缩液由以下原料组成：混合极压添加剂25％、渗透剂混合物10％、非离子表面活性剂1.2％、防锈剂0.5％、烷基磺酸钠0.5％、防腐剂0.3％、软化剂0.8％、pH调节剂5％、pH缓冲剂5％、消泡剂0.2％、NaOH 1％、棕刚玉3％、水47.5％。

优选的，所述合金工件表面的富氮水基强化超精加工液由质量百分比为5～7％的富氮水基超精浓缩液和93～95％的水组成。

优选的，所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚；所述防锈剂为苯并三氮唑；所述防腐剂为苯甲酸钠；所述软化剂为乙二胺四乙酸二钠；所述pH调节剂为三乙醇胺；所述pH缓冲剂为硼砂；所述消泡剂为有机硅。

一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法，采用的设备是具有细粒度油石振动头的超精加工机床，该设备的特点是通过振动头带动细粒度油石对被加工表面进行精整加工，以获取高精度的形状尺寸，该方法包括以下步骤：

将超细磨粒油石固定在振动头上，并将待加工合金工件装夹在运动台上；

将上述合金工件表面的富氮水基强化超精加工液喷射到工件表面；

通过振动头的水平方向高频振动和向下施加强压，使超细磨粒油石相对工件产生较高的接触应力和水平方向的高频振动；

控制运动台位移运动，使油石与工件之间产生附加的相对运动，使工件表面不断连续地加工。

本发明所述加工方法使工件表面得到充分的冷却润滑，使强化超精加工液润湿加工表面；超细磨粒油石的使用能使压力增大而粗糙度不增加；通过振动头的水平方向高频振动，使得切削速度快了，效率高、粗糙度低；此外，振动头的向下施加强压力应使工件表面接触应力高，产生较大的残余压应力；最后，使用的富氮水基强化超精加工液配方：摩擦化学效应的渗氮、防锈、杀菌、提高工件的表面强度。

优选的，所述的超细磨粒油石，其磨粒粒度在2800-3000目。

优选的，所述振动头的水平方向高频振动频率在20khz/S-22khz/S。

优选的，所述振动头向下施加的强压力应使工件表面接触应力为800MPa～1000MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

使用本发明所述方法对工件加工后，不但可去除前工序留下的薄变质层及改善表面粗糙度和形状精度，而且使工件表面获得较佳的形貌和交叉纹理以及粗糙度的同时，获得具有油囊交叉纹理的表面织构层、含残余应力的富氮表面强化层、含氮和硼化合物的富氮化学物理强化层的三层复合结构。

本发明所述富氮水基强化超精加工方法之所以具有上述技术效果与所述的富氮水基强化超精加工液所产生的作用密不可分。所述的富氮水基强化超精加工液中，混合极压添加剂在摩擦中可与金属材料发生摩擦化学反应，生成层状的氮化物；渗透剂混合物具有优异的渗透、去污和乳化作用；非离子表面活性剂可显著降低水的表面张力，有助于强化研磨改性液渗透于被加工工件表面；防锈剂可防止工件加工过程发生氧化反应；烷基磺酸钠则具有优异的洗涤、润湿、去污和乳化作用；防腐剂可抑制强化研磨改性液中微生物的繁殖，防止其失效，同时与三乙醇胺复配能显著提高研磨液对钢、铁的防锈性；软化剂可促进混合极压添加剂的水解反应，有助于摩擦化学反应的产生；pH调节剂用于调整强化研磨改性液的pH值，同时具有防锈作用；硼砂不仅易溶于水，能够缓冲溶液的酸碱变化，而且所含的硼元素具有良好的杀菌、防腐、抗磨能力；pH缓冲剂可将硬水软化，避免水中钙镁离子反应生成的沉淀对加工质量的影响；消泡剂可消除加工过程中所产生泡沫。

附图说明

图1为实施本发明所述富氮水基强化超精加工方法时，富氮水基强化超精加工液、加工设备与工件位置关系示意图。图中：1-振动头；2-超细磨粒油石；3-工件；4-机床的工作台；5-富氮水基强化超精加工液喷头。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。如无特别说明，本发明所述的原料均能从市场上直接购买得到。

实施例1

(1)富氮水基强化超精加工液的配制

按质量百分比将15％的脂肪酸咪唑啉硼酸酯、4％的松香酰胺、5％的聚乙二醇烷基醚加入到76％的水中搅拌均匀，得混合极压添加剂；

按质量百分比将25％的混合极压添加剂、10％的渗透剂混合物、1.2％的脂肪醇聚氧乙烯醚、0.5％的苯并三氮唑、0.5％的烷基磺酸钠、0.3％的苯甲酸钠、0.8％的乙二胺四乙酸二钠、5％的三乙醇胺、5％的硼砂、0.2％的有机硅、1％的NaOH、棕刚玉3％加入到47.5％的水中搅拌均匀，得富氮水基超精浓缩液；

所述渗透剂混合物是乙二胺四乙酸二钠、稀土化合物与乙醇按任意比例的混合物；

按质量百分比将7％的富氮水基超精浓缩液加入到93％的自来水中搅拌均匀，得富氮水基强化超精加工液。

(2)富氮水基强化超精加工

按照实验1-4的设计，使用实施例1所述富氮水基强化超精加工液采用具有细粒度油石振动头的超精加工机床(如图1所示)，对工件为GCr15的轴承用钢进行富氮水基强化超精加工：

合金工件表面富氮水基强化超精加工时，将工件3装夹在机床的工作台4上，超细磨粒油石2与振动头1固定连接，将所述的富氮水基强化超精加工液由喷头5倾斜喷射至工件3与超细磨粒油石2之间。利用振动头的往复振动对工件表面进行超精加工的同时对其进行强化处理，形成具有油囊交叉纹理的表面织构层、含残余应力的富氮表面强化层、含氮和硼化合物的富氮化学物理强化层的三层复合结构。

实验1、将工件分为四组，进行富氮水基强化超精加工，富氮水基强化超精加工的工艺参数为：振动头振动频率20khz/S，磨粒粒度2800目，工件表面接触应力800MPa，加工后采用超声波清洗机清洗并烘干后采用JMTT数字洛氏硬度计测量表面硬度值，采用奥林巴斯激光共聚焦显微镜测量表面粗糙度值，采用ABLT-1A型自动控制滚动轴承疲劳寿命试验机测量轴承套圈的疲劳寿命，加载径向载荷14.85kN，轴承转速为4200转每分钟，直至轴承套圈疲劳失效，采用X射线能谱仪(EDS)测量其表面各元素的含量，将各项指标检测结果比较，结果如下表1所示：

表1富氮水基强化超精加工前后的效果比较

实验2、采用6个工件为GCr15的轴承用钢，分别用粒度2700、2800、2900、3000、3100、3200的磨粒油石对其进行富氮水基强化超精加工，富氮水基强化超精加工的工艺参 数为：振动头振动频率20khz/S，工件表面接触应力800MPa。加工后将强化研磨后轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后，分别采用实验1步骤所述的仪器测量各项指标，并将该检测结果与加工前各指标相比，比较结果如下表2所示：

表2不同粒度磨料油石富氮水基强化超精加工前后的效果比较

由表2可见，2800-3000粒度磨料油石效果已经达到最好，3000以上粒度油石效果与2800-3000粒度油石效果无太大区别且价格昂贵，所以优选地超细磨粒油石，其磨粒粒度在2800-3000目。

实验3、采用6个工件为GCr15的轴承用钢，分别用18khz/S、19khz/S、20khz/S、21khz/S，22khz/S、23khz/S频率的振动头进行富氮水基强化超精加工，富氮水基强化超精加工的工艺参数为：磨粒粒度2800目，工件表面接触应力800MPa。加工后将强化研磨后轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后，分别采用实验1步骤所述的仪器测量各项指标，并将该检测结果与加工前各指标相比，比较结果如下表3所示：

表3

由表3可见，震动频率在20khz/S-22khz/S时效果较好，所以优选地振动头的水平方向高频振动频率在20khz/S-22khz/S。

实验4、采用6个工件为GCr15的轴承，用振动头向下施加的强压力使工件表面接触应力分别600MPa、700MPa、800MPa、900MPa、1000MPa、1100MPa进行富氮水基强化超精加工，富氮水基强化超精加工的工艺参数为：振动头振动频率20khz/S，磨粒粒度2800目。加工后将强化研磨后轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后，分别采用实验1步骤所述的仪器测量各项指标，并将该检测结果与加工前各指标相比，比较结果如下表4所示：

表4

由表4可见，表面接触应力在800MPa-1000MPa时效果较好，所以优选地所述振动头向下施加的强压力应使工件表面接触应力高达800MPa以上，并小于1000MPa。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液，其特征在于，其由富氮水基超精浓缩液与水配制而成，所述富氮水基超精浓缩液中含有25～30％(质量)的混合极压添加剂和5～10％(质量)的渗透剂混合物；按质量百分比计所述混合极压添加剂包含以下原料：脂肪酸咪唑啉硼酸酯10～20％、松香酰胺3～5％、聚乙二醇烷基醚3～6％和余量的水；所述渗透剂混合物为乙二胺四乙酸二钠、稀土化合物与乙醇按照任意比例的混合物。

2.根据权利要求1所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液，其特征在于，所述稀土化合物为氯化镧或氧化镧。

3.根据权利要求1所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液，其特征在于，按质量百分比计所述富氮水基超精浓缩液由以下原料组成：混合极压添加剂25～30％、渗透剂混合物5～10％、非离子表面活性剂1～2％、防锈剂0.5～0.8％、烷基磺酸钠0.5～3％、防腐剂0.1～0.3％、软化剂0.3～0.8％、pH调节剂4～6％、pH缓冲剂2～5％、消泡剂0.1～0.2％、NaOH 1～1.5％、棕刚玉2～5％、余量为水。

4.根据权利要求1所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液，其特征在于，按质量百分比计所述富氮水基超精浓缩液由以下原料组成：混合极压添加剂25％、渗透剂混合物10％、非离子表面活性剂1.2％、防锈剂0.5％、烷基磺酸钠0.5％、防腐剂0.3％、软化剂0.8％、pH调节剂5％、pH缓冲剂5％、消泡剂0.2％、NaOH 1％、棕刚玉3％、水47.5％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液，其特征在于，所述合金工件表面的富氮水基强化超精加工液由质量百分比为5～7％的富氮水基超精浓缩液和93～95％的水组成。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工液，其特征在于，所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚；所述防锈剂为苯并三氮唑；所述防腐剂为苯甲酸钠；所述软化剂为乙二胺四乙酸二钠；所述pH调节剂为三乙醇胺；所述pH缓冲剂为硼砂；所述消泡剂为有机硅。

7.一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将超细磨粒油石固定在振动头上，并将待加工合金工件装夹在运动台上；

将权利要求1-6任一项所述的合金工件表面的富氮水基强化超精加工液喷射到工件表面；

通过振动头的水平方向高频振动和向下施加强压，使超细磨粒油石相对工件产生较高的接触应力和水平方向的高频振动；

控制运动台位移运动，使油石与工件之间产生附加的相对运动，使工件表面不断连续地加工。

8.根据权利要求7所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法，其特征在于，所述的超细磨粒油石，其磨粒粒度在2800-3000目。

9.根据权利要求7所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法，其特征在于，所述振动头的水平方向高频振动频率在20khz/S-22khz/S。

10.根据权利要求7所述的一种合金工件表面的富氮水基强化超精加工方法，其特征在于，所述振动头向下施加的强压力应使工件表面接触应力为800MPa～1000MPa。