CN113549912A - 一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法及化学硼化处理液 - Google Patents

一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法及化学硼化处理液 Download PDF

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Abstract

本发明属于钛合金的润滑处理领域,具体涉及一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法及化学硼化处理液。该润滑方法包括以下步骤:将待处理钛合金在化学硼化处理液中进行化学硼化,在钛合金表面形成硼化膜,然后进行清洗和干燥;所述化学硼化处理液由以下组分制成:硝酸钡65~75g/L,氯化铵30~40g/L,氟硼酸钾70~90g/L,溶剂为水。本发明的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,使用改良后的化学硼化处理液,得到膜层致密且厚的润滑膜层,润滑膜层的一致性好,处理工艺的稳定性高,降低了操作人员的操作难度,大大降低了工件返工率。

Description

一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法及化学硼化处 理液
技术领域
本发明属于钛合金的润滑处理领域,具体涉及一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法及化学硼化处理液。
背景技术
钛合金以其优异的性能广泛应用于航天、航空领域。其中,钛合金标准紧固件就是应用的一个重要方面。但由于钛合金滑动摩擦系数大、导热系数小、化学活性高而引起很强的表面粘结性,如不进行表面润滑,则钛合金材料在冷变形受力时会出现粘连,使材料粘在模具腔内,导致产品表面拉伤或杆模拉毛。因此改善钛合金表面摩擦学性能,消除粘结性,是表面工程技术界关注的问题之一。
一直以来,我们在冷变形前使用的润滑方法为涂覆干膜润滑剂处理或化学硼化处理,涂覆干膜润滑剂形成的干膜润滑层容易污染模具,较难清洗且加工成本高,效率低。化学硼化处理是利用化学硼化处理液对钛合金进行表面硼化,形成具有润滑特性的硼化膜。传统化学硼化处理液使用的化学药品主要为硝酸铵、氯化钡和氟硼酸钾,将以上化学药品按比例加入水中,加热后经过水解和电离形成过饱和酸性水溶液(曲璇中,钛合金螺纹表面硼化与MoS2润滑和摩擦学性能研究,航天标准化,2003年第6期)。
上述传统化学硼化处理液延续使用了较长时间,但在实际使用过程中仍存在以下问题:化学硼化处理的稳定不佳,加工得到的润滑层容易出现掉膜、疏松、润滑效果不佳等现象,导致返工率较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,提高化学硼化处理的稳定性,增加膜层致密性。
本发明的第二个目的是提供一种钛合金用化学硼化处理液。
为实现上述目的,本发明的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法的技术方案是:
一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,包括以下步骤:将待处理钛合金在化学硼化处理液中进行化学硼化,在钛合金表面形成硼化膜,然后进行清洗和干燥;所述化学硼化处理液由以下组分制成:硝酸钡65~75g/L,氯化铵30~40g/L,氟硼酸钾70~90g/L,溶剂为水。
本发明的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,使用改良后的化学硼化处理液,得到膜层致密且厚的润滑膜层,润滑膜层的一致性好,处理工艺的稳定性高,降低了操作人员的操作难度,大大降低了工件返工率。
传统化学硼化液的水解和电离过程如下:
(1)硝酸铵水解:NH4NO3+H2O=NH4OH+HNO3 HNO3=H++NO3 -
(2)氯化钡电离:BaCl2=Ba2++2Cl-
(3)氟硼酸钾电离:KBF4=K1++BF4 - BF4 -=B3++4F-
化学硼化过程中,溶液中生成的HF等对钛表面起活化作用,HNO3起缓蚀作用,防止钛表面过腐蚀,使生成的硼化膜层稳定而不易脱落。原润滑方法是通过硝酸铵水解产生硝酸,该水解过程属于吸热、可逆反应过程,HNO3并不是迅速生成并发挥作用,因此在生产中生成的膜层容易被腐蚀变得疏松且薄。
同时,水解程度受反应条件的影响较大,反应温度降低时水解生成的硝酸会减少进而影响膜层质量,这要求在生产中严格控制温度等反应条件,这也是原润滑方法稳定性和一致性较差的原因。
本发明中,水解和电离过程如下:
(1)氯化铵水解:NH4Cl+H2O=NH4OH+HCl
(2)硝酸钡电离:Ba(NO3)2=Ba2++2NO3 -
(3)氟硼酸钾电离:KBF4=K1++BF4 - BF4 -=B3++4F-
配方中硝酸钡能完全电离生成硝酸根并快速与溶液中电离的氢离子形成硝酸,该过程受反应条件的影响小,能使生成的膜层更致密更厚,润滑效果更好,且溶液的稳定性较好,操作难度降低,返工率大大降低。
优选的,所述化学硼化的温度为90~100℃。
优选的,所述化学硼化的时间为25~30min。
优选的,所述硼化膜的厚度为4~8μm。
优选的,按配方将各原料与水混合,加热至95-100℃,形成的均相溶液即为所述化学硼化处理液。
为进一步控制形成均匀一致的硼化膜,优选的,化学硼化期间,抖动或翻动钛合金件。更优选的,抖动或翻动钛合金件的频次先高后低。进一步优选的,反应前十分钟每两分钟抖动或翻动一次,随后每五分钟抖动或翻动一次。
本发明的钛合金用化学硼化处理液的技术方案是:
一种钛合金用化学硼化处理液,所述化学硼化处理液由以下组分制成:硝酸钡65~75g/L,氯化铵30~40g/L,氟硼酸钾70~90g/L,溶剂为水。
该钛合金用化学硼化处理液,以硝酸钡、氯化铵、氟硼酸钾为原料配制化学硼化处理液,溶液的稳定性好,对钛合金处理时,能得到一致性和稳定性更好、膜层更厚且均匀一致的润滑膜层。
附图说明
图1为钛合金材料润滑前外观状态图;
图2为钛合金材料采用实施例1的方法润滑后外观状态图;
图3为钛合金材料二硫化钼润滑层冷变形后的产品示意图;
图4为钛合金材料采用实施例1的方法得到的新型润滑层冷变形后的产品示意图;
图5为钛合金材料二硫化钼润滑层冷变形后模具示意图;
图6为钛合金材料采用实施例1的方法得到的新型润滑层冷变形后模具示意图;
图7为采用传统化学硼化处理液对钛合金进行处理的厚度检测报告截图;
图8为采用实施例的方法对钛合金进行处理的厚度检测报告截图。
具体实施方式
本发明主要是提供一种钛合金材料的新型润滑方法,主要应用于冷变形过程,通过对表面进行改性处理来提高材料表面强韧性、降低摩擦系数并消除粘结性,实现了高效率、低成本安全可靠加工。其润滑机理主要是通过化学转化的方法在钛合金表面生成一层耐磨耐挤压的硼化膜层。
本发明化学硼化处理液以硝酸钡、氯化铵、氟硼酸钾为原料制成,可使生成的膜层更致密更厚,膜层的一致性好。同时,硝酸铵易吸湿结块,溶解时吸收大量的热,受到猛烈撞击或受热爆炸性分解,已被列为易致爆管控药品,新的化学硼化处理液同样提高了处理的安全性,降低了原料成本。
下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
一、本发明的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法的具体实施例
实施例1
本实施例的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,包括以下步骤:将硝酸钡、氯化铵、氟硼酸钾及纯水混合后,加热至95℃直至原料完全溶解,得到化学硼化处理液,原料用量分别为:硝酸钡70g/L、氯化铵35g/L、氟硼酸钾80g/L。随后将处理干净的钛合金棒料(TB3材质)放至化学硼化处理液中,将温度维持在95℃进行反应,前十分钟每两分钟抖动一次,随后每五分钟抖动一次,反应28分钟;最后取出钛合金棒料清洗干净并干燥,得到外观状态一致且厚度均匀的润滑膜层。
实施例2
本实施例的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,与实施例1基本相同,不同之处仅在于,化学硼化处理液的配方组成为:硝酸钡65g/L、氯化铵30g/L、氟硼酸钾70g/L,溶剂为纯水,制备时,加热温度为98℃至原料完全溶解,形成均相溶液。化学硼化时,温度维持在98℃,反应时间为25min。
实施例3
本实施例的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,与实施例1基本相同,不同之处仅在于,化学硼化处理液的配方组成为:硝酸钡75g/L、氯化铵40g/L、氟硼酸钾90g/L,溶剂为纯水。化学硼化时,温度维持在90℃,反应时间为30min。
上述实施例1~3所制得润滑膜层的厚度为4~8μm。
二、本发明的钛合金用化学硼化处理液的具体实施例,与实施例1~3中涉及的化学硼化处理液相同,此处不再详述。
三、实验例
以下实验例均为实施例1的方法为例示例性说明其在实际生产中的应用效果。实施例2、3的应用效果相当。
实验例1
钛合金材料润滑前后外观状态示意图如图1~2所示,其中图1为润滑前状态,图2为润滑后状态。
由图1~2可以看出,经过实施例的方法对钛合金件进行处理,可以得到外观一致性好的润滑膜层。
实验例2与二硫化钼润滑层(干膜润滑剂处理)的比较
图3~4为钛合金材料二硫化钼润滑层(图3)和新型润滑层(图4)冷变形后的产品示意图,可以明显看出二硫化钼润滑层冷镦后表面局部的润滑层已经脱落且杆部有轻微拉痕,而使用新型润滑方法得到的润滑层依然比较完整。
图5~6为钛合金材料二硫化钼润滑层(图5)和新型润滑层(图6)冷变形后模具示意图,可明显看出传统干膜润滑层冷变形后脱落的二硫化钼粘在磨具上,简单的擦拭无法去除,而新型润滑层冷变形后并没有明显的膜层脱落,简单擦拭即可,因此有效地提高了冷变形的加工效率。
实验例3传统化学硼化处理液与实施例1的处理效果比较
与硝酸铵、氯化钡和氟硼酸钾组成传统硼化液的传统硼化处理工艺相比,相同工艺条件下,膜层更厚且致密(详见图7(传统)和图8(新配方)的厚度检测报告截图,膜层一致性均匀性更好,更加致密),润滑效果更好且工件返工率大大降低。
综上以上实验例可以看出,实施例的方法能够生成一致性更好,稳定性更高、较厚且润滑效果良好的润滑层,很大程度上降低了返工率,而且大大的提高了反应物的安全系数,有效地取代了原易致爆药品;同时与传统的涂覆干膜润滑剂的方法相比,新型润滑方法操作简单、加工效率高且得到膜层致密、一致性良好。

Claims (9)

1.一种消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,包括以下步骤:将待处理钛合金在化学硼化处理液中进行化学硼化,在钛合金表面形成硼化膜,然后进行清洗和干燥;所述化学硼化处理液由以下组分制成:硝酸钡65~75g/L,氯化铵30~40g/L,氟硼酸钾70~90g/L,溶剂为水。
2.如权利要求1所述的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,所述化学硼化的温度为90~100℃。
3.如权利要求2所述的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,所述化学硼化的时间为25~30min。
4.如权利要求1所述的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,所述硼化膜的厚度为4~8μm。
5.如权利要求1所述的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,按配方将各原料与水混合,加热至95-100℃,形成的均相溶液即为所述化学硼化处理液。
6.如权利要求1~5中任一项所述的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,化学硼化期间,抖动或翻动钛合金件。
7.如权利要求6所述的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,抖动或翻动钛合金件的频次先高后低。
8.如权利要求7所述的消除钛合金冷变形过程粘接性的润滑方法,其特征在于,反应前十分钟每两分钟抖动或翻动一次,随后每五分钟抖动或翻动一次。
9.一种钛合金用化学硼化处理液,其特征在于,所述化学硼化处理液由以下组分制成:硝酸钡65~75g/L,氯化铵30~40g/L,氟硼酸钾70~90g/L,溶剂为水。
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