CN114734207B - 一种NiTi合金表面切削工艺及粗糙度调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种NiTi合金表面切削工艺及粗糙度调节方法。针对镍钛系合金加工难度大、加工性能不理想的缺陷。本发明提供了一种镍钛系难加工合金的表面切削工艺，首先利用镍钛系合金的相变特性将其从双相转变为单相状态，在单相状态下对合金表面进行电化学脱镍处理获得多孔表面层，再对存在多孔表面层的表面材料进行切削。本发明提供的方法可以有效降低合金材料的加工难度，还可以获得粗糙度可调节的合金工件，对于NiTi合金加工具有重要的意义。

Description

一种NiTi合金表面切削工艺及粗糙度调节方法
技术领域
本发明属于合金表面切削技术领域，具体涉及一种NiTi合金表面切削工艺及一种调节NiTi合金表面粗糙度的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着高端装备的发展，对装备材料及零件的服役性能和工作可靠性要求不断提高，使得具备高强度高韧性等优异性能和特殊功能的镍钛系合金材料应用日益广泛。然而，材料性能与其切削加工性往往呈现互斥关系，镍钛系难加工合金材料零件一直面临加工效率低、加工表面质量差和制造成本高的技术难题。
改善难加工合金材料切削加工性，可以通过提高刀具性能或优化切削工艺等间接方法实现。近年来，改善难加工合金材料切削加工性的研究已有广泛报道并取得诸多成果，包括采用新型切削工艺如激光辅助加工、低温或微量润滑加工、超声振动辅助加工、外加电场或磁场辅助加工等，但上述间接法工艺的实现均需依赖专用设备而导致生产成本提高，且尚未达到理想预期。
除了上述间接法工艺，还可以通过改变被加工合金材料自身的化学成分、晶体结构、晶间夹杂或孔隙等内部因素(可称为直接法)，使材料的热物理力学性能发生转变。专利CN108581057A、CN112239842A提出通过对镍、铬合金等难加工材料渗入元素改变被加工材料性能的加工工艺，利用直接法可以有效提高材料切除效率，减缓刀具磨损并降低切削能耗。但上述元素渗入技术均需采用加热炉对加工材料整体进行长时间高温加热及保温处理，此过程会改变被加工材料基体的自身性能，影响材料的正常使用。
将表面处理技术与切削加工技术相结合可有效改善镍钛系难加工合金的加工性。由于镍钛系难加工合金在室温下是由奥氏体和马氏体两相组成的，两相的结构和性能均不同，在进行表面处理时不能形成统一且质量较好的表面。而镍钛系难加工合金具有良好的相变特性，可以在不同温度下进行转变，且不影响材料性能，故可以通过改变温度实现双相到单相的转变，在单相状态下对合金进行表面处理。
发明内容
基于上述技术背景，本发明设计对NiTi合金进行表面处理从而改变合金的加工性能，实现更容易切削的同时，不影响合金本身的性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供一种NiTi合金表面切削工艺，所述工艺包括如下步骤：马氏体相变温度处理NiTi合金获得马氏体单相的NiTi合金，以马氏体单相的NiTi合金作为工作电极通过电化学对合金中的Ni进行脱除从而获得多孔表面层，再对存在多孔表面层的表面材料进行切削。
根据Rehbinder效应，材料表面的性质对整体材料变形行为起决定性作用，当材料表面进行处理后，能够降低表面能并引起材料表面层晶格的位错迁移，降低原材料的强度和硬度，促进固体表面微裂纹的成核和扩展。因此本发明联想到对被切削材料的表面薄层进行处理，获得一种疏松多孔的表面层，即多孔表面层，此表面层可以起到诱发切屑断裂的作用。同时，疏松多孔几何缺陷还可以使合金力学性能降低(相比块体合金)，从而更加容易被切削以及进行其他表面加工，并且本发明证实，首先制备多孔表面层之后再切削获得的合金表面，具有更高的平整度和光滑度。
为了构建这种缺陷表面，本发明采用电化学方法在NiTi合金表面制备了微纳米结构的多孔表面层，这种微纳米多孔表面层具有复杂的三维立体结构，孔洞相互连通，使其具有了较大的比表面积和良好的流通性，当有流体流过孔洞时(如使用切削液或压缩空气等冷却介质加工)，多孔层复杂的三维立体结构增强了对孔隙内流体的扰动，促进了固体骨架表面与流体间的热量交换，同时大的比表面积还使得多孔表面层内具有极大的热交换面积，具有高的导热系数，对材料切削加工散热具有重要意义。
进一步的，为了获得更加均匀、疏松以及可以精确调控的多孔表面层，本发明还设计将NiTi合金首先转变为马氏体单相，马氏体的缺陷多，自由能较大，更容易腐蚀，通过电化学脱镍处理能够有效提高表面处理效率，得到统一且质量较好的表面。
另外，为了保证上述电化学处理效果，所述NiTi合金置于电化学反应溶液中，应当能够保持70％以上仍处于马氏体状态。另外，通过上述多孔表面层的制备，本发明方法还可以用于NiTi合金表面粗糙度的调节，技术人员可以根据粗糙度的需求对切削厚度进行调节，例如，当切削厚度小于多孔表面层厚度时，切削后的工件仍保留部分多孔结构的表面，可以获得一种粗糙度提高的合金材料，并且基于本发明方法构建的粗糙表面，具有更高的平整度。
以上一个或多个技术方案的有益效果是：
1.本发明提供的加工方法，在不改变基体镍钛合金材料性能的前提下，实现合金材料的表面处理，操作简单，无需大型辅助设备，成本低。
2.在本发明中，通过改变温度获得马氏体单相的NiTi合金，在单相状态下对合金进行表面脱镍处理，可得到统一且质量较好的表面，同时提高了表面处理效率。
3.本发明通过表面脱镍方法，使镍钛难加工合金材料表面成分、组织和形貌发生改变，形成多孔表面层。合金被处理表层性能弱化的同时，还起到诱发切屑断裂的作用，对表面处理层厚度要求低。此外，多孔表面层复杂的三维立体结构和大的比表面积使得其具有高的导热系数。此方法能够保证零件的加工精度、加工效率，同时，减小刀具损耗，延长刀具寿命。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明表面处理辅助切削加工流程示意图；
图2为本发明实施例1中以NiTi合金为试样材料预处理后的原始合金表面形貌图；
图3为本发明实施例1中以NiTi合金为试样材料表面处理后的多孔表面层表面形貌图；
图4为本发明实施例1中以NiTi合金为试样材料表面处理前后的刻划力对比图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，镍钛系难加工合金材料零件具有加工效率低、加工表面质量差和制造成本高的技术缺陷。为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于镍钛系难加工合金切削的表面处理辅助加工方法，可以在不影响基体材料性能的前提下，实现镍钛系难加工合金材料的高效率、高质量和高精度加工，大幅度降低加工能耗和刀具磨损。
本发明第一方面，提供一种NiTi合金表面切削工艺，所述工艺包括如下步骤：马氏体相变温度处理NiTi合金获得马氏体单相的NiTi合金，以马氏体单相的NiTi合金作为工作电极通过电化学对合金中的Ni进行脱除从而获得多孔表面层，再对存在多孔表面层的表面材料进行切削。上述切削工艺中，所述NiTi合金在处理前还具有预处理过程：对待切削的表面进行研磨抛光并清洗。
由于NiTi合金的相变温度受到Ni元素含量以及合金中所夹杂的其他物质的含量影响，因此，不同NiTi合金的相变温度存在不同，本领域技术人员可需要对待处理的NiTi合金进行相变温度的测定，常用的测量方式如热分析方法，具体的实例中，相关操作可参考中华人民共和国医药行业标准，YYT0641_热分析法测量NiTi合金相变温度。
优选的，所述电化学脱除Ni的反应溶液为HNO3溶液，质量分数为6％～17％，反应时间为1h～6h；进一步的，所述电化学反应采用三电极电化学体系，以马氏体单相的NiTi合金作为工作电极，饱和甘汞作为参比电极，铂片为辅助电极；本发明提供的一种实施方式中，所述电化学反应的施加的电位为1.7V～2V，在马氏体相变环境温度中处理0.5h～2h。
上述电化学反应的时间、反应溶液种类及浓度与合金表面多孔表面层的厚度及孔隙尺寸相关，具体的实施方式中，反应溶液为HNO3溶液，质量分数为10％～12％，施加的电位为1.8V～1.85V，反应时间为1h～1.5h，多孔表面层的厚度为2μm～5μm。且随着反应时间的延长、溶液浓度和施加电位的增加多孔表面层越厚，孔隙尺寸越大。
优选的，所述切削的方式包括但不限于采用车削、铣削方式对多孔表面层进行切除。
本发明第二方面，提供一种调节NiTi合金表面粗糙度的方法，所述方法包括采用第一方面所述NiTi合金表面切削工艺在NiTi合金表面制备多孔表面层。
根据粗糙度调节的需求，技术人员可基于上述工艺对NiTi合金表面多孔表面层的厚度及切削厚度进行调节；具体的，为了获得一种粗糙度更高的合金表面，所述切削深度小于或等于多孔表面层的厚度；为了获得一种光滑合金表面，所述切削深度应大于或等于多孔表面层的厚度。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例采用的材料为NiTi合金，马氏体相变开始温度Ms和结束温度Mf、奥氏体相变开始温度As和结束温度Af，分别为40.3℃、15.4℃、59℃和84.5℃。
以切削深度为10μm为加工要求，多孔表面层厚度控制为2μm～3μm。
多孔表面层的制备方法为：
(1)将NiTi合金切割成10mm×10mm×5mm试样，研磨抛光清洗后备用，试样材料的原始合金表面见图2；
(2)将NiTi合金试样置于5℃环境中，使其在低于马氏体相变结束温度的环境中保持0.5h，将NiTi合金试样由奥氏体和马氏体双相状态转变为马氏体单相状态。
(3)在三电极电化学体系中对NiTi合金试样进行脱镍处理，以NiTi合金试样作为工作电极，饱和甘汞作为参比电极，铂片为辅助电极，反应溶液为HNO3溶液，质量分数为10％，施加的电位为1.8V，在5℃环境中处理1h，得到微纳米结构的多孔表面层，其表面形貌见图3。
(4)表面处理完成后，用蒸馏水清洗NiTi合金试样，并将其置于室温环境中，使其恢复到原本的双相状态。
对表面处理后的试样进行刻划试验，分别在原始NiTi合金和表面处理后的试样表面进行刻划，试验条件为恒定深度10μm，刻划速度为1mm/s。在图4中可以看出，相比原始合金材料，经过表面处理后的试样刻划时所用的力出现了明显下降，切削加工性得到了改善，同时加工表面粗糙度降低10％。
实施例2
本实施例中，提供一种对NiTi合金表面进行切削的工艺，与实施例1不同之处在于：
(1)将NiTi合金切割成10mm×10mm×5mm试样，研磨抛光清洗后备用；
(2)将NiTi合金试样置于15℃中，使其在低于马氏体相变结束温度的环境中保持2h，将NiTi合金试样由奥氏体和马氏体双相状态转变为马氏体单相状态。
(3)在三电极电化学体系中对NiTi合金试样进行脱镍处理，以NiTi合金试样作为工作电极，饱和甘汞作为参比电极，铂片为辅助电极，反应溶液为HNO3溶液，质量分数为12％，施加的电位为2V，在15℃环境中处理3h，得到微纳米结构的多孔表面层厚度为5μm～10μm。
(4)表面处理完成后，用蒸馏水清洗NiTi合金试样，并将其置于室温环境中，使其恢复到原本的双相状态。
实施例3
本实施例中，提供一种调节NiTi合金表面粗糙度的方法，与实施例1不同之处在于：
(1)将NiTi合金切割成10mm×10mm×5mm试样，研磨抛光清洗后备用；
(2)将NiTi合金试样置于10℃中，使其在低于马氏体相变结束温度的环境中保持1h，将NiTi合金试样由奥氏体和马氏体双相状态转变为马氏体单相状态。
(3)在三电极电化学体系中对NiTi合金试样进行脱镍处理，以NiTi合金试样作为工作电极，饱和甘汞作为参比电极，铂片为辅助电极，反应溶液为HNO3溶液，质量分数为11％，施加的电位为2V，在10℃环境中处理2.5h，得到微纳米结构的多孔表面层。
(4)表面处理完成后，用蒸馏水清洗NiTi合金试样，并将其置于室温环境中，使其恢复到原本的双相状态。所述多孔表面层的厚度为8μm，切削厚度为5μm。切削加工后NiTi合金试样的表面粗糙度Ra由0.296μm增加到1.099μm，同时切削过程保证了试样表面的平整度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：马氏体相变温度处理NiTi合金获得马氏体单相的NiTi合金，以马氏体单相的NiTi合金作为工作电极通过电化学对合金中的Ni进行脱除从而获得多孔表面层，再对存在多孔表面层的表面材料进行切削。
2.如权利要求1所述NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，所述切削工艺中，所述NiTi合金在处理前还具有预处理过程：对待切削的表面进行研磨抛光并清洗。
3.如权利要求1所述NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，所述NiTi合金的相变温度通过热分析方法进行测定。
4.如权利要求1所述NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，所述电化学脱除Ni的反应溶液为HNO3溶液，质量分数为6％～17％，反应时间为1h～6h。
5.如权利要求4所述NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，所述电化学反应采用三电极电化学体系，以马氏体单相的NiTi合金作为工作电极，饱和甘汞作为参比电极，铂片为辅助电极。
6.如权利要求4所述NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，所述电化学反应的施加的电位为1.7V～2V，在马氏体相变环境中处理0.5h～2h。
7.如权利要求4所述NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，反应溶液为HNO3溶液，质量分数为10％～12％，施加的电位为1.8V～1.85V，反应时间为1h～1.5h，多孔表面层的厚度为2μm～5μm。
8.如权利要求1所述NiTi合金表面切削工艺，其特征在于，切削的方式包括但不限于采用车削、铣削方式对多孔表面层进行切除。
9.一种调节NiTi合金表面粗糙度的方法，其特征在于，所述方法包括采用权利要求1-8任一项所述NiTi合金表面切削工艺在NiTi合金表面制备多孔表面层。
10.如权利要求9所述调节NiTi合金表面粗糙度的方法，其特征在于，为了获得一种粗糙度更高的合金表面，所述切削深度小于多孔表面层的厚度；为了获得一种光滑合金表面，所述切削深度应大于或等于多孔表面层的厚度。
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