CN1511075A - 具有加速化学作用的非磨蚀介质 - Google Patents
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Abstract
本发明是对专利US4818333公开的金属精加工工艺的改进。该改进在于利用了非磨蚀介质，比如不锈钢或塑料，并结合与被处理金属表面反应的化学试剂。本发明也包括利用该工艺精加工的金属制品。
Description
发明背景
本发明涉及为了美观目的和/或为了机械功能目的而对金属制品进行表面精加工，以使这些制品的表面各向同性、超精加工、并具有镜面亮度。本发明既包括一种精加工这些表面的方法，又包括由实施该方法得到的新颖制品。由本发明得到的改进表面可使被加工部件的性能提高。
许多金属制品其机械加工/磨削线条是个问题。具有关键工作面的机械部件的例子包括花键、曲轴、凸轮轴、轴承、齿轮、联轴器和轴颈。对于这些部件而言，由线条导致的差的表面接触性能会增加摩擦、扭矩、噪音、振动、操作温度并且削弱润滑性，而且对磨损区域的失效、磨损、塑性变形和接触疲劳和/或挠曲疲劳产生负面影响。对于置于所需环境中、例如直升机或赛车传动系统中的齿轮或其它部件而言，制品对这些类型失效的耐受力实质上决定了其有效寿命。
一直以来通常通过各种机械磨削/抛光工艺来精加工关键的表面(包括凹陷区域)。但是那些工艺有许多缺点。当制品形状复杂时，机械磨削工具非常昂贵，需要熟练的操作者并且有过度的磨损。HRC为约42或更高的金属部件不适合用这些技术。机械磨削通常导致方向性的磨削线条，并且可损害金属表面的热处理，产生潜在的失效位置。最后，机械磨削是逐个部件进行加工的，因此受重复性和均匀性问题的困扰。
REM Chemicals，Inc开发的专利中，描述了基于大规模加工工艺将金属部件精加工为具有光滑和光亮表面的技术。那些技术已在商业生产中利用了许多年，其中该工艺的目的主要是使部件外表美观而非其机械性能好。为此，REM的专利US4491500公开了对传统大型精加工方法的改进，其中将特定的化学试剂与陶瓷体(称之为“介质”)和一个或多个金属工件一起加入大型精加工设备(例如振动杯或滚筒)中。化学试剂与金属适度反应，在表面上产生一个软镀层(称之为“黑形态”(blackmode))，其可通过介质的振动搅拌而去除。得到的表面光滑且光亮。专利US4491500中所用的介质是磨蚀性的-也就是说，在精加工过程中，它们(与适度或非磨蚀介质相比)更快的被剥蚀。
REM的专利US4818333公开了对专利US4491500工艺的改进。该专利描述了与化学试剂结合使用的陶瓷介质具有至少2.75g/cc的密度，并且基本上没有振动精加工介质中常见的磨料。该专利确定的合适介质包括氧化硅和氧化铝陶瓷与其它金属氧化物的组合。该专利权利要求的特征在于：在特定具体条件下，用于振动精加工杯的介质是基于其重量减轻百分数而选择的。
以上两个REM专利均未确认利用所述工艺精加工的制品其机械性能有任何的改进。不过，REM已证实根据专利US4491500和US4818333处理的齿轮、轴承和其它制品的性能有明显的改进。为此REM已在商业生产中利用了那些专利工艺。例如，专利US5503481描述了利用US4818333专利的工艺来赋予轴承各向同性表面，从而赋予那些部件更长的疲劳寿命。但是，专利US4491500和US4818333中所用的介质不能理想地适用于旨在提高机械性能的精加工处理。专利US4818333的介质其平均金刚石锥体硬度值(DPH)为至少890，因此赋予暴露于它的零件面一种机械织构。尽管本发明仍适用于美观的精加工，但是本发明致力于利用较软的非磨蚀介质(例如金属和/或塑料)来解决介质硬度问题。
较软的非磨蚀介质过去在商业生产中被用于精加工金属表面。例如，ABRIL工艺利用了锌介质，但是与磨蚀化合物一起结合使用。
在提交本申请一年多以前，REM已在商业生产中利用特定塑性磨蚀介质与反应性化学试剂的组合来精加工黄铜和不锈钢部件。但那些工艺产生的表面其Ra(6-10微英寸)值不能达到充分的镜面亮度或超精加工。利用本文公开的工艺，REM已能够将金属制品超精加工成优异的各向同性表面。
发明概述
本发明包括一种将金属表面超精加工成镜面亮度和各向同性的精加工方法。该方法一般包括将制品和非磨蚀介质以及化学溶液一起放入振动精加工杯中的步骤，所述化学溶液能与所述金属制品的表面反应，从而将其转化为较软的形式。接着将这些材料搅拌足够长的时间，以赋予制品所需要的表面。在本发明的一个实施方式中，非磨蚀介质是塑料介质。在另一个实施方式中，介质是金属。优选介质不与化学溶液发生明显的反应。
与专利US4491500、US5503481和US4818333公开的工艺相比，利用金属或塑料介质有几个优点。如上所述，那些介质较软，因此不容易使被加工表面机械织构化。此外，塑料和金属材料更容易(与陶瓷相比)成型为特定的形状和尺寸-这对于形状和尺寸变化的部件的精加工很重要。以下多个实施例解释了本发明的工艺。这些实施例解释本发明的其它实施方式-具体地说，即利用本文公开的方法加工的制品。
定义
利用以下的定义来描述本发明和/或本发明的权利要求书：
“Ra”(或数均粗糙度)，根据ISO标准4287来定义和测量，该标准与DIN标准4768相同。
Rmax(或最大粗糙度深度)，根据DIN标准4768来定义和测量。
“超精加工表面”是指Ra小于或等于2.5微英寸的表面。
“各向同性表面”是指表面不规则性基本上没有取向的表面。
“介质”是指除待精加工制品以外的置于振动精加工杯中的固体物质。
“镜面亮度”是指可从中看见物体清晰反射的表面性能。
“非磨蚀”介质是指在设计的一套加工条件下，其每小时的重量损失小于0.1％并且可实现确定的超精加工表面状况的介质。
附图简述
图1是用REM专利US4818333的工艺(1(a))、和用塑料介质(1(b))以及不锈钢介质(1(c))实施本发明工艺而精加工得到的HRC约为43-45的4140钢试件表面的SEM图像。
解释性实施方式的描述
本发明提供了一种在金属制品上产生具有镜面亮度的超精加工各向同性表面的方法。通过本领域熟知的常规技术来机加工金属制品。作为典型的最后一个制造步骤，制品被超精加工成具有镜面亮度的各向同性精加工品。实施步骤描述如下：
精加工过程
通过对专利US4818333、4491500和5503481公开的工艺进行明显而新颖的改进，可使金属制品得到超精加工的各向同性表面。
a.
振动杯
可利用专利US5503481、4491500和4818333所述的那类常规振动精加工装置来得到各向同性表面。可在800-1500转/分钟和1-8毫米的振幅下操作该装置。专利US4818333优选2-4毫米的振幅。在操作中，化学溶液的加入可依据流透(flow-through)的原则，以使新鲜溶液被连续引入并且废液被连续排出并且弃去。可以每小时每立方英尺0.24-0.4加仑的速度加入溶液。设备操作产生的热量通常会随时间而提高振动系统(介质、溶液和部件)的温度至约35摄氏度。
b.
介质
本发明通过利用不同的介质和适用于这些介质的化学处理剂获得了改进的金属精加工结果(优于REM专利US4818333、4491500和5503481所述的方法)。在一个实施方式中，介质由塑料组成，该塑料在振动杯的操作条件下是非磨蚀的。这些介质优选具有约57的Barcol级硬度，并且与REM专利US4818333公开的陶瓷介质相比是“软”的。在以下所述的化学处理条件下，这些软的塑料介质提供的表面处理优于利用REM专利US4818333的陶瓷介质达到的表面处理。合适的(并且市售可得的)塑料介质的一个例子是由Walther Trowal，Ltd出售的TROWALPLASTPP产品。该介质由结合有不饱和聚酯树脂的50％(以重量计)氧化铝组成。其密度约为1.8g/cm3并且晶体尺寸小于0.9mm。
在本发明的另一个实施方式中，介质由相对于化学处理条件不活泼的金属组成。适用于化学处理的这样一种材料是下文公开的AISI302级不锈钢。可由各供应商处得到各种形状和尺寸的这种介质。AbbottBall是这种介质的供应商之一。当利用这些介质时，可能必须利用具有更大质量承载容量的振动杯。
c.
化学溶液
本发明所用的化学溶液在REM的专利US4818333和4491500中有一般性描述。化学溶液与被处理制品的金属反应，在其表面上留下了反应产物的软镀层(“黑形态”)。这些溶液中所用的反应性化学试剂可包括磷酸或磷酸盐、氨基磺酸、草酸或草酸盐、硫酸或硫酸盐、铬酸或铬酸盐、碳酸氢盐、脂肪酸或脂肪酸盐或这些材料的混合物。该溶液也可含有活化剂或加速剂，比如磷酸锌、磷酸镁和磷酸铁等，也可含有无机或有机氧化剂，比如过氧化物、间硝基苯、氯酸盐、亚氯酸盐、过硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐化合物。
REM Chemicals，Inc市售适用于本发明的各种化学溶液。这些溶液包括重量百分数范围约15-45％的酸/盐组份、以重量计1％范围内的助催化剂和以重量计0-15％范围的氧化剂。可用于本发明的具体配制剂包括以下REM产品：
1.FERROMILFML 575 IFP，一种酸性水溶液，它含有无机磷酸盐与专利的氧化剂和表面活性剂的混合物。
2.FERROMILVII AERO-700，一种含有专利表面活性剂和抑制剂的有机酸水溶液。
3.REMCOPPERMIL 7，一种酸性水溶液，它含有过氧化氢和专利的抑制剂。
这些配方以浓缩物形式出售，可利用水将其稀释以制备将被加入振动杯的化学溶液。典型的稀释物中加入的浓缩物占溶液体积的5-80％。
进行该处理以后，通常希望将第二种溶液加入振动杯以抛光金属制品。REM Chemicals，Inc出售的标签为FERROMILFBC-218的产品是一种适用于钢的抛光溶液。该溶液含有复合无机硫酸盐和专利的表面活性剂。REM Chemicals，Inc出售的REMCOPPERMIL CBC-235抛光剂适用于黄铜。它是也含有专利的表面活性剂和抑制剂的磷酸基水溶液。
本发明通过平衡黑形态的形成和去除速度而提供各向同性表面。如果黑形态太硬，则没有足够的能量去除它，并且有效的精加工过程会停止。如果黑形态太软，则该工艺会产生织构化的表面。黑形态特性对达到均匀精加工也很重要，一旦该工艺结束，会使部件产生公差。以下提供的是达到该平衡的工艺条件的多个实施例。
以下是与REM的US4818333专利公开的方法相对比的本发明实施例：
实施例1(对比)
根据REM专利US4818333公开的工艺精加工了HRC为43-45的SAE4140钢试样和HRC为42-45的可调节扳手。
利用了导前角(lead angle)为60度并且振幅为4.0mm的十立方英尺Sweco振动杯。介质是FERROMILMedia#9(可由REM得到)，其成分在REM专利US4818333中公开为“Media C”。使用的这些介质是3/4英寸的圆锥体。化学溶液是上述的FERROMILFML-575 IFP，在3.75加仑/小时的流速下将其体积百分数维持在12.5％达6.75小时。随后通过加入FERROMILFBC-218溶液(上述)将部件抛光，其体积百分数维持在1％并且在24加仑/小时的流速下流动4小时。杯内装有20平方英尺HRC为43-45的4140钢条。
利用表面光度仪测得的钢试样的起始Ra为23.4(本文所述的所有Ra和Rmax值均为微英寸)，起始Rmax值为200。经处理后，钢试样具有1.46的Ra和13.7的Rmax，并且具有中等镜面亮度外观。图1(a)表示FERROMILMedia#9在HRC为43-45的4140钢试样上产生了高度织构化的最终表面精加工。
可调节的扳手没有显示出完全被精加工，在标记内和周围、沿手柄的肩形区域和沿手柄的长度方向有残余的黑形态。利用Mahr制造的Model MP4i Perthometer和Gaussian滤光器、沿0.06英寸的探测长度测量了粗糙度。
实施例2-用塑料介质精加工
根据本发明的一个实施方式精加工了HRC为43-45的SAE 4140钢试样和HRC为42-45的可调节扳手。
利用了导前角为60度并且振幅为4.0mm的十立方英尺Sweco振动杯。介质是上述Walther Trowal TROWALPLAST PP介质。使用的这些介质是19mm的圆锥体。化学溶液是上述的FERROMILFML-575 IFP，在3.75加仑/小时的流速下将其体积百分数维持在12.5％达6.75小时。随后通过加入FERROMILFBC-218溶液(上述)将部件抛光，其体积百分数维持在1％并且在24加仑/小时的流速下流动4小时。杯内装有20平方英尺HRC为43-45的4140钢条。
利用表面光度仪测得的钢试样的起始Ra为20.3并且起始Rmax值为230。经处理后，钢试样具有0.49的Ra和7.32的Rmax。最终试样的外观是优异的镜面亮度，即表面的反射性与镜子相同。图1(b)表示与利用FERROMILMedia#9得到的图1(a)相比，TROWALPLAST PP介质在HRC为43-45的4140钢试样上产生了明显更为优异的表面精加工。
可调节的扳手也具有优于实施例1中获得的精加工结果。在手柄的肩部或凸起的标记内没有残余的黑形态产生。精加工结果优于利用专利US4818333的工艺(实施例1)得到的结果。
实施例3-用不锈钢介质精加工
根据本发明的另一个实施方式精加工了8620表面硬化的试样和齿轮。
利用了导前角为60度并且振幅为4.5mm的四立方英尺VibraFinish of Canada振动杯。介质是302不锈钢，并且以20w/w％的3/32”X 3/8”销栓、40w/w％的1/8”斜构件和40w/w％的3/16”滚珠圆锥体(ballcone)的混合物形式加入。化学溶液是上述的FERROMILVIIAERO-700，在2.5加仑/小时的流速下将其体积百分数维持在75％达8.0小时。随后通过加入FERROMILFBC-218溶液(上述)将部件抛光，其体积百分数维持在1％并且在20加仑/小时的流速下流动4小时。该实施例中，杯内装有20平方英尺HRC为58-60的8620钢条。齿轮(Webster 8620渗碳钢，20齿齿轮，8径节和25℃的压力角)具有约0.0469英寸的圆角半径。
利用表面光度仪测得的钢试样的起始Ra为29.8并且起始Rmax值为262。经处理后，钢试样具有1.95的Ra和24.2的Rmax。试样的最终外观是中等镜面亮度的外观。
齿轮齿侧表面的起始Ra为41.0并且起始Rmax值为202。经处理后，该表面具有1.83的Ra和18.4的Rmax。齿轮齿工作面具有10.6的起始Ra和94.4的起始Rmax。经处理后，该表面具有3.9的Ra和31.4的Rmax。因为这是预制件OEM汽车齿轮，其质量不足以产生超精加工的工作面。但是，即使是齿轮的齿根圆角凹陷也显示出明显的表面精加工。在凹陷区域没有黑形态。尽管在抛光后部件有轻微褪色，但它们的确具有镜面外观。
利用表面光度仪测得的HRC为43-45的SAE 4140钢试样的起始Ra为23.7并且起始Rmax值为242。经处理后，该试样具有1.46的Ra和12.0的Rmax。图1(c)表示与利用FERROMILMedia#9得到的图1(a)相比，302不锈钢介质在4140钢试样(FERROMILVII AERO-700，在与上述相似的条件下)上产生了明显改进的表面精加工。但没有由TROWALPLAST PP介质产生的好。
实施例4-用塑料介质精加工精致黄铜部件
根据本发明的一个实施方式精加工了精致的薄壁黄铜吸烟打火机外壳。
利用了0.75立方英尺Raytech振动杯，通过可变电力变阻器利用25％的电源。介质是上述Walther Trowal TROWALPLAST PP介质。使用的这些介质是19mm的圆锥体。化学溶液是上述的REMCOPPERMIL7，在0.3加仑/小时的流速下将其体积百分数维持在10％达5小时。随后通过加入REMCOPPERMIL CBC-235溶液(上述)将部件抛光，其体积百分数维持在1％并且在3加仑/小时的流速下流动1小时。杯内装有1.3平方英尺的C3600O黄铜条。
利用表面光度仪测得的打火机的起始Ra为10.7并且起始Rmax值为77.6。经处理后，该打火机具有1.22的Ra和13.4的Rmax。打火机的最终外观具有优异的镜面亮度。
Claims (8)
1.一种精加工金属制品的方法，它包括步骤：
a)将所述制品与
i.能够与所述金属制品表面反应以将其转化为较软形式的化学溶液，和
ii.非磨蚀介质
一起放入振动精加工杯和/或类似物中，
b)在所述精加工杯中搅拌所述制品、介质和溶液达足够长的时间，以赋予所述制品超精加工的、各向同性并具有镜面亮度的表面。
2.权利要求1的方法，其中所述非磨蚀介质由包括塑料的材料制成。
3.权利要求1的方法，其中所述非磨蚀介质由包括与不饱和聚酯树脂结合的氧化铝的材料制成。
4.权利要求1的方法，其中所述非磨蚀介质由包括金属的材料制成。
5.权利要求1的方法，其中所述非磨蚀介质由包括不锈钢的材料制成。
6.权利要求1的方法，其中所述非磨蚀介质由包括302级不锈钢的材料制成。
7.权利要求1的方法，其中表面精加工优于由非磨蚀陶瓷介质或其它磨蚀介质产生的表面精加工。
8.一种制品，由权利要求1-6的任一种方法精加工而成。
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