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CN103878703B - 一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法 - Google Patents

一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法 Download PDF

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CN103878703B
CN103878703B CN201410100417.5A CN201410100417A CN103878703B CN 103878703 B CN103878703 B CN 103878703B CN 201410100417 A CN201410100417 A CN 201410100417A CN 103878703 B CN103878703 B CN 103878703B
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Abstract

本发明涉及一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,该方法由以下步骤组成:将混合料以100~300m/s的速度和15~75°的喷射角喷射到耐磨合金钢工件表面上,并使喷射点完全覆盖耐磨合金钢工件表面;其中,所述的混合料由钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=1︰1︰1~5︰1︰3质量比的钢球、研磨粉和强化研磨改性液组成;其中,所述的钢球为硬度大于62HRC的直径为Φ1~Φ8mm的铸钢球或轴承钢的钢球;所述的强化研磨改性液由以下重量百分比的原料组成:极压添加剂15~25%、防腐剂2~3%、渗透剂10~15%、pH调节剂4~6%、非离子表面活性剂2~8%、pH缓冲剂2~5%、软化剂0.3~0.8%、碱1%、消泡剂0.1~0.2%、防锈剂0.2~0.5%,其余为水。本方法可在喷射磨料的研磨过程中对耐磨合金钢工件表面进行强化处理,以提高工件的疲劳寿命和表面硬度。

Description

一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法
技术领域
本发明涉及为产生特殊效果的喷射磨料的方法,该方法可在喷射磨料的研磨过程中对耐磨合金钢工件表面进行强化处理。
背景技术
金属材料表面加工技术(尤其是表面改性技术)可大大地提高材料的强度、硬度以及耐磨性能,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。蔡珣等人的发明专利CN101070592B公开了“铜或其合金的复合离子注入表面改性的方法”,采用复合离子注入工艺实现在铜或其合金表面注入金属元素或非金属元素提高工件的硬度及耐磨性能,但该方法需先对工件表面进行抛光、清洗、烘干等一系列工艺处理,且介质元素注入过程需长时间在高温环境条件下进行易使工件产生热变形,同时消耗较多的热能,工艺过于复杂成本较昂贵,适用范围小。陈治贵的发明专利CN100554519C公开了“一种长寿命轴承的表面强化与润滑工艺”,采用盐浴炉对轴承内、外套圈和滚动体零部件进行氮碳共渗处理、淬火处理及低温回火处理,可提高轴承在高应力旋转的无润滑条件下的抗粘着、抗咬合擦伤的能力,但该方法同样也需要长时间在高温环境条件下进行易使工件产生热变形,同时也消耗较多的热能,工艺复杂且效率不够高。李伟等人的发明专利CN102560508A公开了“利用表面机械研磨处理对金属材料进行表面改性的方法”,利用纳米材料的高扩散性,采用SMAT技术对金属材料进行介质元素的渗入以及退火处理以提高其表面性能,但该方法对金属材料工件处理时间也较长,效率较低,不利于大批量生产。随着纳米技术的发展,对纳米材料的应用也越来越广泛。侯国宪、张金梅的发明专利CN100545309C公开了“一种金属表面改性方法”,通过磁泳沉积定向碳纳米管悬浮层、压轧冷嵌等步骤,在金属表面形成定向碳纳米管复合层,改善金属表面的抗氧化、抗磨损性能,但该方法容易使金属材料磁化,不利于金属材料的后续制造和使用。张贺等人的发明专利CN101979450B公开了“研磨液、研磨液的制备方法和使用该研磨液的研磨方法”,由去离子水、金刚石粉、甘油、防锈剂和添加剂配制研磨液对碳化硅晶片进行研磨加工具有可防止划伤和磨盘生锈的特性,但该方法仅从机械角度对工件进行加工,无法形成多重效果,加工效率也不够高。
一直以来,对耐磨合金钢工件进行表面加工都很难达到以下综合技术效果,即︰既能降低工件表面粗糙度,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。
广州大学刘晓初教授在我国最早提出了用于金属材料表面加工处理的强化研磨加工方法(见公开号为CN101733707A的专利申请),该方法将钢球、研磨粉以及强化研磨液混合并喷射至耐磨合金钢工件表面,对耐磨合金钢工件表面进行机械强化研磨,该方法对耐磨合金钢工件表面进行强化研磨加工能够很好地改善工件的表面硬度、强度以及粗糙度并形成有利于抗疲劳、耐磨损的加工表面油囊和纹理及残余压力等。但后续深入研究表明,该方法存在以下不足:仅单一地对耐磨合金钢工件表面进行机械强化而不能同时进行化学改性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,该方法可在喷射磨料的研磨过程中对耐磨合金钢工件表面进行强化处理,以提高工件的疲劳寿命和表面硬度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,该方法由以下步骤组成:将混合料以100~300m/s的速度和15~75°的喷射角喷射到耐磨合金钢工件表面上,并使喷射点完全覆盖耐磨合金钢工件表面;其中,所述的混合料由钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=1︰1︰1~5︰1︰3质量比的钢球、研磨粉和强化研磨改性液组成;其中,
所述的钢球为用硬度大于62HRC的直径为Φ1~Φ8mm的铸钢球或轴承钢的钢球;
所述的研磨粉是粒径为80~280目的棕刚玉粉;
所述的强化研磨改性液由以下重量百分比的原料组成:脂肪酸咪唑啉硼酸酯15~25%,苯甲酸钠2~3%,烷基磺酸钠10~15%,三乙醇胺4~6%,脂肪醇聚氧乙烯醚2~8%,硼砂(化学名为四硼酸钠)2~5%,乙二胺四乙酸二钠0.3~0.8%,氢氧化钠1%,聚氧丙烯0.1~0.2%,苯并三氮唑0.2~0.5%,其余为水;其中,所述的极压添加剂为脂肪酸咪唑啉硼酸酯、磷酸酯胺盐化合物、三甲苯基硼酸酯和脂肪酸二乙醇酞胺硼酸酯中的一种;所述的防腐剂为苯甲酸钠、己二稀酸、对羟基苯甲酸乙酯和对羟苯甲酸中的一种;所述的渗透剂为烷基磺酸钠、烷基硫酸酯钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的一种;所述的pH调节剂为三乙醇胺、磷酸氢二钠、山梨酸和柠檬酸中的一种;所述的非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚乙二醇酯和多元醇酯聚氧乙烯醚中的一种;所述的pH缓冲剂为硼砂、氨基乙酸-盐酸、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠和醋酸盐中的一种;所述的软化剂为乙二胺四乙酸二钠、双十八烷基二甲基氯化铵、聚氧乙烯烷基醚和三聚磷酸钠中的一种;所述的碱为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠和氢氧化钙中的一种;所述的消泡剂为聚氧丙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚和磷酸三丁酯中的一种;所述的防锈剂为苯并三氮唑、烯基丁二酸、脂肪酸胺和磺酸胺盐中的一种。
上述方案中,所述的强化研磨改性液的优先方案为以下4种之一:
方案1:脂肪酸咪唑啉硼酸酯15~25%,苯甲酸钠2~3%,烷基磺酸钠10~15%,三乙醇胺4~6%,脂肪醇聚氧乙烯醚2~8%,硼砂2~5%,乙二胺四乙酸二钠0.3~0.8%,氢氧化钠1%,聚氧丙烯0.1~0.2%,苯并三氮唑0.2~0.5%,其余为水。
方案2:磷酸酯胺盐化合物15~25%,己二稀酸2~3%,烷基硫酸酯钠10~15%,磷酸氢二钠4~6%,烷基酚聚氧乙烯醚2~8%,氨基乙酸-盐酸2~5%,双十八烷基二甲基氯化铵0.3~0.8%,碳酸钠1%,聚二甲基硅氧烷0.1~0.2%,烯基丁二酸0.2~0.5%,其余为水。
方案3:三甲苯基硼酸酯15~25%,对羟基苯甲酸乙酯2~3%,脂肪醇聚氧乙烯醚10~15%,山梨酸4~6%,脂肪酸聚乙二醇酯2~8%,邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠2~5%,聚氧乙烯烷基醚0.3~0.8%,碳酸氢钠1%,聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚0.1~0.2%,脂肪酸胺0.2~0.5%,其余为水。
方案4:脂肪酸二乙醇酞胺硼酸酯15~25%,对羟苯甲酸2~3%,烷基酚聚氧乙烯醚10~15%,柠檬酸4~6%,多元醇酯聚氧乙烯醚2~8%,醋酸盐2~5%,三聚磷酸钠0.3~0.8%,氢氧化钙1%,磷酸三丁酯0.1~0.2%,磺酸胺盐0.2~0.5%,其余为水。
本发明所述的强化研磨方法,可对耐磨合金钢工件表面进行粗研和精研。精研时,所述钢球的级配为Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰1~4︰3︰1,且,所述研磨粉的平均粒径150~280目;粗研时,所述钢球的级配为Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8=1︰1︰1︰1︰1~5︰3︰3︰2︰1,且,所述研磨粉的平均粒径为80~120目。
本发明所述的强化研磨方法将混合料斜向高速喷射到被加工金属材料工件表面,混合料中的钢球和研磨粉与耐磨合金钢工件表面发生连续剧烈的碰撞,使耐磨合金钢工件表面碰撞区的金属原子晶格松弛、结构裂解,从而激发出高能电子形成等离子区,诱导强化研磨改性液与金属材料发生摩擦化学反应,该反应使强化研磨改性液中的氮(N)原子在工件表面生成氮含量较高的具有减摩、抗磨和抗氧化作用的富氮化学物理膜层,从而提高工件的疲劳寿命。此外,本发明所述强化研磨方法的整个过程是在无压缩空气和室温下进行,因此工件既不会产生热变形,表面也不易被氧化。
本发明所述强化研磨方法之所以具有上述有益效果与所述的强化研磨改性液所产生的作用密不可分。所述的强化研磨改性液中,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N化物;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;渗透剂具有优异的渗透、洗涤、润湿、去污和乳化作用;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;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;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;软化剂可促进水基极压添加剂的水解反应,有助于摩擦化学反应的产生;消泡剂可消除加工过程中所产生泡沫;防锈剂可防止工件加工过程发生氧化反应。
附图说明
图1为实施本发明所述强化研磨方法时,喷嘴与工件位置关系示意图。
具体实施方式
例1(精研)
采用耐磨合金钢工件为GCr15的轴承套圈内圈,对其进行强化研磨加工。
(1)混合料的配制
①强化研磨改性液(简称研磨液)分别为以下4种配制方案:
方案1:按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯15%、苯甲酸钠2%、烷基磺酸钠12%、三乙醇胺5%、脂肪醇聚氧乙烯醚4%、硼砂(化学名为四硼酸钠)3%、乙二胺四乙酸二钠0.5%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.1%和苯并三氮唑0.3%加入到57.1%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
方案2:按重量百分比将磷酸酯胺盐化合物16.5%、己二稀酸2.1%、烷基硫酸酯钠10%、磷酸氢二钠4.2%、烷基酚聚氧乙烯醚7%、氨基乙酸-盐酸2.5%、双十八烷基二甲基氯化铵0.3%、碳酸钠1%、聚二甲基硅氧烷0.1%和烯基丁二酸0.3%加入到58.1%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
方案3:按重量百分比将三甲苯基硼酸酯17.5%、对羟基苯甲酸乙酯2.5%、脂肪醇聚氧乙烯醚13%、山梨酸5%、脂肪酸聚乙二醇酯5%、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠4%、聚氧乙烯烷基醚0.5%、碳酸氢钠1%,聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚0.2%、脂肪酸胺0.4%加入到59.1%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
方案4:按重量百分比将脂肪酸二乙醇酞胺硼酸酯15.4%、对羟苯甲酸3%、烷基酚聚氧乙烯醚13.5%、柠檬酸4%、多元醇酯聚氧乙烯醚6%、醋酸盐3%、三聚磷酸钠0.6%、氢氧化钙1%、磷酸三丁酯0.2%、磺酸胺盐0.5%加入到60.1%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②按Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=2︰2︰1的级配将直径分别为Φ1mm、Φ2mm和Φ3mm的洛氏硬度为65HRC的铸钢材料的钢球混合在一起;
③将棕刚玉粉先过150目筛,再过280目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=1︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料。
(2)强化研磨加工
将所混合料的配制装入本发明人自主研制的强化研磨机的混合料储存装置里,再将轴承套圈2装夹在所述强化研磨机的工作台3上,并按图1所示使所述强化研磨机的喷嘴1的轴芯线与轴承套圈2沟道上任一点的切线之夹角α为30度,然后启动所述强化研磨机,使混合料以100m/s的速度喷射到轴承套圈2沟道内,并使喷射点完全覆盖GCr15的轴承套圈内圈表面。
(3)效果对比
将强化研磨后轴承套圈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沟道表面硬度值,采用奥林巴斯激光共聚焦显微镜测量沟道表面粗糙度值,采用X射线能谱仪(EDS)测量沟道表面各元素的含量,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16.85kN,轴承转速为4200转每分钟,直至轴承套圈疲劳失效,并将各项指标检测结果与加工前相比,比较结果如下表1所示:
表1强化研磨前后的效果比较
例2(粗研)
采用耐磨合金钢工件为1Cr18Ni9的轴承套圈内圈,对其进行强化研磨加工。
(1)混合料的配制
①强化研磨改性液分别为以下4种配制方案:
方案1:按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯16%、苯甲酸钠2%、烷基磺酸钠11%、三乙醇胺4%、脂肪醇聚氧乙烯醚5%、硼砂(化学名为四硼酸钠)3.5%、乙二胺四乙酸二钠0.4%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.1%和苯并三氮唑0.2%加入到56.8%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
方案2:按重量百分比将磷酸酯胺盐化合物16.5%、己二稀酸3%、烷基硫酸酯钠10.5%、磷酸氢二钠4.4%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、氨基乙酸-盐酸2%、双十八烷基二甲基氯化铵0.3%、碳酸钠1%、聚二甲基硅氧烷0.1%和烯基丁二酸0.3%加入到57.8%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
方案3:按重量百分比将三甲苯基硼酸酯16.7%、对羟基苯甲酸乙酯2.4%、脂肪醇聚氧乙烯醚12%、山梨酸5.4%、脂肪酸聚乙二醇酯7%、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠3%、聚氧乙烯烷基醚0.5%、碳酸氢钠1%,聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚0.2%、脂肪酸胺0.5%加入到58.8%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
方案4:按重量百分比将脂肪酸二乙醇酞胺硼酸酯18.3%、对羟苯甲酸2.6%、烷基酚聚氧乙烯醚15%、柠檬酸6%、多元醇酯聚氧乙烯醚8%、醋酸盐5%、三聚磷酸钠0.4%、氢氧化钙1%、磷酸三丁酯0.1%、磺酸胺盐0.5%加入到59.8%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②按Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=1︰2︰2︰1的级配将直径分别为Φ1mm、Φ2mm和Φ3mm的洛氏硬度为65HRC的轴承钢材料的钢球混合在一起;
③将棕刚玉粉先过80目筛,再过120目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=2︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料。
(2)强化研磨加工
将所混合料的配制装入强化研磨机的混合料储存装置里,再将轴承套圈2装夹在所述强化研磨机的工作台3上,并按图1所示使所述强化研磨机的喷嘴1的轴芯线与轴承套圈2沟道上任一点的切线之夹角α为35度,然后启动所述强化研磨机,使混合料以120m/s的速度喷射到轴承套圈2沟道内,并使喷射点完全覆盖1Cr18Ni9的轴承套圈内圈表面。
(3)效果对比
将强化研磨后轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量沟道的各项指标,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强化研磨前后的效果比较
例3(不同喷射速度强化研磨效果的影响)
1、采用耐磨合金钢工件为1Cr13轴承套圈内圈,对其进行强化研磨加工。
(1)混合料的配制
①按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯18%、苯甲酸钠2.2%、烷基磺酸钠12.5%、三乙醇胺4.5%、脂肪醇聚氧乙烯醚2%、硼砂(化学名为四硼酸钠)2.5%、乙二胺四乙酸二钠0.6%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.2%和苯并三氮唑0.4%加入到56.1%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②按Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=2︰1︰1的级配将直径分别为Φ1mm、Φ2mm和Φ3mm的洛氏硬度为65HRC的铸钢材料的钢球混合在一起;
③将棕刚玉粉先过150目筛,再过280目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=2︰1︰2质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料。
(2)强化研磨加工
①将所混合料的配制装入强化研磨机的混合料储存装置里,再将轴承套圈2装夹在所述强化研磨机的工作台3上,并按图1所示使所述强化研磨机的喷嘴1的轴芯线与轴承套圈2沟道上任一点的切线之夹角α为40度;然后启动所述强化研磨机,使混合料以40、60、80、100、200、300、320、360和400m/s的一种速度分别喷射到9个轴承套圈2沟道内,并使喷射点完全覆盖每一1Cr13的轴承套圈内圈表面。
2、效果对比
将强化研磨后的9个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量沟道的各项指标,结果如下表3所示。由表3可见,100~300m/s喷射速度效果最好。
表3不同喷射速度强化研磨后的效果比较
例4(喷射角度对研磨效果的影响)
(1)耐磨合金钢工件为2Cr13轴承套圈内圈,共8个。
(2)混合料的配制方法如下:
①按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯17%、苯甲酸钠2.5%、烷基磺酸钠11.5%、三乙醇胺5.5%、脂肪醇聚氧乙烯醚3%、硼砂(化学名为四硼酸钠)2%、乙二胺四乙酸二钠0.7%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.1%和苯并三氮唑0.5%加入到56.2%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②按Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=3︰1︰1的级配将直径分别为Φ1mm、Φ2mm和Φ3mm的洛氏硬度为66HRC的铸钢材料的钢球混合在一起;
③将棕刚玉粉先过150目筛,再过280目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=2︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料。
(3)采用例1所述的方法进行强化研磨加工,强化研磨加工的工艺参数为:①混合料的喷射速度为150m/s;②每一轴承套圈内圈选择下述一种喷射角进行加工:5度,10度,15度,45度,75度,80度,85度,90度。
(4)效果对比
将强化研磨后的8个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1中步骤(3)所述的仪器测量被加工后轴承套圈沟道表面的各项指标,结果如下表4所示。由表4可见,15~75°的喷射角效果最好。
表4不同喷射角度强化研磨后的效果比较
例5(不同级配钢球对研磨效果的影响)
1、精研
(1)耐磨合金钢工件为25Cr2Mo轴承套圈内圈,共7个。
(2)混合料的配制
①强化研磨改性液,按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯19%、苯甲酸钠2.2%、烷基磺酸钠13%、三乙醇胺6%、脂肪醇聚氧乙烯醚6%、硼砂(化学名为四硼酸钠)4%、乙二胺四乙酸二钠0.8%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.2%和苯并三氮唑0.4%加入到47.4%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②钢球的材料为洛氏硬度为66HRC的轴承钢,直径分别为Φ1mm、Φ2mm和Φ3mm;
③将棕刚玉粉先过150目筛,再过280目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=3︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料;
上述步骤②所述的钢球的级配为下述7种方案:
方案1:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰3,
方案2:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰2;
方案3:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰1;
方案4:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=2︰2︰1;
方案5:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=4︰3︰1;
方案6:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=5︰4︰1;
方案7:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=6︰3︰1。
(3)精研轴承套圈沟道
(3)采用例1所述的方法进行强化研磨加工,强化研磨加工的工艺参数为:①混合料的喷射速度为150m/s;②喷射角50度;③每一轴承套圈内圈分别采用一种钢球级配的混合料进行精研。
(4)效果对比
将强化研磨后的7个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量被加工后轴承套圈沟道表面的各项指标,结果如下表5所示。由表5可见,精研时,钢球级配为Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰1~4︰3︰1的效果最好。
表5不同级配钢球精研后的效果比较
2、粗研
(1)耐磨合金钢工件为25Cr2Mo轴承套圈内圈,共7个。
(2)混合料的配制
①按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯20%、苯甲酸钠2.6%、烷基磺酸钠14%、三乙醇胺4%、脂肪醇聚氧乙烯醚7%、硼砂(化学名为四硼酸钠)5%、乙二胺四乙酸二钠0.3%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.1%和苯并三氮唑0.2%加入到45.8%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②钢球的材料为洛氏硬度为66HRC的轴承钢,直径分别为Φ4mm、Φ5mm、Φ6mm、Φ7mm和Φ8mm;
③将棕刚玉粉先过80目筛,再过120目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=3︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料;
上述步骤②所述的钢球的级配为下述7种方案:
方案1:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=1︰1︰1︰1︰3;
方案2:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=1︰1︰1︰1︰2;
方案3:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=1︰1︰1︰1︰1;
方案4:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=3︰2︰2︰1︰1;
方案5:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=5︰3︰3︰2︰1;
方案6:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=6︰4︰3︰2︰1;
方案7:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=7︰4︰3︰2︰1;
(3)粗研轴承套圈沟道
采用例2所述的方法进行强化研磨加工,强化研磨加工的工艺参数为:①混合料的喷射速度为180m/s;②喷射角60度;③每一轴承套圈内圈分别采用一种钢球级配的混合料进行粗研。
(4)效果对比
将强化研磨后的7个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量被加工后轴承套圈沟道表面的各项指标,结果如下表6所示。由表6可见,粗研时,钢球级配为Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8=1︰1︰1︰1︰1~5︰3︰3︰2︰1的效果最好。
表6不同级配钢球粗研后的效果比较
例6(不同直径钢球对研磨效果的影响)
1、精研
(1)耐磨合金钢工件为GCr15轴承套圈内圈,共7个。
(2)混合料的配制
①按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯21%、苯甲酸钠2.2%、烷基磺酸钠12.5%、三乙醇胺5.5%、脂肪醇聚氧乙烯醚5%、硼砂(化学名为四硼酸钠)4%、乙二胺四乙酸二钠0.8%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.2%和苯并三氮唑0.4%加入到47.4%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②钢球的材料为洛氏硬度为66HRC的轴承钢,直径分别为Φ0.1mm~Φ6mm;
③将棕刚玉粉先过150目筛,再过280目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=3︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料;
上述步骤②所述的钢球的直径及其级配为下述7种方案:
方案1:按Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰1;
方案2:Φ0.4mm︰Φ0.5mm︰Φ0.6mm=1︰1︰1;
方案3:Φ0.7mm︰Φ0.8mm︰Φ0.9mm=1︰1︰1;
方案4:Φ0.8mm︰Φ0.9mm︰Φ1mm=1︰1︰1;
方案5:Φ0.1mm︰Φ0.2mm︰Φ0.3mm=1︰1︰1;
方案6:Φ2mm︰Φ3mm︰Φ4mm=1︰1︰1;
方案7:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm=1︰1︰1。
(3)精研轴承套圈沟道
采用例1所述的方法进行强化研磨加工,强化研磨加工的工艺参数为:①混合料的喷射速度为160m/s;②喷射角60度;③每一轴承套圈内圈分别采用一种钢球级配的混合料进行研。
(4)效果对比
将强化研磨后的7个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量被加工轴承套圈表面的各项指标,结果如下表7所示。由表7可见,精研时,钢球直径为Φ1mm~Φ3mm的效果最好。
表7不同直径钢球精研后的效果比较
2、粗研
(1)耐磨合金钢工件为GCr15轴承套圈内圈,共6个。
(2)混合料的配制
①按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯18%、苯甲酸钠2.6%、烷基磺酸钠13%、三乙醇胺4%、脂肪醇聚氧乙烯醚7.5%、硼砂(化学名为四硼酸钠)5%、乙二胺四乙酸二钠0.3%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.1%和苯并三氮唑0.2%加入到48.3%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②钢球的材料为洛氏硬度为66HRC的轴承钢,直径分别为Φ0.8mm~Φ9mm;
③将棕刚玉粉先过80目筛,再过120目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=3︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料;
上述步骤②所述的钢球的直径及其级配为下述7种方案:
方案1:Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=1︰1︰1︰1︰1
方案2:Φ0.8mm︰Φ0.9mm︰Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰1︰1︰1;
方案3:Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm︰Φ4mm︰Φ5mm=1︰1︰1︰1︰1;
方案4:Φ2mm︰Φ3mm︰Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm=1︰1︰1︰1︰1;
方案5:Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm︰Φ9mm=1︰1︰1︰1︰1;
方案6:Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm︰Φ9mm︰Φ10mm=1︰1︰1︰1︰1;
(3)粗研轴承套圈沟道
采用例2所述的方法进行强化研磨加工,强化研磨加工的工艺参数为:①混合料的喷射速度为155m/s;②喷射角60度;③每一轴承套圈内圈分别采用一种钢球级配的混合料进行研。
(4)效果对比
将强化研磨后的6个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量被加工轴承套圈表面的各项指标,结果如下表8所示。由表8可见,粗研时,钢球直径为Φ4mm~Φ8mm的效果最好。
表8不同直径钢球粗研后的效果比较
例7(研磨粉粒径对研磨效果的影响)
1、精研
(1)耐磨合金钢工件为3Cr13轴承套圈内圈,共5个。
(2)混合料的配制
①按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯22%、苯甲酸钠3%、烷基磺酸钠15%、三乙醇胺4.2%、脂肪醇聚氧乙烯醚8%、硼砂(化学名为四硼酸钠)4.5%、乙二胺四乙酸二钠0.4%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.2%和苯并三氮唑0.3%加入到41.4%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②按Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=3︰2︰1的级配将直径分别为Φ1mm、Φ2mm和Φ3mm的洛氏硬度为65HRC的铸钢材料的钢球混合在一起;
③将棕刚玉粉过不同孔径的筛;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=4︰1︰1质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料;
上述步骤③所述的棕刚玉粉粒径为下述5种方案:
方案1:将棕刚玉粉过150目筛,再过280目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
方案2:将棕刚玉粉过280目筛,收集筛下面的棕刚玉粉;
方案3:将棕刚玉粉过150目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
方案4:将棕刚玉粉过100目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
方案5:将棕刚玉粉过340目筛,收集筛下面的棕刚玉粉。
(3)精研轴承套圈沟道
采用例1所述的方法进行强化研磨加工,强化研磨加工的工艺参数为:①混合料的喷射速度为200m/s;②喷射角60度;③每一轴承套圈内圈分别采用一种粒径棕刚玉粉的混合料进行研。
(4)效果对比
将强化研磨后的5个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量被加工轴承套圈表面的各项指标,结果如下表9所示。由表9可见,精研时,棕刚玉粉的粒径小于等于150目,大于等于280目的效果最好。
表9研磨粉不同粒径精研后的效果比较
2、粗研
(1)耐磨合金钢工件为3Cr13轴承套圈内圈,共5个。
(2)混合料的配制
①按重量百分比将脂肪酸咪唑啉硼酸酯23%、苯甲酸钠2%、烷基磺酸钠10%、三乙醇胺4%、脂肪醇聚氧乙烯醚2.5%、硼砂(化学名为四硼酸钠)2.5%、乙二胺四乙酸二钠0.3%、氢氧化钠1%、聚氧丙烯0.1%和苯并三氮唑0.2%加入到54.4%的水中搅拌均匀,得强化研磨改性液;
②按Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8mm=4︰3︰2︰1︰1的级配将直径分别为Φ4mm、Φ5mm、Φ6mm、Φ7mm和Φ8mm的洛氏硬度为65HRC的轴承钢材料的钢球混合在一起;
③将棕刚玉粉过不同孔径的筛;
④钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=4︰1︰2质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得强化研磨改性液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料;
上述步骤③所述的棕刚玉粉粒径为下述5种方案:
方案1:将棕刚玉粉先过80目筛,再过120目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
方案2:将棕刚玉粉过120目筛,收集筛下面的棕刚玉粉;
方案3:将棕刚玉粉过80目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
方案4:将棕刚玉粉过50目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
方案5:将棕刚玉粉过160目筛,收集筛下面的棕刚玉粉。
(3)粗研轴承套圈沟道
采用例2所述的方法进行强化研磨加工,强化研磨加工的工艺参数为:①混合料的喷射速度为175m/s;②喷射角55度;③每一轴承套圈内圈分别采用一种粒径棕刚玉粉的混合料进行研。
(4)效果对比
将强化研磨后的5个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1步骤(3)所述的仪器测量被加工轴承套圈表面的各项指标,结果如下表10所示。由表10可见,粗研时,棕刚玉粉的粒径小于等于80目,大于等于120目的效果最好。
表10研磨粉不同粒径粗研后的效果比较
例8(不同强化研磨改性液对研磨效果的影响)
(1)耐磨合金钢工件为1Cr17Ni7轴承套圈内圈,共5个。
(2)混合料的配制
①强化研磨改性液分别为以下5种:
方案1:按重量百分比将丙烯酸聚合物10%、苯甲酸钠2%、三乙醇胺20%、聚乙烯5%、聚氧丙烯0.1%和苯并三氮唑0.3%加入到62.6%的水中搅拌均匀,得研磨液;
方案2:按重量百分比将异丙醇12%、丙二酸2%、三甲基单甲氧基硅烷0.5%、过氧化氢0.8%、三乙醇胺25%和苯并三氮唑0.3%加入到59.4%的水中搅拌均匀,得研磨液;
方案3:按重量百分比将丙二醇单甲醚12%、丙二酸2%、聚丙烯酸0.5%、过氧化氢0.8%、三乙醇胺25%和苯并三氮唑0.3%加入到59.4%的水中搅拌均匀,得研磨液;
方案4:按重量百分比将异丙醇11%、甲苯并三唑化合物3.5%、丙二醇单丙醚0.5%、聚丙烯酸3%、过氧化氢0.8%、三乙醇胺23%和苯并三氮唑0.3%加入到46.1%的水中搅拌均匀,得研磨液;
方案5~8:与上述例1相同;
方案9~12:与上述例2相同;
②按Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=3︰3︰1的级配将直径分别为Φ1mm、Φ2mm和Φ3mm的洛氏硬度为65HRC的铸钢材料的钢球混合在一起;
③将棕刚玉粉先过150目筛,再过280目筛,收集筛上面的棕刚玉粉;
④钢球︰研磨粉︰研磨液=4︰1︰3质量比将步骤②得到的钢球和步骤③得到的棕刚玉粉加入到步骤①得研磨液中并混合均匀,得到强化研磨所用的混合料。
(3)强化研磨加工
将混合料装入强化研磨机的混合料储存装置里,再分别将4个轴承套圈2装夹在所述强化研磨机的工作台3上,并按图1所示使所述强化研磨机的喷嘴1的轴芯线与轴承套圈2沟道上任一点的切线之夹角α为45度,然后启动所述强化研磨机,使混合料以250m/s喷射到轴承套圈2沟道内,与此同时喷射点相对加工表面移动,使喷射点覆盖加工表面。
(4)效果对比
将强化研磨后的4个轴承套圈采用超声波清洗机清洗并烘干后,分别采用例1中步骤(3)所述的仪器测量被加工后轴承套圈沟道表面的各项指标,结果如下表11所示。由表11可见,方案2的强化研磨改性液的研磨效果最好。
表11不同方案研磨液精研的效果比较
例9(强化研磨加工前后工件摩擦系数的比较)
以例1强化研磨所得轴承套圈和与其完全相同的待加工轴承套圈为摩擦磨损试样,并按下述方法进行摩擦磨损试验。
(1)采用石油醚对两轴承套圈超声清洗30min;
(2)将待加工的轴承套圈装夹到SRV摩擦磨损试验机上,偶件采用洛氏硬度为66HRC的铸钢球,启动摩擦磨损试验机对轴承套圈沟道进行微动磨损,设置试验机振动频率为25Hz,振幅为1mm,载荷为350N,摩擦时间为30min,每间隔5分钟记录一次材料的摩擦系数;
(3)取下步骤(2)所得摩擦磨损试样,将强化研磨加工后的轴承套圈装夹到SRV摩擦磨损试验机上,重复步骤(2)。
所记录的强化研磨加工前后工件各个时间点摩擦系数的对比结果如下表12所示:
表12强化研磨加工前后工件摩擦系数的比较
时间/min 0 5 10 15 20 25 30
加工前 0.120 0.110 0.114 0.126 0.131 0.135 0.140
加工后 0.065 0.064 0.066 0.067 0.065 0.064 0.066

Claims (7)

1.一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,该方法由以下步骤组成:将混合料以100~300m/s的速度和15~75°的喷射角喷射到耐磨合金钢工件表面上,并使喷射点完全覆盖耐磨合金钢工件表面;其中,所述的混合料由钢球︰研磨粉︰强化研磨改性液=1︰1︰1~5︰1︰3质量比的钢球、研磨粉和强化研磨改性液组成;其中,
所述的钢球为硬度大于62HRC的直径为Φ1~Φ8mm的铸钢球或轴承钢的钢球;
所述的研磨粉是粒径为80~280目的棕刚玉粉;
所述的强化研磨改性液由以下重量百分比的原料组成:极压添加剂15~25%、防腐剂2~3%、渗透剂10~15%、pH调节剂4~6%、非离子表面活性剂2~8%、pH缓冲剂2~5%、软化剂0.3~0.8%、碱1%、消泡剂0.1~0.2%、防锈剂0.2~0.5%,其余为水;其中,所述的极压添加剂为脂肪酸咪唑啉硼酸酯、磷酸酯胺盐化合物、三甲苯基硼酸酯和脂肪酸二乙醇酞胺硼酸酯中的一种;所述的防腐剂为苯甲酸钠、己二稀酸、对羟基苯甲酸乙酯和对羟苯甲酸中的一种;所述的渗透剂为烷基磺酸钠、烷基硫酸酯钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的一种;所述的pH调节剂为三乙醇胺、磷酸氢二钠、山梨酸和柠檬酸中的一种;所述的非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚乙二醇酯和多元醇酯聚氧乙烯醚中的一种;所述的pH缓冲剂为硼砂、氨基乙酸-盐酸、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠和醋酸盐中的一种;所述的软化剂为乙二胺四乙酸二钠、双十八烷基二甲基氯化铵、聚氧乙烯烷基醚和三聚磷酸钠中的一种;所述的碱为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠和氢氧化钙中的一种;所述的消泡剂为聚氧丙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚和磷酸三丁酯中的一种;所述的防锈剂为苯并三氮唑、烯基丁二酸、脂肪酸胺和磺酸胺盐中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,其特征在于,所述的强化研磨改性液由以下重量百分比的原料组成:脂肪酸咪唑啉硼酸酯15~25%,苯甲酸钠2~3%,烷基磺酸钠10~15%,三乙醇胺4~6%,脂肪醇聚氧乙烯醚2~8%,硼砂2~5%,乙二胺四乙酸二钠0.3~0.8%,氢氧化钠1%,聚氧丙烯0.1~0.2%,苯并三氮唑0.2~0.5%,其余为水。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,其特征在于,所述的强化研磨改性液由以下重量百分比的原料组成:磷酸酯胺盐化合物15~25%,己二稀酸2~3%,烷基硫酸酯钠10~15%,磷酸氢二钠4~6%,烷基酚聚氧乙烯醚2~8%,氨基乙酸-盐酸2~5%,双十八烷基二甲基氯化铵0.3~0.8%,碳酸钠1%,聚二甲基硅氧烷0.1~0.2%,烯基丁二酸0.2~0.5%,其余为水。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,其特征在于,所述的强化研磨改性液由以下重量百分比的原料组成:三甲苯基硼酸酯15~25%,对羟基苯甲酸乙酯2~3%,脂肪醇聚氧乙烯醚10~15%,山梨酸4~6%,脂肪酸聚乙二醇酯2~8%,邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠2~5%,聚氧乙烯烷基醚0.3~0.8%,碳酸氢钠1%,聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚0.1~0.2%,脂肪酸胺0.2~0.5%,其余为水。
5.根据权利要求1所述的一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,其特征在于,所述的强化研磨改性液由以下重量百分比的原料组成:脂肪酸二乙醇酞胺硼酸酯15~25%,对羟苯甲酸2~3%,烷基酚聚氧乙烯醚10~15%,柠檬酸4~6%,多元醇酯聚氧乙烯醚2~8%,醋酸盐2~5%,三聚磷酸钠0.3~0.8%,氢氧化钙1%,磷酸三丁酯0.1~0.2%,磺酸胺盐0.2~0.5%,其余为水。
6.根据权利要求1~5之一所述的一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,其特征在于,所述钢球的级配为Φ1mm︰Φ2mm︰Φ3mm=1︰1︰1~4︰3︰1,且,所述研磨粉的粒径小于等于150目,大于等于280目。
7.根据权利要求1~5之一所述的一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法,其特征在于,所述钢球的级配为Φ4mm︰Φ5mm︰Φ6mm︰Φ7mm︰Φ8=1︰1︰1︰1︰1~5︰3︰3︰2︰1,且,所述研磨粉的平均粒径小于等于80目,大于等于120目。
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