一種消除金屬內齒熱處理變形的修複方法

2023-07-07 06:46:11

專利名稱：一種消除金屬內齒熱處理變形的修複方法
技術領域：
本發明涉及一種消除金屬熱處理變形的修複方法，尤其是金屬工 件內齒熱處理變形的修複方法。
技術背景隨著機械工業的快速發展，通過內、外齒結合聯結的應用越來越 廣泛，且要求也越來越高。金屬內齒工件特別是滲碳淬火的金屬內齒 工件，其內齒的熱處理變形不可避免且很難控制，成品率較低。為了 解決熱處理變形問題，通常的做法是提前做熱處理變形工藝試驗，找 出一定的變形規律，然後再通過優化工藝參數製作。即使這樣，仍然 不能保證成品的高合^^率通過，總有部分成品因熱處理變形導致達不 到設計要求而報廢。如果採用傳統的機械切削加工方法來修復變形的 金屬內齒工件時，不僅加工成本高，生產效率低，而且修復的效果也 不盡理想。尤其對於盲孔型內齒的熱處理變形，採用傳統的切削加工 方法進行修復非常困難，甚至根本無法採用切削加工方法修復，從而 造成很高的廢品率。以帶漸開線內齒的盲孔型花鍵軸(材料20Cr2Ni4A)為例，其內 齒為齒形定心，整體滲碳淬火後的齒面硬度高達S8 6MRC,由於其 熱處理變形很難控制，需提前做熱處理變形工藝試驗，並找出相應的 變形規律。因此，這種帶漸開線內齒的盲孔型花鍵軸的加工製作難度 相當大。在實際製作過程中，採用滲碳前後兩次插齒的工藝方法來減 d、淬火後的變形，同時根據變形規律在第二次插齒時適當放大內花鍵 跨棒距尺寸，以抵消淬火後的變形，通過淬火後對內花鍵尺寸的檢查， 合格的花鍵軸直接進入下一加工工序；因內齒縮小變形而不合格的花鍵軸內齒由於滲碳淬火後的齒面硬度高達58 ~ 62HRC,很難用合金工 具鋼材料製作的花鍵校正推刀校正其變形。這是因為用花鍵校正推刀 校正熱處理後內齒的變形時， 一般內齒的齒面硬度不高於45HRC。因 此，傳統的切削加工方法對於修復這一類金屬內齒滲碳淬火後的熱處 理變形就顯得無能為力了。為此，需要尋求其它簡便、高效、低成本 的修複方法。現有技術中有採用電化學腐蝕的方法來修復齒輪的熱處理變形， 例如中國專利93216358.0中提及了電化學腐蝕的方法，但該方法需 要專用的電解裝置，並且電解操作過程繁瑣， 一套電解裝置一次只能 處理一隻工件，成本相對4^高，且不適於盲孔形花鍵齒。當內齒輪工 件較多，且形狀不一、工期緊張時顯然不適用。因而在日常的機加工 過程中，寧願採用車銑刨磨等傳統的常規機加工手段，也不會使用電 化學腐蝕加工方法。 發明內容本發明的目的在於解決上述技術問題，提供一種低成本、高效率 的修復金屬工件內齒滲碳淬火後的熱處理變形的方法，該方法操作簡 單，無需專用的修復設備，能快速、批量地修復熱處理後金屬工件內 齒的縮小變形，克服了傳統的切削加工方法成本高、效率低、修復不 均勻的缺點。本發明的目的通過以下技術方案來實現一種消除金屬內齒熱處理變形的修複方法，包括以下步驟1)按需用耐蝕材料將淬火後的金屬內齒工件進行覆蓋保護，僅 露出需修復部位；2 )將經覆蓋保護後的金屬內齒工件與酸性腐蝕液接觸(內齒腔 內倒入或金屬內齒工件浸入腐蝕液)，使之發生化學反應3) 當化學反應對金屬內齒工件需修復部位的腐蝕溶解量等於其 熱處理變形的膨脹量時，取出金屬內齒工件；4) 將金屬內齒工件沖洗乾淨，進行防鏽處理。 上述酸性腐蝕液由無機酸(例如硝酸、硫酸、鹽酸、氬氟酸、過氯酸等)和氧化劑(例如過氧化氬、過硫g吏銨、過硫酸鉀等)及溶劑 (溶劑為水，最好用蒸餾水、去離子水)等配製而成，氧化劑在酸性 環境中可以分解釋放新生態氧原子，從而加劇將內齒零件的上述化學 成分(Mo不參與反應)氧化溶解，如將炭氧化成二氧化碳，還原產 物為水;將鐵氧化為氫氧化鐵沉澱等等。金屬內齒的材質基本為黑色合金金屬，其主要化學成分除Fe之 外，通常還包括Cr、 Ni、 Mn、 Mo、 C、 P、 S、 Si。酸性腐蝕液的組成 按照金屬內齒工件的成分和適當的反應速度配製。反覆對比試驗表 明，酸性腐蝕液最好為(質量百分比)硝酸 20-45%;過氧化氫 5~10°/。；水 45~75%;腐蝕液的溫度宜> 3(TC。通過掌控反應溫度和時間可以控制化學 反應的進程，通常將酸性腐蝕液的溫度保持在30 12(TC、反應時間 控制在0.5-3分鐘之內，可以控制化學反應的腐蝕溶解速度為 0. 02 ~ 0. 06mm/min。這樣腐蝕溶解比較均勻，可以避免過蝕。酸性腐 蝕液的溫度較好保持在30 ~ 6(TC ，反應時間較好為1 ~ 2分鐘。硝酸是一種強氧化性酸，能與內齒零件中的Fe、 Cr、 Ni、 Mn金 屬成分及C、 Si、 P、 S等非金屬成分發生反應(Mo不參與反應)，均 被還原為一氧化氮，化學反應方程式如下4HN03 + Fe = Fe (N03) 3 + NO t + 2H204跳+ Cr = Cr (N03) 3 + NO t + 2H20 8跳+ 3Ni = 3Ni (N03) 2 + 2N0 t + 4H20 ■03 + 3Mn = 3Mn (N03) 2 + 2N0 t + 4H20 4HN03+3C = 3C021 +4N0 t +2H20 4HN03+3Si + H20 = 3H2Si03+4NO t 5跳+3P + 2H20 = 3H3P04+5NO t 2HN03+S = H2S04+2NO t過氧化氬在酸性環境中是強氧化劑，在硝酸及Fe、 Cr3+、 Mn"等 的催化作用下，使過氧化氫分解釋放新生態氧原子，加劇了氧化作用， 從而將內齒零件的上述化學成分(Mo不參與反應)氧化溶解，如將 炭氧化成二氧化碳，還原產物為水;將鐵氧化為氫氧化鐵沉澱等等。 具體反應見下述化學方程式5H202 + 2Fe = 2Fe (OH) 3丄+ 02個+ 2H205H202 + 2Cr = 2Cr (OH) 3丄+ 02卞+ 2H205H202 + 3Ni = 3Ni (OH) 2丄+ 02丫 + 2H202H202 + Mn =+ 2H202H202 + C = C02T + 2H202H202 + Si = H2Si03 + H203H202 + S = H2S04 + 2H205H202 + 2P = 2H3P04 + 2H20上述配方中的水作為溶劑，稀釋硝酸與過氧化氫至;t見定的濃度。 最好釆用蒸餾水作為溶劑，這是因為蒸餾水純度高，去除了水中的雜 質，有效的保證了化學腐蝕液的純度，可避免水中雜質導致腐蝕液的自分解，減少了反應雜質的產生；同樣，硝酸最好採用分析純級的，以減少雜質，避免腐蝕液的自分解。當所述金屬內齒工件為盲孔型的金屬內齒工件時，可以直接在所 述金屬內齒工件內齒腔內倒入具有金屬腐蝕作用的腐蝕液，從而省略步驟1);也可以將經步驟1)保護處理後的金屬內齒工件整體浸入具 有金屬腐蝕作用的腐蝕液進行化學反應至所需要的加工要求。當所述金屬內齒工件為通孔型的金屬內齒工件時，在步驟l)前 宜增加如下步驟，使用耐蝕材料在所述通孔型金屬內齒工件的內齒一 端密封形成密封端，在所述通孔型金屬內齒工件上形成盲孔型內齒 腔，然後可以像上述盲孔型金屬內齒工件一樣，直接在內齒腔內倒入 具有金屬腐蝕作用的腐蝕液，或者將經步驟1)保護處理後的金屬內 齒工件整體浸入具有金屬腐蝕作用的腐蝕液進行化學反應至所需要 的加工要求。上述耐蝕材料通常採用塑料、凡士林、蠟等非金屬材料。本發明的有益效果主要體現在1) 效率高、成本低。2) 穩定的化學反應過程，保證了金屬工件內齒化學加工量的均 勻性，且工件不受外力影響而變形。便於操作控制。4) 可方便控制金屬工件內齒表面化學加工的部位、速度和時間， 或多次加工。5) 方法簡單、操作方便，可批量修復；6) 為純化學腐蝕，無需專用的修復設備。


下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明圖l是本發明用於修復金屬工件盲孔型內齒表面的示意圖。圖2是本發明用於修復金屬工件通孔型內齒表面的示意圖。
具體實施方式
本發明實施例中所述金屬內齒的材質為黑色合金金屬，其主要化學成分包括Fe、 Cr、 Ni、 Mn、 Mo、 C、 P、 S、 Si，利用其中的鐵和碳 可分別與硝酸和過氧化氫化學反應的原理來代替一般傳統的金屬切 削加工成型的方法來快速修正熱處理後金屬工件內齒的縮小變形問 題，因此可以避免因傳統的金屬切削加工而帶來的諸多問題。同時， 為了防止金屬內齒工件的非修復部位與硝酸和過氧化氫化學反應，將 金屬內齒工件的非修復部位進行覆蓋保護，形成保護層。保護層可用 非金屬材料(如塑料、凡士林、蠟等)。若工件只有內齒修復部位浸 入腐蝕液進行化學反應，可以根據實際情況不必對非修復部位進行覆 蓋保護(如盲孔型的金屬內齒工件)。如果工件為通孔型金屬內齒工 件，且尺寸較大，則需要用不與硝酸和過氧化氫起化學反應的物質(如 塑料、玻璃、凡士林、蠟等)與通孔型金屬內齒工件的內齒一端密封 形成密封端，進而形成盲孔型內齒腔，化學反應加工時可將腐蝕液倒 入盲孔型內齒腔進行化學反應。將上述保護處理後的金屬內齒工件內齒腔內裝入或將金屬內齒 工件浸入由硝酸、過氧化氫和蒸餾水混合配製的腐蝕液進行化學反應 至所需要的加工要求。腐蝕液的組成可按照金屬內齒工件的成分和適當的反應速度在 下述範圍(質量百分比)內配製硝酸 20 - 45%;過氧化氫 5~10°/。；蒸餾水 45 - 75%;通常情況下，腐蝕液中蒸餾水的含量愈高，硝S吏含量愈低，化學 反應速度愈慢，加工時間則長，具體化學反應速度和加工時間應通過試樣試驗獲得。
一般來說，當腐蝕液中硝酸、過氧化氬、蒸餾水的質量百分比為4: 1: 8時，反應時間在1分鐘~ 2分鐘，內齒孔增大0. 04 ~ 0.08隱。對於加工量較少時，宜適當放慢反應速度，延長反應加工 時間，便於控制操作。為促進腐蝕液與金屬工件內齒表面的鐵和碳的 化學反應過程平穩穩定，腐蝕液的溫度以大於等於3(TC為宜。當化學反應達到所需要的加工量後，迅速將工件從腐蝕液中取出 或倒出工件內齒腔中的腐蝕液，最好用流動的清水清洗工件，以免殘 留的腐蝕液繼續與工件進行化學反應。用清水清洗後的工件需要做進一 步防鏽處理。以下結合附圖給出的實施例對本發明作進一步詳細地說明。1. 金屬工件盲孔型內齒表面的化學加工。例如內齒孔的加工量 為0. 10 mm。圖1所示為本發明用於修復金屬工件盲孔型內齒表面的示意圖。 1 )參照圖1所示，在金屬內齒工件3上用凡士林或蠟形成一層保護層2，本例中保護層2分布在軸工件的所有外表面，僅內齒上不塗覆保護層。2) 配製腐蝕液l，腐蝕液l由純硝酸、過氧化氫、蒸餾水按照 質量百分比4:1:8配製而成，加熱腐蝕液溫度到35°C。在上述覆有 保護層2的金屬內齒工件3的內齒腔中加入腐蝕液1,內齒表面金屬 區與腐蝕液1發生化學反應，其化學反應溶解速度為0. 04mm/min， 反應時間2. 5分鐘即可獲得0. 10mm的加工量。3) 乂人金屬內齒工件3的內齒腔中倒出腐蝕液1，用流動清水沖 洗內齒腔衝洗千淨。2. 金屬工件通孔型內齒表面的化學加工。例如內齒孔的加工量 為0. 08 mm。圖2所示為本發明用於修復金屬工件通孔型內齒表面的示意圖。1) 參照圖2所示，在金屬內齒工件3上用凡士林或蠟形成一層 保護層2，同時用玻璃、凡士林或蠟與金屬工件通孔內齒一端密封形 成一個密封端4，從而形成盲孔型內齒腔。2) 配製腐蝕液l，腐蝕液l由硝酸、過氧化氬、蒸鎦水按照質 量百分比4:1:8配製而成，加熱腐蝕液溫度到35°C。在上述覆有保 護層2的金屬內齒工件3的內齒腔中加入腐蝕液1,內齒表面金屬 區與腐蝕液1發生化學反應，其化學反應溶解速度為0. 04mm/min， 反應時間2分鐘即可獲得0. 08,的加工量。3) 取出金屬內齒工件3，用流動清水衝洗內齒腔衝洗乾淨。 上述的兩個具體實施例中，由於內齒工件不需修復的部位都已經形成了保護層，因此也可以將整個工件都浸入到腐蝕液中，使整個操 作過程更加方便，可以形成批量修復，提高效率。需要說明的是，根據本發明公開的內容，本領域技術人員利用所 述腐蝕液配製方法不難選擇不同溫度和時間進行處理能達到相似的 效果。但是由於金屬內齒工件的成分有所差異，需要先以試樣確定實 際的化學反應溶解速度，再確定正確的反應時間來達到所需的變形 量。內齒的尺寸規格與變形量無必然聯繫，變形量與腐蝕溫度、時間 有對應關係， 一般保證在化學反應的過程中，所述腐蝕液的溫度保持 在30~120°C,反應時間為0.5 3分鐘之內即可。以質量百分比酸 性液氧化劑蒸餾水=4: 1: 8的腐蝕液為例，當腐蝕液的溫度在30 ~ 4(TC時，每分鐘的腐蝕溶解量為0. 02mm，內齒工件孔徑增大0. 04mm， 當腐蝕液的溫度在70 8(TC時，每分鐘的腐蝕溶解量為0. 04mm，內 齒孔徑增大0. 08mm。即當溫度每增加20度，每分鐘的腐蝕量約增加0. Olmm，孔徑約增大0. 02mm。由於上述反應是》文熱反應，而腐蝕液 存在自分解，溫度越高，溶液使用壽命越短。值得注意的是，當反應時間過長時，副反應會增多，會導致腐蝕 液溫度快速升高，可能會使金屬的強度和韌度等性能發生改變；而且 當反應過程中腐蝕液的溫度過高時，還會產生較多的有毒氣體，會對 操作人員的身體造成傷害，因此有必要控制好反應溫度和時間，經反 復實驗得知，較為理想的反應溫度宜控制在30~60°C,時間為l一2 分鐘。本發明的反應腐蝕液的配比，也是經過多次的試驗得出，當硝酸 或過氧化氫的含量過低時，會使整個反應的時間變長；而當硝酸或過 氧化氫的含量過高時，又會使反應的速度過快，導致溫度快速升高， 可能會破壞金屬的性能，使整個加工過程不易控制。因此，在本發明 公開的配比範圍內製得的腐蝕液，具有很好的加工效果。特別要注意 一點，當一次腐蝕即發生腐蝕過量時，應根據過量程度用蒸餾水稀釋 腐蝕液；當兩分鐘內腐蝕反應未發生時，應適當^是高腐蝕液濃度，或 將腐蝕液加溫後再腐蝕。本發明的創新點在於將僅應用於重金屬腐蝕的化學方法應用到 傳統的機加工領域，來代替常規的切削加工方法，並且得到了意想不 到的效果，即可以同步、均勻地擴大內齒孔的尺寸，又可滿足設計技 術要求(表面光潔度、形狀和位置公差、金屬性能等都保持與化學加 工前一致)，具有工藝筒單、操作方便、效率高、成本低等優點。同 時也可以回收反應後的腐蝕液，再次使用。本發明的技術對於金屬內齒表面加工具有明顯的效果，克服了現 有的使用機加工手段來修復金屬內齒表面的技術問題，大大降低了加 工的成本，大大降低了成品的報廢率，具有非常好的推廣意義。本發明還有多種實現方式。例如選用不同的酸類來替代硝酸， 例如可以是^5克酸、鹽酸、氫氟酸、草酸、過氯酸等；或者選用不同的氧化劑來替代過氧化氳，例如可以是過硫酸銨、過硫酸鉀等。凡釆用 等同替換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本發明要求保 護的範圍之內。
權利要求
1.一種消除金屬內齒熱處理變形的修複方法，其特徵在於包括以下步驟，a按需用耐蝕材料將淬火後的金屬內齒工件進行覆蓋保護，僅露出需修復部位；b將經覆蓋保護後的金屬內齒工件與酸性腐蝕液接觸，使之發生化學反應；c當化學反應對金屬內齒工件需修復部位的腐蝕溶解量等於其熱處理變形的膨脹量時，取出金屬內齒工件；d將金屬內齒工件衝洗乾淨，進行防鏽處理。
2. 根據權利要求1所述消除金屬內齒熱處理變形的修複方法， 其特徵在於所述酸性腐蝕液由無機酸、氧化劑和溶劑配製而成。
3. 根據權利要求2所述消除金屬內齒熱處理變形的修複方法， 其特徵在於所述酸性腐蝕液由以下各組〗分按質量百分比配製而成硝酸 20~45%; 過氧化氫 5~10%; 水 45 ~ 75% 。
4. 根據權利要求3所述消除金屬內齒熱處理變形的修複方法， 其特徵在於所述步驟b的化學反應的過程中，所述腐蝕液的溫度保 持在30~120°C，反應時間為0. 5~3分鐘，化學反應溶解速度為 0. 02 ~ 0. 06mm/min。
5. 根據權利要求3所述消除金屬內齒熱處理變形的修複方法， 其特徵在於所述步驟b的化學反應的過程中，所述腐蝕液的溫度保 持在30 6(TC，反應時間為1 2分鐘。
6. 根據權利要求3或4所述消除金屬內齒熱處理變形的修複方法，其特徵在於所述耐蝕材料為塑料、凡士林或蠟之一。
7. 根據權利要求6所述的消除金屬內齒熱處理變形的修複方法， 其特徵在於當所述金屬內齒工件為盲孔型的金屬內齒工件時，在內 齒腔內倒入所述酸性腐蝕液。
8. 根據權利要求6所述的消除金屬內齒熱處理變形的修複方法， 其特徵在於當所述金屬內齒工件為通孔型的金屬內齒工件時，先使 用耐蝕材料在所述通孔型金屬內齒工件的內齒一端密封形成密封端， 形成內齒腔，再將內齒腔內倒入所述酸性腐蝕液。
全文摘要
本發明公開一種消除金屬內齒熱處理變形的修複方法，包括下述步驟按需用耐蝕材料將淬火後的金屬內齒工件進行覆蓋保護，僅露出需修復部位；將經覆蓋保護後的金屬內齒工件與酸性腐蝕液接觸，使之發生化學反應；當化學反應對金屬內齒工件需修復部位的腐蝕溶解量等於其熱處理變形的膨脹量時，取出金屬內齒工件；將金屬內齒工件衝洗乾淨，進行防鏽處理。本發明提供了一種工藝簡單、操作方便、合理高效的金屬內齒表面的化學加工方法，不必採用傳統的切削加工方法而能快速修正熱處理後金屬工件內齒的縮小變形問題。
文檔編號C23F1/02GK101591782SQ20091003245
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者常安全, 磊 張, 張新國 申請人:常州市瑞泰工程機械有限公司;南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司