CN108908132A - 一种铜表面磨料气射流抛光方法 - Google Patents

一种铜表面磨料气射流抛光方法 Download PDF

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朱延松
武俊
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Abstract

一种表面磨料气射流抛光方法，属于金属表面抛光技术领域，其特征是先将不同粒度级别的塑料颗粒放入到球磨机内均匀混合后制成抛光磨料，将此抛光磨料放入到喷砂机内，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对铜合金试样表面进行喷射的一种表面抛光处理工艺方法。其中，抛光磨料由具有多面体棱角状和次棱角状结构的中软性塑料颗粒混合而成。通过此种磨料气射流抛光方法对H96黄铜进行抛光加工后，可去除铜合金表面氧化层，且抛光表面光滑平整，未发现明显表面划伤及磨料嵌入等损伤缺陷，抛光效果良好。使用后的塑料磨料可回收利用。

Description

一种铜表面磨料气射流抛光方法
技术领域
本发明涉及一种材料的表面抛光方法，尤其是一种铜合金表面的抛光方法，具体地说是一种铜合金表面的磨料气射流抛光方法。
背景技术
铜及铜合金因具有良好的导电、导热、耐腐蚀及延展等特性而被广泛应用于电力电子、能源石化、机械、冶金等工程领域。在铜合金中，H96黄铜除具有一般铜合金的特性外，还具有良好的塑性，易于冷、热压力加工，易于焊接、锻造和镀锡，无应力腐蚀破裂倾向等特性，被广泛用作导管、冷凝管、散热器管、散热片、汽车水箱带以及导电零件等。铜合金虽具上述优点，但其表面易氧化，以及表面硬度低、易磨损等特性则严重制约了其在工程领域内的应用。主要体现在：①表面氧化层易引起铜焊接件焊缝内部产生夹渣、气孔等缺陷，导致虚焊和焊接失效，造成焊接头强度下降等质量问题；②表面氧化层将对铜中自由电子的趋肤效应产生影响，导致其表面导电性和导热性明显降低；③铜自身硬度低、耐磨性差，易导致表面产生划伤等损伤缺陷。因此，如何在表面不产生损伤的条件下有效去除铜合金表面氧化层是铜及铜合金在工程领域应用中亟需解决的问题。
表面抛光作为机械加工中一道重要工序，不仅能去除表面附着物和氧化层，保持构件精度，提高表面粗糙度使其达到工艺设计要求，还能改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能，因此，可为铜表面氧化层的去除提供有效方法。目前，国内外已对铜表面抛光工艺进行了深入研究，也同时出现了不同的表面抛光方法来提高材料表面精度和性能，其主要的方法有机械抛光加工（研磨、抛光和超精密加工）、现代抛光加工（化学抛光、磁粒光整加工、超声波研磨等）和复合非传统光整加工（化学机械抛光、电化学超声波研磨、电化学机械光整加工等）等。其中，机械抛光是利用物理手段而使表面平滑或光亮的抛光方法，易导致铜合金表面产生划痕及表面塑性变形层等缺陷；电化学抛光/化学抛光虽可对形状复杂及各种尺寸的工件进行抛光，但抛光过程中会析出有害气体，对环境和人体健康产生影响；超声抛光虽可使磨粒在超声振动下对工件加工区域材料产生机械撞击和研磨以及超声波空化作用而使加工区域材料粉碎产生脱落，但其加工效率和精度不足。
为解决上述抛光方法存在的问题，人们开始研究并开发许多新型抛光加工技术，磨料气射流抛光就是其中之一。磨料气射流加工（Abrasive Air Jet Machining，AAJM）是利用磨料与空气或其他气体混合而成的高速喷射流，经特殊设计的喷嘴高速冲击射向工件，通过磨料对工件表面的冲击和切削作用而达到提高材料表面精度和性能的新型表面抛光方法。与传统的抛光方法相比，磨料气射流加工具有良好的适用性和通用性，且其结构简单、成本低、对环境污染性小，加工后工件表面粗糙度均匀等优点。
磨料气射流加工虽具有上述优点，但要将磨料气射流加工技术应用于铜合金表面抛光，主要存在的问题是：使用的抛光磨料大多为氧化铝、碳化硅等硬质磨料，磨粒硬度均远大于铜合金基体硬度（约为铜合金基体硬度的4~6倍），极易导致磨料嵌入基体表面及表面划伤等损伤缺陷。而采用多面体棱角状结构的塑料磨料对铜合金表面进行磨料气射流加工，因磨料硬度（莫氏硬度3.5~4.5）仅为氧化铝、碳化硅硬度（莫氏硬度9~10）的1/2，故可在减少甚至避免磨料嵌入基体及表面划伤等损伤缺陷的条件下对铜合金表面进行磨料气射流抛光加工，去除铜合金表面氧化层。另外，AAJM方法对工件结构和尺寸无特殊要求，是一个快速便捷、灵活方便、经济高效、无毒、环保、可控性强的工艺过程。但目前采用中软性的塑料磨料对铜合金表面进行磨料气射流抛光加工的方法国内外还鲜有提及。
发明内容
本发明的目的是针对现有的磨料喷射时使用的抛光磨料大多为氧化铝、碳化硅等硬质磨料，磨粒硬度均远大于铜合金基体硬度，极易导致磨料嵌入基体表面及表面划伤的问题，发明一种采用中软性的塑料磨料对铜合金表面进行磨料气射流抛光的方法。它解决了现有铜合金表面磨料气射流抛光加工时易产生表面磨料嵌入及表面划伤等问题，尤其适用于H96黄铜表面抛光。
本发明的技术方案是：
一种铜表面磨料气射流抛光方法，它包括磨料制备和表面磨料气射流抛光加工，其特征是所述的磨料制备是指：
将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种塑料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌8~15分钟，使颗粒充分均匀混合，得到磨料；
所述的表面磨料气射流抛光是指：
将所得塑料磨料颗粒放入喷砂机内，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对铜合金表面喷射1~5分钟。
所述的塑料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构，磨料莫氏硬度为3.5~4.5，磨料堆积密度为0.65~0.85g/cm3。
所述的喷射压力为0.05~0.2MPa，喷射角为70º~90º，喷射距离为10~50cm。
所述的塑料磨料中不同粒径颗粒按质量百分比计为：30~40目颗粒为45%~50%，40~50目颗粒为45%~50%，50~60目颗粒<10%。
所述的磨料气射流加工用喷嘴为内孔直径为Ø3.0~Ø12.0mm的碳化硼或碳化硅喷嘴，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm，长度为35~82mm。
所述的塑料磨料气射流加工后的铜合金表面粗糙度Ra值为0.5~2.0µm。
所述的铜合金为黄铜H96，其化学成分按质量百分比记为：95~97%Cu, 0.5%Ni，0.1%Fe，0.03%Pb，其余为Zn。所述的表面射流抛光方法还可用于其它铜合金表面。
本发明的基理是：
利用一种塑料磨料与空气混合产成的高速喷射流，经喷嘴高速射向铜合金工件表面，在不产生表面损伤的条件下对铜合金工件表面进行磨料气射流加工，去除表面氧化层、改善铜合金构件表面性能，从而达到表面抛光的目的。
本发明的有益效果：
1、本发明可在铜合金基体表面不产生损伤的条件下快速去除表面氧化层和附着物，是一个工艺简单，经济高效、可控性强的铜合金表面抛光工艺。
2、本发明可提高铜合金结构件表面精度，改善铜合金结构件表面耐磨性等其它特殊性能。
3、本发明采用了一种中软性的塑料颗粒作为抛光磨料，在使用过程中磨料不产生毒性，环保，有较强的抗磨擦性能和抗静电性能。
4、采用本发明方法对铜合金表面进行抛光加工，可使铜合金工件表面粗糙度达到Ra0.5~2.0µm。
5、本发明所述的抛光方法不仅适用于黄铜H96，也可用于其它铜合金表面。
附图说明
图1为本发明实例1经粉碎后的30~40目塑料磨料微观形貌图。
图2为本发明实例1经抛光后的铜合金表面粗糙度轮廓曲线及粗糙度R a 值。
图3为本发明实例1经抛光后的铜合金表面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种铜合金表面磨料气射流抛光方法，所使用的部分设备有球磨机、喷砂机，碳化硼喷嘴等设备均为市场所售的常规产品。铜合金材料为黄铜H96，其化学成分按质量百分比记为：95~97%Cu, 0.5%Ni，0.1%Fe，0.03%Pb，其余为Zn。抛光磨粒为一种中软性的塑料颗粒，其主要化学成分为C和O。包括磨料制备和气射流抛光加工，具体步骤如下：
1、磨料制备：
将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的三种塑料颗粒（如经破碎和粉碎得到氨基模塑料颗粒）按一定比例放入到球磨机内搅拌8~15分钟，使颗粒充分均匀混合，得到磨料；其中，三种不同粒径颗粒按质量百分比计为：30~40目颗粒为45%~50%，40~50目颗粒为45%~50%，50~60目颗粒<10%。所得的塑料颗粒磨料为多面体棱角状和次棱角状结构，莫氏硬度为3.5~4.5，磨料堆积密度为0.65~0.85g/cm3。
2、磨料气射流抛光加工是指：
将塑料磨料放入到喷砂机内，将铜合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用内孔径Ø3.0~Ø10.0mm的碳化硼或碳化硅喷嘴，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm，长度为35~82mm。在喷射压力为0.05~0.7MPa，喷射角度为70º~90º，喷射距离为10~50mm的条件下对铝合金试样表面进行喷射1~5分钟。铜合金喷射抛光后的表面粗糙度Ra值为0.5~2.0µm。
实例1。
步骤1、磨料制备
将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种塑料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌10分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为45%，40~50目颗粒为45%，50~60目颗粒为10%。
步骤2、磨料气射流抛光加工
将塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方采用外圆直径为Ø20.0mm，内孔直径为Ø8.0mm，长度为35mm的碳化硼喷嘴在喷射压力为0.05MPa，喷射角为70º，喷射距离为20cm的条件下对铜合金试样表面进行抛光3分钟。
取出试样进行检测。经苏州英仕精密机械有限公司ISM-PM200SB型电子显微镜对塑料磨料结构进行检测后得出塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构（图1）。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铜合金抛光表面粗糙度进行检测得出铜合金试样经抛光后其表面粗糙度为R a =0.6μm（图2）。经显微镜检测，铜合金抛光表面光滑平整、无氧化层及附着物，抛光表面未发现明显划痕及磨料嵌入等损伤现象（图3）。
实例2。
步骤1、磨料制备
将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种塑料磨料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌8分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为50%，40~50目颗粒的质量百分比为50%。
步骤2、磨料气射流抛光加工
将塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方采用外圆直径为Ø15.0mm，内孔直径为Ø3.0mm，长度为50mm的碳化硼喷嘴在喷射压力为0.1MPa，喷射角为90º，喷射距离为10cm的条件下对铜合金试样表面进行抛光1分钟。
取出试样进行检测。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铜合金抛光表面粗糙度进行检测得出铜合金试样经抛光后其表面粗糙度为R a =2.00μm。经显微镜检测，铜合金抛光表面光滑平整、无氧化层及附着物，抛光表面未发现明显划痕及磨料嵌入等损伤现象，与实例1所得表面形貌图类似。
实例3。
步骤1、磨料制备
将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种塑料磨料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌12分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为50%，40~50目颗粒为45%，50~60目颗粒为5%。
步骤2、磨料气射流抛光加工
将塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方采用外圆直径为Ø20.0mm，内孔直径为Ø8.0mm，长度为35mm的碳化硼喷嘴在喷射压力为0.15MPa，喷射角为80º，喷射距离为15cm的条件下对铜合金试样表面抛光1分30秒。
取出试样进行检测。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铜合金抛光表面粗糙度进行检测得出铜合金试样经抛光后其表面粗糙度为R a =1.36μm。经显微镜检测铜合金抛光表面光滑平整、无氧化层及附着物，抛光表面未发现明显划痕及磨料嵌入等损伤现象，形貌图与图3类似。
实例4。
步骤1、磨料制备
将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种塑料磨料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌12分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为45%，40~50目颗粒为50%，50~60目颗粒为5%。
步骤2、磨料气射流抛光加工
将塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方采用外圆直径为Ø18.0mm，内孔直径为Ø12.0mm，长度为82mm的碳化硅喷嘴在喷射压力为0.2MPa，喷射角为80º，喷射距离为50cm的条件下对铜合金试样表面抛光1分30秒。
取出试样进行检测。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铜合金抛光表面粗糙度进行检测得出铜合金试样经抛光后其表面粗糙度为R a =0.5μm。经显微镜检测铜合金抛光表面光滑平整、无氧化层及附着物，抛光表面未发现明显划痕及磨料嵌入等损伤现象，形貌图与图3类似。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种铜表面磨料气射流抛光方法，它包括磨料制备和表面磨料气射流抛光加工；其特征是所述的磨料制备是指：
将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种塑料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌8~15分钟，使塑料颗粒充分均匀混合，得到塑料磨料颗粒；
所述表面磨料气射流抛光加工是指：
将所得的塑料磨料颗粒放入喷砂机内，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对铜表面喷射1~5分钟。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构，磨料莫氏硬度为3.5~4.5，磨料堆积密度为0.65~0.85g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种铜表面磨料气射流抛光方法，其特征是所述的喷射压力为0.05~0.2MPa，喷射角为70º~90º，喷射距离为10~50cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的塑料颗粒中不同粒径颗粒按质量百分比计为：30~40目颗粒为45%~50%，40~50目颗粒为45%~50%，50~60目颗粒<10%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的磨料气射流加工用喷嘴为内孔直径为Ø3.0~Ø12.0mm的碳化硼或碳化硅喷嘴，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm，长度为35~82mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的塑料磨料气射流抛光加工后的铜合金表面粗糙度R a 值为0.5~2.0µm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的铜为H96黄铜，其化学成分按质量百分比记为：95~97%Cu, 0.5%Ni，0.1%Fe，0.03%Pb，其余为Zn；所述的表面磨料气射流抛光方法还可用于其它铜合金表面。
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