专利名称：一种消除金属内齿热处理变形的修复方法
技术领域：
本发明涉及一种消除金属热处理变形的修复方法，尤其是金属工 件内齿热处理变形的修复方法。
技术背景随着机械工业的快速发展，通过内、外齿结合联结的应用越来越 广泛，且要求也越来越高。金属内齿工件特别是渗碳淬火的金属内齿 工件，其内齿的热处理变形不可避免且很难控制，成品率较低。为了 解决热处理变形问题，通常的做法是提前做热处理变形工艺试验，找 出一定的变形规律，然后再通过优化工艺参数制作。即使这样，仍然 不能保证成品的高合^^率通过，总有部分成品因热处理变形导致达不 到设计要求而报废。如果采用传统的机械切削加工方法来修复变形的 金属内齿工件时，不仅加工成本高，生产效率低，而且修复的效果也 不尽理想。尤其对于盲孔型内齿的热处理变形，采用传统的切削加工 方法进行修复非常困难，甚至根本无法采用切削加工方法修复，从而 造成很高的废品率。以带渐开线内齿的盲孔型花键轴(材料20Cr2Ni4A)为例，其内 齿为齿形定心，整体渗碳淬火后的齿面硬度高达S8 6MRC,由于其 热处理变形很难控制，需提前做热处理变形工艺试验，并找出相应的 变形规律。因此，这种带渐开线内齿的盲孔型花键轴的加工制作难度 相当大。在实际制作过程中，采用渗碳前后两次插齿的工艺方法来减 d、淬火后的变形，同时根据变形规律在第二次插齿时适当放大内花键 跨棒距尺寸，以抵消淬火后的变形，通过淬火后对内花键尺寸的检查， 合格的花键轴直接进入下一加工工序；因内齿缩小变形而不合格的花键轴内齿由于渗碳淬火后的齿面硬度高达58 ~ 62HRC,很难用合金工 具钢材料制作的花键校正推刀校正其变形。这是因为用花键校正推刀 校正热处理后内齿的变形时， 一般内齿的齿面硬度不高于45HRC。因 此，传统的切削加工方法对于修复这一类金属内齿渗碳淬火后的热处 理变形就显得无能为力了。为此，需要寻求其它简便、高效、低成本 的修复方法。现有技术中有采用电化学腐蚀的方法来修复齿轮的热处理变形， 例如中国专利93216358.0中提及了电化学腐蚀的方法，但该方法需 要专用的电解装置，并且电解操作过程繁瑣， 一套电解装置一次只能 处理一只工件，成本相对4^高，且不适于盲孔形花键齿。当内齿轮工 件较多，且形状不一、工期紧张时显然不适用。因而在日常的机加工 过程中，宁愿采用车铣刨磨等传统的常规机加工手段，也不会使用电 化学腐蚀加工方法。 发明内容本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种低成本、高效率 的修复金属工件内齿渗碳淬火后的热处理变形的方法，该方法操作简 单，无需专用的修复设备，能快速、批量地修复热处理后金属工件内 齿的缩小变形，克服了传统的切削加工方法成本高、效率低、修复不 均匀的缺点。本发明的目的通过以下技术方案来实现一种消除金属内齿热处理变形的修复方法，包括以下步骤1)按需用耐蚀材料将淬火后的金属内齿工件进行覆盖保护，仅 露出需修复部位；2 )将经覆盖保护后的金属内齿工件与酸性腐蚀液接触(内齿腔 内倒入或金属内齿工件浸入腐蚀液)，使之发生化学反应3) 当化学反应对金属内齿工件需修复部位的腐蚀溶解量等于其 热处理变形的膨胀量时，取出金属内齿工件；4) 将金属内齿工件沖洗干净，进行防锈处理。 上述酸性腐蚀液由无机酸(例如硝酸、硫酸、盐酸、氬氟酸、过氯酸等)和氧化剂(例如过氧化氬、过硫g吏铵、过硫酸钾等)及溶剂 (溶剂为水，最好用蒸馏水、去离子水)等配制而成，氧化剂在酸性 环境中可以分解释放新生态氧原子，从而加剧将内齿零件的上述化学 成分(Mo不参与反应)氧化溶解，如将炭氧化成二氧化碳，还原产 物为水;将铁氧化为氢氧化铁沉淀等等。金属内齿的材质基本为黑色合金金属，其主要化学成分除Fe之 外，通常还包括Cr、 Ni、 Mn、 Mo、 C、 P、 S、 Si。酸性腐蚀液的组成 按照金属内齿工件的成分和适当的反应速度配制。反复对比试验表 明，酸性腐蚀液最好为(质量百分比)硝酸 20-45%;过氧化氢 5~10°/。；水 45~75%;腐蚀液的温度宜> 3(TC。通过掌控反应温度和时间可以控制化学 反应的进程，通常将酸性腐蚀液的温度保持在30 12(TC、反应时间 控制在0.5-3分钟之内，可以控制化学反应的腐蚀溶解速度为 0. 02 ~ 0. 06mm/min。这样腐蚀溶解比较均匀，可以避免过蚀。酸性腐 蚀液的温度较好保持在30 ~ 6(TC ，反应时间较好为1 ~ 2分钟。硝酸是一种强氧化性酸，能与内齿零件中的Fe、 Cr、 Ni、 Mn金 属成分及C、 Si、 P、 S等非金属成分发生反应(Mo不参与反应)，均 被还原为一氧化氮，化学反应方程式如下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过氧化氬在酸性环境中是强氧化剂，在硝酸及Fe、 Cr3+、 Mn"等 的催化作用下，使过氧化氢分解释放新生态氧原子，加剧了氧化作用， 从而将内齿零件的上述化学成分(Mo不参与反应)氧化溶解，如将 炭氧化成二氧化碳，还原产物为水;将铁氧化为氢氧化铁沉淀等等。 具体反应见下述化学方程式5H202 + 2Fe = 2Fe (OH) 3丄+ 02个+ 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上述配方中的水作为溶剂，稀释硝酸与过氧化氢至;t见定的浓度。 最好釆用蒸馏水作为溶剂，这是因为蒸馏水纯度高，去除了水中的杂 质，有效的保证了化学腐蚀液的纯度，可避免水中杂质导致腐蚀液的自分解，减少了反应杂质的产生；同样，硝酸最好采用分析纯级的，以减少杂质，避免腐蚀液的自分解。当所述金属内齿工件为盲孔型的金属内齿工件时，可以直接在所 述金属内齿工件内齿腔内倒入具有金属腐蚀作用的腐蚀液，从而省略步骤1);也可以将经步骤1)保护处理后的金属内齿工件整体浸入具 有金属腐蚀作用的腐蚀液进行化学反应至所需要的加工要求。当所述金属内齿工件为通孔型的金属内齿工件时，在步骤l)前 宜增加如下步骤，使用耐蚀材料在所述通孔型金属内齿工件的内齿一 端密封形成密封端，在所述通孔型金属内齿工件上形成盲孔型内齿 腔，然后可以像上述盲孔型金属内齿工件一样，直接在内齿腔内倒入 具有金属腐蚀作用的腐蚀液，或者将经步骤1)保护处理后的金属内 齿工件整体浸入具有金属腐蚀作用的腐蚀液进行化学反应至所需要 的加工要求。上述耐蚀材料通常采用塑料、凡士林、蜡等非金属材料。本发明的有益效果主要体现在1) 效率高、成本低。2) 稳定的化学反应过程，保证了金属工件内齿化学加工量的均 匀性，且工件不受外力影响而变形。便于操作控制。4) 可方便控制金属工件内齿表面化学加工的部位、速度和时间， 或多次加工。5) 方法简单、操作方便，可批量修复；6) 为纯化学腐蚀，无需专用的修复设备。
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明图l是本发明用于修复金属工件盲孔型内齿表面的示意图。图2是本发明用于修复金属工件通孔型内齿表面的示意图。
具体实施方式
本发明实施例中所述金属内齿的材质为黑色合金金属，其主要化学成分包括Fe、 Cr、 Ni、 Mn、 Mo、 C、 P、 S、 Si，利用其中的铁和碳 可分别与硝酸和过氧化氢化学反应的原理来代替一般传统的金属切 削加工成型的方法来快速修正热处理后金属工件内齿的缩小变形问 题，因此可以避免因传统的金属切削加工而带来的诸多问题。同时， 为了防止金属内齿工件的非修复部位与硝酸和过氧化氢化学反应，将 金属内齿工件的非修复部位进行覆盖保护，形成保护层。保护层可用 非金属材料(如塑料、凡士林、蜡等)。若工件只有内齿修复部位浸 入腐蚀液进行化学反应，可以根据实际情况不必对非修复部位进行覆 盖保护(如盲孔型的金属内齿工件)。如果工件为通孔型金属内齿工 件，且尺寸较大，则需要用不与硝酸和过氧化氢起化学反应的物质(如 塑料、玻璃、凡士林、蜡等)与通孔型金属内齿工件的内齿一端密封 形成密封端，进而形成盲孔型内齿腔，化学反应加工时可将腐蚀液倒 入盲孔型内齿腔进行化学反应。将上述保护处理后的金属内齿工件内齿腔内装入或将金属内齿 工件浸入由硝酸、过氧化氢和蒸馏水混合配制的腐蚀液进行化学反应 至所需要的加工要求。腐蚀液的组成可按照金属内齿工件的成分和适当的反应速度在 下述范围(质量百分比)内配制硝酸 20 - 45%;过氧化氢 5~10°/。；蒸馏水 45 - 75%;通常情况下，腐蚀液中蒸馏水的含量愈高，硝S吏含量愈低，化学 反应速度愈慢，加工时间则长，具体化学反应速度和加工时间应通过试样试验获得。
一般来说，当腐蚀液中硝酸、过氧化氩、蒸馏水的质量百分比为4: 1: 8时，反应时间在1分钟~ 2分钟，内齿孔增大0. 04 ~ 0.08隱。对于加工量较少时，宜适当放慢反应速度，延长反应加工 时间，便于控制操作。为促进腐蚀液与金属工件内齿表面的铁和碳的 化学反应过程平稳稳定，腐蚀液的温度以大于等于3(TC为宜。当化学反应达到所需要的加工量后，迅速将工件从腐蚀液中取出 或倒出工件内齿腔中的腐蚀液，最好用流动的清水清洗工件，以免残 留的腐蚀液继续与工件进行化学反应。用清水清洗后的工件需要做进一 步防锈处理。以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细地说明。1. 金属工件盲孔型内齿表面的化学加工。例如内齿孔的加工量 为0. 10 mm。图1所示为本发明用于修复金属工件盲孔型内齿表面的示意图。 1 )参照图1所示，在金属内齿工件3上用凡士林或蜡形成一层保护层2，本例中保护层2分布在轴工件的所有外表面，仅内齿上不涂覆保护层。2) 配制腐蚀液l，腐蚀液l由纯硝酸、过氧化氢、蒸馏水按照 质量百分比4:1:8配制而成，加热腐蚀液温度到35°C。在上述覆有 保护层2的金属内齿工件3的内齿腔中加入腐蚀液1,内齿表面金属 区与腐蚀液1发生化学反应，其化学反应溶解速度为0. 04mm/min， 反应时间2. 5分钟即可获得0. 10mm的加工量。3) 乂人金属内齿工件3的内齿腔中倒出腐蚀液1，用流动清水沖 洗内齿腔冲洗千净。2. 金属工件通孔型内齿表面的化学加工。例如内齿孔的加工量 为0. 08 mm。图2所示为本发明用于修复金属工件通孔型内齿表面的示意图。1) 参照图2所示，在金属内齿工件3上用凡士林或蜡形成一层 保护层2，同时用玻璃、凡士林或蜡与金属工件通孔内齿一端密封形 成一个密封端4，从而形成盲孔型内齿腔。2) 配制腐蚀液l，腐蚀液l由硝酸、过氧化氬、蒸镏水按照质 量百分比4:1:8配制而成，加热腐蚀液温度到35°C。在上述覆有保 护层2的金属内齿工件3的内齿腔中加入腐蚀液1,内齿表面金属 区与腐蚀液1发生化学反应，其化学反应溶解速度为0. 04mm/min， 反应时间2分钟即可获得0. 08,的加工量。3) 取出金属内齿工件3，用流动清水冲洗内齿腔冲洗干净。 上述的两个具体实施例中，由于内齿工件不需修复的部位都已经形成了保护层，因此也可以将整个工件都浸入到腐蚀液中，使整个操 作过程更加方便，可以形成批量修复，提高效率。需要说明的是，根据本发明公开的内容，本领域技术人员利用所 述腐蚀液配制方法不难选择不同温度和时间进行处理能达到相似的 效果。但是由于金属内齿工件的成分有所差异，需要先以试样确定实 际的化学反应溶解速度，再确定正确的反应时间来达到所需的变形 量。内齿的尺寸规格与变形量无必然联系，变形量与腐蚀温度、时间 有对应关系， 一般保证在化学反应的过程中，所述腐蚀液的温度保持 在30~120°C,反应时间为0.5 3分钟之内即可。以质量百分比酸 性液氧化剂蒸馏水=4: 1: 8的腐蚀液为例，当腐蚀液的温度在30 ~ 4(TC时，每分钟的腐蚀溶解量为0. 02mm，内齿工件孔径增大0. 04mm， 当腐蚀液的温度在70 8(TC时，每分钟的腐蚀溶解量为0. 04mm，内 齿孔径增大0. 08mm。即当温度每增加20度，每分钟的腐蚀量约增加0. Olmm，孔径约增大0. 02mm。由于上述反应是》文热反应，而腐蚀液 存在自分解，温度越高，溶液使用寿命越短。值得注意的是，当反应时间过长时，副反应会增多，会导致腐蚀 液温度快速升高，可能会使金属的强度和韧度等性能发生改变；而且 当反应过程中腐蚀液的温度过高时，还会产生较多的有毒气体，会对 操作人员的身体造成伤害，因此有必要控制好反应温度和时间，经反 复实验得知，较为理想的反应温度宜控制在30~60°C,时间为l一2 分钟。本发明的反应腐蚀液的配比，也是经过多次的试验得出，当硝酸 或过氧化氢的含量过低时，会使整个反应的时间变长；而当硝酸或过 氧化氢的含量过高时，又会使反应的速度过快，导致温度快速升高， 可能会破坏金属的性能，使整个加工过程不易控制。因此，在本发明 公开的配比范围内制得的腐蚀液，具有很好的加工效果。特别要注意 一点，当一次腐蚀即发生腐蚀过量时，应根据过量程度用蒸馏水稀释 腐蚀液；当两分钟内腐蚀反应未发生时，应适当^是高腐蚀液浓度，或 将腐蚀液加温后再腐蚀。本发明的创新点在于将仅应用于重金属腐蚀的化学方法应用到 传统的机加工领域，来代替常规的切削加工方法，并且得到了意想不 到的效果，即可以同步、均匀地扩大内齿孔的尺寸，又可满足设计技 术要求(表面光洁度、形状和位置公差、金属性能等都保持与化学加 工前一致)，具有工艺筒单、操作方便、效率高、成本低等优点。同 时也可以回收反应后的腐蚀液，再次使用。本发明的技术对于金属内齿表面加工具有明显的效果，克服了现 有的使用机加工手段来修复金属内齿表面的技术问题，大大降低了加 工的成本，大大降低了成品的报废率，具有非常好的推广意义。本发明还有多种实现方式。例如选用不同的酸类来替代硝酸， 例如可以是^5克酸、盐酸、氢氟酸、草酸、过氯酸等；或者选用不同的氧化剂来替代过氧化氲，例如可以是过硫酸铵、过硫酸钾等。凡釆用 等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保 护的范围之内。
权利要求
1.一种消除金属内齿热处理变形的修复方法，其特征在于包括以下步骤，a按需用耐蚀材料将淬火后的金属内齿工件进行覆盖保护，仅露出需修复部位；b将经覆盖保护后的金属内齿工件与酸性腐蚀液接触，使之发生化学反应；c当化学反应对金属内齿工件需修复部位的腐蚀溶解量等于其热处理变形的膨胀量时，取出金属内齿工件；d将金属内齿工件冲洗干净，进行防锈处理。
2. 根据权利要求1所述消除金属内齿热处理变形的修复方法， 其特征在于所述酸性腐蚀液由无机酸、氧化剂和溶剂配制而成。
3. 根据权利要求2所述消除金属内齿热处理变形的修复方法， 其特征在于所述酸性腐蚀液由以下各组〗分按质量百分比配制而成硝酸 20~45%; 过氧化氢 5~10%; 水 45 ~ 75% 。
4. 根据权利要求3所述消除金属内齿热处理变形的修复方法， 其特征在于所述步骤b的化学反应的过程中，所述腐蚀液的温度保 持在30~120°C，反应时间为0. 5~3分钟，化学反应溶解速度为 0. 02 ~ 0. 06mm/min。
5. 根据权利要求3所述消除金属内齿热处理变形的修复方法， 其特征在于所述步骤b的化学反应的过程中，所述腐蚀液的温度保 持在30 6(TC，反应时间为1 2分钟。
6. 根据权利要求3或4所述消除金属内齿热处理变形的修复方法，其特征在于所述耐蚀材料为塑料、凡士林或蜡之一。
7. 根据权利要求6所述的消除金属内齿热处理变形的修复方法， 其特征在于当所述金属内齿工件为盲孔型的金属内齿工件时，在内 齿腔内倒入所述酸性腐蚀液。
8. 根据权利要求6所述的消除金属内齿热处理变形的修复方法， 其特征在于当所述金属内齿工件为通孔型的金属内齿工件时，先使 用耐蚀材料在所述通孔型金属内齿工件的内齿一端密封形成密封端， 形成内齿腔，再将内齿腔内倒入所述酸性腐蚀液。
全文摘要
本发明公开一种消除金属内齿热处理变形的修复方法，包括下述步骤按需用耐蚀材料将淬火后的金属内齿工件进行覆盖保护，仅露出需修复部位；将经覆盖保护后的金属内齿工件与酸性腐蚀液接触，使之发生化学反应；当化学反应对金属内齿工件需修复部位的腐蚀溶解量等于其热处理变形的膨胀量时，取出金属内齿工件；将金属内齿工件冲洗干净，进行防锈处理。本发明提供了一种工艺简单、操作方便、合理高效的金属内齿表面的化学加工方法，不必采用传统的切削加工方法而能快速修正热处理后金属工件内齿的缩小变形问题。
文档编号C23F1/02GK101591782SQ20091003245
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者常安全, 磊 张, 张新国 申请人:常州市瑞泰工程机械有限公司;南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司