一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法

1.本发明涉及一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，属于硬质材料工具制造和切削加工领域。


背景技术：

2.无论是直接用作切削刀具和耐磨零件，还是经过涂层处理后用作切削刀具，硬质合金和金属陶瓷毛坯均需通过磨削加工才能达到满足特定应用需求的形状、尺寸以及形位公差和尺寸精度。磨削加工缺陷长期困扰硬质合金、金属陶瓷及其精深加工制品生产企业。由于形状复杂，尺寸精度要求高，通过棒材加工制备的硬质合金和金属陶瓷整体刀具的磨削加工余量较大，需经过粗磨、半精磨和精磨等工序。亚微、超细和纳米硬质合金是硬质合金棒材最典型的材质。由于硬质合金棒材的晶粒度通常＜0.8μm，其材质相对传统硬质合金具有一定的特殊性，而且硬质合金棒材整体刀具在切削刀具中的市场份额很大，其磨削加工表面缺陷问题更为凸显。
3.由于对硬质合金和金属陶瓷进行磨削加工切割力大、发热量大，因此必须采用磨削液。磨削液的正确选择和正确使用是实现硬质合金和金属陶瓷工具高效和高质量精密制造的基础。目前市场上磨削液的品种繁多，磨削液生产企业对其使用方法通常缺乏明确指导，磨削液使用企业通常依据推荐和试用进行采购，根据自身经验进行浓度配置。如何科学选择磨削液，如何科学确定磨削液的配置浓度一直困扰硬质合金和金属陶瓷工具精深加工制造企业。
4.切削刀具是硬质合金、金属陶瓷、涂层硬质合金和涂层金属陶瓷等硬质材料工具最典型的一类应用。湿切削加工是硬质材料刀具切削加工常用的一种加工方式。目前磨削液或切削液生产企业将硬质材料的磨削液或切削液通常不做细分，推荐打通使用。即同一种物质，用作硬质材料磨削加工称为磨削液，用作硬质材料刀具对被加工材料进行湿式切削加工称为切削液。与硬质材料磨削加工类似，切削液的正确选择和正确使用是实现硬质材料刀具对被加工材料高效和高质量精密加工的基础。如何实现磨削液或切削液从经验选择和使用到科学选择和使用是目前产业界亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的是，解决产业界亟待解决的磨削液或切削液从经验选择和使用到科学选择和使用的问题。
6.本发明的第二个目的是，促进硬质材料磨削液或切削液生产企业从基于经验的开发到科学开发，高质量服务硬质材料工具制造企业和硬质材料刀具使用企业，促进服务链和产业链的协同高质量发展。
7.本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，所述筛选和配置浓度优化方法是指采用动电位极化曲线和电化学阻抗谱的电化学联合测试评价方法；所述动电位极化曲线和电化学阻抗谱电化学联合测试评价方法，采用wc晶粒度＞1μm的wc
–
co硬
质合金作为标定物；根据除亚微、超细和纳米晶硬质合金以外的wc
–
co硬质合金常见牌号中wc的晶粒度范围，优先推荐合金中wc晶粒度在1～2μm之间；所述标定物用作动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试的工作电极，与饱和甘汞参比电极和铂片辅助电极配对使用；所述工作电极、饱和甘汞参比电极和铂片辅助电极置于一定配置浓度的待测溶液中；所述待测溶液是指磨削液或切削液溶液；所述磨削液或切削液是指能溶解于水中的水基磨削液或切削液；所述配置是指将待测磨削液或切削液溶解于去离子水中；所述配置浓度以待测磨削液或切削液在水中的体积百分比为单位，配置浓度在2.5％～10％之间；根据实际应用情况，推荐设置配置浓度为2.5％、5.0％、7.5％和10.0％；所述wc
–
co硬质合金中co质量分数＞10％，不含其它合金添加剂；根据wc
–
co硬质合金中co质量分数＞10％常见牌号中co含量范围，优先推荐co质量分数为12～15％；所述硬质材料磨削液或切削液筛选，通过磨削液或切削液在优化的配置浓度条件下，对标定物的防腐蚀保护能力排序获得；所述硬质材料磨削液或切削液配置浓度优化，通过磨削液或切削液在2.5％～10％配置浓度条件下，对标定物的防腐蚀保护能力排序获得；所述硬质材料包括硬质合金、金属陶瓷、涂层硬质合金和涂层金属陶瓷。
8.本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，所述动电位极化曲线和电化学阻抗谱的电化学联合测试通过电化学工作站进行；所述晶粒度＞1μm的wc基硬质合金标定物的直径为13～14mm，高度为5～6mm，在每次测试前需依次经过表面研磨、抛光和超声清洗处理，随后放置在一个工作面面积确定的聚四氟乙烯夹具中。在工业上应用时，维持工作面面积为1cm2，可简化数据处理，增强数据比对的可靠性，当然其它工作面积的聚四氟乙烯夹具也能适用于本发明。
9.本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，在电化学实验前，将硬质合金标定物在待测溶液中浸泡30min，以保证样品表面状态稳定，防止后续测量过程中样品表面生成气泡影响测量结果的可靠性和稳定性。
10.本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，将硬质合金标定物在待测溶液中浸泡30min后进行开路电位曲线的测量，时间为30min，以获得稳定的开路电位；开路电位稳定后，进行开路电位下电化学阻抗谱测试；所述电化学阻抗谱测试测试的参数如下：频率为10
–4～105hz、优选为10
–2～105hz，电压振幅为5mv，采用自动灵敏度模式。
11.本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，将硬质合金标定物在待测溶液中浸泡30min后进行动电位极化曲线测试；所述动电位极化曲线测试的参数如下：电压测试范围
–
0.8～2v，电位扫描速度0.5mv/s。
12.本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，采用电化学工作站自带软件，选用相应的等效电路图对电化学阻抗谱进行拟合分析，获得电荷转换电阻r
ct
；采用强极化区tafel曲线外推法从动电位极化曲线计算自腐蚀电流密度j
corr
；通过比较硬质合金标定物与不同溶液组成的测试体系中获得的自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
，比较各种磨削液或切削液在一定配置浓度条件下对合金的防腐蚀保护能力。
13.本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，所述通过比较硬质合金标定物与不同待测溶液组成的测试体系中获得的自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
，至少需要进行两次重复测试和相互验证；所述重复测试和相互验证只更换硬质合金标定物，不改变其它测试条件；优先推荐采用两种晶粒度或两种成分硬质合金标定物，或
晶粒度和成分均不同的两种硬质合金标定物进行重复测试和相互验证；所述动电位极化曲线和电化学阻抗谱的电化学联合测试的温度维持在25
±
1℃的恒温条件，以保证所有实验结果具有较好的测试环境等同性和可比性。
14.本发明的机理和优点简述于下：
15.合金的耐腐蚀性能与自腐蚀电流密度j
corr
具有负相关关系，与电荷转换电阻r
ct
具有正相关关系。磨削液或切削液溶液对硬质合金标定物的保护效果与自腐蚀电流密度j
corr
具有负相关关系，与电荷转换电阻r
ct
具有正相关关系。
16.动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试是电化学领域中常用的两种测试方法。在硬质合金领域，电化学测试是表征硬质合金在液体介质中耐腐蚀性能一种较常用的方法，但未见电化学测试方法在硬质材料磨削液或切削液的筛选和配置浓度优化的应用。本课题组的研究结果表明，硬质合金和金属陶瓷中的微观缺陷与磨削液的交互作用可促进硬质材料中黏结相和硬质相的电偶腐蚀和磨削表面以co、ni为代表的黏结金属的浸出。强化磨削液对硬质合金和金属陶瓷的保护作用，防止黏结金属在磨削液中浸出是提高硬质材料工具磨削加工表面质量的基础。因硬质材料磨削液或切削液使用目的或功能是：冷却、润滑、清洗和防锈，即在一定程度上磨削液或切削液能够实现对硬质材料表面的保护，因此相对现有各种研究报道中的测试介质，在电化学测试条件下磨削液或切削液对硬质材料腐蚀行为不显著，极易出现测试数据不稳定、重复性欠佳、自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
数据变化规律不一致性等问题，给磨削液或切削液种类及其浓度对合金保护性能影响的评定带来不确定因素。因此，如果电化学测试条件选择不当，无法对磨削液或切削液进行比对评估。
17.本发明建立在(1)对市场上各种硬质材料磨削液或切削液的本征属性进行充分调研；(2)对硬质合金和金属陶瓷磨削表面缺陷及其形成原因进行深入研究；(3)硬质材料成分与微观组织结构对其耐电化学腐蚀行为影响及其影响机理系统研究的基础上，通过大量的实验探索，获得了硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化的电化学测试优化条件，解决了弱电化学腐蚀条件下实验数据的稳定性和可靠性问题。硬质合金品种繁多，本发明不采用耐腐蚀性能优异、对磨削液或切削液变化不敏感的硬质合金和金属陶瓷作为标定样。采用本发明规定成分和微观结构特征的硬质合金标定样以及测试条件和测试方法，可获得稳定、可靠、易判断的测试结果。
18.硬质合金和金属陶瓷硬度高，通常磨削加工是其机械加工的最佳解决方案。因涂层硬质材料刀具的磨削加工需在涂层前完成，因此磨削液对应的硬质材料不包括涂层硬质合金和涂层金属陶瓷。切削加工是指硬质材料刀具对其它材料的切削、铣削、钻削等加工，因此切削液对应的硬质材料刀具，包括硬质合金和金属陶瓷刀具及其涂层刀具。
附图说明
19.附图1是合金中wc平均晶粒度为2.6μm wc
–
10co合金，在ph＝13的naoh(a)、ph＝7的na2so4(b)和ph＝1的h2so4(c)三种介质中进行电化学阻抗谱测试获得的nyquist阻抗图。
20.附图2是测试频率范围分别为10
–2～105hz(a)和10
–4～105hz(b)条件下，合金中wc晶粒度为1.8μm的wc
–
12co合金在浓度为5.0％的1
#
磨削液溶液中获得的nyquist阻抗图。与其对应的等效电路图嵌入在相应的图中，与其对应的电化学实验用由标定物工作电极、饱
和甘汞参比电极和铂片辅助电极组成的三电极与测试溶液组成的测试系统示意图插入在图2a中。
21.对比图附1与附图2a可以看出，10
–2～105hz测试条件下，在磨削液中测试所获得的nyquist阻抗图不具完整性。由图2b可以看出，10
–4～105hz条件下可获得完整的nyquist阻抗图，但获得完整的nyquist阻抗图需要耗时16小时。由图2可知，频率范围分别为10
–4～105hz和10
–2～105hz测试条件下对应的等效电路图相同，即测试频率的变化不会影响合金在介质中的电化学腐蚀机理。
具体实施方式
22.下面结合实施例、对比例和附图对本发明作进一步说明。
23.实施例
24.图1展示了合金中wc平均晶粒度为2.6μm wc
–
10co合金在ph＝13的naoh(a)、ph＝7的na2so4(b)和ph＝1的h2so4(c)三种介质中进行电化学阻抗谱测试获得的nyquist阻抗图。图2展示了测试频率范围分别为10
–2～105hz(a)和10
–4～105hz(b)条件下合金中wc晶粒度为1.8μm的wc
–
12co合金在浓度为5.0％的1
#
磨削液溶液中获得的nyquist阻抗图。与其对应的等效电路图嵌入在相应的图2中，与其对应的电化学实验用由标定物工作电极、饱和甘汞参比电极和铂片辅助电极组成的三电极与测试溶液组成的测试系统示意图插入在图2a中。对比图1与图2a可以看出，10
–2～105hz测试条件下，在磨削液中测试所获得的nyquist阻抗图不具完整性。由图2b可以看出，10
–4～105hz条件下可获得完整的nyquist阻抗图，但获得完整的nyquist阻抗图需要耗时16小时。由图2可知，频率范围分别为10
–4～105hz和10
–2～105hz测试条件下对应的等效电路图相同，即测试频率的变化不会影响合金在介质中的电化学腐蚀机理。两种测试条件下获得的r
ct
值分别为141.0kω
·
cm
–2与147.5kω
·
cm
–2，相对误差为4.6％。因两种测试条件下完成测试的时间分别为15分钟和16小时，基于测试效率和r
ct
值对应的频率范围，确定选取频率范围为10
–2～105hz对硬质合金标定物与磨削液或切削液溶液体系进行电化学阻抗谱检测。
25.选取wc
–
12co合金(合金中wc晶粒度为1.8μm)和wc
–
15co合金(合金中wc晶粒度为1.5μm)两种硬质合金作为标定物，两种标定物的直径和高度分别为14mm和5mm。选取市场上常见的5种硬质材料磨削液或切削液(简称磨削液)，采用去离子水配置浓度为2.5％、5.0％、7.5％和10.0％(体积分数)的磨削液溶液。按照本专利方法进行电化学测试，结果见表1和表2。
26.表1wc
–
12co合金与磨削液溶液测试体系的电化学腐蚀参数
[0027][0028]
表2wc
–
15co合金与磨削液溶液测试体系的电化学腐蚀参数
[0029][0030]
由表1可知，对wc
–
12co合金与配置浓度为5％的磨削液溶液测试体系，以1
#
磨削液条件下获得的数据为基准，wc
–
12co合金在2
#
、3
#
、4
#
和5
#
磨削液中对应的j
corr
分别提高17％、39％、36％和87％，r
ct
分别降低7％、21％、28％和49％。由表2可知，对wc
–
15co合金与配置浓度为5％的磨削液溶液测试体系，以1
#
磨削液条件下获得的数据为基准，对wc
–
15co合金在2
#
、3
#
、4
#
和5
#
磨削液中对应的j
corr
分别提高16％、39％、32％和76％，r
ct
分别降低5％、10％、26％和45％。上述结果表明，对2种硬质合金标定物与配置浓度为5％的磨削液溶液测试体系，j
corr
和r
ct
所反映的变化规律具有很好的一致性，磨削液对合金标定物的保护性排序如下：5
#
磨削液＜4
#
磨削液＜3
#
磨削液＜2
#
磨削液＜1
#
磨削液。1
#
磨削液对合金的保护性明显优于其它4种磨削液，5
#
磨削液对合金的保护性明显差于其它4种磨削液。
[0031]
由表1可知，对wc
–
12co合金与1
#
磨削液溶液测试体系，以5.0％浓度条件下的数据为基准，2.5％、7.5％和10.0％浓度条件下wc
–
12co合金对应的j
corr
分别提高27％、22％和55％，r
ct
分别降低38％、33％和50％。由表2可知，对wc
–
15co合金与1
#
磨削液溶液测试体系，以5.0％浓度条件下的数据为基准，2.5％、7.5％和10.0％浓度条件下wc
–
15co对应的j
corr
分别提高20％、14％和46％，r
ct
分别降低35％、36％和43％。上述结果表明，对2种硬质合金标定物与1
#
磨削液溶液测试体系，j
corr
和r
ct
所反映的变化规律具有很好的一致性，1
#
磨削液的最佳配置浓度为5.0％时，对合金的保护性能最好。当1
#
磨削液浓度过低(即≤2.5％)和过高(即≥10.0％)时，磨削液对合金的保护性明显变差，容易导致合金出现明显的易腐蚀倾向。
[0032]
由表1可知，对wc
–
12co合金与3
#
磨削液溶液测试体系，以7.5％浓度条件下的数据为基准，2.5％、5.0％和10.0％浓度条件下wc
–
12co合金对应的j
corr
分别提高12％、5％和9％，r
ct
分别降低39％、20％和31％。由表2可知，对wc
–
15co合金与3
#
磨削液溶液测试体系，以7.5％浓度条件下的数据为基准，2.5％、5.0％和10.0％浓度条件下wc
–
15co对应的j
corr
分别提高15％、5％和8％，r
ct
分别降低37％、9％和28％。上述结果表明，对2种硬质合金标定物与3
#
磨削液溶液测试体系，j
corr
和r
ct
所反映的变化规律具有很好的一致性，3
#
磨削液的最佳配置浓度为7.5％时，对合金的保护性能最好；配置浓度为2.5％，3
#
磨削液对合金的防腐蚀保护能力明显变弱；当3
#
磨削液浓度达到10.0％时，磨削液对合金的保护性变差。
[0033]
对比例
[0034]
选取wc
–
8co
–
0.5cr3c2–
0.3vc(合金中wc晶粒度为0.4μm)硬质合金作为标定物。除标定物合金成分以外，其它测试方法与测试参数与实施例相同。按照本专利方法进行电化学测试，出现了数据不稳定、重复性欠佳、自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
数据变化规律不一致性等问题，其中一组自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
数据变化规律具有一致性的测试数据见表3。
[0035]
表3wc
–
8co
–
0.5cr3c2–
0.3vc与磨削液溶液测试体系的电化学腐蚀参数
[0036][0037]
由表3可知，对wc
–
8co
–
0.5cr3c2–
0.3vc合金与配置浓度为5％的磨削液溶液测试体系，以1
#
磨削液条件下获得的数据为基准，wc
–
8co
–
0.5cr3c2–
0.3vc合金在2
#
、3
#
、4
#
和5
#
磨削液中对应的j
corr
分别提高0％、5％、2％和6％，r
ct
分别降低1％、2％、7％和7％。对wc
–
8co
–
0.5cr3c2–
0.3vc合金与3
#
磨削液溶液测试体系，以7.5％浓度条件下的数据为基准，2.5％、
5.0％和10.0％浓度条件下wc
–
8co
–
0.5cr3c2–
0.3vc合金对应的j
corr
分别提高2％、5％和6％，r
ct
分别降低1％、1％和1％。显然，wc
–
8co
–
0.5cr3c2–
0.3vc合金对磨削液及其浓度的变化敏感度极低，采用相关参数作为评定依据具有不充分性。
[0038]
选取金属陶瓷作为标定物，除标定物合金成分以外，其它测试方法与测试参数与实施例相同。按照本专利方法进行电化学测试，同样出现了数据不稳定、重复性欠佳、自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
数据变化规律不一致性等问题。
[0039]
以3
#
磨削液为例，当某企业将磨削液配置浓度由2.5％提高至7.5％时，检测5000支超细晶硬质合金棒材，其表面的磨削加工缺陷废品率由5％降低至0.6％，即6
‰
，磨削加工缺陷废品率显著降低。某金属陶瓷棒材加工企业根据我们的推荐更换了磨削液，在优化的配置浓度条件下，其磨削加工缺陷废品率同样也得到了显著降低。

技术特征：
1.一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，其特征在于：所述筛选和配置浓度优化方法是指采用动电位极化曲线和电化学阻抗谱的电化学联合测试评价方法；所述动电位极化曲线和电化学阻抗谱电化学联合测试评价方法，采用wc晶粒度＞1μm的wc
–
co硬质合金作为标定物；所述标定物用作动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试的工作电极，与饱和甘汞参比电极和铂片辅助电极配对使用；所述工作电极、饱和甘汞参比电极和铂片辅助电极置于一定配置浓度的待测溶液中；所述待测溶液是指磨削液或切削液溶液；所述磨削液或切削液是指能溶解于水中的水基磨削液或切削液；所述配置是指将待测磨削液或切削液溶解于去离子水中；所述配置浓度以待测磨削液或切削液在水中的体积百分比为单位，配置浓度在2.5％～10％之间；所述wc
–
co硬质合金中co质量分数＞10％，不含其它合金添加剂；所述硬质材料磨削液或切削液筛选，通过磨削液或切削液在优化的配置浓度条件下，对标定物的防腐蚀保护能力排序获得；所述硬质材料磨削液或切削液配置浓度优化，通过磨削液或切削液在2.5％～10％配置浓度条件下，对标定物的防腐蚀保护能力排序获得；所述硬质材料包括硬质合金、金属陶瓷、涂层硬质合金和涂层金属陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，其特征在于：所述动电位极化曲线和电化学阻抗谱的电化学联合测试通过电化学工作站进行；所述晶粒度＞1μm的wc基硬质合金标定物的直径为13～14mm，高度为5～6mm，在每次测试前需依次经过表面研磨、抛光和超声清洗处理，随后放置在一个工作面面积为1cm2的聚四氟乙烯夹具中。3.根据权利要求1和2中任意一项所述的一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，其特征在于：在电化学实验前，将硬质合金标定物在待测溶液中浸泡30min，以保证样品表面状态稳定，防止后续测量过程中样品表面生成气泡影响测量结果的可靠性和稳定性。4.根据权利要求1和2中任意一项所述的一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，其特征在于：将硬质合金标定物在待测溶液中浸泡30min后进行开路电位曲线的测量，时间为30min，以获得稳定的开路电位；开路电位稳定后，进行开路电位下电化学阻抗谱测试；所述电化学阻抗谱测试测试的参数如下：频率为10
–4～105hz，电压振幅为5mv，采用自动灵敏度模式。5.根据权利要求1和2中任意一项所述的一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，其特征在于：将硬质合金标定物在待测溶液中浸泡30min后进行动电位极化曲线测试；所述动电位极化曲线测试的参数如下：电压测试范围
–
0.8～2v，电位扫描速度0.5mv/s。6.根据权利要求1、4和5中任意一项所述的一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，其特征在于：采用电化学工作站自带软件，选用相应的等效电路图对电化学阻抗谱进行拟合分析，获得电荷转换电阻r
ct
；采用强极化区tafel曲线外推法从动电位极化曲线计算自腐蚀电流密度j
corr
；通过比较硬质合金标定物与不同溶液组成的测试体系中获得的自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
，比较各种磨削液或切削液在一定配置浓度条件下对合金的防腐蚀保护能力。7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，其特征在于：所述通过比较硬质合金标定物与不同待测溶液组成的测试体系中
获得的自腐蚀电流密度j
corr
和电荷转换电阻r
ct
，至少需要进行两次重复测试和相互验证；所述重复测试和相互验证只更换硬质合金标定物，不改变其它测试条件；所述动电位极化曲线和电化学阻抗谱的电化学联合测试的温度维持在25
±
1℃的恒温条件。

技术总结
本发明一种硬质材料磨削液或切削液筛选和配置浓度优化方法，属于硬质材料工具制造和切削加工领域。本发明旨在解决产业界亟待解决的磨削液或切削液从经验选择和使用到科学选择和使用的问题，促进硬质材料磨削液或切削液生产企业从基于经验的开发到科学开发。本发明通过优选特定微观结构和成分的硬质合金标定物作为工作电极，优化电化学测试参数，基于自腐蚀电流密度和电荷转换电阻两个动力学参数，比较各种磨削液或切削液在一定配置浓度条件下对硬质合金标定物的防腐蚀保护效果，通过重复测试和相互验证，实现对硬质材料磨削液或切削液的高效筛选和配置浓度优化，达到显著降低硬质材料磨削加工缺陷废品率和提高硬质材料刀具切削加工质量的效果。刀具切削加工质量的效果。刀具切削加工质量的效果。


技术研发人员：张立 聂仁鑫 龙佳威 黄祥 陈述
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/6