1.本发明属于金属表面处理技术领域，特别涉及一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液及其应用。
背景技术：
2.轴承钢(如gcr15轴承钢)由于具有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限，被广泛应用于航空航天、轨道交通、机械制造等领域的高端装备及机械基础件制造。以滚动轴承为例，轴承核心元件的表面质量和亚表面损伤情况是影响其服役性能和寿命的关键因素。在某些极端的摩擦学工况下，由于速度、压力、温度和环境气氛的剧烈变化，极有可能出现润滑膜厚急剧降低的苛刻润滑工况，如果此时轴承钢的表面粗糙度过大，润滑膜厚小于摩擦副表面的粗糙峰高度，则会导致粗糙峰之间发生直接接触，引起轴承工作表面磨损，降低轴承的服役性能和寿命。因此，在现有精度基础上，进一步降低轴承钢的表面粗糙度，使膜厚比(最小油膜厚度和复合表面粗糙度的比值)提高至4以上，避免摩擦副表面粗糙峰之间的直接接触，实现全膜流体润滑，同时减少微裂纹等损伤，可以有效提高滚动轴承在苛刻润滑工况下的服役性能和寿命。
3.目前，轴承钢材质精密零部件制造过程中，通常采用传统的磨削和研磨技术来加工其工作表面，以滚动轴承为例，通常采用无心外圆磨削、无心外圆超精研和定心往复超精研来加工其核心元件内外套圈和滚动体。然而，上述加工技术受纯机械去除原理限制，去除时接触压力需要达到材料的塑性屈服极限，最小去除厚度受限，表面质量难以进一步提高，且在热力耦合作用下不可避免地产生各种形式的损伤，难以满足苛刻润滑工况对超精密低损伤轴承钢表面的需求。
4.为此，江亮等早前提出采用化学机械抛光技术来实现超光滑轴承钢表面，提供了一种用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液及其应用(专利zl201410490804.4)，该专利申请公开了一种用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液及其应用，其中金属缓蚀剂为0.006～0.12wt％的苯并三氮唑，通过使用如下抛光液配方：4.0wt％胶体二氧化硅，0.75wt％的氨基乙酸，1.0wt％过氧化氢，0.12wt％苯并三氮唑，余量为水，采用硝酸和氢氧化钾调节ph值至4.0，轴承钢的平均表面粗糙度降至1.8nm，表面变得超光滑且平整。然而，该发明仍然存在如下问题：
5.1、单一金属缓蚀剂无法充分保护轴承钢表面，难以进一步降低表面粗糙度至亚纳米级。轴承钢是一种典型的合金材料，硬度高，化学组分和金相组织复杂，例如，铁元素的化学性质比较活泼，容易被腐蚀溶解；铬元素容易被氧化，在表面生成一层钝化膜。从原理上讲，仅仅添加单一金属缓蚀剂，可能无法对轴承钢所有的化学组分和金相组织形成充分且均匀一致的保护膜，在抛光过程中，部分表面粗糙峰凹陷处会出现过度腐蚀以及由过度腐蚀诱导产生的磨损，因此难以进一步降低表面粗糙度至亚纳米级，难以进一步满足苛刻润滑工况对超精密低损伤轴承钢表面的需求。
6.2、单一金属缓蚀剂难以在添加较少量的条件下，降低表面粗糙度至亚纳米级。从
原理上讲，单一金属缓蚀剂的保护作用单一，需要添加更多量来实现更强的保护能力，因此导致加工成本较高，经济性和环保性较差。
技术实现要素：
7.本发明的目的在于克服现有抛光液中仅添加单一金属缓蚀剂，无法充分保护轴承钢表面，难以进一步降低表面粗糙度至亚纳米级，且添加量较多，经济性和环保性较差的不足，提供一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，通过多种金属缓蚀剂的协同作用，在添加更少量的条件下，使轴承钢获得亚纳米级表面粗糙度和趋近于零的亚表面损伤，提高轴承钢材质精密零部件在苛刻润滑工况下的服役性能和寿命，并提供该抛光液的应用方法。
8.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，0.01～40wt％的研磨颗粒、0.01～10wt％的金属氧化剂、0.01～10wt％的金属络合剂、0.01～2wt％的复配金属缓蚀剂，其余组分为去离子水，以及少量ph值调节剂；所述ph值调节剂用于调节抛光液的ph值为2～10；wt％表示质量百分比。
9.所述复配金属缓蚀剂包括组合复配的氮唑类化合物和噻唑类化合物。
10.所述氮唑类化合物包括1,2,3
‑
三氮唑、1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
甲基
‑
1h
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
氨基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、4
‑
氨基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3,5
‑
二氨基
‑
1,2,4
‑
三唑、3
‑
氨基
‑5‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、4
‑
氨基
‑3‑
肼基
‑5‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
硫基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
氰基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
溴
‑
1h
‑
1,2,4
‑
三氮唑、苯并三氮唑、4
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑、5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑、5,6
‑
二甲基
‑
1,2,3
‑
苯并三氮唑、1
‑
羟基苯并三氮唑、5
‑
氯苯并三氮唑、1h
‑
1,2,3,4
‑
四氮唑、5
‑
甲基四氮唑、5
‑
氨基
‑
1h
‑
四氮唑、5
‑
氨基
‑1‑
甲基四氮唑、5
‑
苯基
‑
1h
‑
四氮唑、5
‑
疏基
‑1‑
苯基
‑
四氮唑、5
‑
巯基
‑1‑
甲基四氮唑、吡唑、咪唑、苯并咪唑中的一种或多种；
11.所述噻唑类化合物包括噻唑、2
‑
甲基噻唑、4
‑
甲基噻唑、5
‑
甲基噻唑、2,4
‑
二甲基噻唑、4,5
‑
二甲基噻唑、2,4,5
‑
三甲基噻唑、2
‑
氨基
‑5‑
甲基噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
甲基噻唑、2
‑
氨基噻唑、2
‑
苯基噻唑、2
‑
乙基噻唑、2
‑
丙基噻唑、2
‑
乙基
‑
4,5
‑
二甲基噻唑、4
‑
溴噻唑、苯并噻唑、2
‑
氯苯并噻唑、2
‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基苯并噻唑、2
‑
肼基苯并噻唑、2,6
‑
二氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
氟苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
氯代苯并噻唑、5
‑
氯
‑2‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑6‑
氯苯并噻唑、5
‑
溴苯并噻唑、5
‑
氨基苯并噻唑、5
‑
氯苯并噻唑、2
‑
氯
‑4‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氟苯并噻唑、2,5
‑
二甲基苯并噻唑、2,6
‑
二甲基苯并噻唑、2
‑
氯
‑6‑
甲基苯并噻唑、5
‑
氟
‑2‑
甲基苯并噻唑、2,5,6
‑
三甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
硝基苯并噻唑、6
‑
氨基
‑2‑
巯基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑
5,6
‑
二甲基苯并噻唑、6
‑
溴
‑2‑
甲基
‑
1,3
‑
苯并噻唑、2,3
‑
二氢苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
甲氧基苯并噻唑、2
‑
溴苯并噻唑、2
‑
苯基苯并噻唑、5
‑
氯
‑2‑
巯基苯并噻唑、2
‑
巯基苯并噻唑、2
‑
甲基
‑2‑
噻唑啉、2
‑
巯基噻唑啉中的一种或多种。
12.本发明中，所述复配金属缓蚀剂的含量较佳的为质量百分比0.01～2％，更佳的为0.01～1％。
13.所述研磨颗粒包括单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二
氧化铈、氧化锌、掺杂铝的二氧化硅、覆盖铝的二氧化硅、煅制二氧化硅、胶体二氧化硅中的一种或多种。优选胶体二氧化硅，胶体二氧化硅的粒径为10～200nm，胶体二氧化硅的含量较佳的为质量百分比0.01～40％，更佳的为质量百分比0.01～20％。
14.进一步地，所述金属氧化剂包括过氧化氢、过氧化钠、过氧化脲、过氧甲酸、过氧乙酸、过碳酸钠、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、单过硫酸氢钾、单过硫酸氢铵、次氯酸钠、次溴酸钾、次碘酸钾、亚硝酸钾、亚氯酸钠、硝酸铁、氯酸钠、溴酸钠、溴酸铵、碘酸钾、高硼酸、高氯酸、高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钾、高氯酸镁、高溴酸、高碘酸、高碘酸钾、高锰酸钾、高铁酸钠、高铁酸钾、高铼酸钠、重铬酸钠、重铬酸钾、重铬酸钙、重铬酸铵、铁氰化钾中的一种或多种。优选过氧化氢，过氧化氢的含量较佳的为质量百分比0.01～10％，更佳的为质量百分比0.01～5％。
15.进一步地，所述金属络合剂包括氨基乙酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、氨三乙酸、乙二胺四乙酸、环己二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸、二乙烯三胺五乙酸、三乙烯四胺六乙酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、没食子酸、磺基水杨酸、2
‑
膦酸丁烷
‑
1,2,4
‑
三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺、乙二胺四甲叉膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、多元醇膦酸酯、2
‑
羟基膦酸基乙酸、多氨基多醚基甲叉膦酸、二乙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺中的一种或多种。优选氨基乙酸，氨基乙酸的含量较佳的为质量百分比0.01～10％，更佳的为质量百分比0.01～5％。
16.进一步地，所述抛光液ph值调节剂包括盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、硼酸、硅酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、氢氧化钡、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或多种，优选硫酸和氢氧化钾。
17.本发明还提供一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液的应用，采用上述抛光液对轴承钢工件进行化学机械抛光。
18.本发明的有益效果是：
19.1、本发明的抛光液中添加了氮唑类化合物和噻唑类化合物复配金属缓蚀剂，与单一金属缓蚀剂相比，通过多种金属缓蚀剂的协同作用，获得对轴承钢表面粗糙峰凹陷处更强的保护作用，实现亚纳米级粗糙度轴承钢表面。
20.2、本发明的抛光液添加的氮唑类化合物和噻唑类化合物的量，相较于单一金属缓蚀剂比较少，能够有效降低加工成本，保护环境。
附图说明
21.图1为根据本发明实施例对轴承钢表面进行化学机械抛光的一种方法示意图；
22.图2为采用本发明对照组30的抛光液对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢表面形貌图；
23.图3为采用本发明实施例4的抛光液对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢表面形貌
图；
24.图4为采用本发明实施例4的抛光液对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢横截面高分辨透射电子显微镜图一；
25.图5为采用本发明实施例4的抛光液对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢横截面高分辨透射电子显微镜图二。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方向或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，轴承钢平均表面粗糙度指的是轴承钢表面四个不同位置处表面粗糙度的平均值。
30.本发明的用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，包括按质量配比的以下组分：0.01～40wt％的研磨颗粒、0.01～10wt％的金属氧化剂、0.01～10wt％的金属络合剂、0.01～2wt％的复配金属缓蚀剂，其余组分为去离子水，以及少量ph值调节剂；所述ph值调节剂用于调节抛光液的ph值为2～10；wt％表示质量百分比。
31.所述复配金属缓蚀剂包括组合复配的氮唑类化合物和噻唑类化合物。
32.所述氮唑类化合物包括1,2,3
‑
三氮唑、1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
甲基
‑
1h
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
氨基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、4
‑
氨基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3,5
‑
二氨基
‑
1,2,4
‑
三唑、3
‑
氨基
‑5‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、4
‑
氨基
‑3‑
肼基
‑5‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
硫基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
氰基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
溴
‑
1h
‑
1,2,4
‑
三氮唑、苯并三氮唑、4
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑、5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑、5,6
‑
二甲基
‑
1,2,3
‑
苯并三氮唑、1
‑
羟基苯并三氮唑、5
‑
氯苯并三氮唑、1h
‑
1,2,3,4
‑
四氮唑、5
‑
甲基四氮唑、5
‑
氨基
‑
1h
‑
四氮唑、5
‑
氨基
‑1‑
甲基四氮唑、5
‑
苯基
‑
1h
‑
四氮唑、5
‑
疏基
‑1‑
苯基
‑
四氮唑、5
‑
巯基
‑1‑
甲基四氮唑、吡唑、咪唑、苯并咪唑中的一种或多种；
33.所述噻唑类化合物包括噻唑、2
‑
甲基噻唑、4
‑
甲基噻唑、5
‑
甲基噻唑、2,4
‑
二甲基噻唑、4,5
‑
二甲基噻唑、2,4,5
‑
三甲基噻唑、2
‑
氨基
‑5‑
甲基噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
甲基噻唑、2
‑
氨基噻唑、2
‑
苯基噻唑、2
‑
乙基噻唑、2
‑
丙基噻唑、2
‑
乙基
‑
4,5
‑
二甲基噻唑、4
‑
溴噻唑、苯并噻唑、2
‑
氯苯并噻唑、2
‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基苯并噻唑、2
‑
肼基苯并噻唑、2,6
‑
二氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
氟苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
氯代苯并噻唑、5
‑
氯
‑2‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑6‑
氯苯并噻唑、5
‑
溴苯并噻唑、5
‑
氨基苯并噻唑、5
‑
氯苯并噻唑、2
‑
氯
‑4‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氟苯并噻唑、2,
5
‑
二甲基苯并噻唑、2,6
‑
二甲基苯并噻唑、2
‑
氯
‑6‑
甲基苯并噻唑、5
‑
氟
‑2‑
甲基苯并噻唑、2,5,6
‑
三甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
硝基苯并噻唑、6
‑
氨基
‑2‑
巯基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑
5,6
‑
二甲基苯并噻唑、6
‑
溴
‑2‑
甲基
‑
1,3
‑
苯并噻唑、2,3
‑
二氢苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
甲氧基苯并噻唑、2
‑
溴苯并噻唑、2
‑
苯基苯并噻唑、5
‑
氯
‑2‑
巯基苯并噻唑、2
‑
巯基苯并噻唑、2
‑
甲基
‑2‑
噻唑啉、2
‑
巯基噻唑啉中的一种或多种。
34.本发明中，复配金属缓蚀剂的含量较佳的为质量百分比0.01～2％，更佳的为0.01～1％。
35.所述研磨颗粒包括单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、氧化锌、掺杂铝的二氧化硅、覆盖铝的二氧化硅、煅制二氧化硅、胶体二氧化硅中的一种或多种。优选胶体二氧化硅，胶体二氧化硅的粒径为10～200nm，胶体二氧化硅的含量较佳的为质量百分比0.01～40％，更佳的为质量百分比0.01～20％。
36.进一步地，所述金属氧化剂包括过氧化氢、过氧化钠、过氧化脲、过氧甲酸、过氧乙酸、过碳酸钠、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、单过硫酸氢钾、单过硫酸氢铵、次氯酸钠、次溴酸钾、次碘酸钾、亚硝酸钾、亚氯酸钠、硝酸铁、氯酸钠、溴酸钠、溴酸铵、碘酸钾、高硼酸、高氯酸、高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钾、高氯酸镁、高溴酸、高碘酸、高碘酸钾、高锰酸钾、高铁酸钠、高铁酸钾、高铼酸钠、重铬酸钠、重铬酸钾、重铬酸钙、重铬酸铵、铁氰化钾中的一种或多种。优选过氧化氢，过氧化氢的含量较佳的为质量百分比0.01～10％，更佳的为质量百分比0.01～5％。
37.进一步地，所述金属络合剂包括氨基乙酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、氨三乙酸、乙二胺四乙酸、环己二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸、二乙烯三胺五乙酸、三乙烯四胺六乙酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、没食子酸、磺基水杨酸、2
‑
膦酸丁烷
‑
1,2,4
‑
三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺、乙二胺四甲叉膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、多元醇膦酸酯、2
‑
羟基膦酸基乙酸、多氨基多醚基甲叉膦酸、二乙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺中的一种或多种。优选氨基乙酸，氨基乙酸的含量较佳的为质量百分比0.01～10％，更佳的为质量百分比0.01～5％。
38.进一步地，所述抛光液ph值调节剂包括盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、硼酸、硅酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、氢氧化钡、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或多种，优选硫酸和氢氧化钾。
39.本发明还提供一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液的应用，采用上述的抛光液对轴承钢工件进行化学机械抛光。
40.抛光步骤：如图1所示，在化学机械抛光过程中，抛光液以一定的流量不断补充到抛光垫上，抛光头上的样品在所施加压力的作用下与抛光垫接触，抛光垫和样品做同方向转动，通过旋转运动和离心力不断将抛光液补充到接触区域，样品表面材料在抛光液的化学作用和机械研磨的协同作用下实现去除。值得注意的是，以上的使用方式是基于传统抛
光机而言，对特别的抛光机系统，可以根据实际情况合理调整执行方式同样能够达到化学机械抛光目的。
41.本实施例所用抛光机为沈阳科晶自动化设备有限公司生产的unipol
‑
1200s台式抛光机，轴承钢样品牌号为：gcr15；样品尺寸为：直径50.8mm，厚度1.5mm；抛光条件为：加载压力5.0kg(显示面板设定值)，抛光头转速60rpm，抛光盘转速60rpm，抛光头和抛光盘中心间距105mm，抛光液流量100ml/min，抛光时间1min；所用抛光垫为美国dow electronic materials生产的ic1010/suba iv复合抛光垫。使用德国赛多利斯生产的me36s微量天平测量抛光前后的样品重量变化，计算材料去除速率。使用深圳市中图仪器股份有限公司生产的superview w1光学3d表面轮廓仪测量样品表面形貌，测量面积为97.9μm
×
97.9μm，使用相应的图像处理软件计算表面粗糙度。
42.表1给出了本发明抛光液对照组1～7，按表中所列的抛光液组分，先加入水，然后依次添加金属络合剂、金属缓蚀剂、研磨颗粒和金属氧化剂，待所有组分混合均匀后，使用硫酸和氢氧化钾调节ph值至目标值。使用表1给出的本发明抛光液对照组1～7对轴承钢样品进行化学机械抛光，材料去除速率和表面粗糙度r
a
的结果如表2所示。
43.表1对照组1～7
[0044][0045][0046]
表2使用对照组1～7抛光后，轴承钢的材料去除速率和表面粗糙度r
a
[0047]
对照组材料去除速率(nm/min)表面粗糙度r
a
(nm)112033.9
21514.431802.442112.252242.462282.172352.1
[0048]
由表2可见，对比对照组1～7，随着研磨颗粒质量分数的增加，轴承钢的材料去除速率先增加后趋于平缓，平均表面粗糙度先降低后基本保持不变。
[0049]
表3给出了本发明抛光液对照组8～12，按表中所列的抛光液组分，先加入水，然后依次添加金属络合剂、金属缓蚀剂、研磨颗粒和金属氧化剂，待所有组分混合均匀后，使用硫酸和氢氧化钾调节ph值至目标值。使用表3给出的本发明抛光液对照组8～12对轴承钢样品进行化学机械抛光，材料去除速率和表面粗糙度r
a
的结果如表4所示。
[0050]
表3对照组8～12
[0051][0052]
表4使用对照组8～12抛光后，轴承钢的材料去除速率和表面粗糙度r
a
[0053]
对照组材料去除速率(nm/min)表面粗糙度r
a
(nm)8132.62.19240.72.61077.02.211109.92.512108.63.5
[0054]
由表4可见，对比对照组8～12，添加不同的氧化剂，轴承钢的材料去除速率不一致，其中，碘酸钾能够获得最快的材料去除速率，过氧化氢能够获得最低的表面粗糙度以及适中的材料去除速率。
[0055]
表5给出了本发明抛光液对照组13～18，按表中所列的抛光液组分，先加入水，然后依次添加金属络合剂、金属缓蚀剂、研磨颗粒和金属氧化剂，待所有组分混合均匀后，使用硫酸和氢氧化钾调节ph值至目标值。使用表5给出的本发明抛光液对照组13～18对轴承钢样品进行化学机械抛光，材料去除速率和表面粗糙度r
a
的结果如表6所示。
[0056]
表5对照组13～18
[0057][0058]
表6使用对照组13～18抛光后，轴承钢的材料去除速率和表面粗糙度r
a
[0059]
对照组材料去除速率(nm/min)表面粗糙度r
a
(nm)137010.9141905.5153075.2164344.5176304.4184662.6
[0060]
由表6可见，对比对照组13～18，随着金属氧化剂质量分数的增加，轴承钢的材料去除速率先增大后减小，平均表面粗糙度呈现减小的趋势。
[0061]
表7给出了本发明抛光液对照组19～24，按表中所列的抛光液组分，先加入水，然后依次添加金属络合剂、金属缓蚀剂、研磨颗粒和金属氧化剂，待所有组分混合均匀后，使用硫酸和氢氧化钾调节ph值至目标值。使用表7给出的本发明抛光液对照组19～24对轴承钢样品进行化学机械抛光，材料去除速率和表面粗糙度r
a
的结果如表8所示。
[0062]
表7对照组19～24
[0063][0064]
表8使用对照组19～24抛光后，轴承钢的材料去除速率和表面粗糙度r
a
[0065]
对照组材料去除速率(nm/min)表面粗糙度r
a
(nm)19352.9202815.1211886.2221354.8231135.0241026.4
[0066]
由表8可见，对比对照组19～24，相较于未添加金属络合剂，随着乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸和己二酸的加入，轴承钢的材料去除速率和平均表面粗糙度显著增加。
[0067]
表9给出了本发明抛光液对照组25～29，按表中所列的抛光液组分，先加入水，然后依次添加金属络合剂、金属缓蚀剂、研磨颗粒和金属氧化剂，待所有组分混合均匀后，使用硫酸和氢氧化钾调节ph值至目标值。使用表9给出的本发明抛光液对照组25～29对轴承钢样品进行化学机械抛光，材料去除速率和表面粗糙度r
a
的结果如表10所示。
[0068]
表9对照组25～29
[0069][0070]
表10使用对照组25～29抛光后，轴承钢的材料去除速率和表面粗糙度r
a
[0071][0072][0073]
由表10可见，对比对照组25～29，随着ph值的增加，轴承钢的材料去除速率先急剧减小，后趋于平缓，接着再减小，平均表面粗糙度呈现先下降后上升的趋势。
[0074]
表11给出了本发明抛光液对照组30～54，按表中所列的抛光液组分，先加入水，然后依次添加金属络合剂、单一金属缓蚀剂、研磨颗粒和金属氧化剂，待所有组分混合均匀后，使用硫酸和氢氧化钾调节ph值至目标值。使用表11给出的本发明抛光液对照组30～54对轴承钢样品进行化学机械抛光，材料去除速率和表面粗糙度r
a
的结果如表12所示。
[0075]
表11对照组30～54
[0076]
[0077]
[0078][0079]
表12使用对照组30～54抛光后，轴承钢的材料去除速率和表面粗糙度r
a
[0080]
[0081][0082]
由表12可见，对比对照组30～54，添加单一金属缓蚀剂后，随着其摩尔浓度增加，轴承钢的材料去除速率几乎保持不变，但平均表面粗糙度逐渐降低。对比发现，加入5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑后，轴承钢的平均表面粗糙度r
a
可以达到1.1nm，说明在单一金属缓蚀剂条件下，5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑对轴承钢的保护作用最强。究其原因，其保护作用主要来源于唑环上π电子和轴承钢表面铁原子空d轨道之间的化学吸附、5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑分子的物理吸附、以及甲基的疏水性。
[0083]
表13给出了本发明抛光液实施例1～6，按表中所列的抛光液组分，先加入水，然后依次添加金属络合剂、复配金属缓蚀剂、研磨颗粒和金属氧化剂，待所有组分混合均匀后，使用硫酸和氢氧化钾调节ph值至目标值。使用表14给出的本发明抛光液实施例1～6对轴承钢样品进行化学机械抛光，材料去除速率和表面粗糙度r
a
的结果如表14所示。
[0084]
表13实施例1～6
[0085]
[0086][0087]
表14使用实施例1～6抛光后，轴承钢的材料去除速率和表面粗糙度r
a
[0088]
实施例材料去除速率(nm/min)表面粗糙度r
a
(nm)139.41.1238.31.0338.81.2438.00.8540.60.9642.41.1
[0089]
由表14可见，对比实施例1～6，加入复配金属缓蚀剂后，轴承钢的材料去除速率也几乎保持不变，添加5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑和噻唑、5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑和4
‑
甲基噻唑这两种复配金属缓蚀剂后，轴承钢的平均表面粗糙度r
a
可以达到1nm以下，特别地，添加5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑和噻唑复配金属缓蚀剂后，轴承钢的平均表面粗糙度r
a
可以达到0.8nm。对比发现，如图2所示，使用对照组30抛光后，轴承钢表面较为粗糙，粗糙峰起伏较大；而如图3所示，使用实施例4抛光后，轴承钢表面变得超光滑。如图4和5所示，图4为采用
实施例4的抛光液对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢横截面高分辨透射电子显微镜图一；图5为采用实施例4的抛光液对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢横截面高分辨透射电子显微镜图二。使用实施例4抛光后，轴承钢表面存在一层均匀一致的反应膜，厚度约为3nm，反应膜下的亚表面无损伤，晶格完整。究其原因，主要是由于5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑通过化学和物理的方式吸附在轴承钢表面，噻唑通过物理的方式吸附在轴承钢表面以及5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑缓蚀膜表面，进而通过两者的协同作用构筑一层缓蚀膜，该缓蚀膜连同氧化膜一起形成一层完整的具有充分保护作用的钝化膜，提高轴承钢表面粗糙峰凹陷处材料去除的机械作用阈值，防止在抛光过程中出现过度腐蚀以及由过度腐蚀诱导产生的磨损，使轴承钢获得亚纳米级表面粗糙度和趋近于零的亚表面损伤，提高轴承钢材质精密零部件在苛刻润滑工况下的服役性能和寿命。
[0090]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0091]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，包括以下组分：0.01～40wt％的研磨颗粒、0.01～10wt％的金属氧化剂、0.01～10wt％的金属络合剂、0.01～2wt％的复配金属缓蚀剂，其余组分为去离子水，以及少量ph值调节剂；所述ph值调节剂用于调节抛光液的ph值至2～10；wt％表示质量百分比。2.根据权利要求1所述的一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，所述复配金属缓蚀剂包括组合复配的氮唑类化合物和噻唑类化合物。3.根据权利要求2所述的一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，所述氮唑类化合物包括1,2,3
‑
三氮唑、1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
甲基
‑
1h
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
氨基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、4
‑
氨基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3,5
‑
二氨基
‑
1,2,4
‑
三唑、3
‑
氨基
‑5‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、4
‑
氨基
‑3‑
肼基
‑5‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
硫基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
巯基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
氰基
‑
1,2,4
‑
三氮唑、3
‑
溴
‑
1h
‑
1,2,4
‑
三氮唑、苯并三氮唑、4
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑、5
‑
甲基
‑
1h
‑
苯并三氮唑、5,6
‑
二甲基
‑
1,2,3
‑
苯并三氮唑、1
‑
羟基苯并三氮唑、5
‑
氯苯并三氮唑、1h
‑
1,2,3,4
‑
四氮唑、5
‑
甲基四氮唑、5
‑
氨基
‑
1h
‑
四氮唑、5
‑
氨基
‑1‑
甲基四氮唑、5
‑
苯基
‑
1h
‑
四氮唑、5
‑
疏基
‑1‑
苯基
‑
四氮唑、5
‑
巯基
‑1‑
甲基四氮唑、吡唑、咪唑、苯并咪唑中的一种或多种；所述噻唑类化合物包括噻唑、2
‑
甲基噻唑、4
‑
甲基噻唑、5
‑
甲基噻唑、2,4
‑
二甲基噻唑、4,5
‑
二甲基噻唑、2,4,5
‑
三甲基噻唑、2
‑
氨基
‑5‑
甲基噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
甲基噻唑、2
‑
氨基噻唑、2
‑
苯基噻唑、2
‑
乙基噻唑、2
‑
丙基噻唑、2
‑
乙基
‑
4,5
‑
二甲基噻唑、4
‑
溴噻唑、苯并噻唑、2
‑
氯苯并噻唑、2
‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基苯并噻唑、2
‑
肼基苯并噻唑、2,6
‑
二氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
氟苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
氯苯并噻唑、2
‑
氨基
‑4‑
氯代苯并噻唑、5
‑
氯
‑2‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
溴苯并噻唑、2
‑
巯基
‑6‑
氯苯并噻唑、5
‑
溴苯并噻唑、5
‑
氨基苯并噻唑、5
‑
氯苯并噻唑、2
‑
氯
‑4‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
甲基苯并噻唑、2
‑
氟苯并噻唑、2,5
‑
二甲基苯并噻唑、2,6
‑
二甲基苯并噻唑、2
‑
氯
‑6‑
甲基苯并噻唑、5
‑
氟
‑2‑
甲基苯并噻唑、2,5,6
‑
三甲基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑6‑
硝基苯并噻唑、6
‑
氨基
‑2‑
巯基苯并噻唑、2
‑
氨基
‑
5,6
‑
二甲基苯并噻唑、6
‑
溴
‑2‑
甲基
‑
1,3
‑
苯并噻唑、2,3
‑
二氢苯并噻唑、2
‑
巯基
‑5‑
甲氧基苯并噻唑、2
‑
溴苯并噻唑、2
‑
苯基苯并噻唑、5
‑
氯
‑2‑
巯基苯并噻唑、2
‑
巯基苯并噻唑、2
‑
甲基
‑2‑
噻唑啉、2
‑
巯基噻唑啉中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒包括单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、氧化锌、掺杂铝的二氧化硅、覆盖铝的二氧化硅、煅制二氧化硅、胶体二氧化硅中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，所述研磨颗粒优选胶体二氧化硅，胶体二氧化硅的粒径为10～200nm。6.根据权利要求1所述的一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，所述金属氧化剂包括过氧化氢、过氧化钠、过氧化脲、过氧甲酸、过氧乙酸、过碳酸钠、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、单过硫酸氢钾、单过硫酸氢铵、次氯酸钠、次溴酸钾、次碘酸钾、亚硝酸钾、亚氯酸钠、硝酸铁、氯酸钠、溴酸钠、溴酸铵、碘酸钾、高硼酸、高氯酸、高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸钾、高氯酸镁、高溴酸、高碘酸、高碘酸钾、高锰酸钾、高铁酸钠、高铁酸
钾、高铼酸钠、重铬酸钠、重铬酸钾、重铬酸钙、重铬酸铵、铁氰化钾中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，所述金属络合剂包括氨基乙酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、氨三乙酸、乙二胺四乙酸、环己二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸、二乙烯三胺五乙酸、三乙烯四胺六乙酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、没食子酸、磺基水杨酸、2
‑
膦酸丁烷
‑
1,2,4
‑
三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、多元醇膦酸酯、2
‑
羟基膦酸基乙酸、多氨基多醚基甲叉膦酸、乙二胺、二乙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液，其特征在于，所述抛光液ph值调节剂包括盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、硼酸、硅酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、氢氧化钡、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或多种。9.如权利要求1～8任意一项所述的用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液的应用，其特征在于，采用权利要求1～8任意一项所述的抛光液对轴承钢工件进行化学机械抛光。
技术总结
本发明公开了一种用于加工超光滑低损伤轴承钢表面的抛光液及其应用，抛光液包括以下组分：0.01～40wt％的研磨颗粒、0.01～10wt％的金属氧化剂、0.01～10wt％的金属络合剂、0.01～2wt％的复配金属缓蚀剂，其余组分为去离子水，以及少量pH值调节剂；所述pH值调节剂用于调节抛光液的pH值为2～10。与现有技术相比，本发明的抛光液将氮唑类化合物和噻唑类化合物组合作为复配金属缓蚀剂，通过多种金属缓蚀剂的协同作用，在添加更少量的条件下，提高轴承钢表面粗糙峰凹陷处材料去除的机械作用阈值，使轴承钢获得亚纳米级表面粗糙度和趋近于零的亚表面损伤。于零的亚表面损伤。于零的亚表面损伤。
技术研发人员：江亮 刘进伟 钱林茂 肖港国
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29
转载请注明原文地址:https://doc.8miu.com/read-13312.html
