论文题目：基于绿色环保抛光液的GCr15轴承钢化学机械抛光工艺研究
摘要：GCr15轴承钢是最常用的高碳铬轴承钢之一,它具有耐磨、耐腐蚀、尺寸稳定性好以及接触疲劳强度高的特点。广泛应用于轴承内外套圈、刃具、量具、模具等机械零件的制造,其中轴承是轴承钢的重要应用之一。轴承的结构设计和制造精度对轴承寿命及质量非常重要,同时轴承所用材料轴承钢也是关键,轴承钢对轴承的质量以及使用寿命和可靠性具有极其重要的作用,轴承钢的性能是影响轴承性能的关键因素之一。因此,低的表面粗糙度尤其是超光滑表面,对于轴承就具有非常重要意义。化学机械抛光是一种可以实现光滑、无损伤表面的超光滑表面加工技术。然而在化学机械抛光的过程中,为了达到好的表面质量以及高的材料去除速率,在抛光液中经常使用非绿色环保化学品来增强在化学机械抛光过程中的化学腐蚀作用或者缓蚀效果。这些危险化学品会对操作者以及设备都有潜在的危害,甚至会影响生态环境的可持续发展,严重背离“绿色制造”的理念。因此开发对环境友好的绿色抛光液,在满足此条件下实现超光滑表面加工,成为了化学机械抛光的趋势。故本文将绿色抛光液引入到GCr15轴承钢的化学机械抛光以及探究了GCr15轴承钢绿色环保化学机械抛光工艺。利用了化学机械抛光技术,以及结合电化学实验、X射线光电子能谱分析检测技术等的实验手段,首先研究了绿色络合剂对GCr15轴承钢化学机械抛光性能的影响规律;其次研究了绿色缓蚀剂对GCr15轴承钢化学机械抛光性能的影响规律;最后在上述研究的基础上进行了GCr15轴承钢化学机械抛光绿色工艺的优化,优化后运用两步法进行了GCr15轴承钢超光滑表面的制备。本文主要研究内容以及结果如下:（1）探究了绿色络合剂乙二胺二琥珀酸对GCr15轴承钢化学机械抛光性能的影响当抛光液的组分主要由50 mM乙二胺二琥珀酸和0.1 wt%H2O2组成且在p H 5.0的条件下时,GCr15轴承钢的材料去除速率为366 nm/min、表面粗糙度Ra为3.6 nm。其中,H2O2主要提供氧化作用以及乙二胺二琥珀酸主要提供络合作用共同在GCr15轴承钢表面形成不完整且机械强度低的反应膜,磨粒主要提供机械力将该反应膜去除。在抛光液中加入乙二胺二琥珀酸的条件下,随着H2O2的加入以及浓度的增加,GCr15轴承钢材料去除速率达到峰值后又减小,这主要是因为当H2O2浓度为0.1 wt%时在GCr15轴承钢表面生成的复合膜由铁的氧化物以及铁的络合物组成,它们是多孔且具有低机械强度的易于被去除。当H2O2的浓度进一步增加时,GCr15轴承钢的材料去除速率逐渐下降,这主要是因为GCr15轴承钢表面主要由氧化层所组成且该氧化层是致密且具有高的机械强度的。（2）探究了绿色缓蚀剂对GCr15轴承钢化学机械抛光性能的影响探究了绿色缓蚀剂植酸、羧甲基纤维素钠、3-氨基-1,2,4三氮唑、1,2,4-三氮唑对GCr15轴承钢化学机械抛光的影响。结果表明1,2,4-三氮唑相对于其他三种缓蚀剂可获得最好的表面质量。通过运用电化学、X射线光电子能谱分析等实验方法聚焦于探究1,2,4-三氮唑对GCr15所起到的作用。实验结果表明,在抛光液中加入1,2,4-三氮唑的条件下,1,2,4-三氮唑可在GCr15轴承钢表面进行化学吸附和物理吸附,并通过吸附起到保护作用。1,2,4-三氮唑在GCr15轴承钢的表面形成膜层,使GCr15轴承钢的表面与周围环境之间形成障碍。1,2,4-三氮唑可以与Fe2+,也可以与Fe3+反应形成配合物。1,2,4-三氮唑形成的缓蚀膜可以有效阻止活性部位的阳极反应发生,减少腐蚀引起的腐蚀坑和磨损。（3）GCr15轴承钢化学机械抛光绿色工艺的优化在探究上述络合剂及缓蚀剂机理的基础上,对GCr15轴承钢化学机械抛光绿色工艺参数进行了优化。优化后采用两步法来进行GCr15轴承钢超光滑表面制备。在第一步抛光中抛光液组分由去离子水、2 wt%YZ8040胶体二氧化硅颗粒、50 mM乙二胺二琥珀酸、0.1 wt%H2O2、10 mM 1,2,4-三氮唑、p H为3.0以及下压力为5.0 kg,在第一步抛光进行10 min后GCr15轴承钢的材料去除速率为564 nm/min,表面粗糙度达到5.2 nm。GCr15轴承钢的表面粗糙度直线下降,表面形貌由最初的粗糙不平整变得表面光滑平坦;在第二步的抛光中,抛光液组分为去离子水、2 wt%YZ8040胶体二氧化硅颗粒、50 mM乙二胺二琥珀酸、0.1 wt%H2O2、10 mM 1,2,4-三氮唑、p H为9.0以及下压力为7.0 kg,由于表面形成一层密实的钝化膜,因此当在第一步的基础上继续抛光8min后,实现了97.9×97.9μm~2扫描区域内表面粗糙度Ra为1.0 nm的纳米级精度GCr15轴承钢表面。
关键词：GCr15轴承钢;化学机械抛光;绿色抛光液;两步法
学科专业：机械工程（专业学位）
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 化学机械抛光工艺
1.2.1 化学机械抛光工艺工作原理
1.2.2 化学机械抛光工艺主要影响因素
1.2.3 化学机械抛光中材料去除的数学模型
1.3 绿色环保抛光液在化学机械抛光中的应用
1.4 GCr15轴承钢化学机械抛光加工的研究现状
1.5 本文选题意义及研究内容
1.5.1 本文选题意义
1.5.2 主要研究内容
第2章 实验材料及实验方法
2.1 实验所用材料
2.1.1 实验所用耗材
2.1.2 实验所用样品
2.2 仪器设备
2.2.1 抛光机
2.2.2 电子天平
2.2.3 白光干涉仪
2.2.4 电化学工作站
2.2.5 X射线光电子能谱仪
2.3 研究方法
2.3.1 抛光实验方法
2.3.2 电化学实验方法
2.3.3 表征方法
2.4 本章小结
第3章 绿色络合剂乙二胺二琥珀酸对GCr15轴承钢化学机械抛光性能的影响
3.1 引言
3.2 乙二胺二琥珀酸对GCr15轴承钢化学机械抛光结果的影响
3.2.1 乙二胺二琥珀酸和H_2O_2的协同影响
3.2.2 乙二胺二琥珀酸浓度的影响
3.3 乙二胺二琥珀酸在GCr15轴承钢化学机械抛光中的作用
3.3.1 化学作用
3.3.2 表面化学成分分析
3.4 GCr15轴承钢在含有乙二胺二琥珀酸抛光液下的抛光机理
3.5 本章小结
第4章 绿色缓蚀剂对GCr15轴承钢抛光性能的影响
4.1 引言
4.2 不同缓蚀剂对GCr15轴承钢抛光性能的影响
4.2.1 植酸对GCr15轴承钢抛光性能的影响
4.2.2 羧甲基纤维素钠对GCr15轴承钢抛光性能的影响
4.2.3 3-氨基-1,2,4三氮唑对GCr15轴承钢抛光性能的影响
4.2.4 1,2,4-三氮唑对GCr15轴承钢抛光性能的影响
4.3 1,2,4三氮唑在GCr15轴承钢化学机械抛光中的作用
4.3.1 化学作用
4.3.2 表面化学成分分析
4.4 GCr15轴承钢在含有1,2,4-三氮唑抛光液下的抛光机理
4.5 本章小结
第5章 GCr15轴承钢化学机械抛光绿色工艺的优化
5.1 引言
5.2 GCr15轴承钢化学机械抛光中绿色工艺参数的优化
5.2.1 氧化剂
5.2.2 pH
5.2.3 磨粒浓度
5.2.4 下压力
5.3 GCr15轴承钢超光滑表面制备
5.4 使用最优抛光液抛光后GCr15轴承钢表面状态的表征
5.5 本章小结
总结和展望
主要结论
研究展望
致谢
参考文献