用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液及其应用

摘要

本发明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，该抛光液包括：0.01～40wt％的研磨颗粒；0～10wt％的氧化剂；0.1～10wt％的金属络合剂；0～5wt％的金属缓蚀剂；以及余量的水，其中，研磨颗粒选自单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、煅制二氧化硅和胶体二氧化硅中的至少一种，氧化剂选自高碘酸盐、碘酸盐、高氯酸盐、过硫酸盐和过氧化氢中的至少一种，金属络合剂选自氨、氨基酸和有机酸中的至少一种，金属缓蚀剂选自含氮杂环衍生物、含硫杂环衍生物和同时含有氮、硫的杂环衍生物中的至少一种。使用该抛光液得到的轴承钢具有低的表面粗糙度和低的缺陷数量的功能特性，因此使得该轴承钢可以应用于精密器件中。

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体而言，本发明涉及一种用于加工超光滑轴承钢表面的 抛光液及其应用。

背景技术

由于轴承钢(如GCr15轴承钢)具有优良的机械性能，并且较易生产，因此被广泛应 用于机械制造领域。轴承钢的表面质量对工程零部件的功能特性具有至关重要的影响，如 摩擦系数和耐磨性。近年来，工业界对使用轴承钢作为原材料的精密器件的需求逐渐增加。 为了实现满意的器件功能特性，要求轴承钢具有低的表面粗糙度和低的缺陷数量。但是目 前的技术手段很难实现具有纳米级表面粗糙度的超光滑轴承钢表面。化学机械抛光技术通 过抛光液的化学反应和机械研磨的协同作用，能够实现超光滑无损伤表面。因此，可以采 用化学机械抛光技术来实现超光滑轴承钢表面。抛光液是整个化学机械抛光技术的关键技 术之一，因此，研制能够实现超光滑轴承钢表面的抛光液至关重要。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个 目的在于提出一种用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液及其应用，该抛光液能够有效地实 现高的轴承钢材料去除速率，并且在轴承钢表面形成一层致密的钝化膜，防止在抛光过程 中出现过腐蚀，从而使得轴承钢具有低的表面粗糙度和低的缺陷数量的功能特性。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液，包括：

0.01～40wt％的研磨颗粒；

0～10wt％的氧化剂；

0.1～10wt％的金属络合剂；

0～5wt％的金属缓蚀剂；以及

余量的水，

其中，

所述研磨颗粒为选自单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、 二氧化铈、煅制二氧化硅和胶体二氧化硅中的至少一种，

所述氧化剂为选自高碘酸盐、碘酸盐、高氯酸盐、过硫酸盐和过氧化氢中的至少一种，

所述金属络合剂选自氨、氨基酸和有机酸中的至少一种，

所述金属缓蚀剂为选自含氮杂环衍生物、含硫杂环衍生物和同时含有氮、硫的杂环衍 生物中的至少一种。

根据本发明实施例的用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液通过化学反应和机械研磨的 协同作用，能够有效地实现高的轴承钢材料去除速率，并且在轴承钢表面形成一层致密的 钝化膜，防止在抛光过程中出现过腐蚀，从而获得超光滑轴承钢表面，同时通过添加金属 络合剂，可以使得金属络合剂与轴承钢表面形成的氧化物或金属离子进行反应形成可溶性 络合物，进而提高材料去除率，减少金属氧化物颗粒造成的缺陷，从而使得轴承钢具有低 的表面粗糙度和低的缺陷数量的功能特性，因此该轴承钢可以应用于精密器件中，如轴承 滚珠，轴承圆柱滚子和密封试验中的超精密接触表面。

另外，根据本发明上述实施例的用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液还可以具有如下 附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述金属络合剂为氨基酸，优选氨基乙酸。由此，可以进 一步提高轴承钢材料去除率。

在本发明的一些实施例中，所述金属缓蚀剂选自1,2,4-三唑、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-1H-苯并三氮唑、咪唑、2-巯基噻唑啉、 2-巯基苯骈噻唑、2-氨基苯并咪唑、2-巯基苯并咪唑和2-甲基苯并咪唑中的至少一种。由此， 可以在轴承钢表面形成一层钝化膜，防止在抛光中出现过腐蚀，从而显著提高轴承钢表面 质量。

在本发明的一些实施例中，所述用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液包括：0.01～40wt％ 的所述胶体二氧化硅；0～10wt％的所述过氧化氢；0.1～10wt％的所述氨基乙酸；0～5wt％的 所述苯并三氮唑；以及余量的水。由此，可以显著提高轴承钢材料去除速率，获得超光滑 轴承钢表面。

在本发明的一些实施例中，所述用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液包括：1～20wt％ 的所述胶体二氧化硅；0～5wt％的所述过氧化氢；0.1～5wt％的氨基乙酸；0～1wt％的所述苯 并三氮唑；以及余量的水。由此，可以进一步提高轴承钢材料去除速率，获得超光滑轴承 钢表面。

在本发明的一些实施例中，所述用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液包括：4～12wt％ 的所述胶体二氧化硅；0.01～1wt％的所述过氧化氢；0.75wt％的所述氨基乙酸；0.006～0.12wt％ 的所述苯并三氮唑；以及余量的水。由此，可以进一步提高轴承钢材料去除速率，获得超 光滑轴承钢表面。

在本发明的一些实施例中，所述抛光液的pH为2.0～8.0，优选3.0～5.0。由此，既可以 保证该抛光液具有较高的轴承钢材料去除速率，又可以保证较低的轴承钢表面粗糙度。

在本发明的一些实施例中，所述抛光液的pH调节剂为选自硝酸、硫酸、盐酸、磷酸、 醋酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾和碳酸氢钾中的至少 一种，优选硝酸和氢氧化钾中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述胶体二氧化硅的粒径为10～200nm。由此，可以进一步 保证该抛光液具有较高的轴承钢材料去除速率和较低的表面粗糙度。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种对轴承钢表面进行抛光的方法，该方法采 用上述所述的抛光液对所述轴承钢表面进行抛光。由此，可以获得超光滑轴承钢表面。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的对轴承钢表面进行抛光的方法技术示意图；

图2是抛光前轴承钢表面形貌图；

图3是采用本发明一个实施例的抛光液1对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢表面形貌 图；

图4是采用本发明一个实施例的抛光液2对轴承钢表面进行抛光后的轴承钢表面形貌 图。

具体实施方式

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。

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”等指示的方位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。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液。根据 本发明的实施例，该抛光液包括：0.01～40wt％的研磨颗粒；0～10wt％的氧化剂；0.1～10wt％ 的金属络合剂；0～5wt％的金属缓蚀剂；以及余量的水，根据本发明的具体实施例，研磨颗 粒可以为选自单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化铈、二氧化钛、 煅制二氧化硅和胶体二氧化硅中的至少一种，氧化剂可以为选自高碘酸盐、碘酸盐、高氯 酸盐、过硫酸盐和过氧化氢中的至少一种，金属络合剂选自氨、氨基酸和有机酸中的至少 一种，金属缓蚀剂为选自含氮杂环衍生物、含硫杂环衍生物和同时含有氮、硫的杂环衍生 物中的至少一种。

发明人发现，研磨颗粒通过其机械研磨作用可以去除与研磨颗粒相接触的轴承钢表面 反应物，从而实现轴承钢材料的去除，并且通过添加金属络合物，使得金属络合物可以与 轴承钢表面形成的氧化物或金属离子进行反应形成可溶性络合物，进而提高材料去除率， 减少金属氧化物颗粒造成的缺陷，另外，金属缓蚀剂可以在轴承钢表面形成一层致密的钝 化膜，从而可以防止在抛光中出现过腐蚀，因此通过采用化学反应和机械研磨的协同作用， 可以获得超光滑轴承钢表面，并且发明人通过大量实验意外发现，使用本发明配方组合的 抛光液，可以使得轴承钢具有低的表面粗糙度和低的缺陷数量的功能特性，因此该轴承钢 可以应用于精密器件中，如轴承滚珠，轴承圆柱滚子和密封试验中的超精密接触表面。

根据本发明的具体实施例，金属络合剂可以为氨基酸，优选氨基乙酸。发明人通过大 量实验意外发现，使用氨基乙酸作为金属络合剂可以明显优于使用其他金属络合剂在大幅 度提高轴承钢材料去除率的同时，使得轴承钢表面粗糙度增幅最小。这是因为在酸性条件 下，氨基乙酸通过氨基和羧基络合轴承钢表面的铁离子，生成可溶性络合物，从而提高轴 承钢材料去除速率。相对于氨基乙酸，丝氨酸对轴承钢材料去除速率的提升作用有限，这 可能是由于丝氨酸分子中的羟基作用；而草酸会严重恶化轴承钢的表面质量，这主要是由 于草酸分子中两个羧基的络合作用过强。

根据本发明的具体实施例，金属缓蚀剂可以为选自1,2,4-三唑、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-1H-苯并三氮唑、咪唑、2-巯基噻唑啉、 2-巯基苯骈噻唑、2-氨基苯并咪唑、2-巯基苯并咪唑、2-甲基苯并咪唑中的至少一种。由此， 可以在轴承钢表面形成一层钝化膜，防止在抛光中出现过腐蚀，从而显著提高轴承钢表面 质量。

根据本发明的具体实施例，用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液可以包括：0.01～40wt％ 的胶体二氧化硅；0～10wt％的过氧化氢；0.1～10wt％的氨基乙酸；0～5wt％的苯并三氮唑； 以及余量的水。发明人发现，随着过氧化氢质量分数增加，轴承钢静态腐蚀速率逐渐减小， 材料去除率先急剧增加后逐渐减小，同时发明人通过大量实验意外发现，使用氨基乙酸作 为金属络合剂可以明显优于使用其他金属络合剂在大幅度提高轴承钢材料去除率的同时， 使得轴承钢表面粗糙度增幅最小，由此使用本发明配方组合的抛光液，可以使得轴承钢具 有低的表面粗糙度和低的缺陷数量的功能特性，因此该轴承钢可以应用于精密器件中。

根据本发明的具体实施例，用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液可以包括：1～20wt％ 的胶体二氧化硅；0～5wt％的过氧化氢；0.1～5wt％的氨基乙酸；0～1wt％的苯并三氮唑；以 及余量的水。由此，使用本发明配方组合的抛光液，可以进一步使得轴承钢具有低的表面 粗糙度和低的缺陷数量的功能特性，因此该轴承钢可以应用于精密器件中。

根据本发明的具体实施例，用于加工超光滑轴承钢表面的抛光液可以包括：4～12wt％ 的胶体二氧化硅；0.01～1wt％的过氧化氢；0.75wt％的氨基乙酸；0.006～0.12wt％的苯并三氮 唑；以及余量的水。由此，使用本发明配方组合的抛光液，可以进一步使得轴承钢具有低 的表面粗糙度和低的缺陷数量的功能特性，因此该轴承钢可以应用于精密器件中。

根据本发明的具体实施例，该抛光液的pH值并不受特别限制，根据本发明的实施例， 该抛光液的pH可以为2.0～8.0，优选3.0～5.0。发明人发现，pH较低时，轴承钢表面容易 形成腐蚀坑，并且抛光设备容易被腐蚀，而pH过高时，使得在轴承钢表面形成的氧化膜 较为致密，从而使得材料去除速率显著降低，由此，选择本发明的pH范围既可以保证较 高的轴承钢材料去除速率，又可以降低轴承钢表面粗糙度。

根据本发明的实施例，抛光液的pH调节剂可以为选自硝酸、硫酸、盐酸、磷酸、醋 酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的至少一 种，优选硝酸和氢氧化钾中的至少一种。由此，可以进一步保证较高的轴承钢材料去除速 率和较低的表面粗糙度。

根据本发明的实施例，胶体二氧化硅的粒径并不受特别限制，根据本发明的具体实施 例，胶体二氧化硅的粒径可以为10～200nm。发明人发现，胶体二氧化硅的粒径过低，使得 轴承钢材料去除率显著降低，而粒径过高，研磨过程中导致轴承钢表面质量变差。由此， 选择胶体二氧化硅的粒径在10～200nm之间，既可以提高轴承钢材料去除率，又可以保证 轴承钢表面质量。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种对轴承钢表面进行抛光的方法，该方法采 用上述的抛光液对轴承钢表面进行抛光。由此，该方法能够有效地实现高的轴承钢材料去 除速率，并且在轴承钢表面形成一层致密的钝化膜，防止在抛光过程中出现过腐蚀，同时 通过添加金属络合剂，可以使得金属络合剂与轴承钢表面形成的氧化物或金属离子进行反 应形成可溶性络合物，进而提高材料的去除率，减少金属氧化物颗粒造成的缺陷，从而使 得轴承钢具有低的表面粗糙度和低的缺陷数量的功能特性，因此该轴承钢可以应用于精密 器件中，如轴承滚珠，轴承圆柱滚子和密封试验中的超精密接触表面。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性 的，而不以任何方式限制本发明。

实验例1

抛光液配方：4wt％的胶体二氧化硅，0.75wt％的氨基乙酸，余量为水，采用硝酸和氢 氧化钾调节pH值至2.0～10.0；

抛光步骤：在化学机械抛光过程中，如图1所示，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反应和机械研磨的协同作 用下平整性去除，从而实现局部和全局平坦化。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，所用抛光机为美国Bruker公司生产的CETR CP-4台式抛光机；轴承钢 为GCr15轴承钢，化学成分如表1所示，样品尺寸为：直径50.8mm，厚度1mm；抛光条 件为：加载压力6.0psi，抛光头转速150rpm，抛光盘转速150rpm，抛光头和抛光盘中心 间距63mm，抛光液流量100mL/min；所用抛光垫为美国Dow Electronic Materials公司生 产的IC1010/Suba-IV复合抛光垫。通过测量轴承钢样品抛光前后的重量变化来计算材料去 除速率。使用美国Veeco公司生产的MicroXAM三维白光干涉表面形貌仪测量轴承钢表面 形貌，测量面积为173μm×128μm。在此基础上，使用相应的图像处理软件计算表面粗糙 度。测试结果如表2所示。

表1GCr15轴承钢的化学成分

表2测试结果

可见，随着pH值的增加，轴承钢静态腐蚀速率和材料去除速率均逐渐减小，表面质量 逐渐变好，说明了pH值对轴承钢抛光性能具有重要影响。这是由于抛光液pH值过低，轴 承钢表面容易形成腐蚀坑，表面质量变差，且抛光设备容易被腐蚀；而抛光液pH值过高， 轴承钢表面形成的钝化膜较为致密，使得材料去除速率较低。

实验例2

抛光液配方：4wt％的胶体二氧化硅，1.05wt％的丝氨酸或0.75wt％的氨基乙酸或0.9wt％ 的草酸，余量为水，采用硝酸和氢氧化钾调节pH值至4.0；

抛光步骤：同实验例1，测试结果如表3所示。

表3测试结果

可见，加入金属络合剂后，轴承钢材料去除速率明显增加，但是表面质量变差。对比 发现，加入氨基乙酸后，轴承钢材料去除速率增幅较大，表面粗糙度增幅最小，因此，优 选氨基乙酸作为金属络合剂。

实验例3

抛光液配方：4wt％的胶体二氧化硅，0～1wt％的过氧化氢，0.75wt％的氨基乙酸，余量 为水，采用硝酸和氢氧化钾调节pH值至4.0；

抛光步骤：同实验例1，测试结果如表4所示。

表4测试结果

可见，随着过氧化氢质量分数的增加，轴承钢静态腐蚀速率逐渐减小，材料去除速率 先急剧增加后逐渐减小，表面质量逐渐改善，说明过氧化氢对轴承钢抛光性能具有重要影 响。

实验例4

抛光液配方：4wt％的胶体二氧化硅，1.0wt％过氧化氢，0.75wt％的氨基乙酸，0～0.12wt％ 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；

抛光步骤：同实验例1，测试结果如表5所示。

表5测试结果

可以看出，随着苯并三氮唑质量分数的增加，轴承钢表面质量逐渐改善，这是由于在 抛光过程中，苯并三氮唑与轴承钢表面生成物发生反应，生成了一层致密的钝化膜，可以 防止在抛光中出现过腐蚀。

实施例5

抛光液1配方：12.0wt％胶体二氧化硅，0.75wt％的氨基乙酸，0.015wt％过氧化氢，余 量为水，采用硝酸和氢氧化钾调节pH值至4.0；

抛光液2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；

抛光步骤：同实验例1。

抛光前的轴承钢表面形貌如图2所示，轴承钢的表面粗糙度为228nm，首先使用抛光 液1对轴承钢抛光10分钟，轴承钢表面形貌如图3所示，轴承钢的表面粗糙度为5.39nm， 然后使用抛光液2继续抛光6分钟，轴承钢表面形貌如图4所示，轴承钢的表面粗糙度为 1.67nm。

结合图2、3和4可以看出，抛光前轴承钢表面非常粗糙且不平整，有很多微米级的机 械划痕，使用抛光液1抛光后，轴承钢平均表面粗糙度由187.8nm降至5.6nm，表面变得 较为光滑平整；在此基础上继续使用抛光液2抛光后，轴承钢平均表面粗糙度继续降至 1.8nm，表面变得超光滑且平整。

需要注意的是，上文中描述的轴承钢平均表面粗糙度指的是轴承钢表面三个不同位置 处表面粗糙度的平均值。

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中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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。