水潤(rùn)滑高碳鉻不銹鋼軸承套圈鈍化及去氫處理工藝

趙圣卿，葉健熠，陳原，段欣生

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.“高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用” 國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；4.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

水潤(rùn)滑軸承在水介質(zhì)中工作，以水為潤(rùn)滑介質(zhì)，軸承處于邊界潤(rùn)滑，磨損是其主要失效形式[1]。一旦出現(xiàn)銹蝕情況，勢(shì)必加劇軸承的磨損，造成其早期失效，因此，對(duì)軸承的耐腐蝕性能提出了更高的要求。軸承零件材料多選為G95Cr18，G102Cr18Mo等馬氏體不銹鋼，雖然其具有較好的耐磨損、耐腐蝕性能，但是，通常未經(jīng)表面處理的不銹鋼表面在一定條件下，如鹽霧、潮濕海邊等環(huán)境下仍會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，尤其在浸水狀態(tài)下，電化學(xué)腐蝕更為嚴(yán)重，故需對(duì)水潤(rùn)滑軸承零件進(jìn)行表面氧化處理，即表面鈍化處理。鈍化處理在表面形成一層氧化膜，可以預(yù)防各種腐蝕發(fā)生源的出現(xiàn)，同時(shí)，鈍化處理使不銹鋼表面具有足夠的清潔度，清除不銹鋼表層的金屬污染物，使表面所含鉻、鎳元素富集而穩(wěn)定，提高軸承的耐腐蝕性能，以達(dá)到延長(zhǎng)軸承壽命的目的[2-3]。

目前，由于國(guó)內(nèi)適用于不銹鋼軸承零件鈍化處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的缺失，軸承行業(yè)在不銹鋼軸承制造及應(yīng)用過程中往往忽視了鈍化處理的重要性，并未采用相應(yīng)的工藝措施。因此，針對(duì)水潤(rùn)滑高碳鉻不銹鋼G102Cr18Mo軸承套圈的鈍化及去氫處理工藝進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)用軸承套圈材料為G102Cr18Mo，化學(xué)成分見表1，成品套圈常規(guī)淬回火后的熱處理質(zhì)量見表2。

表1 套圈用材料的化學(xué)成分

表2 成品套圈的熱處理質(zhì)量

由表1、表2可知，內(nèi)、外圈的化學(xué)成分和熱處理質(zhì)量均符合G102Cr18Mo相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 鈍化及去氫工藝方案

以美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制訂的《不銹鋼零件化學(xué)鈍化處理的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[6]作為工藝方案制定的基礎(chǔ)，由于該規(guī)范是通用性規(guī)范，對(duì)高強(qiáng)度、高可靠性不銹鋼軸承零件是否適用，尚需制定相應(yīng)的工藝試驗(yàn)方案加以試驗(yàn)驗(yàn)證。

通常情況下，不銹鋼的酸洗、鈍化工藝路線為[7]:酸洗前驗(yàn)收→除油→清洗→酸洗→清洗→鈍化→清洗→中和→清洗→干燥。由于需做鈍化處理的水潤(rùn)滑軸承套圈均為成品零件，其表面質(zhì)量及清潔度良好，無(wú)氧化皮等雜質(zhì)，故可略去酸洗步驟。此外，套圈材料為G102Cr18Mo馬氏體不銹鋼，屬高強(qiáng)度鋼，通常高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)件在鈍化處理過程中會(huì)因氫的滲入而造成材料塑性降低，存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，即氫脆現(xiàn)象[8-9]。材料的這種氫脆失效形式對(duì)主機(jī)安全運(yùn)行威脅極大，對(duì)于可靠性要求高的水潤(rùn)滑軸承，必須采取必要的去氫處理措施以避免氫脆現(xiàn)象發(fā)生。因此，可將水潤(rùn)滑軸承零件的鈍化處理工藝路線調(diào)整為：除油→水洗→鈍化→水洗→中和→水洗→干燥→去氫。

結(jié)合文獻(xiàn)[6]中針對(duì)G102Cr18Mo馬氏體不銹鋼鈍化處理溶液配比建議，制定的鈍化處理工藝試驗(yàn)方案見表3。一般不銹鋼鈍化后的去氫處理工藝為在190～220 ℃下保溫至少2 h[10]，但是，水潤(rùn)滑軸承套圈硬度要求不小于58 HRC，則熱處理的回火溫度控制在160 ℃左右。顯然，如果按照該工藝進(jìn)行去氫處理，其溫度高于套圈的回火溫度，勢(shì)必造成套圈硬度降低及變形，進(jìn)而影響軸承的抗疲勞、耐磨損等性能。因此，需要確定合適的處理溫度，在不影響軸承性能的條件下達(dá)到消除氫脆影響的目的。采用調(diào)整去氫溫度、去氫時(shí)間、冷卻方式的辦法進(jìn)行去氫處理工藝試驗(yàn)。具體的去氫工藝試驗(yàn)方案見表4。

表3 鈍化處理工藝試驗(yàn)

表4 去氫處理工藝試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 鈍化處理

根據(jù)所制定的鈍化工藝試驗(yàn)方案，對(duì)G102Cr18Mo套圈進(jìn)行了鈍化處理工藝試驗(yàn)。為檢驗(yàn)鈍化處理后套圈的耐腐蝕性能，運(yùn)用鈍化質(zhì)量檢驗(yàn)方法對(duì)鈍化處理前后套圈進(jìn)行2 h中性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中鹽溶液的濃度配比、鹽霧的沉降率、試驗(yàn)溫度等試驗(yàn)參數(shù)及操作規(guī)程嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[11]的規(guī)定執(zhí)行。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖可知，雖然不銹鋼材料G102Cr18Mo的耐腐蝕性能良好，但在中性鹽霧試驗(yàn)條件下，未經(jīng)鈍化處理的套圈表面仍出現(xiàn)了銹蝕，而鈍化處理的套圈經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后表面未發(fā)現(xiàn)銹蝕，保持不銹鋼原有色澤，無(wú)缺陷。結(jié)果表明，表3工藝試驗(yàn)方案中的鹽霧試驗(yàn)檢驗(yàn)方法能夠較為準(zhǔn)確地檢驗(yàn)出鈍化質(zhì)量，同時(shí)，證明了水潤(rùn)滑軸承不銹鋼零件采用該鈍化工藝的可行性、有效性。

圖1 鈍化處理前后套圈鹽霧試驗(yàn)對(duì)比

2.2 去氫處理及對(duì)套圈硬度的影響

根據(jù)所制定的去氫處理工藝試驗(yàn)方案，對(duì)G102Cr18Mo套圈進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。去氫效果檢驗(yàn)可參考文獻(xiàn)[12]中提供的檢測(cè)方案：

1)檢驗(yàn)介質(zhì)：凡士林。

2)檢驗(yàn)器具：燒杯、熱源、鐵架臺(tái)、石棉網(wǎng)，溫度計(jì)。

3)操作方法：將適量(保證完全浸沒試驗(yàn)套圈)的凡士林裝入燒杯，置燒杯于鐵架臺(tái)的石棉網(wǎng)上，加熱至凡士林完全融化。用溫度計(jì)測(cè)量凡士林液的溫度，使之保持在(100±5)℃范圍內(nèi)5 min以上，去除所含水分。將清洗干凈并烘干的試驗(yàn)套圈完全浸沒入凡士林液內(nèi)，通過觀察10 s內(nèi)凡士林液中有無(wú)氣泡產(chǎn)生來判斷去氫效果。若產(chǎn)生氣泡,說明氫氣在零件表面形成或析出，該零件去氫不徹底或沒有去氫;若無(wú)氣泡出現(xiàn)，說明去氫效果良好。

去氫工藝處理效果和對(duì)套圈硬度的影響見表5。從表中可以看出，方案3未做去氫處理，出現(xiàn)了少量氣泡，說明套圈在鈍化處理過程中存在一定的滲氫現(xiàn)象。方案1采用高溫、保溫時(shí)間短的去氫處理方式和方案2采用相對(duì)低溫、延長(zhǎng)保溫時(shí)間的去氫處理方式均沒有氣泡出現(xiàn)，說明采用方案1、方案2均能有效達(dá)到去氫目的。但是方案1套圈的硬度有所降低，方案2套圈的硬度未發(fā)生變化(與表2硬度值對(duì)比)，因此，可確定方案2為合適的水潤(rùn)滑不銹鋼軸承套圈去氫處理工藝方案。

表5 去氫效果及對(duì)套圈硬度的影響

通過上述工藝試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究分析，確定了水潤(rùn)滑軸承不銹鋼套圈的鈍化處理工藝，經(jīng)鈍化、去氫處理后的軸承，有效地提高了耐腐蝕性能，同時(shí)達(dá)到了預(yù)防軸承套圈氫脆效應(yīng)的目的，且確定的去氫方案2對(duì)套圈的硬度沒有影響。

3 結(jié)論

1)水潤(rùn)滑軸承不銹鋼G102Cr18Mo套圈鈍化處理工藝的試驗(yàn)表明，經(jīng)鈍化處理的不銹鋼軸承套圈耐腐蝕性能顯著提高。

2)水潤(rùn)滑軸承用相對(duì)低溫、延長(zhǎng)保溫時(shí)間的去氫處理工藝可行，該工藝能夠有效防止氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，且可使套圈保持原硬度。