基于強(qiáng)化研磨軸承套圈表面化學(xué)成分分析

劉曉初，關(guān)水建，黃 駿，何銓鵬，王 豪，陳志斌

(廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

軸承是機(jī)械工業(yè)至關(guān)重要的通用零部件，被譽(yù)為機(jī)械的關(guān)節(jié)，其表面質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的運(yùn)作、壽命.軸承常用表面硬改性方法來提高顯微硬度，以增強(qiáng)表面的抗摩擦磨損能力，主要有直接形變強(qiáng)化(噴丸、滾壓)、化學(xué)熱處理(滲碳、滲氮等)、表面熱處理(表面感應(yīng)加熱淬火等)及薄膜強(qiáng)化(氣相沉積、輝光放電沉積、離子注入等)等［1］.因常規(guī)軸承表面處理成本高，效果單一，文獻(xiàn)［2］提出一種基于復(fù)合加工方法的機(jī)械表面加工方法，通過將混有高強(qiáng)度噴丸的強(qiáng)化研磨料噴射到工件表面上，在高強(qiáng)度的機(jī)械力作用和誘發(fā)下，工件表面產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力層、硬質(zhì)層，以及有利于儲(chǔ)油潤滑的“微觀油囊”，延長其疲勞壽命.

本實(shí)驗(yàn)采用一種新型的軸承強(qiáng)化研磨設(shè)備對(duì)軸承套圈表面進(jìn)行加工處理，并使用X射線能譜聯(lián)用儀對(duì)軸承強(qiáng)化研磨加工后產(chǎn)生減摩抗磨作用的物理膜層作化學(xué)元素分析.

1 機(jī)理分析

軸承強(qiáng)化研磨機(jī)將強(qiáng)化研磨料(強(qiáng)化研磨料由強(qiáng)化鋼丸、研磨粉、強(qiáng)化研磨液按一定比例混合而成)與高壓氣體混合，經(jīng)高速噴射系統(tǒng)形成固、液、氣三相混合噴射流，與套圈表面產(chǎn)生隨機(jī)、等概率的碰撞［3］.實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)得出，強(qiáng)化研磨在氣壓0.4 MPa、鋼丸噴射下，工件表面粗糙度達(dá)到最低.

含氮硼酸酯易在高溫、高壓、金屬位錯(cuò)及外逸電子等效應(yīng)的促進(jìn)下發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，在金屬工件表面生成含有層次結(jié)構(gòu)的硼酸、三氧化二硼、有機(jī)氮等復(fù)合化學(xué)物理膜層［4］.硼砂有良好的殺菌、防腐、抗磨能力，與工件表面可產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成含硼化學(xué)物理膜層.

根據(jù)THIESSEN等提出的機(jī)械化學(xué)機(jī)理，機(jī)械力作用導(dǎo)致晶格松弛與結(jié)構(gòu)裂解，激發(fā)出高能電子和等離子區(qū)，因而機(jī)械力化學(xué)有可能進(jìn)行通常情況下熱化學(xué)所不能進(jìn)行的反應(yīng)，使固體物質(zhì)的熱化學(xué)反應(yīng)溫度降低，反應(yīng)速度加快［5－6］.通過高壓噴射，強(qiáng)化鋼丸強(qiáng)烈撞擊工作表面，激發(fā)高等離子態(tài)達(dá)到研磨液與工件表面反應(yīng)條件，在摩擦表面生成了含BO、BN、O-Fe-B等成分的復(fù)雜的含B、N化學(xué)物理膜層，從而起到極壓減摩抗磨作用.

2 試驗(yàn)及其檢測(cè)裝置

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及其配件

強(qiáng)化加工試驗(yàn)的主要設(shè)備是廣州大學(xué)研制的軸承強(qiáng)化研磨機(jī)，它由強(qiáng)化研磨料混合噴射及回收集成系統(tǒng)、電磁無心裝夾定位裝置、高壓噴頭、安全防護(hù)裝置、設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)組成.

場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡具有高性能X射線能譜儀，其工作原理是細(xì)聚焦電子束入射試樣表面，激發(fā)出試樣微區(qū)元素的特征X射線，分析特征X射線的波長(或特征能量)即可知道微區(qū)中所含元素的種類，分析X射線的強(qiáng)度，則可知道微區(qū)中對(duì)應(yīng)元素含量的多少，為是否形成含B、N化學(xué)物理膜層提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

實(shí)驗(yàn)加工對(duì)象為經(jīng)過熱處理和精加工后的6207深溝球軸承的外圈，其外徑為72.00 mm，材料為GCr15軸承鋼，表面硬度可達(dá)60～62 HRC.

2.2 研磨液配方

工業(yè)加工中使用的強(qiáng)化研磨液一般由強(qiáng)化鋼丸、研磨粉和強(qiáng)化液等組成.其中強(qiáng)化鋼丸主要是由鑄鋼丸、軸承鋼丸混合而成;研磨粉為3種不同型號(hào)的棕剛玉按一定配比混合;強(qiáng)化液則由含水基氮硼酸酯(極壓添加劑)、硼砂(pH緩沖劑)、苯甲酸(防腐劑)、乙二胺四乙酸二鈉(絡(luò)合劑)、脂肪醇聚氧乙烯醚(非離子表面活性劑)、三乙醇胺(pH調(diào)節(jié)劑)、NaOH、滲透劑 JFC、消泡劑、防銹劑及水按一定比例混合組成.其組合及比例見表1.

2.3 試驗(yàn)方案

通過使用強(qiáng)化研磨機(jī)在0.4 MPa的壓力下對(duì)軸承外圈套進(jìn)行高壓噴射，工件轉(zhuǎn)速為150 r·min－1，噴射時(shí)間為5 min，噴嘴與工件表面的距離為45 mm，噴射角度為45°.強(qiáng)化處理后，制成試樣，將試樣清洗干凈，自然風(fēng)干，選擇理想?yún)^(qū)域，進(jìn)行多次能譜分析.

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

軸承套圈強(qiáng)化研磨前后對(duì)比，工作表面形貌有明顯變化.采用線切割技術(shù)將套圈試件進(jìn)行切割，并進(jìn)行表面能譜分析.

對(duì)加工前后的工件表面進(jìn)行X500放大觀察，能譜儀分析加工前后試樣區(qū)域的能譜分析圖(譜圖)見圖1.

表1 強(qiáng)化研磨料組分Table 1 The composition of grinding abrasive

圖1 試樣加工前后微區(qū)域放大及其譜圖Fig.1 Sample micro regional amplification and its spectra before and after processing

對(duì)比加工前后譜圖元素波峰，元素組成和含量變化很大.其中加工后B、N元素變化較大，Cr、Mg、Al、Ca、Si等元素亦有增加.

為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)加工前后軸承外套圈進(jìn)行多區(qū)域元素檢測(cè)，分別共測(cè)數(shù)據(jù)10組，取其平均值，研究結(jié)果見表2～3.

表2 加工前試樣表面元素平均含量Table 2 The average content of unprocessed sample surface'chemical element

表3 加工后試樣表面元素平均含量Table 3 The average content of processed sample surface'chemical element

由上表可知，工作表面主要元素 B、N、Fe、C、Cr變化較大，整理分析見表4.其余微量元素在此不作分析.

表4 加工前后主要元素變化Table 4 The main elements of change before and after processing

由表4可見，加工前試樣表面Fe、C、Cr 3種元素的含量較高，亦含有微量的O、P、S、Na等元素，沒有分析出N、B等元素.

加工后試樣表面B、N、Fe、C、O等5種元素的含量較高，含有微量的 Cr、Na、Mg、Al、Ca、Si、P、S等8種元素，分析出化學(xué)物理膜層中含有B、N元素，且含量比較高，因此，可推斷出經(jīng)強(qiáng)化研磨加工后的軸承套圈表層存在含B、N元素的化學(xué)物理膜層.

3 結(jié)論

強(qiáng)化研磨加工對(duì)軸承整體性能，如強(qiáng)度、耐磨、抗腐蝕性能等有較大的提升.對(duì)比分析加工前后套圈表面化學(xué)元素變化，結(jié)合機(jī)械化學(xué)理論，可得出以下結(jié)論:

(1)根據(jù)摩擦化學(xué)理論，與加工前后軸承圈套檢測(cè)的B、N元素對(duì)比，推斷出經(jīng)強(qiáng)化研磨加工后，套圈表面含B、N化學(xué)物理膜層;

(2)加工前后套圈表面Fe、Cr元素百分含量分別減少85.7%和80.4%.能譜分析儀可探測(cè)金屬表面深度3 nm內(nèi)的元素種類和含量［7］，推測(cè)經(jīng)強(qiáng)化研磨加工后，套圈表面生成了一層物理化學(xué)膜層覆蓋在表面，從而使Fe、Cr 2種元素百分含量大幅下降;

(3)加工后的套圈表面O元素劇烈增加，含量是加工前的7.59倍，說明O元素在研磨料與套圈表面激烈碰撞過程中與B、N、Fe等元素發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成了氧化膜層(如B2O3)和含氮有機(jī)物、硼酸酯鐵等富含O物質(zhì).

(4)含氮硼酸酯易在與金屬表面摩擦高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)膜［8］.水基含氮硼酸酯在金屬摩擦表面生成強(qiáng)附作用的硼酸酯鐵、有機(jī)氮化合物等復(fù)合化學(xué)物理膜層.

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