GCr15在不同電解液中的加工特性研究

黃 榕，張永俊，劉桂賢，張傳運(yùn)，杜軒宇

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

GCr15在不同電解液中的加工特性研究

黃 榕，張永俊，劉桂賢，張傳運(yùn)，杜軒宇

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

通過測(cè)定GCr15軸承鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%的NaNO3、NaClO3和Na2SO4中的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜（EIS），分析了GCr15鋼在低電流密度下的電化學(xué)特性。通過測(cè)定GCr15鋼在大電流密度下的去除量和電流效率，對(duì)其一般電解加工特性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：陽極極化過程中，三種電解液介質(zhì)條件下都存在穩(wěn)定的鈍化區(qū)，EIS主要表現(xiàn)為容抗弧的變化；NaNO3與NaClO3電解液都具有非線性加工特性，能有效提高電解加工的定域性，并減小低電流密度下的雜散電流腐蝕；Na2SO4電解液屬于線性電解液，加工效率低。

GCr15軸承鋼；加工特性；去除量

滾珠絲杠副因具有高效率、高精度、高剛度、低成本等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天、航空、核工業(yè)等領(lǐng)域，大導(dǎo)程滾珠螺母作為滾珠絲杠副的關(guān)鍵零部件，一般采用GCr15軸承鋼材料制造。范東風(fēng)等在大導(dǎo)程滾珠絲杠副的磨削加工上進(jìn)行了大量的研究，通過改變砂輪安裝角和磨削砂輪的截形對(duì)螺母進(jìn)行加工，使螺母加工精度提高，但其可加工長(zhǎng)度受螺旋升角的限制[1]。許舜等對(duì)高速硬體旋風(fēng)銑削方法加工滾珠螺母滾道進(jìn)行了深入的研究，可加工螺母長(zhǎng)度達(dá)200 mm，但機(jī)械加工使刀具損耗較嚴(yán)重，需經(jīng)常更換[2]。劉桂賢等提出了電解加工大導(dǎo)程滾珠螺母滾道的新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)任意導(dǎo)程滾珠螺母滾道的加工[3]。

本文測(cè)試了GCr15軸承鋼在不同電解液下的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜等特性，并分析了GCr15軸承鋼在不同電解液、不同電流密度下的去除量。通過對(duì)GCr15軸承鋼電化學(xué)特性的研究，為數(shù)控展成電解加工滾珠螺母滾道工藝的實(shí)施奠定了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 18254-2002[4]，GCr15軸承鋼的化學(xué)成分為：C，0.95～1.05；Mn，0.20～0.40；Si，0.15～0.35；Gr，1.30～1.65；S≤0.02；P≤0.027；Mo≤0.10；Ni≤0.10；Cu≤0.25；Ni+Cu≤0.50。

電化學(xué)綜合測(cè)試平臺(tái)見圖1，采用Zennium E型電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試時(shí)，均采用三電極體系，Pt片電極為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，工作電極GCr15軸承鋼分別用400、1000、1500、2000#砂紙以90°方向交叉打磨拋光，并用無水乙醇脫脂處理，環(huán)氧樹脂涂封非工作表面，置于干燥器內(nèi)24 h后備用。

極化曲線測(cè)試前，將試件作為陰極在-1.0 V電位下極化2 min，以去除試件表面在空氣中形成的氧化膜，測(cè)量電位為-1.0～2.5 V（vs OCP），掃描速度為1 mV/s。在鈍化區(qū)取二點(diǎn)進(jìn)行EIS測(cè)試，測(cè)試前，將工作電極在電解液中靜置20 min，再將其在測(cè)試點(diǎn)電位（vs SCE）下活化30 min，活化完畢后，待工作電極電位穩(wěn)定后再進(jìn)行EIS測(cè)試。測(cè)試頻率為100 kHz～10 MHz，擾動(dòng)交流信號(hào)電壓為5 mV，溫度為25℃，溶液靜止，采用ZsimpWin軟件擬合等效電路。

GCr15材料電解加工去除量測(cè)量裝置見圖2。實(shí)驗(yàn)采用直流電源，在恒流模式下進(jìn)行。試件為直徑5 mm、長(zhǎng)2 mm的圓柱體，分別用400、1000、1500、2000#砂紙以90°方向交叉打磨拋光，并用無水乙醇脫脂處理，吹干備用。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，加工后的試件用超聲波清洗機(jī)清洗1 min，再放入干燥箱3 min，最后用FAB01型超精密電子天平（精度0.01 mg）稱重。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 GCr15在不同溶液中的極化曲線和EIS特征

圖3～圖5分別是GCr15材料在不同電解液中的極化曲線和Nyquist圖，它們的EIS主要表現(xiàn)為容抗弧的變化，故可用圖6所示的電化學(xué)等效電路來模擬。其中，Rs表征溶液電阻；Qc表征表面氧化膜常相位角元件；Rc表征表面氧化膜電阻；Qd表征雙電層常相位角元件；Rd表征雙電層電阻。

如圖3所示，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaNO3電解液中，GCr15在1.0 V電位下的鈍化膜阻值Rc為10 460 Ω·cm2，在1.4 V電位下的鈍化膜阻值Rc為3292 Ω·cm2，即1.0 V電位下形成的鈍化膜阻值較大。這是由于在1.0 V電位下形成了穩(wěn)定的鈍化膜，而在1.4 V高電位下，鈍化膜薄弱的地方被生成的氧氣沖擊，擊穿成了多孔結(jié)構(gòu)。

對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaClO3電解液，GCr15在1.0 V電位下的鈍化膜阻值Rc為304 Ω·cm2，在1.4 V電位下的鈍化膜阻值Rc為454.8 Ω·cm2，即1.0 V電位下形成的鈍化膜阻值較小。這是因?yàn)橹鸩叫纬闪朔€(wěn)定的鈍化膜。

對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的Na2SO4電解液，GCr15在1.0 V電位下的鈍化膜阻值Rc為1091 Ω·cm2，在1.4 V電位下的鈍化膜阻值Rc為376.9 Ω·cm2，即1.0 V電位下形成的鈍化膜阻值較大。說明該過程形成的鈍化膜被擊穿成了多孔結(jié)構(gòu)。

2.2 GCr15在不同溶液中的去除量和電流效率

對(duì)極化曲線特性與電化學(xué)阻抗譜特性進(jìn)行測(cè)量能有效地解釋GCr15材料在低電流密度下的電化學(xué)反應(yīng)過程。但在通常情況下，電解加工的電流在10～100 A/cm2，所以需對(duì)GCr15材料在大電流條件下的電化學(xué)特性進(jìn)行研究。

GCr15材料在不同電解液下的去除量與電流密度的關(guān)系見圖7，電流效率與電流密度的關(guān)系見圖8。可看出，在15%的NaNO3電解液中，當(dāng)電流密度處于5～10 A/cm2區(qū)間時(shí)，電流效率隨著電流密度的增大而緩慢增加，電流密度為10 A/cm2時(shí)的電解加工效率低于10%。該現(xiàn)象可與極化曲線的鈍化階段聯(lián)系起來，GCr15材料在15%的NaNO3電解液中，當(dāng)電流密度在小于10 A/cm2區(qū)間內(nèi)為鈍化區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)的電解加工去除量極少。當(dāng)電流密度達(dá)到15 A/cm2時(shí)，電流效率呈非線性遞增趨勢(shì)。在25～40 A/cm2區(qū)間內(nèi)，電流效率隨著電流密度的增大呈緩慢增加趨勢(shì)。

對(duì)于15%的NaClO3電解液，當(dāng)電流密度處于5～15 A/cm2區(qū)間時(shí)，電解加工去除量接近于零；當(dāng)電流密度為20～40 A/cm2時(shí)，電流效率呈非線性遞增趨勢(shì)。

對(duì)于15%的Na2SO4電解液，電解加工去除量一直很?。ǎ?.005 g），電流效率一直保持在4%左右，這是由于電流大部分用于產(chǎn)生氧氣而消耗所致。

3 結(jié)論

（1）GCr15軸承鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaNO3、 NaClO3和Na2SO4溶液中，陽極極化過程中的EIS主要特征類似，即Nyquist圖主要呈現(xiàn)容抗弧變化。

（2）GCr15軸承鋼在15%NaNO3和15%Na2SO4電解液中，電位1.4 V下的鈍化膜阻值小于1.0 V下的鈍化膜阻值，這是由于在高電位下已形成的鈍化膜薄弱部分被生成的氧氣沖擊，被擊穿成了多孔結(jié)構(gòu)；而在15%NaClO3電解液中，逐步形成了穩(wěn)定的鈍化膜。

（3）由于鈍化膜的形成與電化學(xué)過程中的副反應(yīng)（氧氣產(chǎn)生）會(huì)影響電解加工的電流效率。對(duì)于GCr15材料而言，NaNO3與NaClO3電解液都具有非線性加工特性，該特性能有效地提高電解加工的定域性，并減小低電流密度下的雜散電流腐蝕，而Na2SO4電解液屬于線性電解液，加工效率低。

[1] 范東風(fēng)，胡德金，徐建國，等.大導(dǎo)程滾珠絲杠副螺母加工中砂輪截形理論分析 [J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（5）：816-820.

[2] 許舜，吳元徽.高速硬體旋風(fēng)銑削在滾珠螺母滾道加工中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2005（11）：59-60.

[3] 劉桂賢，張永俊，羅紅平，等.大導(dǎo)程滾珠螺母滾道電解加工機(jī)床[J].電加工與模具，2016（1）：59-61.

[4] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).高碳鉻軸承鋼：GB/T 18254—2002[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

Study on Processing Property of GCr15 in Different Electrolyte

HUANG Rong，ZHANG Yongjun，LIU Guixian，ZHANG Chuanyun，DU Xuanyu
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS)of GCr15 bearing steel in NaNO3，NaClO3and Na2SO4with mass fraction of 15%were measured，and the electrochemical properties in low current density were analyzed.The removal quantity and current efficiency of GCr15 in high current density were measured，and the general electrochemical properties were analyzed.The research results show that under the condition of three kinds of electrolyte above，the process of positive pole polarization has stable passivation zone and the EIS mainly shown as the variation of capacitive loop.The test of NaNO3and NaClO3show the property of nonlinear processing，it is able to improve the ECM localization and reduce the dispersive corrosion under the low current density status.The condition of Na2SO4was linear processing which was inefficiency.

GCr15 bearing steel；processing property；removal quantity

TG662

A

1009－279X（2017）01－0035-04

2016-09-28

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A010102017）

黃榕，男，1994年生，碩士研究生。