強(qiáng)化研磨加工滲氮性能實(shí)驗(yàn)及其分析*

劉曉初，陳宥丞，周佳華，覃哲，趙傳，張建文

(廣州大學(xué) a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院；b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006)

1001-2265(2017)10-0153-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.037

2016-12-29；

2017-02-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1601204)；國(guó)家基金面上項(xiàng)目(50875052)

劉曉初(1964—)男， 湖南耒陽(yáng)人，廣州大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)橹悄苎b備及機(jī)器人、綠色設(shè)計(jì)與制造研究，(E-mail)gdliuxiaochu@163.com。

強(qiáng)化研磨加工滲氮性能實(shí)驗(yàn)及其分析*

劉曉初a,b，陳宥丞a,b，周佳華a,b，覃哲a,b，趙傳a,b，張建文a,b

(廣州大學(xué) a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院；b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006)

一般的滲氮工藝存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本較高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。該研究在軸承的強(qiáng)化研磨加工過(guò)程中，通以不同時(shí)間的氮?dú)?，利用X射線(xiàn)能譜聯(lián)用儀對(duì)各組試樣的化學(xué)元素進(jìn)行定性和定量分析，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和譜圖，并將通入氮?dú)饧庸で昂筝S承套圈表面的元素成分和重量百分含量進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明添加滲氮功能的強(qiáng)化研磨加工提高了軸承套圈表面形的氮元素含量，更容易在軸承套圈表面形成含硼-氮化學(xué)物理膜層，以此作為強(qiáng)化研磨機(jī)的性能分析依據(jù)。

軸承；強(qiáng)化研磨；滲氮；表面氮含量

0 引言

強(qiáng)化研磨是利用“強(qiáng)化塑性加工”和“研磨微切削”于一體的新的表面加工方法，通過(guò)機(jī)械化學(xué)表面滲氮，可提高軸承的疲勞壽命[1]。研究表明，在軸承強(qiáng)化和研磨的過(guò)程中，同時(shí)使用滲氮工藝，可以改善工件的表面質(zhì)量。

鋼鐵滲氮工藝已經(jīng)成為一種重要的化學(xué)處理工藝，其可提高工件的耐磨性能和表面硬度。李兆光等針對(duì)空間飛輪軸承的工作特性，采用等離子體浸沒(méi)離子注入(PIII)技術(shù)，對(duì)軸承內(nèi)外滾道進(jìn)行氮離子注入改性處理，改進(jìn)了軸承的精度變化量以及表面粗糙度[2]。劉洪喜采用氮等離子體浸沒(méi)離子注入(N-PIII)技術(shù)提高試樣的滾動(dòng)接觸疲勞壽命和磨痕光學(xué)形貌、摩擦磨損行為及納米壓痕硬度等機(jī)械性能[3]。S.Collins在鹽浴實(shí)驗(yàn)中觀察到，滲氮層的過(guò)飽和固溶硬化和析出Cr2N的彌散沉淀硬化都會(huì)使?jié)B層的硬度性能提高，但是525℃滲氮時(shí)由于Cr2N的彌散析出使耐蝕性下降，基于此現(xiàn)象，他經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出滲氮出現(xiàn)沉淀析出相的門(mén)檻值T-t曲線(xiàn)，對(duì)現(xiàn)實(shí)有很大的指導(dǎo)意義[4]。文獻(xiàn)[5]研究了低溫環(huán)境下滲氮處理對(duì)奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能的影響。L.Han等運(yùn)用活性屏離子滲氮快速滲氮工藝使?jié)B氮速度得以提高，而且保持了滲氮層的硬度高，同時(shí)建立了“吸收-擴(kuò)散”模型來(lái)解釋其原因[6]。王梟等對(duì)304不銹鋼表面進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，再進(jìn)行不同溫度下的低溫等離子滲氮，研究得到材料的滲氮組織性能、低溫滲氮效果達(dá)到最好的表面機(jī)械研磨處理時(shí)間[7]。吳云霞使用表面噴丸和機(jī)械研磨(SMAT)兩種方式對(duì)304奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面預(yù)處理，將表面預(yù)處理效果最好的兩組試樣進(jìn)行低溫離子滲氮和常規(guī)離子滲氮試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了表面預(yù)處理對(duì)304奧氏體不銹鋼等離子滲氮滲層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響[8]。羅偉等采用430℃低溫鹽浴對(duì)304奧氏體不銹鋼進(jìn)行滲氮處理，研究了滲氮時(shí)間對(duì)滲氮層組織和性能的影響，并得出耐蝕性能是最好的滲氮時(shí)間[9]。彭繼華等發(fā)明了一種鋼鐵工件表面低溫高效快速離子滲氮的表面處理方法，使?jié)B氮層生長(zhǎng)速率達(dá)到30～50μm/h[10]。以上滲氮工藝存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)(一般要數(shù)十到數(shù)百小時(shí))、成本較高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)[11]。

為解決以上缺點(diǎn)，本研究針對(duì)軸承的強(qiáng)化研磨加工過(guò)程，加入了滲氮工藝，對(duì)滲氮裝置進(jìn)行性能測(cè)試分析。通過(guò)對(duì)軸承工件進(jìn)行帶滲氮的強(qiáng)化研磨加工，觀察加工后的軸承套圈表面氮元素含量，探究新增加的氮?dú)庋b置的滲氮效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)對(duì)象

本試驗(yàn)使用的加工設(shè)備為廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院自主研發(fā)的軸承套圈無(wú)芯強(qiáng)化研磨機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)包括：電磁無(wú)芯夾具系統(tǒng)、強(qiáng)化研磨料高壓噴射與回收裝置、自動(dòng)控制系統(tǒng)。

試驗(yàn)加工對(duì)象為經(jīng)過(guò)熱處理和精加工后的6207深溝球軸承外圈，外徑為72.00mm，寬度為10.00mm，材料為GCr15軸承鋼，表面硬度達(dá)到60～62HRC。

1.2 試驗(yàn)強(qiáng)化研磨料的配制

研磨料的主要成分包括研磨液、研磨粉和鋼珠。

1.2.1 強(qiáng)化研磨液配制

經(jīng)過(guò)前期的強(qiáng)化研磨研究成果，得到研磨液的基本原料配方如表1所示，按比例把研磨液原料投入調(diào)和罐中，攪拌均勻，裝瓶貯存。在使用時(shí)，用適量的水將濃縮液稀釋到實(shí)驗(yàn)所需的工作液。

表1 強(qiáng)化研磨液組成成分

1.2.2 軸承強(qiáng)化研磨實(shí)驗(yàn)研磨粉選用

軸承強(qiáng)化研磨加工實(shí)驗(yàn)用的研磨粉主要成分是棕剛玉，其質(zhì)地致密，硬度較高、承載壓力大，在磨削中抗破碎能力較強(qiáng)，價(jià)格適中，因此被廣泛應(yīng)用于研磨、拋光、噴丸、噴砂等金屬表面處理工序上。

在本次試驗(yàn)中，強(qiáng)化研磨粉所用的棕剛玉規(guī)格主要為80#，100#，120#，質(zhì)量分別為200g，200g，300g。

1.2.3 強(qiáng)化研磨鋼丸

(1)鑄鋼丸

鑄鋼丸是由優(yōu)質(zhì)的鋼碎料經(jīng)熔化后，用高壓水流噴射使在熔融狀態(tài)下的鋼水形成球狀丸體，再次對(duì)其進(jìn)行加熱以?xún)艋瘎蛸|(zhì)，然后進(jìn)行淬火處理。淬火后的鋼丸在熔爐內(nèi)烘干并再次加熱回火使其達(dá)到一定的硬度，然后經(jīng)過(guò)回火處理。強(qiáng)化研磨實(shí)驗(yàn)中所用的鑄鋼丸規(guī)格主要為0.3mm，0.5mm，0.8mm鑄鋼丸。

(2)軸承鋼丸

軸承鋼丸表面硬度達(dá)到62～65HRC，材料具有良好的耐磨性。在本次性能分析實(shí)驗(yàn)中，所用到的軸承鋼丸的規(guī)格主要有2mm，3mm，4mm，其中4mm的軸承鋼丸可根據(jù)情況選用。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

加工參數(shù)及各自對(duì)應(yīng)的數(shù)值如表2所示。

表2 加工參數(shù)設(shè)置

1.3.2 試驗(yàn)步驟

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法，先對(duì)一個(gè)軸承工件進(jìn)行不加入氮?dú)獾膹?qiáng)化研磨加工，其他軸承通入氮?dú)?，每組通氮時(shí)間均不同，加工后檢測(cè)軸承工件表面的元素含量變化，對(duì)比加工前后的氮含量。表3為每組軸承強(qiáng)化研磨加工過(guò)程中，通入氮?dú)獾臅r(shí)間。

表3 每組軸承通入氮?dú)獾臅r(shí)間

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

進(jìn)行滲氮強(qiáng)化研磨加工時(shí)，總體加工時(shí)間均為5min，而氮?dú)馔ㄈ霑r(shí)間不同。經(jīng)過(guò)滲氮強(qiáng)化研磨加工后，軸承工件外觀與沒(méi)有通入氮?dú)饧庸r(shí)差別不大。在加工實(shí)驗(yàn)完成后，用INCA能譜儀(X射線(xiàn)能譜聯(lián)用儀)對(duì)五個(gè)工件中的元素含量分別進(jìn)行定性分析和定量分析。

2.1 定性分析：能譜分析

通過(guò)能譜分析儀得出各工件試樣隨機(jī)區(qū)域的能譜分析(譜圖)如圖1～圖6所示。

圖1 試樣0譜圖

圖2 試樣1譜圖

圖3 試樣2譜圖

圖4 試樣3譜圖

圖5 試樣4譜圖

圖6 試樣5譜圖

通過(guò)對(duì)能譜圖的分析，鐵元素的波峰較大，這兩種元素在軸承表面中仍然占大多數(shù)，硼元素的波峰也在能譜圖中觀察到較明顯的波峰，說(shuō)明研磨液在強(qiáng)化研磨的過(guò)程中在軸承表面起物理化學(xué)反應(yīng)。而反觀氮元素，在五個(gè)能譜圖上的波峰都較小，但對(duì)比其滲氮前的強(qiáng)化研磨加工的軸承，氮含量的波峰還是有所提高，說(shuō)明在通入氮?dú)夂?，軸承試樣表面的氮含量對(duì)比在沒(méi)有通入氮?dú)獾那闆r下有所提高。

2.2 定量分析：各元素含量分析

能譜儀分析加工前后各試樣不同分析區(qū)域的元素含量，結(jié)果記錄見(jiàn)表4～表9。

表4 試樣0元素含量

表5 試樣1元素含量

表6 試樣2元素含量

表7 試樣3元素含量

表8 試樣4元素含量

表9 試樣5元素含量

經(jīng)過(guò)X射線(xiàn)能譜儀的分析，強(qiáng)化研磨加工后的軸承工件含量較高的元素主要為硼、氮、鉻、鐵等，其中：硼，氮元素相對(duì)于經(jīng)過(guò)普通的強(qiáng)化研磨加工的軸承工件含量較高。在強(qiáng)化研磨加工前，軸承套圈表面不含硼、氮兩種元素，而在加工后，硼、氮元素存在于軸承套圈的表面，含量為19.78%，0.86%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)強(qiáng)化研磨加工后，軸承套圈表面形成含硼、氮的化學(xué)物理膜層。當(dāng)在強(qiáng)化研磨加工的過(guò)程中通入氮?dú)?，形成滲氮強(qiáng)化研磨加工后，軸承工件表面的氮元素含量有明顯的增加，硼元素含量也隨之而增加，說(shuō)明滲氮強(qiáng)化研磨生成的硼氮化學(xué)物理層覆蓋在軸承表面，并且相對(duì)于沒(méi)有通入氮?dú)獾膹?qiáng)化研磨加工，其表面化學(xué)物理覆膜的氮含量更高，因此，氮?dú)鈾C(jī)有利于提高強(qiáng)化研磨加工的效率。

氮?dú)馔ㄈ霑r(shí)間對(duì)軸承氮含量的影響如圖7所示(只分析元素重量百分含量)。在不同通氮時(shí)間下，軸承工件含氮量分別是1.05%，1.26%，1.50%，1.73%，2.05%。與通入氮?dú)庵暗妮S承工件對(duì)比，含氮量對(duì)比如圖8所示，其中軸承工件的硼元素如圖9所示。

圖7 軸承工件含氮量與氮?dú)馔ㄈ霑r(shí)間關(guān)系圖

圖8 滲氮強(qiáng)化研磨加工氮含量前后對(duì)比圖

圖9 硼元素含量變化

總體含氮量比沒(méi)有通入氮?dú)獾囊?，而硼元素的含量變化不大。隨著時(shí)間的推移，軸承工件表面的氮含量變化逐漸趨向平緩的趨勢(shì)，并會(huì)接近一個(gè)定值，由此可以得出，滲氮的效率在前五分鐘內(nèi)變化比較明顯，而在氮?dú)馔ㄈ胛錷in之后，氮含量的曲線(xiàn)斜率平緩，說(shuō)明此時(shí)氮?dú)饬鞯臐B氮作用不明顯，當(dāng)軸承工件的含氮量在2.05%左右時(shí)，即使繼續(xù)通入氮?dú)猓S承工件表面含氮量的變化較小。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在研磨機(jī)對(duì)軸承套圈進(jìn)行加工的過(guò)程中，供以一定時(shí)間的氮?dú)饪梢允馆S承工件表面的氮元素含量明顯升高，而且由于氮?dú)獾母艚^作用，減少在強(qiáng)化研磨加工中產(chǎn)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)滲入氧氣，軸承中的氧含量有減少的趨勢(shì)。

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ExperimentandAnalysisofEnhancedAbrasiveNitridingPerformance

LIU Xiao-chua,b, CHEN You-chenga,b, ZHOU Jia-huaa,b, QIN Zhea,b, ZHAO Chuana,b， ZHANG Jian-wena,b

(a.Department of Mechannical and Electrical Engineering；b.Key Laboratory of high-peformance Metal Materials Reinforced Grinding Machining, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

General nitriding process has many disadvantages, such as long production cycle, high cost and complex structure. In this study, the process of bearing grinding was carried out in different time. Using X-ray spectrum to scan each sample for the qualitative and quantitative analysis of chemical elements. Recording the experiment data and the spectrum diagram and then comparing the elemental composition of the sample′s surface from processing before and after ventilation with nitrogen. The results show that the strengthening and polishing function improved adding nitriding nitrogen content of the surface shape of bearing rings, more easy to form B-N chemical physical film on the bearing surface, so as to strengthen the performance of grinding machine on the basis of the analysis.

bearing; reinforced grinding; nitriding; surface nitrogen content

TH142;TG58

A

(編輯李秀敏)