高鐵軸承磷化工藝影響因素分析

段欣生，邱明

(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

磷化處理是鋼鐵零件在磷化液中形成磷化膜的過程，磷化膜主要起防護與裝飾作用，兼有吸附、儲油、耐磨功能[1-3]，在機械、汽車、航空等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。

磷化處理可提高鐵路軸承的潤滑、磨損性能和腐蝕性能，減小摩擦因數(shù)。由于傳統(tǒng)工藝(高溫錳系)磷化溫度高，磷化膜表面粗糙度Ra值整體較大，無法滿足高鐵軸承的應(yīng)用需求，而目前國內(nèi)又沒有成熟的高鐵磷化工藝體系供參考。在此，基于對磷化有直接影響的工藝過程進行試驗分析，以確定適合高鐵軸承磷化處理的工藝方案。

1 磷化原理

磷化是金屬與稀磷酸或酸性磷酸鹽溶液反應(yīng)，在金屬表面形成磷酸鹽保護膜的過程。一般認(rèn)為由以下4個步驟組成[4]：

1)酸浸蝕金屬基體表面；

2)促進劑(氧化劑)加速降低界面的氫離子濃度；

3)磷酸根多級水解；

4)磷酸鹽沉淀結(jié)晶為磷化膜。

研究認(rèn)為，鋅鈣系磷化液的磷化生成物在靠近金屬基體表面是Zn2Ca(PO4)2·7H2O和Zn2Fe(PO4)2·4H2O，外層是Zn3(PO4)2·4H2O[5]。

2 磷化工藝過程分析

2.1 高鐵軸承磷化膜性能要求

1)滾道表面粗糙度Ra值不大于0.5 μm；

2)磷化膜厚度1～5 μm；

3)耐蝕性要求硫酸銅點滴不小于3 min；

4)磷化膜外觀均勻一致。

2.2 工藝影響因素

2.2.1 典型磷化處理工藝

清洗防銹劑→脫脂→冷水洗→熱水洗→磷化→冷水洗→熱水洗→浸油。

由上述工藝可以看出，影響磷化性能的直接因素有：脫脂劑類型和使用工藝；水洗溫度和時間；磷化液類型和控制參數(shù)。間接影響因素有套圈磷化前的加工狀態(tài)和套圈儲運的保護措施。

針對上述幾個影響因素進行試驗分析，通過對磷化膜性能的評判，得出合適的磷化處理工藝，對間接影響因素也進行討論。

2.2.2 磷化液的選擇

傳統(tǒng)磷化使用高溫錳系磷化液,弊端有：1)磷化溫度高，能耗大，不環(huán)保;2)錳系磷化膜結(jié)晶形狀為多邊立方體結(jié)構(gòu)，磷化膜表面粗糙度Ra值普遍較大，軸承在裝機使用過程中有溫升高等潛在不利因素。

經(jīng)過對國內(nèi)鐵路軸承磷化工藝的考察和對進口高鐵軸承磷化性能的分析，認(rèn)為可選擇L-2中溫鋅系磷化液作為高鐵軸承磷化液，其具有磷化溫度低，節(jié)能環(huán)保，磷化膜細(xì)膩，耐蝕性好，與基體結(jié)合力好的特點。

3 試驗

3.1 材料

采用T-1堿性脫脂劑和T-2皂類脫脂劑；磷化試樣為G20CrNi2MoA制滲碳高鐵軸承(352226)套圈，未磷化前滾道表面粗糙度Ra值為0.05 μm；L-2中溫鋅系磷化液；檢驗磷化膜耐蝕性的硫酸銅點滴液的配比為CuSO4·5H2O：41 g/L，NaCl：35 g/L，0.1 mol/LHCl：13 mL/L，余量為蒸餾水。

3.2 磷化膜厚度的測量

磷化膜厚度有2種測量方法：

1)利用涂層測厚儀測量。當(dāng)測頭與零件表面垂直接觸時，測頭與磁性金屬基體構(gòu)成閉合磁路，通過磁阻變化，測量非磁性覆蓋層的厚度，屬于間接法測量膜厚。由于設(shè)備攜帶操作方便，比較常用。

2)利用儀表測出磷化前、后零件的尺寸差值，得出膜厚，誤差較大[6]。

在此選用第1種方法。

3.3 游離酸度和總酸度的測定

酸堿滴定法。取試樣10 mL，放入250 mL的錐形瓶中，加50 mL蒸餾水，加甲基橙或酚酞指示劑，用0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，測游離酸度或總酸度，所消耗的毫升數(shù)用點數(shù)表示。酸比是總酸度與游離酸度的比值。

4 結(jié)果與討論

4.1 脫脂劑對磷化膜的影響

4.1.1 T-1堿性脫脂劑

脫脂劑質(zhì)量百分比、溫度對磷化膜性能的影響見表1。用T-1堿性脫脂劑，磷化膜存在的主要問題是表面粗糙度Ra值和磷化膜厚度大，耐蝕性不好，磷化膜有花斑。主要原因為：T-1堿性脫脂劑的主要成分為氫氧化鈉和碳酸鈉，軸承脫脂、水洗、磷化時殘留的堿液與游離酸反應(yīng)，使磷化液的酸比不穩(wěn)定，造成磷化結(jié)晶顆粒大小不均勻，從而使磷化膜厚度和表面粗糙度Ra值增大，出現(xiàn)花斑。

表1 T-1堿性脫脂劑對磷化膜性能的影響

4.1.2 T-2皂類脫脂劑

T-2皂類脫脂劑屬于弱堿性脫脂劑，使用前需要對零件進行擦洗，試驗結(jié)果見表2。結(jié)果表明:采用皂類脫脂劑，磷化膜的表面粗糙度Ra和耐蝕性均比用T-1堿性脫脂劑要好，其中1#，3#和5#磷化效果較好。2#，4#和6#試樣外觀局部出現(xiàn)花斑，主要是由于脫脂劑的使用溫度較高，水分蒸發(fā)，脫脂劑黏附在零件表面，影響磷化結(jié)晶過程所致，但整體均勻性優(yōu)于T-1皂類脫脂劑。4#和6#試樣由于脫脂劑使用溫度高或質(zhì)量百分比大，殘留的脫脂劑也會影響磷化液的酸比，使表面粗糙度Ra值略有增大。

表2 T-2皂類脫脂劑對磷化膜性能的影響

4.1.3 2種脫脂劑優(yōu)缺點比較

由以上試驗結(jié)果可知：T-1堿性脫脂劑的優(yōu)點是去油效果好，缺點是磷化膜表面粗糙度Ra值大；T-2皂類脫脂劑的優(yōu)點是節(jié)能環(huán)保，對環(huán)境和人體傷害小，磷化膜性能好，缺點是去油效果稍差，使用前零件需手工擦洗。

比較而言，T-2皂類脫脂劑更適合高鐵軸承磷化的需要。故可確定脫脂劑的使用條件：質(zhì)量百分比為1%～2%；溫度為40～50 ℃；時間為3～5 min；pH值為8～9。

4.2 熱水洗工藝的影響

熱水溫度和清洗時間對磷化膜性能的影響見表3。結(jié)果表明：熱水清洗零件時，水溫較低時外觀均勻，水溫較高時外觀有花斑(圖1)，而清洗時間對磷化膜性能的影響不明顯。其中熱水溫度對磷化膜的外觀影響較大，主要原因是水溫較高時水分揮發(fā)快，污物容易干結(jié)在零件上，影響磷化膜的結(jié)晶過程；而降低水溫污物容易清洗去除，形成的磷化膜比較均勻。因此熱水清洗溫度為50～60 ℃，清洗時間為30～60 s較為適宜。

表3 熱水溫度和清洗時間對磷化膜性能的影響

圖1 磷化花斑

4.3 磷化液控制指標(biāo)的影響

L-2中溫鋅系磷化液能滿足高鐵軸承的磷化要求(表4)，磷化液控制指標(biāo)：總酸度為95～100；游離酸度為9～10；酸比為9～11；溫度為70～75 ℃；時間為5～8 min。

表4 L-2磷化液試驗

4.4 磷化工藝的確定及驗證

通過對過程影響因素的分析，得到了合適的高鐵軸承磷化處理工藝：手工擦洗→冷水洗(30 s)→脫脂(質(zhì)量百分比：1%～2%；溫度：40～50 ℃；時間：3～5 min；pH值：8～9)→冷水洗(30 s)→熱水洗(溫度：50～60 ℃；時間：30～60 s)→磷化(總酸度：95～100；游離酸度：9～10；酸比：9～11；溫度：70～75 ℃；時間：5～8 min)→冷水洗(30～60 s)→熱水洗(溫度：80～90 ℃；時間30～60 s)→浸油。

用此工藝對成品軸承內(nèi)、外圈進行磷化處理，磷化性能檢測結(jié)果見表5，實物照片如圖2所示。

表5 磷化性能檢測結(jié)果

圖2 磷化后軸承套圈

4.5 軸承加工過程及工藝對磷化膜的影響

選用5種不同加工工藝條件下的產(chǎn)品進行磷化，磷化效果見表6。其中超精后防銹油防銹軸承的磷化效果最好，而防銹水防銹軸承磷化后外觀和表面粗糙度Ra值不均勻；軸承超精后的磷化效果比磨加工后的好；軸承磷化后重新超精再磷化的磷化膜性能指標(biāo)會變差。由此可知，磷化膜性能優(yōu)劣與磷化前零件的表面狀態(tài)有關(guān)。超精后防銹油防銹的軸承表面粗糙度Ra值小，沒有生成表面硬化層，磷化效果好。防銹水防銹的軸承由于防銹水中含有氧化劑，使零件表面發(fā)生不均勻的氧化，導(dǎo)致磷化后膜層不均勻。磨加工和磷化后重新超精的軸承，由于零件表面的原始精度低導(dǎo)致磷化后零件的表面粗糙度Ra值和膜厚較大。

表6 加工工藝對磷化膜性能的影響

5 結(jié)束語

軸承加工質(zhì)量是磷化的基礎(chǔ)，加工過程中出現(xiàn)的磕碰傷、擦傷和表面的潔凈度都會影響到軸承的磷化。軸承磷化前后都要對零件進行保護，以避免外觀損傷狀況發(fā)生。

磷化是一個有諸多影響因素的表面處理過程，在進行工藝確定時，首先要確定磷化液的種類；再結(jié)合實際選用工藝簡單，效果較好，影響因素易控的工藝路線。軸承的加工、存貯和中轉(zhuǎn)工序?qū)α谆幚硪矔a(chǎn)生重要影響，要給予充分的考慮。

確定了新的磷化工藝，試驗結(jié)果表明，采用新磷化工藝磷化的產(chǎn)品其磷化膜性能達(dá)到高鐵軸承的工藝要求，效果穩(wěn)定。