強化研磨對GCr15軸承鋼耐蝕性的影響

吳俊,梁忠偉,劉曉初,吳子軒,,范立維

(1.廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院,廣州 510006;2.廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室,廣州 510006;3.廣東省強化研磨高性能微納加工工程技術(shù)研究中心,廣州 510006)

軸承是高端裝備的核心部件,在腐蝕環(huán)境下容易被氯離子侵蝕而失效, 沿海地區(qū)的氯離子濃度較內(nèi)地偏高,此時汽車、電力、交通等領(lǐng)域的軸承耐蝕能力直接影響機械裝備的性能[1-3]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者研究了不同表面技術(shù)對金屬材料耐蝕性的影響,如噴丸、超聲滾壓、離子注入、涂層技術(shù)、強化研磨[4-8]等。文獻[9]發(fā)現(xiàn)隨著噴丸強度的增加,傳統(tǒng)的噴丸強化對雙相不銹鋼耐蝕性有負面影響,但多次噴丸可以提升其耐蝕性;文獻[10]采用波長為1 064 nm的ND:YAG激光器對316L不銹鋼進行激光焊接和機械處理,發(fā)現(xiàn)激光沖擊可以提高焊接件的耐蝕性,產(chǎn)生晶粒細化和較大的壓縮殘余應(yīng)力,提高顯微硬度;文獻[11]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲滾壓強化處理后,AZ31B鎂合金表面腐蝕產(chǎn)物致密性高且分布較均勻,去除腐蝕產(chǎn)物后蝕坑顯現(xiàn)出細小聚集態(tài),降低了試樣晶粒尺寸,使得表面鈍化膜呈現(xiàn)更加致密均勻狀態(tài),鈍化膜阻滯了試樣電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,延緩了鎂合金腐蝕;文獻[12]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲滾壓處理的AZ31B鎂合金晶粒細化層可以分為超細晶層、細晶層、粗大晶層,超細晶層的晶粒尺寸達到338.8 nm,極大程度上起到了晶粒細化的作用,延緩了鎂合金腐蝕;文獻[13]研究發(fā)現(xiàn)強化研磨可以使GCr15軸承鋼達到晶粒細化,位錯密度增大的效果。上述文獻均為研究不同表面技術(shù)處理后的材料在常規(guī)腐蝕環(huán)境下的耐蝕性,然而海洋工程裝備(海上風(fēng)力發(fā)電、海上石油鉆井平臺等)、航空航天裝備等服役情況較為惡劣,目前缺乏金屬材料在鹽霧環(huán)境下的耐蝕性研究。

針對強化研磨加工后GCr15軸承鋼在鹽霧環(huán)境中產(chǎn)生的銹層對基體材料的影響問題,本文在文獻[13]研究基礎(chǔ)上開展鹽霧腐蝕試驗,建立強化研磨碰撞沖量矢量模型,結(jié)合腐蝕動力學(xué)曲線、傅里葉紅外光譜圖、腐蝕微觀形貌圖、三維形貌圖研究銹層對基體材料的保護機制。

1 試樣及試驗條件

1.1 試驗材料

試樣為100 mm×100 mm×10 mm 的GCr15軸承鋼板(精磨處理),其熱處理工藝為:淬火(860 ℃×30 min)→油冷→回火(160 ℃×2 h)。為了觀察初始狀態(tài)時GCr15軸承鋼材料的基體組織,采用4%硝酸酒精對其進行腐蝕,結(jié)果如圖1所示:基體組織主要為殘余奧氏體、回火馬氏體及少量的碳化物顆粒。

1.2 強化研磨試驗

采用第三代強化研磨機對GCr15軸承鋼進行表面強化處理,設(shè)備如圖2所示。本文通過控制單一變量噴射角度進行試驗,設(shè)置空白對照試樣A(未強化),噴射角度30°, 60°, 90°分別對應(yīng)試樣B,C,D,研究在中性鹽霧環(huán)境下強化研磨噴射角度對GCr15軸承鋼耐蝕性的影響,試驗參數(shù)見表1。

1.3 鹽霧腐蝕試驗

采用精密60型鹽霧試驗機,按GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第11部分:鹽霧試驗》標(biāo)準(zhǔn)進行鹽霧腐蝕試驗,設(shè)定試驗溫度為(35±2)℃,壓力調(diào)整至2×105Pa,鹽霧沉降量為2 mL/(cm2·h),鹽霧腐蝕溶液為pH值3.5的5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl溶液,鹽霧試驗時長設(shè)定為24 h(約等于自然環(huán)境1 a)。

2 強化研磨對表面狀態(tài)的影響

2.1 碰撞模型及碰撞沖量矢量分析

硬質(zhì)球-研磨粉碰撞模型如圖3所示,本文設(shè)定理想狀態(tài)下噴射角度與硬質(zhì)球撞擊工件表面時的角度一致,采用的硬質(zhì)球為經(jīng)熱處理后的GCr15鋼球,硬質(zhì)球-研磨粉在噴射過程中的運動符合牛頓第二定律,撞擊工件的過程為瞬態(tài),一般小于0.01 s,此時撞擊運動符合動力學(xué)中的動量守恒定理。碰撞過程中硬質(zhì)球撞擊工件表面角度不同,其強化研磨加工效果也會有所差異,碰撞時間Δt趨于無窮小,此時碰撞過程中的沖擊力F趨向于無窮大,產(chǎn)生的碰撞沖量P為

(1)

(a) 正碰撞 (b) 斜碰撞

(2)

式中:Δv為碰撞速度之差;m為硬質(zhì)球-研磨粉碰撞工件表面法線方向的等效質(zhì)量。

(3)

式中:n為硬質(zhì)球中心指向接觸點的單位向量。

如果碰撞過程中發(fā)生相對滑移,則其速度與角速度分別為

(6)

式中:μ為硬質(zhì)球-研磨粉碰撞工件時的摩擦因數(shù);τ為接觸點處的切向單位向量;Ra為硬質(zhì)球半徑(忽略研磨粉半徑);α0,αf分別為碰撞前、后速度攻角(即速度矢量υ在縱向?qū)ΨQ面上的投影與硬質(zhì)球靶射直線之間的夾角)。

如果碰撞時未產(chǎn)生相對滑移,則碰撞后的速度、角速度分別為

(7)

(8)

若硬質(zhì)球與工件碰撞時呈對心碰撞,則碰撞后的速度為

(9)

在碰撞過程中,由于噴射角度的不同,會產(chǎn)生相應(yīng)的法向碰撞沖量Pn和切向碰撞沖量Pt,二者的關(guān)系為

Pt≤μPn。

(10)

由文獻[13]可知強化研磨可以使GCr15軸承鋼達到晶粒細化、位錯密度增大的效果,由于噴射的沖量勢能使得表層原子發(fā)生滑移,晶界抑制位錯的滑移,導(dǎo)致大量位錯在晶界前堆積,隨著大量的位錯聚集、湮滅,進而產(chǎn)生了亞晶界和晶界,由于Cr原子的體積和質(zhì)量比Fe原子高,形成Cr的富集區(qū),進而減緩Cl-侵蝕基體表層。

2.2 表面粗糙度與耐蝕性分析

將4組試樣放入鹽霧腐蝕試驗箱中24 h后觀察微觀形貌,如圖4所示:未強化研磨試樣呈現(xiàn)4 μm的腐蝕孔洞,諸多小的腐蝕針孔連結(jié)成大的腐蝕孔洞,且周圍伴隨島嶼狀與棉絮狀結(jié)構(gòu)及一些細小的碳化物顆粒;強化研磨試樣組腐蝕孔洞隨噴射角度增大逐漸減小為3,2,1 μm,且并無腐蝕孔洞連接現(xiàn)象;試樣表面腐蝕嚴(yán)重程度由大到小依次為A,B,C,D,即強化研磨提高了試樣的耐蝕性,且噴射角度越大,試樣耐蝕性越好。

(a) A

各試樣在不同區(qū)域的表面粗糙度Ra值見表2:強化研磨加工后試樣的表面粗糙度值均高于未經(jīng)強化研磨處理的試樣,且隨著噴射角度的增大表面粗糙度值呈先增大后減小的趨勢。通常,表面粗糙度值增大會加大腐蝕程度,但由于強化研磨三相混流加工能形成一層致密的鈍化膜,使試樣表面晶粒重構(gòu)細化,更加致密,大大降低了其腐蝕程度。

表2 各試樣的表面粗糙度Ra值

從表2和圖4可以看出:未經(jīng)強化研磨的試樣表面出現(xiàn)較大的腐蝕孔洞,且腐蝕優(yōu)先發(fā)生在試樣表面的磨痕縫隙內(nèi),并沿縫隙方向擴展,同時多處出現(xiàn)白色腐蝕氣泡,這是由于腐蝕過程中伴隨著發(fā)熱及化學(xué)反應(yīng),金屬原子鍵的斷裂與再結(jié)晶形成白色氣泡,進而產(chǎn)生腐蝕孔洞,周邊破裂形成棉絮狀結(jié)構(gòu);從未經(jīng)強化研磨處理到強化研磨噴射角度60°,試樣表面粗糙度平均值由0.13 μm增至0.28 μm,增幅達115.4%,這是因為經(jīng)強化研磨的試樣晶粒細化更加致密,同時強化研磨過程中形成一層鈍化膜,腐蝕初期將Cl-阻斷在試樣表面,腐蝕后期Cl-侵蝕鈍化膜進而侵蝕試樣表面,形成少許腐蝕氣泡,腐蝕縫隙較少;強化研磨噴射角度為90°的試樣表面粗糙度值有所降低,這是由于強化研磨三相混流加工過程中研磨粉不斷磨削表面,加工初期由于研磨鋼球的碰撞導(dǎo)致表面粗糙度值增大,隨著強化研磨噴射角度的增大,研磨硬質(zhì)球?qū)υ嚇颖砻娈a(chǎn)生的外應(yīng)力矢量增大,研磨粉不斷磨削表面達到精加工的作用,從而降低表面粗糙度值,可見試樣D表面幾乎沒有出現(xiàn)腐蝕縫隙,只存在少許細小致密的腐蝕孔洞和板條狀結(jié)構(gòu)。

3 腐蝕機理分析及腐蝕等級評價

3.1 腐蝕動力學(xué)分析

對試樣A和試樣D進行3,6,9,12,15 h鹽霧腐蝕后,按照GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》對試樣進行表面腐蝕產(chǎn)物清除。采用精密微天平測量鹽霧腐蝕前后試樣的質(zhì)量,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入(11)式并通過ORGIN對數(shù)據(jù)進行擬合得到試樣腐蝕動力學(xué)曲線(圖5),進一步計算各試樣在不同腐蝕時間下的腐蝕速率[15],結(jié)果見表3:強化研磨試樣和未強化研磨試樣的質(zhì)量損失均隨腐蝕時間的延長而增大;試樣D在鹽霧腐蝕中的腐蝕速率相比試樣A有所下降,耐蝕性得到提升。

(11)

圖5 未強化研磨和強化研磨試樣腐蝕動力學(xué)曲線

式中:R為單位面積質(zhì)量損失;m1,m2分別為腐蝕前、后試樣的質(zhì)量;S為試樣的表面積。

相關(guān)學(xué)者分析試樣銹層對基體材料是否有保護作用時發(fā)現(xiàn)[16-17],金屬材料的腐蝕動力學(xué)曲線與冪函數(shù)較為相像,即

R=Atn,

(12)

式中:t為腐蝕時間;A和n為與材料和腐蝕環(huán)境相關(guān)的常數(shù),本文A取1.375,n<0.5時腐蝕介質(zhì)的擴散過程會減弱銹層對金屬基體材料的保護[18],0.5≤n<1時銹層可以達到保護金屬基體材料的作用,n=1為無腐蝕狀態(tài)(不考慮),n>1時銹層會加速金屬基體材料的腐蝕。由圖5可得試樣A的n=1.286 5,故銹層會加速對金屬基體材料的腐蝕速度;而試樣D的n=0.723 8,銹層可以起到保護金屬基體材料的作用。

3.2 腐蝕產(chǎn)物分析

24 h鹽霧腐蝕試驗后試樣腐蝕產(chǎn)物層的傅里葉紅外光譜(FT-IR)如圖6所示:腐蝕產(chǎn)物為α-FeOOH,γ-FeOOH,δ-FeOOH和Fe3O4,其中γ-FeOOH的特征吸收峰較強(1 035 cm-1),而α-FeOOH,δ-FeOOH和Fe3O4的特征吸收峰分別為861,860,566 cm-1,由此可見γ-FeOOH是鹽霧腐蝕的主要腐蝕產(chǎn)物;相對于試樣A,試樣D的γ-FeOOH峰較弱,說明強化研磨試樣腐蝕產(chǎn)物層中γ-FeOOH占比較低。在GCr15軸承鋼的腐蝕產(chǎn)物中, 通常α-FeOOH和Fe3O4起到保護基體材料的作用,γ-FeOOH卻恰恰相反,會促進腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。文獻[19-20]提出使用α-FeOOH與γ-FeOOH成分的比值衡量腐蝕產(chǎn)物層對基體材料的保護性能,比值越大表明對基體材料保護越佳。強化研磨試樣中γ-FeOOH的占比較低,表明強化研磨試樣腐蝕產(chǎn)物層對基體材料的保護性能更好。

圖6 未強化研磨和強化研磨試樣腐蝕產(chǎn)物層的FT-IR圖譜

3.3 珠光體與馬氏體協(xié)同腐蝕起源微觀形貌分析

在鹽霧腐蝕試驗中發(fā)現(xiàn),貝氏體鐵素體組織或單一鐵素體組織的耐鹽霧腐蝕性高于珠光體/鐵素體的混合組織,前者試樣表面會形成均勻致密的腐蝕產(chǎn)物膜,在鹽霧腐蝕初期較易形成致密的銹層達到保護金屬基體的作用。GCr15軸承鋼在鹽霧腐蝕中珠光體溶解示意圖如圖7所示:隨著腐蝕反應(yīng)的發(fā)生,會生成α-FeOOH,γ-FeOOH,δ-FeOOH和Fe3O4等腐蝕產(chǎn)物,銹層不斷疊加,反應(yīng)減緩,此時Cl-,H+,Fe2+,O不足,珠光體發(fā)生溶解,珠光體的基體組織鐵素體、FeC3會形成腐蝕電偶,開始溶解自身鐵素體直至結(jié)束,導(dǎo)致腐蝕孔洞周圍先析出的鐵素體發(fā)生溶解。

圖7 GCr15軸承鋼在鹽霧腐蝕中珠光體溶解示意圖

在形成馬氏體的過程中由于冷速過快,內(nèi)部會含有過飽和的碳,且殘余應(yīng)力和晶格畸變會偏高,文獻[21]的研究表明高殘余應(yīng)力和含碳量會導(dǎo)致腐蝕加劇,并指出馬氏體含量相近時島狀馬氏體更有利于耐蝕性的提高,此時鐵素體基體晶粒作為陽極發(fā)生腐蝕溶解,鐵素體晶界和FeC3為陰極構(gòu)成腐蝕電偶。本文通過掃描電子顯微鏡SEM(×10 000)觀察經(jīng)過鹽霧腐蝕24 h試樣的微觀形貌,結(jié)果如圖8所示:經(jīng)過強化研磨后GCr15軸承鋼由于碳化物誘發(fā)形成光滑、孤立的點蝕坑,文獻[13]研究發(fā)現(xiàn)強化研磨可以使GCr15軸承鋼達到晶粒細化, 位錯密度增大的效果, 有利于在腐蝕發(fā)生過程中生成更為致密的銹層;而試樣A則是珠光體和鐵素體形成較為均勻的點蝕坑,主要是珠光體誘發(fā)GCr15軸承鋼基體溶解生成。

3.4 三維形貌及腐蝕評價

通過Bruker Countor GT-K 3D光學(xué)輪廓儀觀察各試樣表面形貌,截取其腐蝕軌跡(第1列)、二維截面輪廓(第2列)和三維腐蝕形貌(第3列)(圖9),進而通過Vision64 Bruker軟件進行分析。對比各試樣的腐蝕軌跡圖,結(jié)合前文腐蝕孔洞形貌分析可知,隨著強化研磨噴射角度的增加,試樣表面逐漸由均勻腐蝕轉(zhuǎn)化為邊緣點蝕,可以觀察到試樣D腐蝕軌跡呈現(xiàn)四周少許的點蝕軌跡,這是由于強化研磨加工研磨料以隨機分布的形式噴射到基體表面, 基體表面噴射覆蓋不均勻?qū)е隆Ｍㄟ^各試樣的二維截面輪廓分析其腐蝕產(chǎn)物堆積厚度以及形成的腐蝕孔洞深度:試樣A,B,C,D對應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物堆積厚度分別為20.3,10.3,12.3,8.5 μm,腐蝕孔洞深度分別為15.2,14.7,8.1,6.9 μm,試樣D腐蝕產(chǎn)物堆積厚度較試樣A下降58.1%。由三維腐蝕形貌圖亦可知試樣A以均勻腐蝕為主,試樣D呈現(xiàn)局部腐蝕。這是因為研磨料與工件的碰撞次數(shù)會隨著噴射角度的增大而增加,其外應(yīng)力矢量逐漸增大,會消除部分基體材料初始的內(nèi)應(yīng)力,且晶粒逐漸呈現(xiàn)不均勻的形態(tài)特征,鋼球沖擊的動能及重力勢能施加到試樣表面,晶粒細化[13]的速度逐漸減緩(強化研磨導(dǎo)致試樣逐漸發(fā)生塑性變形),晶粒細化使基體材料的表層組織結(jié)構(gòu)更加致密,形成一種“類織構(gòu)”表層組織,提高了基體材料的耐鹽霧腐蝕性能。

(a) 試樣A

金屬材料在某一介質(zhì)環(huán)境中抵抗腐蝕的能力被稱為金屬的耐蝕性,通常以金屬平均腐蝕速率評價金屬材料的耐蝕性。針對均勻腐蝕的金屬材料,通常用腐蝕深度表示的腐蝕速率指標(biāo)對金屬耐蝕性進行評價。質(zhì)量表示的腐蝕速率vw為

(13)

由質(zhì)量表示的腐蝕速率vw可推導(dǎo)出用腐蝕深度表示的腐蝕速率vd,即

(14)

(15)

式中:ΔW為腐蝕過程中的質(zhì)量變化;ΔV為腐蝕過程中的體積變化;Δd為腐蝕深度;ρ為金屬密度。

本文采用前蘇聯(lián)金屬耐蝕性十級標(biāo)準(zhǔn)(表4)對強化研磨后的GCr15軸承鋼進行鹽霧腐蝕等級評價,在衡量密度不同的金屬腐蝕程度時,這種腐蝕評價指標(biāo)十分便捷。計算各試樣由腐蝕深度表示的腐蝕速率以及對應(yīng)的耐鹽霧腐蝕等級,結(jié)果見表5:隨著強化研磨噴射角度的增大,GCr15軸承鋼的腐蝕速率逐漸降低,強化研磨噴射角度與腐蝕速率呈負相關(guān);未強化研磨加工的GCr15軸承鋼的腐蝕速率為0.130 5 mm/a,耐蝕等級為6,而強化研磨噴射角度為90°時,GCr15軸承鋼腐蝕速率為0.060 4 mm/a,耐蝕等級為5,腐蝕速率遠低于未強化研磨試樣,表明強化研磨加工可使工件具有較好的耐蝕性。

表4 前蘇聯(lián)金屬耐蝕性十級標(biāo)準(zhǔn)

表5 各試樣的腐蝕速率及耐蝕等級

4 結(jié)論

本文通過改變強化研磨噴射角度對GCr15軸承鋼進行加工和沖量矢量理論分析,結(jié)合腐蝕產(chǎn)物、SEM、光學(xué)輪廓儀對GCr15軸承鋼進行腐蝕分析,研究強化研磨加工后軸承鋼在鹽霧環(huán)境中產(chǎn)生的銹層對基體材料的保護機制,主要結(jié)論如下:

1)強化研磨試樣經(jīng)過鹽霧腐蝕試驗得到的n=0.723 8,且γ-FeOOH占比較低,表明強化研磨試樣腐蝕產(chǎn)物層對基體材料的保護性能較好。

2)試樣表面腐蝕嚴(yán)重程度由大到小依次為未強化研磨試樣、強化研磨噴射角度30°試樣、60°試樣、90°試樣,腐蝕孔洞逐漸減小,強化研磨提高了試樣的耐蝕性,且耐蝕性與噴射角度呈正相關(guān)。

3)隨著強化研磨噴射角度的增加,試樣表面逐漸由均勻腐蝕轉(zhuǎn)化為邊緣點蝕;強化研磨噴射角度為90°時,GCr15軸承鋼腐蝕速率為0.060 4 mm/a,耐蝕等級為5級。