軸承表面處理線性缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及其宏觀形貌分析

王超俊,楊俊生,葉健熠,范雨晴,王東峰

( 1.河南開放大學(xué),鄭州 450046;2.洛陽軸研科技有限公司,河南 洛陽 471039;3.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039)

隨著軸承零件對表面性能要求的提高,表面處理[1]越來越廣泛地應(yīng)用在軸承生產(chǎn)過程中,如磷化和發(fā)黑等。軸承制造過程中一般通過磁粉檢測并剔除帶有裂紋(一般為線性)的零件,現(xiàn)發(fā)現(xiàn)多起軸承表面化學(xué)處理導(dǎo)致的線性缺陷,其在磁粉探傷中的形態(tài)與裂紋一致。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),這是一種由電化學(xué)腐蝕中水線腐蝕[2-3]導(dǎo)致的特殊缺陷,產(chǎn)生原因是酸性溶液在軸承溝道停留時(shí)間過長,且軸承零件化學(xué)處理工序接近最終工序,水線腐蝕會(huì)導(dǎo)致批量性的質(zhì)量事故,其鑒別分析對現(xiàn)階段軸承的生產(chǎn)過程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 軸承零件線性缺陷案例

推力球軸承座圈正反面均有溝道,材料為42CrMo,基本工藝為:鍛件→車削→調(diào)質(zhì)→溝道表面感應(yīng)淬火→粗磨→磁粉探傷→細(xì)磨→磁粉探傷→磷化→溝道拋光→裝配。

座圈粗磨和細(xì)磨后經(jīng)磁粉探傷均未發(fā)現(xiàn)裂紋,磷化后拋光溝道發(fā)現(xiàn)異常,再次進(jìn)行磁粉探傷檢測,發(fā)現(xiàn)沿著溝道兩側(cè)對稱分布的線性磁痕,如圖1中紅色箭頭所示。

2 缺陷性質(zhì)分析

缺陷大量隨機(jī)分布在推力球軸承座圈的一列溝道上,反面的溝道無此缺陷。擦除磁痕,退磁后重復(fù)探傷,缺陷磁痕均重復(fù)出現(xiàn)。

黑色磁粉探傷的觀察環(huán)境為白光,與肉眼的觀察環(huán)境相同,可識(shí)別缺陷與周圍痕跡之間是否存在關(guān)聯(lián)。圖1的缺陷經(jīng)黑色磁粉探傷檢測后的結(jié)果如圖2所示:從紅色箭頭指示的線狀磁痕可看到缺陷大致沿溝道兩側(cè)對稱分布;從藍(lán)色箭頭指示可看出缺陷在端部有圓滑自然的線性閉合特征。

圖2 座圈溝道磷化后缺陷(黑磁粉檢測)

在白光下依然可辨識(shí)擦除磁痕后兩端都閉合的缺陷,如圖3(與圖2的缺陷并非一處)所示,與圖2相比,圖3缺陷的長度整體較短。

圖3 座圈溝道缺陷白光形貌

另一小段溝道內(nèi)出現(xiàn)的3處缺陷如圖4所示,圖5為圖4中藍(lán)色箭頭指示缺陷的局部放大圖,結(jié)合圖4和圖5的缺陷形貌,已經(jīng)可識(shí)別出圖5箭頭包絡(luò)的缺陷痕跡整體形態(tài)為液滴在溝道上的輪廓。圖3箭頭包絡(luò)的缺陷痕跡整體形態(tài)為液體條在溝道上的輪廓,圖2和圖1中的缺陷同樣為更長的液體條在溝道上的輪廓。

圖4 座圈溝道局部缺陷形貌

圖5 缺陷水滴輪廓

綜上可知:缺陷整體形態(tài)為分布在軸承溝道上的液滴或者液體條的輪廓。

3 水線腐蝕

水線腐蝕是電化學(xué)腐蝕中的一種選擇性腐蝕。如圖6所示,在金屬、液體和氣體三者的交界面處氧氣容易進(jìn)入,從而使交界面鐵原子的電位降低成為電化學(xué)腐蝕的陰極,在水線下方一定深度內(nèi),氧氣到達(dá)困難,氧濃度低,此處鐵原子的電位高,形成電化學(xué)腐蝕的陽極[4],即

圖6 水線腐蝕示意圖

陰極反應(yīng):O2+2H2O+4e→4OH-1,

陽極反應(yīng):Fe→Fe2++2e。

水線腐蝕可以導(dǎo)致線性缺陷,符合上述缺陷液體滯留輪廓的特征,但上述缺陷線性很強(qiáng),且在表面處理過程的短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)腐蝕,與一般理論所述的水線腐蝕又不完全吻合。

4 軸承零件表面處理中的水線腐蝕

4.1 酸性溶液對水線腐蝕的影響

單純的水線腐蝕是電化學(xué)腐蝕,但當(dāng)溶液中存在酸時(shí),腐蝕速率并不是二者的線性疊加。電化學(xué)反應(yīng)首先發(fā)生在陽極與陰極電位差最大位置的裸露新鮮金屬表面上,酸性溶液腐蝕后會(huì)使此處的氧含量更低,與陰極的電位差更大,從而使發(fā)生反應(yīng)的陽極區(qū)域更集中,二者耦合的結(jié)果是水線腐蝕的速率更快,且腐蝕的線性特征也更強(qiáng)。

4.2 酸性溶液的來源

為保障軸承零件表面處理的質(zhì)量,一般都要經(jīng)過預(yù)處理,其中包括酸洗[5],目的是去除金屬表面的銹蝕和氧化層,活化表面,露出新鮮的金屬表面,為后續(xù)化學(xué)處理做好準(zhǔn)備。軸承零件化學(xué)處理本身有很多工藝就在酸性條件下進(jìn)行[6],因此,軸承零件表面在化學(xué)處理過程中一般都會(huì)接觸到強(qiáng)酸性溶液。

4.3 軸承結(jié)構(gòu)對水線腐蝕的影響

由于溝道的存在,當(dāng)軸承零件從酸性溶液中提離時(shí)液體難以完全被去除,殘留的酸性溶液在溝道形成水滴或液栓(液體條)。薄壁推力球軸承采用水平擺放方式,會(huì)在一條溝道內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)性的缺陷。通常球軸承采用懸掛法處理在外圈溝道處會(huì)有液體匯集殘留,而內(nèi)圈溝道不會(huì)存在此種缺陷。

如果酸性溶液在溝道內(nèi)存留的時(shí)間過長,水線腐蝕缺陷加劇。圖7是深溝球軸承發(fā)黑處理后的水線腐蝕缺陷,在每個(gè)發(fā)黑處理后的外圈溝道均存在,內(nèi)圈溝道無任何缺陷。外圈溝道底部液體積存量過多和存留時(shí)間過長,溝道一側(cè)存在2條腐蝕痕(圖7a中箭頭所示),且線性腐蝕的局部已經(jīng)呈孔坑形態(tài)(圖7b箭頭處)。

(a) 熒光磁粉檢測

4.4 水線腐蝕的磁粉探傷顯示

磁粉探傷時(shí),軸承零件表面發(fā)生水線腐蝕后缺陷的局部形態(tài)為線性,整體形態(tài)為液體或液體條與軸承溝道交界形成的輪廓。由于水線腐蝕的尖銳性,在磁粉探傷時(shí)缺陷處會(huì)有磁感線泄露,存在一定的磁力吸附作用,使磁粉流動(dòng)后沉積在軸承表面線性腐蝕的低凹處。因此磁粉探傷時(shí)水線腐蝕缺陷處會(huì)有線性磁痕。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將通常用作軸承燒傷檢查的5%硝酸酒精溶液滴在磨削后的軸承鋼零件表面。10 s和5 min后的形態(tài)分別如圖8a和圖8b 所示,5 min后液滴已基本干涸,但有一層反應(yīng)膜存在,擦除膜后可看見黑色的腐蝕表面(圖8c),用拋光布去除表面的腐蝕痕跡,可看見有明顯的圓形邊界存在(圖8d)。試驗(yàn)結(jié)果證明了由于水線腐蝕的存在,邊界處的腐蝕速率更大,且在酸性溶液的作用下,水線腐蝕的線性得到了強(qiáng)化。

(a) 10 s (b) 5 min

6 結(jié)束語

軸承表面處理過程中產(chǎn)生水線腐蝕的線性形態(tài)是對自然界線性界面的一種近似仿形的結(jié)果,酸性溶液的存在提高了水線腐蝕的速率并強(qiáng)化了其線性特征?？梢詮暮暧^和微觀不同的角度對缺陷進(jìn)行鑒別?，F(xiàn)階段隨著各類檢測儀器的不斷出現(xiàn),微觀分析越來越多地被采用,本文的分析過程說明宏觀分析的重要性。