軸承零件表面狀態(tài)對磷化膜形貌的影響

張玲，仵永剛，宋華華，楊爭，王衛(wèi)戰(zhàn)

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

鐵路貨車軸承零件的最后一道加工工序為錳系高溫磷化處理，旨在零件表面形成一層難溶于水的錳鹽磷化膜，其主要由磷酸錳和酸式磷酸錳鐵組成[1]。該磷化膜可提高軸承的抗腐蝕性能，并能減小金屬表面的摩擦因數(shù)，提高軸承的潤滑性和抗磨損性能。零件表面磷化膜的外觀色澤應(yīng)為均勻、完整的深灰色或黑色，微觀可觀察到有明顯的結(jié)晶顆粒，且均勻、大小適中。鐵路貨車軸承零件在磷化處理過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)磷化膜結(jié)晶粗大、磷化膜色差、磷化花斑等質(zhì)量問題。初步分析認為，產(chǎn)生此類問題的原因是軸承零件表面質(zhì)量存在較大差異。

下文利用掃描電子顯微鏡對軸承零件表面磷化膜形貌進行觀察，并從表面潔凈度和熱處理組織狀態(tài)兩方面分析了磷化工序出現(xiàn)諸多缺陷的原因，為加強工序間軸承套圈表面質(zhì)量控制，穩(wěn)定和提高鐵路貨車軸承套圈表面磷化膜的質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣材料及狀態(tài)

試樣選自新造鐵路貨車軸承353130B內(nèi)圈，材料為20CrNi2MoA電渣重熔鋼。內(nèi)圈經(jīng)冷、熱加工及磷化處理后制成試樣，試樣表面尺寸為80 mm×85 mm。

鐵路貨車套圈加工工藝流程為：鍛造成形→車加工→滲碳淬火+二次淬、回火→磨加工→磁粉探傷→磷化處理。

1.2 磷化處理

按照常規(guī)錳系高溫磷化工藝規(guī)程對試樣進行磷化處理，磷化工藝流程為：脫脂→超聲波清洗→磷化→超聲波漂洗→中和→浸油。

磷化設(shè)備為自動磷化生產(chǎn)線，將各試樣用鐵絲捆綁在料架上，按照常規(guī)錳系高溫磷化工藝進行磷化處理。

1.3 磷化膜形貌觀察

首先確定經(jīng)磷化處理試樣的觀察面并劃線，利用線切割機床對試樣進行切割，然后將試樣清洗、吹干，利用JSM-6610LV掃描電子顯微鏡進行觀察和分析。

1.3.1 表面潔凈度的影響

當(dāng)試樣表面存在臟污、油污、酸浸、銹蝕、鹽結(jié)晶和油墨印痕時，磷化膜表面形貌呈現(xiàn)出不同的微觀特征。

當(dāng)試樣表面存在臟污和油墨印痕時，其磷化膜形貌特征具有一致的相似性。試樣臟污和油墨印痕處的磷化膜均被一層厚厚的臟物所覆蓋，且覆蓋層有斷裂的形貌特征，臟污處及油墨印痕處沒有膜結(jié)晶顆粒，且磷化膜不連續(xù)，即存在部分脫落區(qū)，但脫落區(qū)可見磷化膜結(jié)晶，而無臟污處有正常的磷化膜結(jié)晶顆粒，如圖1a和圖1b所示。油污處的磷化膜結(jié)晶區(qū)顆粒比較細小且密集，如圖1c箭頭所指區(qū)域，其附近的潔凈區(qū)域則為正常的磷化膜結(jié)晶形貌。

如果磷化前試樣受到了酸洗腐蝕，經(jīng)過磷化處理后，目檢發(fā)現(xiàn)試樣表面會有粗大的閃亮結(jié)晶顆粒，且手感發(fā)澀，浸油后仍可見粗大的結(jié)晶顆粒，經(jīng)掃描電鏡觀察，磷化膜的結(jié)晶顆粒異常粗大，并有部分顆粒類似風(fēng)化的石頭，分層乃至碎裂，如圖1d所示。表面銹蝕區(qū)域的膜結(jié)晶形貌和油污處的形貌相似，均表現(xiàn)為細小磷化膜結(jié)晶顆粒(圖1c)。在表面有結(jié)晶鹽情況下，如果清洗干凈后再磷化，其磷化膜的結(jié)晶形貌仍然連續(xù)、顆粒大小均勻、結(jié)晶致密，如圖1f所示。

1.3.2 熱處理狀態(tài)的影響

如果試樣表面存在一定深度的脫碳層，磷化后外觀顏色將呈現(xiàn)深淺不同的形態(tài)。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，脫碳試樣的深色區(qū)和淺色區(qū)磷化膜形貌、結(jié)晶顆粒形貌均無明顯差別，如圖2a和圖2b所示。如果表層金相組織出現(xiàn)大量的團塊狀屈氏體(軟點)，試樣經(jīng)磷化處理后，磷化膜表面外觀均勻、完整且致密，未出現(xiàn)粗大的磷化膜結(jié)晶顆粒，但表面有色差，仔細觀察可發(fā)現(xiàn)色差區(qū)域的磷化膜形貌、顆粒尺寸稍有差別，軟點部位的顆粒尺寸比正常部位的要小，如圖2c箭頭所指區(qū)域。當(dāng)零件表面金相組織中分布有角狀的粗大碳化物時，因局部區(qū)域磷化膜的形核量少，沒有完全覆蓋，如圖2d箭頭所指區(qū)域，且磷化膜結(jié)晶顆粒呈現(xiàn)為米粒狀和長條狀，而正常區(qū)域為圖1f所示的均勻顆粒狀。

圖1 潔凈度對磷化膜形貌的影響

圖2 熱處理狀態(tài)對磷化膜形貌的影響

2 分析與討論

按照GB/T 6807—2001《鋼鐵工件涂裝前磷化處理技術(shù)條件》要求，磷化處理后工件的顏色應(yīng)為灰色或灰黑色，膜層應(yīng)結(jié)晶致密、連續(xù)和均勻[2]。為了提高和保證磷化膜的質(zhì)量，對于鐵路貨車軸承套圈，磷化后還要控制其表面粗糙度及關(guān)鍵部位的磷化膜色差。

2.1 潔凈度對磷化膜形態(tài)的影響

當(dāng)試樣表面存在臟污、油污、酸浸、銹蝕、鹽結(jié)晶和油墨印痕時對磷化膜表面形貌將會產(chǎn)生不同程度的影響。

由圖1可以看出，鐵路貨車軸承套圈磷化前表面如果存在臟污，將會影響磷化膜的結(jié)晶過程，導(dǎo)致磷化膜的結(jié)晶顆粒尺寸、孔隙率大小不一，從而造成磷化膜的外觀形貌不一致，最終影響其耐蝕性能及使用性能。從磷化液的組成和磷化膜的基本成分進行綜合分析,一般認為磷化膜的形成包括電離、水解、氧化、結(jié)晶等至少4步反應(yīng)過程[3]。油污、銹蝕區(qū)影響表面的正常氧化和結(jié)晶速度，難以形成磷化膜，只形成了很小的顆粒。試樣磷化前如果受到酸洗腐蝕，磷化膜的結(jié)晶顆粒將異常粗大，這是一種極為不合格的磷化膜結(jié)晶形貌。通常應(yīng)按照操作規(guī)范對試樣進行燒傷酸洗檢驗，以避免過度腐蝕。當(dāng)試樣表面有白色結(jié)晶鹽存在時，經(jīng)過磷化脫脂，超聲波清洗干凈后，不會影響磷化膜的結(jié)晶形成。因此，試樣在探傷工序后應(yīng)按照要求對清洗槽進行配比和檢驗，使試樣得到充分清洗，避免因后續(xù)清洗不徹底而影響磷化質(zhì)量。臟污和油墨印痕會將軸承套圈表面覆蓋，無法形成磷化膜，臟污裂開區(qū)域有結(jié)晶顆粒形成，說明臟污和油墨印痕會影響磷化膜的連續(xù)性。因此，磷化處理前必須對工件進行擦試，并進行充分的脫脂及超聲波清洗，以確保工件磷化膜的質(zhì)量符合要求。

2.2 熱處理狀態(tài)的影響

鐵路貨車輪規(guī)要求磷化膜基本均勻一致，但鐵路貨車軸承內(nèi)、外圈經(jīng)磷化處理后經(jīng)常會出現(xiàn)一些磷化“花臉”現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)“花臉”就會影響產(chǎn)品的加工進度，甚至導(dǎo)致用戶拒收，同時還會涉及原因的查找、分析及責(zé)任的判定。鐵路貨車軸承滲碳套圈熱處理工序常見的質(zhì)量缺陷有脫貧碳、軟點、粗大碳化物等，如果這些缺陷保留在成品表面，就會對磷化質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響。

熱處理工序中由于連續(xù)滲碳生產(chǎn)線發(fā)生故障，往往會將產(chǎn)品反復(fù)熱處理，使零件表面產(chǎn)生一定深度的脫碳層。例如某型號成品軸承內(nèi)圈滾道表面分布著顏色深淺不同的區(qū)域，雖然經(jīng)掃描電鏡觀察對比，確定套圈脫碳的深色區(qū)和淺色區(qū)磷化膜形貌和結(jié)晶顆粒無明顯差異，耐蝕性也相當(dāng)，但外觀會存在一定的色差，雖然這種情況出現(xiàn)的概率很低，但仍須加強此類產(chǎn)品的管理。

二次淬火后由于加熱不足導(dǎo)致套圈表面形成大量的團塊狀屈氏體，經(jīng)過磷化處理后，磷化膜表面雖然完整細密、均勻，沒有出現(xiàn)粗大的磷化膜結(jié)晶，但觀察可發(fā)現(xiàn)表面存在色差，且色差區(qū)域的磷化膜形貌及顆粒尺寸稍有差別，軟點部位的顆粒尺寸比正常部位的小。滲碳過程中，如果出現(xiàn)丙烷氣體供給過多或氧探頭失控，將導(dǎo)致滲碳氣氛碳勢過高，會形成超標(biāo)的粗大碳化物，產(chǎn)生不合格組織。當(dāng)零件表面殘留有此類嚴重的粗大角狀碳化物時，磷化膜的微觀形貌會受到影響。這可能與粗大碳化物不易被磷化有關(guān)，以致影響磷化膜的結(jié)晶形核長大的過程，使磷化膜結(jié)晶顆粒呈現(xiàn)為米粒狀和長條狀，最終導(dǎo)致其耐蝕性不能滿足要求。因此，當(dāng)熱處理設(shè)備或過程控制出現(xiàn)異常時，應(yīng)加強該批次產(chǎn)品的管控，嚴禁不合格零件流入下道工序，避免熱處理工序問題對磷化膜質(zhì)量的不良影響。

3 結(jié)論

(1)工件表面的臟污、油污、酸浸、銹蝕、鹽結(jié)晶和油墨印痕會導(dǎo)致磷化膜的結(jié)晶顆粒尺寸、孔隙率大小不一，從而造成磷化膜的外觀形貌不一致，最終影響其耐蝕性能及使用壽命。因此磷化前應(yīng)按照規(guī)范要求對工件進行處理，確保工件表面清潔。

(2)零件表面滲碳層組織有異常時，會影響磷化膜的結(jié)晶形貌，出現(xiàn)磷化“花臉”現(xiàn)象，影響磷化膜質(zhì)量和生產(chǎn)的加工進度。

(3)對有熱處理質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品應(yīng)加強管理，嚴禁不合格零件流入下道工序。