基于強化研磨軸承套圈表面化學成分分析

劉曉初，關水建，黃 駿，何銓鵬，王 豪，陳志斌

(廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006)

軸承是機械工業至關重要的通用零部件，被譽為機械的關節，其表面質量直接關系到設備的運作、壽命.軸承常用表面硬改性方法來提高顯微硬度，以增強表面的抗摩擦磨損能力，主要有直接形變強化(噴丸、滾壓)、化學熱處理(滲碳、滲氮等)、表面熱處理(表面感應加熱淬火等)及薄膜強化(氣相沉積、輝光放電沉積、離子注入等)等［1］.因常規軸承表面處理成本高，效果單一，文獻［2］提出一種基于復合加工方法的機械表面加工方法，通過將混有高強度噴丸的強化研磨料噴射到工件表面上，在高強度的機械力作用和誘發下，工件表面產生有利的殘余應力層、硬質層，以及有利于儲油潤滑的“微觀油囊”，延長其疲勞壽命.

本實驗采用一種新型的軸承強化研磨設備對軸承套圈表面進行加工處理，并使用X射線能譜聯用儀對軸承強化研磨加工后產生減摩抗磨作用的物理膜層作化學元素分析.

1 機理分析

軸承強化研磨機將強化研磨料(強化研磨料由強化鋼丸、研磨粉、強化研磨液按一定比例混合而成)與高壓氣體混合，經高速噴射系統形成固、液、氣三相混合噴射流，與套圈表面產生隨機、等概率的碰撞［3］.實驗團隊進行大量實驗得出，強化研磨在氣壓0.4 MPa、鋼丸噴射下，工件表面粗糙度達到最低.

含氮硼酸酯易在高溫、高壓、金屬位錯及外逸電子等效應的促進下發生摩擦化學反應，在金屬工件表面生成含有層次結構的硼酸、三氧化二硼、有機氮等復合化學物理膜層［4］.硼砂有良好的殺菌、防腐、抗磨能力，與工件表面可產生摩擦化學反應，生成含硼化學物理膜層.

根據THIESSEN等提出的機械化學機理，機械力作用導致晶格松弛與結構裂解，激發出高能電子和等離子區，因而機械力化學有可能進行通常情況下熱化學所不能進行的反應，使固體物質的熱化學反應溫度降低，反應速度加快［5－6］.通過高壓噴射，強化鋼丸強烈撞擊工作表面，激發高等離子態達到研磨液與工件表面反應條件，在摩擦表面生成了含BO、BN、O-Fe-B等成分的復雜的含B、N化學物理膜層，從而起到極壓減摩抗磨作用.

2 試驗及其檢測裝置

2.1 試驗設備及其配件

強化加工試驗的主要設備是廣州大學研制的軸承強化研磨機，它由強化研磨料混合噴射及回收集成系統、電磁無心裝夾定位裝置、高壓噴頭、安全防護裝置、設備自動控制系統組成.

場發射掃描電子顯微鏡具有高性能X射線能譜儀，其工作原理是細聚焦電子束入射試樣表面，激發出試樣微區元素的特征X射線，分析特征X射線的波長(或特征能量)即可知道微區中所含元素的種類，分析X射線的強度，則可知道微區中對應元素含量的多少，為是否形成含B、N化學物理膜層提供實驗依據.

實驗加工對象為經過熱處理和精加工后的6207深溝球軸承的外圈，其外徑為72.00 mm，材料為GCr15軸承鋼，表面硬度可達60～62 HRC.

2.2 研磨液配方

工業加工中使用的強化研磨液一般由強化鋼丸、研磨粉和強化液等組成.其中強化鋼丸主要是由鑄鋼丸、軸承鋼丸混合而成;研磨粉為3種不同型號的棕剛玉按一定配比混合;強化液則由含水基氮硼酸酯(極壓添加劑)、硼砂(pH緩沖劑)、苯甲酸(防腐劑)、乙二胺四乙酸二鈉(絡合劑)、脂肪醇聚氧乙烯醚(非離子表面活性劑)、三乙醇胺(pH調節劑)、NaOH、滲透劑 JFC、消泡劑、防銹劑及水按一定比例混合組成.其組合及比例見表1.

2.3 試驗方案

通過使用強化研磨機在0.4 MPa的壓力下對軸承外圈套進行高壓噴射，工件轉速為150 r·min－1，噴射時間為5 min，噴嘴與工件表面的距離為45 mm，噴射角度為45°.強化處理后，制成試樣，將試樣清洗干凈，自然風干，選擇理想區域，進行多次能譜分析.

2.4 試驗結果與分析

軸承套圈強化研磨前后對比，工作表面形貌有明顯變化.采用線切割技術將套圈試件進行切割，并進行表面能譜分析.

對加工前后的工件表面進行X500放大觀察，能譜儀分析加工前后試樣區域的能譜分析圖(譜圖)見圖1.

表1 強化研磨料組分Table 1 The composition of grinding abrasive

圖1 試樣加工前后微區域放大及其譜圖Fig.1 Sample micro regional amplification and its spectra before and after processing

對比加工前后譜圖元素波峰，元素組成和含量變化很大.其中加工后B、N元素變化較大，Cr、Mg、Al、Ca、Si等元素亦有增加.

為保證數據準確性、科學的嚴謹性，對加工前后軸承外套圈進行多區域元素檢測，分別共測數據10組，取其平均值，研究結果見表2～3.

表2 加工前試樣表面元素平均含量Table 2 The average content of unprocessed sample surface'chemical element

表3 加工后試樣表面元素平均含量Table 3 The average content of processed sample surface'chemical element

由上表可知，工作表面主要元素 B、N、Fe、C、Cr變化較大，整理分析見表4.其余微量元素在此不作分析.

表4 加工前后主要元素變化Table 4 The main elements of change before and after processing

由表4可見，加工前試樣表面Fe、C、Cr 3種元素的含量較高，亦含有微量的O、P、S、Na等元素，沒有分析出N、B等元素.

加工后試樣表面B、N、Fe、C、O等5種元素的含量較高，含有微量的 Cr、Na、Mg、Al、Ca、Si、P、S等8種元素，分析出化學物理膜層中含有B、N元素，且含量比較高，因此，可推斷出經強化研磨加工后的軸承套圈表層存在含B、N元素的化學物理膜層.

3 結論

強化研磨加工對軸承整體性能，如強度、耐磨、抗腐蝕性能等有較大的提升.對比分析加工前后套圈表面化學元素變化，結合機械化學理論，可得出以下結論:

(1)根據摩擦化學理論，與加工前后軸承圈套檢測的B、N元素對比，推斷出經強化研磨加工后，套圈表面含B、N化學物理膜層;

(2)加工前后套圈表面Fe、Cr元素百分含量分別減少85.7%和80.4%.能譜分析儀可探測金屬表面深度3 nm內的元素種類和含量［7］，推測經強化研磨加工后，套圈表面生成了一層物理化學膜層覆蓋在表面，從而使Fe、Cr 2種元素百分含量大幅下降;

(3)加工后的套圈表面O元素劇烈增加，含量是加工前的7.59倍，說明O元素在研磨料與套圈表面激烈碰撞過程中與B、N、Fe等元素發生了摩擦化學反應，生成了氧化膜層(如B2O3)和含氮有機物、硼酸酯鐵等富含O物質.

(4)含氮硼酸酯易在與金屬表面摩擦高溫下發生化學反應生成化學反應膜［8］.水基含氮硼酸酯在金屬摩擦表面生成強附作用的硼酸酯鐵、有機氮化合物等復合化學物理膜層.

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