軸承工序間水溶性防銹劑的應用試驗

楊明奇，王明杰，奚強，張博文

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.洛陽LYC軸承有限公司,河南 洛陽 471039)

軸承套圈的生產要經過多個車削、磨削工序，期間需在車間或半成品庫里置留一定的時間，套圈容易發生銹蝕，特別是高溫、高濕的地區或季節，銹蝕發生的幾率更大。一般常用防銹油和亞硝酸鈉水進行防銹，但車、磨削加工一般采用水溶性加工液，使用防銹油防銹去除難度大；另一方面，殘留的防銹油會帶到下個工序的加工液中，影響加工液的性能和壽命；而采用亞硝酸鈉進行防銹效果雖好，但亞硝酸鹽具有毒性，能使人體血紅蛋白中的二價鐵轉變為三價鐵，失去氧攜帶功能，造成人體因缺氧而中毒[1]。因此，軸承工序間應采用新型的水溶性防銹劑進行防銹。文中將探討此類防銹劑的濃度、pH值、使用方法和溫度、濕度對防銹性能的影響以及相關預防管理措施。

1 銹蝕分析

采用掃描電鏡分別對軸承外圈表面的2個銹蝕區域進行觀察(圖1)，之后再用EDS能譜儀進行成分分析(圖2)，化學成分見表1。由表可知，套圈在一定濕度和溫度的環境中表面生成了Fe的氧化物。

表1 軸承外圈表面銹蝕區的化學成分Tab.1 Chemical composition of surface rusted area on bearing outer ring

圖2 軸承外圈表面銹蝕區能譜分析曲線Fig.2 Energy spectrum analysis curve of surface rusted area on bearing outer ring

軸承套圈在工序間一般裸放在車間，置留時間較長會與空氣中的氧氣和水蒸氣長時間接觸，具備發生銹蝕的條件。當套圈表面吸附水分時會形成一定厚度的水膜，由于水膜中含有O2和雜質離子，就形成了電化學腐蝕所需要的電解質溶液[2]。這類電化學過程將隨溫度、濕度的升高和水蒸氣中溶解的CO2和SO2等酸性氣體而加劇，腐蝕電池會發生如下反應。

Fe被氧化成Fe2+，2Fe-4e = 2Fe2+;水膜中溶解的少量O2獲得電子，與水分子結合成OH-，O2+2H2O+4e = 4OHˉ；其結果為

2Fe +O2+2H2O =2Fe(OH)2。

套圈表面的鐵原子不斷溶解生成Fe(OH)2，而Fe(OH)2也不穩定，進一步與水膜中的氧氣和水反應，生成不溶于水的Fe(OH)3，附著在套圈表面上形成紅褐色的銹層，即

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3。

防止套圈發生銹蝕的有效方法之一是在其表面增加一層保護膜來阻止或延緩空氣中的氧氣和水蒸氣與表面接觸。車間使用一款不含亞硝酸鈉的，含有不同種類羧酸醇胺鹽和成膜劑的水溶性防銹劑，其含有能吸附于金屬表面的極性官能團，能在金屬表面形成牢固的吸附膜，阻止參與腐蝕反應的有關腐蝕介質向表面移動，減少與表面的接觸，從而使腐蝕速度得到減緩[3-4]。文中對該水溶性防銹劑進行了應用試驗。

2 水溶性防銹劑的性能試驗

2.1 濃度對防銹性的影響

水溶性防銹劑的濃度是使用過程中應首先關注的一個重要指標，濃度過低將導致防銹性能不足，引起套圈的銹蝕；濃度過高，從經濟角度看也是一種浪費。因此，需確定水溶性防銹劑的最佳使用濃度。分別選不同濃度的水溶性防銹劑，參照GB/T 6144—2010《合成切削液》中的單片和疊片進行試驗，觀察銹蝕情況，結果見表2。由表可知，6%～10%濃度時防銹性能較好，因此，車間一般選8%左右的濃度。

表2 不同濃度防銹劑的防銹試驗Tab.2 Anti-rust test of anti-rust agent with different concentrations

2.2 pH值對防銹性能的影響

水溶性防銹劑應在堿性環境下使用，pH值過低會降低防銹性能，而pH值過高又會傷害操作者皮膚。不同pH值下8%稀釋液的防銹效果見表3，由表可知，pH≥8.5時防銹效果較好。實際應用中pH>9.5會引起操作者的皮膚過敏，綜合考慮，防銹劑在使用過程中的pH值應控制在8.5～9.5之間。對于全自動化的車間，操作者不直接接觸套圈，pH值可控制在9.5左右。

表3 不同pH值下防銹劑的防銹試驗Tab.3 Anti-rust test of anti-rust agent with different pH

2.3 溫度、濕度對防銹性能的影響

由于不同季節工序間的溫度、濕度不同，套圈的銹蝕速度會受到一定的影響。為此，在不同季節對同一工序加工后軸承的內、外圈進行防銹性能試驗，結果見表4。

表4 室溫下軸承套圈的銹蝕情況Tab.4 Rust conditions of bearing ring under room temperature

2015年11—12月和2016年4月濕度相當，4月溫度較高，套圈容易銹蝕。2016年4月與10月溫度相當，濕度一般在40%左右，但10月份試驗過程中有5 d下雨，濕度為55%～75%，銹蝕明顯加大。這是因為濕度較大套圈表面會凝結水滴，其中溶有氧氣，產生了腐蝕條件，當表面水膜的厚度增大時，氧氣的溶解度也增大，腐蝕速度會加大。鋼鐵的臨界濕度在65%左右[5]，在臨界濕度以下，銹蝕較慢，當相對濕度超過臨界濕度時，銹蝕速度會突然加大，溫度升高時，銹蝕速度會更大。所以在高溫梅雨季節套圈要特別注意防銹，減少與雨水的直接接觸，套圈不要直接堆放在地上或潮濕處，存放周期較長的應增加防銹頻次，同時做好工序間的銜接調度，防止積壓周轉期過長。

2.4 使用方法對防銹性能的影響

車間的套圈根據尺寸、精度等級、數量的不同，防銹液的使用方法也不同。采用全浸入法、部分浸入法、噴淋法以及浸入一定時間后取出放置在車間。研究不同使用方法對防銹性能的影響，結果見表5。其中部分浸入法的防銹性能較低，其余3種方法防銹性能相當。

表5 不同使用方法下軸承外圈的銹蝕情況Tab.5 Rust conditions of bearing outer ring using different methods

3 水溶性防銹液的管理

水溶性防銹液的正確使用和維護直接影響防銹液的使用壽命和防銹質量。加強防銹液的科學管理非常重要，根據試驗和應用制定一些性能監控指標。

配置防銹液前，防銹槽應清理干凈，必要時可使用清洗劑處理。

采用浸入法防銹時,受零件表面攜帶、有效成分不均衡消耗、水分蒸發等因素的影響，防銹液濃度會不斷改變，因此需對其進行定期監測，以根據濃度變化及時補加新液維持有效工作狀態。目前，一般使用折光法，該方法方便快捷，現場應用比較廣泛。控制有效濃度在6%～10%之間，每周檢測1次，當濃度<6%時，需要補加水溶性防銹劑。

控制防銹液pH值在8.5～9.5，用pH試紙測定，隔天測1次，當pH<8.5時，需用指定的添加劑進行調節。

對防銹液的防銹性進行檢測，每周測1次，疊片4 h合格，單片24 h合格，高溫、高濕的天氣疊片8 h合格，單片24 h合格。

4 預防措施

軸承工序間的防銹可以采取一些防銹管理措施來預防銹蝕。

1)套圈盡量放置在干燥、通風和潔凈的環境中，減少與灰塵、潮氣和酸霧的接觸。

2)建立一個符合實際的防銹劑驗收標準和制度，防銹劑入廠時嚴格進行檢測，對使用中的防銹液進行監控，并保持溶液的清潔。

3)縮短套圈在工序間的置留時間，根據實際情況制定防銹的頻率。

4)套圈可采用噴淋和全浸入法進行防銹，不能采用部分浸入法。

5)不能用手直接抓持套圈，防止手汗污染。

5 結束語

對軸承外圈銹蝕區域進行分析，銹蝕產物主要是鐵的氧化物，溫度和濕度是主要影響因素；對水溶性防銹劑進行應用試驗，得到其最佳使用濃度、pH值、使用方法以及溫度、濕度對防銹效果的影響；制定了具體的監控方法和預防管理措施。