高鐵軸承磷化工藝影響因素分析

段欣生，邱明

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

磷化處理是鋼鐵零件在磷化液中形成磷化膜的過程，磷化膜主要起防護與裝飾作用，兼有吸附、儲油、耐磨功能[1-3]，在機械、汽車、航空等行業有廣泛的應用。

磷化處理可提高鐵路軸承的潤滑、磨損性能和腐蝕性能，減小摩擦因數。由于傳統工藝(高溫錳系)磷化溫度高，磷化膜表面粗糙度Ra值整體較大，無法滿足高鐵軸承的應用需求，而目前國內又沒有成熟的高鐵磷化工藝體系供參考。在此，基于對磷化有直接影響的工藝過程進行試驗分析，以確定適合高鐵軸承磷化處理的工藝方案。

1 磷化原理

磷化是金屬與稀磷酸或酸性磷酸鹽溶液反應，在金屬表面形成磷酸鹽保護膜的過程。一般認為由以下4個步驟組成[4]：

1)酸浸蝕金屬基體表面；

2)促進劑(氧化劑)加速降低界面的氫離子濃度；

3)磷酸根多級水解；

4)磷酸鹽沉淀結晶為磷化膜。

研究認為，鋅鈣系磷化液的磷化生成物在靠近金屬基體表面是Zn2Ca(PO4)2·7H2O和Zn2Fe(PO4)2·4H2O，外層是Zn3(PO4)2·4H2O[5]。

2 磷化工藝過程分析

2.1 高鐵軸承磷化膜性能要求

1)滾道表面粗糙度Ra值不大于0.5 μm；

2)磷化膜厚度1～5 μm；

3)耐蝕性要求硫酸銅點滴不小于3 min；

4)磷化膜外觀均勻一致。

2.2 工藝影響因素

2.2.1 典型磷化處理工藝

清洗防銹劑→脫脂→冷水洗→熱水洗→磷化→冷水洗→熱水洗→浸油。

由上述工藝可以看出，影響磷化性能的直接因素有：脫脂劑類型和使用工藝；水洗溫度和時間；磷化液類型和控制參數。間接影響因素有套圈磷化前的加工狀態和套圈儲運的保護措施。

針對上述幾個影響因素進行試驗分析，通過對磷化膜性能的評判，得出合適的磷化處理工藝，對間接影響因素也進行討論。

2.2.2 磷化液的選擇

傳統磷化使用高溫錳系磷化液,弊端有：1)磷化溫度高，能耗大，不環保;2)錳系磷化膜結晶形狀為多邊立方體結構，磷化膜表面粗糙度Ra值普遍較大，軸承在裝機使用過程中有溫升高等潛在不利因素。

經過對國內鐵路軸承磷化工藝的考察和對進口高鐵軸承磷化性能的分析，認為可選擇L-2中溫鋅系磷化液作為高鐵軸承磷化液，其具有磷化溫度低，節能環保，磷化膜細膩，耐蝕性好，與基體結合力好的特點。

3 試驗

3.1 材料

采用T-1堿性脫脂劑和T-2皂類脫脂劑；磷化試樣為G20CrNi2MoA制滲碳高鐵軸承(352226)套圈，未磷化前滾道表面粗糙度Ra值為0.05 μm；L-2中溫鋅系磷化液；檢驗磷化膜耐蝕性的硫酸銅點滴液的配比為CuSO4·5H2O：41 g/L，NaCl：35 g/L，0.1 mol/LHCl：13 mL/L，余量為蒸餾水。

3.2 磷化膜厚度的測量

磷化膜厚度有2種測量方法：

1)利用涂層測厚儀測量。當測頭與零件表面垂直接觸時，測頭與磁性金屬基體構成閉合磁路，通過磁阻變化，測量非磁性覆蓋層的厚度，屬于間接法測量膜厚。由于設備攜帶操作方便，比較常用。

2)利用儀表測出磷化前、后零件的尺寸差值，得出膜厚，誤差較大[6]。

在此選用第1種方法。

3.3 游離酸度和總酸度的測定

酸堿滴定法。取試樣10 mL，放入250 mL的錐形瓶中，加50 mL蒸餾水，加甲基橙或酚酞指示劑，用0.1 mol/L氫氧化鈉標準溶液滴定，測游離酸度或總酸度，所消耗的毫升數用點數表示。酸比是總酸度與游離酸度的比值。

4 結果與討論

4.1 脫脂劑對磷化膜的影響

4.1.1 T-1堿性脫脂劑

脫脂劑質量百分比、溫度對磷化膜性能的影響見表1。用T-1堿性脫脂劑，磷化膜存在的主要問題是表面粗糙度Ra值和磷化膜厚度大，耐蝕性不好，磷化膜有花斑。主要原因為：T-1堿性脫脂劑的主要成分為氫氧化鈉和碳酸鈉，軸承脫脂、水洗、磷化時殘留的堿液與游離酸反應，使磷化液的酸比不穩定，造成磷化結晶顆粒大小不均勻，從而使磷化膜厚度和表面粗糙度Ra值增大，出現花斑。

表1 T-1堿性脫脂劑對磷化膜性能的影響

4.1.2 T-2皂類脫脂劑

T-2皂類脫脂劑屬于弱堿性脫脂劑，使用前需要對零件進行擦洗，試驗結果見表2。結果表明:采用皂類脫脂劑，磷化膜的表面粗糙度Ra和耐蝕性均比用T-1堿性脫脂劑要好，其中1#，3#和5#磷化效果較好。2#，4#和6#試樣外觀局部出現花斑，主要是由于脫脂劑的使用溫度較高，水分蒸發，脫脂劑黏附在零件表面，影響磷化結晶過程所致，但整體均勻性優于T-1皂類脫脂劑。4#和6#試樣由于脫脂劑使用溫度高或質量百分比大，殘留的脫脂劑也會影響磷化液的酸比，使表面粗糙度Ra值略有增大。

表2 T-2皂類脫脂劑對磷化膜性能的影響

4.1.3 2種脫脂劑優缺點比較

由以上試驗結果可知：T-1堿性脫脂劑的優點是去油效果好，缺點是磷化膜表面粗糙度Ra值大；T-2皂類脫脂劑的優點是節能環保，對環境和人體傷害小，磷化膜性能好，缺點是去油效果稍差，使用前零件需手工擦洗。

比較而言，T-2皂類脫脂劑更適合高鐵軸承磷化的需要。故可確定脫脂劑的使用條件：質量百分比為1%～2%；溫度為40～50 ℃；時間為3～5 min；pH值為8～9。

4.2 熱水洗工藝的影響

熱水溫度和清洗時間對磷化膜性能的影響見表3。結果表明：熱水清洗零件時，水溫較低時外觀均勻，水溫較高時外觀有花斑(圖1)，而清洗時間對磷化膜性能的影響不明顯。其中熱水溫度對磷化膜的外觀影響較大，主要原因是水溫較高時水分揮發快，污物容易干結在零件上，影響磷化膜的結晶過程；而降低水溫污物容易清洗去除，形成的磷化膜比較均勻。因此熱水清洗溫度為50～60 ℃，清洗時間為30～60 s較為適宜。

表3 熱水溫度和清洗時間對磷化膜性能的影響

圖1 磷化花斑

4.3 磷化液控制指標的影響

L-2中溫鋅系磷化液能滿足高鐵軸承的磷化要求(表4)，磷化液控制指標：總酸度為95～100；游離酸度為9～10；酸比為9～11；溫度為70～75 ℃；時間為5～8 min。

表4 L-2磷化液試驗

4.4 磷化工藝的確定及驗證

通過對過程影響因素的分析，得到了合適的高鐵軸承磷化處理工藝：手工擦洗→冷水洗(30 s)→脫脂(質量百分比：1%～2%；溫度：40～50 ℃；時間：3～5 min；pH值：8～9)→冷水洗(30 s)→熱水洗(溫度：50～60 ℃；時間：30～60 s)→磷化(總酸度：95～100；游離酸度：9～10；酸比：9～11；溫度：70～75 ℃；時間：5～8 min)→冷水洗(30～60 s)→熱水洗(溫度：80～90 ℃；時間30～60 s)→浸油。

用此工藝對成品軸承內、外圈進行磷化處理，磷化性能檢測結果見表5，實物照片如圖2所示。

表5 磷化性能檢測結果

圖2 磷化后軸承套圈

4.5 軸承加工過程及工藝對磷化膜的影響

選用5種不同加工工藝條件下的產品進行磷化，磷化效果見表6。其中超精后防銹油防銹軸承的磷化效果最好，而防銹水防銹軸承磷化后外觀和表面粗糙度Ra值不均勻；軸承超精后的磷化效果比磨加工后的好；軸承磷化后重新超精再磷化的磷化膜性能指標會變差。由此可知，磷化膜性能優劣與磷化前零件的表面狀態有關。超精后防銹油防銹的軸承表面粗糙度Ra值小，沒有生成表面硬化層，磷化效果好。防銹水防銹的軸承由于防銹水中含有氧化劑，使零件表面發生不均勻的氧化，導致磷化后膜層不均勻。磨加工和磷化后重新超精的軸承，由于零件表面的原始精度低導致磷化后零件的表面粗糙度Ra值和膜厚較大。

表6 加工工藝對磷化膜性能的影響

5 結束語

軸承加工質量是磷化的基礎，加工過程中出現的磕碰傷、擦傷和表面的潔凈度都會影響到軸承的磷化。軸承磷化前后都要對零件進行保護，以避免外觀損傷狀況發生。

磷化是一個有諸多影響因素的表面處理過程，在進行工藝確定時，首先要確定磷化液的種類；再結合實際選用工藝簡單，效果較好，影響因素易控的工藝路線。軸承的加工、存貯和中轉工序對磷化處理也會產生重要影響，要給予充分的考慮。

確定了新的磷化工藝，試驗結果表明，采用新磷化工藝磷化的產品其磷化膜性能達到高鐵軸承的工藝要求，效果穩定。