強化研磨對GCr15軸承鋼耐蝕性的影響

吳俊,梁忠偉,劉曉初,吳子軒,,范立維

(1.廣州大學 機械與電氣工程學院,廣州 510006;2.廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室,廣州 510006;3.廣東省強化研磨高性能微納加工工程技術研究中心,廣州 510006)

軸承是高端裝備的核心部件,在腐蝕環境下容易被氯離子侵蝕而失效, 沿海地區的氯離子濃度較內地偏高,此時汽車、電力、交通等領域的軸承耐蝕能力直接影響機械裝備的性能[1-3]。

近年來,國內外學者研究了不同表面技術對金屬材料耐蝕性的影響,如噴丸、超聲滾壓、離子注入、涂層技術、強化研磨[4-8]等。文獻[9]發現隨著噴丸強度的增加,傳統的噴丸強化對雙相不銹鋼耐蝕性有負面影響,但多次噴丸可以提升其耐蝕性;文獻[10]采用波長為1 064 nm的ND:YAG激光器對316L不銹鋼進行激光焊接和機械處理,發現激光沖擊可以提高焊接件的耐蝕性,產生晶粒細化和較大的壓縮殘余應力,提高顯微硬度;文獻[11]發現經過超聲滾壓強化處理后,AZ31B鎂合金表面腐蝕產物致密性高且分布較均勻,去除腐蝕產物后蝕坑顯現出細小聚集態,降低了試樣晶粒尺寸,使得表面鈍化膜呈現更加致密均勻狀態,鈍化膜阻滯了試樣電化學反應的發生,延緩了鎂合金腐蝕;文獻[12]發現經過超聲滾壓處理的AZ31B鎂合金晶粒細化層可以分為超細晶層、細晶層、粗大晶層,超細晶層的晶粒尺寸達到338.8 nm,極大程度上起到了晶粒細化的作用,延緩了鎂合金腐蝕;文獻[13]研究發現強化研磨可以使GCr15軸承鋼達到晶粒細化,位錯密度增大的效果。上述文獻均為研究不同表面技術處理后的材料在常規腐蝕環境下的耐蝕性,然而海洋工程裝備(海上風力發電、海上石油鉆井平臺等)、航空航天裝備等服役情況較為惡劣,目前缺乏金屬材料在鹽霧環境下的耐蝕性研究。

針對強化研磨加工后GCr15軸承鋼在鹽霧環境中產生的銹層對基體材料的影響問題,本文在文獻[13]研究基礎上開展鹽霧腐蝕試驗,建立強化研磨碰撞沖量矢量模型,結合腐蝕動力學曲線、傅里葉紅外光譜圖、腐蝕微觀形貌圖、三維形貌圖研究銹層對基體材料的保護機制。

1 試樣及試驗條件

1.1 試驗材料

試樣為100 mm×100 mm×10 mm 的GCr15軸承鋼板(精磨處理),其熱處理工藝為:淬火(860 ℃×30 min)→油冷→回火(160 ℃×2 h)。為了觀察初始狀態時GCr15軸承鋼材料的基體組織,采用4%硝酸酒精對其進行腐蝕,結果如圖1所示:基體組織主要為殘余奧氏體、回火馬氏體及少量的碳化物顆粒。

1.2 強化研磨試驗

采用第三代強化研磨機對GCr15軸承鋼進行表面強化處理,設備如圖2所示。本文通過控制單一變量噴射角度進行試驗,設置空白對照試樣A(未強化),噴射角度30°, 60°, 90°分別對應試樣B,C,D,研究在中性鹽霧環境下強化研磨噴射角度對GCr15軸承鋼耐蝕性的影響,試驗參數見表1。

1.3 鹽霧腐蝕試驗

采用精密60型鹽霧試驗機,按GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11部分:鹽霧試驗》標準進行鹽霧腐蝕試驗,設定試驗溫度為(35±2)℃,壓力調整至2×105Pa,鹽霧沉降量為2 mL/(cm2·h),鹽霧腐蝕溶液為pH值3.5的5%(質量分數)NaCl溶液,鹽霧試驗時長設定為24 h(約等于自然環境1 a)。

2 強化研磨對表面狀態的影響

2.1 碰撞模型及碰撞沖量矢量分析

硬質球-研磨粉碰撞模型如圖3所示,本文設定理想狀態下噴射角度與硬質球撞擊工件表面時的角度一致,采用的硬質球為經熱處理后的GCr15鋼球,硬質球-研磨粉在噴射過程中的運動符合牛頓第二定律,撞擊工件的過程為瞬態,一般小于0.01 s,此時撞擊運動符合動力學中的動量守恒定理。碰撞過程中硬質球撞擊工件表面角度不同,其強化研磨加工效果也會有所差異,碰撞時間Δt趨于無窮小,此時碰撞過程中的沖擊力F趨向于無窮大,產生的碰撞沖量P為

(1)

(a) 正碰撞 (b) 斜碰撞

(2)

式中:Δv為碰撞速度之差;m為硬質球-研磨粉碰撞工件表面法線方向的等效質量。

(3)

式中:n為硬質球中心指向接觸點的單位向量。

如果碰撞過程中發生相對滑移,則其速度與角速度分別為

(6)

式中:μ為硬質球-研磨粉碰撞工件時的摩擦因數;τ為接觸點處的切向單位向量;Ra為硬質球半徑(忽略研磨粉半徑);α0,αf分別為碰撞前、后速度攻角(即速度矢量υ在縱向對稱面上的投影與硬質球靶射直線之間的夾角)。

如果碰撞時未產生相對滑移,則碰撞后的速度、角速度分別為

(7)

(8)

若硬質球與工件碰撞時呈對心碰撞,則碰撞后的速度為

(9)

在碰撞過程中,由于噴射角度的不同,會產生相應的法向碰撞沖量Pn和切向碰撞沖量Pt,二者的關系為

Pt≤μPn。

(10)

由文獻[13]可知強化研磨可以使GCr15軸承鋼達到晶粒細化、位錯密度增大的效果,由于噴射的沖量勢能使得表層原子發生滑移,晶界抑制位錯的滑移,導致大量位錯在晶界前堆積,隨著大量的位錯聚集、湮滅,進而產生了亞晶界和晶界,由于Cr原子的體積和質量比Fe原子高,形成Cr的富集區,進而減緩Cl-侵蝕基體表層。

2.2 表面粗糙度與耐蝕性分析

將4組試樣放入鹽霧腐蝕試驗箱中24 h后觀察微觀形貌,如圖4所示:未強化研磨試樣呈現4 μm的腐蝕孔洞,諸多小的腐蝕針孔連結成大的腐蝕孔洞,且周圍伴隨島嶼狀與棉絮狀結構及一些細小的碳化物顆粒;強化研磨試樣組腐蝕孔洞隨噴射角度增大逐漸減小為3,2,1 μm,且并無腐蝕孔洞連接現象;試樣表面腐蝕嚴重程度由大到小依次為A,B,C,D,即強化研磨提高了試樣的耐蝕性,且噴射角度越大,試樣耐蝕性越好。

(a) A

各試樣在不同區域的表面粗糙度Ra值見表2:強化研磨加工后試樣的表面粗糙度值均高于未經強化研磨處理的試樣,且隨著噴射角度的增大表面粗糙度值呈先增大后減小的趨勢。通常,表面粗糙度值增大會加大腐蝕程度,但由于強化研磨三相混流加工能形成一層致密的鈍化膜,使試樣表面晶粒重構細化,更加致密,大大降低了其腐蝕程度。

表2 各試樣的表面粗糙度Ra值

從表2和圖4可以看出:未經強化研磨的試樣表面出現較大的腐蝕孔洞,且腐蝕優先發生在試樣表面的磨痕縫隙內,并沿縫隙方向擴展,同時多處出現白色腐蝕氣泡,這是由于腐蝕過程中伴隨著發熱及化學反應,金屬原子鍵的斷裂與再結晶形成白色氣泡,進而產生腐蝕孔洞,周邊破裂形成棉絮狀結構;從未經強化研磨處理到強化研磨噴射角度60°,試樣表面粗糙度平均值由0.13 μm增至0.28 μm,增幅達115.4%,這是因為經強化研磨的試樣晶粒細化更加致密,同時強化研磨過程中形成一層鈍化膜,腐蝕初期將Cl-阻斷在試樣表面,腐蝕后期Cl-侵蝕鈍化膜進而侵蝕試樣表面,形成少許腐蝕氣泡,腐蝕縫隙較少;強化研磨噴射角度為90°的試樣表面粗糙度值有所降低,這是由于強化研磨三相混流加工過程中研磨粉不斷磨削表面,加工初期由于研磨鋼球的碰撞導致表面粗糙度值增大,隨著強化研磨噴射角度的增大,研磨硬質球對試樣表面產生的外應力矢量增大,研磨粉不斷磨削表面達到精加工的作用,從而降低表面粗糙度值,可見試樣D表面幾乎沒有出現腐蝕縫隙,只存在少許細小致密的腐蝕孔洞和板條狀結構。

3 腐蝕機理分析及腐蝕等級評價

3.1 腐蝕動力學分析

對試樣A和試樣D進行3,6,9,12,15 h鹽霧腐蝕后,按照GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》對試樣進行表面腐蝕產物清除。采用精密微天平測量鹽霧腐蝕前后試樣的質量,將相關數據代入(11)式并通過ORGIN對數據進行擬合得到試樣腐蝕動力學曲線(圖5),進一步計算各試樣在不同腐蝕時間下的腐蝕速率[15],結果見表3:強化研磨試樣和未強化研磨試樣的質量損失均隨腐蝕時間的延長而增大;試樣D在鹽霧腐蝕中的腐蝕速率相比試樣A有所下降,耐蝕性得到提升。

(11)

圖5 未強化研磨和強化研磨試樣腐蝕動力學曲線

式中:R為單位面積質量損失;m1,m2分別為腐蝕前、后試樣的質量;S為試樣的表面積。

相關學者分析試樣銹層對基體材料是否有保護作用時發現[16-17],金屬材料的腐蝕動力學曲線與冪函數較為相像,即

R=Atn,

(12)

式中:t為腐蝕時間;A和n為與材料和腐蝕環境相關的常數,本文A取1.375,n<0.5時腐蝕介質的擴散過程會減弱銹層對金屬基體材料的保護[18],0.5≤n<1時銹層可以達到保護金屬基體材料的作用,n=1為無腐蝕狀態(不考慮),n>1時銹層會加速金屬基體材料的腐蝕。由圖5可得試樣A的n=1.286 5,故銹層會加速對金屬基體材料的腐蝕速度;而試樣D的n=0.723 8,銹層可以起到保護金屬基體材料的作用。

3.2 腐蝕產物分析

24 h鹽霧腐蝕試驗后試樣腐蝕產物層的傅里葉紅外光譜(FT-IR)如圖6所示:腐蝕產物為α-FeOOH,γ-FeOOH,δ-FeOOH和Fe3O4,其中γ-FeOOH的特征吸收峰較強(1 035 cm-1),而α-FeOOH,δ-FeOOH和Fe3O4的特征吸收峰分別為861,860,566 cm-1,由此可見γ-FeOOH是鹽霧腐蝕的主要腐蝕產物;相對于試樣A,試樣D的γ-FeOOH峰較弱,說明強化研磨試樣腐蝕產物層中γ-FeOOH占比較低。在GCr15軸承鋼的腐蝕產物中, 通常α-FeOOH和Fe3O4起到保護基體材料的作用,γ-FeOOH卻恰恰相反,會促進腐蝕反應的發生。文獻[19-20]提出使用α-FeOOH與γ-FeOOH成分的比值衡量腐蝕產物層對基體材料的保護性能,比值越大表明對基體材料保護越佳。強化研磨試樣中γ-FeOOH的占比較低,表明強化研磨試樣腐蝕產物層對基體材料的保護性能更好。

圖6 未強化研磨和強化研磨試樣腐蝕產物層的FT-IR圖譜

3.3 珠光體與馬氏體協同腐蝕起源微觀形貌分析

在鹽霧腐蝕試驗中發現,貝氏體鐵素體組織或單一鐵素體組織的耐鹽霧腐蝕性高于珠光體/鐵素體的混合組織,前者試樣表面會形成均勻致密的腐蝕產物膜,在鹽霧腐蝕初期較易形成致密的銹層達到保護金屬基體的作用。GCr15軸承鋼在鹽霧腐蝕中珠光體溶解示意圖如圖7所示:隨著腐蝕反應的發生,會生成α-FeOOH,γ-FeOOH,δ-FeOOH和Fe3O4等腐蝕產物,銹層不斷疊加,反應減緩,此時Cl-,H+,Fe2+,O不足,珠光體發生溶解,珠光體的基體組織鐵素體、FeC3會形成腐蝕電偶,開始溶解自身鐵素體直至結束,導致腐蝕孔洞周圍先析出的鐵素體發生溶解。

圖7 GCr15軸承鋼在鹽霧腐蝕中珠光體溶解示意圖

在形成馬氏體的過程中由于冷速過快,內部會含有過飽和的碳,且殘余應力和晶格畸變會偏高,文獻[21]的研究表明高殘余應力和含碳量會導致腐蝕加劇,并指出馬氏體含量相近時島狀馬氏體更有利于耐蝕性的提高,此時鐵素體基體晶粒作為陽極發生腐蝕溶解,鐵素體晶界和FeC3為陰極構成腐蝕電偶。本文通過掃描電子顯微鏡SEM(×10 000)觀察經過鹽霧腐蝕24 h試樣的微觀形貌,結果如圖8所示:經過強化研磨后GCr15軸承鋼由于碳化物誘發形成光滑、孤立的點蝕坑,文獻[13]研究發現強化研磨可以使GCr15軸承鋼達到晶粒細化, 位錯密度增大的效果, 有利于在腐蝕發生過程中生成更為致密的銹層;而試樣A則是珠光體和鐵素體形成較為均勻的點蝕坑,主要是珠光體誘發GCr15軸承鋼基體溶解生成。

3.4 三維形貌及腐蝕評價

通過Bruker Countor GT-K 3D光學輪廓儀觀察各試樣表面形貌,截取其腐蝕軌跡(第1列)、二維截面輪廓(第2列)和三維腐蝕形貌(第3列)(圖9),進而通過Vision64 Bruker軟件進行分析。對比各試樣的腐蝕軌跡圖,結合前文腐蝕孔洞形貌分析可知,隨著強化研磨噴射角度的增加,試樣表面逐漸由均勻腐蝕轉化為邊緣點蝕,可以觀察到試樣D腐蝕軌跡呈現四周少許的點蝕軌跡,這是由于強化研磨加工研磨料以隨機分布的形式噴射到基體表面, 基體表面噴射覆蓋不均勻導致。通過各試樣的二維截面輪廓分析其腐蝕產物堆積厚度以及形成的腐蝕孔洞深度:試樣A,B,C,D對應的腐蝕產物堆積厚度分別為20.3,10.3,12.3,8.5 μm,腐蝕孔洞深度分別為15.2,14.7,8.1,6.9 μm,試樣D腐蝕產物堆積厚度較試樣A下降58.1%。由三維腐蝕形貌圖亦可知試樣A以均勻腐蝕為主,試樣D呈現局部腐蝕。這是因為研磨料與工件的碰撞次數會隨著噴射角度的增大而增加,其外應力矢量逐漸增大,會消除部分基體材料初始的內應力,且晶粒逐漸呈現不均勻的形態特征,鋼球沖擊的動能及重力勢能施加到試樣表面,晶粒細化[13]的速度逐漸減緩(強化研磨導致試樣逐漸發生塑性變形),晶粒細化使基體材料的表層組織結構更加致密,形成一種“類織構”表層組織,提高了基體材料的耐鹽霧腐蝕性能。

(a) 試樣A

金屬材料在某一介質環境中抵抗腐蝕的能力被稱為金屬的耐蝕性,通常以金屬平均腐蝕速率評價金屬材料的耐蝕性。針對均勻腐蝕的金屬材料,通常用腐蝕深度表示的腐蝕速率指標對金屬耐蝕性進行評價。質量表示的腐蝕速率vw為

(13)

由質量表示的腐蝕速率vw可推導出用腐蝕深度表示的腐蝕速率vd,即

(14)

(15)

式中:ΔW為腐蝕過程中的質量變化;ΔV為腐蝕過程中的體積變化;Δd為腐蝕深度;ρ為金屬密度。

本文采用前蘇聯金屬耐蝕性十級標準(表4)對強化研磨后的GCr15軸承鋼進行鹽霧腐蝕等級評價,在衡量密度不同的金屬腐蝕程度時,這種腐蝕評價指標十分便捷。計算各試樣由腐蝕深度表示的腐蝕速率以及對應的耐鹽霧腐蝕等級,結果見表5:隨著強化研磨噴射角度的增大,GCr15軸承鋼的腐蝕速率逐漸降低,強化研磨噴射角度與腐蝕速率呈負相關;未強化研磨加工的GCr15軸承鋼的腐蝕速率為0.130 5 mm/a,耐蝕等級為6,而強化研磨噴射角度為90°時,GCr15軸承鋼腐蝕速率為0.060 4 mm/a,耐蝕等級為5,腐蝕速率遠低于未強化研磨試樣,表明強化研磨加工可使工件具有較好的耐蝕性。

表4 前蘇聯金屬耐蝕性十級標準

表5 各試樣的腐蝕速率及耐蝕等級

4 結論

本文通過改變強化研磨噴射角度對GCr15軸承鋼進行加工和沖量矢量理論分析,結合腐蝕產物、SEM、光學輪廓儀對GCr15軸承鋼進行腐蝕分析,研究強化研磨加工后軸承鋼在鹽霧環境中產生的銹層對基體材料的保護機制,主要結論如下:

1)強化研磨試樣經過鹽霧腐蝕試驗得到的n=0.723 8,且γ-FeOOH占比較低,表明強化研磨試樣腐蝕產物層對基體材料的保護性能較好。

2)試樣表面腐蝕嚴重程度由大到小依次為未強化研磨試樣、強化研磨噴射角度30°試樣、60°試樣、90°試樣,腐蝕孔洞逐漸減小,強化研磨提高了試樣的耐蝕性,且耐蝕性與噴射角度呈正相關。

3)隨著強化研磨噴射角度的增加,試樣表面逐漸由均勻腐蝕轉化為邊緣點蝕;強化研磨噴射角度為90°時,GCr15軸承鋼腐蝕速率為0.060 4 mm/a,耐蝕等級為5級。