軸承表面處理線性缺陷的產生機理及其宏觀形貌分析

王超俊,楊俊生,葉健熠,范雨晴,王東峰

( 1.河南開放大學,鄭州 450046;2.洛陽軸研科技有限公司,河南 洛陽 471039;3.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039)

隨著軸承零件對表面性能要求的提高,表面處理[1]越來越廣泛地應用在軸承生產過程中,如磷化和發黑等。軸承制造過程中一般通過磁粉檢測并剔除帶有裂紋(一般為線性)的零件,現發現多起軸承表面化學處理導致的線性缺陷,其在磁粉探傷中的形態與裂紋一致。進一步分析發現,這是一種由電化學腐蝕中水線腐蝕[2-3]導致的特殊缺陷,產生原因是酸性溶液在軸承溝道停留時間過長,且軸承零件化學處理工序接近最終工序,水線腐蝕會導致批量性的質量事故,其鑒別分析對現階段軸承的生產過程具有重要的指導意義。

1 軸承零件線性缺陷案例

推力球軸承座圈正反面均有溝道,材料為42CrMo,基本工藝為:鍛件→車削→調質→溝道表面感應淬火→粗磨→磁粉探傷→細磨→磁粉探傷→磷化→溝道拋光→裝配。

座圈粗磨和細磨后經磁粉探傷均未發現裂紋,磷化后拋光溝道發現異常,再次進行磁粉探傷檢測,發現沿著溝道兩側對稱分布的線性磁痕,如圖1中紅色箭頭所示。

2 缺陷性質分析

缺陷大量隨機分布在推力球軸承座圈的一列溝道上,反面的溝道無此缺陷。擦除磁痕,退磁后重復探傷,缺陷磁痕均重復出現。

黑色磁粉探傷的觀察環境為白光,與肉眼的觀察環境相同,可識別缺陷與周圍痕跡之間是否存在關聯。圖1的缺陷經黑色磁粉探傷檢測后的結果如圖2所示:從紅色箭頭指示的線狀磁痕可看到缺陷大致沿溝道兩側對稱分布;從藍色箭頭指示可看出缺陷在端部有圓滑自然的線性閉合特征。

圖2 座圈溝道磷化后缺陷(黑磁粉檢測)

在白光下依然可辨識擦除磁痕后兩端都閉合的缺陷,如圖3(與圖2的缺陷并非一處)所示,與圖2相比,圖3缺陷的長度整體較短。

圖3 座圈溝道缺陷白光形貌

另一小段溝道內出現的3處缺陷如圖4所示,圖5為圖4中藍色箭頭指示缺陷的局部放大圖,結合圖4和圖5的缺陷形貌,已經可識別出圖5箭頭包絡的缺陷痕跡整體形態為液滴在溝道上的輪廓。圖3箭頭包絡的缺陷痕跡整體形態為液體條在溝道上的輪廓,圖2和圖1中的缺陷同樣為更長的液體條在溝道上的輪廓。

圖4 座圈溝道局部缺陷形貌

圖5 缺陷水滴輪廓

綜上可知:缺陷整體形態為分布在軸承溝道上的液滴或者液體條的輪廓。

3 水線腐蝕

水線腐蝕是電化學腐蝕中的一種選擇性腐蝕。如圖6所示,在金屬、液體和氣體三者的交界面處氧氣容易進入,從而使交界面鐵原子的電位降低成為電化學腐蝕的陰極,在水線下方一定深度內,氧氣到達困難,氧濃度低,此處鐵原子的電位高,形成電化學腐蝕的陽極[4],即

圖6 水線腐蝕示意圖

陰極反應:O2+2H2O+4e→4OH-1,

陽極反應:Fe→Fe2++2e。

水線腐蝕可以導致線性缺陷,符合上述缺陷液體滯留輪廓的特征,但上述缺陷線性很強,且在表面處理過程的短時間內就出現腐蝕,與一般理論所述的水線腐蝕又不完全吻合。

4 軸承零件表面處理中的水線腐蝕

4.1 酸性溶液對水線腐蝕的影響

單純的水線腐蝕是電化學腐蝕,但當溶液中存在酸時,腐蝕速率并不是二者的線性疊加。電化學反應首先發生在陽極與陰極電位差最大位置的裸露新鮮金屬表面上,酸性溶液腐蝕后會使此處的氧含量更低,與陰極的電位差更大,從而使發生反應的陽極區域更集中,二者耦合的結果是水線腐蝕的速率更快,且腐蝕的線性特征也更強。

4.2 酸性溶液的來源

為保障軸承零件表面處理的質量,一般都要經過預處理,其中包括酸洗[5],目的是去除金屬表面的銹蝕和氧化層,活化表面,露出新鮮的金屬表面,為后續化學處理做好準備。軸承零件化學處理本身有很多工藝就在酸性條件下進行[6],因此,軸承零件表面在化學處理過程中一般都會接觸到強酸性溶液。

4.3 軸承結構對水線腐蝕的影響

由于溝道的存在,當軸承零件從酸性溶液中提離時液體難以完全被去除,殘留的酸性溶液在溝道形成水滴或液栓(液體條)。薄壁推力球軸承采用水平擺放方式,會在一條溝道內產生隨機性的缺陷。通常球軸承采用懸掛法處理在外圈溝道處會有液體匯集殘留,而內圈溝道不會存在此種缺陷。

如果酸性溶液在溝道內存留的時間過長,水線腐蝕缺陷加劇。圖7是深溝球軸承發黑處理后的水線腐蝕缺陷,在每個發黑處理后的外圈溝道均存在,內圈溝道無任何缺陷。外圈溝道底部液體積存量過多和存留時間過長,溝道一側存在2條腐蝕痕(圖7a中箭頭所示),且線性腐蝕的局部已經呈孔坑形態(圖7b箭頭處)。

(a) 熒光磁粉檢測

4.4 水線腐蝕的磁粉探傷顯示

磁粉探傷時,軸承零件表面發生水線腐蝕后缺陷的局部形態為線性,整體形態為液體或液體條與軸承溝道交界形成的輪廓。由于水線腐蝕的尖銳性,在磁粉探傷時缺陷處會有磁感線泄露,存在一定的磁力吸附作用,使磁粉流動后沉積在軸承表面線性腐蝕的低凹處。因此磁粉探傷時水線腐蝕缺陷處會有線性磁痕。

5 試驗驗證

將通常用作軸承燒傷檢查的5%硝酸酒精溶液滴在磨削后的軸承鋼零件表面。10 s和5 min后的形態分別如圖8a和圖8b 所示,5 min后液滴已基本干涸,但有一層反應膜存在,擦除膜后可看見黑色的腐蝕表面(圖8c),用拋光布去除表面的腐蝕痕跡,可看見有明顯的圓形邊界存在(圖8d)。試驗結果證明了由于水線腐蝕的存在,邊界處的腐蝕速率更大,且在酸性溶液的作用下,水線腐蝕的線性得到了強化。

(a) 10 s (b) 5 min

6 結束語

軸承表面處理過程中產生水線腐蝕的線性形態是對自然界線性界面的一種近似仿形的結果,酸性溶液的存在提高了水線腐蝕的速率并強化了其線性特征。可以從宏觀和微觀不同的角度對缺陷進行鑒別。現階段隨著各類檢測儀器的不斷出現,微觀分析越來越多地被采用,本文的分析過程說明宏觀分析的重要性。