基于强化研磨轴承套圈表面化学成分分析

刘晓初，关水建，黄 骏，何铨鹏，王 豪，陈志斌

(广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006)

轴承是机械工业至关重要的通用零部件，被誉为机械的关节，其表面质量直接关系到设备的运作、寿命.轴承常用表面硬改性方法来提高显微硬度，以增强表面的抗摩擦磨损能力，主要有直接形变强化(喷丸、滚压)、化学热处理(渗碳、渗氮等)、表面热处理(表面感应加热淬火等)及薄膜强化(气相沉积、辉光放电沉积、离子注入等)等［1］.因常规轴承表面处理成本高，效果单一，文献［2］提出一种基于复合加工方法的机械表面加工方法，通过将混有高强度喷丸的强化研磨料喷射到工件表面上，在高强度的机械力作用和诱发下，工件表面产生有利的残余应力层、硬质层，以及有利于储油润滑的“微观油囊”，延长其疲劳寿命.

本实验采用一种新型的轴承强化研磨设备对轴承套圈表面进行加工处理，并使用X射线能谱联用仪对轴承强化研磨加工后产生减摩抗磨作用的物理膜层作化学元素分析.

1 机理分析

轴承强化研磨机将强化研磨料(强化研磨料由强化钢丸、研磨粉、强化研磨液按一定比例混合而成)与高压气体混合，经高速喷射系统形成固、液、气三相混合喷射流，与套圈表面产生随机、等概率的碰撞［3］.实验团队进行大量实验得出，强化研磨在气压0.4 MPa、钢丸喷射下，工件表面粗糙度达到最低.

含氮硼酸酯易在高温、高压、金属位错及外逸电子等效应的促进下发生摩擦化学反应，在金属工件表面生成含有层次结构的硼酸、三氧化二硼、有机氮等复合化学物理膜层［4］.硼砂有良好的杀菌、防腐、抗磨能力，与工件表面可产生摩擦化学反应，生成含硼化学物理膜层.

根据THIESSEN等提出的机械化学机理，机械力作用导致晶格松弛与结构裂解，激发出高能电子和等离子区，因而机械力化学有可能进行通常情况下热化学所不能进行的反应，使固体物质的热化学反应温度降低，反应速度加快［5－6］.通过高压喷射，强化钢丸强烈撞击工作表面，激发高等离子态达到研磨液与工件表面反应条件，在摩擦表面生成了含BO、BN、O-Fe-B等成分的复杂的含B、N化学物理膜层，从而起到极压减摩抗磨作用.

2 试验及其检测装置

2.1 试验设备及其配件

强化加工试验的主要设备是广州大学研制的轴承强化研磨机，它由强化研磨料混合喷射及回收集成系统、电磁无心装夹定位装置、高压喷头、安全防护装置、设备自动控制系统组成.

场发射扫描电子显微镜具有高性能X射线能谱仪，其工作原理是细聚焦电子束入射试样表面，激发出试样微区元素的特征X射线，分析特征X射线的波长(或特征能量)即可知道微区中所含元素的种类，分析X射线的强度，则可知道微区中对应元素含量的多少，为是否形成含B、N化学物理膜层提供实验依据.

实验加工对象为经过热处理和精加工后的6207深沟球轴承的外圈，其外径为72.00 mm，材料为GCr15轴承钢，表面硬度可达60～62 HRC.

2.2 研磨液配方

工业加工中使用的强化研磨液一般由强化钢丸、研磨粉和强化液等组成.其中强化钢丸主要是由铸钢丸、轴承钢丸混合而成;研磨粉为3种不同型号的棕刚玉按一定配比混合;强化液则由含水基氮硼酸酯(极压添加剂)、硼砂(pH缓冲剂)、苯甲酸(防腐剂)、乙二胺四乙酸二钠(络合剂)、脂肪醇聚氧乙烯醚(非离子表面活性剂)、三乙醇胺(pH调节剂)、NaOH、渗透剂 JFC、消泡剂、防锈剂及水按一定比例混合组成.其组合及比例见表1.

2.3 试验方案

通过使用强化研磨机在0.4 MPa的压力下对轴承外圈套进行高压喷射，工件转速为150 r·min－1，喷射时间为5 min，喷嘴与工件表面的距离为45 mm，喷射角度为45°.强化处理后，制成试样，将试样清洗干净，自然风干，选择理想区域，进行多次能谱分析.

2.4 试验结果与分析

轴承套圈强化研磨前后对比，工作表面形貌有明显变化.采用线切割技术将套圈试件进行切割，并进行表面能谱分析.

对加工前后的工件表面进行X500放大观察，能谱仪分析加工前后试样区域的能谱分析图(谱图)见图1.

表1 强化研磨料组分Table 1 The composition of grinding abrasive

图1 试样加工前后微区域放大及其谱图Fig.1 Sample micro regional amplification and its spectra before and after processing

对比加工前后谱图元素波峰，元素组成和含量变化很大.其中加工后B、N元素变化较大，Cr、Mg、Al、Ca、Si等元素亦有增加.

为保证数据准确性、科学的严谨性，对加工前后轴承外套圈进行多区域元素检测，分别共测数据10组，取其平均值，研究结果见表2～3.

表2 加工前试样表面元素平均含量Table 2 The average content of unprocessed sample surface'chemical element

表3 加工后试样表面元素平均含量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变化较大，整理分析见表4.其余微量元素在此不作分析.

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

由表4可见，加工前试样表面Fe、C、Cr 3种元素的含量较高，亦含有微量的O、P、S、Na等元素，没有分析出N、B等元素.

加工后试样表面B、N、Fe、C、O等5种元素的含量较高，含有微量的 Cr、Na、Mg、Al、Ca、Si、P、S等8种元素，分析出化学物理膜层中含有B、N元素，且含量比较高，因此，可推断出经强化研磨加工后的轴承套圈表层存在含B、N元素的化学物理膜层.

3 结论

强化研磨加工对轴承整体性能，如强度、耐磨、抗腐蚀性能等有较大的提升.对比分析加工前后套圈表面化学元素变化，结合机械化学理论，可得出以下结论:

(1)根据摩擦化学理论，与加工前后轴承圈套检测的B、N元素对比，推断出经强化研磨加工后，套圈表面含B、N化学物理膜层;

(2)加工前后套圈表面Fe、Cr元素百分含量分别减少85.7%和80.4%.能谱分析仪可探测金属表面深度3 nm内的元素种类和含量［7］，推测经强化研磨加工后，套圈表面生成了一层物理化学膜层覆盖在表面，从而使Fe、Cr 2种元素百分含量大幅下降;

(3)加工后的套圈表面O元素剧烈增加，含量是加工前的7.59倍，说明O元素在研磨料与套圈表面激烈碰撞过程中与B、N、Fe等元素发生了摩擦化学反应，生成了氧化膜层(如B2O3)和含氮有机物、硼酸酯铁等富含O物质.

(4)含氮硼酸酯易在与金属表面摩擦高温下发生化学反应生成化学反应膜［8］.水基含氮硼酸酯在金属摩擦表面生成强附作用的硼酸酯铁、有机氮化合物等复合化学物理膜层.

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