廖一峰，賈紅玲, 彭樟林

(1.韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；2.韶關(guān)東南軸承有限公司，廣東 韶關(guān) 512029；3. 浙江林學(xué)院 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300)

輪轂軸承的主要作用是承重和為輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確引導(dǎo)，它既承受徑向載荷和軸向載荷[1]，且影響汽車行駛系統(tǒng)以及整車的安全性，是一個(gè)非常重要的零部件。輪轂軸承通常用GCr15制造，一般對(duì)其表面進(jìn)行滲碳或離子注入以增加軸承的耐磨性和耐蝕性[2-3]。而通過對(duì)輪轂軸承表面進(jìn)行化學(xué)復(fù)合鍍，可以進(jìn)一步提高軸承表面的耐磨性及其耐腐蝕能力。

1 輪轂軸承化學(xué)復(fù)合鍍

選用韶關(guān)東南軸承有限公司生產(chǎn)的第一代汽車輪轂軸承單元，型號(hào)為R3464，尺寸為34 mm×64 mm×37 mm，公差等級(jí)為P0。試樣的處理工藝為：堿洗→熱水洗→冷水洗→15% HCl酸洗→冷水洗→10% HCl活化→化學(xué)復(fù)合鍍(Ni-P-C)→熱水洗→吹干→精磨。

1.1 復(fù)合鍍液組成及工藝條件

鍍液成分：硫酸鎳27 g/L，次磷酸氫鈉30 g/L，乳酸25 mL/L，硼酸5 g/L，聚乙二醇0.1 g/L，少量穩(wěn)定劑。為減少影響因素，使用去離子水配制鍍液。

選用山東金凱馳公司生產(chǎn)的10 nm金剛石復(fù)合鍍液，為使納米金剛石顆粒均勻分散在鍍液中，試驗(yàn)之前先用超聲波振蕩器振動(dòng)30 min，然后按0.5%的比例把納米金剛石懸浮液加入到已配制好的鍍液中，并通入潔凈空氣進(jìn)行攪拌。

鍍液溫度85 ℃,pH=4.8，施鍍時(shí)間為70～90 min。

1.2 鍍后效果分析

1.2.1 鍍層形貌分析

鍍層表面及耐磨測(cè)試后的形貌用LEO-1530VP型場(chǎng)發(fā)射電子掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察；復(fù)合鍍層表面化學(xué)成分使用掃描電鏡的能譜儀(EDS)測(cè)量。由圖1可知，復(fù)合鍍層的表面平整光滑，組織細(xì)密，無麻點(diǎn)、空洞等缺陷，納米金剛石在復(fù)合鍍層中分布較為均勻，Ni-P基對(duì)納米金剛石微粒包裹完整(圖中小顆粒是鎳、磷和金剛石組成的化合物)。使用掃描電鏡自帶的能譜儀對(duì)復(fù)合鍍層的膜面及其小顆粒進(jìn)行了分析，圖2所示為復(fù)合鍍層膜面和小顆粒的能譜圖，表1為復(fù)合鍍層整個(gè)膜面的成分分析。能譜分析表明，復(fù)合鍍層中除了含有鎳、磷外還含有金剛石及微量的鐵，鐵元素的存在說明在鍍態(tài)下，F(xiàn)e，Ni元素相互間有明顯擴(kuò)散。這是由于Ni，F(xiàn)e元素的原子半徑相近，相互間較容易形成固溶體，而P與Fe 的原子半徑相差較大，P在Fe中的固溶度很低，因而不容易向Fe中擴(kuò)散[4]。有資料表明鍍層對(duì)微粒的捕捉是簡(jiǎn)單的幾何形狀鎖定，或通過兩者之間的機(jī)械嚙合作用[5-7]。由圖2可以說明，F(xiàn)e進(jìn)入鍍層中，與Ni間是通過界面作用力相互結(jié)合的。

圖1 復(fù)合鍍表面形貌

圖2 復(fù)合膜及小顆粒的EDS

表1 復(fù)合膜的成分 %

1.2.2 硬度分析

使用HXZ-1000顯微硬度計(jì)測(cè)試了施鍍前、后的硬度。對(duì)各樣品取5點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，綜合其平均值。從結(jié)果來看，普通產(chǎn)品硬度值為763.2 HV0.2,鍍后樣品的硬度值為797.4 HV0.2,復(fù)合鍍后硬度略有提高，但不明顯。這主要是鍍后樣品未經(jīng)熱處理，鍍層為亞穩(wěn)定狀態(tài)的非晶態(tài)納米鎳磷合金結(jié)構(gòu)。

2 耐磨性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)《R3464納米處理和普通產(chǎn)品耐久性對(duì)比試驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定，取普通品與復(fù)合鍍處理后樣品各4套，安裝在NSQD20-60一般性耐久性及泥漿噴沙試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)為：環(huán)境溫度為室溫，轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，試驗(yàn)時(shí)間為48 h，鎖緊力矩為280 N·m，軸承與軸為n6配合，與座孔為S7配合。試驗(yàn)循環(huán)周期為40 s，表2為1個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)徑向力和軸向力的變化及對(duì)應(yīng)加載時(shí)間。

表2 1個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)軸向和徑向力的變化

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過一般性連續(xù)耐久性48 h試驗(yàn)，由表3可知：經(jīng)過復(fù)合鍍后的試樣抗磨性可達(dá)60 h以上，而普通的試樣只能維持在50 h左右，抗磨性能前者明顯好于后者。這主要是經(jīng)過化學(xué)復(fù)合鍍的試樣的摩擦系數(shù)比普通試樣要低。其原因?yàn)椋杭{米金剛石顆粒在化學(xué)復(fù)合鍍過程中與Ni離子一同沉積在試樣表面，在往復(fù)的摩擦界面間起到良好的自潤(rùn)滑作用，從而使摩擦系數(shù)降低[8]。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖3是汽車輪轂軸承磨損表面形貌SEM照片。由圖3可以看出，未經(jīng)化學(xué)復(fù)合鍍的軸承表面磨損表現(xiàn)為黏著磨損特征，呈現(xiàn)相對(duì)較深的犁溝以及嚴(yán)重的褶皺、黏著現(xiàn)象，磨痕不均勻，且磨損量較大，為嚴(yán)重磨損。而化學(xué)復(fù)合鍍軸承表面磨痕較淺，這是由于高硬度的金剛石粒子在鍍層中存在，起著支撐硬化作用，使鍍層硬度提高，磨損減輕。另外納米金剛石在磨損過程中具有自潤(rùn)滑作用，也使鍍層磨損減輕[9-10]。由此可知，均勻分布的納米金剛石顆粒有利于提高軸承表面的硬度及抗磨性能。

圖3 磨損后的形貌

3 結(jié)束語

(1)鍍層與微粒間不是通過簡(jiǎn)單的鑲嵌或機(jī)械嚙合作用共沉積，而是通過界面作用力相結(jié)合。

(2)化學(xué)復(fù)合鍍Ni+P+C能改善軸承表面特性，提高硬度，增強(qiáng)抗磨損能力。

(3)由于軸承的同心度要求較高，所以鍍覆后的軸承需要先進(jìn)行精磨才能達(dá)到技術(shù)要求。