劉曉初，陳宥丞，周佳華，覃哲，趙傳，張建文

(廣州大學(xué) a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院；b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點實驗室，廣州 510006)

1001-2265(2017)10-0153-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.037

2016-12-29；

2017-02-06

國家自然科學(xué)基金項目(U1601204)；國家基金面上項目(50875052)

劉曉初(1964—)男， 湖南耒陽人，廣州大學(xué)教授，博士，研究方向為智能裝備及機(jī)器人、綠色設(shè)計與制造研究，(E-mail)gdliuxiaochu@163.com。

強(qiáng)化研磨加工滲氮性能實驗及其分析*

劉曉初a,b，陳宥丞a,b，周佳華a,b，覃哲a,b，趙傳a,b，張建文a,b

(廣州大學(xué) a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院；b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點實驗室，廣州 510006)

一般的滲氮工藝存在生產(chǎn)周期長、成本較高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。該研究在軸承的強(qiáng)化研磨加工過程中，通以不同時間的氮氣，利用X射線能譜聯(lián)用儀對各組試樣的化學(xué)元素進(jìn)行定性和定量分析，記錄實驗數(shù)據(jù)和譜圖，并將通入氮氣加工前后軸承套圈表面的元素成分和重量百分含量進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明添加滲氮功能的強(qiáng)化研磨加工提高了軸承套圈表面形的氮元素含量，更容易在軸承套圈表面形成含硼-氮化學(xué)物理膜層，以此作為強(qiáng)化研磨機(jī)的性能分析依據(jù)。

軸承；強(qiáng)化研磨；滲氮；表面氮含量

0 引言

強(qiáng)化研磨是利用“強(qiáng)化塑性加工”和“研磨微切削”于一體的新的表面加工方法，通過機(jī)械化學(xué)表面滲氮，可提高軸承的疲勞壽命[1]。研究表明，在軸承強(qiáng)化和研磨的過程中，同時使用滲氮工藝，可以改善工件的表面質(zhì)量。

鋼鐵滲氮工藝已經(jīng)成為一種重要的化學(xué)處理工藝，其可提高工件的耐磨性能和表面硬度。李兆光等針對空間飛輪軸承的工作特性，采用等離子體浸沒離子注入(PIII)技術(shù)，對軸承內(nèi)外滾道進(jìn)行氮離子注入改性處理，改進(jìn)了軸承的精度變化量以及表面粗糙度[2]。劉洪喜采用氮等離子體浸沒離子注入(N-PIII)技術(shù)提高試樣的滾動接觸疲勞壽命和磨痕光學(xué)形貌、摩擦磨損行為及納米壓痕硬度等機(jī)械性能[3]。S.Collins在鹽浴實驗中觀察到，滲氮層的過飽和固溶硬化和析出Cr2N的彌散沉淀硬化都會使?jié)B層的硬度性能提高，但是525℃滲氮時由于Cr2N的彌散析出使耐蝕性下降，基于此現(xiàn)象，他經(jīng)過多次實驗得出滲氮出現(xiàn)沉淀析出相的門檻值T-t曲線，對現(xiàn)實有很大的指導(dǎo)意義[4]。文獻(xiàn)[5]研究了低溫環(huán)境下滲氮處理對奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能的影響。L.Han等運用活性屏離子滲氮快速滲氮工藝使?jié)B氮速度得以提高，而且保持了滲氮層的硬度高，同時建立了“吸收-擴(kuò)散”模型來解釋其原因[6]。王梟等對304不銹鋼表面進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，再進(jìn)行不同溫度下的低溫等離子滲氮，研究得到材料的滲氮組織性能、低溫滲氮效果達(dá)到最好的表面機(jī)械研磨處理時間[7]。吳云霞使用表面噴丸和機(jī)械研磨(SMAT)兩種方式對304奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面預(yù)處理，將表面預(yù)處理效果最好的兩組試樣進(jìn)行低溫離子滲氮和常規(guī)離子滲氮試驗，系統(tǒng)研究了表面預(yù)處理對304奧氏體不銹鋼等離子滲氮滲層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響[8]。羅偉等采用430℃低溫鹽浴對304奧氏體不銹鋼進(jìn)行滲氮處理，研究了滲氮時間對滲氮層組織和性能的影響，并得出耐蝕性能是最好的滲氮時間[9]。彭繼華等發(fā)明了一種鋼鐵工件表面低溫高效快速離子滲氮的表面處理方法，使?jié)B氮層生長速率達(dá)到30～50μm/h[10]。以上滲氮工藝存在生產(chǎn)周期長(一般要數(shù)十到數(shù)百小時)、成本較高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點[11]。

為解決以上缺點，本研究針對軸承的強(qiáng)化研磨加工過程，加入了滲氮工藝，對滲氮裝置進(jìn)行性能測試分析。通過對軸承工件進(jìn)行帶滲氮的強(qiáng)化研磨加工，觀察加工后的軸承套圈表面氮元素含量，探究新增加的氮氣裝置的滲氮效果。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備與試驗對象

本試驗使用的加工設(shè)備為廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院自主研發(fā)的軸承套圈無芯強(qiáng)化研磨機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)包括：電磁無芯夾具系統(tǒng)、強(qiáng)化研磨料高壓噴射與回收裝置、自動控制系統(tǒng)。

試驗加工對象為經(jīng)過熱處理和精加工后的6207深溝球軸承外圈，外徑為72.00mm，寬度為10.00mm，材料為GCr15軸承鋼，表面硬度達(dá)到60～62HRC。

1.2 試驗強(qiáng)化研磨料的配制

研磨料的主要成分包括研磨液、研磨粉和鋼珠。

1.2.1 強(qiáng)化研磨液配制

經(jīng)過前期的強(qiáng)化研磨研究成果，得到研磨液的基本原料配方如表1所示，按比例把研磨液原料投入調(diào)和罐中，攪拌均勻，裝瓶貯存。在使用時，用適量的水將濃縮液稀釋到實驗所需的工作液。

表1 強(qiáng)化研磨液組成成分

1.2.2 軸承強(qiáng)化研磨實驗研磨粉選用

軸承強(qiáng)化研磨加工實驗用的研磨粉主要成分是棕剛玉，其質(zhì)地致密，硬度較高、承載壓力大，在磨削中抗破碎能力較強(qiáng)，價格適中，因此被廣泛應(yīng)用于研磨、拋光、噴丸、噴砂等金屬表面處理工序上。

在本次試驗中，強(qiáng)化研磨粉所用的棕剛玉規(guī)格主要為80#，100#，120#，質(zhì)量分別為200g，200g，300g。

1.2.3 強(qiáng)化研磨鋼丸

(1)鑄鋼丸

鑄鋼丸是由優(yōu)質(zhì)的鋼碎料經(jīng)熔化后，用高壓水流噴射使在熔融狀態(tài)下的鋼水形成球狀丸體，再次對其進(jìn)行加熱以凈化勻質(zhì)，然后進(jìn)行淬火處理。淬火后的鋼丸在熔爐內(nèi)烘干并再次加熱回火使其達(dá)到一定的硬度，然后經(jīng)過回火處理。強(qiáng)化研磨實驗中所用的鑄鋼丸規(guī)格主要為0.3mm，0.5mm，0.8mm鑄鋼丸。

(2)軸承鋼丸

軸承鋼丸表面硬度達(dá)到62～65HRC，材料具有良好的耐磨性。在本次性能分析實驗中，所用到的軸承鋼丸的規(guī)格主要有2mm，3mm，4mm，其中4mm的軸承鋼丸可根據(jù)情況選用。

1.3 試驗方案

1.3.1 試驗參數(shù)設(shè)定

加工參數(shù)及各自對應(yīng)的數(shù)值如表2所示。

表2 加工參數(shù)設(shè)置

1.3.2 試驗步驟

運用實驗對比的方法，先對一個軸承工件進(jìn)行不加入氮氣的強(qiáng)化研磨加工，其他軸承通入氮氣，每組通氮時間均不同，加工后檢測軸承工件表面的元素含量變化，對比加工前后的氮含量。表3為每組軸承強(qiáng)化研磨加工過程中，通入氮氣的時間。

表3 每組軸承通入氮氣的時間

2 試驗結(jié)果與分析

進(jìn)行滲氮強(qiáng)化研磨加工時，總體加工時間均為5min，而氮氣通入時間不同。經(jīng)過滲氮強(qiáng)化研磨加工后，軸承工件外觀與沒有通入氮氣加工時差別不大。在加工實驗完成后，用INCA能譜儀(X射線能譜聯(lián)用儀)對五個工件中的元素含量分別進(jìn)行定性分析和定量分析。

2.1 定性分析：能譜分析

通過能譜分析儀得出各工件試樣隨機(jī)區(qū)域的能譜分析(譜圖)如圖1～圖6所示。

圖1 試樣0譜圖

圖2 試樣1譜圖

圖3 試樣2譜圖

圖4 試樣3譜圖

圖5 試樣4譜圖

圖6 試樣5譜圖

通過對能譜圖的分析，鐵元素的波峰較大，這兩種元素在軸承表面中仍然占大多數(shù)，硼元素的波峰也在能譜圖中觀察到較明顯的波峰，說明研磨液在強(qiáng)化研磨的過程中在軸承表面起物理化學(xué)反應(yīng)。而反觀氮元素，在五個能譜圖上的波峰都較小，但對比其滲氮前的強(qiáng)化研磨加工的軸承，氮含量的波峰還是有所提高，說明在通入氮氣后，軸承試樣表面的氮含量對比在沒有通入氮氣的情況下有所提高。

2.2 定量分析：各元素含量分析

能譜儀分析加工前后各試樣不同分析區(qū)域的元素含量，結(jié)果記錄見表4～表9。

表4 試樣0元素含量

表5 試樣1元素含量

表6 試樣2元素含量

表7 試樣3元素含量

表8 試樣4元素含量

表9 試樣5元素含量

經(jīng)過X射線能譜儀的分析，強(qiáng)化研磨加工后的軸承工件含量較高的元素主要為硼、氮、鉻、鐵等，其中：硼，氮元素相對于經(jīng)過普通的強(qiáng)化研磨加工的軸承工件含量較高。在強(qiáng)化研磨加工前，軸承套圈表面不含硼、氮兩種元素，而在加工后，硼、氮元素存在于軸承套圈的表面，含量為19.78%，0.86%，說明經(jīng)過強(qiáng)化研磨加工后，軸承套圈表面形成含硼、氮的化學(xué)物理膜層。當(dāng)在強(qiáng)化研磨加工的過程中通入氮氣，形成滲氮強(qiáng)化研磨加工后，軸承工件表面的氮元素含量有明顯的增加，硼元素含量也隨之而增加，說明滲氮強(qiáng)化研磨生成的硼氮化學(xué)物理層覆蓋在軸承表面，并且相對于沒有通入氮氣的強(qiáng)化研磨加工，其表面化學(xué)物理覆膜的氮含量更高，因此，氮氣機(jī)有利于提高強(qiáng)化研磨加工的效率。

氮氣通入時間對軸承氮含量的影響如圖7所示(只分析元素重量百分含量)。在不同通氮時間下，軸承工件含氮量分別是1.05%，1.26%，1.50%，1.73%，2.05%。與通入氮氣之前的軸承工件對比，含氮量對比如圖8所示，其中軸承工件的硼元素如圖9所示。

圖7 軸承工件含氮量與氮氣通入時間關(guān)系圖

圖8 滲氮強(qiáng)化研磨加工氮含量前后對比圖

圖9 硼元素含量變化

總體含氮量比沒有通入氮氣的要高，而硼元素的含量變化不大。隨著時間的推移，軸承工件表面的氮含量變化逐漸趨向平緩的趨勢，并會接近一個定值，由此可以得出，滲氮的效率在前五分鐘內(nèi)變化比較明顯，而在氮氣通入五min之后，氮含量的曲線斜率平緩，說明此時氮氣流的滲氮作用不明顯，當(dāng)軸承工件的含氮量在2.05%左右時，即使繼續(xù)通入氮氣，軸承工件表面含氮量的變化較小。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，在研磨機(jī)對軸承套圈進(jìn)行加工的過程中，供以一定時間的氮氣可以使軸承工件表面的氮元素含量明顯升高，而且由于氮氣的隔絕作用，減少在強(qiáng)化研磨加工中產(chǎn)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)滲入氧氣，軸承中的氧含量有減少的趨勢。

[1] 姬武勛，劉曉初，溫溢恒，等. 基于強(qiáng)化研磨技術(shù)仿真分析優(yōu)化噴射速度[J]. 科技視界，2015(29):35,50.

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ExperimentandAnalysisofEnhancedAbrasiveNitridingPerformance

LIU Xiao-chua,b, CHEN You-chenga,b, ZHOU Jia-huaa,b, QIN Zhea,b, ZHAO Chuana,b， ZHANG Jian-wena,b

(a.Department of Mechannical and Electrical Engineering；b.Key Laboratory of high-peformance Metal Materials Reinforced Grinding Machining, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

General nitriding process has many disadvantages, such as long production cycle, high cost and complex structure. In this study, the process of bearing grinding was carried out in different time. Using X-ray spectrum to scan each sample for the qualitative and quantitative analysis of chemical elements. Recording the experiment data and the spectrum diagram and then comparing the elemental composition of the sample′s surface from processing before and after ventilation with nitrogen. The results show that the strengthening and polishing function improved adding nitriding nitrogen content of the surface shape of bearing rings, more easy to form B-N chemical physical film on the bearing surface, so as to strengthen the performance of grinding machine on the basis of the analysis.

bearing; reinforced grinding; nitriding; surface nitrogen content

TH142;TG58

A

(編輯李秀敏)