軸承工序間水溶性防銹劑的應(yīng)用試驗(yàn)

楊明奇，王明杰，奚強(qiáng)，張博文

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039；4.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039)

軸承套圈的生產(chǎn)要經(jīng)過(guò)多個(gè)車(chē)削、磨削工序，期間需在車(chē)間或半成品庫(kù)里置留一定的時(shí)間，套圈容易發(fā)生銹蝕，特別是高溫、高濕的地區(qū)或季節(jié)，銹蝕發(fā)生的幾率更大。一般常用防銹油和亞硝酸鈉水進(jìn)行防銹，但車(chē)、磨削加工一般采用水溶性加工液，使用防銹油防銹去除難度大；另一方面，殘留的防銹油會(huì)帶到下個(gè)工序的加工液中，影響加工液的性能和壽命；而采用亞硝酸鈉進(jìn)行防銹效果雖好，但亞硝酸鹽具有毒性，能使人體血紅蛋白中的二價(jià)鐵轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r(jià)鐵，失去氧攜帶功能，造成人體因缺氧而中毒[1]。因此，軸承工序間應(yīng)采用新型的水溶性防銹劑進(jìn)行防銹。文中將探討此類(lèi)防銹劑的濃度、pH值、使用方法和溫度、濕度對(duì)防銹性能的影響以及相關(guān)預(yù)防管理措施。

1 銹蝕分析

采用掃描電鏡分別對(duì)軸承外圈表面的2個(gè)銹蝕區(qū)域進(jìn)行觀察(圖1)，之后再用EDS能譜儀進(jìn)行成分分析(圖2)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。由表可知，套圈在一定濕度和溫度的環(huán)境中表面生成了Fe的氧化物。

表1 軸承外圈表面銹蝕區(qū)的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of surface rusted area on bearing outer ring

圖2 軸承外圈表面銹蝕區(qū)能譜分析曲線Fig.2 Energy spectrum analysis curve of surface rusted area on bearing outer ring

軸承套圈在工序間一般裸放在車(chē)間，置留時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)與空氣中的氧氣和水蒸氣長(zhǎng)時(shí)間接觸，具備發(fā)生銹蝕的條件。當(dāng)套圈表面吸附水分時(shí)會(huì)形成一定厚度的水膜，由于水膜中含有O2和雜質(zhì)離子，就形成了電化學(xué)腐蝕所需要的電解質(zhì)溶液[2]。這類(lèi)電化學(xué)過(guò)程將隨溫度、濕度的升高和水蒸氣中溶解的CO2和SO2等酸性氣體而加劇，腐蝕電池會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)。

Fe被氧化成Fe2+，2Fe-4e = 2Fe2+;水膜中溶解的少量O2獲得電子，與水分子結(jié)合成OH-，O2+2H2O+4e = 4OHˉ；其結(jié)果為

2Fe +O2+2H2O =2Fe(OH)2。

套圈表面的鐵原子不斷溶解生成Fe(OH)2，而Fe(OH)2也不穩(wěn)定，進(jìn)一步與水膜中的氧氣和水反應(yīng)，生成不溶于水的Fe(OH)3，附著在套圈表面上形成紅褐色的銹層，即

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3。

防止套圈發(fā)生銹蝕的有效方法之一是在其表面增加一層保護(hù)膜來(lái)阻止或延緩空氣中的氧氣和水蒸氣與表面接觸。車(chē)間使用一款不含亞硝酸鈉的，含有不同種類(lèi)羧酸醇胺鹽和成膜劑的水溶性防銹劑，其含有能吸附于金屬表面的極性官能團(tuán)，能在金屬表面形成牢固的吸附膜，阻止參與腐蝕反應(yīng)的有關(guān)腐蝕介質(zhì)向表面移動(dòng)，減少與表面的接觸，從而使腐蝕速度得到減緩[3-4]。文中對(duì)該水溶性防銹劑進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。

2 水溶性防銹劑的性能試驗(yàn)

2.1 濃度對(duì)防銹性的影響

水溶性防銹劑的濃度是使用過(guò)程中應(yīng)首先關(guān)注的一個(gè)重要指標(biāo)，濃度過(guò)低將導(dǎo)致防銹性能不足，引起套圈的銹蝕；濃度過(guò)高，從經(jīng)濟(jì)角度看也是一種浪費(fèi)。因此，需確定水溶性防銹劑的最佳使用濃度。分別選不同濃度的水溶性防銹劑，參照GB/T 6144—2010《合成切削液》中的單片和疊片進(jìn)行試驗(yàn)，觀察銹蝕情況，結(jié)果見(jiàn)表2。由表可知，6%～10%濃度時(shí)防銹性能較好，因此，車(chē)間一般選8%左右的濃度。

表2 不同濃度防銹劑的防銹試驗(yàn)Tab.2 Anti-rust test of anti-rust agent with different concentrations

2.2 pH值對(duì)防銹性能的影響

水溶性防銹劑應(yīng)在堿性環(huán)境下使用，pH值過(guò)低會(huì)降低防銹性能，而pH值過(guò)高又會(huì)傷害操作者皮膚。不同pH值下8%稀釋液的防銹效果見(jiàn)表3，由表可知，pH≥8.5時(shí)防銹效果較好。實(shí)際應(yīng)用中pH>9.5會(huì)引起操作者的皮膚過(guò)敏，綜合考慮，防銹劑在使用過(guò)程中的pH值應(yīng)控制在8.5～9.5之間。對(duì)于全自動(dòng)化的車(chē)間，操作者不直接接觸套圈，pH值可控制在9.5左右。

表3 不同pH值下防銹劑的防銹試驗(yàn)Tab.3 Anti-rust test of anti-rust agent with different pH

2.3 溫度、濕度對(duì)防銹性能的影響

由于不同季節(jié)工序間的溫度、濕度不同，套圈的銹蝕速度會(huì)受到一定的影響。為此，在不同季節(jié)對(duì)同一工序加工后軸承的內(nèi)、外圈進(jìn)行防銹性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 室溫下軸承套圈的銹蝕情況Tab.4 Rust conditions of bearing ring under room temperature

2015年11—12月和2016年4月濕度相當(dāng)，4月溫度較高，套圈容易銹蝕。2016年4月與10月溫度相當(dāng)，濕度一般在40%左右，但10月份試驗(yàn)過(guò)程中有5 d下雨，濕度為55%～75%，銹蝕明顯加大。這是因?yàn)闈穸容^大套圈表面會(huì)凝結(jié)水滴，其中溶有氧氣，產(chǎn)生了腐蝕條件，當(dāng)表面水膜的厚度增大時(shí)，氧氣的溶解度也增大，腐蝕速度會(huì)加大。鋼鐵的臨界濕度在65%左右[5]，在臨界濕度以下，銹蝕較慢，當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)臨界濕度時(shí)，銹蝕速度會(huì)突然加大，溫度升高時(shí)，銹蝕速度會(huì)更大。所以在高溫梅雨季節(jié)套圈要特別注意防銹，減少與雨水的直接接觸，套圈不要直接堆放在地上或潮濕處，存放周期較長(zhǎng)的應(yīng)增加防銹頻次，同時(shí)做好工序間的銜接調(diào)度，防止積壓周轉(zhuǎn)期過(guò)長(zhǎng)。

2.4 使用方法對(duì)防銹性能的影響

車(chē)間的套圈根據(jù)尺寸、精度等級(jí)、數(shù)量的不同，防銹液的使用方法也不同。采用全浸入法、部分浸入法、噴淋法以及浸入一定時(shí)間后取出放置在車(chē)間。研究不同使用方法對(duì)防銹性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。其中部分浸入法的防銹性能較低，其余3種方法防銹性能相當(dāng)。

表5 不同使用方法下軸承外圈的銹蝕情況Tab.5 Rust conditions of bearing outer ring using different methods

3 水溶性防銹液的管理

水溶性防銹液的正確使用和維護(hù)直接影響防銹液的使用壽命和防銹質(zhì)量。加強(qiáng)防銹液的科學(xué)管理非常重要，根據(jù)試驗(yàn)和應(yīng)用制定一些性能監(jiān)控指標(biāo)。

配置防銹液前，防銹槽應(yīng)清理干凈，必要時(shí)可使用清洗劑處理。

采用浸入法防銹時(shí),受零件表面攜帶、有效成分不均衡消耗、水分蒸發(fā)等因素的影響，防銹液濃度會(huì)不斷改變，因此需對(duì)其進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，以根據(jù)濃度變化及時(shí)補(bǔ)加新液維持有效工作狀態(tài)。目前，一般使用折光法，該方法方便快捷，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用比較廣泛?？刂朴行舛仍?%～10%之間，每周檢測(cè)1次，當(dāng)濃度<6%時(shí)，需要補(bǔ)加水溶性防銹劑。

控制防銹液pH值在8.5～9.5，用pH試紙測(cè)定，隔天測(cè)1次，當(dāng)pH<8.5時(shí)，需用指定的添加劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。

對(duì)防銹液的防銹性進(jìn)行檢測(cè)，每周測(cè)1次，疊片4 h合格，單片24 h合格，高溫、高濕的天氣疊片8 h合格，單片24 h合格。

4 預(yù)防措施

軸承工序間的防銹可以采取一些防銹管理措施來(lái)預(yù)防銹蝕。

1)套圈盡量放置在干燥、通風(fēng)和潔凈的環(huán)境中，減少與灰塵、潮氣和酸霧的接觸。

2)建立一個(gè)符合實(shí)際的防銹劑驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和制度，防銹劑入廠時(shí)嚴(yán)格進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)使用中的防銹液進(jìn)行監(jiān)控，并保持溶液的清潔。

3)縮短套圈在工序間的置留時(shí)間，根據(jù)實(shí)際情況制定防銹的頻率。

4)套圈可采用噴淋和全浸入法進(jìn)行防銹，不能采用部分浸入法。

5)不能用手直接抓持套圈，防止手汗污染。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)軸承外圈銹蝕區(qū)域進(jìn)行分析，銹蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧化物，溫度和濕度是主要影響因素；對(duì)水溶性防銹劑進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，得到其最佳使用濃度、pH值、使用方法以及溫度、濕度對(duì)防銹效果的影響；制定了具體的監(jiān)控方法和預(yù)防管理措施。