陀螺电动机轴承化学表面处理工艺的试验研究

李红涛，葛世东，孙北奇，谢鹏飞

(1. 驻洛阳地区代表室，河南 洛阳 471002；2. 洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

国外相关研究表明，对轴承进行化学表面改性可以显著改进轴承表面润滑状态，延长轴承寿命[1]。本例通过对陀螺电动机轴承表面化学改性工艺的试验研究，分析了影响TAP(磷酸十三烷基酸磷酸酯)和轴承钢表面化学反应膜厚度与工艺参数之间的关系。

1 试验方案设计

1.1 参数选取

轴承表面纳米改性工艺是一个多参数的试验，主要试验参数包括：环境(外界大气压力)、试剂的纯度和浓度、改性温度、轴承材料、轴承表面加工质量、轴承表面清洗情况以及处理时间等。如果同时考虑全部的影响因素，试验的数量太多。为此首先固定了一些对表面成膜质量有明确影响的因素，而重点研究一些影响情况不明确的因素。

1.1.1 固定因素的确定

(1)环境。由于表面改性是一种化学反应过程，外界大气中的氧气及气压等可能会对整个反应过程有一定的影响，但此因素在试验过程中无法控制，所以固定为普通大气环境，即所有试验均是在普通大气环境下进行。

(2)轴承材料。由于陀螺电动机轴承绝大部分均采用ZGCr15电渣重熔轴承钢制造，所以轴承表面改性工艺的轴承材料固定为ZGCr15轴承钢。

(3)轴承表面质量。陀螺电动机轴承绝大部分均为P4精度的轴承，表面粗糙度Ra均要求在 0.04 μm以下，所以固定表面粗糙度Ra为0.032 μm。

(4)轴承表面清洗情况。轴承表面清洗情况对表面成膜质量具有非常大的影响，但是其影响方向很明确。轴承表面必须清洗干净，才能确保轴承表面成膜的致密性和连续性。此因素固定为采用现有成熟的轴承表面预处理清洗工艺。

(5)试剂纯度。试剂的纯度会对成膜的质量有一定影响，为了控制处理试剂的杂质含量，处理试剂固定为要求全部达到分析的纯度指标。

1.1.2 试验因素的选取

(1)表面处理溶剂的浓度。溶液的浓度在化学反应中是一个非常重要的影响因素，所以是工艺试验中需要着重考虑的重要因素。

(2)表面处理温度。由于化学反应是一个热力学反应的过程，处理温度对反应过程的快慢有很大影响，所以温度亦是需要考虑的重要因素。

(3)表面处理时间。处理时间与表面化学反应的结果有很大关系，特别是对表面反应膜的膜厚影响很大，所以也应作为一个重要因素考虑。

1.2 试验方法的确定

1.2.1 试验方案的选择

综上所述，本试验的3个重要可控因素为处理试剂浓度A、处理温度B和处理时间C。根据试验的数量和覆盖情况，3个因素均采用4种水平，即4种试剂浓度、4种处理温度和4种处理时间。

1.2.2 试验方法的确定

对于多因素的试验方法，正交试验设计方法被认为最有效。

由于是3因素4水平的试验，所选用的正交表为L16(45)。本试验的因素有3个，分别是试剂浓度A、处理温度B和处理时间C。水平数均为4，分别为A1，A2，A3，A4；B1，B2，B3，B4；C1，C2，C3，C4。

2 表面化学结构及膜厚测量

2.1 分析仪器及原理

在表面化学成分及结构分析仪器中，俄歇电子能谱是一种非破坏性的表面化学分析技术，特别适用于非常小的深度内化学元素沿深度方向的分布情况分析。本例采用俄歇电子能谱分析仪进行处理试样的表面化学分析。

2.2 TAP处理试样的表面薄膜深度分析

(1) 样品处理。将试样表面经乙醇清洗并干燥后，送入快速进样室。开启低真空阀，用机械泵和分子泵抽真空到10-3Pa；然后关闭低真空阀，开启高真空阀；使快速进样室与分析室连通，把样品送到分析室内的样品架上，关闭高真空阀。

(2)硬件调节。通过调整样品台位置和倾角，使样品表面与电子束成60°夹角，与离子枪垂直。待分析室真空度达到5×10-7Pa后， 启动电子枪， 通过调节电子枪高压，改变放大倍数，并在二次电子像或吸收电流像上确定待分析点，并使待分析点处在电子束与离子束的重叠区。调节电子枪的高压到2 kV的校准位置，通过调节样品台与电子枪的距离使弹性峰的信号最强。然后将电子枪的高压升到所需位置。开启Ar离子枪，调节Ar离子枪中的Ar气分压力，使分析室的真空度高于3×10-5Pa。

(3)选择深度分析程序，设置能谱仪的采集参数。收集的俄歇能量范围依据各元素而定，扫描步长为0.5 eV/步，溅射时间和间隔依据离子枪的溅射速率和薄膜层的厚度而定。

(4) 数据处理。依据以上条件录谱，就可以获得元素沿深度方向的信号强度分布图，通过计算就可以获得各元素浓度的深度分布图。

3 试验结果与分析

所有16种组合试验的计划表和试验数据汇总分析见表1。

从试验数据分析结果的极差可以看出，浓度的极差远远大于温度和时间因素的极差，这表明浓度因素的变化对最终试验结果的影响最剧烈，影响最大，是最关键的因素。其次是温度，对试验结果有一定的影响，但是影响要比浓度的影响小得多。时间因素在3个因素中是影响最小的。

进一步用方差分析的方法对试验数据进行了分析，分析结果见表2，可以看出，浓度因素的F比为4.67，大于90%显著水平时的判别临界值2.49，而温度和时间的F比分别为0.137和0.029，对结果的影响均没有达到90%显著水平。

表1 表面处理直观分析表

表2 表面处理方差分析表

3.1 试验结果的单因素分析

3.1.1 浓度对膜厚的影响

4个水平浓度的平均膜厚与浓度之间的关系如图1 所示，从图中可以看出，浓度与膜厚的关系基本上类似于线性关系，总体趋势是在浓度范围为C4到C1的范围内，溶液的浓度越小，生成的膜厚越厚。从原理上来说，这主要是因为加入的水越多，TAP水解的程度就越强，TAP溶液中析出的磷酸根离子也越多，溶液的酸性就越大，当溶液在C4浓度时，在室温下溶液就可以与轴承钢试样表面发生化学反应，而且在5 h之内，反应就可以完全结束。所以表面处理时溶液浓度是首先要确定的主要因素。

图1 浓度与膜厚的关系曲线图

3.1.2 温度对膜厚的影响

图2为4个温度水平下平均膜厚的变化情况，从图中可以看出，膜厚随着温度的升高而增加。这是由于温度的升高会促进表面化学反应的速度，所以温度越高生成的膜就越厚。

图2 温度与膜厚关系曲线图

3.1.3 时间对膜厚的影响

图3是4个时间水平下的平均膜厚变化情况。从中可以看出，4个时间下平均膜厚相差不大，也就是在选定的试验参数下，时间对膜厚的影响不大。

图3 时间与膜厚的关系曲线图

3.2 试验结果的交互作用分析

由上述试验结果可知，浓度和温度对试样表面膜厚的影响最大。为了便于分析浓度和温度间的交互影响，图4给出了温度/浓度的交互作用曲线图。

从图中可以看出，当溶液浓度达到70%时温度对试验结果已经没有影响。通常溶液与试样表面在室温下就可以进行化学反应，而且反应过程在5 h之内就已经完全结束，这时再提高温度对化学反应的结果已经没有直接重大的影响。同时试验结果显示浓度为70%时，各个温度条件下，最终的膜厚均为200 nm，这也说明TAP溶液与轴承钢表面最终的反应厚度也只能达到200 nm左右。当轴承钢表面完全覆盖上200 nm的磷化膜以后，磷化膜可以完全隔断轴承钢基体与TAP溶液的接触，故化学反应也就不再进行，即轴承钢表面磷化膜的饱和厚度大约为200 nm左右。但在相同的浓度水平下，温度高的试验结果(膜厚)均大于相对应的温度低的试验结果(膜厚)，所以温度能够促进表面化学反应的程度。

图4 温度/浓度的交互作用曲线图

4 结论

由轴承表面改性处理工艺参数的正交试验结果及方差分析，可以得出以下结论。

(1)在浓度、处理温度和处理时间3个因素中，对膜厚影响最大的是试剂浓度，其次是处理温度和处理时间。不同浓度试剂的反应速度差别很大，所以在进行表面处理时首先要确定处理试剂的最佳浓度。后续的摩擦、磨损试验研究表明，不同浓度试剂处理得到的膜的致密度和耐磨性能差别很大，为获得良好的摩擦、磨损性能，须选择一个最佳的试剂浓度。

(2)处理温度越高，相同处理时间内生成的反应膜越厚。但是后续的摩擦、磨损试验表明，处理温度越高，膜的致密度越差，根据膜厚和致密度的平衡，存在一个最佳的处理温度区间。

(3)根据处理时间对反应膜影响的试验，固定时间段时，条件下反应膜的增加速率基本相同，所以在正交分析中反应时间对膜厚的影响权重不大，但是处理时间对最终膜厚还是有一定影响的，因此，表面处理时还是要充分考虑合适的处理时间。