防锈油组分对轴承套圈盐浴淬火后外观的影响

李晓栓，赵凯利

(南京科润工业介质股份有限公司工业介质研究院，江苏 南京 211106)

0 前 言

轴承通常可以分为套圈、滚动体和保持架，一般分别由不同的厂家生产。轴承套圈、滚动体在加工、储存、运输过程中需要进行防锈处理，以防止出现锈蚀。防锈处理常用的材料是防锈油，是一种暂时性防锈的材料。防锈油大多数由基础油和防锈添加剂组成。防锈添加剂根据含有的金属元素不同，可分为含钡防锈油和含钙防锈油。根据需求不同，选择不同的防锈添加剂组分和类型。

轴承套圈毛坯件经过机加工、清洗后喷涂防锈油，由于防锈油中的添加剂及基础油老化等因素，会导致黄斑形成[1]。根据GB/T 34891-2017“滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件”要求，淬火后应无磕碰伤、锈蚀、花斑及污物附着，整体外观颜色(银灰色、蓝、黑)均匀[2]。轴承套圈表面如出现黄斑等明显色差情况，外观则不能满足标准技术要求。此外，轴承套圈淬火后会进行磨削加工，部分色差部位无法被磨削，残留在最终产品上，导致成品轴承外观一致性差，引起下游客户端对其质量产生质疑，因此轴承套圈盐浴淬火后需要保持外观的一致性，不能存在明显色差。

本工作通过对市面上不同防锈添加剂的筛选和测试，识别出导致黄斑产生的防锈油组分，通过元素分析等方法，探究产生黄斑的原因，从而避免轴承套圈生产过程中黄斑的产生。

1 试 验

1.1 试样

选择市面上主要的防锈添加剂：钙剂复合剂、石油磺酸钙、石油磺酸钡(T701)、二壬基磺酸钡(T705)、二壬基磺酸钙(T705C)、十二烯基丁二酸(T746)进行测试。以环烷基基础油、精制D60溶剂油作为添加剂稀释用的基础油，添加剂按照5%(质量分数)加入，试样配比具体见表1。

1.2 试验方法

为更好验证防锈油中的防锈添加剂对轴承套圈在盐浴淬火中外观的影响，按照下列工艺对轴承套圈进行处理。

轴承套圈工艺：

锻造→车削→清洗→烘干→浸泡防锈油(室温下放置24 h，每组套圈浸泡1种测试试样)→盐浴淬火，检测轴承套圈的外观。

热处理条件：

轴承套圈在还原性保护气氛下加热至855 ℃，盐浴温度为200 ℃，后清洗温度为30 ℃，回火温度为190 ℃，使用设备为维恩斯特罗瑟(Wienstroth)。

2 结果与分析

2.1 不同防锈添加剂对轴承套圈外观的影响

每组套圈分别浸泡不同的测试试样(1号～8号)，经过同样的盐浴淬火，其结果显示：4号和5号套圈外观出现明显黄斑，与生产过程的问题工件非常相似。1、2、3、6、7、8号套圈表面没有黄斑，1号和2号的表面状态优于3、6、7、8号的。

从上述结果可以发现复合剂1号、复合剂2号、复合剂3号、石油磺酸钙、T705C和T746没有导致黄斑产生，导致轴承套圈表面产生黄斑特别严重的防锈添加剂为T701和T705。

2.2 不同防锈添加剂中钡元素分析

通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP - OES)对市面上主要的钙剂复合剂、石油磺酸钙、石油磺酸钡(T701)、二壬基磺酸钡(T705)、二壬基磺酸钙(T705C)和十二烯基丁二酸(T746)进行检测，结果见图1。从图1可知，T705和T701含有大量的钡元素，其含量高达1.0×105mg/L以上。而复合剂1号、复合剂2号、复合剂3号、T746以及石油磺酸钙中钡元素含量小于1 000 mg/L，因此认为钡元素可能会对黄斑的产生影响较大。

图1 不同防锈剂中钡含量

2.3 黄斑分析

通过上述分析，含钡防锈添加剂是导致黄斑形成的重要因素之一，采用Bruker扫描电镜和安捷伦5100 ICP - OES光谱仪对黄斑的形貌及元素组分分析。轴承套圈盐浴淬火后，合格的外观颜色为蓝灰色，蓝灰色表面在电镜下为一层相对致密的表层(见图2a)。而黄斑的表面在电镜下为一个多层结构，没有形成致密的表层(见图2b)。通过TEM - EDS分析，合格外观表面的含氧量比黄斑表面的含氧量高出9.3%(见表2)，可以认为轴承套圈合格的外观表面被氧化的程度高于黄斑的表面。韩强等[3]研究了不同温度、不同时间下瓦轴高温下产生不同的回火色，认为是氧化程度不同导致的。因此，轴承套圈产生的黄斑，可能是金属氧化程度不同所致。

表2 轴承套圈表面的黄斑及合格表面元素分析(质量分数) %

图2 轴承套圈黄斑和合格表面的SEM形貌

Mocek等[4]发现硫酸钡在678 ℃、氢气气氛下分解为硫化钡；Hlabela等[5]使用一氧化碳作为还原性气氛，硫酸钡在850 ℃以上分解为硫化钡。范红宇[6]、高玲等[7]使用碳、氢气分别作为还原剂，硫酸钙在850 ℃以上分解为硫化钙；硫化钙与硫酸钙可以继续进行固相反应产生氧化钙。轴承套圈表面残留的防锈添加剂在855 ℃还原性气氛(热处理气氛为甲烷、甲醇，甲醇分解为CO和H2)条件下，磺酸盐分解为硫酸盐，硫酸盐继续分解；含钡的添加剂分解为硫化钡，而含钙的添加剂分解为氧化钙。

轴承套圈淬火所用的盐浴为硝酸钾和亚硝酸钠混合物，具有较强的氧化性。轴承套圈表面残留的防锈剂经过高温后分解产物不同，钡盐分解为硫化钡，钙盐分解为氧化钙；其还原性排序：硫化钡>>氧化钙。这些物质在金属表面残留，导致金属的氧化程度不一，产生色差。硫化钡还原性强，产生色差最明显；氧化钙无明显还原性，轴承套圈表面没有明显色差。轴承套圈在盐浴槽中存在震动以及回火前清洗，导致防锈添加剂分解物质在轴承套圈表面脱落，形成图2a所示的层状结构。分解产物的脱落，使得金属表面无含钡物质的附着。利用TEM - EDS分析，在黄斑表面没有检测到钡元素和钙元素，与上述现象一致。从TEM - EDS元素分析结果可以看出，轴承套圈合格表面含氧量高，也说明轴承套圈合格表面的氧化程度高于轴承套圈黄斑表面的。

综上所述，轴承套圈经过盐浴淬火及高温还原性气氛，在轴承套圈表面附着的不同添加剂分解产物不同，导致淬火及回火后金属表面氧化程度不同，从而形成色差。

3 结 论

(1)轴承套圈经过盐浴淬火及回火后表面产生黄斑是由于防锈添加剂残留导致，二壬基磺酸钡和石油磺酸钡会导致严重黄斑。

(2)轴承套圈经过盐浴淬火及回火后表面产生的黄斑是由于防锈添加剂分解产物不同，导致金属表面氧化程度不同，产生色差。

(3)轴承套圈盐浴淬火前使用的防锈油组分应不含二壬基磺酸钡和石油磺酸钡，以减少盐浴淬火过程中产生黄斑的风险。