铁路货车轴承锰系磷化与锌钙系磷化对比分析

铁路货车轴承锰系磷化与锌钙系磷化对比分析

张建军; 马永胜; 张建宏; 麻殊愚

【期刊名称】《《新技术新工艺》》

【年(卷),期】2019(000)009

【总页数】5页(P8-12)

【关键词】铁路货车轴承; 表面技术; 锌钙系磷化; 性能提高

【作者】张建军; 马永胜; 张建宏; 麻殊愚

【作者单位】中国铁路呼和浩特局集团有限公司内蒙古包头 014032; 内蒙古第一机械集团有限公司内蒙古包头 014032

【正文语种】中文

【中图分类】TG174.4

随着我国铁路行业的不断发展和铁路运营速度的不断提高，对铁路货车轴承在运行过程中的有效性和可靠性提出了更加严峻的要求。目前，国内大部分铁路货车轴承均采用高温锰系磷化工艺，高温锰系磷化后存在磷化膜晶粒粗大、磷化膜厚度不均匀、磷化腐蚀深度深和磷化沉渣大等缺点，并且在装车运行初期磷化膜容易脱落，加剧了轴承装车初期的磨合热，剥落后的磷化膜影响了油脂的散热性能，更容易引起热轴、剥离[1]和辗皮等运行问题，影响铁路运营秩序和运输安全。铁路货车轴承需要一种替代高温锰系磷化的表面处理方式，才能保证铁路货车运行安全和适应铁路行业的不断发展。锌钙系磷化因其更细腻的磷化膜，更小的腐蚀深度，更稳定

的磷化工艺，而受到更多的关注。本文主要研究锌钙系磷化在铁路轴承上的应用，为今后铁路货车轴承的磷化提供借鉴。

1 磷化定义

磷化过程是一种化学与电化学反应形成磷酸盐转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜[2]。磷化在铁路货车轴承应用的主要目的：1)给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；2)在轴承安装和使用过程中起减摩润滑的作用。

2 磷化原理[3-4]

虽然不同的材料采用的磷化方式不同，但是磷化成膜过程主要是由如下4个步聚

组成。

1)磷化液中的酸和金属反应后，会在溶液中产生二价铁离子，金属周围的氢原子增加。

2)磷化液中的促进剂氧化掉第一步反应所产生的氢原子，加快了磷化液的反应速度，导致了金属表面氢离子的急剧下降。

3)磷化液中的氢离子浓度降低，加速了溶液中磷酸的分解，最终分解为磷酸根离子。

4)溶液中的磷酸根离子与其他金属离子在金属基体表面反应，生成磷酸盐沉淀结晶成为磷化膜。

上述原理不仅可解释锌系、锰系、锌钙系磷化成膜过程，还可指导磷化配方与磷化工艺的设计。从上述原理可以看出：1)适当的促进剂可提高磷化液体的反应速度，较低的H+浓度可使磷酸根分解；2)金属表面如存在较多的磷酸根离子，会加快磷化膜的成膜；3)降低磷化液的氢离子浓度(低游离酸度)，选择合适的促进剂，减少二价铁离子氧化成为三价铁离子，可以减少磷化的成渣。

在实际磷化液体配方与工艺实施中，适当的促进剂、较高的酸比(相对较低的游离酸，即氢离子浓度)，使金属表面能够在中温下快速成膜，并且降低磷化的时间。

因此在中温快速磷化配方设计时一般遵循上述机理，选择强促进剂、高酸比、表面

调整工序等。

3 磷化分类

按磷化膜的组成成分主要分为：锌系、锌钙系、锌锰系、锰系、铁系和非晶相铁系六大类。其中，铁路中应用的磷化方式主要有锰系、锌钙系2种，具体见表1。表1 各类磷化膜详细内容磷化膜分类磷化液体成分磷化膜主体组成(钢铁件)微观膜结构特点及应用膜外观磷化膜厚度/μm锌钙系磷酸二氢锌、硝酸锌、柠檬酸、硝酸镍和水Zn2Ca(PO4)2·4H2O、Zn2Fe(PO4)2·4H2O、Zn3(PO4)2·4H2O 磷化晶粒呈细密颗粒状,孔隙较少应用于防腐和喷涂底层浅灰→深灰1～5 锰系磷酸二氢锰、碳酸锰、硝酸镍和水(Mn,Fe)5H2(PO4)4·4H2O 磷化膜厚度大、孔隙少,磷化晶粒呈密集颗粒状广泛应用于防腐蚀及冷加工减摩润滑黑2～10

按磷化处理温度可分为：常温、低温、中温和高温四类，各温度对比见表2。

表2 不同温度磷化处理详细内容磷化膜分类温度/℃处理时间/min溶液游离酸度与总酸度优点缺点高温型>8010～201∶(7～8) 膜抗蚀力强,结合力好加温时间长,溶液挥发量大,能耗大,磷化沉渣多,游离酸度不稳定,结晶粗细不均匀,已较少应用中温型50～755～151∶ (10～15) 游离酸度稳定,易掌握,磷化时间短,生产效率高,耐蚀性与高温磷化膜基本相同,目前应用较多溶液挥发量较低、常温型磷化大,需定期补液调整低温型30～503～81∶ (20～30) 节省能源,使用方便磷化膜较薄,耐腐蚀性较差常温型10～4010～401∶(20～30) 不需加热,药品消耗少,溶液稳定处理时间长,溶液除加氧化剂外,还需加促进剂,配制较繁琐

4 磷化质量及其影响因素

4.1 磷化膜质量的鉴定

4.1.1 磷化膜外观

首先目测工件表面颜色是否均匀，并通过相应倍数显微镜观察磷化后的微观晶粒，要求大小均匀、致密且完全覆盖工件表面[5]，针对覆盖率的判断可以采用极限样

件的对比，如果还不能判断，可用扫描电镜观察。

4.1.2 耐蚀性

用41 g/L的硫酸铜50 mL，35 g/L氯化钠20 mL，13 mL/L的0.1 N盐酸1 mL 混合液进行点滴试验，观察液滴从天蓝色变为浅黄色或淡红色的时间，3个不同位置的变色时间的平均值作为最终的测定结果。

4.1.3 磷化膜质量的测量

检测依据GB/T 9792—2003《金属材料上的转化膜-单位面积膜质量的测定-重量法》，磷化后干燥工件，并用分析天平称重后将其侵入70～80 ℃的氧化铬(50

g/L)溶液中15 min后，迅速依次在洁净的流动水、蒸馏水中漂洗，迅速干燥并称重。重复上述操作，直到得到稳定的质量，质量差<0.1 mg，用此称重法计算出锰系磷化膜的质量。

计算方法：磷化膜单位面积膜层质量w按下式计算：

式中，w是单位面积膜层质量，单位为g/m2；p1是溶解退膜后试样的质量，单位为mg；p2是磷化后试样质量，单位为mg；s是磷化试样的总表面面积，单位为m2。取3个平行测定试样的平均值作为最终计算结果。

4.2 磷化液的分析

4.2.1 总酸度

用移液管移取10 mL已准备好并冷却到室温的磷化液于300 mL烧杯中，加入50 mL蒸馏水并加入5滴1%酚酞指示剂溶液，充分搅拌后，用0.1 N的氢氧化钠溶液滴定到溶液由无色变成粉红色并维持30 s不褪色。滴定消耗的0.1 N氢氧化钠溶液的毫升数就是相应磷化液的“总酸度”。

4.2.2 游离酸度

用移液管移取10 mL已准备好并冷却到室温的磷化液于300 mL烧杯中，加入50