GCr15在不同电解液中的加工特性研究

黄 榕，张永俊，刘桂贤，张传运，杜轩宇

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

GCr15在不同电解液中的加工特性研究

黄 榕，张永俊，刘桂贤，张传运，杜轩宇

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

通过测定GCr15轴承钢在质量分数均为15%的NaNO3、NaClO3和Na2SO4中的极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），分析了GCr15钢在低电流密度下的电化学特性。通过测定GCr15钢在大电流密度下的去除量和电流效率，对其一般电解加工特性进行了分析。研究结果表明：阳极极化过程中，三种电解液介质条件下都存在稳定的钝化区，EIS主要表现为容抗弧的变化；NaNO3与NaClO3电解液都具有非线性加工特性，能有效提高电解加工的定域性，并减小低电流密度下的杂散电流腐蚀；Na2SO4电解液属于线性电解液，加工效率低。

GCr15轴承钢；加工特性；去除量

滚珠丝杠副因具有高效率、高精度、高刚度、低成本等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域，大导程滚珠螺母作为滚珠丝杠副的关键零部件，一般采用GCr15轴承钢材料制造。范东风等在大导程滚珠丝杠副的磨削加工上进行了大量的研究，通过改变砂轮安装角和磨削砂轮的截形对螺母进行加工，使螺母加工精度提高，但其可加工长度受螺旋升角的限制[1]。许舜等对高速硬体旋风铣削方法加工滚珠螺母滚道进行了深入的研究，可加工螺母长度达200 mm，但机械加工使刀具损耗较严重，需经常更换[2]。刘桂贤等提出了电解加工大导程滚珠螺母滚道的新技术，可实现任意导程滚珠螺母滚道的加工[3]。

本文测试了GCr15轴承钢在不同电解液下的极化曲线和电化学阻抗谱等特性，并分析了GCr15轴承钢在不同电解液、不同电流密度下的去除量。通过对GCr15轴承钢电化学特性的研究，为数控展成电解加工滚珠螺母滚道工艺的实施奠定了理论基础。

1 实验方法

根据GB/T 18254-2002[4]，GCr15轴承钢的化学成分为：C，0.95～1.05；Mn，0.20～0.40；Si，0.15～0.35；Gr，1.30～1.65；S≤0.02；P≤0.027；Mo≤0.10；Ni≤0.10；Cu≤0.25；Ni+Cu≤0.50。

电化学综合测试平台见图1，采用Zennium E型电化学综合测试系统。测试时，均采用三电极体系，Pt片电极为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，工作电极GCr15轴承钢分别用400、1000、1500、2000#砂纸以90°方向交叉打磨抛光，并用无水乙醇脱脂处理，环氧树脂涂封非工作表面，置于干燥器内24 h后备用。

极化曲线测试前，将试件作为阴极在-1.0 V电位下极化2 min，以去除试件表面在空气中形成的氧化膜，测量电位为-1.0～2.5 V（vs OCP），扫描速度为1 mV/s。在钝化区取二点进行EIS测试，测试前，将工作电极在电解液中静置20 min，再将其在测试点电位（vs SCE）下活化30 min，活化完毕后，待工作电极电位稳定后再进行EIS测试。测试频率为100 kHz～10 MHz，扰动交流信号电压为5 mV，温度为25℃，溶液静止，采用ZsimpWin软件拟合等效电路。

GCr15材料电解加工去除量测量装置见图2。实验采用直流电源，在恒流模式下进行。试件为直径5 mm、长2 mm的圆柱体，分别用400、1000、1500、2000#砂纸以90°方向交叉打磨抛光，并用无水乙醇脱脂处理，吹干备用。每次实验重复三次，加工后的试件用超声波清洗机清洗1 min，再放入干燥箱3 min，最后用FAB01型超精密电子天平（精度0.01 mg）称重。实验参数见表1。

2 结果与讨论

2.1 GCr15在不同溶液中的极化曲线和EIS特征

图3～图5分别是GCr15材料在不同电解液中的极化曲线和Nyquist图，它们的EIS主要表现为容抗弧的变化，故可用图6所示的电化学等效电路来模拟。其中，Rs表征溶液电阻；Qc表征表面氧化膜常相位角元件；Rc表征表面氧化膜电阻；Qd表征双电层常相位角元件；Rd表征双电层电阻。

如图3所示，在质量分数15%的NaNO3电解液中，GCr15在1.0 V电位下的钝化膜阻值Rc为10 460 Ω·cm2，在1.4 V电位下的钝化膜阻值Rc为3292 Ω·cm2，即1.0 V电位下形成的钝化膜阻值较大。这是由于在1.0 V电位下形成了稳定的钝化膜，而在1.4 V高电位下，钝化膜薄弱的地方被生成的氧气冲击，击穿成了多孔结构。

对于质量分数15%的NaClO3电解液，GCr15在1.0 V电位下的钝化膜阻值Rc为304 Ω·cm2，在1.4 V电位下的钝化膜阻值Rc为454.8 Ω·cm2，即1.0 V电位下形成的钝化膜阻值较小。这是因为逐步形成了稳定的钝化膜。

对于质量分数15%的Na2SO4电解液，GCr15在1.0 V电位下的钝化膜阻值Rc为1091 Ω·cm2，在1.4 V电位下的钝化膜阻值Rc为376.9 Ω·cm2，即1.0 V电位下形成的钝化膜阻值较大。说明该过程形成的钝化膜被击穿成了多孔结构。

2.2 GCr15在不同溶液中的去除量和电流效率

对极化曲线特性与电化学阻抗谱特性进行测量能有效地解释GCr15材料在低电流密度下的电化学反应过程。但在通常情况下，电解加工的电流在10～100 A/cm2，所以需对GCr15材料在大电流条件下的电化学特性进行研究。

GCr15材料在不同电解液下的去除量与电流密度的关系见图7，电流效率与电流密度的关系见图8。可看出，在15%的NaNO3电解液中，当电流密度处于5～10 A/cm2区间时，电流效率随着电流密度的增大而缓慢增加，电流密度为10 A/cm2时的电解加工效率低于10%。该现象可与极化曲线的钝化阶段联系起来，GCr15材料在15%的NaNO3电解液中，当电流密度在小于10 A/cm2区间内为钝化区间，该区间内的电解加工去除量极少。当电流密度达到15 A/cm2时，电流效率呈非线性递增趋势。在25～40 A/cm2区间内，电流效率随着电流密度的增大呈缓慢增加趋势。

对于15%的NaClO3电解液，当电流密度处于5～15 A/cm2区间时，电解加工去除量接近于零；当电流密度为20～40 A/cm2时，电流效率呈非线性递增趋势。

对于15%的Na2SO4电解液，电解加工去除量一直很小（＜0.005 g），电流效率一直保持在4%左右，这是由于电流大部分用于产生氧气而消耗所致。

3 结论

（1）GCr15轴承钢在质量分数15%的NaNO3、 NaClO3和Na2SO4溶液中，阳极极化过程中的EIS主要特征类似，即Nyquist图主要呈现容抗弧变化。

（2）GCr15轴承钢在15%NaNO3和15%Na2SO4电解液中，电位1.4 V下的钝化膜阻值小于1.0 V下的钝化膜阻值，这是由于在高电位下已形成的钝化膜薄弱部分被生成的氧气冲击，被击穿成了多孔结构；而在15%NaClO3电解液中，逐步形成了稳定的钝化膜。

（3）由于钝化膜的形成与电化学过程中的副反应（氧气产生）会影响电解加工的电流效率。对于GCr15材料而言，NaNO3与NaClO3电解液都具有非线性加工特性，该特性能有效地提高电解加工的定域性，并减小低电流密度下的杂散电流腐蚀，而Na2SO4电解液属于线性电解液，加工效率低。

[1] 范东风，胡德金，徐建国，等.大导程滚珠丝杠副螺母加工中砂轮截形理论分析 [J].上海交通大学学报，2009，43（5）：816-820.

[2] 许舜，吴元徽.高速硬体旋风铣削在滚珠螺母滚道加工中的应用[J].新技术新工艺，2005（11）：59-60.

[3] 刘桂贤，张永俊，罗红平，等.大导程滚珠螺母滚道电解加工机床[J].电加工与模具，2016（1）：59-61.

[4] 全国钢标准化技术委员会.高碳铬轴承钢：GB/T 18254—2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

Study on Processing Property of GCr15 in Different Electrolyte

HUANG Rong，ZHANG Yongjun，LIU Guixian，ZHANG Chuanyun，DU Xuanyu
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS)of GCr15 bearing steel in NaNO3，NaClO3and Na2SO4with mass fraction of 15%were measured，and the electrochemical properties in low current density were analyzed.The removal quantity and current efficiency of GCr15 in high current density were measured，and the general electrochemical properties were analyzed.The research results show that under the condition of three kinds of electrolyte above，the process of positive pole polarization has stable passivation zone and the EIS mainly shown as the variation of capacitive loop.The test of NaNO3and NaClO3show the property of nonlinear processing，it is able to improve the ECM localization and reduce the dispersive corrosion under the low current density status.The condition of Na2SO4was linear processing which was inefficiency.

GCr15 bearing steel；processing property；removal quantity

TG662

A

1009－279X（2017）01－0035-04

2016-09-28

广东省科技计划项目（2016A010102017）

黄榕，男，1994年生，硕士研究生。