王小忠，王　俊

(江蘇永鋼集團(tuán)有限公司， 江蘇 張家港　215628)

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38CrMoAl螺桿表面麻坑原因分析及改進(jìn)①

王小忠，王俊

(江蘇永鋼集團(tuán)有限公司， 江蘇 張家港215628)

結(jié)合38CrMoAl螺桿的生產(chǎn)過程，分析了螺桿的化學(xué)成分、顯微組織等，找出其形成表面麻坑缺陷的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

38CrMoAl； 螺桿； 網(wǎng)狀氮化物； 麻坑

引　言

38CrMoAl鋼是一種高級(jí)氮化鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理并滲氮后有高的強(qiáng)韌性、高的表面硬度和高耐磨性[1]。常用于制造鏜桿、磨床主軸、自動(dòng)車床主軸、螺桿、精密絲桿、精密齒輪、橡膠及塑料擠壓機(jī)上的各種耐磨件等[2-3]。

某公司用38CrMoAl圓鋼生產(chǎn)注塑機(jī)螺桿過程中，螺桿表面滲氮后拋光時(shí)，有幾支螺桿表面產(chǎn)生麻坑狀缺陷，影響了零件的正常使用。

1　樣品基本情況

樣品為注塑機(jī)螺桿的一部分，外形如圖1所示。材質(zhì)為38CrMoAl，規(guī)格：Φ160 mm，冶煉爐號(hào)：Y5A02540。加工工藝：粗車加工→調(diào)質(zhì)處理→精車加工成形→上磨床→拋光→表面氮化處理(510～530 ℃)→上磨床→拋光→檢驗(yàn)(發(fā)現(xiàn)麻坑缺陷)。

圖1　螺桿形貌

2　樣品檢驗(yàn)

2.1宏觀分析

螺桿樣品表面麻坑狀缺陷如圖2所示，螺桿旋轉(zhuǎn)齒的齒根、齒頂及齒側(cè)面均存在密集、無規(guī)律、肉眼可見的“麻坑”。

圖2　螺桿表面麻坑缺陷形貌

2.2理化檢驗(yàn)

2.2.1化學(xué)成分檢驗(yàn)

從螺桿樣品截面由外表面至心部的不同區(qū)域取三個(gè)試樣，采用直讀光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，可見樣品化學(xué)成分符合GB/T3077-1999的要求。

2.2.2顯微組織分析

(1) 螺桿齒根圓柱面分析情況

按圖1所示位置，在樣品齒根圓柱面麻坑缺陷區(qū)域法向截面上取樣進(jìn)行金相分析。金相觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域表面有凹坑分布，凹坑寬度約229 μm，深度65 μm，樣品基體沿表層面分布有細(xì)裂紋，裂紋深度≤273 μm，裂紋兩側(cè)未見非金屬夾雜物聚集(如圖3所示)，上述觀察現(xiàn)象存在普遍性。

表1　螺桿樣品的化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

圖3　螺桿齒根圓柱面麻坑形貌(100X)

根據(jù)GB/T 11354-2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》對(duì)螺桿樣品的金相組織進(jìn)行檢驗(yàn)。用5%的FeCl3水溶液腐蝕后，麻坑缺陷區(qū)域組織分布形貌如圖4所示，樣品基體組織為回火索氏體組織。金相觀察可見，樣品齒根圓柱面表面滲氮層深度0.50～0.66 mm，厚度不均勻，表層沒有發(fā)現(xiàn)“白亮層”，樣品近表面位置存在針狀、網(wǎng)狀氮化物異常組織，滲氮層中氮化物評(píng)級(jí)為5級(jí)。用durascan-20顯微硬度計(jì)(載荷500 g)測(cè)量樣品滲氮層的表面硬度為1118～1139HV0.5，基體的硬度為240～56HV0.5。

圖4　螺桿齒根圓柱面顯微組織形貌(100X)

高倍觀察可見樣品表面有沿晶開裂現(xiàn)象，并伴有沿晶剝落形態(tài)，見圖5所示。觀察發(fā)現(xiàn)樣品表面麻坑及裂紋均位于滲氮層內(nèi)，麻坑分布在滲氮層中氮化物網(wǎng)狀嚴(yán)重位置，裂紋沿晶分布，無脫碳現(xiàn)象，裂紋及其附近晶界上均沿晶分布有氮化物(如圖5所示)。

圖5　高倍顯微組織形貌(500X)

(2) 齒頂圓柱面及齒側(cè)表面分析情況

圖6　螺桿齒頂圓柱面缺陷形貌(200X)

圖7　螺桿齒頂圓柱面顯微組織形貌(200X)

在圖1所示位置取螺桿樣品齒頂圓柱面及齒側(cè)截面金相樣，拋光后在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，樣品齒頂及齒側(cè)表面均有少量裂紋分布，齒頂裂紋深度≤235 μm，齒側(cè)表面裂紋深度≤106 μm，裂紋內(nèi)及兩側(cè)無非金屬夾雜物聚集(如圖6所示)。用5%的FeCl3水溶液腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋沿晶開裂，無脫碳現(xiàn)象，情況與齒根圓柱面表面缺陷形態(tài)一致(如圖7所示)。

2.2.3電子探針分析

本文利用EPMA-1720型電子探針對(duì)樣品表面滲氮層區(qū)域進(jìn)行N元素的面掃描，分析區(qū)域大小為：184 μm×142 μm。結(jié)果顯示，表層麻坑周圍針狀、網(wǎng)狀組織氮含量較高，確為氮化物(如圖9所示)。

圖8　氮化物二次電子圖像

圖9　缺陷區(qū)域N元素分布

3　分析與討論

通過以上檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，螺桿齒根圓柱面、齒頂圓柱面、齒側(cè)表面均有裂紋出現(xiàn)，裂紋呈網(wǎng)狀分布，位于滲氮層內(nèi)。滲氮層金相組織不良，存在針狀氮化物及網(wǎng)狀氮化物，這種組織氮含量過高，又沿著晶界呈網(wǎng)狀分布，破壞了金屬基體的連續(xù)性，導(dǎo)致表面層脆性增加。在后續(xù)拋光時(shí)，由于拋光壓力的作用，就會(huì)在表層晶界氮化物處開裂，使得氮化物從表面脫落，零件表面出現(xiàn)麻坑。

螺桿在滲氮過程中，表面形成了一層富氮的硬化層，從而提高了零件表面的硬度、耐磨、疲勞強(qiáng)度等性能。但如果表層滲氮層中存在針狀、網(wǎng)狀氮化物，這種組織會(huì)嚴(yán)重降低零件表面性能。這種組織的形成與鋼的化學(xué)成分、滲氮前組織、晶粒度、滲氮工藝密切相關(guān)。

38CrMoAl鋼滲氮前的正常組織應(yīng)是均勻的回火索氏體，如組織不良，對(duì)滲氮質(zhì)量影響很大。滲氮前零件表層若存在脫碳層，脫碳層中的鐵素體在滲氮時(shí)，由于氮在鐵素體中有較大的擴(kuò)散速度，使表面脫碳層中鐵素體含有較高濃度的氮，從而得到針狀和網(wǎng)狀氮化物。該螺桿在調(diào)質(zhì)處理之后還要進(jìn)行磨拋處理，取樣抽檢，沒有發(fā)現(xiàn)螺桿表面存在脫碳現(xiàn)象，觀察樣品顯微組織，螺桿的基體組織為回火索氏體組織，正常區(qū)域基體晶粒度級(jí)別可評(píng)為6級(jí)，屬正常范圍。分析發(fā)現(xiàn)，螺桿表面滲氮層厚度不均勻，說明滲氮過程中溫度不均勻，并且氮化溫度過高會(huì)導(dǎo)致針狀、網(wǎng)狀氮化物的產(chǎn)生。

對(duì)38CrMoAl來說,滲氮溫度對(duì)其表層化合物的形成有著較大的影響,滲氮溫度越高,活性氮原子的擴(kuò)散能力越強(qiáng),理論上認(rèn)為其滲氮層化合物層和擴(kuò)散層厚度越大；但滲氮溫度偏高,也會(huì)對(duì)滲氮過程產(chǎn)生很大的負(fù)面作用,出現(xiàn)針狀、網(wǎng)狀組織[4]。目前螺桿表面出現(xiàn)麻坑只是個(gè)例，因此可以認(rèn)為只是少數(shù)螺桿在滲氮工序中出現(xiàn)了操作異常的情況，而螺桿的整個(gè)熱處理工藝應(yīng)該還是比較合理的。根據(jù)這種情況，后續(xù)除了要嚴(yán)格按照工藝操作要求進(jìn)行操作以外，還應(yīng)將滲氮溫度控制在靠下限的區(qū)域，并加強(qiáng)爐溫均勻性的控制。

通過工藝調(diào)整，后期生產(chǎn)中再未出現(xiàn)表面麻坑缺陷。

4　結(jié)　論

(1) 通過對(duì)螺桿表面麻坑缺陷的檢測(cè)與分析，其成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但滲氮層金相組織不良，存在針狀氮化物及網(wǎng)狀氮化物，氮化物級(jí)別為5級(jí)，不符合GB/T 11354-2005標(biāo)準(zhǔn)要求；

(2)滲氮層顯微組織有明顯的針狀、網(wǎng)狀氮化物，該組織沿晶界呈網(wǎng)狀分布，破壞了金屬基體的連續(xù)性，導(dǎo)致表面層脆性增加，是螺桿產(chǎn)生表面麻坑的主要原因，造成這種不良組織的原因是螺桿在滲氮工序中出現(xiàn)了溫度偏高的情況；

(3) 按 510～530℃的范圍嚴(yán)格控制好滲氮溫度，加強(qiáng)爐溫均勻性，保證螺桿表面滲氮層厚度均勻致密，防止異常組織的產(chǎn)生。

[1]畢革平，張寶川，陳華來，等.38CrMol鋼機(jī)筒棒料鏜孔切削性能比對(duì)分析[J].金屬熱處理，2014，39(8):146—150.

[2]張海，姚鳳臣.38CrMol鋼軸向柱塞 C，N，S三元共滲后的組織和性能[J].金屬熱處理，2006，31(6):65—67.

[3]李曄，姜 云.氮離子重疊注入對(duì)38CrMol硬度與耐磨性能影響的研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，32(5):24—28.

[4]冶金工業(yè)部《合金鋼鋼種手冊(cè)》編寫組.合金鋼鋼種手冊(cè)(第一冊(cè)合計(jì)結(jié)構(gòu)鋼) [M].北京:冶金工業(yè)出版社，1983.

2016-02-04

王小忠(1976—)，男，工程師

TG142.1