王小忠,王 俊
(江蘇永鋼集團有限公司, 江蘇 張家港 215628)
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38CrMoAl螺桿表面麻坑原因分析及改進①
王小忠,王俊
(江蘇永鋼集團有限公司, 江蘇 張家港215628)
結合38CrMoAl螺桿的生產過程,分析了螺桿的化學成分、顯微組織等,找出其形成表面麻坑缺陷的原因,并提出了相應的改進措施。
38CrMoAl; 螺桿; 網狀氮化物; 麻坑
38CrMoAl鋼是一種高級氮化鋼,經調質處理并滲氮后有高的強韌性、高的表面硬度和高耐磨性[1]。常用于制造鏜桿、磨床主軸、自動車床主軸、螺桿、精密絲桿、精密齒輪、橡膠及塑料擠壓機上的各種耐磨件等[2-3]。
某公司用38CrMoAl圓鋼生產注塑機螺桿過程中,螺桿表面滲氮后拋光時,有幾支螺桿表面產生麻坑狀缺陷,影響了零件的正常使用。
樣品為注塑機螺桿的一部分,外形如圖1所示。材質為38CrMoAl,規(guī)格:Φ160 mm,冶煉爐號:Y5A02540。加工工藝:粗車加工→調質處理→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(發(fā)現(xiàn)麻坑缺陷)。
圖1 螺桿形貌
2.1宏觀分析
螺桿樣品表面麻坑狀缺陷如圖2所示,螺桿旋轉齒的齒根、齒頂及齒側面均存在密集、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
2.2.1化學成分檢驗
從螺桿樣品截面由外表面至心部的不同區(qū)域取三個試樣,采用直讀光譜儀對樣品進行化學成分檢驗,結果如表1所示,可見樣品化學成分符合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裂紋,裂紋深度≤273 μm,裂紋兩側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 螺桿樣品的化學成分與標準對照
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定和金相組織檢驗》對螺桿樣品的金相組織進行檢驗。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、網狀氮化物異常組織,滲氮層中氮化物評級為5級。用durascan-20顯微硬度計(載荷500 g)測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,麻坑分布在滲氮層中氮化物網狀嚴重位置,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),樣品齒頂及齒側表面均有少量裂紋分布,齒頂裂紋深度≤235 μm,齒側表面裂紋深度≤106 μm,裂紋內及兩側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型電子探針對樣品表面滲氮層區(qū)域進行N元素的面掃描,分析區(qū)域大小為:184 μm×142 μm。結果顯示,表層麻坑周圍針狀、網狀組織氮含量較高,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
通過以上檢驗發(fā)現(xiàn),螺桿齒根圓柱面、齒頂圓柱面、齒側表面均有裂紋出現(xiàn),裂紋呈網狀分布,位于滲氮層內。滲氮層金相組織不良,存在針狀氮化物及網狀氮化物,這種組織氮含量過高,又沿著晶界呈網狀分布,破壞了金屬基體的連續(xù)性,導致表面層脆性增加。在后續(xù)拋光時,由于拋光壓力的作用,就會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、疲勞強度等性能。但如果表層滲氮層中存在針狀、網狀氮化物,這種組織會嚴重降低零件表面性能。這種組織的形成與鋼的化學成分、滲氮前組織、晶粒度、滲氮工藝密切相關。
38CrMoAl鋼滲氮前的正常組織應是均勻的回火索氏體,如組織不良,對滲氮質量影響很大。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,由于氮在鐵素體中有較大的擴散速度,使表面脫碳層中鐵素體含有較高濃度的氮,從而得到針狀和網狀氮化物。該螺桿在調質處理之后還要進行磨拋處理,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)域基體晶粒度級別可評為6級,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導致針狀、網狀氮化物的產生。
對38CrMoAl來說,滲氮溫度對其表層化合物的形成有著較大的影響,滲氮溫度越高,活性氮原子的擴散能力越強,理論上認為其滲氮層化合物層和擴散層厚度越大;但滲氮溫度偏高,也會對滲氮過程產生很大的負面作用,出現(xiàn)針狀、網狀組織[4]。目前螺桿表面出現(xiàn)麻坑只是個例,因此可以認為只是少數(shù)螺桿在滲氮工序中出現(xiàn)了操作異常的情況,而螺桿的整個熱處理工藝應該還是比較合理的。根據(jù)這種情況,后續(xù)除了要嚴格按照工藝操作要求進行操作以外,還應將滲氮溫度控制在靠下限的區(qū)域,并加強爐溫均勻性的控制。
通過工藝調整,后期生產中再未出現(xiàn)表面麻坑缺陷。
(1) 通過對螺桿表面麻坑缺陷的檢測與分析,其成分符合標準要求,但滲氮層金相組織不良,存在針狀氮化物及網狀氮化物,氮化物級別為5級,不符合GB/T 11354-2005標準要求;
(2)滲氮層顯微組織有明顯的針狀、網狀氮化物,該組織沿晶界呈網狀分布,破壞了金屬基體的連續(xù)性,導致表面層脆性增加,是螺桿產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℃的范圍嚴格控制好滲氮溫度,加強爐溫均勻性,保證螺桿表面滲氮層厚度均勻致密,防止異常組織的產生。
[1]畢革平,張寶川,陳華來,等.38CrMol鋼機筒棒料鏜孔切削性能比對分析[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38CrMol硬度與耐磨性能影響的研究[J].貴州工業(yè)大學學報(自然科學版),2003,32(5):24—28.
[4]冶金工業(yè)部《合金鋼鋼種手冊》編寫組.合金鋼鋼種手冊(第一冊合計結構鋼) [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