摘 要:注塑機用38CrMoAl鋼料筒,在機械加工過程中,其表面出現(xiàn)大量黑色斑點。采用宏觀 觀察、掃 描 電 鏡 分 析、金 相 檢 驗 等 方 法,分 析 料 筒 表 面 產(chǎn) 生 黑 斑 的 原 因。結(jié) 果 表 明:注 塑 機 用 38CrMoAl鋼料筒表面滲氮不均勻,在機械加工過程中,料筒表面白亮層較厚區(qū)域發(fā)生沿晶開裂及 氮化層剝落,形成點狀凹坑,這是料筒表面出現(xiàn)黑斑的主要原因。
關(guān)鍵詞:氮化;白亮層;沿晶開裂;機械加工
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)01-0049-03
38CrMoAl鋼經(jīng)過離子滲氮后,其表面硬度可 達到1200HV 以上,滲氮層深度達到1mm 以上, 常用于制造要求高疲勞強度、高耐磨性的零件,如車 床主軸、精密絲杠、料筒等[1]。某公司生產(chǎn)的注塑機 用料筒材料為的38CrMoAl鋼,其生產(chǎn)工藝流程為: 模鑄鋼錠→熱鍛→下料鍛→中心掏孔→調(diào)質(zhì)處理→ 滲氮處理→機械加工,該料筒在機械加工過程中表 面出現(xiàn)黑色點狀缺陷。為找出該料筒表面黑點狀缺 陷形成的原因,筆者進行了一系列理化檢驗及分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
由圖1可見,料 筒 表 面 可 見 密 集 的 黑 色 斑 點 ,斑點大小及分布無規(guī)律。
1.2 化學成分分析
在注塑機用料筒表面黑色斑點處截取試樣,對 其進行化學成分分析,結(jié)果見表1,可見其化學成分 滿足 GB/T 3077-2015《合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 》標 準 對 38CrMoAl鋼的技術(shù)要求。
1.3 掃描電鏡分析
在注塑機用料筒表面黑色斑點處截取試樣,經(jīng)超聲波清洗后,采用 FEIQUANTA400F型掃描電 鏡(SEM)觀察其表面形貌。由圖2可見,料筒表面 黑色斑點呈冰糖狀凹坑形貌,凹坑內(nèi)呈沿晶開裂斷 口特征,未見機械加工痕跡。
在注塑機用料筒表面黑色斑點處截取橫截面試 樣,觀察其截面形貌。由圖3可見,料筒截面有多處 裂紋,不同區(qū)域裂紋分布不均,裂紋周圍未見氧化現(xiàn) 象及非金屬夾雜物,局部區(qū)域表面氮化層發(fā)生脫落。 由圖4可見,經(jīng)硝酸酒精浸蝕后,料筒表面氮化層中 的白亮層(化合物層)厚度不均勻,氮化層中的白亮 層較厚區(qū)域裂紋也較多,且裂紋均沿晶界開裂,料筒 基體組織為貝氏體,晶粒比較粗大。
2 分析與討論
該注塑機用料筒的化學成分符合 GB/T3077 -2015標準對38CrMoAl鋼的技術(shù)要求。料筒表 面存在黑色斑點。通過掃描電鏡分析可知,表面黑 色斑點呈冰糖狀凹坑形貌,為沿晶剝落形成的缺陷,料筒截面可見沿晶界擴展的裂紋,裂紋周圍未見氧 化產(chǎn)物和非金屬夾雜物,說明裂紋與鋼中的夾雜物 無關(guān),且裂紋形成于熱處理之后。通過金相檢驗結(jié) 果可知,氮化層中的白亮層較厚區(qū)域裂紋較多,局部 白亮層厚度超過50μm,料筒基體組織為貝氏體,晶 粒較粗大。
有研究表明,工件滲氮后,其表面氮化層中的白 亮層是由ξ相、ε相、γ'相中的一種或者兩種所組成, 又稱為化合物層,因其不易被普通腐蝕劑腐蝕,所以 在金相顯微鏡下呈現(xiàn)為白亮色[2-3]?？椎萌旱萚5]研 究表明,氮化前的基體組織對氮化后的白亮層厚度 有明顯影響,基體組織晶粒越粗大,氮化后形成的白 亮層越不均勻,且容易出現(xiàn)疏松現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 后的38CrMoAl鋼可獲得均勻細小的回火索氏體組 織[6],但該批工件調(diào)質(zhì)處理后,晶粒粗大,導致氮化 后工件表面形成一層厚薄不均的白亮層。氮化后料 筒表面形成的白亮層具有很高的硬度,能增強工件 的耐磨性。但白亮層往往具有較大的脆性,且隨著 白亮層厚度的增加,白亮層會出現(xiàn)疏松(不致密),如 果產(chǎn)生夾層疏松,在工件拋光時就會出現(xiàn)起皮、剝落 等現(xiàn)象[4]。相關(guān)研究表明[7-9],對于表面硬度較高的 工件,如表面滲碳或氮化處理后的工件,在機械加工 時,如控制好磨削工藝,可以避免磨削裂紋的產(chǎn)生。
綜上所述,料筒表面滲氮不均勻,在磨削加工過 程中,氮化層中的白亮層較厚區(qū)域出現(xiàn)沿晶開裂及 氮化層剝落現(xiàn)象,這是料筒表面出現(xiàn)黑點狀缺陷的 主要原因。
3 結(jié)論及建議
(1)注塑機用38CrMoAl鋼料筒表面滲氮不均 勻,在機械加工過程中,料筒表面氮化層中的白亮層較厚區(qū)域發(fā)生沿晶開裂及氮化層剝落,形成點狀凹 坑,這是料筒表面出現(xiàn)黑斑的主要原因。
(2)建議增加調(diào)質(zhì)處理后的組織檢驗,確保調(diào)質(zhì) 處理后料筒獲得均勻細小的索氏體組織。對于表面 硬度較高的工件,在機械加工過程中,需注意磨削時 工件的裝夾方式,避免因工件裝夾引起磨削缺陷。
參考文獻:
[1] 王忠誠.熱處理操作簡明手冊[M].北京:化學工業(yè)出 版社,2008.
[2] 左時燕,周偉,況勛,等.模具氮化及軟氮化白亮層的 控制[J].模具制造,2015,15(1):76-80.
[3] 陳堯,紀 慶 新,魏 坤 霞,等.不 同 滲 氮 溫 度 下 38CrMoAl鋼低氮氫比無白亮層離子滲氮[J].中國表 面工程,2018,31(2):23-28.
[4] 由臣,畢大森,王志奇,等.幾種鋼軟氮化層組織及性 能研究[J].天津冶金,2000(4):9-12.
[5] 孔德群,任政,何建群.原材料與組織對42CrMo鋼離 子氮化的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備,2016,37(6): 14-17.
[6] 李雙喜,孫啟鋒,王鑫,等.38CrMoAl鋼 表 面 離 子 滲 氮層剝 落 原 因 分 析 [J].金 屬 熱 處 理,2019,44(2): 223-226.
[7] 張義帥,孫紅星,張超,等.汽車轉(zhuǎn)向軸齒磨削裂紋產(chǎn) 生的機理及預防措施[J].鍛壓技術(shù),2019,44(7):92- 96.
[8] 孫勝偉,宋亞虎,劉鐵山,等.20CrMnMo鋼滲碳齒輪 磨削裂紋成因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2016, 52(2):117-120,148.
[9] 蘇虹,崔懷玲,戴維弟.20CrNi2Mo鋼齒輪磨削裂紋成 因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2014,50(12):911- 913,918.