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)

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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

引　言

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。

1　樣品基本情況

樣品為注塑機螺桿的一部分，外形如圖1所示。材質為38CrMoAl，規格：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(發現麻坑缺陷)。

圖1　螺桿形貌

2　樣品檢驗

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域法向截面上取樣進行金相分析。金相觀察發現，該區域表面有凹坑分布，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，表層沒有發現“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象，并伴有沿晶剝落形態，見圖5所示。觀察發現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現，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現，裂紋沿晶開裂，無脫碳現象，情況與齒根圓柱面表面缺陷形態一致(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域進行N元素的面掃描，分析區域大小為：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　缺陷區域N元素分布

3　分析與討論

通過以上檢驗發現，螺桿齒根圓柱面、齒頂圓柱面、齒側表面均有裂紋出現，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性，導致表面層脆性增加。在后續拋光時，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，沒有發現螺桿表面存在脫碳現象，觀察樣品顯微組織，螺桿的基體組織為回火索氏體組織，正常區域基體晶粒度級別可評為6級，屬正常范圍。分析發現，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,出現針狀、網狀組織[4]。目前螺桿表面出現麻坑只是個例，因此可以認為只是少數螺桿在滲氮工序中出現了操作異常的情況，而螺桿的整個熱處理工藝應該還是比較合理的。根據這種情況，后續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表面麻坑缺陷。

4　結　論

(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].貴州工業大學學報(自然科學版)，2003，32(5):24—28.

[4]冶金工業部《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:冶金工業出版社，1983.

2016-02-04

王小忠(1976—)，男，工程師

TG142.1