注塑機螺桿表面麻坑產生原因

朱文凱, 安鵬達, 王 濤

(中天鋼鐵集團有限公司, 常州 213011)

由于注塑機螺桿在高溫、腐蝕、磨損等惡劣環境下工作，因此螺桿的材料必須耐高溫、耐腐蝕、耐磨損[1-2]。38CrMoAlA鋼是高級氮化鋼，強化滲氮后其表面硬度可達950～1 050 HV，并且滲氮處理后38CrMoAlA鋼的熱變形很小，故該鋼常用來制造超長尺寸的螺桿。

某公司用38CrMoAlA鋼生產注塑機螺桿，加工工藝為：粗車加工→調質處理→銑削加工成形→表面磨拋→表面氮化處理(510～530 ℃)→表面拋光→檢驗。在對一批螺桿進行表面氮化后拋光時，發現有幾支螺桿表面存在麻坑，這嚴重影響了螺桿的表面質量。筆者采用一系列理化檢驗方法對螺桿表面麻坑的產生原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

注塑機螺桿外徑為50 mm，長度約為2 000 mm，螺桿宏觀形貌如圖1所示。經目視觀察，螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側面的表面均存在密集、無規律、肉眼可見的麻坑(見圖2)，并且在螺桿螺旋齒的齒頂邊角部存在基體脫落現象(見圖3)。

圖1 38CrMoAlA螺桿宏觀形貌

圖2 38CrMoAlA螺桿表面麻坑缺陷宏觀形貌

圖3 螺桿齒頂邊角部脫落宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在螺桿上取樣，使用QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示，可知螺桿的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》標準對38CrMoAlA鋼的要求。

表1 38CrMoALA螺桿的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

在螺桿上取樣，置于掃描電鏡下觀察，螺桿表面麻坑為不規則凹坑(見圖4)，坑內可見沿晶開裂脫落痕跡(見圖5)。

圖4 螺桿表面麻坑SEM形貌

圖5 坑內沿晶開裂脫落痕跡SEM形貌

1.4 金相檢驗

沿螺桿中心線剖開，取縱向試樣進行金相檢驗。螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側面的表面均有一層氮化層，層深約為0.57 mm；表面沒有發現“白亮層”，因此氮化層僅有擴散層，組織非常粗大；在氮化層內分布著針狀、脈狀和沿晶界的氮化物，以及沿晶界網狀氮化物開裂的裂紋。螺桿表面麻坑呈細小凹坑形貌，在凹坑處及附近未見非金屬夾雜物聚集和粗大夾渣，并且凹坑呈現沿晶剝落形態，說明麻坑形成與沿晶裂紋有關(見圖6～8)。在螺桿螺旋齒的齒頂邊角處同樣存在針狀、脈狀及沿晶氮化物，以及沿晶裂紋(見圖9～10)。螺桿表面麻坑及裂紋均位于氮化層內，麻坑處及附近的脈狀、沿晶氮化物較嚴重，這種特征具有普遍性。

圖6 螺桿表面氮化層顯微組織形貌

圖7 氮化層內針狀、脈狀和沿晶界的氮化物微觀形貌

圖8 沿晶界網狀氮化物開裂以及凹坑微觀形貌

圖9 螺旋齒齒頂邊角處氮化層顯微組織形貌

圖10 沿脈狀及晶界氮化物擴展的裂紋微觀形貌

螺桿基體非金屬夾雜物檢驗結果如表2所示，可見非金屬夾雜物級別符合GB/T 3077—2015的要求。

表2 螺桿基體非金屬夾雜物金相檢驗結果 級

螺桿表層基體組織均勻，未發現明顯偏析現象，僅心部存在輕微的帶狀組織；螺桿表層基體為粗大貝氏體組織，晶粒度為2～3級，該組織與38CrMoAlA鋼的熱軋態組織相似(見圖11)。

圖11 螺桿表層基體的顯微組織形貌

取一段材料為38CrMoAlA鋼的φ50 mm熱軋圓鋼，按940 ℃加熱，1 h淬油+640 ℃回火4 h的工藝進行調質處理，得到的顯微組織為回火索氏體，晶粒度為6～7級(見圖12)。

圖12 材料為38CrMoAlA鋼的φ50 mm圓鋼調質處理后的顯微組織形貌

熱軋態38CrMoAlA圓鋼基體為粗大貝氏體組織，晶粒度為2～3級(見圖13)。

圖13 材料為38CrMoAlA鋼的φ50 mm圓鋼熱軋態顯微組織形貌

2 綜合分析

螺桿的化學成分及非金屬夾雜物均符合GB/T 3077—2015要求，未發現螺桿表層組織有明顯偏析現象，表明螺桿材料正常。

螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側面均存在密集、無規律、肉眼可見的麻坑；在螺桿螺旋齒的齒頂邊角部有基體脫落現象。經掃描電鏡觀察，螺桿表面麻坑為不規則凹坑，坑內有沿晶開裂剝落痕跡；螺桿表層麻坑屬于表面不規則凹坑缺陷，為非材料原因引起的缺陷，應與表層組織特性有關。

螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側面的表面均有一層氮化層，層深約為0.57 mm；表面沒有發現“白亮層”，因此氮化層僅有擴散層，組織非常粗大。在氮化層內分布著針狀、脈狀和沿晶界的氮化物，以及沿晶界網狀氮化物開裂的裂紋。螺桿表面麻坑為不規則凹坑，坑內有沿晶開裂剝落痕跡，說明其形成與沿晶裂紋有關。在螺桿螺旋齒的齒頂邊角處同樣有針狀、脈狀及沿晶氮化物，以及沿晶裂紋。螺桿表面麻坑及裂紋均位于氮化層內，麻坑處及附近的脈狀、沿晶氮化物較嚴重。

上述特征表明：螺桿表層麻坑的產生原因是氮化層顯微組織不良，氮化層內存在針狀、脈狀及沿晶界網狀氮化物。這種氮化物脆性極大，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。在螺桿氮化處理后拋光時，受拋光壓力的作用，在氮化層內晶界網狀氮化物處萌生裂紋，使得表面產生剝落現象，導致螺桿表面出現麻坑。在螺桿螺旋齒的齒頂邊角處產生基體剝落也是同樣的原因。

在表面氮化過程中，螺桿表面形成了一層富氮的氮化硬化層，從而提高了螺桿表面的硬度、耐磨性、疲勞強度等性能。如果表面氮化層組織粗大，并存在針狀、脈狀及晶界網狀氮化物，則會嚴重降低表面性能。這種表面氮化層組織的形成與38CrMoAlA鋼的化學成分、氮化前組織、晶粒度、氮化工藝等有著密切關系[3]。

由于38CrMoAlA鋼熱軋態組織為粗大貝氏體，晶粒粗大，不適合直接進行氮化處理,因此用38CrMoAlA鋼制造的螺桿在氮化處理前需經過調質處理，其正常組織應是均勻的回火索氏體，晶粒度為6～7級[4-5]，這與調質處理試驗所得到的組織相同,但該螺桿的基體為粗大貝氏體組織，晶粒粗大，非常類似于38CrMoAlA鋼的熱軋態組織，與調質處理后的正常組織相差很大，說明該螺桿在氮化處理之前存在不良組織，這種組織狀態在經過氮化后一般不會發生改變。粗大貝氏體組織使螺桿氮化擴散層的針狀、脈狀氮化物加劇，特別當晶粒粗大時，晶界減少，晶界上合金氮化物數量就更多，脈狀氮化物顯得又長又粗，并沿晶界分布，使氮化層脆性增加[6-8]。

3 結論

(1) 螺桿表面麻坑產生原因是氮化層組織不良，氮化層內存在針狀、脈狀及沿晶界網狀氮化物，這種氮化物脆性極大，又沿著晶界呈網狀分布，破壞了金屬基體的連續性，導致表層脆性增加。

(2) 造成氮化層組織不良的原因與螺桿在氮化處理前存在粗大組織有關。