注塑機用38CrMoAl鋼料筒表面產生黑斑的原因

楊 娥,周 楊

(大冶特殊鋼股份有限公司 高品質特殊鋼湖北省重點實驗室,黃石 435001)

38CrMoAl鋼經過離子滲氮后,其表面硬度可達到1 200 HV以上，滲氮層深度達到1 mm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]。某公司生產的注塑機用料筒材料為的38CrMoAl鋼，其生產工藝流程為：模鑄鋼錠→熱鍛→下料鍛→中心掏孔→調質處理→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律。

圖1 注塑機用料筒表面黑色斑點的宏觀形貌

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，結果見表1，可見其化學成分滿足GB/T 3077-2015《合金結構鋼》標準對38CrMoAl鋼的技術要求。

表1 注塑機用料筒的化學成分

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，經超聲波清洗后，采用FEI QUANTA 400F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，凹坑內呈沿晶開裂斷口特征，未見機械加工痕跡。

圖2 注塑機用料筒表面黑色斑點的微觀形貌

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，不同區域裂紋分布不均，裂紋周圍未見氧化現象及非金屬夾雜物，局部區域表面氮化層發生脫落。由圖4可見，經硝酸酒精浸蝕后，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。

圖3 注塑機用料筒黑色斑點處截面的微觀形貌(拋光態)

圖4 注塑機用料筒黑色斑點處截面的微觀形貌(腐蝕態)

2 分析與討論

該注塑機用料筒的化學成分符合GB/T 3077-2015標準對38CrMoAl鋼的技術要求。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物和非金屬夾雜物，說明裂紋與鋼中的夾雜物無關，且裂紋形成于熱處理之后。通過金相檢驗結果可知，氮化層中的白亮層較厚區域裂紋較多，局部白亮層厚度超過50 μm，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為白亮色[2-3]。孔得群等[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，且容易出現疏松現象。經調質處理后的38CrMoAl鋼可獲得均勻細小的回火索氏體組織[6]，但該批工件調質處理后，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，白亮層會出現疏松(不致密)，如果產生夾層疏松，在工件拋光時就會出現起皮、剝落等現象[4]。相關研究表明[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域出現沿晶開裂及氮化層剝落現象，這是料筒表面出現黑點狀缺陷的主要原因。

3 結論及建議

(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域發生沿晶開裂及氮化層剝落，形成點狀凹坑，這是料筒表面出現黑斑的主要原因。

(2)建議增加調質處理后的組織檢驗，確保調質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。