鏜軸滲氮磨削后缺陷分析

弋楠，姚永紅，燕樣樣，李紅莉

陜西工業職業技術學院材料工程學院 陜西咸陽 712000

1 序言

某公司加工的鏜床主軸滲氮后，在精磨時表面出現針狀大小的“凹坑”。主軸材質為38CrMoAl鋼，其加工路線為：粗加工→調質→半精加工→消除應力→磨削→滲氮→精加工。針對鏜床主軸滲氮后，在精磨時表面出現的缺陷進行分析，并提出改進措施，避免后續再發生同樣的缺陷。

2 理化檢測

2.1 宏觀觀察

在生產現場強燈光照射下，用肉眼觀察磨削后的鏜軸，可見表面有針眼狀大小的黑色凹坑，分布不均勻。在缺陷處取樣，直接在50倍金相顯微鏡下觀察，缺陷特征如圖1所示。

圖1 滲氮后磨削表面特征

2.2 微觀檢測

（1）表面顯微組織檢測 對鏜軸從表面沿滲氮層深度方向取樣，在200倍光學顯微鏡下觀察拋光后未浸蝕的試樣表面，可見裂紋比較平直，最大深度約0.9mm，表面有剝落的凹坑，如圖2所示。在500倍光學顯微鏡下觀察滲氮后精磨的鏜軸表面，可見“黑色凹坑”處的特征是邊緣比較平直，有微小區域或晶粒脫落的特征，表面裂紋也具有網狀特征，如圖3所示。

圖2 磨削深度方向的表層特征

圖3 滲氮退氮后精磨表面原始特征

（2）滲氮前調質組織檢測 對滲氮前的鏜軸進行取樣，在200倍光學顯微鏡下觀察滲氮前調質組織，發現有明顯的帶狀組織特征。深色區域晶粒較細小，淺色區域晶粒較粗大，如圖4所示。根據GB/T 11354—2005《鋼鐵材料滲氮層深度測定和金相組織檢驗》對組織評級，結果為3級，不符合重要零件1～2級標準要求[1]。

圖4 滲氮前調質組織

（3）調質磨削后脫碳層深度測定 對鏜軸調質處理再經過磨削的隨爐試樣，進行脫碳層深度測定。測定方法為：用FM-800顯微硬度計，載荷試驗力300g（2.94N），保荷時間12s。經檢測，脫碳層深度約為0.208mm，所得曲線如圖5所示。說明工件在調質處理時，表面產生了嚴重的脫碳，導致磨削時未完全去除脫碳層。

圖5 顯微硬度法測定調質時效后磨削試樣脫碳層深度曲線

（4）滲氮擴散層組織檢測 對鏜軸滲氮后未磨削的試樣進行磨光、拋光、浸蝕，并在200倍光學顯微鏡下觀察，其表層及擴散層中的組織有較多白色脈狀、針狀氮化物，同時可以觀察到沿晶界出現的裂紋，如圖6所示，此裂紋有可能是在金相試樣切割或磨制過程中產生的。根據GB/T 11354—2005對金相組織進行評級，結果為4級[1]，屬不合格級別。

圖6 滲氮后未磨削表層組織

在200倍光學顯微鏡下觀察鏜軸滲氮磨削后的表層組織，其中有少量白色脈狀氮化物及沿晶界析出的針狀氮化物，且有剝落現象，擴基體為含氮索氏體，如圖7所示。根據GB/T 11354—2005對金相組織進行評級，結果為2級[1]，屬合格級別。

圖7 滲氮后磨削表層組織

（5）滲氮層脆性的檢測 圖8所示為對鏜軸滲氮后退氮未磨削時的狀態進行取樣，檢測其表面脆性級別的檢驗圖，根據GB/T 11354—2005《滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中的相關規定，在維氏硬度計試驗力為10kgf（98N）下加載10s，參照滲氮層脆性級別圖進行評級，評級結果為4級，屬不合格級別。圖9所示為對鏜軸滲氮后退氮磨削時的狀態進行取樣，檢測其表面脆性級別的檢驗圖，用同樣方法并參照同一標準，評級結果為3級，屬不合格級別。從圖8可看出，表面裂紋較少，而圖9所示表面有較多網狀裂紋，這可能是磨削工藝參數不合適所致。

圖8 滲氮后退氮未磨削表面脆性

圖9 滲氮后退氮磨削表面脆性

3 分析與結論

3.1 分析與討論

由以上檢測結果可知，鏜床主軸滲氮后磨削出現剝落的主要原因是由于滲氮前調質顯微組織粗大、脫碳層未完全去除所致，同時滲氮和磨削工藝不當，也會促進磨削時表面剝落。

鏜軸滲氮前進行調質處理后組織粗大，級別不合格，有混晶現象，說明原材料中存在帶狀組織，可能是調質前未進行預先熱處理或預先熱處理工藝不合理，未完全消除帶狀組織，致使調質后沒有得到均勻的索氏體。組織中粗大晶粒在滲氮時易出現網狀和脈狀氮化物，促使滲氮層脆性增加。

由于38CrMoAl鋼冶煉時具有過熱敏感性，所以在加熱時容易發生脫碳現象。如果滲氮前磨削未完全去除脫碳層，則表層粗大的鐵素體會增大工件表面的吸氮能力，導致氮元素富集，使氮化物沿一定晶面呈針狀析出，增大材料的脆性；同時，在滲氮前進行磨削時，鏜軸表面粗糙度值高，工件表面凸出部分在滲氮時氮濃度較高，也會導致滲氮層脆性增大[2，3]。以上因素最終使工件表面脆性增大，即使磨削工藝參數合適，也可能引起磨削時表面剝落。因此，建議鏜軸在滲氮前進行機加工時應留有較大的加工余量，保證滲氮前能完全去除脫碳層，避免因脫碳層未去除干凈而導致的不利后果。

鏜軸滲氮后，可通過退氮的方法降低滲氮層的脆性[4]。如果鏜軸退氮后，氮化物級別雖然屬于合格，其脆性級別有也所下降，但由于退氮時間過短，則其表層在滲氮時氮濃度仍然過高，滲氮層脆性仍較大，因此也未達到脆性級別標準要求。此時如果磨削工藝不當，也會使工件表面應力增大，從而使表面出現剝落[5]。

此外，鏜軸在滲氮時，滲氮工藝中氨的分解率過低、氨的含水量過高，以及滲氮溫度過高等都可形成網狀氮化物，使表面脆性增加，導致后續加工時出現剝落的“凹坑”缺陷。

3.2 結論

由以上分析可知，鏜軸精磨時表面出現“凹坑”缺陷的成因如下。

1）鏜軸滲氮前晶粒粗大、表層脫碳層未完全去除，導致滲氮層脆性增大，是磨削時工件表面剝落的主要原因。

2）鏜軸滲氮前，磨削工藝不當，表面粗糙度值高，使滲氮層局部氮濃度過高，脆性增大；滲氮后，磨削應力大，也會致使表層出現裂紋。

3）鏜軸滲氮工藝不當，使滲氮層脆性增加，也能引起磨削時表面剝落。

4 改進措施

1）改進調質工藝，細化晶粒，盡可能減少工件表面脫碳現象，為滲氮做好充分準備。

2）鏜軸在調質后滲氮前，優化磨削工藝，去除脫碳層，加工后期減小進給量，降低表面粗糙度值以減少磨削應力。

3）可適當延長退氮時間，使滲氮層的氮濃度降低，消除網狀和脈狀氮化物，降低滲氮層的脆性。

經過跟蹤調查，廠家通過適當延長退氮時間，進行2～3次試驗后，就徹底解決了滲氮層表面脆性大引起磨削時表面剝落的現象。