38CrMoAl螺杆表面麻坑原因分析及改进①

2016-09-24王小忠

现代冶金 2016年2期

关键词：圆柱面齿顶氮化物

王小忠，王　俊

(江苏永钢集团有限公司，江苏张家港　215628)

38CrMoAl螺杆表面麻坑原因分析及改进①

王小忠，王俊

(江苏永钢集团有限公司，江苏张家港215628)

结合38CrMoAl螺杆的生产过程，分析了螺杆的化学成分、显微组织等，找出其形成表面麻坑缺陷的原因，并提出了相应的改进措施。

38CrMoAl；螺杆；网状氮化物；麻坑

引　言

38CrMoAl钢是一种高级氮化钢，经调质处理并渗氮后有高的强韧性、高的表面硬度和高耐磨性[1]。常用于制造镗杆、磨床主轴、自动车床主轴、螺杆、精密丝杆、精密齿轮、橡胶及塑料挤压机上的各种耐磨件等[2-3]。

某公司用38CrMoAl圆钢生产注塑机螺杆过程中，螺杆表面渗氮后抛光时，有几支螺杆表面产生麻坑状缺陷，影响了零件的正常使用。

1　样品基本情况

样品为注塑机螺杆的一部分，外形如图1所示。材质为38CrMoAl，规格：Φ160 mm，冶炼炉号：Y5A02540。加工工艺：粗车加工→调质处理→精车加工成形→上磨床→抛光→表面氮化处理(510～530 ℃)→上磨床→抛光→检验(发现麻坑缺陷)。

图1　螺杆形貌

2　样品检验

2.1宏观分析

螺杆样品表面麻坑状缺陷如图2所示，螺杆旋转齿的齿根、齿顶及齿侧面均存在密集、无规律、肉眼可见的“麻坑”。

图2　螺杆表面麻坑缺陷形貌

2.2理化检验

2.2.1化学成分检验

从螺杆样品截面由外表面至心部的不同区域取三个试样，采用直读光谱仪对样品进行化学成分检验，结果如表1所示，可见样品化学成分符合GB/T3077-1999的要求。

2.2.2显微组织分析

(1) 螺杆齿根圆柱面分析情况

按图1所示位置，在样品齿根圆柱面麻坑缺陷区域法向截面上取样进行金相分析。金相观察发现，该区域表面有凹坑分布，凹坑宽度约229 μm，深度65 μm，样品基体沿表层面分布有细裂纹，裂纹深度≤273 μm，裂纹两侧未见非金属夹杂物聚集(如图3所示)，上述观察现象存在普遍性。

表1　螺杆样品的化学成分与标准对照

图3　螺杆齿根圆柱面麻坑形貌(100X)

根据GB/T 11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》对螺杆样品的金相组织进行检验。用5%的FeCl3水溶液腐蚀后，麻坑缺陷区域组织分布形貌如图4所示，样品基体组织为回火索氏体组织。金相观察可见，样品齿根圆柱面表面渗氮层深度0.50～0.66 mm，厚度不均匀，表层没有发现“白亮层”，样品近表面位置存在针状、网状氮化物异常组织，渗氮层中氮化物评级为5级。用durascan-20显微硬度计(载荷500 g)测量样品渗氮层的表面硬度为1118～1139HV0.5，基体的硬度为240～56HV0.5。

图4　螺杆齿根圆柱面显微组织形貌(100X)

高倍观察可见样品表面有沿晶开裂现象，并伴有沿晶剥落形态，见图5所示。观察发现样品表面麻坑及裂纹均位于渗氮层内，麻坑分布在渗氮层中氮化物网状严重位置，裂纹沿晶分布，无脱碳现象，裂纹及其附近晶界上均沿晶分布有氮化物(如图5所示)。

图5　高倍显微组织形貌(500X)

(2) 齿顶圆柱面及齿侧表面分析情况

图6　螺杆齿顶圆柱面缺陷形貌(200X)

图7　螺杆齿顶圆柱面显微组织形貌(200X)

在图1所示位置取螺杆样品齿顶圆柱面及齿侧截面金相样，抛光后在显微镜下观察发现，样品齿顶及齿侧表面均有少量裂纹分布，齿顶裂纹深度≤235 μm，齿侧表面裂纹深度≤106 μm，裂纹内及两侧无非金属夹杂物聚集(如图6所示)。用5%的FeCl3水溶液腐蚀后观察发现，裂纹沿晶开裂，无脱碳现象，情况与齿根圆柱面表面缺陷形态一致(如图7所示)。

2.2.3电子探针分析

本文利用EPMA-1720型电子探针对样品表面渗氮层区域进行N元素的面扫描，分析区域大小为：184 μm×142 μm。结果显示，表层麻坑周围针状、网状组织氮含量较高，确为氮化物(如图9所示)。

图8　氮化物二次电子图像

图9　缺陷区域N元素分布

3　分析与讨论

通过以上检验发现，螺杆齿根圆柱面、齿顶圆柱面、齿侧表面均有裂纹出现，裂纹呈网状分布，位于渗氮层内。渗氮层金相组织不良，存在针状氮化物及网状氮化物，这种组织氮含量过高，又沿着晶界呈网状分布，破坏了金属基体的连续性，导致表面层脆性增加。在后续抛光时，由于抛光压力的作用，就会在表层晶界氮化物处开裂，使得氮化物从表面脱落，零件表面出现麻坑。

螺杆在渗氮过程中，表面形成了一层富氮的硬化层，从而提高了零件表面的硬度、耐磨、疲劳强度等性能。但如果表层渗氮层中存在针状、网状氮化物，这种组织会严重降低零件表面性能。这种组织的形成与钢的化学成分、渗氮前组织、晶粒度、渗氮工艺密切相关。

38CrMoAl钢渗氮前的正常组织应是均匀的回火索氏体，如组织不良，对渗氮质量影响很大。渗氮前零件表层若存在脱碳层，脱碳层中的铁素体在渗氮时，由于氮在铁素体中有较大的扩散速度，使表面脱碳层中铁素体含有较高浓度的氮，从而得到针状和网状氮化物。该螺杆在调质处理之后还要进行磨抛处理，取样抽检，没有发现螺杆表面存在脱碳现象，观察样品显微组织，螺杆的基体组织为回火索氏体组织，正常区域基体晶粒度级别可评为6级，属正常范围。分析发现，螺杆表面渗氮层厚度不均匀，说明渗氮过程中温度不均匀，并且氮化温度过高会导致针状、网状氮化物的产生。

对38CrMoAl来说,渗氮温度对其表层化合物的形成有着较大的影响,渗氮温度越高,活性氮原子的扩散能力越强,理论上认为其渗氮层化合物层和扩散层厚度越大；但渗氮温度偏高,也会对渗氮过程产生很大的负面作用,出现针状、网状组织[4]。目前螺杆表面出现麻坑只是个例，因此可以认为只是少数螺杆在渗氮工序中出现了操作异常的情况，而螺杆的整个热处理工艺应该还是比较合理的。根据这种情况，后续除了要严格按照工艺操作要求进行操作以外，还应将渗氮温度控制在靠下限的区域，并加强炉温均匀性的控制。

通过工艺调整，后期生产中再未出现表面麻坑缺陷。