摘 要:注塑机用38CrMoAl钢料筒,在机械加工过程中,其表面出现大量黑色斑点。采用宏观 观察、扫 描 电 镜 分 析、金 相 检 验 等 方 法,分 析 料 筒 表 面 产 生 黑 斑 的 原 因。结 果 表 明:注 塑 机 用 38CrMoAl钢料筒表面渗氮不均匀,在机械加工过程中,料筒表面白亮层较厚区域发生沿晶开裂及 氮化层剥落,形成点状凹坑,这是料筒表面出现黑斑的主要原因。
关键词:氮化;白亮层;沿晶开裂;机械加工
中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)01-0049-03
38CrMoAl钢经过离子渗氮后,其表面硬度可 达到1200HV 以上,渗氮层深度达到1mm 以上, 常用于制造要求高疲劳强度、高耐磨性的零件,如车 床主轴、精密丝杠、料筒等[1]。某公司生产的注塑机 用料筒材料为的38CrMoAl钢,其生产工艺流程为: 模铸钢锭→热锻→下料锻→中心掏孔→调质处理→ 渗氮处理→机械加工,该料筒在机械加工过程中表 面出现黑色点状缺陷。为找出该料筒表面黑点状缺 陷形成的原因,笔者进行了一系列理化检验及分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
由图1可见,料 筒 表 面 可 见 密 集 的 黑 色 斑 点 ,斑点大小及分布无规律。
1.2 化学成分分析
在注塑机用料筒表面黑色斑点处截取试样,对 其进行化学成分分析,结果见表1,可见其化学成分 满足 GB/T 3077-2015《合 金 结 构 钢 》标 准 对 38CrMoAl钢的技术要求。
1.3 扫描电镜分析
在注塑机用料筒表面黑色斑点处截取试样,经超声波清洗后,采用 FEIQUANTA400F型扫描电 镜(SEM)观察其表面形貌。由图2可见,料筒表面 黑色斑点呈冰糖状凹坑形貌,凹坑内呈沿晶开裂断 口特征,未见机械加工痕�！�
在注塑机用料筒表面黑色斑点处截取横截面试 样,观察其截面形貌。由图3可见,料筒截面有多处 裂纹,不同区域裂纹分布不均,裂纹周围未见氧化现 象及非金属夹杂物,局部区域表面氮化层发生脱落。 由图4可见,经硝酸酒精浸蚀后,料筒表面氮化层中 的白亮层(化合物层)厚度不均匀,氮化层中的白亮 层较厚区域裂纹也较多,且裂纹均沿晶界开裂,料筒 基体组织为贝氏体,晶粒比较粗大。
2 分析与讨论
该注塑机用料筒的化学成分符合 GB/T3077 -2015标准对38CrMoAl钢的技术要求。料筒表 面存在黑色斑点。通过扫描电镜分析可知,表面黑 色斑点呈冰糖状凹坑形貌,为沿晶剥落形成的缺陷,料筒截面可见沿晶界扩展的裂纹,裂纹周围未见氧 化产物和非金属夹杂物,说明裂纹与钢中的夹杂物 无关,且裂纹形成于热处理之后。通过金相检验结 果可知,氮化层中的白亮层较厚区域裂纹较多,局部 白亮层厚度超过50μm,料筒基体组织为贝氏体,晶 粒较粗大。
有研究表明,工件渗氮后,其表面氮化层中的白 亮层是由ξ相、ε相、γ'相中的一种或者两种所组成, 又称为化合物层,因其不易被普通腐蚀剂腐蚀,所以 在金相显微镜下呈现为白亮色[2-3]。孔得群等[5]研 究表明,氮化前的基体组织对氮化后的白亮层厚度 有明显影响,基体组织晶粒越粗大,氮化后形成的白 亮层越不均匀,且容易出现疏松现象。经调质处理 后的38CrMoAl钢可获得均匀细小的回火索氏体组 织[6],但该批工件调质处理后,晶粒粗大,导致氮化 后工件表面形成一层厚薄不均的白亮层。氮化后料 筒表面形成的白亮层具有很高的硬度,能增强工件 的耐磨性。但白亮层往往具有较大的脆性,且随着 白亮层厚度的增加,白亮层会出现疏松(不致密),如 果产生夹层疏松,在工件抛光时就会出现起皮、剥落 等现象[4]。相关研究表明[7-9],对于表面硬度较高的 工件,如表面渗碳或氮化处理后的工件,在机械加工 时,如控制好磨削工艺,可以避免磨削裂纹的产生。
综上所述,料筒表面渗氮不均匀,在磨削加工过 程中,氮化层中的白亮层较厚区域出现沿晶开裂及 氮化层剥落现象,这是料筒表面出现黑点状缺陷的 主要原因。
3 结论及建议
(1)注塑机用38CrMoAl钢料筒表面渗氮不均 匀,在机械加工过程中,料筒表面氮化层中的白亮层较厚区域发生沿晶开裂及氮化层剥落,形成点状凹 坑,这是料筒表面出现黑斑的主要原因。
(2)建议增加调质处理后的组织检验,确保调质 处理后料筒获得均匀细小的索氏体组织。对于表面 硬度较高的工件,在机械加工过程中,需注意磨削时 工件的装夹方式,避免因工件装夹引起磨削缺陷。
参考文献:
[1] 王忠诚.热处理操作简明手册[M].北京:化学工业出 版社,2008.
[2] 左时燕,周伟,况勋,等.模具氮化及软氮化白亮层的 控制[J].模具制造,2015,15(1):76-80.
[3] 陈尧,纪 庆 新,魏 坤 霞,等.不 同 渗 氮 温 度 下 38CrMoAl钢低氮氢比无白亮层离子渗氮[J].中国表 面工程,2018,31(2):23-28.
[4] 由臣,毕大森,王志奇,等.几种钢软氮化层组织及性 能研究[J].天津冶金,2000(4):9-12.
[5] 孔德群,任政,何建群.原材料与组织对42CrMo钢离 子氮化的影响[J].热处理技术与装备,2016,37(6): 14-17.
[6] 李双喜,孙启锋,王鑫,等.38CrMoAl钢 表 面 离 子 渗 氮层剥 落 原 因 分 析 [J].金 属 热 处 理,2019,44(2): 223-226.
[7] 张义帅,孙红星,张超,等.汽车转向轴齿磨削裂纹产 生的机理及预防措施[J].锻压技术,2019,44(7):92- 96.
[8] 孙胜伟,宋亚虎,刘铁山,等.20CrMnMo钢渗碳齿轮 磨削裂纹成因分析[J].理化检验(物理分册),2016, 52(2):117-120,148.
[9] 苏虹,崔怀玲,戴维弟.20CrNi2Mo钢齿轮磨削裂纹成 因分析[J].理化检验(物理分册),2014,50(12):911- 913,918.