朱文凯,安鹏达,王 涛 (中天钢铁集团有限公司,常州 213011)

摘 要:某注塑机38CrMoAlA 钢螺杆表面存在麻坑,采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、 断口分析等方法对麻坑的产生原因进行分析。结果表明:螺杆表面氮化层显微组织不良,存在脉状 氮化物及晶界网状氮化物,该氮化物脆性极大,且沿着晶界呈网状分布,破坏了金属基体的连续性, 导致表层脆性增加;在对螺杆进行氮化后抛光时,受抛光压力的作用,表层晶界网状氮化物发生开 裂,使得表面产生脱落现象,导致螺杆表面出现麻坑;造成氮化层显微组织不良的原因与螺杆在氮 化前存在不良显微组织有关。

关键词:38CrMoAlA 钢;螺杆;沿晶氮化物;麻坑 中图分类号:TB31;TG142.1 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)12-0077-0

由于注塑机螺杆在高温、腐蚀、磨损等恶劣环境 下工作,因此螺杆的材料必须耐高温、耐腐蚀、耐磨 损[1-2]。38CrMoAlA 钢是高级氮化钢,强化渗氮后 其表面硬度可达950~1050 HV,并且渗氮处理后 38CrMoAlA 钢的热变形很小,故该钢常用来制造 超长尺寸的螺杆。 某公司用 38CrMoAlA 钢生产注塑机螺杆,加 工工艺为:粗车加工→调质处理→铣削加工成形→ 表面磨抛→表面氮化处理(510~530 ℃)→表面抛 光→检验。在对一批螺杆进行表面氮化后抛光时, 发现有几支螺杆表面存在麻坑,这严重影响了螺杆 的表面质量。笔者采用一系列理化检验方法对螺杆 表面麻坑的产生原因进行了分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

注 塑 机 螺 杆 外 径 为 50 mm,长 度 约 为 2000mm,螺杆 宏 观 形 貌 如 图 1 所 示。经 目 视 观 察,螺杆螺旋齿的齿根、齿顶及齿侧面的表面均存 在密集、无规律、肉眼可见的麻坑(见图2),并且在 螺杆 螺 旋 齿 的 齿 顶 边 角 部 存 在 基 体 脱 落 现 象 (见图3)。

1.2 化学成分分析 在螺杆上取样,使用 QSN750型直读光谱仪进 行化学成分分析,结果如表1所示,可知螺杆的化学 成分符合 GB/T3077—2015 《合金结构钢》标准对 38CrMoAlA 钢的要求。

1.3 扫描电镜(SEM)分析 在螺杆上取样,置于扫描电镜下观察,螺杆表面 麻坑为不规则凹坑(见图4),坑内可见沿晶开裂脱 落痕迹(见图5)。 图4 螺杆表面麻坑SEM 形貌 图5 坑内沿晶开裂脱落痕迹SEM 形貌

1.4 金相检验 沿螺杆中心线剖开,取纵向试样进行金相检验。 螺杆螺旋齿的齿根、齿顶及齿侧面的表面均有一层 氮化层,层深约为 0.57 mm;表 面 没 有 发 现 “白 亮 层”,因此氮化层仅有扩散层,组织非常粗大;在氮化 层内分布着针状、脉状和沿晶界的氮化物,以及沿晶 界网状氮化物开裂的裂纹。螺杆表面麻坑呈细小凹 坑形貌,在凹坑处及附近未见非金属夹杂物聚集和 粗大夹渣,并且凹坑呈现沿晶剥落形态,说明麻坑形 成 与沿晶裂纹有关(见图6~8)。在螺杆螺旋齿的齿顶边角处同样存在针状、脉状及沿晶氮化物,以及 沿晶裂纹(见图9~10)。螺杆表面麻坑及裂纹均位 于氮化层内,麻坑处及附近的脉状、沿晶氮化物较严 重,这种特征具有普遍性。 图9 螺旋齿齿顶边角处氮化层显微组织形貌 图10 沿脉状及晶界氮化物扩展的裂纹微观形貌 螺杆基体非金属夹杂物检验结果如表2所示,可 见非金属夹杂物级别符合 GB/T3077—2015的要求。 表2 螺杆基体非金属夹杂物金相检验结果 级 项目 A B C D 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 Ds 实测值 0.5 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 1.0 0.5 - 标准值 ≤3.0≤2.5≤3.0≤2.0≤2.0≤1.5≤2.0≤1.5 - 螺杆表层基体组织均匀,未发现明显偏析现象, 仅心部存在轻微的带状组织;螺杆表层基体为粗大 贝 氏 体 组 织,晶 粒 度 为 2 ~ 3 级,该 组 织 与 38CrMoAlA 钢的热轧态组织相似(见图11)。 取一段材料为38CrMoAlA 钢的?50mm 热轧 图11 螺杆表层基体的显微组织形貌 圆钢,按940 ℃加热,1h淬油+640 ℃回火4h的 工艺进行调质处理,得到的显微组织为回火索氏体, 晶粒度为6~7级(见图12)。

热轧态38CrMoAlA 圆钢基体为粗大贝氏体组 织

2 ,晶 综 粒 合 度 分 为 析

2~3级(见图13)。 螺杆的化学成分及非金属夹杂物均符合 3077—2015要求,未发现螺杆表层组织有明显 G 偏 B/ 析 T 现象,表明螺杆材料正常。

螺杆螺旋齿的齿根、齿顶及齿侧面均存在密集、 无规律、肉眼可见的麻坑;在螺杆螺旋齿的齿顶边角 部有基体脱落现象。经扫描电镜观察,螺杆表面麻 坑为不规则凹坑,坑内有沿晶开裂剥落痕迹;螺杆表 层麻坑属于表面不规则凹坑缺陷,为非材料原因引 起的缺陷,应与表层组织特性有关。 螺杆螺旋齿的齿根、齿顶及齿侧面的表面均有 一层氮化层,层深约为0.57mm;表面没有发现“白 亮层”,因此氮化层仅有扩散层,组织非常粗大。在 氮化层内分布着针状、脉状和沿晶界的氮化物,以及 沿晶界网状氮化物开裂的裂纹。螺杆表面麻坑为不 规则凹坑,坑内有沿晶开裂剥落痕迹,说明其形成与 沿晶裂纹有关。在螺杆螺旋齿的齿顶边角处同样有 针状、脉状及沿晶氮化物,以及沿晶裂纹。螺杆表面 麻坑及裂纹均位于氮化层内,麻坑处及附近的脉状、 沿晶氮化物较严重。 上述特征表明:螺杆表层麻坑的产生原因是氮化 层显微组织不良,氮化层内存在针状、脉状及沿晶界 网状氮化物。这种氮化物脆性极大,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。在螺杆氮化处理后抛光时,受抛光压力的作 用,在氮化层内晶界网状氮化物处萌生裂纹,使得表 面产生剥落现象,导致螺杆表面出现麻坑。在螺杆螺 旋齿的齿顶边角处产生基体剥落也是同样的原因。 在表面氮化过程中,螺杆表面形成了一层富氮的氮 化硬化层,从而提高了螺杆表面的硬度、耐磨性、疲劳强 度等性能。如果表面氮化层组织粗大,并存在针状、脉状 及晶界网状氮化物,则会严重降低表面性能。这种表面 氮化层组织的形成与38CrMoAlA钢的化学成分、氮化前 组织、晶粒度、氮化工艺等有着密切关系[3]。 由于38CrMoAlA钢热轧态组织为粗大贝氏体, 晶粒 粗 大,不 适 合 直 接 进 行 氮 化 处 理,因 此 用 38CrMoAlA钢制造的螺杆在氮化处理前需经过调质 处理,其正常组织应是均匀的回火索氏体,晶粒度为 6~7级[4-5],这与调质处理试验所得到的组织相同, 但该螺杆的基体为粗大贝氏体组织,晶粒粗大,非常 类似于38CrMoAlA钢的热轧态组织,与调质处理后 的正常组织相差很大,说明该螺杆在氮化处理之前存 在不良组织,这种组织状态在经过氮化后一般不会发 生改变。粗大贝氏体组织使螺杆氮化扩散层的针状、 脉状氮化物加剧,特别当晶粒粗大时,晶界减少,晶界 上合金氮化物数量就更多,脉状氮化物显得又长又 粗,并沿晶界分布,使氮化层脆性增加[6-8]。

3 结论

(1)螺杆表面麻坑产生原因是氮化层组织不 良 这 , 种 氮 氮 化 化 层 物 内 脆 存 性 在 极 针 大 状、脉状及沿晶界网状氮化物, ,又沿着晶界呈网状分布,破坏 了金属基体的连续性,导致表层脆性增加。 (2)造成氮化层组织不良的原因与螺杆在氮化 处理前存在粗大组织有关。

来源：材料与测试网