摘 要:注塑機用38CrMoAl鋼料筒,在機械加工過程中,其表面出現大量黑色斑點。采用宏觀 觀察、掃 描 電 鏡 分 析、金 相 檢 驗 等 方 法,分 析 料 筒 表 面 產 生 黑 斑 的 原 因。結 果 表 明: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。
關鍵詞:氮化;白亮層;沿晶開裂;機械加工
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)01-0049-03
38CrMoAl鋼經過離子滲氮后,其表面硬度可 達到1200HV 以上,滲氮層深度達到1mm 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。
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。
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 FEIQUANTA400F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。
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。
2 分析與討論
該注塑機用料筒的化學成分符合 GB/T3077 -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50μm,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。
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