朱文凱, 安鵬達, 王 濤

(中天鋼鐵集團有限公司, 常州 213011)

由于注塑機螺桿在高溫、腐蝕、磨損等惡劣環(huán)境下工作，因此螺桿的材料必須耐高溫、耐腐蝕、耐磨損[1-2]。38CrMoAlA鋼是高級氮化鋼，強化滲氮后其表面硬度可達950～1 050 HV，并且滲氮處理后38CrMoAlA鋼的熱變形很小，故該鋼常用來制造超長尺寸的螺桿。

某公司用38CrMoAlA鋼生產(chǎn)注塑機螺桿，加工工藝為：粗車加工→調(diào)質(zhì)處理→銑削加工成形→表面磨拋→表面氮化處理(510～530 ℃)→表面拋光→檢驗。在對一批螺桿進行表面氮化后拋光時，發(fā)現(xiàn)有幾支螺桿表面存在麻坑，這嚴重影響了螺桿的表面質(zhì)量。筆者采用一系列理化檢驗方法對螺桿表面麻坑的產(chǎn)生原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

注塑機螺桿外徑為50 mm，長度約為2 000 mm，螺桿宏觀形貌如圖1所示。經(jīng)目視觀察，螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側(cè)面的表面均存在密集、無規(guī)律、肉眼可見的麻坑(見圖2)，并且在螺桿螺旋齒的齒頂邊角部存在基體脫落現(xiàn)象(見圖3)。

圖1 38CrMoAlA螺桿宏觀形貌

圖2 38CrMoAlA螺桿表面麻坑缺陷宏觀形貌

圖3 螺桿齒頂邊角部脫落宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在螺桿上取樣，使用QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示，可知螺桿的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》標準對38CrMoAlA鋼的要求。

表1 38CrMoALA螺桿的化學成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

在螺桿上取樣，置于掃描電鏡下觀察，螺桿表面麻坑為不規(guī)則凹坑(見圖4)，坑內(nèi)可見沿晶開裂脫落痕跡(見圖5)。

圖4 螺桿表面麻坑SEM形貌

圖5 坑內(nèi)沿晶開裂脫落痕跡SEM形貌

1.4 金相檢驗

沿螺桿中心線剖開，取縱向試樣進行金相檢驗。螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側(cè)面的表面均有一層氮化層，層深約為0.57 mm；表面沒有發(fā)現(xiàn)“白亮層”，因此氮化層僅有擴散層，組織非常粗大；在氮化層內(nèi)分布著針狀、脈狀和沿晶界的氮化物，以及沿晶界網(wǎng)狀氮化物開裂的裂紋。螺桿表面麻坑呈細小凹坑形貌，在凹坑處及附近未見非金屬夾雜物聚集和粗大夾渣，并且凹坑呈現(xiàn)沿晶剝落形態(tài)，說明麻坑形成與沿晶裂紋有關(guān)(見圖6～8)。在螺桿螺旋齒的齒頂邊角處同樣存在針狀、脈狀及沿晶氮化物，以及沿晶裂紋(見圖9～10)。螺桿表面麻坑及裂紋均位于氮化層內(nèi)，麻坑處及附近的脈狀、沿晶氮化物較嚴重，這種特征具有普遍性。

圖6 螺桿表面氮化層顯微組織形貌

圖7 氮化層內(nèi)針狀、脈狀和沿晶界的氮化物微觀形貌

圖8 沿晶界網(wǎng)狀氮化物開裂以及凹坑微觀形貌

圖9 螺旋齒齒頂邊角處氮化層顯微組織形貌

圖10 沿脈狀及晶界氮化物擴展的裂紋微觀形貌

螺桿基體非金屬夾雜物檢驗結(jié)果如表2所示，可見非金屬夾雜物級別符合GB/T 3077—2015的要求。

表2 螺桿基體非金屬夾雜物金相檢驗結(jié)果 級

螺桿表層基體組織均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯偏析現(xiàn)象，僅心部存在輕微的帶狀組織；螺桿表層基體為粗大貝氏體組織，晶粒度為2～3級，該組織與38CrMoAlA鋼的熱軋態(tài)組織相似(見圖11)。

圖11 螺桿表層基體的顯微組織形貌

取一段材料為38CrMoAlA鋼的φ50 mm熱軋圓鋼，按940 ℃加熱，1 h淬油+640 ℃回火4 h的工藝進行調(diào)質(zhì)處理，得到的顯微組織為回火索氏體，晶粒度為6～7級(見圖12)。

圖12 材料為38CrMoAlA鋼的φ50 mm圓鋼調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織形貌

熱軋態(tài)38CrMoAlA圓鋼基體為粗大貝氏體組織，晶粒度為2～3級(見圖13)。

圖13 材料為38CrMoAlA鋼的φ50 mm圓鋼熱軋態(tài)顯微組織形貌

2 綜合分析

螺桿的化學成分及非金屬夾雜物均符合GB/T 3077—2015要求，未發(fā)現(xiàn)螺桿表層組織有明顯偏析現(xiàn)象，表明螺桿材料正常。

螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側(cè)面均存在密集、無規(guī)律、肉眼可見的麻坑；在螺桿螺旋齒的齒頂邊角部有基體脫落現(xiàn)象。經(jīng)掃描電鏡觀察，螺桿表面麻坑為不規(guī)則凹坑，坑內(nèi)有沿晶開裂剝落痕跡；螺桿表層麻坑屬于表面不規(guī)則凹坑缺陷，為非材料原因引起的缺陷，應與表層組織特性有關(guān)。

螺桿螺旋齒的齒根、齒頂及齒側(cè)面的表面均有一層氮化層，層深約為0.57 mm；表面沒有發(fā)現(xiàn)“白亮層”，因此氮化層僅有擴散層，組織非常粗大。在氮化層內(nèi)分布著針狀、脈狀和沿晶界的氮化物，以及沿晶界網(wǎng)狀氮化物開裂的裂紋。螺桿表面麻坑為不規(guī)則凹坑，坑內(nèi)有沿晶開裂剝落痕跡，說明其形成與沿晶裂紋有關(guān)。在螺桿螺旋齒的齒頂邊角處同樣有針狀、脈狀及沿晶氮化物，以及沿晶裂紋。螺桿表面麻坑及裂紋均位于氮化層內(nèi)，麻坑處及附近的脈狀、沿晶氮化物較嚴重。

上述特征表明：螺桿表層麻坑的產(chǎn)生原因是氮化層顯微組織不良，氮化層內(nèi)存在針狀、脈狀及沿晶界網(wǎng)狀氮化物。這種氮化物脆性極大，又沿著晶界呈網(wǎng)狀分布，破壞了金屬基體的連續(xù)性，導致表面層脆性增加。在螺桿氮化處理后拋光時，受拋光壓力的作用，在氮化層內(nèi)晶界網(wǎng)狀氮化物處萌生裂紋，使得表面產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，導致螺桿表面出現(xiàn)麻坑。在螺桿螺旋齒的齒頂邊角處產(chǎn)生基體剝落也是同樣的原因。

在表面氮化過程中，螺桿表面形成了一層富氮的氮化硬化層，從而提高了螺桿表面的硬度、耐磨性、疲勞強度等性能。如果表面氮化層組織粗大，并存在針狀、脈狀及晶界網(wǎng)狀氮化物，則會嚴重降低表面性能。這種表面氮化層組織的形成與38CrMoAlA鋼的化學成分、氮化前組織、晶粒度、氮化工藝等有著密切關(guān)系[3]。

由于38CrMoAlA鋼熱軋態(tài)組織為粗大貝氏體，晶粒粗大，不適合直接進行氮化處理,因此用38CrMoAlA鋼制造的螺桿在氮化處理前需經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，其正常組織應是均勻的回火索氏體，晶粒度為6～7級[4-5]，這與調(diào)質(zhì)處理試驗所得到的組織相同,但該螺桿的基體為粗大貝氏體組織，晶粒粗大，非常類似于38CrMoAlA鋼的熱軋態(tài)組織，與調(diào)質(zhì)處理后的正常組織相差很大，說明該螺桿在氮化處理之前存在不良組織，這種組織狀態(tài)在經(jīng)過氮化后一般不會發(fā)生改變。粗大貝氏體組織使螺桿氮化擴散層的針狀、脈狀氮化物加劇，特別當晶粒粗大時，晶界減少，晶界上合金氮化物數(shù)量就更多，脈狀氮化物顯得又長又粗，并沿晶界分布，使氮化層脆性增加[6-8]。

3 結(jié)論

(1) 螺桿表面麻坑產(chǎn)生原因是氮化層組織不良，氮化層內(nèi)存在針狀、脈狀及沿晶界網(wǎng)狀氮化物，這種氮化物脆性極大，又沿著晶界呈網(wǎng)狀分布，破壞了金屬基體的連續(xù)性，導致表層脆性增加。

(2) 造成氮化層組織不良的原因與螺桿在氮化處理前存在粗大組織有關(guān)。