鏜軸滲氮磨削后缺陷分析

弋楠，姚永紅，燕樣樣，李紅莉

陜西工業(yè)職業(yè)技術學院材料工程學院 陜西咸陽 712000

1 序言

某公司加工的鏜床主軸滲氮后，在精磨時表面出現(xiàn)針狀大小的“凹坑”。主軸材質(zhì)為38CrMoAl鋼，其加工路線為：粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→消除應力→磨削→滲氮→精加工。針對鏜床主軸滲氮后，在精磨時表面出現(xiàn)的缺陷進行分析，并提出改進措施，避免后續(xù)再發(fā)生同樣的缺陷。

2 理化檢測

2.1 宏觀觀察

在生產(chǎn)現(xiàn)場強燈光照射下，用肉眼觀察磨削后的鏜軸，可見表面有針眼狀大小的黑色凹坑，分布不均勻。在缺陷處取樣，直接在50倍金相顯微鏡下觀察，缺陷特征如圖1所示。

圖1 滲氮后磨削表面特征

2.2 微觀檢測

（1）表面顯微組織檢測 對鏜軸從表面沿滲氮層深度方向取樣，在200倍光學顯微鏡下觀察拋光后未浸蝕的試樣表面，可見裂紋比較平直，最大深度約0.9mm，表面有剝落的凹坑，如圖2所示。在500倍光學顯微鏡下觀察滲氮后精磨的鏜軸表面，可見“黑色凹坑”處的特征是邊緣比較平直，有微小區(qū)域或晶粒脫落的特征，表面裂紋也具有網(wǎng)狀特征，如圖3所示。

圖2 磨削深度方向的表層特征

圖3 滲氮退氮后精磨表面原始特征

（2）滲氮前調(diào)質(zhì)組織檢測 對滲氮前的鏜軸進行取樣，在200倍光學顯微鏡下觀察滲氮前調(diào)質(zhì)組織，發(fā)現(xiàn)有明顯的帶狀組織特征。深色區(qū)域晶粒較細小，淺色區(qū)域晶粒較粗大，如圖4所示。根據(jù)GB/T 11354—2005《鋼鐵材料滲氮層深度測定和金相組織檢驗》對組織評級，結(jié)果為3級，不符合重要零件1～2級標準要求[1]。

圖4 滲氮前調(diào)質(zhì)組織

（3）調(diào)質(zhì)磨削后脫碳層深度測定 對鏜軸調(diào)質(zhì)處理再經(jīng)過磨削的隨爐試樣，進行脫碳層深度測定。測定方法為：用FM-800顯微硬度計，載荷試驗力300g（2.94N），保荷時間12s。經(jīng)檢測，脫碳層深度約為0.208mm，所得曲線如圖5所示。說明工件在調(diào)質(zhì)處理時，表面產(chǎn)生了嚴重的脫碳，導致磨削時未完全去除脫碳層。

圖5 顯微硬度法測定調(diào)質(zhì)時效后磨削試樣脫碳層深度曲線

（4）滲氮擴散層組織檢測 對鏜軸滲氮后未磨削的試樣進行磨光、拋光、浸蝕，并在200倍光學顯微鏡下觀察，其表層及擴散層中的組織有較多白色脈狀、針狀氮化物，同時可以觀察到沿晶界出現(xiàn)的裂紋，如圖6所示，此裂紋有可能是在金相試樣切割或磨制過程中產(chǎn)生的。根據(jù)GB/T 11354—2005對金相組織進行評級，結(jié)果為4級[1]，屬不合格級別。

圖6 滲氮后未磨削表層組織

在200倍光學顯微鏡下觀察鏜軸滲氮磨削后的表層組織，其中有少量白色脈狀氮化物及沿晶界析出的針狀氮化物，且有剝落現(xiàn)象，擴基體為含氮索氏體，如圖7所示。根據(jù)GB/T 11354—2005對金相組織進行評級，結(jié)果為2級[1]，屬合格級別。

圖7 滲氮后磨削表層組織

（5）滲氮層脆性的檢測 圖8所示為對鏜軸滲氮后退氮未磨削時的狀態(tài)進行取樣，檢測其表面脆性級別的檢驗圖，根據(jù)GB/T 11354—2005《滲氮層深度測定和金相組織檢驗》中的相關規(guī)定，在維氏硬度計試驗力為10kgf（98N）下加載10s，參照滲氮層脆性級別圖進行評級，評級結(jié)果為4級，屬不合格級別。圖9所示為對鏜軸滲氮后退氮磨削時的狀態(tài)進行取樣，檢測其表面脆性級別的檢驗圖，用同樣方法并參照同一標準，評級結(jié)果為3級，屬不合格級別。從圖8可看出，表面裂紋較少，而圖9所示表面有較多網(wǎng)狀裂紋，這可能是磨削工藝參數(shù)不合適所致。

圖8 滲氮后退氮未磨削表面脆性

圖9 滲氮后退氮磨削表面脆性

3 分析與結(jié)論

3.1 分析與討論

由以上檢測結(jié)果可知，鏜床主軸滲氮后磨削出現(xiàn)剝落的主要原因是由于滲氮前調(diào)質(zhì)顯微組織粗大、脫碳層未完全去除所致，同時滲氮和磨削工藝不當，也會促進磨削時表面剝落。

鏜軸滲氮前進行調(diào)質(zhì)處理后組織粗大，級別不合格，有混晶現(xiàn)象，說明原材料中存在帶狀組織，可能是調(diào)質(zhì)前未進行預先熱處理或預先熱處理工藝不合理，未完全消除帶狀組織，致使調(diào)質(zhì)后沒有得到均勻的索氏體。組織中粗大晶粒在滲氮時易出現(xiàn)網(wǎng)狀和脈狀氮化物，促使?jié)B氮層脆性增加。

由于38CrMoAl鋼冶煉時具有過熱敏感性，所以在加熱時容易發(fā)生脫碳現(xiàn)象。如果滲氮前磨削未完全去除脫碳層，則表層粗大的鐵素體會增大工件表面的吸氮能力，導致氮元素富集，使氮化物沿一定晶面呈針狀析出，增大材料的脆性；同時，在滲氮前進行磨削時，鏜軸表面粗糙度值高，工件表面凸出部分在滲氮時氮濃度較高，也會導致滲氮層脆性增大[2，3]。以上因素最終使工件表面脆性增大，即使磨削工藝參數(shù)合適，也可能引起磨削時表面剝落。因此，建議鏜軸在滲氮前進行機加工時應留有較大的加工余量，保證滲氮前能完全去除脫碳層，避免因脫碳層未去除干凈而導致的不利后果。

鏜軸滲氮后，可通過退氮的方法降低滲氮層的脆性[4]。如果鏜軸退氮后，氮化物級別雖然屬于合格，其脆性級別有也所下降，但由于退氮時間過短，則其表層在滲氮時氮濃度仍然過高，滲氮層脆性仍較大，因此也未達到脆性級別標準要求。此時如果磨削工藝不當，也會使工件表面應力增大，從而使表面出現(xiàn)剝落[5]。

此外，鏜軸在滲氮時，滲氮工藝中氨的分解率過低、氨的含水量過高，以及滲氮溫度過高等都可形成網(wǎng)狀氮化物，使表面脆性增加，導致后續(xù)加工時出現(xiàn)剝落的“凹坑”缺陷。

3.2 結(jié)論

由以上分析可知，鏜軸精磨時表面出現(xiàn)“凹坑”缺陷的成因如下。

1）鏜軸滲氮前晶粒粗大、表層脫碳層未完全去除，導致滲氮層脆性增大，是磨削時工件表面剝落的主要原因。

2）鏜軸滲氮前，磨削工藝不當，表面粗糙度值高，使?jié)B氮層局部氮濃度過高，脆性增大；滲氮后，磨削應力大，也會致使表層出現(xiàn)裂紋。

3）鏜軸滲氮工藝不當，使?jié)B氮層脆性增加，也能引起磨削時表面剝落。

4 改進措施

1）改進調(diào)質(zhì)工藝，細化晶粒，盡可能減少工件表面脫碳現(xiàn)象，為滲氮做好充分準備。

2）鏜軸在調(diào)質(zhì)后滲氮前，優(yōu)化磨削工藝，去除脫碳層，加工后期減小進給量，降低表面粗糙度值以減少磨削應力。

3）可適當延長退氮時間，使?jié)B氮層的氮濃度降低，消除網(wǎng)狀和脈狀氮化物，降低滲氮層的脆性。

經(jīng)過跟蹤調(diào)查，廠家通過適當延長退氮時間，進行2～3次試驗后，就徹底解決了滲氮層表面脆性大引起磨削時表面剝落的現(xiàn)象。