摘 要:注塑機(jī)用38CrMoAl鋼料筒,在機(jī)械加工過(guò)程中,其表面出現(xiàn)大量黑色斑點(diǎn)。采用宏觀 觀察、掃 描 電 鏡 分 析、金 相 檢 驗(yàn) 等 方 法,分 析 料 筒 表 面 產(chǎn) 生 黑 斑 的 原 因。結(jié) 果 表 明:注 塑 機(jī) 用 38CrMoAl鋼料筒表面滲氮不均勻,在機(jī)械加工過(guò)程中,料筒表面白亮層較厚區(qū)域發(fā)生沿晶開(kāi)裂及 氮化層剝落,形成點(diǎn)狀凹坑,這是料筒表面出現(xiàn)黑斑的主要原因。
關(guān)鍵詞:氮化;白亮層;沿晶開(kāi)裂;機(jī)械加工
中圖分類(lèi)號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0049-03
38CrMoAl鋼經(jīng)過(guò)離子滲氮后,其表面硬度可 達(dá)到1200HV 以上,滲氮層深度達(dá)到1mm 以上, 常用于制造要求高疲勞強(qiáng)度、高耐磨性的零件,如車(chē) 床主軸、精密絲杠、料筒等[1]。某公司生產(chǎn)的注塑機(jī) 用料筒材料為的38CrMoAl鋼,其生產(chǎn)工藝流程為: 模鑄鋼錠→熱鍛→下料鍛→中心掏孔→調(diào)質(zhì)處理→ 滲氮處理→機(jī)械加工,該料筒在機(jī)械加工過(guò)程中表 面出現(xiàn)黑色點(diǎn)狀缺陷。為找出該料筒表面黑點(diǎn)狀缺 陷形成的原因,筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)及分析。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
由圖1可見(jiàn),料 筒 表 面 可 見(jiàn) 密 集 的 黑 色 斑 點(diǎn) ,斑點(diǎn)大小及分布無(wú)規(guī)律。
1.2 化學(xué)成分分析
在注塑機(jī)用料筒表面黑色斑點(diǎn)處截取試樣,對(duì) 其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1,可見(jiàn)其化學(xué)成分 滿足 GB/T 3077-2015《合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 》標(biāo) 準(zhǔn) 對(duì) 38CrMoAl鋼的技術(shù)要求。
1.3 掃描電鏡分析
在注塑機(jī)用料筒表面黑色斑點(diǎn)處截取試樣,經(jīng)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(jiàn),料筒表面 黑色斑點(diǎn)呈冰糖狀凹坑形貌,凹坑內(nèi)呈沿晶開(kāi)裂斷 口特征,未見(jiàn)機(jī)械加工痕跡。
在注塑機(jī)用料筒表面黑色斑點(diǎn)處截取橫截面試 樣,觀察其截面形貌。由圖3可見(jiàn),料筒截面有多處 裂紋,不同區(qū)域裂紋分布不均,裂紋周?chē)匆?jiàn)氧化現(xiàn) 象及非金屬夾雜物,局部區(qū)域表面氮化層發(fā)生脫落。 由圖4可見(jiàn),經(jīng)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(qū)域裂紋也較多,且裂紋均沿晶界開(kāi)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(jī)用料筒的化學(xué)成分符合 GB/T3077 -2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)38CrMoAl鋼的技術(shù)要求。料筒表 面存在黑色斑點(diǎn)。通過(guò)掃描電鏡分析可知,表面黑 色斑點(diǎn)呈冰糖狀凹坑形貌,為沿晶剝落形成的缺陷,料筒截面可見(jiàn)沿晶界擴(kuò)展的裂紋,裂紋周?chē)匆?jiàn)氧 化產(chǎn)物和非金屬夾雜物,說(shuō)明裂紋與鋼中的夾雜物 無(wú)關(guān),且裂紋形成于熱處理之后。通過(guò)金相檢驗(yàn)結(jié) 果可知,氮化層中的白亮層較厚區(qū)域裂紋較多,局部 白亮層厚度超過(guò)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(chēng)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(xiàn)為白亮色[2-3]。孔得群等[5]研 究表明,氮化前的基體組織對(duì)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(xiàn)疏松現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 后的38CrMoAl鋼可獲得均勻細(xì)小的回火索氏體組 織[6],但該批工件調(diào)質(zhì)處理后,晶粒粗大,導(dǎo)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(qiáng)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(huì)出現(xiàn)疏松(不致密),如 果產(chǎn)生夾層疏松,在工件拋光時(shí)就會(huì)出現(xiàn)起皮、剝落 等現(xiàn)象[4]。相關(guān)研究表明[7-9],對(duì)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(jī)械加工 時(shí),如控制好磨削工藝,可以避免磨削裂紋的產(chǎn)生。
綜上所述,料筒表面滲氮不均勻,在磨削加工過(guò) 程中,氮化層中的白亮層較厚區(qū)域出現(xiàn)沿晶開(kāi)裂及 氮化層剝落現(xiàn)象,這是料筒表面出現(xiàn)黑點(diǎn)狀缺陷的 主要原因。
3 結(jié)論及建議
(1)注塑機(jī)用38CrMoAl鋼料筒表面滲氮不均 勻,在機(jī)械加工過(guò)程中,料筒表面氮化層中的白亮層較厚區(qū)域發(fā)生沿晶開(kāi)裂及氮化層剝落,形成點(diǎn)狀凹 坑,這是料筒表面出現(xiàn)黑斑的主要原因。
(2)建議增加調(diào)質(zhì)處理后的組織檢驗(yàn),確保調(diào)質(zhì) 處理后料筒獲得均勻細(xì)小的索氏體組織。對(duì)于表面 硬度較高的工件,在機(jī)械加工過(guò)程中,需注意磨削時(shí) 工件的裝夾方式,避免因工件裝夾引起磨削缺陷。
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