注塑机用38CrMoAl钢料筒表面产生黑斑的原因

杨 娥,周 杨

(大冶特殊钢股份有限公司 高品质特殊钢湖北省重点实验室,黄石 435001)

38CrMoAl钢经过离子渗氮后,其表面硬度可达到1 200 HV以上，渗氮层深度达到1 mm以上，常用于制造要求高疲劳强度、高耐磨性的零件，如车床主轴、精密丝杠、料筒等[1]。某公司生产的注塑机用料筒材料为的38CrMoAl钢，其生产工艺流程为：模铸钢锭→热锻→下料锻→中心掏孔→调质处理→渗氮处理→机械加工，该料筒在机械加工过程中表面出现黑色点状缺陷。为找出该料筒表面黑点状缺陷形成的原因，笔者进行了一系列理化检验及分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

由图1可见，料筒表面可见密集的黑色斑点，斑点大小及分布无规律。

图1 注塑机用料筒表面黑色斑点的宏观形貌

1.2 化学成分分析

在注塑机用料筒表面黑色斑点处截取试样，对其进行化学成分分析，结果见表1，可见其化学成分满足GB/T 3077-2015《合金结构钢》标准对38CrMoAl钢的技术要求。

表1 注塑机用料筒的化学成分

1.3 扫描电镜分析

在注塑机用料筒表面黑色斑点处截取试样，经超声波清洗后，采用FEI QUANTA 400F型扫描电镜(SEM)观察其表面形貌。由图2可见，料筒表面黑色斑点呈冰糖状凹坑形貌，凹坑内呈沿晶开裂断口特征，未见机械加工痕迹。

图2 注塑机用料筒表面黑色斑点的微观形貌

在注塑机用料筒表面黑色斑点处截取横截面试样，观察其截面形貌。由图3可见，料筒截面有多处裂纹，不同区域裂纹分布不均，裂纹周围未见氧化现象及非金属夹杂物，局部区域表面氮化层发生脱落。由图4可见，经硝酸酒精浸蚀后，料筒表面氮化层中的白亮层(化合物层)厚度不均匀，氮化层中的白亮层较厚区域裂纹也较多，且裂纹均沿晶界开裂，料筒基体组织为贝氏体，晶粒比较粗大。

图3 注塑机用料筒黑色斑点处截面的微观形貌(抛光态)

图4 注塑机用料筒黑色斑点处截面的微观形貌(腐蚀态)

2 分析与讨论

该注塑机用料筒的化学成分符合GB/T 3077-2015标准对38CrMoAl钢的技术要求。料筒表面存在黑色斑点。通过扫描电镜分析可知，表面黑色斑点呈冰糖状凹坑形貌，为沿晶剥落形成的缺陷，料筒截面可见沿晶界扩展的裂纹，裂纹周围未见氧化产物和非金属夹杂物，说明裂纹与钢中的夹杂物无关，且裂纹形成于热处理之后。通过金相检验结果可知，氮化层中的白亮层较厚区域裂纹较多，局部白亮层厚度超过50 μm，料筒基体组织为贝氏体，晶粒较粗大。

有研究表明，工件渗氮后，其表面氮化层中的白亮层是由ξ相、ε相、γ′相中的一种或者两种所组成，又称为化合物层，因其不易被普通腐蚀剂腐蚀，所以在金相显微镜下呈现为白亮色[2-3]。孔得群等[5]研究表明，氮化前的基体组织对氮化后的白亮层厚度有明显影响，基体组织晶粒越粗大，氮化后形成的白亮层越不均匀，且容易出现疏松现象。经调质处理后的38CrMoAl钢可获得均匀细小的回火索氏体组织[6]，但该批工件调质处理后，晶粒粗大，导致氮化后工件表面形成一层厚薄不均的白亮层。氮化后料筒表面形成的白亮层具有很高的硬度，能增强工件的耐磨性。但白亮层往往具有较大的脆性，且随着白亮层厚度的增加，白亮层会出现疏松(不致密)，如果产生夹层疏松，在工件抛光时就会出现起皮、剥落等现象[4]。相关研究表明[7-9]，对于表面硬度较高的工件，如表面渗碳或氮化处理后的工件，在机械加工时，如控制好磨削工艺，可以避免磨削裂纹的产生。

综上所述，料筒表面渗氮不均匀，在磨削加工过程中，氮化层中的白亮层较厚区域出现沿晶开裂及氮化层剥落现象，这是料筒表面出现黑点状缺陷的主要原因。

3 结论及建议

(1)注塑机用38CrMoAl钢料筒表面渗氮不均匀，在机械加工过程中，料筒表面氮化层中的白亮层较厚区域发生沿晶开裂及氮化层剥落，形成点状凹坑，这是料筒表面出现黑斑的主要原因。

(2)建议增加调质处理后的组织检验，确保调质处理后料筒获得均匀细小的索氏体组织。对于表面硬度较高的工件，在机械加工过程中，需注意磨削时工件的装夹方式，避免因工件装夹引起磨削缺陷。