滲碳主軸表面“麻坑”缺陷的研究

那艷會

通用技術(shù)集團大連機床有限責(zé)任公司 遼寧大連 116000

1 序言

某廠是高端機床主軸專業(yè)生產(chǎn)廠家，在實際生產(chǎn)中常出現(xiàn)主軸滲碳處理“麻坑”的問題，嚴(yán)重制約生產(chǎn)。所謂“麻坑”腐蝕是指主軸經(jīng)滲碳后，表面形成許多大小不等的黑色凹坑，其直徑為0.4～0.8mm，深0.1～0.3mm，經(jīng)噴丸清理不能將“黑色”除掉[1]。“麻坑”的存在不僅影響主軸外觀，降低主軸精度，使主軸表面質(zhì)量下降，而且還改變主軸表面的壓力分布，并使?jié)B層局部表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，降低其疲勞壽命。本文從滲碳工藝措施及鹽浴用鹽等方面分析導(dǎo)致“麻坑”產(chǎn)生的原因。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

選用20CrMnTi滲碳鋼進行滲碳+鹽浴淬火試驗研究，試驗鋼的化學(xué)成分見表1，20CrMnTi鋼滿足GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，自由鍛造成形。

表1 試驗材料20CrMnTi鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 試驗方法

按產(chǎn)生“麻坑”工序可分為：在滲碳處理過程中產(chǎn)生的“麻坑”、在鹽浴淬火過程中產(chǎn)生的“麻坑”。因此，從兩個方面分別進行試驗分析。

（1）滲碳處理過程產(chǎn)生的“麻坑” 采用井式滲碳爐滲碳，滲劑采用煤油滴注式加入爐內(nèi)，滲碳溫度930℃，單獨使用煤油雖然簡單易行，但使用中存在許多缺點。煤油的主要分解產(chǎn)物是H2和CH4，雖然有較高的可用碳，但界面反應(yīng)速度和氣氛的碳傳遞系數(shù)都較小，滲碳速度較低；當(dāng)煤油的含量過高時，過多的活性碳不能被工件吸收而形成炭黑沉積于爐內(nèi)，阻礙滲碳。單一煤油滲碳?xì)怏w成分波動大，碳勢不易控制。由于表面炭黑的存在，阻礙滲碳，表面碳濃度低，隨后的淬火由于部分區(qū)域炭黑的存在，降低了淬火油的冷卻速度，造成組織轉(zhuǎn)變形成非馬氏體。或者煤油低溫裂解不充分，造成爐內(nèi)碳勢偏低，工件氧化脫碳，隨后的滲碳由于碳勢較低，表面碳濃度低，因此在后面的拋丸處理時形成麻點。

（2）鹽浴淬火過程中產(chǎn)生的“麻坑” 主要有3個方面需要注意。

1）NaCl質(zhì)量：對鹽成分進行化驗分析，發(fā)現(xiàn)含硫酸鹽比例高達(dá)2.3%。這些硫酸鹽在高溫熔融狀態(tài)下與鐵及碳發(fā)生氧化反應(yīng)，使工件產(chǎn)生“麻坑”腐蝕和脫碳[2]。碳酸鹽在高溫下易分解出CO2，從而使工件氧化脫碳。實踐表明，當(dāng)硫酸鹽、碳酸鹽含量在1%以上時，會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的“麻坑”腐蝕，當(dāng)硫酸鹽、碳酸鹽含量在0.5%以下時基本可以消除這種現(xiàn)象。

2）鹽內(nèi)水分的影響：空氣濕度較大時或鹽內(nèi)含水分較多時，鹽中的氧化物含量增加，使工件的氧化加大。這種情形發(fā)生在雨季和較多地補充新鹽而不進行脫氧的情況下。

3）鹽浴淬火后，應(yīng)及時回火。避免在空氣中放置工件表面附著的鹽與空氣接觸，防止對工件表面產(chǎn)生腐蝕。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 低倍檢測

1#樣品所制低倍試樣腐蝕后形貌如圖1所示。圖1a所示為切割面，無任何麻坑、疏松等肉眼可見缺陷；圖1b所示為原有麻坑缺陷分布的料面，酸蝕后表面麻坑仍較為明顯。

圖1 低倍試樣腐蝕后形貌

3.2 掃描電鏡檢測

對部分產(chǎn)品試樣存在“麻坑”部位進行電鏡檢測分析。從圖2外觀形貌看，2-1和3-1試樣麻坑大小及形貌特征不同。對局部進行成分定性分析，2-1和3-1試樣麻坑部位分析結(jié)果都以C、O、Fe為主，基體部分以C、Fe為主，而3-1試樣S含量偏高。

圖2 掃描電鏡“麻坑”形貌特征

3.3 金相檢測

對2-1和3-1試樣分別進行金相觀察，試樣從表面到基體顯微組織有明顯變化，近表面顯微組織為馬氏體+碳化物，過渡區(qū)為馬氏體，其余部位為鐵素體+少量馬氏體，如圖3、圖4所示。

圖3 2-1試樣金相顯微組織

圖4 3-1試樣金相顯微組織

3.4 分析與討論

通過化學(xué)成分檢測結(jié)果，對比GB/T 3077—2015中20CrMnTi鋼的化學(xué)成分，該樣塊成分符合標(biāo)準(zhǔn)。新切割制取的樣品料面經(jīng)低倍腐蝕觀察后，新切割面無任何“麻坑”、疏松等肉眼可見缺陷，而原有麻坑缺陷的樣塊表面，腐蝕后表面“麻坑”較為明顯（見圖1）。由此可見，該“麻坑”并非原材料缺陷，而是后續(xù)熱處理后出現(xiàn)的。結(jié)合圖1～圖4“麻坑”形貌可知，若工件局部氧化皮嚴(yán)重，則經(jīng)噴丸把氧化皮打掉后，即使發(fā)現(xiàn)“麻坑”氧化皮較輕，但由于該部位的Mn、Cr被氧化而使鋼的淬透性降低，結(jié)果在表面形成黑色組織，表現(xiàn)為軟點，這種工件易于疲勞失效；若爐內(nèi)氧分壓過高，使工件氧化嚴(yán)重，形成較厚氧化皮時，則會出現(xiàn)連續(xù)脫碳層[3]。輕微脫碳區(qū)形成后，若爐內(nèi)氣氛碳勢再度恢復(fù)，如給足滴油量或者在二次加熱中爐內(nèi)呈完全還原性氣氛時，則局部脫碳區(qū)能部分復(fù)碳，表現(xiàn)為淬火后脫碳區(qū)消失，低顯微硬度區(qū)得到改善。

經(jīng)過鹽爐淬火后出現(xiàn)“麻坑”缺陷，掃描電鏡檢測時，發(fā)現(xiàn)O、S含量均高，由于鹽內(nèi)含有較多的硫酸鹽雜質(zhì)，NaCl中含有Na2SO4，這些硫酸鹽在高溫熔融狀態(tài)下，與鐵和碳發(fā)生氧化反應(yīng)，使工件產(chǎn)生“麻坑”腐蝕。鹽內(nèi)水分的影響主要是鹽內(nèi)水分較多，鹽中的氧化物含量增加，會使工件氧化加大[4]。

4 結(jié)束語

1）嚴(yán)格控制滲碳工藝制度，防止?jié)B劑供應(yīng)不足，嚴(yán)格監(jiān)視排氣孔火焰高度和顏色，防止?jié)B碳過程中發(fā)生氧化脫碳現(xiàn)象。對滲碳爐循環(huán)系統(tǒng)進行檢測修復(fù)，確保爐溫均勻性及碳勢的合理可控性。

2）嚴(yán)防爐罐漏氣而導(dǎo)致零部件出現(xiàn)內(nèi)氧化現(xiàn)象。

3）嚴(yán)格控制鹽的質(zhì)量，嚴(yán)禁露天存放，增加脫氧次數(shù)，定期對鹽進行化學(xué)成分檢測，使鹽內(nèi)硫酸鹽、碳酸鹽含量≤0.5%。