那艳会

通用技术集团大连机床有限责任公司 辽宁大连 116000

1 序言

某厂是高端机床主轴专业生产厂家，在实际生产中常出现主轴渗碳处理“麻坑”的问题，严重制约生产。所谓“麻坑”腐蚀是指主轴经渗碳后，表面形成许多大小不等的黑色凹坑，其直径为0.4～0.8mm，深0.1～0.3mm，经喷丸清理不能将“黑色”除掉[1]。“麻坑”的存在不仅影响主轴外观，降低主轴精度，使主轴表面质量下降，而且还改变主轴表面的压力分布，并使渗层局部表面产生拉应力，降低其疲劳寿命。本文从渗碳工艺措施及盐浴用盐等方面分析导致“麻坑”产生的原因。

2 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

选用20CrMnTi渗碳钢进行渗碳+盐浴淬火试验研究，试验钢的化学成分见表1，20CrMnTi钢满足GB/T 3077—1999《合金结构钢》的规定，自由锻造成形。

表1 试验材料20CrMnTi钢的化学成分（质量分数）（%）

2.2 试验方法

按产生“麻坑”工序可分为：在渗碳处理过程中产生的“麻坑”、在盐浴淬火过程中产生的“麻坑”。因此，从两个方面分别进行试验分析。

（1）渗碳处理过程产生的“麻坑” 采用井式渗碳炉渗碳，渗剂采用煤油滴注式加入炉内，渗碳温度930℃，单独使用煤油虽然简单易行，但使用中存在许多缺点。煤油的主要分解产物是H2和CH4，虽然有较高的可用碳，但界面反应速度和气氛的碳传递系数都较小，渗碳速度较低；当煤油的含量过高时，过多的活性碳不能被工件吸收而形成炭黑沉积于炉内，阻碍渗碳。单一煤油渗碳气体成分波动大，碳势不易控制。由于表面炭黑的存在，阻碍渗碳，表面碳浓度低，随后的淬火由于部分区域炭黑的存在，降低了淬火油的冷却速度，造成组织转变形成非马氏体。或者煤油低温裂解不充分，造成炉内碳势偏低，工件氧化脱碳，随后的渗碳由于碳势较低，表面碳浓度低，因此在后面的抛丸处理时形成麻点。

（2）盐浴淬火过程中产生的“麻坑” 主要有3个方面需要注意。

1）NaCl质量：对盐成分进行化验分析，发现含硫酸盐比例高达2.3%。这些硫酸盐在高温熔融状态下与铁及碳发生氧化反应，使工件产生“麻坑”腐蚀和脱碳[2]。碳酸盐在高温下易分解出CO2，从而使工件氧化脱碳。实践表明，当硫酸盐、碳酸盐含量在1%以上时，会产生较为严重的“麻坑”腐蚀，当硫酸盐、碳酸盐含量在0.5%以下时基本可以消除这种现象。

2）盐内水分的影响：空气湿度较大时或盐内含水分较多时，盐中的氧化物含量增加，使工件的氧化加大。这种情形发生在雨季和较多地补充新盐而不进行脱氧的情况下。

3）盐浴淬火后，应及时回火。避免在空气中放置工件表面附着的盐与空气接触，防止对工件表面产生腐蚀。

3 试验结果及数据分析

3.1 低倍检测

1#样品所制低倍试样腐蚀后形貌如图1所示。图1a所示为切割面，无任何麻坑、疏松等肉眼可见缺陷；图1b所示为原有麻坑缺陷分布的料面，酸蚀后表面麻坑仍较为明显。

图1 低倍试样腐蚀后形貌

3.2 扫描电镜检测

对部分产品试样存在“麻坑”部位进行电镜检测分析。从图2外观形貌看，2-1和3-1试样麻坑大小及形貌特征不同。对局部进行成分定性分析，2-1和3-1试样麻坑部位分析结果都以C、O、Fe为主，基体部分以C、Fe为主，而3-1试样S含量偏高。

图2 扫描电镜“麻坑”形貌特征

3.3 金相检测

对2-1和3-1试样分别进行金相观察，试样从表面到基体显微组织有明显变化，近表面显微组织为马氏体+碳化物，过渡区为马氏体，其余部位为铁素体+少量马氏体，如图3、图4所示。

图3 2-1试样金相显微组织

图4 3-1试样金相显微组织

3.4 分析与讨论

通过化学成分检测结果，对比GB/T 3077—2015中20CrMnTi钢的化学成分，该样块成分符合标准。新切割制取的样品料面经低倍腐蚀观察后，新切割面无任何“麻坑”、疏松等肉眼可见缺陷，而原有麻坑缺陷的样块表面，腐蚀后表面“麻坑”较为明显（见图1）。由此可见，该“麻坑”并非原材料缺陷，而是后续热处理后出现的。结合图1～图4“麻坑”形貌可知，若工件局部氧化皮严重，则经喷丸把氧化皮打掉后，即使发现“麻坑”氧化皮较轻，但由于该部位的Mn、Cr被氧化而使钢的淬透性降低，结果在表面形成黑色组织，表现为软点，这种工件易于疲劳失效；若炉内氧分压过高，使工件氧化严重，形成较厚氧化皮时，则会出现连续脱碳层[3]。轻微脱碳区形成后，若炉内气氛碳势再度恢复，如给足滴油量或者在二次加热中炉内呈完全还原性气氛时，则局部脱碳区能部分复碳，表现为淬火后脱碳区消失，低显微硬度区得到改善。

经过盐炉淬火后出现“麻坑”缺陷，扫描电镜检测时，发现O、S含量均高，由于盐内含有较多的硫酸盐杂质，NaCl中含有Na2SO4，这些硫酸盐在高温熔融状态下，与铁和碳发生氧化反应，使工件产生“麻坑”腐蚀。盐内水分的影响主要是盐内水分较多，盐中的氧化物含量增加，会使工件氧化加大[4]。

4 结束语

1）严格控制渗碳工艺制度，防止渗剂供应不足，严格监视排气孔火焰高度和颜色，防止渗碳过程中发生氧化脱碳现象。对渗碳炉循环系统进行检测修复，确保炉温均匀性及碳势的合理可控性。

2）严防炉罐漏气而导致零部件出现内氧化现象。

3）严格控制盐的质量，严禁露天存放，增加脱氧次数，定期对盐进行化学成分检测，使盐内硫酸盐、碳酸盐含量≤0.5%。