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      精密滾珠絲杠副具有傳動效率高、定位精度高、傳動可逆、使用壽命長和同步性能好等優(yōu)點(diǎn)［1］，因而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器和精密數(shù)控機(jī)床中。目前，我國高檔數(shù)控機(jī)床對滾珠絲杠類滾動功能部件的年需求量約為15 億元，但80% 以上需要從國外進(jìn)口，我國精密滾珠絲杠副的發(fā)展水平和國外相比差距較大。除了加工精度、原材料質(zhì)量等因素外，熱處理工藝的不合理是制約其發(fā)展的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)表面感應(yīng)淬火的滾珠絲杠在磨削后，經(jīng)常在絲杠表面上出現(xiàn)軸向或網(wǎng)狀裂紋。據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，由淬火溫度偏高或回火不足造成磨削裂紋的絲杠約占總數(shù)的20% ～ 30%。因此，開展?jié)L珠絲杠表面硬化層失效分析研究對于提高我國滾珠絲杠制造水平和高檔數(shù)控機(jī)床的整體制造水平有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對國產(chǎn)Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠的表面硬化層出現(xiàn)的淬火裂紋進(jìn)行了失效分析，進(jìn)而探討了提高國產(chǎn)滾珠絲杠產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。

1 試驗(yàn)材料和方法

      1． 1 試樣材料

      本次失效分析樣品為Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠感應(yīng)加熱淬火裂紋樣品，滾珠絲杠直徑為80 mm。該Cr-Mo 鋼精密鋼滾珠絲杠的加工工藝流程是: 預(yù)先熱處理 ( 調(diào)質(zhì)處理) → 車絲→ 感應(yīng)淬火→磨削。經(jīng)表面感應(yīng)淬火后出現(xiàn)明顯的淬火裂紋。

    1． 2 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

     實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)的表面硬化層失效分析方法。對Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表面硬化層裂紋進(jìn)行整體宏觀形貌觀察，采用JEOL JSM-6610LV 型掃描電鏡( SEM)和能譜儀對其進(jìn)行微觀觀察和分析。將用DK7730 電火花數(shù)控線切割機(jī)床切得的裂紋試樣經(jīng)鑲嵌、打磨，然后用金相砂紙磨制并拋光，3% 硝酸酒精腐蝕后，用NIKON EPIPHOT 金相顯微鏡觀察樣品的顯微組織。最后，分別對試樣裂紋存在的凸臺部位及凹槽部位從表面到心部使用HV-1000 型維氏顯微硬度計( 載荷砝碼0． 2 kg) 進(jìn)行有效硬化層的測量，并繪制出硬度分布曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      2． 1 宏觀形貌觀察結(jié)果

      經(jīng)宏觀觀察可見，裂紋擴(kuò)展方向垂直于滾珠絲杠的軸線方向，由感應(yīng)加熱淬火層內(nèi)向外表面延伸，在絲杠凸臺表面和兩側(cè)都可觀察到宏觀裂紋形貌，參見圖1。

      2． 2 掃描電鏡及能譜分析

      采用掃描電鏡和能譜儀對Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表面硬化層裂紋的微觀觀察和分析結(jié)果表明，裂紋擴(kuò)展區(qū)的局部地方存在明顯的孔洞，孔洞內(nèi)散布著很多球形凝固產(chǎn)物。經(jīng)能譜檢測結(jié)果表明，這些球形物是Cr-Mo 鋼凝固時因冷卻速度快，而未能及時收縮而形成的金屬或非金屬夾雜，應(yīng)為典型的冶金疏松缺陷［2］，參見圖2 和表1。此外，在孔洞內(nèi)觀察到的斷口呈現(xiàn)典型的沿晶斷口，為脆性斷裂特征，參見圖3。

      因此，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠感應(yīng)加熱淬火層出現(xiàn)裂紋與鋼存在典型的冶金疏松缺陷直接相關(guān)，這是感應(yīng)淬火裂紋形成的主要原因之一。

      2． 3 金相組織觀察

      金相觀察結(jié)果表明，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠的組織比較細(xì)密，心部基體組織是回火索氏體，參見圖4，但是，存在較明顯的熱軋缺陷，即帶狀偏析組織，參見圖4( a) 。滾珠絲杠裂紋存在的表面硬化層組織是隱晶馬氏體，參見圖5。

      帶狀組織成因是鋼在熱軋時沿軋制方向形成的［3］。帶狀組織因相鄰帶的顯微組織不同而破壞鋼的組織連續(xù)性，在外力作用下強(qiáng)、弱帶之間會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而造成力學(xué)性能降低，并使鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的各向異性［4］。因此，應(yīng)根據(jù)帶狀組織缺陷的成因嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量，從而盡量減輕其偏析程度［5］。

      2． 4 顯微硬度檢測

     實(shí)際檢測的精密滾珠絲杠凸臺部位及凹槽部位的顯微硬度分布曲線參見圖6。凸臺部位表面硬化層深度約為5 mm，硬化層隱晶馬氏體的硬度值分布為650 ～800 HV0． 2。凹槽部位硬化層很淺，基體是回火索氏體，其硬度值為280 ～ 320 HV0． 2。滾珠絲杠工作時常承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞和沖擊載荷，同時在轉(zhuǎn)動部位又承受較強(qiáng)的摩擦力。其性能要求除了保證心部高強(qiáng)韌度以及高的尺寸穩(wěn)定性外，還必須保證表面高硬度和高耐磨性。因此，滾珠絲杠理想的硬度分布曲線應(yīng)保證滾道底部硬化層硬度值為700 HV0． 2，深度為1 ～ 1． 5 mm，過渡區(qū)下降要平緩，心部組織硬度值穩(wěn)定在300 HV0． 2。顯微硬度檢測結(jié)果表明，為使工作部位的凹槽底部達(dá)到理想硬化層深度，

      需提高感應(yīng)加熱淬火時表層溫度和冷卻速度。但實(shí)際感應(yīng)淬火后滾道底部仍沒有達(dá)到理想的淬硬層厚度，而非工作部位凸臺處的硬度值則偏高。

      Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠采用的表面感應(yīng)淬火溫度偏高、冷卻速度過快，使得馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快，因而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力和局部的應(yīng)力集中。Cr-Mo 鋼屬于高強(qiáng)度合金工具鋼，鋼中Cr、Mo 等合金元素較為豐富，因此其熱導(dǎo)率下降，感應(yīng)加熱淬火時導(dǎo)致熱應(yīng)力和組織應(yīng)力再次增大。掃描電鏡及金相組織觀察結(jié)果顯示，絲杠中存在嚴(yán)重的冶金疏松缺陷、帶狀偏析，使鋼材強(qiáng)度減弱，當(dāng)淬火應(yīng)力過大時，將易于誘發(fā)感應(yīng)淬火裂紋形成［6］。

3 結(jié)論

      根據(jù)上述檢測和觀察結(jié)果，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表面硬化層失效的原因主要可以歸納為以下3 點(diǎn): 1) 鋼中存在明顯的冶金缺陷，即裂紋擴(kuò)展區(qū)局部出現(xiàn)的孔洞，這是冶煉鋼時由于局部縮孔形成疏松區(qū)而造成的。這種缺陷應(yīng)是鋼中嚴(yán)格控制避免出現(xiàn)的。

      2) 鋼中存在較明顯的熱軋缺陷，即帶狀偏析組織，初步確定這是鋼的棒料在熱軋時由于溫度偏高和軋制速度過快所致。這種缺陷應(yīng)盡量減輕，否則也是易于造成組織不均勻產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋形成。

      3) 感應(yīng)加熱淬火時表層溫度過高和冷卻速度過快，也是易于造成內(nèi)應(yīng)力過大和局部應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋形成的原因之一。

4 改進(jìn)措施及效果

      1) 嚴(yán)格控制鋼中帶狀組織的級別( ＜ 2 級) : 采用一般退火熱處理工藝可減輕組織中的帶狀偏析，但是難以根本改善帶狀偏析缺陷; 需要經(jīng)高溫重結(jié)晶退火加以改善，為后續(xù)熱處理提供良好的組織準(zhǔn)備。

      2) 改進(jìn)表面感應(yīng)加熱淬火工藝: 考慮Cr-Mo 鋼成分的特點(diǎn)，控制表面感應(yīng)淬火溫度、降低冷卻速度，進(jìn)而減小內(nèi)應(yīng)力和局部應(yīng)力的集中，避免誘發(fā)感應(yīng)淬火裂紋形成。