精（jīng）密滾珠絲杠副具有傳動效率高（gāo）、定位精度高、傳動可（kě）逆、使用壽命長（zhǎng）和同（tóng）步（bù）性能（néng）好（hǎo）等優點（diǎn）［1］，因而廣泛應用於各（gè）種工業設備、精（jīng）密儀器和（hé）精密數（shù）控機床中（zhōng）。目前，我（wǒ）國高檔數控機床對滾珠絲杠（gàng）類（lèi）滾動功能部件的年需求量約為15 億元，但80% 以上需要從（cóng）國（guó）外進口（kǒu），我國精密滾珠絲（sī）杠副的發展水平（píng）和國外（wài）相比差距較大。除了加工精度、原材料質量等因（yīn）素外，熱處理工藝（yì）的（de）不合理是製約其發（fā）展的主要因素。在實（shí）際生產中發現，經表（biǎo）麵（miàn）感應淬火的滾珠絲杠在磨削後（hòu），經常在（zài）絲杠表麵上出現軸向或網狀裂（liè）紋。據統計分析結果顯示，由（yóu）淬火（huǒ）溫度偏高或回火不足造成磨削裂紋的絲杠約占（zhàn）總數的20% ～ 30%。因此，開展滾珠絲杠表麵硬化層失效（xiào）分析研究對於提高我國（guó）滾珠（zhū）絲杠製造水平（píng）和高檔數控機床的整體製造水平有重要的現實意（yì）義。本文對（duì）國（guó）產Cr-Mo 鋼精密（mì）滾珠絲杠的表麵硬化層出（chū）現的（de）淬火裂紋（wén）進（jìn）行了失效分（fèn）析，進而探討了提高國產滾珠絲杠產品質量的有（yǒu）效途徑。

1 試驗材料和方法

      1． 1 試樣材料

      本次（cì）失效分析樣品為Cr-Mo 鋼（gāng）精密滾珠絲杠感應加熱淬火裂紋樣品，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: 預先熱（rè）處（chù）理 ( 調質處理) → 車絲→ 感應淬火→磨削。經（jīng）表麵感應淬（cuì）火後出（chū）現明顯的淬火（huǒ）裂紋。

    1． 2 試驗內容和方法

     實驗采用常規（guī）的（de）表麵硬化層失效分析方法。對Cr-Mo 鋼精密滾珠絲（sī）杠表麵硬化層裂紋進行整體宏觀形貌觀察，采（cǎi）用JEOL JSM-6610LV 型掃描電鏡（jìng）( SEM)和能譜儀對其進行微觀觀察和分（fèn）析（xī）。將用DK7730 電火花數控線切割機床切得的裂紋試樣經鑲嵌（qiàn）、打（dǎ）磨，然後用金相砂紙磨製並拋光，3% 硝酸酒精腐蝕後，用NIKON EPIPHOT 金相顯微鏡觀察樣品的顯微組織。最後，分別對試樣裂紋存在的凸台部位及凹槽部位從表麵到心部使（shǐ）用HV-1000 型維氏顯微硬（yìng）度計( 載（zǎi）荷砝（fǎ）碼0． 2 kg) 進行有效（xiào）硬化層的（de）測（cè）量，並繪製出硬度分布曲線。

2 試驗結果與分析

      2． 1 宏觀形貌觀察結果

      經宏觀觀察（chá）可見，裂紋擴展方向垂直於滾珠絲杠的軸線（xiàn）方向，由感應加熱淬火（huǒ）層內向外表麵（miàn）延伸，在絲（sī）杠凸台表（biǎo）麵和兩側都可觀察到宏觀裂紋（wén）形（xíng）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（gāng）精密滾珠絲杠表麵硬（yìng）化層裂紋的微（wēi）觀觀（guān）察和分析結果表明，裂紋擴展區的局部地方存在明顯的孔洞，孔洞內（nèi）散布（bù）著很多球形凝固產物。經（jīng）能譜檢測結果表明，這些球形物是Cr-Mo 鋼凝固時因冷卻速度快（kuài），而未能及（jí）時收縮而形成的金屬（shǔ）或非金屬夾雜，應為（wéi）典型的冶金疏（shū）鬆缺陷［2］，參見圖2 和表（biǎo）1。此外，在孔洞內觀察到的斷口呈現典型的沿晶斷口，為脆性（xìng）斷裂（liè）特征（zhēng），參（cān）見圖3。

      因此，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠感應加熱淬火層出現裂紋與鋼存在典型的冶（yě）金（jīn）疏鬆（sōng）缺陷直接相關，這（zhè）是感應（yīng）淬火（huǒ）裂紋形成的主要原因之一。

      2． 3 金相組織觀察

      金相觀察（chá）結果表明（míng），Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠的組織比較細（xì）密，心部基體組織（zhī）是（shì）回（huí）火索（suǒ）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（jiàn）圖（tú）4( a) 。滾珠絲杠裂紋存在的表麵硬化層組織是隱晶馬氏體，參見圖5。

      帶狀組織（zhī）成因是鋼在熱軋時沿軋製方向形成的［3］。帶（dài）狀組織因相鄰帶（dài）的（de）顯微（wēi）組織不同而破壞鋼的組（zǔ）織連續性，在外力作用下強、弱帶之間會產生（shēng）應力集中，因而造成力學性能降低，並使鋼的力學性能產（chǎn）生明顯的各向異性［4］。因此，應根據帶狀組（zǔ）織缺陷的成因嚴格控製原材料的質量，從而盡（jìn）量減輕其偏析程度［5］。

      2． 4 顯微硬度檢測

     實際檢（jiǎn）測的（de）精（jīng）密滾珠絲杠凸台部位及凹槽部位的顯微硬度分布曲線（xiàn）參見圖6。凸台部位表麵硬化層（céng）深度約為5 mm，硬化層隱晶馬氏體（tǐ）的硬度（dù）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（tǐ），其硬度值為280 ～ 320 HV0． 2。滾珠絲杠工作時常承受彎曲、扭轉、疲勞和衝擊（jī）載荷，同時（shí）在（zài）轉動（dòng）部位又承受較強的摩擦力。其性能要求除了保證心部高強韌度以（yǐ）及高的尺寸穩（wěn）定性外，還必須保證表麵高硬度和高耐磨性。因此，滾珠絲杠理想的硬度分布曲線應（yīng）保證滾道（dào）底部硬化層硬度值（zhí）為700 HV0． 2，深度為1 ～ 1． 5 mm，過（guò）渡區下降（jiàng）要平緩，心部組（zǔ）織硬度值穩定（dìng）在300 HV0． 2。顯微（wēi）硬度檢測結果（guǒ）表明，為使工作部位的凹槽底（dǐ）部達到理想硬化（huà）層深度，

      需提高感（gǎn）應加熱淬火時表層溫度和冷卻速度。但實（shí）際感應（yīng）淬（cuì）火後滾道（dào）底部仍沒有達到理想的淬硬層厚度，而非工作部位凸台處的硬度值則偏高。

      Cr-Mo 鋼精密滾珠（zhū）絲杠采用的（de）表麵感應淬火溫度偏高、冷卻速度過快，使得馬氏體轉變速度（dù）過（guò）快，因而產生很大的內應力（lì）和局部的應力集中。Cr-Mo 鋼屬於高強度合金工具（jù）鋼，鋼中Cr、Mo 等合金元素（sù）較為豐（fēng）富，因此其熱導（dǎo）率下降，感應加熱（rè）淬火時導致熱應力和組織應力再次增大。掃描電鏡及金相組織觀察結果顯示，絲杠中存（cún）在嚴重的冶金疏鬆缺陷、帶狀偏析，使鋼（gāng）材強度減弱，當淬火應力過大時（shí），將易於誘發感應淬火裂（liè）紋形成［6］。

3 結論

      根據上述檢測和觀察結果，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表麵硬化層失效的原因主要可以歸（guī）納為以下（xià）3 點: 1) 鋼中（zhōng）存在明顯的冶金缺陷，即裂紋擴（kuò）展區局（jú）部出現的孔洞，這是冶（yě）煉鋼時由於局部縮孔形（xíng）成疏鬆（sōng）區而造成（chéng）的。這種缺陷應是鋼中嚴格控製（zhì）避免出現的。

      2) 鋼中存（cún）在較明顯（xiǎn）的熱軋缺（quē）陷，即帶狀偏析（xī）組織，初（chū）步（bù）確定（dìng）這是鋼的棒料在（zài）熱軋時由於溫度偏高和軋製速度過（guò）快所（suǒ）致。這種缺陷應盡量減輕，否則（zé）也是易於造成組織不均（jun1）勻產生局部應力集中，從而誘發裂紋形成。

      3) 感（gǎn）應加熱淬火時表層溫度（dù）過高和（hé）冷卻速度過快，也是易於造成內應力過大和局部應（yīng）力（lì）集中，從（cóng）而誘發裂紋形成的原（yuán）因之一。

4 改（gǎi）進（jìn）措施及效果

      1) 嚴格控製鋼中帶狀組織的級別( ＜ 2 級) : 采用一般退（tuì）火（huǒ）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）高溫重結晶退火加（jiā）以改（gǎi）善，為後續熱處理提供良好的組織準（zhǔn）備。

      2) 改進表麵感應加熱淬火（huǒ）工（gōng）藝: 考（kǎo）慮Cr-Mo 鋼成（chéng）分的特點，控（kòng）製表麵感應淬火溫度、降低冷卻速度，進而減小內應力和局部應力的集中，避免誘發感應淬火裂（liè）紋形成。